39233

ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Лекция

Физика

Напротив ядро бериллия состоящее из 5 нейтронов и 4 протонов 2 αчастицынейтрон аномально неустойчиво распадается при облучении гаммаквантами относительно небольшой энергии. Гаммаизлучение это жесткое электромагнитное излучение сопровождающее ядерные превращения. Так при превращении радия в радон испускается гаммаквант энергии 019 МэВ поскольку именно такая разница между энергиями возбужденного и нормального состояний имеет место у радона. В сравнении с другими видами электромагнитного излучения гаммаизлучение...

Русский

2013-10-01

2.37 MB

8 чел.

ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Радиоактивность - это свойство ядер некоторых элементов самопроизвольно превращаться (распадаться) с изменением состава и энергетического состояния. Радиоактивность является внутренним свойством ядер, не зависит от внешних условий их существования и связана с соотношением ядерных сил.

Ядро состоит из положительно заряженных протонов, количество которых определяет заряд ядра и порядковый номер элемента в периодической системе, и электрически нейтральных нейтронов; сумма протонов и нейтронов (нуклонов) равна атомному весу элемента. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными силами. Они носят обменный характер, т.е. между протонами и нейтронами в ядре происходит постоянный обмен π-мезоном.

Основным свойством ядерных сил, влияющим на радиоактивность, является их короткодействие. В ядре каждый нуклон ядерными силами связан не со всеми нуклонами, а только с близлежащими. Радиус действия ядерных сил порядка 10-15 м. Ядро такого размера, в котором ядерные силы достигают насыщения, наиболее устойчиво. Это ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами, или α-частица, если это ядро имеет кинетическую энергию. Ядра других элементов, которые могут быть составлены из ядер гелия, обладают также максимальной устойчивостью и наибольшей распространенностью в горных породах. Это ядра элементов кислорода (8 протонов и 8 нейтронов), кремния (14, 14), кальция (20, 20). Напротив, ядро бериллия, состоящее из 5 нейтронов и 4 протонов (2 α-частицы+нейтрон), аномально неустойчиво, распадается при облучении гамма-квантами относительно небольшой энергии.

Энергия связи нуклонов в ядре может быть легко рассчитана:

E = Δm·c2

где Δm - дефект массы; с — скорость света в вакууме. Расчеты показывают: чем сложнее ядро, чем больше в нем протонов и нейтронов, тем меньше энергия связи в расчете на нуклон. Поэтому радиоактивность — это свойство преимущественно тяжелых элементов. Все элементы, порядковый номер которых больше 81 (таллий), являются радиоактивными или содержат радиоактивные изотопы.

В горных породах наблюдаются в основном три вида радиоактивных превращений. Альфа-превращение заключается в испускании ядром α-частицы. Примером такой реакции в горных породах может служить α-превращение радия в радиоактивный газ радон:

Бета-превращение состоит в испускании ядром β-частицы (электрона) при преобразовании в ядре нейтрона в протон (n→p+e- ) — 88 % ядер радиоактивного изотопа 40К испытывает этот тип превращения.

В 12 % случаев ядро 40К превращается в виде электронного захвата, заключающегося в захвате ядром электрона с внутреннего К-слоя и превращении протона в нейтрон:

Образовавшиеся в ходе радиоактивного превращения ядра чаще всего оказываются в возбужденном состоянии. Переходя в нормальное состояние, они излучают избыток энергии в виде гамма-квантов.

Гамма-излучение — это жесткое электромагнитное излучение, сопровождающее ядерные превращения. Энергия γ-излучения индивидуальна для каждого вида ядер и является параметром конкретного ядерного превращения. Так, при превращении радия в радон испускается гамма-квант энергии 0,19 МэВ, поскольку именно такая разница между энергиями возбужденного и нормального состояний имеет место у радона.

В сравнении с другими видами электромагнитного излучения гамма-излучение характеризуется большей энергией и большей частотой колебаний. Последнее вытекает из уравнения:

E = ћ·ν,

где ћ — постоянная Планка; ν — частота.

Для гамма-излучения более характерны корпускулярные, нежели волновые, свойства. Гамма-излучение можно представлять как поток частиц массы m = ћ·ν/c2, распространяющихся со скоростью света. Благодаря значительно более высокой проникающей способности γ-лучей в сравнении с α- и β-частицами, в методах разведочной геофизики используется в основном γ-излучение.

Время распада отдельно взятого ядра предсказать невозможно, так как радиоактивное превращение — явление случайное. Закономерность проявляется для большого числа атомов. Она выражена законом радиоактивного превращения, заключающимся в том, что количество превращающихся ядер пропорционально имеющемуся количеству радиоактивных ядер. Коэффициент этой пропорциональности есть параметр распадающегося атома λ и имеет смысл вероятности распада за единицу времени.

В интегральном виде закон радиоактивного превращения отражает изменение количества радиоактивного вещества со временем:

где t— время с начала превращения; N0, N - количество атомов превращающегося элемента, соответственно, в момент времени 0 и t.

Более удобным для использования параметром распадающегося ядра является период полураспада Т1/2, зависящий только от λ:

Т1/2 = ln2/λ.

Период полураспада равен времени, за которое превращается половина атомов. Так, если период полураспада радона 3,82 суток, то именно через это время в воде, взятой из радонового источника, останется всего половина атомов радона. Приближенно через 10 Т1/2, т. е. через 38 дней, все атомы радона распадутся. Ниже приводятся периоды полураспада наиболее распространенных радиоактивных изотопов горных пород:

Отметим, во-первых, низкое содержание радиоактивных элементов в земной коре. Сравним, например, с распространенностью таких породообразующих элементов, как Si (27,7 %) или Са (3,63 %). Содержание других радиоактивных элементов еще ниже. Во-вторых, у урана, тория и калия очень большой период полураспада, т.е. они относительно слаборадиоактивные элементы. Например, радий распадается в миллионы раз быстрее, чем уран, а радон — в миллиарды раз. Но во столько же раз этих элементов меньше в земной коре в сравнении с ураном. В этом проявляется зависимость распространенности элемента в природе от стабильности его ядра.

Если при превращении ядра 40К образуются сразу стабильные изотопы Са и Аг, то при распаде ядер урана и тория вновь образованные изотопы также являются радиоактивными. Вслед за распадом U и Th тянутся целые цепочки радиоактивных превращений, заканчивающиеся образованием стабильных изотопов свинца. Изотопы элементов, участвующие в этих последовательных превращениях, образуют так называемые радиоактивные ряды, родоначальниками которых являются уран и торий. Так, радий и радон входят в состав уранового ряда.

Главной особенностью радиоактивных рядов является та, что наиболее долгоживущим (наименее радиоактивным) элементом ряда является его родоначальник, т.е. уран или торий. Все остальные элементы ряда распадаются быстро. Это обстоятельство, а также экспоненциальный характер закона радиоактивного превращения приводят к важному свойству радиоактивных рядов — Оно проявляется в неизменности количеств элементов середины ряда, поскольку число распадающихся и образующихся атомов уравновешено. Количества атомов радиоактивных элементов ряда взаимосвязаны между собой и с количеством атомов родоначальника, т.е. урана или тория:

λ1·N1 = λ2·N2 =... = λi·Ni =... = λn·Nn,

где λi — постоянная распада i-го элемента ряда; Ni — количество атомов этого элемента. Согласно соотношению, зная количество атомов одного элемента ряда, можно определить количество всех остальных.

Произведение λ·N=A называется активностью вещества. Учитывая смысл λ, как вероятности распада за единицу времени, активность равна числу распадающихся атомов за единицу времени. Активность в один распад в секунду называется беккерелем (Бк).

Согласно уравнению радиоактивного равновесия, активность элементов ряда может быть выражена через активность его родоначальника:

A = n·λ·N

где n — количество элементов в ряду.

Иными словами, чтобы оценить радиоактивность уранового или ториевого ряда, достаточно знать количество урана или тория. Это обстоятельство очень упрощает изучение радиоактивности пород, так как в случае радиоактивного равновесия отпадает необходимость в определении содержаний тех радиоактивных элементов, которые входят в состав рядов.

Естественная радиоактивность горных пород

В горных породах присутствуют более 50 радиоактивных изотопов. Радиоактивность горных пород зависит от содержания в ней трех элементов: урана, тория и калия, которые отличаются не очень низкими содержаниями в горных породах и относительно высокой активностью (уран и торий — за счет элементов своих рядов). Поскольку в радиоактивных рядах много излучателей, горная порода характеризуется сложным спектром гамма-излучения.

Большинство гамма-квантов имеет низкую энергию, что затрудняет идентификацию по ним элементов. На рис. 6.1 приведена жесткая часть спектра гранитов. Наиболее выразительны пики энергий 1,76 и 2,2 МэВ, соответствующие элементам уранового ряда, а также пики энергий 0,92 и 2,62 МэВ, отвечающие элементам ториевого ряда. Энергия 1,45 МэВ принадлежит калию. По величине пиков названных энергий с помощью гамма-спектрометров можно раздельно определить содержание урана, тория и калия.

Раздельное определение основных радиоактивных элементов по их гамма-излучению позволило накопить большой фактический материал о распространенности этих элементов в горных породах, о их поведении в геологических процессах. Фактически с помощью измерения такого физического явления, как радиоактивность, изучается геохимия радиоактивных элементов, радиогеохимические закономерности формирования и изменения горных пород.

Формы нахождения радиоактивных элементов в горных породах

В горных породах уран и торий присутствуют в трех формах:

  1.  в виде собственных минералов; наиболее распространены торианит, уранинит, торит и др.;
  2.  в виде изоморфной примеси в минералах;
  3.  в рассеянной форме: в дефектах структур породообразующих минералов, в адсорбированном состоянии на поверхности минеральных зерен и в микротрещинах.

В связи с низкими, порядка 10-4 %, содержаниями урана и тория в горных породах преобладают третья и вторая формы их нахождения. Следует отметить, что в рассеянной форме уран и торий наиболее подвижны, наиболее способны к выщелачиванию метаморфическими и гидротермальными растворами.

В слабо- и нормальнорадиоактивных минералах, к которым относятся основные породообразующие полевые шпаты, железо-магнезиальные силикаты, уран и торий находятся в рассеянной форме; в высокорадиоактивных акцессориях - преимущественно в виде изоморфных примесей.

Калий, в силу относительно высокого содержания в породе, образует в основном собственные минералы. Повышенное его количество отмечается в калиевых слюдах и полевых шпатах, в глинистых минералах.

Радиоактивность осадочных пород

Содержание радиоактивных элементов в осадочных породах в среднем более низкое, чем в магматических. Это связано со значительной дифференциацией радиоактивного вещества при разрушении магматических пород и осадконакоплении. В силу этого осадочные отложения в целом характеризуются более низкими торий-урановыми отношениями (<3,7) по сравнению с магматическими.

Генеральной закономерностью осадочных пород является значительно более низкая радиоактивность кремнистых и карбонатных разностей пород (мергели, доломиты, кремнистые сланцы) по сравнению с терригенными (песчано-глинистыми) разностями. Особенно низким содержанием в этих породах отличаются К и Th.

Наблюдаемое часто повышенное содержание урана для терригенных отложений в ряде случаев наблюдается зависимость радиоактивности от степени дисперсности осадков. Содержание радиоактивных элементов и общая радиоактивность растут от песчанистых разностей к песчано-глинистым и максимальны для глинистых разностей пород. Это обстоятельство позволяет в случае песчано-глинистых разрезов определять степень глинистости пород по их радиоактивности, тем самым разделяя песчанистые пористые породы, которые могут служить коллектором для нефти, газа и воды, от глинистых пород, способных выполнять роль экрана.

Повышенная радиоактивность глин связана с их высокой способностью сорбировать катионы, особенно с большими зарядами, каковыми являются ионы тория и урана, а также с содержанием калия в глинистых минералах. Однако закономерности радиоактивности терригенных пород чаще всего не так просты.

Причиной отклонения от общих закономерностей служат конкретные условия выветривания и осадконакопления, индикаторами которых и являются радиоактивные элементы.

Большинство закономерностей в поведении радиоактивных элементов в седиментационном процессе может быть объяснено следующими обстоятельствами:

а) преимущественной миграцией тория и калия в твердом состоянии в виде частиц и взвесей, а урана — в растворе;

б) высокой способностью ионов тория и урана сорбироваться на заряженной поверхности глинистых минералов, органики, фосфоритов, гидроокислов железа, алюминия, марганца и других природных коллоидов;

в) способностью урана резко терять свою подвижность при переходе из шестивалентного состояния, в котором он преимущественно находится в растворах, в четырехвалентное, если на пути миграции встречаются восстановительные барьеры, такие как углерод- или пиритсодержащие породы.

В большей мере совпадают области накопления калия и тория. Осадки прибрежных мелководных фаций, формирующиеся в непосредственной близости от области сноса, характеризуются максимальным накоплением калия и тория.

В осадках относительно глубоководных фаций, представленных тонким глинистым материалом, концентрация тория вновь повышается.

Существуют две области накопления урана в осадках: прибрежно-морская и глубоководная. В первой содержание урана резко неравномерное, зависимости его от глинистости отложений, характерной для глубоководных осадков, не наблюдается. Глубоководные глинистые осадки характеризуются относительно равномерным и высоким содержанием урана. Наибольшие обуглероженность и ураноносность наблюдаются у пород, формировавшихся в условиях резко восстановительной среды.

Таким образом, для пород переходных условий осадконакопления отмечаются согласованное понижение содержаний всех трех радиоэлементов и низкая радиоактивность в сравнении с породами глубоководных и прибрежных фаций. Последние могут быть распознаны по соотношениям в содержаниях радиоактивных элементов.

Во всех случаях глинистые и углеродистые породы характеризуются повышенными содержаниями, по крайней мере, урана и тория; обогащенность их также калием указывает на преимущественно мелководные условия осадконакопления, хотя и в этом могут быть исключения. Чаще всего наиболее согласованные изменения содержания обнаруживаются у Th и К.

Свойства горных пород по отношению к нейтронному и гамма-излучению

Свойства горных пород, связанные с присутствием в них радиоактивных элементов, проявляют себя естественным образом, без воздействия извне. Если же породу облучать каким-либо видом радиоактивного излучения, то проявится другая группа её свойств, связанная с реагированием породы на это излучение. Эксперименты показывают, что при этом изменяется и порода, и излучение, т.е. имеет место взаимодействие. Со стороны излучения основным качеством, влияющим на его взаимодействие с породой, является энергия. Она в ходе взаимодействия радиоактивных частиц с породой изменяется (теряется), характер взаимодействия меняется, что вынуждает горную породу проявлять в ходе взаимодействия уже качественно иные свойства.

В разведочной геофизике для оценки состава пород по их взаимодействию с радиоактивным излучением используются преимущественно два вида частиц: нейтроны и гамма-кванты. Это связано с повышенной способностью данных незаряженных частиц проникать в глубь породы, а также со сравнительно простым способом получения источников гамма- и нейтронного излучения.

Понятие сечения взаимодействия

Нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов горной породы, гамма-кванты — с ядрами, атомами и электронами. Взаимодействие носит статистический характер, т. е. на конкретном участке породы оно может произойти или не произойти, проявиться в том или ином качестве. Важно оценить степень возможности каждого вида взаимодействия, влияния на неё состава породы и свойств частиц.

Пусть на плоскую поверхность породы падает параллельный пучок частиц, поток которых обозначим N0. Частицы, проходя через горную породу, могут с ней взаимодействовать: изменить свое направление движения (рассеяться) или поглотиться. Поток частиц, не взаимодействовавших с горной породой на расстоянии х от её поверхности, обозначим N, а число взаимодействующих частиц на следующем малом отрезке dx — dN.

Тогда очевидно соотношение

dN = -µ·N·dx

где µ, имеет смысл вероятности взаимодействия частицы с породой на единичном расстоянии. Поскольку в ходе взаимодействия теряется энергия частиц, т.е. происходит ослабление излучения, µ называют линейным коэффициентом ослабления.

Интегрирование этого выражения приводит к закону ослабления излучения в породе

N = N0·e-µ·x

Коэффициент ослабления зависит от свойств (энергии) излучения, от свойств атомов в горной породе, а также от количества последних в единице объема породы. Удобно использовать в качестве параметра величину, зависящую от меньшего числа переменных. Таким параметром является сечение взаимодействия δ, связанное с µ простым соотношением:

δ = µ/n

где n — число атомов (ядер) в единице объема породы.

Сечение взаимодействия имеет смысл вероятности взаимодействия нейтрона (гамма-кванта) с атомом (ядром, электроном), находящимся в единичном объеме. Оно имеет размерность площади и может быть представлено как часть единичной поверхности, которая оказывается «непроходимой» для частицы. Порядок сечения взаимодействия составляют 10-28 м2 и называется барном.

Процессы взаимодействия гамма-квантов с горными породами

Существуют три вида взаимодействия: поглощение гамма-кванта атомом или ядром и рассеяние гамма-кванта электронами. Какой из видов взаимодействия будет наиболее вероятен, зависит от энергии гамма-квантов и от свойств породы.

Фотоэлектрическое поглощение энергии гамма-кванта происходит на атомах горной породы. Энергия гамма-кванта расходуется на преодоление энергии связи электрона на i-й оболочке и на сообщение электрону кинетической энергии.

Чтобы электрон не вылетал из атома со скоростью, близкой к предельной скорости света, энергия гамма-кванта должна быть соизмерима с энергией связи электрона в атоме. Поэтому процесс фотопоглощения характерен для гамма-квантов низкой энергии и для атомов с большим порядковым номером z, поскольку чем больше заряд ядра, тем больше энергия связи электронов. Ei больше на внутренних слоях, поэтому при фотопоглощении гамма-кванта электрон вырывается с внутренних К или L-слоях. Сечение фотоэлектрического взаимодействия зависит от z и hv.

Реальные горные породы состоят из нескольких элементов с различными z. Для полиэлементной горной породы вводится понятие эффективного порядкового номера zэф. Для этого делается предположение о равенстве эффекта фотопоглощения в породе с zэф и в моноэлементарной среде с порядковым номером z. zэф, а значит и вероятность фотоэлектрического поглощения, сильно зависят от присутствия и содержания в породе тяжелых элементов (рудные элементы). Например, для железа порядковый номер – 26, свинца – 82, в то время как безрудная горная порода имеет zэф порядка 12-14.

Комптоновское рассеяние заключается во взаимодействии гамма-квантов с электронами горной породы. Этот вид взаимодействия возможен для гамма-квантов, энергия которых превышает энергию связи электрона в атоме, так что взаимодействие происходит со свободным электроном. Процесс более характерен для сред с низкими значениями z. Его можно рассматривать как столкновение двух шариков, исход которого зависит от их массы, с одной стороны, постоянной массы электрона, с другой,-зависящей от энергии массы гамма-кванта.

В результате взаимодействия гамма-квант рассеивается — теряет часть энергии и изменяет направление движения. Энергия рассеянного гамма-кванта зависит от энергии падающего и от угла рассеивания.

Наибольшие потери энергии происходят при рассеивании на больший угол; чем больше энергия гамма-кванта, тем большая её часть теряется при рассеянии.

Сечение комптоновского рассеяния сложным образом зависит от энергии гамма-излучения. Коэффициент ослабления гамма-излучения за счет комптоновского рассеяния зависит также от плотности породы и электронной плотности и практически не зависит от вещественного состава породы, определяемого z.

Ядерное поглощение характерно для гамма-квантов с высокой энергией и сред с высокими z. Процесс заключается в исчезновении гамма-кванта вблизи ядра и образовании за счет его энергии двух частиц — электрона и позитрона. Этот эффект имеет пороговое значение энергии, равное энергии покоя электрона и позитрона. Сечение ядерного поглощения пропорционально z2 и сложным образом зависит от энергии гамма-кванта.

В ходе всех трех процессов взаимодействия теряется энергия гамма-излучения. Полное сечение взаимодействия будет представлять сумму сечений всех трех взаимодействий, каждое из которых характерно для определенных энергий гамма-квантов: гамма-кванты низкой (<0,5 МэВ) и высокой (>3 МэВ) энергий горная порода преимущественно поглощает, причем тем интенсивнее, чем выше её эффективный порядковый номер, а гамма-кванты средних интервалов энергий - преимущественно рассеивает, и этот процесс не зависит от элементного состава породы.

Гамма-параметры горных пород

Измеряя гамма-излучение, прошедшее через горную породу, можно определить её поглощающие и рассеивающие способности, приближенно оценить элементный состав и плотность породы. Для разделения влияния zэф и σ на распределение гамма-квантов используются различные интервалы энергии: для определения σ — область комптоновского рассеяния, для определения zэф — область фотоэлектрического поглощения.

Влияние элементного состава на распределение гамма-квантов сказывается интегрировано, через zэф. Безрудные горные породы характеризуются значениями zэф, близкими к порядковому номеру кремния — 14. Несколько более высокими значениями отличаются породы повышенной основности (за счет железа) и известняки. Увеличение в породах содержаний тяжелых элементов приводит к повышению их zэф, и способности к поглощению гамма-квантов.

Породы, содержащие легкие компоненты (углерод, водород), отличаются пониженной способностью к поглощению гамма-излучения. По гамма-излучению можно не только выделять пласты углей среди вмещающих пород, но и оценивать их зольность.

Показателем состава породы служит также спектр рассеянного гамма-излучения. Наличие в породе элементов с большим порядковым номером делает спектр рассеянного гамма-излучения более высокоэнергетичным, поскольку высокая поглощающая способность таких пород не позволяет гамма-квантам рассеяться до низких энергий. Последние преобладают в породах вообще и в особенности в породах с низким zэф.

Фотопоглощение гамма-квантов вызывает в породе вторичное рентгеновское излучение. Серии переходов электронов на более низкие уровни сопровождаются излучением рентгеновского спектра. Поскольку энергетические уровни электронов у каждого элемента строго индивидуальны, столь же индивидуален для элемента и спектр рентгеновского излучения. Интенсивность рентгеновского излучения, соответствующей химическому элементу энергии, зависит как от сечения фотоэлектрического поглощения этого элемента, так и от содержания его в породе.

Плотность как гамма-параметр горной породы проявляется во всем диапазоне энергий гамма-излучений, но в «чистом виде» влияние плотности можно выделить лишь в области комптоновского рассеяния. Всем вариациям плотности горных пород и руд подобно будут соответствовать вариации распределения в этих породах и рудах рассеянного гамма-излучения и что с помощью гамма-излучения можно оценить плотность в разрезах скважин, а значит провести расчленение и корреляцию пород по плотности, выделить полезные ископаемые с аномальной плотностью.

Ядерное гамма-резонансное поглощение характерно для железо- и оловосодержащих пород. Оно заключается в аномальной способности ядер изотопов 119Sn и 57Fe этих элементов поглощать гамма-кванты. По этому аномальному поглощению гамма-излучения Sn и Fe могут быть обнаружены в породах

Нейтроны и процессы их взаимодействия с горными породами

Нейтроны не имеют заряда и поэтому не испытывают электрического воздействия электронов и ядер и проникают достаточно глубоко в породу. Их взаимодействие с горной породой зависит от энергии. Различают нейтроны: тепловые, промежуточные и быстрые различие заключается в присущей каждому виду энергии. Такие названия для нейтронов с различной энергией обусловлены тем, что в отличие от гамма-квантов, движущихся всегда с постоянной скоростью, скорость движения нейтронов пропорциональна их энергии. Если в результате взаимодействия с породой энергия теряется, то нейтрон превращается в обычную частицу, испытывающую тепловое хаотичное движение.

Нейтроны, как и гамма-кванты, испытывают в породе рассеяние и поглощение. Отличие заключается в том, что взаимодействует нейтрон исключительно с ядрами, при рассеянии нейтрон не только изменяет направление движения и теряет свою энергию, но и замедляется, а при поглощении не исчезает, а входит в состав ядра, поэтому процесс поглощения ядром нейтрона ещё называют захватом.

Рассеяние нейтрона может быть упругим и неупругим. Упругое рассеяние аналогично столкновению двух идеально упругих шариков, при котором ядру передается часть энергии нейтрона.

Потеря энергии нейтрона (а значит, и его замедление) зависит от массы ядра М и угла рассеяния нейтрона Θ. Характеризует её так называемый параметр замедления, равный логарифмической потере энергии на одно соударение.

Наибольшие потери энергии нейтронов происходят при соударении с легкими ядрами, а максимально возможная потеря - при взаимодействии нейтрона с ядром водорода, равным ему по массе. При лобовом соударении нейтрона с водородом возможна полная потеря его энергии. В то же время соответствующие значения для кислорода и кремния составляют 11 и 6 %.

При неупругом рассеянии энергия нейтронов расходуется не только на придание кинетической энергии ядру, но и на его возбуждение, т.е. увеличение его внутренней энергии. Энергия возбужденного ядра в последующем высвобождается в виде гамма-квантов. Поскольку у каждого ядра энергии возбужденных уровней свои, то излучаемый возбужденными ядрами спектр гамма-излучения будет индивидуален для каждого вида ядер и может быть использован для определения элементов в горной породе. Неупругое рассеяние может произойти только с нейтронами, энергия которых превышает энергию первого возбужденного уровня ядра, которая изменяется от нескольких мегаэлектронвольт для легких ядер, до 100 кэВ — для тяжелых. Поэтому неупругое рассеяние характерно для быстрых нейтронов и сред с тяжелыми ядрами.

Быстрые нейтроны в результате упругих и частично неупругих соударений замедляются и в области низких энергий могут поглотиться ядрами. В результате радиационного захвата тепловых нейтронов ядром возникает вторичное гамма-излучение. Сечение захвата, как и вообще сечение взаимодействия, убывает с увеличением энергии нейтрона; в области промежуточных нейтронов δ имеет резонансные пики. Сечение захвата зависит также от строения ядер элементов, от степени «недостаточности» в их составе нейтрона. Наибольшее сечение захвата 3 барна из породообразующих элементов имеет железо.

Нейтронные характеристики горных пород

В соответствии с двумя видами взаимодействий с нейтронами различают две группы нейтронных свойств пород: замедляющие и поглощающие.

Кроме названных параметров замедления и сечения рассеяния в качестве нейтронной характеристики используют так называемую длину замедления нейтронов LS:

где r— среднее значение квадрата расстояния от начала движения в породе быстрого нейтрона до точки его замедления до тепловой энергии.

При постоянной начальной энергии быстрых нейтронов (для одного источника) длина замедления зависит только от замедляющих способностей породы. Последняя же определяется как возможностью рассеяния (сечением), так и потерей энергии нейтрона при столкновении. По последнему свойству элементы горных пород наиболее разнятся между собой, и именно потерей энергий при столкновении элементов определяются аномальные или нормальные свойства пород.

Аномальным замедлителем в горных породах являете водород. На нем теряется максимальное количество энергии нейтрона, он в сравнении с другими легкими элементами (Li, Be, С), обладающими также повышенными потерями, находится в достаточно больших количествах в минеральном скелете породы и в веществе, заполняющем поры. Увеличение в породах воды, газа или нефти приводит к существенному понижению длины замедления нейтронов. Увеличение водородосодержания породы на 30% приводит к уменьшению LS в 2,5 раза. При этом минеральный состав осадочной породы мало сказывается на длине замедления. Наличие же в породах сульфидов и других минералов тяжелых металлов, на ядрах которых потерь энергии нейтронов практически не происходит, увеличит длину замедления породы.

Поглощающие свойства горной породы принято характеризовать двумя параметрами: τ и Ld. Среднее время жизни тепловых нейтронов τ в среде определяется отрезком времени между моментом, когда быстрый нейтрон замедлился до теплового, и моментом поглощения теплового нейтрона ядром.

Малые времена жизни тепловых нейтронов определяют их малую плотность в горной породе. Измеряя последнюю, можно определить наличие и концентрацию в породе элементов, аномально поглощающих нейтроны.

Например, присутствие в непресной поровой воде хлора делает её более способной к поглощению тепловых нейтронов, чем нефть, что может быть использовано для разделения водородосодержащих сред.

Длина диффузии Ld теплового нейтрона, аналогично длине замедления, характеризует среднее квадратичное расстояние, которое проходит нейтрон от точки замедления до точки поглощения.

На величину Ld влияют как рассеивающие, так и поглощающие свойства среды. Длина диффузии в отличие от LS зависит не только от водородосодержания породы, но и от содержания в ней элементов, ядра которых с разной вероятностью поглощают тепловые нейтроны. Более низкое значение Ld у известняка в сравнении с кварцевым песчаником обусловлено относительно хорошо поглощающим тепловые нейтроны кальцием.

На величину времени жизни тепловых нейтронов и на их распределение в породе наличие элементов — аномальных поглотителей нейтронов сказывается интегрированно. Больший вклад в понижение τ может внести элемент с более низким сечением захвата теплового нейтрона, но находящийся в породе в больших количествах, чем остальные.

Определение радиоактивности

Измерение α, β, и γ излучения основано на воздействии его на вещество. Воздействие может заключаться в ионизации газа, в сцинтилляции (свечении) прозрачных кристаллов, в изменении электропроводности полупроводников. Соответственно различают ионизационные, сцинтилляционные и полупроводниковые приборы. В этих приборах энергия радиоактивной частицы преобразуется в энергию импульса; количество импульсов за единицу времени соответствует радиоактивности вещества, а амплитуда импульса - энергии радиоактивной частицы. Для регистрации нейтронов используются те же приборы, но в вещество детектора добавляются элементы (Li, В), которые аномально поглощают нейтроны, испуская при этом вторичное гамма-излучение, которое и регистрируется прибором.

Поле радиоактивного излучения характеризуется потоком частиц N или интенсивностью излучения J. Поток численно равен количеству частиц, проходящих через единичную площадку за единицу времени.

Приборами измеряются как интегральные потоки и интенсивности (радиометры), так и потоки и интенсивности излучений по интервалам их энергий (спектрометры).

Измеряемой оценкой интенсивности излучения является мощность экспозиционной дозы. Мощность дозы в единицах СИ измеряется в ампер на килограмм (А/кг). Внесистемная единица - рентген в секунду: 1 Р/с=2,58 А/кт. В геофизической практике пользуются единицей мкР/ч. МкР/ч - это мощность экспозиционной дозы гамма- и рентгеновского излучения, которое совместно с возникающим в веществе вторичным корпускулярным излучением образует в 1 см3 свободного от водяных паров воздуха (при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст.) 2.083·103 пар ионов за час.

Ядерно-магнитные свойства

Как мы уже знаем, важным с практической точки зрения свойством горных пород является их пористость, поскольку поры могут вмещать воду, нефть или газ. В результате взаимодействия поровой воды с поверхностью твердой фазы часть порового пространства оказывается заполнено физически связанной водой, не способной к фильтрации и замещению углеводородами. Единственным геофизическим методом, раздельно определяющим в порах доли физически связанного и свободного флюида, является ядерно-магнитный метод, основанный на дифференциации горных пород по ядерно-физическим свойствам (Аксельрод, Неретин, 1990; Неретин и др.,2001; Хаматдинов и др., 2002 и др.).

Ядерно-магнитные свойства горных пород обусловлены наличием у ядер атомов большинства химических элементов как механических (р), так и магнитных (µ) моментов, так как ядра состоят в том числе и из заряженных протонов. Исключение составляют ядра наиболее распространенных химических элементов (6С12, О16, 14Si28, 20Са40 и др.), имеющих четное и одинаковое число протонов и нейтронов в ядре. Основной ядерно-магнитной характеристикой изотопа химического элемента является гиромагнитное отношение, определяющее в нем соотношение магнитного и механического моментов: γ= µ/р.

В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты ядер направлены хаотично и их суммарный магнитный момент равен нулю. Если ядра поместить в магнитное поле (Земли или постоянного магнита), то магнитное взаимодействие выразится в ориентации векторов µ в направлении внешнего магнитного поля. Однако полной ориентации не происходит, и вектор µ, подобно оси вращающегося волчка в поле тяготения Земли, прецессирует вокруг направления вектора напряженности магнитного поля. Частота прецессии (f) и ядерная магнитная восприимчивость (χ) зависят от гиромагнитного отношения и являются индивидуальными для ядер конкретного изотопа.

Для увеличения весьма слабой ядерной намагниченности используется механизм свободной прецессии ядер. Заключается он в создании их неравновесного состояния с помощью дополнительного поляризующего поля высокой интенсивности, поперечного к основному. Таким образом достигаются увеличение ядерной намагниченности и поворот ее относительно направления основного поля. После выключения поляризующего поля начинается свободная прецессия µ отдельных ядер и всего вектора намагниченности М вокруг направления вектора основного поля. Обнаруживается эта прецессия по ЭДС, наводимой прецессируемым полем в измерительной катушке прибора и имеющей частоту, которая определяется формулой:

где H – индукция магнитного поля.

Ядерная намагниченность характеризуется определенным временем установления или спада. При включении поляризующего магнитного поля она растет по закону:

M1 = Mmax·(1-e-t/T1)

где Мmax — намагниченность через большое время поляризации; T1 - время продольной релаксации - параметр, характеризующий скорость изменения составляющей намагниченности, ориентированной вдоль направления внешнего поля. Установлению намагниченности препятствует тепловое движение молекул вещества (решетки), поэтому T1 называют также временем спин-решетчатой или термической релаксации.

После выключения поляризующего поля ЭДС измерительной катушки уменьшается в соответствии с изменением поперечной составляющей М2 вектора намагниченности. Величина M2 убывает по закону:

M2 = Mmax·e-t/T2

где Т2 - время поперечной релаксации - постоянная, характеризующая скорость уменьшения поперечной составляющей намагниченности. Наряду с другими процессами, большой вклад в уменьшение поперечной составляющей намагниченности вносит взаимодействие между системой спинов ядер, поэтому Т2 называют также временем спин-спиновой релаксации.

Изменяя f радиочастотного поля (или величину магнитного поля), можно создать условия резонанса для изотопов различных химических элементов, поскольку величина гиромагнитного отношения индивидуальна для каждого из них. Это является содержанием ядерно-магнитной спектроскопии в химии. Провести ядерно-магнитную спектроскопию горных пород при геофизических исследованиях скважин в настоящее время затруднительно, поэтому аппаратуру настраивают на условия резонанса только ядер водорода.

Водород (изотоп 1Н1), ядро которого состоит из одного протона, отличается аномальными ядерно-магнитными свойствами. Именно этот химический элемент в больших количествах входит в состав поровых флюидов — воды, нефти и углеводородного газа. Содержащиеся во флюидах кислород и углерод не дают большого ядерно-магнитного эффекта из-за отсутствия магнитных моментов у основных их изотопов и низкой распространенности других.

Наиболее информативными характеристиками являются релаксационная кривая, отражающая затухание намагниченности порового флюида в породе по времени поперечной релаксации Т2, и амплитуда сигнала, соответствующая времени начала измерения релаксационной кривой.

Затухание намагниченности порового флюида определяется тремя параллельно протекающими процессами релаксации.

  1.  Поверхностная релаксация (основная) возникает в результате взаимодействия ядер водорода с поверхностью зерен и зависит от распределения пористости по размерам пор, от формы пор и релаксационной активности поверхности.
  2.  Диффузная релаксация проявляется в неоднородном магнитном поле в связи с диффузией порового флюида.
  3.  Объемная релаксация определяется собственно свойствами порового флюида. Эффект объемной релаксации слабее поверхностной и может быть измерен в случае неактивной поверхности твердой фазы (кавернозные карбонаты, гидрофильные коллекторы для углеводородов).

При исследовании диффузной и объемной релаксаций принципиально возможно разделение воды и нефти.

Амплитуда сигнала пропорциональна водородосодержанию. В отличие от нейтронных характеристик горных пород, на амплитуду сигнала ядерно-магнитного резонанса влияет водородосодержание только флюида, поскольку к началу измерения («мертвое время» между выключением поляризующего поля и началом измерения) релаксация протонов водорода, входящего в состав твердой фазы породы, уже завершается. Амплитуда сигнала при начальном времени измерения соответствует коэффициенту пористости породы.

На рис. 6.24 представлены две кривые, характеризующие ядерно-магнитные свойства пористой породы — измеренная релаксационная кривая и рассчитанная по ней кривая дифференциального спектра.

Релаксационная кривая представляет собой зависимость амплитуды сигнала от времени измерения и отражает затухание намагниченности порового флюида. Рассчитанный по релаксационной кривой дифференциальный спектр описывает распределение сигнала ядерно-магнитного резонанса (пористости) по временам поперечной релаксации, соответствующим разным скоростям релаксации намагниченности флюида в порах разного размера.

Так как время релаксации пропорционально размерам пор, то дифференциальное распределение пористости по временам релаксации качественно характеризует распределение пористости по размерам пор. Используя граничные значения времен поперечной релаксации, можно отдельно определить эффективную пористость, пористость глин, пористость, вмещающую капиллярно-удержанную воду.

На рис. 6.24 представлены результаты исследования двух образцов коллекторов с близкими значениями коэффициентов пористости, но с сильно отличающимися проницаемостями. Из результатов ядерно-магнитного резонанса видно, что в дифференциальном спектре коллектора с проницаемостью 468.8 мД присутствуют времена релаксации более 103 мс, в то время как во втором случае (Кпр=13.38 мД) времена релаксации не превышают 102 мс. Этот факт однозначно указывает на то, что максимальный размер пор в первом коллекторе, как минимум, на порядок превышает максимальный размер пор во втором. Это и является причиной их существенного отличия по проницаемостям.

Метод ядерного магнитного резонанса является единственным методом определения в коллекторах свободного флюида и, следовательно, оценки эффективной пористости. Использование специальных методик позволяет по спектрам времен релаксации давать количественную оценку также проницаемости коллекторов.

PAGE  13


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36245. Распознавание образов: подходы 36 KB
  Ассоциативность памяти и задача распознавания образов Динамический процесс последовательной смены состояний нейронной сети Хопфилда завершается в некотором стационарном состоянии являющемся локальным минимумом энергетической функции ES. Невозрастание энергии в процессе динамики приводит к выбору такого локального минимума S в бассейн притяжения которого попадает начальное состояние исходный пред'являемый сети образ S0. Поскольку для двух двоичных векторов минимальное число изменений компонент переводящее один вектор в другой является...
36246. Персептрон Розенблатта: структура, алгоритм обучения 52 KB
  Персептрон Розенблатта: структура алгоритм обучения. С сегодняшних позиций однослойный персептрон представляет скорее исторический интерес однако на его примере могут быть изучены основные понятия и простые алгоритмы обучения нейронных сетей.Розенблаттом метод обучения состоит в итерационной подстройке матрицы весов последовательно уменьшающей ошибку в выходных векторах. Здесь темп обучения.
36247. Генети́ческий алгори́тм 57.5 KB
  Некоторым обычно случайным образом создаётся множество генотипов начальной популяции. Таким образом можно выделить следующие этапы генетического алгоритма: Задать целевую функцию приспособленности для особей популяции Создать начальную популяцию Начало цикла Размножение скрещивание Мутирование Вычислить значение целевой функции для всех особей Формирование нового поколения селекция Если выполняются условия останова то конец цикла иначе начало цикла. Создание начальной популяции Перед первым шагом нужно...
36248. Программные агенты: классификация, структура. Многоагентные системы 43.5 KB
  Классификация агентов. Классификация агентов типы агентов Простые Смышленые Интеллектуальные характеристики Автономное выполнение Взаимодействие с другими агентами и пользователями Слежение за окружением Способность использования абстракций Способность использования предметных знаний Возможность адаптивного поведения для достижения цели Обучение из окружения Терпимость к ошибкам Rel time исполнение ER взаимодействие С позиции изучаемой дисциплины нас прежде всего...
36249. Экспертные системы: виды, структура, этапы построения 119 KB
  При разработке ЭС определяются основные ресурсы к которым относятся: источники знаний время разработки вычислительные средства объем финансирования. Этап завершается созданием модели предметной области и определением следующих задач: типов доступных данных; исходные и выходные данные; используемые стратегии и гипотезы; типы используемых отношений; состав знаний используемых для решения задачи; состав знаний используемых для обоснованного решения. В ходе данного этапа производится оценка выбранного способа представление...
36250. Ресурсы. Свойства и классификация ресурсов. Дисциплины распределения ресурсов 79 KB
  Понятие ресурса. Ресурсы различаются по запасу выделяемых единиц ресурса и бывают в этом смысле исчерпываемые и неисчерпываемые. Исчерпываемость ресурса как правило приводит к жизненным конфликтам в среде потребителей Для регулирования конфликтов ресурсы должны распределяться между потребителями по какимто правилам в наибольшей степени их удовлетворяющим. Именно в этом смысле далее и трактуется понятие ресурса.
36251. Процессы. Задачи синхронизации. Задача взаимного исключения, задача Производитель-потребитель, задача Читатели-писатели 51 KB
  На уровень долгосрочного планирования выносят действия редкие в системе, но требующие больших системных затрат. На уровень краткосрочного планирования выносятся частые и более короткие по длительности действия по управлению процессами.
36252. Аппаратная реализация взаимоисключения: команда test and set. Семафоры. Обеспечение взаимоисключения при помощи семафоров 50 KB
  Главным фактором, обеспечивающим успех в этом случае, является наличие одной аппаратной команды, которая осуществляет чтение переменной, запись ее значения в область сохранения и установку нужного конкретного значения этой переменной
36253. Структура оперативной памяти. Организация виртуальной памяти. Страничное, сегментное и сегментно-страничное распределение памяти 71.5 KB
  Структура оперативной памяти. Организация виртуальной памяти. Страничное сегментное и сегментно-страничное распределение памяти. Структура памяти любой машины является многоуровневой.