Нейрон-активационный метод при разведке медноколчеданных руд. Безкерновое определение меди в скважине

Нейрон-активационный метод при разведке медноколчеданных руд. Безкерновое определение меди в скважине

1. Медь. Свойства меди. Крупнейшие месторождения

Медь (лат. Cuprum-от названия острова Кипр, где в древности добывали медную руду) Сu, химический элемент I группы периодической системы, атомный номер 29, атомная масса 63,546. Природная медь состоит из смеси двух стабильных изотопов <#"578103.files/image001.gif">Сu+ Сu2 + Сu3+ соответственно равны 7,7264, 20,2921, 36,83 эВ; атомный радиус <#"578103.files/image004.gif">

Применительно к изотопам Си64 и Аз75 оказывается, что неравенство соблюдается в тех случаях, когда

В частности, для δ 0 = 0.1 необходимое время активирования можно подобрать только для таких руд, где содержание меди на порядок выше содержания мышьяка. Такое соотношение выдерживается в большинстве случаев.

Получим для δ 0 = 0.1 t≈16ч. Полученное значение экспозиции активирования нужно понимать в том смысле, что при облучении медноколчеданной мишени в течение времени, больше 16ч. влияние мышьяка может превысить допустимый предел (10%). Конечно, при уменьшении времени активирования доля эффекта, связанная с Аs75, будет уменьшаться, поскольку Аs75 .имеет больший период, чем Сu64. Таким образом, при облучении медно колчеданной среды в течение времени t < 16 ч полученный эффект можно считать практически свободным от влияния долгоживущих продуктов.

Рис. 1

Среди группы короткоживущих изотопов наибольшими периодом и активационной константой обладает изотоп Мn56. Опыт подтверждает, что именно этот продукт является главной помехой при детектировании группы среднеживуждх излучателей. Изотоп Мn56 образуется в результате ядерных реакций (п,у) и (п, р) соответственно за счет стабильных изотопов Мn56 и Fе56. Вследствие незначительных содержаний марганца в колчеданных рудах (обычно это тысячные или первые сотые доли процента) выход реакции Мn55 (п,у) Мn56 невелик. По крайней мере, насыщенные активности меди и марганца при их средних концентрациях в рудах разнятся между собою примерно в 40 раз. Наблюдающийся на опыте довольно высокий эффект, связанный с изотопом Мn56, обязан главным, образом реакции Fе56 (n, р) Мn56, идущей на быстрых нейтронах. Это обстоятельство подтверждается уменьшением активности Мn56 при увеличении степени влагонасыщенности колчеданной руды. Значительный период Мn56 сильно затягивает перерыв между снятием с облучения и моментом измерения. В частности, применительно к содержаниям меди 0,5-10% и типичной активности Мn56 (определенной на опыте) значение паузы, сводящей долю эффекта Мn56 в сравнении с активностью Сu64 к 10%, составляет соответственно ~16 и ~6 ч. Для средних значений содержания меди в рудах пауза составляет

примерно 8-10 ч. При таком времени «остывания» суммарный эффект, связанный с группой короткоживущих продуктов, оказывается пренебрежимо малым. Конечно, в тех случаях, когда эффект связан только с Сu64 и Мn56, их парциальные активности могут быть найдены простым расчетом по кривой измерения эффекта в течение небольшого промежутка времени (1-2 ч). Однако наличие в среднеживущей группе излучателей помимо изотопа Сu64 других продуктов усложняет такую возможность.

Таким образом, соответствующим подбором экспозиции облучения и паузы можно свести наведенный эффект, связанный с долгоживущими и короткоживущими продуктами, к допустимым пределам. Поэтому на результатах измерений будут сказываться только среднеживущие продукты. Применительно к медноколчеданным рудам среднеживущая группа изотопов представлена Nа24, К42, Сu64 и Zn69. Периоды полураспада этих изотопов настолько близки между собой, что их разделение временными характеристиками оказывается невозможным.

Сравнивая спектральные составы γ-излучения отмеченных продуктов, можно заметить, что Сu64 и Zn69 значительно отличаются от Na24 и К.42 по энергиям фотонов: первые два изотопа «мягче» последних. Изотопы Сu64 и Zn69 между собой по энергиям практически не разделяются (0,51 и 0,44 Мэв). Мало отличаются по энергиям и продукты К42 и Nа24 (1,51 и 1,37; 2,75 Мэв). Отмеченное позволяет разделить наведенные эффекты, связанные со щелочами, от активности, обусловленной суммой Си64 + Zn69, путем измерений с экранированием или cспектрометрические.

Не касаясь последнего вопроса, отметим, что учет спектрального состава путем измерений экранированным и неэкранированным счетчиками, реализован на основе серийной каротажной аппаратуры на газоразрядных счетчиках.

Имеющийся опыт показывает, что раздельное определение суммы Сu64 + Zn69 и Na24 + К42 экранированием оказывается достаточно надежным. Добавим, что на практике такие измерения необходимо выполнять лишь при анализе вкрапленных руд, так как в сплошных колчеданных рудах, щелочи практически отсутствуют.

Следовательно, необходимым подбором экспозиции облучения и паузы в сочетании с экранированием можно освободиться от подавляющего числа искусственно-радиоактивных продуктов, образующихся при активировании медноколчеданной мишени, что приводит к детектированию эффекта связанного практически лишь с изотопами Сu64 и Zn69. Поскольку раздельное определение этих изотопов невозможно, представляется необходимым сравнить их наведенные эффекты при заданных соотношениях содержаний меди и цинка в руде.

Найдем отношение насыщенных активностей Сu64 и Zn69 в момент, снятия с облучения. При расчете будем полагать одинаковыми спектральные чувствительности счетчика для фотонов энергий 0,44 и 0,51 Мэв и их средние пробеги в изучаемой среде. В частности, при одинаковом содержании меди и цинка в руде, наведенный эффект, связанный с изотопом меди Си64, будет практически на два порядка выше эффекта, связанного с Zn69.

Обычно руды с содержанием цинка 8-10% считают довольно богатыми. В этом случае наведенный эффект, связанный с Zn69, будет соизмерим с активностью Сu64 при содержании меди ~0,08-0,1%. Следовательно, в цинково-медистых колчеданах содержание меди по изотопу Сu64 может быть завышено примерно на первые десятые доли процента. Учитывая соотношение насыщенных активностей Сu64 и Zn69, можно полагать, что при соблюдении неравенства Zn69/Cu64< 10 относительная погрешность в определении меди будет менее 10%. В типичных медноколчеданных рудах, где концентрации меди и цинка соизмеримы между собой, наведенным эффектом от цинка можно практически пренебречь .Поэтому следует считать, что наведенную активность, связанную с изотопом меди Сu64, можно детектировать из суммарного эффекта, возникающего при облучении медноколчеданной среды типичного химизма.

Таковы предпосылки активационного опробования на медь медноколчеданных руд. Важно отметить, что детектирование полезного эффекта и его промер могут быть осуществлены при любой геометрии мишени. Это означает, в частности, возможность определения концентрации меди в рудных под сечениях разведочных скважин, что имеет большое значение при недостаточном выходе или отсутствии керна по скважине.

Методика активационного опробования медноколчеданных руд в скважинах

Работы следует начинать с определения границ рудного подсечения по оси скважины. Для этого с помощью свободной жилы кабеля, несущего глубинный снаряд станции РК, записывают токовую кривую или кривую ПС. Вслед за детализацией выявленного подсечения определяют глубины точек активации, после чего дальнейшие исследования выполняют в следующей последовательности.

. Активирование. После измерения натурального фона глубинный снаряд поднимают и к нему на специальном тросике крепят приставку с источником нейтронов. Длина тросика должна гарантировать независимость последующих измерений от радиационного γ-излучения. Обычно расстояние между источником и центром ближайшего счетчика выбирают равным 3 м. В тех случаях, когда опробуют достаточно мощные интервалы, активирование целесообразно выполнять одновременно в нескольких точках с помощью гирлянды источников, что увеличивает производительность. При этом расстояние между смежными источниками (точками активации) должно быть не менее 0,5 м; это исключает соседнее влияние. В большинстве случаев, однако, полуметровый шаг измерений не является оптимальным. Опыт показывает, что линейные запасы, с учетом результатов измерений через 0,5 и 1,0 м, отличаются лишь на 5%. В некоторых случаях линейные содержания хорошо согласуются при еще больших расстояниях между точками активации, но при этом утрачиваются детали количественного распределения. Поэтому целесообразный шаг следует выбирать с учетом результатов активационных измерений эталонного интервала. Опыт показывает, что при опробовании медноколчеданных подсечений достаточным является расстояние между смежными точками 1 м.

Устанавливать гирлянду источников в нужном положении по оси скважины лучше при подъеме снаряда, соблюдая при этом высокую точность становления источников с помощью временных меток на кабеле. Начало активирования фиксируют в журнале.

. Пауза. Величина паузы, зависящая от соотношения между полезным эффектом и короткоживущей помехой, применительно к опробованию медноколчеданных руд с типичным химическим составом равна ~8-10 ч. Паузу можно уменьшить в тех случаях, когда эффект Мn56 связан только с реакцией (п, р) (в руде отсутствует марганец). Для этого необходимо по возможности смягчить облучающий нейтронный спектр. Соотношение между эффектом Сu64 и Мn56 может быть существенно улучшено, поскольку реакция Сu63 (п, р) Сu64 идет на тепловых, а Fе56 (n, р) Мn56 на быстрых нейтронах с порогом -2,9 Мэв.

На сплошных рудах измерения с экраном не обязательны.

Рядовые измерения детектированного эффекта выполняют обычно для одного значения паузы. Изучение активности во времени производят лишь при контрольных измерениях (например, каждой десятой точки). Важное значение при регистрации имеет набор необходимого числа импульсов для обеспечения заданной статистической точности. В целях исключения случайных ошибок целесообразно фиксирование промежуточных результатов. Значительный период изотопа Сu64 позволяет, как правило, при измерениях не учитывать разницу между истинной и измеренной скоростью счета, однако при необходимости (длительное измерение малого эффекта с высокой точностью), такая поправка может быть внесена.

Наконец, при измерениях очень важно соблюдать, возможно, большую точность становления центра счетчика в точку активации. Количественно предельную ошибку в становлении счетчика можно оценить по кривой активационного профилирования. Однако такая оценка возможна лишь при условии постоянства фона по оси скважины, что, как правило, не отмечается.

Рис. 2

. Регистрация наведенного эффекта для измерения детектированной активности могут быть использованы любые γ-каротажные станции. Предпочтительнее, конечно, стабильные приборы с высокой чувствительностью, поскольку речь идет о количественных измерениях достаточно малых активностей. При активационном опробовании медноколчеданных вкрапленников целесообразно использование спектрометрической аппаратуры, так как в данном случае необходимо раздельное определение меди и натрия. Имеющийся опыт некоторых исследователей (Г. С. Возжеников, В. Е. Бабенков) показывает, что надежные результаты при опробовании вкрапленных руд могут быть получены и с помощью серийной каротажной аппаратуры на газоразрядных счетчиках (КРТ, РАРК) путем точечных измерений с экранированием.

После измерения наведенного эффекта в каждой из активированных в предыдущую смену точек облучается следующая группа точек и т.д. Во время активирования обрабатывают полученные результаты.

. Камеральная обработка. Она сводится к приведению результатов измерений к стандартным условиям и вычислению содержания меди через переходной коэффициент, связывающий между собой приведенную активность и содержание меди в руде. Наиболее надежно и просто этот коэффициент определяют сравнением линейных запасов меди в метрограммах (активационные измерения) с метропроцентами (керновое опробование) по эталонному интервал. Такой интервал обычно выбирают по одной из разведочных скважин, рудное подсечение в которой мощностью 5-10 м пройдено с достаточно высоким выходом керна. Распределение меди по эталонному интервалу, определенное на основе химических анализов керна, необходимо проконтролировать повторными анализами дубликатов рудных проб. При удовлетворительной сходимости интервал выбирают качестве эталонного, линейные запасы полезного компонента в котором SK подсчитывают в метропроцентах по формуле:

=

среднее содержание полезного компонента в %, относящееся к ln - части эталонного интервала. Среднее содержание полезного компонента Pi в любом активационном интервале (~35 см)

=Ii/f

Рис. 3

медь месторождение колчеданный руда

Тогда, считая изменение содержаний между смежными точками линейным, запасы полезного компонента по рудному подсечению в метропроцентах определяют из следующего выражения:

Контроль точности измерений. Повторные измерения (10%) с последующим определением среднего значения относительной погрешности являются внутренним контролем активационного опробования который позволяет судить о качестве технического исполнения работ. В отличие от рядовых контрольные измерения наведенного эффекта целесообразно выполнять, во времени, что позволяет оценить «чистоту» детектирования по периоду полураспада.

4. Примеры использования нейтрон-активационного метода на медноколчеданных месторождениях

Впервые активационное опробование колчеданных руд в полевых условиях было осуществлено в 1957 г. на Султановском и Ново-Шайтанском месторождениях, где по рудным интервалам нескольких скважин изучали во времени наведенный эффект, вызванный облучением Ро + Ве источником мощностью -2 резерфорд. Несмотря на небольшой объем, результаты этих опытов оказались интересными, поскольку удалось различить серные и медные колчеданы непосредственно в скважинах.

В 1960 г. опытные исследования осуществляли по так называемой ускоренной методике, дающей возможность без дополнительного активирования определять не только медь и натрий, но и алюминий , а также железо и связанную с ним серу . При этом содержание меди в руде определялось по изотопу Си64, а количественное распределение Nа, Al, Fе и S соответственно через искусственно-радиоактивные продукты Nа24, А128 и Мn56. Ускоренные измерения проводили с помощью каротажной станции АЭКС-900, приспособленной для регистрации электрических и радиоактивных полей. С целью раздельного определения меди и натрия нижний счетчик в глубинном снаряде помещали в свинцовый экран, коэффициенты ослабления которого для фотонов Сu64 и Na24 были найдены экспериментом.

Технически работы выполняли в следующей последовательности:

. С помощью свободной жилы кабеля, несущего глубинный снаряд, записывали кривую ПС, по которой определяли положение рудного подсечения по оси скважины.

. В каждой из точек, подлежащих активации, измеряли натуральный фон при двух положениях снаряда. Вначале с точкой активации совмещали центр экранированного, а затем неэкранированного счетчика. Расстояние между ними было 0,4 м.

. Глубинный снаряд поднимали на поверхность и к нему на специальном тросике крепили приставку с источником нейтронов активностью около 107 нейтр/сек. Источник отстоял от центра ближайшего (экранированного) счетчика на расстоянии 2,6 м.

. Приставку с источником вместе с глубинным снарядом опускали в скважину. Источник устанавливали в верхней из точек, подлежащих активированию. Активирование продолжалось 1,5-2 ч.

. Источник нейтронов вместе со снарядом опускали для активирования следующей точки на 3 м глубже, тем самым центр неэкранированного счетчика совмещали с центром только что облученного интервала.

. Во время активирования каждой последующей точки в предыдущей регистрировался наведенный эффект во времени, связанный с одновременным распадом ряда искусственно-радиоактивных гамма-излучателей. Опыт показывает, что в течение 40-50 мин после снятия с облучения, успевают распасться практически все короткоживущие продукты, среди которых выделяется изотоп А128. Эта часть кривой записывается автоматически на самописце ПАСК-8. После распада короткоживущих изотопов остается эффект, связанный в массивных колчеданах с изотопами Мn56 и Сu64, а во вкрапленных рудах с изотопами Мn56, Сu64 и Na24. Суммарные эффекты этих продуктов промеряли по электромеханическому счетчику спустя 1-1,5 ч после снятия с облучения.

. Снятие с активации. Активирование следующей точки и одновременное изучение наведенного эффекта в предыдущей и т.д. Активирование с одновременными промерами продолжалось до конца рабочей смены, после чего снаряд с источником поднимали на поверхность.

Обычно активировалось четыре точки за смену.

. После ночной паузы, в течение которой практически полностью распадается изотоп Мn56, в каждой из активированных в предыдущую смену точек измеряли наведенный эффект, связанный в сплошных рудах с изотопом Сu64, во вмещающих породах с Na24, а во вкрапленных рудах с тем и другим вместе. Измерения проводили с экраном, что давало возможность раздельно определять медь и натрий во вкрапленных рудах.

. Глубинный снаряд поднимали на поверхность, к нему крепили приставку с источниками нейтронов и начинался новый цикл активирования, измерений и т.д.

Рис. 4 - Пример опробования рудных интервалов ускоренной методикой по скв. 833 одного их месторождений Южного Урала

Количественное распределение меди получено независимо от керна через коэффициент содержания, определенный по эталонному интервалу 95,6-109,45 м скв. 600 (рис. 2). Линейные запасы меди в интервале 96,5-108,2 м скв. 833 составляют.

По данным активационного опробования 46,7 м %, отличаясь от результатов выполненного позднее, кернового опробования по относительной погрешности на 13,6%. Такая погрешность объясняется в основном статистическими ошибками при регистрации наведенного эффекта и разницей в представительности кернового и активационного опробования. Сравнивая эти результаты, нельзя не учитывать неточностей химического анализа кернового материала. Мы имели возможность оценить ошибку химиков лишь по эталонному интервалу, где разница по анализам проб и их дубликатов превышает 17%. Характер распределения натрия и алюминия по интервалу 96,5- 108,2 м свидетельствует о практически сплошном, массивном оруднении. Это же обстоятельство подтверждается спокойным поведением кривой распределения железа и связанной с ним серы.

Результаты бескернового определения линейных запасов меди по интервалу 82,0-92,0 ж скв. 48 резко отличаются от данных кернового опробования, составляя 44,4 против 18,25 м%. Такую разницу погрешностями анализов объяснить нельзя. До кривой ПС (рис. 4) отчетливо фиксируется руда в интервале 82-92 м, в то время как по керну рудное подсечение выделяется в пределах 86,9-94,2 м. По кривым КС, записанным на этой же скважине другой станцией, рудный интервал также отбивается в пределах 82-92 м. Таким образом, в данном случае при бурении пропущено 2,7 м руды, что привело к существенному занижению линейных запасов меди. Количественное распределение алюминия по этому интервалу свидетельствует о его вкрапленном характере. Это же подтверждается низким содержанием железа и серы по сравнению с интервалом 96,5-108,2 м скв. 833. Для оценки точности активационного анализа были выполнены контрольные измерения в объеме 10%. При этом относительные ошибки в определении содержания меди по различным активационным интервалам колеблются от 1,5 до 25,6%, составляя в среднем ~12%.

Примеры производственного применения активационного опробования на Молодежном месторождении Челябинской области.

Рис. 5 - График количественного распределения меди по результатам (1) кернового и (2) активационного опробования по скв. 536

Заключение

Из данных работы можно сделать вывод, что активационный метод ,в практическом его применении, имеет высокую эффективность в случае безкернового определения меди в медноколчеданной руде.

Понятно так же и то, что выбранный нуклид Cu64 является самым оптимальным для данного метода. В случае массивных рудных тел метод нейтронной активации определения количественного распределения меди не уступает химическому (керновому) определению.

В случае же невозможности извлечения крена метод является неотъемлемой частью геофизических исследований скважины.

Метод нейтронной активации имеет большие перспективы. Дальнейший прогресс данной модификации метода может осуществляться в разработке более приемлемой аппаратуры, в создании высокоактивных источников, безопасных в использовании.

Литература

1. Возжеников Г.С. «Активационный анализ в рудной геофизике». Недра 1965г.

. Возжеников Г.С. Белышев Ю.В. «Радиометрия и ядерная геофизика». Екатеринбург 2000 г.