Глава 9: Радиоактивные свойства горных пород

Под радиоактивностью понимают самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов химических элементов в другие более устойчивые, которое сопровождается выделением энергии с испусканием -лучей. Различают естественную и искусственно вызванную радиоактивности горных пород.

9.1 Естественная радиоактивность

Самопроизвольное превращение одного изотопа в другой называется радиоактивным распадом. Процесс радиоактивного распада сопровождается и -излучением.

Все виды радиоактивных ( ) излучений, попадая в материальную среду, испытывают в той или иной мере поглощение. Наибольшему ослаблению подвержены -лучи, обладающие большой ионизирующей способностью. Поток -лучей почти полностью поглощается даже листом бумаги или слоем пород толщиной в несколько микронов. Поток -лучей обладает большей проникающей способностью и полностью поглощается слоем алюминия толщиной до 8 мм или слоем породы в несколько миллиметров.

Гамма-излучение представляет собой высокочастотное коротковолновое электромагнитное излучение, граничащее с жестким рентгеновским. Оно возникает в результате ядерных процессов, и рассматривается как поток дискретных частиц -квантов. -лучи не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном полях.

Благодаря своей высокой проникающей способности -излучение имеет практическое значение при исследовании разрезов скважин.

С течением времени естественная радиоактивность горной породы уменьшается. При этом число ядер для радиоактивного элемента, распавшихся за бесконечно малый промежуток времени dt, пропорционально количеству ядер n, не распавшихся к моменту времени t:

(9.1),

где t=0, n₀ число атомов радиоактивного вещества в начальный момент времени t=0, n – количество нераспавшихся ядер к моменту времени t , — коэффициент пропорциональности, характеризующий вероятность распада в единицу времени и называемый постоянной распада.

Постоянная распада , период полураспада Т и средняя продолжительность жизни радиоактивного атома являются характерными взаимосвязанными величинами и имеют определенные числовые значения для каждого радиоактивного элемента:

(9.2)

Для количественной оценки радиоактивности наиболее часто применяется величина или объемная единица эквивалентной концентрации радия по -излучению — грамм-эквивалент радия на 1 г породы (г-экв Rа/г). Такая единица соответствует концентрации радиоактивных элементов в горной породе, при которой возникает -излучение такой интенсивности, как при распаде 1 г Rа. На практике пользуются единицей в 10¹² раз меньшей грамм-эквивалента — пико-грамм-эквивалентом радия на 1 г породы и единицами АРI (пг-экв Rа/г =16,5АРI).

Радиоактивность пород в основном связана с содержанием в них таких радиоактивных элементов, как уран, торий, актино-уран и др., продуктов их распада, изотопа калия .

В литосфере известно более 200 минералов, в состав которых входят уран, торий, радий и калий. Среди магматических пород наибольшей радиоактивностью обладают кислые: граниты, кварцевые диориты, кварцевые порфириты, липариты и др., , а ультраосновные (пироксениты, перидотиты, оливиниты и др.) — наименьшей.

Радиоактивность осадочных горных пород зависит от радиоактивности их твердой, жидкой и газообразной фаз, от количественного содержания этих фаз, и в общем случае определяется:

(9.3),

где — удельная радиоактивность i-го компонента твердой фазы; — объемное содержание i-го компонента в твердой фазе; — удельная радиоактивность флюидов, насыщающих поровое пространство; — коэффициент пористости.

В большинстве случаев пластовые воды и нефти характеризуются незначительной радиоактивностью, а у природных углеводородных газов она практически равна нулю. Исключение составляют лишь пластовые воды, обогащенные солями радия и калия.

Радиоактивность твердой фазы пород обусловлена наличием в ее составе урановых, ториевых и калиевых минералов (уранинит, торит, бреггерит, калийные соли), и минералов (циркон, сфен, ксенотим, монацит, полевые шпаты, слюды, глауконит, глинистые минералы и др.) содержащих адсорбированные радиоактивные элементы.

В осадочных горных породах наибольшей радиоактивностью обладают глинистые породы, за счёт содержания в ней большого количества изотопа К⁴⁰.

Обычно глинистая составляющая твердой фазы осадочных горных пород обладает значительно большей удельной радиоактивностью q_гл, чем ее собственно твердая фаза (скелетная часть). Если радиоактивность твердой фазы q_м постоянна, ее плотность _м = _гл, а q_ж = 0, то радиоактивность горной породы определится как [3] :

(9.4).

Зависимость вида (9.4), получаемая для конкретных типов пород, устанавливает практически однозначную связь между q_п и k_гл .

В ряде случаев в формировании естественной радиоактивности терригенных пород наряду с глинистым существенную роль может играть и мелкоалевритовый компонент породы. В связи с этим радиоактивность песчано-алеврито-глинистых пород не всегда является однозначной функцией глинистости.

Использование спектрометрии позволяет по фону естественной радиоактивности определить количественное содержание различных радиоактивных элементов в горной породе. Эти данные позволяют получить информацию об условиях формирования горной породы.

Осадочные породы по степени радиоактивности можно разделить на три группы [11]:

1. с низкой радиоактивностью: хорошо отсортированные и слабосцементированные мономинеральные кварцевые пески, алевролиты, чистые известняки, доломиты, каменная соль, ангидриты, гипсы, большинство углей, нефтенасыщенные породы.

2. с повышенной (средней) радиоактивностью: глинистые разности осадочных пород, породы, содержащие глинистые фракции (песчаники, алевролиты, мергели, известняки и др.), а также породы с органическими примесями.

3. с высокой радиоактивностью: калийные соли, монацитовые и ортитовые пески, глубоководные глины, красные глины, глинистые сланцы.

Многочисленные исследования показали, что содержание урана в пластовых водах повышается с приближением к контурам нефтеносности. Увеличение доли асфальтенов и спиртобензольных смол отражается в повышении концентрации урана в нефтях. Содержание урана в нефтях увеличивается с ростом её сернистости, плотности и смолистости.