Методи ядерної фізики

Геофізичні методи при будівництві різних споруд застосовують під час проектування інженерних споруд, безпосередньо в самому будівельному процесі і для режимних спостережень. У перерахованих вище областях за допомогою геофізичних методів вирішуються різні задачі. Це і створення геофізичних моделей залягання гірської породи, вивчення їх стану і властивостей, визначення різноманітних властивостей і характеристик підземних вод, дослідження змін з урахуванням часу, які викликаних людською діяльністю.

До ядерно-фізичних методів досліджень тут умовно відносяться всі методи, засновані на виявленні і використанні закономірностей поширення і поведінки штучних і природних стабільних і радіоактивних ізотопів у природних водах з метою вирішення найрізноманітніших гідрогеологічних задач. Ці методи отримали інтенсивний розвиток в останні роки і починають досить широко використовуватися для вирішення окремих гідрогеологічних задач (вивчення походження, розподілу і віку підземних вод, інтенсивності зміни вологості порід в зоні аерації і руху підземних вод в зоні насичення, визначення водно-фізичних та фільтраційних характеристик гірських порід, оцінка взаємозв'язку різних типів природних вод і т. п.).

Ядерно-фізичні методи використовують в своїй основі передусім природні стабільні і радіоактивні ізотопи, особливості природного поширення яких можуть бути використані і при гідрогеологічних дослідженнях. До числа таких природних ізотопів відносяться стабільні ізотопи водню і кисню (D і 180), що входять до складу води та утворюються під дією космічних променів, вуглець 14С, тритій Т, кремній, гелій 3Не та ізотопи сімейства урану і торію (гг2Іп, 226Іа та інш.).

Основними важкими сполуками стабільних ізотопів кисню і водню є НД160 і Н2180, які присутні в природних водах у кількості 320 і 2000 на мільйон молекул (відповідно на частку звичайних молекул води Н20 доводиться 997 680 частин).

Вивчаючи ізотопний склад атмосферних опадів, морських і підземних вод та аналізуючи причини можливої його зміни, можна більш обґрунтовано вирішувати питання походження вод досліджуваного об'єкта.

Визначаючи вміст у воді різних природних радіоактивних ізотопів, що є продуктами радіоактивного розпаду вихідних ізотопів, і аналізуючи закономірності такого розпаду і можливі шляхи збагачення підземних вод даними ізотопами, встановлюють вік підземних вод. Для цієї мети використовують дані як про вміст окремих радіоактивних ізотопів (наприклад тритію), так і їх співвідношень (радію та радону, гелію і аргону та ін.)

Виявлені закономірності вмісту і співвідношення природних радіоактивних ізотопів у різних типах природних вод (в опадах, річках, морях, озерах, підземних водах тощо) і аналіз причин можливих змін дають можливість вирішувати найрізноманітніші гідрогеологічні задачі, починаючи від виявлення генезису тих чи інших природних вод і кінчаючи обґрунтуванням шляхів найбільш раціонального вивчення, оцінки і використання їх в народному господарстві.

Ядерні та ізотопні методи досліджень також широко використовують штучні радіоізотопи, одержувані шляхом бомбардування стабільних елементів ядерними частинками (наприклад нейтронами в ядерному реакторі). Різні види випромінювань, що випускаються радіоізотопами, дають можливість мітити ними водні та інші об'єкти, простежувати за їх міграцією і, таким чином, використовувати штучні радіоізотопи в якості радіоактивних індикаторів. Застосування радіоактивних ізотопів при дослідженнях руху підземних вод є, по суті, логічним розвитком відомого методу індикаторів. До числа переваг методів мічених атомів відносяться: висока чутливість виявлення індикаторів при низьких їх концентраціях, великий вибір ізотопів для індикації і технічна можливість «мічення» великих обсягів води. З недоліків радіоіндікаторних методів слід зазначити: порівняно високу їх вартість, потребу в спеціалізованому польовому обладнанні та спеціальному навчанні співробітників, що виконують роботу з радіоактивними речовинами.

В кожному конкретному випадку радіоіндікатори вибираються з урахуванням умов проведення експерименту, індикаційних властивостей ізотопу (енергії випромінювання, періоду напіврозпаду, сорбційних і розчинних властивостей) і його вартості. В якості найбільш поширених у світовій практиці індикаторів використовуються ізотопи: 3Н, 131151Сг, 60С, 82Вг ін. На стадії планування експериментів необхідно отримати дозвіл від органів охорони здоров'я. У кожному разі використання радіоактивних ізотопних індикаторів повинно бути обґрунтовано науковою чи економічною перевагою або більшою точністю очікуваних результатів у порівнянні із звичайно практикуються методами.

Сутність радіоіндікаторних методів стосовно визначення напрямку і швидкості фільтрації підземних вод була викладена раніше. Однак діапазон практичного застосування радіоіндікаторних методів при гідрогеологічних дослідженнях є істотно ширшим. Вони можуть з успіхом використовуватися при вивченні геометрії порового простору, процесів вологопереносу в насичених і неповністю насичених гірських породах (капілярний, інфільтраційний та фільтраційний рух), фізичної картини руху в пористих і тріщинуватих середовищах, умов переміщення розчинів, забруднень та інших речовин в різній природній обстановці, процесів осушення або зволоження при дії різних інженерних споруд, для визначення вологості, пористості, водопровідності та інших параметрів, виявлення та оцінки роліт ектонічних розломів та інших меж області фільтрації, областей живлення і розвантаження підземних вод, ступеня їх взаємозв'язку з поверхневими водами, умов фільтрації води з каналів і водосховищ і т. д.

До ядерно-фізичних методів досліджень відноситься також група методів, заснованих на застосуванні для вивчення водних і інших об'єктів герметизованих радіоактивних джерел. У цю групу, зокрема, входять і широко практикуються в геофізиці методи радіоактивного каротажу, основані на вимірі різного роду випромінювань в розрізах свердловин під впливом джерела радіоактивного випромінювання, що розміщується в каротажному зонді. До них відносяться гамма-каротаж, гамма-гамма-каротаж, нейтрон-нейтронний каротаж і нейтронний гамма-каротаж. Ці методи виявляються ефективними при літологічному і гідрогеологічному розчленуванні досліджуваного розрізу свердловин будь-якої глибини. Слід особливо відзначити високу ефективність геолого-гідрогеологічного вивчення розрізу пухких відкладень за допомогою радіоактивного каротажу, виконуваного пенетраціонно-каротажним методом, при якому каротажний зонд встановлюється в пухкі відклади за допомогою спеціальної гідравлічної установки, змонтованої на автомобілі. Цим методом забезпечується, швидкісне геолого-гідрогеологічне вивчення товщі пухких відкладень зони аерації та зони насичення на глибину до 40м.

Ядерно-фізичний метод зазвичай використовують, коли необхідно найбільш повно вивчити водно-фізичні та фізико-механічні властивості ґрунту.

Ядерно-фізичні (радіоізотопні) методи базуються на існуванні зв'язків ядерних властивостей порід з їх щільністю, вологістю і глинистю. Найбільш широко використовуються: гамма-гамма метод (ГГМ) визначення щільності, нейтрон-нейтронний метод (ННМ) визначення вологості і метод природної радіоактивності для визначення глинистості, як правило, в модифікації свердловинного і пенетраціонного каротажу. Роботи першими двома методами вимагають використання штучних радіоактивних джерел.

Метод ГГМ заснований на розсіянні і ослабленні гамма випромінювання на електронах атомів речовини, що пронизуються гамма випромінюванням. Джерелом гамма-квантів є цезій-137. Використовуються два способи: просвічування (метод ослаблення первинного гамма-випромінювання) і метод розсіяного первинного випромінювання. В обох випадках вимірюється щільність потоку, або інтенсивність гамма квантів. Щільність визначається перерахунком по градуювальній залежності відповідно до ДСТУ 23061, що регламентує виконання градуювання.

Метод ННМ заснований на ефекті уповільнення швидких нейтронів на атомах водню і полягає в реєстрації потоку уповільнених надтеплових і теплових нейтронів. У методі використовується плутонієво-берилієве джерело швидких нейтронів і гелієвий або сцинтиляційний лічильник в якості детектора повільних нейтронів. Методика, вимоги до дотримання заходів безпеки при роботі і до градуюванні приладів регламентуються ДСТУ 2306.

Метод природної радіоактивності для визначення глинистості дисперсних порід заснований на залежності природного гамма випромінювання від вмісту глинистої фракції в породах. Для розрахунку вмісту глинистої фракції b використовуються кореляційні зв'язки інтенсивності природного гамма випромінювання з величиною b. Природна радіоактивність вимірюється відповідно до ДСТУ 25260.

Метод протонного магнітного резонансу (ПМР) заснований на збудженні осцілюючим сумарним магнітним моментом протонів і подальшого детектування електромагнітного поля, створюваного цим осцилюючим магнітним моментом. У процесі роботи антеною великих розмірів створюється імпульсне магнітне поле всередині досліджуваного об'єму. Частота заповнення імпульсу вибирається рівною частоті прецесії магнітних моментів протонів навколо магнітного поля Землі. Вимірювання наведеного прецесующего магнітного моменту після закінчення дії збуджуючого магнітного поля здійснюється тією ж антеною. Основним носієм протонів в ґрунті є вода, тому метод розрахований на детектурування води. Сигнали від різних шарів води, що розрізняються по глибині і часу релаксації, складаються один з одним в інтегральному вираженні.

Розподіл вологості по глибині визначається спеціальною обробкою одержуваних матеріалів. Метод дозволяє оцінювати кількість води в межах циліндра глибиною D і діаметром 2D, де D - діаметр антени.