Файл: Нейронактивационный метод при разведке медноколчеданных руд. Безкерновое определение меди в скважине.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.11.2023
Просмотров: 25
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Ф
едеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО
Уральский государственный горный университет
Кафедра геофизики
Курсовой проект
по дисциплине: «Радиометрия и ядерная геофизика»
ТЕМА: «Нейрон-активационный метод при разведке медно-колчеданных руд. Безкерновое определение меди в скважине»
Выполнил:
Студент группы РФ-5з
Христолюбов М.Ю.
Руководитель:
Белышев В.Ю.
г. Екатеринбург
2012
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 63Сu (69,09%) и 65Сu (30,91%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси 3,77.10-28 м2. Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3d104s1; степени окисления + 1, +2, редко +3, + 4; энергии ионизации Сu0 
Сu+ 
Сu2 + 
Сu3+ соответственно равны 7,7264, 20,2921, 36,83 эВ; атомный радиус 0,128 нм, ионные радиусы (в скобках указаны координационные числа) Сu+ 0,060 нм (2), 0,074 нм (4), 0,091 нм (6), Сu2+ 0,071 нм (2), 0,079 нм (5), 0,087 нм (6); работа выхода электрона 4,36 эВ. Содержание меди в земной коре (4,7.5,5).10-3% по массе. Для меди характерны месторождения гидротермального происхождения. В морской воде содержание меди 3.10-7% по массе, в речной —1.10-7%; ионы меди, поступающие в бассейны морей и океанов, сорбируются донными отложениями, поэтому содержание меди в них достигает 5,7.10-3%. Ионы меди участвуют во многих физиологических процессах, среднее содержание меди в живых организмах 2.10-4% по массе, в крови человека около 0,001 мг/л.
В земной коре медь встречается в основном в виде соединений с S (св. 90% мировых запасов и добычи медь) и в виде кислородсодержащих соединений. Среди многочисленных минералов медь (более 250) наиб. важны: халькопирит CuFeS2, ковеллин CuS, халькозин Cu2S, борнит Cu5FeS4, куприт Сu2О, малахит CuCO3.Cu(OH)2, хризоколла CuSiO3.2H2O др. Редко встречается самородная медь Медные руды по минералогическому составу могут быть подразделены на сульфидные, оксидные и смешанные (30-40% Сu в форме оксидных минералов). По текстурным особенностям различают медные руды массивные, или сплошные (колчеданные, медно-никелевые, полиметаллические), и прожилково-вкрапленные (медистые песчаники и сланцы). Медные руды полиметаллические, помимо меди, они содержат Fe, Zn, Pb, Ni, Au, Ag, Mo, Re, Se, Fe, платиновые металлы и др. Основные мировые запасы меди (кроме России) сосредоточены в Северной Америке (США, Канада, Мексика)-32%, Южной Америке (Чили, Перу)-30%, Африке (Замбия, Заир)-15%. Мировые запасы медных руд составляют 847,6 млн. т.
Свойства.Медь - пластичный, розовато-красный металл с характерным металлическим блеском, тонкие пленки меди при просвечивании-зеленовато-голубого цвета. Кристаллическая решетка гранецентрированная кубическая, а = 0,36150 нм, 2 = 4, пространств. группа FтЗт.Т. пл. 1083,4 0С, т. кип. 2567 °С; плотность 8,92 г/см3, жидкой при 11000С-8,36 г/см3,при 200°С-8,32 г/см3, рентгеновская плотность 8,9331 г/см3; C0р 24,44 ДжДмоль • К), уравнение температурной зависимости в интервале 248-1356,9 К: С0р=4,187(5,41 + 1,4.7.10-3 Т)Дж/моль.К); DH0пл 13,02 кДж/моль, скрытая DHпл 205 кДж/моль, DH0исп 304,8 кДж/моль; S0298 33,15 Дж/моль.К); уравнение температурной зависимости давления пара над жидкой медь: lgp(Па) = -17650/T + 1 l,27.l,273lg Т(1356,9-2870 К). Даже при 1900 К давление пара над медь не превышает 133,32 Па. Температурный коэффициент линейного расширения 1,7.10-5 К-1(273-323 К), уравнение температурной зависимости линейного расширения: lt = l0(1 + 1,67.10-5t + +3,8.10-9t2 + 1,5.10-12t3) м, где l0-длина образца при 25 °С; объемная усадка при кристаллизации-4,1%.
Медь - мягкий, ковкий металл; твердость по Моосу 3,0; твердость по Бринеллю 370-420 МПа; sраст 220 МПа; относительное удлинение 60%, относительное уменьшение поперечного сечения 70%; модуль продольной упругости 112 ГПа; модуль сдвига 49,25 ГПа; коэффициент Пуассона 0,34. После обработки давлением в связи с наклепом пределпрочности меди возрастает до 400-450 МПа, уменьшаются на 1-3% удлинение и электрическая проводимость; последствия наклепа устраняются после отжига металла при 900-1000 К. Под действием нейтронного облучения (373 К, поток 5.1019 n/см2) предел текучести медь возрастает почти в 2,7 раза, сопротивление разрыву - в 1,26 раза, удлинение уменьшается в 1,35 раза. Небольшие примеси Bi, Pb вызывают красноломкость медь, S, О2 - хладноломкость, примеси Р, As, Al, Fe заметно уменьшают электрическую проводимость медь. Медь растворяет Н2, который существенно ухудшает ее механические свойства ("водородная болезнь").
Получение.Основное сырье для получения медь-сульфидные, реже-смешанные руды. Большое значение приобретает переработка вторичного сырья, из которого в ряде развитых стран получают до 30-60% производимой медь. В связи с невысоким содержанием медь в рудах (0,5-1,2%) и их много-компонентностью руды подвергают флотационному обогащению, получая попутно, помимо медного, и др. концентраты, например цинковый, никелевый, молибденовый, пиритный, свинцовый. Содержание медь в медных концентратах достигает 18-45%.
Применение.Широкое применение медь в промышленности обусловлено рядом ее ценных свойств и прежде всего высокой электрической проводимостью, пластичностью, теплопроводностью. Более 50% медь используется для изготовления проводов, кабелей, шин, токопроводящих частей электрических установок. Из меди изготовляют теплообменную аппаратуру (вакуум-испарители, подогреватели, холодильники). Более 30% меди применяют в виде сплавов, важнейшие из которых - бронзы, латуни, мельхиор и другие. Медь и ее сплавы используют также для изготовления художественных изделий. В виде фольги медь применяют в радиоэлектронике. Значительное количество меди (10-12%) применяют в виде различных соединений в медицине (антисептические и вяжущие средства), для изготовления инсектофунгицидов, в качестве медных удобрений, пигментов, катализаторов, в гальванотехнике и т.д.
Все соли меди ядовиты; раздражают слизистые, поражают желудочно-кишечный тракт, вызывают тошноту, рвоту, заболевание печени и др. При вдыхании пыли медь развивается хроническое отравление. ПДК для аэрозолей меди 1 мг/м3, питьевой воды 1,0 мг/л, для рыбных водоемов 0,01 мг/л, в сточных водах до биол. очистки 0,5 мг/л.
Медь известна человечеству с глубокой древности. Медь и ее сплавы сыграли заметную роль в развитии цивилизации.
МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Сибайское месторождение.
Приурочено к западному крылу Магнитогорского мегасинклинория и расположено в восточной части Сибайской вулканогенной брахиантиклинали, сложенной породами базальтового, а в центральной части липаритодацитового комплексов. С востока и запада месторождение ограничено соответственно Восточным и Центральным разломами близмеридионального простирания и состоит из двух участков — Старого и Нового Сибая.
Все рудные тела — линзообразной формы, залегают в липаритодацитовых породах. В южной части месторождения в пределах Нового Сибая расположена наиболее мощная залежь массивных руд, расщеплённая по восстанию и падению на пять рудных линз; контакт их с вмещающими породами чёткий, падение восточное, от пологого до крутого. Основные компоненты руд — медь, цинк, сера. Отношение меди к цинку в среднем 1:1,6. Главный минеральный тип руд — медно-цинковый (халькопирит-сфалерит-пиритовый), второстепенные руды — серно-колчеданные (пиритовые) и цинково-колчеданные (сфалерит-пиритовые). Месторождение вскрыто спиральным съездом шириной 17 м с уклоном 80/00 и наклонной скиповой траншеей. Осушение карьера осуществляется с помощью горизонтальных подземных выработок (горизонты 130, 230, 350 м) и пробуренных к ним вертикальных сквозных фильтров (скважин). Отработка месторождения производится от центра к границе карьера. Высота уступов 10 м. Бурение скважин — шарошечными станками, выемка — экскаваторами, транспортировка — автосамосвалами. На карьере установлен наклонный скиповый подъёмник грузоподъёмностью до 40 т. Перегрузочный узел скиповой подъёмной установки расположен на глубине 228 м от дневной поверхности. Добытая руда складируется на усреднительных складах, затем направляется на обогащение по бесциановой технологии и по схеме прямой селективной флотации с получением медного, цинкового и пиритного концентратов.
Удоканское медное месторождение.
Расположено в 30 километрах южнее железнодорожной станции Новая Чара Читинской области России. Крупнейшее в стране и третье в мире по запасам меди (около 20 млн т).
Его предварительные запасы оцениваются в 1,3 миллиарда тонн медной руды, среднее содержание меди в руде 1,5 %, что составляет около 30 % всех запасов этого металла в России. Месторождение находится в сейсмоопасном районе.
Месторождение было открыто еще в середине XX века. В 1992 году лицензию на освоение Удокана получило никому не известное российско-американское СП «Удоканская горная компания». Но работа так и не началась, спустя 6 лет государство отозвало лицензию.
По состоянию на декабрь 2010 года на месторождении осуществляется геологоразведка
ЧУКИКАМАТА (Chuquicamata)
Крупнейшее в мире месторождение медных руд на севере Чили, в провинции Эль-Лоа, к северо-востоку от горы Антофагаста. Расположено на высоте 2840 м. Месторождение известно с древнейших времён. Разработка и плавка медных руд велись инками в 16 веке. В промышленных масштабах разрабатывается с 1915. Рудное поле Чукикамата входят также месторождения Мина-Cyp (бывшее название Эксотика), открытое в 1957 и разрабатываемое с 1971, и Мина-Норте (северное продолжение Чукикамата).
Молибден-медно-порфировое месторождение Чукикамата расположено в узкой полосе складчатой зоны Главных Кордильер, в пределах Меденосного пояса Южной Америки. Оруденение приурочено к массиву эоценовых монцонит-порфиров, имеющему в плане вид линзы длиной 3000 м при максимальной ширине 1100 м. Оруденение представлено густой сетью минерализованных прожилков и ветвящихся жил. Главные минералы первичных руд: пирит, энаргит и халькопирит; второстепенные - борнит, сфалерит, галенит и молибденит. Вмещающие породы интенсивно гидротермально изменены. На месторождении до глубины 200 м проявлена зона окисления, а до глубины 700 м — зона вторичного обогащения. Вторичные руды сложены ковеллином, халькозином, брошантитом и атакамитом. Общие запасы меди оцениваются в 92 млн. т при содержании в руде 1,19%, молибдена — около 2 млн. т при содержании 0,02-0,03% и рения — 460 т. Разведанные запасы меди 42,0 млн. т (1987).
Государственная компания "Соdelсо" разрабатывает открытым способом месторождение Чукикамата и месторождение Мина-Cyp. До 1952 отрабатывалась зона окисления, затем зона вторичного обогащения, а после отработки последней — сульфидные руды (на месторождении Мина-Cyp добывается окисленная руда).
-
История эффекта нейтронной активации
Метод нейтронной активации основан на явлении искусственной радиоактивности, за открытие которого Ирен и Фредерик Жоли-Кюри были удостоены Нобелевской премии в 1935г. В опытах супругов были получены искусственно-радиоактивные изотопы при бомбардировке α-частицами мишеней, состоящих из стабильных веществ.
В заметке, опубликованной в 1934г. под названием «Новый вид радиоактивности», авторы указывают, что «радиоактивности, аналогичные наблюденным нами, могут быть получены при помощи бомбардировки другими частицами». Наиболее подходящими среди них оказались нейтроны, что было показано в дальнейшем в работах Э. Ферми. С помощью нейтронной накачки оказывается возможным получение искусственно-радиоактивных изотопов практически для любых материнских ядер. Изучение искусственной радиоактивности, вызванной в результате нейтронной «накачки» исследуемой среды, составляет сущность метода, получившего название нейтронной активации.
2.2Физическая суть метода и область применения
При бомбардировки нейтронами мишеней сложного состава (горные породы, руды) обычно образуется большое количество искусственно радиоактивных изотопов, каждый из которых характеризуется рядом особенностей (схема распада и его постоянная, вид и спектральный состав излучений, выход ядерной реакции). При наличии контрасте в ядерных характеристиках (периодов полураспада, энергетических спектров излучений) оказывается возможным получение сведений о парциальных активностях радионуклидов путем γ-спектрометрических измерений в комбинации с регистрацией вызванной активности во времени (если это необходимо). Информация об особенностях спектра γ-излучения, дополненная постоянной распада, как правило, является достаточной для надежной идентификации каждого из радионуклидов, образующихся с высоким выходом при нейтронной активации среды сложного состава.
Отмеченное обстоятельство определяет области применения метода нейтронной активации, который оказался особенно эффективным для дистанционного изучения состава природных сред, например для получения информации о распределении полезной компоненты в рудных подсечениях разведочных скважин, пройденных с недостаточным выходом кернового материала или при его отсутствии. Другим важным направлением использования явления искусственной радиоактивности является возможность получения сведений о микропримесях в исследуемых веществах как следствие высокой чувствительности метода. В этом случае для нейтронной «накачки» специально подготовленных проб используются нейтронные исследовательские каналы атомных реакторов.
В практике геологоразведочных работ нашли применение и технологии бескернового анализа состава рудных интервалов разведочных скважин, и нейтронный активационный анализ на редкие элементы. Применительно к бескерновым технологиям метод нейтронной активации оказался полезным при разведке месторождений различных полезных ископаемых: топлива (уголь, нефть), черных металлов (марганец), цветных (алюминий, медь), нерудного сырья (флюорит, фосфорит, пьезокварц). Более широкие возможности для изучения состава природных сред заключаются в использовании нейтронно-активационного анализа порошковых проб при нейтронной «накачке» в атомных реакторах. С помощью этого метода исследуется на кларковом уровне распределение в горных породах и рудах целого ряда редких и драгоценных металлов, включая Bа, Се, Sт, Еu, Тb, Dу, Yb, Lи, Ir, Sс, а также Аи и другие элементы.
2.3 Уравнение активации
Предположим, что при бомбардировке однородным потоком нейтронов плотностью f(t) некоторой мишени, содержащей до облучения N0ядер стабильного изотопа, образуются ядра искусственно-радиоактивного продукта с постоянной распада λ. Будем считать, что f(t)и N(t) меняются в процессе нейтронного облучения следующим образом:
f(t) = f0exp(-λ’ t) (1)
N(t}=N0е-f(t) σt (2)
где λ - постоянная распада активного излучателя в источнике нейтронов; σ - микросечение активации ядер материнского изотопа; t- время облучения; f0 - плотность нейтронного потока до начала облучения.
Прирост искусственно-радиоактивных ядер dnза время dt равен
dn= σN(t)f(t)dt – λndt (3).
Найдем скорость прироста искусственно радиоактивных ядер:
dn/dt = σN(t)f(t) – λn (4).
Учитывая (1) и (2), перепишем (4) следующим образом:
Dn/dt + λn = σf0N0exp{-(λ ‘+σf0 exp(-λ ‘t)t} .
Уравнение характеризует связь вызванной активности и времени облучения с учетом изменяющихся в процессе облучения потока нейтронов и количества материнских ядер мишени (т.н. «выгорание») .
3. Активационное опробование медно колчеданных руд в скважинах
3.1 Предпосылки для активационного опробования меди в колчеданных рудах.
Известно, что все нечетные элементы таблицы Менделеева состоят не более чем из двух изотопов, поэтому их определение в сложных средах с помощью искусственной радиоактивности, как правило, оказывается более простой задачей, чем определение четных элементов, зачастую состоящих из пяти-девяти стабильных изотопов.
Полиизотопность уменьшает выходы ядерных реакций и увеличивает количество искусственно-радиоактивных продуктов, которые по своим свойствам могут оказаться сходными с продуктами других элементов. В связи с этим усложняется детектирование наведенного эффекта изотопа-индикатора. Последнее обстоятельство, однако, присуще не только четным элементам: значительное многообразие ядерных реакций на нейтронах и т. д. — приводит к образованию нескольких искусственно-радиоактивных продуктов из одного материнского изотопа. Примером могут служить искусственно-радиоактивные γ-излучатели Со80, Со61, Со62, Ni66, Сu62, Сu64, Сu66, образующаяся в результате взаимодействия быстрых и тепловых нейтронов с ядрами стабильных изотопов меди Сu63 (68,94%) и Сu65 (31,06%). Каждый из этих продуктов имеет свои специфические особенности, анализ которых .может дать ответ на вопрос о пригодности того или иного изотопа в качестве индикатора. При выборе индикатора, прежде всего следует иметь в виду необходимость детектирования его наведенной активности из суммарного эффекта, Обусловленного одновременным активированием других изотопов.
Покажем, при каких условиях возможно детектирование группы среднеживущих γ -излучателей, в число которых входит изотоп меди Си64. Среди долгоживущих изотопов наименьшим периодом и наибольшей активационной константой обладает изотоп мышьяка Аз75. Периоды полураспада остальных продуктов, их типичные содержания и активационные характеристики таковы, что эффект, связанный с Си64, при реальных условиях активирования оказывается много большим в сравнении с суммой эффектов от других изотопов долгоживущей группы. Поэтому будем считать, что при условии сведения к допустимым пределам эффекта Аз75, влиянием продуктов долгоживущей группы можно пренебречь.
Необходимую экспозицию облучения t, которая обеспечит заданное превалирование полезного эффекта над «долгоживущей помехой», можно подобрать лишь при условии соблюдения неравенства :
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.
3.2 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.
1. Натуральный фон. В каждой из точек, подлежащих очередному активированию, определяют натуральный фон. Статистическая погрешность при этом не должна превышать 2—5 имп/мин, что обеспечивается измерением фона Ф в течение времени tф, равного Ф/4 или Ф/25 мин, соответственно. Приближенное значение фона следует находить в первую минуту (две) измерений. Если измерения выполняют в рудных интервалах, представленных вкрапленными разностями (характер руды устанавливают по кривым КС или МЭП), то натуральный фон в точках активации определяют при двух положениях глубинного снаряда, соответствующих измерениям с экранированием и без него.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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:
SK=
Pn- среднее содержание полезного компонента в %, относящееся к ln– части эталонного интервала.
Среднее содержание полезного компонента Pi в любом активационном интервале (
35 см)
Pi=Ii/f
Рис 3.
Тогда, считая изменение содержаний между смежными точками линейным, запасы полезного компонента по рудному подсечению в метропроцентах определяют из следующего выражения:
6. 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.
В качестве внешнего контроля могут служить сравнительные оценки линейных запасов по рудным под сечениям с абсолютным выходом керна. Несмотря на различие в представительности кернового и активационного опробования, опыт показывает, что при высоком выходе керна линейные содержания меди, определенные по результатам активации (S) и химических анализов (SK), хорошо согласуются между собой . Поэтому разница между Sи Sк ,отнесенная к среднему из них, является объективной оценкой точности активационного опробования на медь.
-
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:
1. С помощью свободной жилы кабеля, несущего глубинный снаряд, записывали кривую ПС, по которой определяли положение рудного подсечения по оси скважины.
2. 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.
3. 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.
4. Приставку с источником вместе с глубинным снарядом опускали в скважину. Источник устанавливали в верхней из точек, подлежащих активированию. Активирование продолжалось 1,5—2 ч.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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%.
Ф едеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО
Уральский государственный горный университет
Кафедра геофизики
Курсовой проект
по дисциплине: «Радиометрия и ядерная геофизика»
ТЕМА: «Нейрон-активационный метод при разведке медно-колчеданных руд. Безкерновое определение меди в скважине»
Выполнил:
Студент группы РФ-5з
Христолюбов М.Ю.
Руководитель:
Белышев В.Ю.
г. Екатеринбург
2012
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 63Сu (69,09%) и 65Сu (30,91%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси 3,77.10-28 м2. Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3d104s1; степени окисления + 1, +2, редко +3, + 4; энергии ионизации Сu0 Сu+ Сu2 + Сu3+ соответственно равны 7,7264, 20,2921, 36,83 эВ; атомный радиус 0,128 нм, ионные радиусы (в скобках указаны координационные числа) Сu+ 0,060 нм (2), 0,074 нм (4), 0,091 нм (6), Сu2+ 0,071 нм (2), 0,079 нм (5), 0,087 нм (6); работа выхода электрона 4,36 эВ. Содержание меди в земной коре (4,7.5,5).10-3% по массе. Для меди характерны месторождения гидротермального происхождения. В морской воде содержание меди 3.10-7% по массе, в речной —1.10-7%; ионы меди, поступающие в бассейны морей и океанов, сорбируются донными отложениями, поэтому содержание меди в них достигает 5,7.10-3%. Ионы меди участвуют во многих физиологических процессах, среднее содержание меди в живых организмах 2.10-4% по массе, в крови человека около 0,001 мг/л.
В земной коре медь встречается в основном в виде соединений с S (св. 90% мировых запасов и добычи медь) и в виде кислородсодержащих соединений. Среди многочисленных минералов медь (более 250) наиб. важны: халькопирит CuFeS2, ковеллин CuS, халькозин Cu2S, борнит Cu5FeS4, куприт Сu2О, малахит CuCO3.Cu(OH)2, хризоколла CuSiO3.2H2O др. Редко встречается самородная медь Медные руды по минералогическому составу могут быть подразделены на сульфидные, оксидные и смешанные (30-40% Сu в форме оксидных минералов). По текстурным особенностям различают медные руды массивные, или сплошные (колчеданные, медно-никелевые, полиметаллические), и прожилково-вкрапленные (медистые песчаники и сланцы). Медные руды полиметаллические, помимо меди, они содержат Fe, Zn, Pb, Ni, Au, Ag, Mo, Re, Se, Fe, платиновые металлы и др. Основные мировые запасы меди (кроме России) сосредоточены в Северной Америке (США, Канада, Мексика)-32%, Южной Америке (Чили, Перу)-30%, Африке (Замбия, Заир)-15%. Мировые запасы медных руд составляют 847,6 млн. т.
Свойства.Медь - пластичный, розовато-красный металл с характерным металлическим блеском, тонкие пленки меди при просвечивании-зеленовато-голубого цвета. Кристаллическая решетка гранецентрированная кубическая, а = 0,36150 нм, 2 = 4, пространств. группа FтЗт.Т. пл. 1083,4 0С, т. кип. 2567 °С; плотность 8,92 г/см3, жидкой при 11000С-8,36 г/см3,при 200°С-8,32 г/см3, рентгеновская плотность 8,9331 г/см3; C0р 24,44 ДжДмоль • К), уравнение температурной зависимости в интервале 248-1356,9 К: С0р=4,187(5,41 + 1,4.7.10-3 Т)Дж/моль.К); DH0пл 13,02 кДж/моль, скрытая DHпл 205 кДж/моль, DH0исп 304,8 кДж/моль; S0298 33,15 Дж/моль.К); уравнение температурной зависимости давления пара над жидкой медь: lgp(Па) = -17650/T + 1 l,27.l,273lg Т(1356,9-2870 К). Даже при 1900 К давление пара над медь не превышает 133,32 Па. Температурный коэффициент линейного расширения 1,7.10-5 К-1(273-323 К), уравнение температурной зависимости линейного расширения: lt = l0(1 + 1,67.10-5t + +3,8.10-9t2 + 1,5.10-12t3) м, где l0-длина образца при 25 °С; объемная усадка при кристаллизации-4,1%.
Медь - мягкий, ковкий металл; твердость по Моосу 3,0; твердость по Бринеллю 370-420 МПа; sраст 220 МПа; относительное удлинение 60%, относительное уменьшение поперечного сечения 70%; модуль продольной упругости 112 ГПа; модуль сдвига 49,25 ГПа; коэффициент Пуассона 0,34. После обработки давлением в связи с наклепом пределпрочности меди возрастает до 400-450 МПа, уменьшаются на 1-3% удлинение и электрическая проводимость; последствия наклепа устраняются после отжига металла при 900-1000 К. Под действием нейтронного облучения (373 К, поток 5.1019 n/см2) предел текучести медь возрастает почти в 2,7 раза, сопротивление разрыву - в 1,26 раза, удлинение уменьшается в 1,35 раза. Небольшие примеси Bi, Pb вызывают красноломкость медь, S, О2 - хладноломкость, примеси Р, As, Al, Fe заметно уменьшают электрическую проводимость медь. Медь растворяет Н2, который существенно ухудшает ее механические свойства ("водородная болезнь").
Получение.Основное сырье для получения медь-сульфидные, реже-смешанные руды. Большое значение приобретает переработка вторичного сырья, из которого в ряде развитых стран получают до 30-60% производимой медь. В связи с невысоким содержанием медь в рудах (0,5-1,2%) и их много-компонентностью руды подвергают флотационному обогащению, получая попутно, помимо медного, и др. концентраты, например цинковый, никелевый, молибденовый, пиритный, свинцовый. Содержание медь в медных концентратах достигает 18-45%.
Применение.Широкое применение медь в промышленности обусловлено рядом ее ценных свойств и прежде всего высокой электрической проводимостью, пластичностью, теплопроводностью. Более 50% медь используется для изготовления проводов, кабелей, шин, токопроводящих частей электрических установок. Из меди изготовляют теплообменную аппаратуру (вакуум-испарители, подогреватели, холодильники). Более 30% меди применяют в виде сплавов, важнейшие из которых - бронзы, латуни, мельхиор и другие. Медь и ее сплавы используют также для изготовления художественных изделий. В виде фольги медь применяют в радиоэлектронике. Значительное количество меди (10-12%) применяют в виде различных соединений в медицине (антисептические и вяжущие средства), для изготовления инсектофунгицидов, в качестве медных удобрений, пигментов, катализаторов, в гальванотехнике и т.д.
Все соли меди ядовиты; раздражают слизистые, поражают желудочно-кишечный тракт, вызывают тошноту, рвоту, заболевание печени и др. При вдыхании пыли медь развивается хроническое отравление. ПДК для аэрозолей меди 1 мг/м3, питьевой воды 1,0 мг/л, для рыбных водоемов 0,01 мг/л, в сточных водах до биол. очистки 0,5 мг/л.
Медь известна человечеству с глубокой древности. Медь и ее сплавы сыграли заметную роль в развитии цивилизации.
МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Сибайское месторождение.
Приурочено к западному крылу Магнитогорского мегасинклинория и расположено в восточной части Сибайской вулканогенной брахиантиклинали, сложенной породами базальтового, а в центральной части липаритодацитового комплексов. С востока и запада месторождение ограничено соответственно Восточным и Центральным разломами близмеридионального простирания и состоит из двух участков — Старого и Нового Сибая.
Все рудные тела — линзообразной формы, залегают в липаритодацитовых породах. В южной части месторождения в пределах Нового Сибая расположена наиболее мощная залежь массивных руд, расщеплённая по восстанию и падению на пять рудных линз; контакт их с вмещающими породами чёткий, падение восточное, от пологого до крутого. Основные компоненты руд — медь, цинк, сера. Отношение меди к цинку в среднем 1:1,6. Главный минеральный тип руд — медно-цинковый (халькопирит-сфалерит-пиритовый), второстепенные руды — серно-колчеданные (пиритовые) и цинково-колчеданные (сфалерит-пиритовые). Месторождение вскрыто спиральным съездом шириной 17 м с уклоном 80/00 и наклонной скиповой траншеей. Осушение карьера осуществляется с помощью горизонтальных подземных выработок (горизонты 130, 230, 350 м) и пробуренных к ним вертикальных сквозных фильтров (скважин). Отработка месторождения производится от центра к границе карьера. Высота уступов 10 м. Бурение скважин — шарошечными станками, выемка — экскаваторами, транспортировка — автосамосвалами. На карьере установлен наклонный скиповый подъёмник грузоподъёмностью до 40 т. Перегрузочный узел скиповой подъёмной установки расположен на глубине 228 м от дневной поверхности. Добытая руда складируется на усреднительных складах, затем направляется на обогащение по бесциановой технологии и по схеме прямой селективной флотации с получением медного, цинкового и пиритного концентратов.
Удоканское медное месторождение.
Расположено в 30 километрах южнее железнодорожной станции Новая Чара Читинской области России. Крупнейшее в стране и третье в мире по запасам меди (около 20 млн т).
Его предварительные запасы оцениваются в 1,3 миллиарда тонн медной руды, среднее содержание меди в руде 1,5 %, что составляет около 30 % всех запасов этого металла в России. Месторождение находится в сейсмоопасном районе.
Месторождение было открыто еще в середине XX века. В 1992 году лицензию на освоение Удокана получило никому не известное российско-американское СП «Удоканская горная компания». Но работа так и не началась, спустя 6 лет государство отозвало лицензию.
По состоянию на декабрь 2010 года на месторождении осуществляется геологоразведка
ЧУКИКАМАТА (Chuquicamata)
Крупнейшее в мире месторождение медных руд на севере Чили, в провинции Эль-Лоа, к северо-востоку от горы Антофагаста. Расположено на высоте 2840 м. Месторождение известно с древнейших времён. Разработка и плавка медных руд велись инками в 16 веке. В промышленных масштабах разрабатывается с 1915. Рудное поле Чукикамата входят также месторождения Мина-Cyp (бывшее название Эксотика), открытое в 1957 и разрабатываемое с 1971, и Мина-Норте (северное продолжение Чукикамата).
Молибден-медно-порфировое месторождение Чукикамата расположено в узкой полосе складчатой зоны Главных Кордильер, в пределах Меденосного пояса Южной Америки. Оруденение приурочено к массиву эоценовых монцонит-порфиров, имеющему в плане вид линзы длиной 3000 м при максимальной ширине 1100 м. Оруденение представлено густой сетью минерализованных прожилков и ветвящихся жил. Главные минералы первичных руд: пирит, энаргит и халькопирит; второстепенные - борнит, сфалерит, галенит и молибденит. Вмещающие породы интенсивно гидротермально изменены. На месторождении до глубины 200 м проявлена зона окисления, а до глубины 700 м — зона вторичного обогащения. Вторичные руды сложены ковеллином, халькозином, брошантитом и атакамитом. Общие запасы меди оцениваются в 92 млн. т при содержании в руде 1,19%, молибдена — около 2 млн. т при содержании 0,02-0,03% и рения — 460 т. Разведанные запасы меди 42,0 млн. т (1987).
Государственная компания "Соdelсо" разрабатывает открытым способом месторождение Чукикамата и месторождение Мина-Cyp. До 1952 отрабатывалась зона окисления, затем зона вторичного обогащения, а после отработки последней — сульфидные руды (на месторождении Мина-Cyp добывается окисленная руда).
-
История эффекта нейтронной активации
Метод нейтронной активации основан на явлении искусственной радиоактивности, за открытие которого Ирен и Фредерик Жоли-Кюри были удостоены Нобелевской премии в 1935г. В опытах супругов были получены искусственно-радиоактивные изотопы при бомбардировке α-частицами мишеней, состоящих из стабильных веществ.
В заметке, опубликованной в 1934г. под названием «Новый вид радиоактивности», авторы указывают, что «радиоактивности, аналогичные наблюденным нами, могут быть получены при помощи бомбардировки другими частицами». Наиболее подходящими среди них оказались нейтроны, что было показано в дальнейшем в работах Э. Ферми. С помощью нейтронной накачки оказывается возможным получение искусственно-радиоактивных изотопов практически для любых материнских ядер. Изучение искусственной радиоактивности, вызванной в результате нейтронной «накачки» исследуемой среды, составляет сущность метода, получившего название нейтронной активации.
2.2Физическая суть метода и область применения
При бомбардировки нейтронами мишеней сложного состава (горные породы, руды) обычно образуется большое количество искусственно радиоактивных изотопов, каждый из которых характеризуется рядом особенностей (схема распада и его постоянная, вид и спектральный состав излучений, выход ядерной реакции). При наличии контрасте в ядерных характеристиках (периодов полураспада, энергетических спектров излучений) оказывается возможным получение сведений о парциальных активностях радионуклидов путем γ-спектрометрических измерений в комбинации с регистрацией вызванной активности во времени (если это необходимо). Информация об особенностях спектра γ-излучения, дополненная постоянной распада, как правило, является достаточной для надежной идентификации каждого из радионуклидов, образующихся с высоким выходом при нейтронной активации среды сложного состава.
Отмеченное обстоятельство определяет области применения метода нейтронной активации, который оказался особенно эффективным для дистанционного изучения состава природных сред, например для получения информации о распределении полезной компоненты в рудных подсечениях разведочных скважин, пройденных с недостаточным выходом кернового материала или при его отсутствии. Другим важным направлением использования явления искусственной радиоактивности является возможность получения сведений о микропримесях в исследуемых веществах как следствие высокой чувствительности метода. В этом случае для нейтронной «накачки» специально подготовленных проб используются нейтронные исследовательские каналы атомных реакторов.
В практике геологоразведочных работ нашли применение и технологии бескернового анализа состава рудных интервалов разведочных скважин, и нейтронный активационный анализ на редкие элементы. Применительно к бескерновым технологиям метод нейтронной активации оказался полезным при разведке месторождений различных полезных ископаемых: топлива (уголь, нефть), черных металлов (марганец), цветных (алюминий, медь), нерудного сырья (флюорит, фосфорит, пьезокварц). Более широкие возможности для изучения состава природных сред заключаются в использовании нейтронно-активационного анализа порошковых проб при нейтронной «накачке» в атомных реакторах. С помощью этого метода исследуется на кларковом уровне распределение в горных породах и рудах целого ряда редких и драгоценных металлов, включая Bа, Се, Sт, Еu, Тb, Dу, Yb, Lи, Ir, Sс, а также Аи и другие элементы.
2.3 Уравнение активации
Предположим, что при бомбардировке однородным потоком нейтронов плотностью f(t) некоторой мишени, содержащей до облучения N0ядер стабильного изотопа, образуются ядра искусственно-радиоактивного продукта с постоянной распада λ. Будем считать, что f(t)и N(t) меняются в процессе нейтронного облучения следующим образом:
f(t) = f0exp(-λ’ t) (1)
N(t}=N0е-f(t) σt (2)
где λ - постоянная распада активного излучателя в источнике нейтронов; σ - микросечение активации ядер материнского изотопа; t- время облучения; f0 - плотность нейтронного потока до начала облучения.
Прирост искусственно-радиоактивных ядер dnза время dt равен
dn= σN(t)f(t)dt – λndt (3).
Найдем скорость прироста искусственно радиоактивных ядер:
dn/dt = σN(t)f(t) – λn (4).
Учитывая (1) и (2), перепишем (4) следующим образом:
Dn/dt + λn = σf0N0exp{-(λ ‘+σf0 exp(-λ ‘t)t} .
Уравнение характеризует связь вызванной активности и времени облучения с учетом изменяющихся в процессе облучения потока нейтронов и количества материнских ядер мишени (т.н. «выгорание») .
3. Активационное опробование медно колчеданных руд в скважинах
3.1 Предпосылки для активационного опробования меди в колчеданных рудах.
Известно, что все нечетные элементы таблицы Менделеева состоят не более чем из двух изотопов, поэтому их определение в сложных средах с помощью искусственной радиоактивности, как правило, оказывается более простой задачей, чем определение четных элементов, зачастую состоящих из пяти-девяти стабильных изотопов.
Полиизотопность уменьшает выходы ядерных реакций и увеличивает количество искусственно-радиоактивных продуктов, которые по своим свойствам могут оказаться сходными с продуктами других элементов. В связи с этим усложняется детектирование наведенного эффекта изотопа-индикатора. Последнее обстоятельство, однако, присуще не только четным элементам: значительное многообразие ядерных реакций на нейтронах и т. д. — приводит к образованию нескольких искусственно-радиоактивных продуктов из одного материнского изотопа. Примером могут служить искусственно-радиоактивные γ-излучатели Со80, Со61, Со62, Ni66, Сu62, Сu64, Сu66, образующаяся в результате взаимодействия быстрых и тепловых нейтронов с ядрами стабильных изотопов меди Сu63 (68,94%) и Сu65 (31,06%). Каждый из этих продуктов имеет свои специфические особенности, анализ которых .может дать ответ на вопрос о пригодности того или иного изотопа в качестве индикатора. При выборе индикатора, прежде всего следует иметь в виду необходимость детектирования его наведенной активности из суммарного эффекта, Обусловленного одновременным активированием других изотопов.
Покажем, при каких условиях возможно детектирование группы среднеживущих γ -излучателей, в число которых входит изотоп меди Си64. Среди долгоживущих изотопов наименьшим периодом и наибольшей активационной константой обладает изотоп мышьяка Аз75. Периоды полураспада остальных продуктов, их типичные содержания и активационные характеристики таковы, что эффект, связанный с Си64, при реальных условиях активирования оказывается много большим в сравнении с суммой эффектов от других изотопов долгоживущей группы. Поэтому будем считать, что при условии сведения к допустимым пределам эффекта Аз75, влиянием продуктов долгоживущей группы можно пренебречь.
Необходимую экспозицию облучения t, которая обеспечит заданное превалирование полезного эффекта над «долгоживущей помехой», можно подобрать лишь при условии соблюдения неравенства :
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.
3.2 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.
1. Натуральный фон. В каждой из точек, подлежащих очередному активированию, определяют натуральный фон. Статистическая погрешность при этом не должна превышать 2—5 имп/мин, что обеспечивается измерением фона Ф в течение времени tф, равного Ф/4 или Ф/25 мин, соответственно. Приближенное значение фона следует находить в первую минуту (две) измерений. Если измерения выполняют в рудных интервалах, представленных вкрапленными разностями (характер руды устанавливают по кривым КС или МЭП), то натуральный фон в точках активации определяют при двух положениях глубинного снаряда, соответствующих измерениям с экранированием и без него.
2. 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.
3. 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.
Ф едеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО
Уральский государственный горный университет
Кафедра геофизики
Курсовой проект
по дисциплине: «Радиометрия и ядерная геофизика»
ТЕМА: «Нейрон-активационный метод при разведке медно-колчеданных руд. Безкерновое определение меди в скважине»
Выполнил:
Студент группы РФ-5з
Христолюбов М.Ю.
Руководитель:
Белышев В.Ю.
г. Екатеринбург
2012
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 63Сu (69,09%) и 65Сu (30,91%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси 3,77.10-28 м2. Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3d104s1; степени окисления + 1, +2, редко +3, + 4; энергии ионизации Сu0 Сu+ Сu2 + Сu3+ соответственно равны 7,7264, 20,2921, 36,83 эВ; атомный радиус 0,128 нм, ионные радиусы (в скобках указаны координационные числа) Сu+ 0,060 нм (2), 0,074 нм (4), 0,091 нм (6), Сu2+ 0,071 нм (2), 0,079 нм (5), 0,087 нм (6); работа выхода электрона 4,36 эВ. Содержание меди в земной коре (4,7.5,5).10-3% по массе. Для меди характерны месторождения гидротермального происхождения. В морской воде содержание меди 3.10-7% по массе, в речной —1.10-7%; ионы меди, поступающие в бассейны морей и океанов, сорбируются донными отложениями, поэтому содержание меди в них достигает 5,7.10-3%. Ионы меди участвуют во многих физиологических процессах, среднее содержание меди в живых организмах 2.10-4% по массе, в крови человека около 0,001 мг/л.
В земной коре медь встречается в основном в виде соединений с S (св. 90% мировых запасов и добычи медь) и в виде кислородсодержащих соединений. Среди многочисленных минералов медь (более 250) наиб. важны: халькопирит CuFeS2, ковеллин CuS, халькозин Cu2S, борнит Cu5FeS4, куприт Сu2О, малахит CuCO3.Cu(OH)2, хризоколла CuSiO3.2H2O др. Редко встречается самородная медь Медные руды по минералогическому составу могут быть подразделены на сульфидные, оксидные и смешанные (30-40% Сu в форме оксидных минералов). По текстурным особенностям различают медные руды массивные, или сплошные (колчеданные, медно-никелевые, полиметаллические), и прожилково-вкрапленные (медистые песчаники и сланцы). Медные руды полиметаллические, помимо меди, они содержат Fe, Zn, Pb, Ni, Au, Ag, Mo, Re, Se, Fe, платиновые металлы и др. Основные мировые запасы меди (кроме России) сосредоточены в Северной Америке (США, Канада, Мексика)-32%, Южной Америке (Чили, Перу)-30%, Африке (Замбия, Заир)-15%. Мировые запасы медных руд составляют 847,6 млн. т.
Свойства.Медь - пластичный, розовато-красный металл с характерным металлическим блеском, тонкие пленки меди при просвечивании-зеленовато-голубого цвета. Кристаллическая решетка гранецентрированная кубическая, а = 0,36150 нм, 2 = 4, пространств. группа FтЗт.Т. пл. 1083,4 0С, т. кип. 2567 °С; плотность 8,92 г/см3, жидкой при 11000С-8,36 г/см3,при 200°С-8,32 г/см3, рентгеновская плотность 8,9331 г/см3; C0р 24,44 ДжДмоль • К), уравнение температурной зависимости в интервале 248-1356,9 К: С0р=4,187(5,41 + 1,4.7.10-3 Т)Дж/моль.К); DH0пл 13,02 кДж/моль, скрытая DHпл 205 кДж/моль, DH0исп 304,8 кДж/моль; S0298 33,15 Дж/моль.К); уравнение температурной зависимости давления пара над жидкой медь: lgp(Па) = -17650/T + 1 l,27.l,273lg Т(1356,9-2870 К). Даже при 1900 К давление пара над медь не превышает 133,32 Па. Температурный коэффициент линейного расширения 1,7.10-5 К-1(273-323 К), уравнение температурной зависимости линейного расширения: lt = l0(1 + 1,67.10-5t + +3,8.10-9t2 + 1,5.10-12t3) м, где l0-длина образца при 25 °С; объемная усадка при кристаллизации-4,1%.
Медь - мягкий, ковкий металл; твердость по Моосу 3,0; твердость по Бринеллю 370-420 МПа; sраст 220 МПа; относительное удлинение 60%, относительное уменьшение поперечного сечения 70%; модуль продольной упругости 112 ГПа; модуль сдвига 49,25 ГПа; коэффициент Пуассона 0,34. После обработки давлением в связи с наклепом пределпрочности меди возрастает до 400-450 МПа, уменьшаются на 1-3% удлинение и электрическая проводимость; последствия наклепа устраняются после отжига металла при 900-1000 К. Под действием нейтронного облучения (373 К, поток 5.1019 n/см2) предел текучести медь возрастает почти в 2,7 раза, сопротивление разрыву - в 1,26 раза, удлинение уменьшается в 1,35 раза. Небольшие примеси Bi, Pb вызывают красноломкость медь, S, О2 - хладноломкость, примеси Р, As, Al, Fe заметно уменьшают электрическую проводимость медь. Медь растворяет Н2, который существенно ухудшает ее механические свойства ("водородная болезнь").
Получение.Основное сырье для получения медь-сульфидные, реже-смешанные руды. Большое значение приобретает переработка вторичного сырья, из которого в ряде развитых стран получают до 30-60% производимой медь. В связи с невысоким содержанием медь в рудах (0,5-1,2%) и их много-компонентностью руды подвергают флотационному обогащению, получая попутно, помимо медного, и др. концентраты, например цинковый, никелевый, молибденовый, пиритный, свинцовый. Содержание медь в медных концентратах достигает 18-45%.
Применение.Широкое применение медь в промышленности обусловлено рядом ее ценных свойств и прежде всего высокой электрической проводимостью, пластичностью, теплопроводностью. Более 50% медь используется для изготовления проводов, кабелей, шин, токопроводящих частей электрических установок. Из меди изготовляют теплообменную аппаратуру (вакуум-испарители, подогреватели, холодильники). Более 30% меди применяют в виде сплавов, важнейшие из которых - бронзы, латуни, мельхиор и другие. Медь и ее сплавы используют также для изготовления художественных изделий. В виде фольги медь применяют в радиоэлектронике. Значительное количество меди (10-12%) применяют в виде различных соединений в медицине (антисептические и вяжущие средства), для изготовления инсектофунгицидов, в качестве медных удобрений, пигментов, катализаторов, в гальванотехнике и т.д.
Все соли меди ядовиты; раздражают слизистые, поражают желудочно-кишечный тракт, вызывают тошноту, рвоту, заболевание печени и др. При вдыхании пыли медь развивается хроническое отравление. ПДК для аэрозолей меди 1 мг/м3, питьевой воды 1,0 мг/л, для рыбных водоемов 0,01 мг/л, в сточных водах до биол. очистки 0,5 мг/л.
Медь известна человечеству с глубокой древности. Медь и ее сплавы сыграли заметную роль в развитии цивилизации.
МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Сибайское месторождение.
Приурочено к западному крылу Магнитогорского мегасинклинория и расположено в восточной части Сибайской вулканогенной брахиантиклинали, сложенной породами базальтового, а в центральной части липаритодацитового комплексов. С востока и запада месторождение ограничено соответственно Восточным и Центральным разломами близмеридионального простирания и состоит из двух участков — Старого и Нового Сибая.
Все рудные тела — линзообразной формы, залегают в липаритодацитовых породах. В южной части месторождения в пределах Нового Сибая расположена наиболее мощная залежь массивных руд, расщеплённая по восстанию и падению на пять рудных линз; контакт их с вмещающими породами чёткий, падение восточное, от пологого до крутого. Основные компоненты руд — медь, цинк, сера. Отношение меди к цинку в среднем 1:1,6. Главный минеральный тип руд — медно-цинковый (халькопирит-сфалерит-пиритовый), второстепенные руды — серно-колчеданные (пиритовые) и цинково-колчеданные (сфалерит-пиритовые). Месторождение вскрыто спиральным съездом шириной 17 м с уклоном 80/00 и наклонной скиповой траншеей. Осушение карьера осуществляется с помощью горизонтальных подземных выработок (горизонты 130, 230, 350 м) и пробуренных к ним вертикальных сквозных фильтров (скважин). Отработка месторождения производится от центра к границе карьера. Высота уступов 10 м. Бурение скважин — шарошечными станками, выемка — экскаваторами, транспортировка — автосамосвалами. На карьере установлен наклонный скиповый подъёмник грузоподъёмностью до 40 т. Перегрузочный узел скиповой подъёмной установки расположен на глубине 228 м от дневной поверхности. Добытая руда складируется на усреднительных складах, затем направляется на обогащение по бесциановой технологии и по схеме прямой селективной флотации с получением медного, цинкового и пиритного концентратов.
Удоканское медное месторождение.
Расположено в 30 километрах южнее железнодорожной станции Новая Чара Читинской области России. Крупнейшее в стране и третье в мире по запасам меди (около 20 млн т).
Его предварительные запасы оцениваются в 1,3 миллиарда тонн медной руды, среднее содержание меди в руде 1,5 %, что составляет около 30 % всех запасов этого металла в России. Месторождение находится в сейсмоопасном районе.
Месторождение было открыто еще в середине XX века. В 1992 году лицензию на освоение Удокана получило никому не известное российско-американское СП «Удоканская горная компания». Но работа так и не началась, спустя 6 лет государство отозвало лицензию.
По состоянию на декабрь 2010 года на месторождении осуществляется геологоразведка
ЧУКИКАМАТА (Chuquicamata)
Крупнейшее в мире месторождение медных руд на севере Чили, в провинции Эль-Лоа, к северо-востоку от горы Антофагаста. Расположено на высоте 2840 м. Месторождение известно с древнейших времён. Разработка и плавка медных руд велись инками в 16 веке. В промышленных масштабах разрабатывается с 1915. Рудное поле Чукикамата входят также месторождения Мина-Cyp (бывшее название Эксотика), открытое в 1957 и разрабатываемое с 1971, и Мина-Норте (северное продолжение Чукикамата).
Молибден-медно-порфировое месторождение Чукикамата расположено в узкой полосе складчатой зоны Главных Кордильер, в пределах Меденосного пояса Южной Америки. Оруденение приурочено к массиву эоценовых монцонит-порфиров, имеющему в плане вид линзы длиной 3000 м при максимальной ширине 1100 м. Оруденение представлено густой сетью минерализованных прожилков и ветвящихся жил. Главные минералы первичных руд: пирит, энаргит и халькопирит; второстепенные - борнит, сфалерит, галенит и молибденит. Вмещающие породы интенсивно гидротермально изменены. На месторождении до глубины 200 м проявлена зона окисления, а до глубины 700 м — зона вторичного обогащения. Вторичные руды сложены ковеллином, халькозином, брошантитом и атакамитом. Общие запасы меди оцениваются в 92 млн. т при содержании в руде 1,19%, молибдена — около 2 млн. т при содержании 0,02-0,03% и рения — 460 т. Разведанные запасы меди 42,0 млн. т (1987).
Государственная компания "Соdelсо" разрабатывает открытым способом месторождение Чукикамата и месторождение Мина-Cyp. До 1952 отрабатывалась зона окисления, затем зона вторичного обогащения, а после отработки последней — сульфидные руды (на месторождении Мина-Cyp добывается окисленная руда).
-
История эффекта нейтронной активации
Метод нейтронной активации основан на явлении искусственной радиоактивности, за открытие которого Ирен и Фредерик Жоли-Кюри были удостоены Нобелевской премии в 1935г. В опытах супругов были получены искусственно-радиоактивные изотопы при бомбардировке α-частицами мишеней, состоящих из стабильных веществ.
В заметке, опубликованной в 1934г. под названием «Новый вид радиоактивности», авторы указывают, что «радиоактивности, аналогичные наблюденным нами, могут быть получены при помощи бомбардировки другими частицами». Наиболее подходящими среди них оказались нейтроны, что было показано в дальнейшем в работах Э. Ферми. С помощью нейтронной накачки оказывается возможным получение искусственно-радиоактивных изотопов практически для любых материнских ядер. Изучение искусственной радиоактивности, вызванной в результате нейтронной «накачки» исследуемой среды, составляет сущность метода, получившего название нейтронной активации.
2.2Физическая суть метода и область применения
При бомбардировки нейтронами мишеней сложного состава (горные породы, руды) обычно образуется большое количество искусственно радиоактивных изотопов, каждый из которых характеризуется рядом особенностей (схема распада и его постоянная, вид и спектральный состав излучений, выход ядерной реакции). При наличии контрасте в ядерных характеристиках (периодов полураспада, энергетических спектров излучений) оказывается возможным получение сведений о парциальных активностях радионуклидов путем γ-спектрометрических измерений в комбинации с регистрацией вызванной активности во времени (если это необходимо). Информация об особенностях спектра γ-излучения, дополненная постоянной распада, как правило, является достаточной для надежной идентификации каждого из радионуклидов, образующихся с высоким выходом при нейтронной активации среды сложного состава.
Отмеченное обстоятельство определяет области применения метода нейтронной активации, который оказался особенно эффективным для дистанционного изучения состава природных сред, например для получения информации о распределении полезной компоненты в рудных подсечениях разведочных скважин, пройденных с недостаточным выходом кернового материала или при его отсутствии. Другим важным направлением использования явления искусственной радиоактивности является возможность получения сведений о микропримесях в исследуемых веществах как следствие высокой чувствительности метода. В этом случае для нейтронной «накачки» специально подготовленных проб используются нейтронные исследовательские каналы атомных реакторов.
В практике геологоразведочных работ нашли применение и технологии бескернового анализа состава рудных интервалов разведочных скважин, и нейтронный активационный анализ на редкие элементы. Применительно к бескерновым технологиям метод нейтронной активации оказался полезным при разведке месторождений различных полезных ископаемых: топлива (уголь, нефть), черных металлов (марганец), цветных (алюминий, медь), нерудного сырья (флюорит, фосфорит, пьезокварц). Более широкие возможности для изучения состава природных сред заключаются в использовании нейтронно-активационного анализа порошковых проб при нейтронной «накачке» в атомных реакторах. С помощью этого метода исследуется на кларковом уровне распределение в горных породах и рудах целого ряда редких и драгоценных металлов, включая Bа, Се, Sт, Еu, Тb, Dу, Yb, Lи, Ir, Sс, а также Аи и другие элементы.
2.3 Уравнение активации
Предположим, что при бомбардировке однородным потоком нейтронов плотностью f(t) некоторой мишени, содержащей до облучения N0ядер стабильного изотопа, образуются ядра искусственно-радиоактивного продукта с постоянной распада λ. Будем считать, что f(t)и N(t) меняются в процессе нейтронного облучения следующим образом:
f(t) = f0exp(-λ’ t) (1)
N(t}=N0е-f(t) σt (2)
где λ - постоянная распада активного излучателя в источнике нейтронов; σ - микросечение активации ядер материнского изотопа; t- время облучения; f0 - плотность нейтронного потока до начала облучения.
Прирост искусственно-радиоактивных ядер dnза время dt равен
dn= σN(t)f(t)dt – λndt (3).
Найдем скорость прироста искусственно радиоактивных ядер:
dn/dt = σN(t)f(t) – λn (4).
Учитывая (1) и (2), перепишем (4) следующим образом:
Dn/dt + λn = σf0N0exp{-(λ ‘+σf0 exp(-λ ‘t)t} .
Уравнение характеризует связь вызванной активности и времени облучения с учетом изменяющихся в процессе облучения потока нейтронов и количества материнских ядер мишени (т.н. «выгорание») .
3. Активационное опробование медно колчеданных руд в скважинах
3.1 Предпосылки для активационного опробования меди в колчеданных рудах.
Известно, что все нечетные элементы таблицы Менделеева состоят не более чем из двух изотопов, поэтому их определение в сложных средах с помощью искусственной радиоактивности, как правило, оказывается более простой задачей, чем определение четных элементов, зачастую состоящих из пяти-девяти стабильных изотопов.
Полиизотопность уменьшает выходы ядерных реакций и увеличивает количество искусственно-радиоактивных продуктов, которые по своим свойствам могут оказаться сходными с продуктами других элементов. В связи с этим усложняется детектирование наведенного эффекта изотопа-индикатора. Последнее обстоятельство, однако, присуще не только четным элементам: значительное многообразие ядерных реакций на нейтронах и т. д. — приводит к образованию нескольких искусственно-радиоактивных продуктов из одного материнского изотопа. Примером могут служить искусственно-радиоактивные γ-излучатели Со80, Со61, Со62, Ni66, Сu62, Сu64, Сu66, образующаяся в результате взаимодействия быстрых и тепловых нейтронов с ядрами стабильных изотопов меди Сu63 (68,94%) и Сu65 (31,06%). Каждый из этих продуктов имеет свои специфические особенности, анализ которых .может дать ответ на вопрос о пригодности того или иного изотопа в качестве индикатора. При выборе индикатора, прежде всего следует иметь в виду необходимость детектирования его наведенной активности из суммарного эффекта, Обусловленного одновременным активированием других изотопов.
Покажем, при каких условиях возможно детектирование группы среднеживущих γ -излучателей, в число которых входит изотоп меди Си64. Среди долгоживущих изотопов наименьшим периодом и наибольшей активационной константой обладает изотоп мышьяка Аз75. Периоды полураспада остальных продуктов, их типичные содержания и активационные характеристики таковы, что эффект, связанный с Си64, при реальных условиях активирования оказывается много большим в сравнении с суммой эффектов от других изотопов долгоживущей группы. Поэтому будем считать, что при условии сведения к допустимым пределам эффекта Аз75, влиянием продуктов долгоживущей группы можно пренебречь.
Необходимую экспозицию облучения t, которая обеспечит заданное превалирование полезного эффекта над «долгоживущей помехой», можно подобрать лишь при условии соблюдения неравенства :
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 составляетФ
едеральное агентство по образованию ГОУ ВПО
Уральский государственный горный университет
Кафедра геофизики
Курсовой проект
по дисциплине: «Радиометрия и ядерная геофизика»
ТЕМА: «Нейрон-активационный метод при разведке медно-колчеданных руд. Безкерновое определение меди в скважине»
Выполнил:
Студент группы РФ-5з
Христолюбов М.Ю.
Руководитель:
Белышев В.Ю.
г. Екатеринбург
2012
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 63Сu (69,09%) и 65Сu (30,91%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси 3,77.10-28 м2. Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3d104s1; степени окисления + 1, +2, редко +3, + 4; энергии ионизации Сu0
Сu+ Сu2 + Сu3+ соответственно равны 7,7264, 20,2921, 36,83 эВ; атомный радиус 0,128 нм, ионные радиусы (в скобках указаны координационные числа) Сu+ 0,060 нм (2), 0,074 нм (4), 0,091 нм (6), Сu2+ 0,071 нм (2), 0,079 нм (5), 0,087 нм (6); работа выхода электрона 4,36 эВ. Содержание меди в земной коре (4,7.5,5).10-3% по массе. Для меди характерны месторождения гидротермального происхождения. В морской воде содержание меди 3.10-7% по массе, в речной —1.10-7%; ионы меди, поступающие в бассейны морей и океанов, сорбируются донными отложениями, поэтому содержание меди в них достигает 5,7.10-3%. Ионы меди участвуют во многих физиологических процессах, среднее содержание меди в живых организмах 2.10-4% по массе, в крови человека около 0,001 мг/л.В земной коре медь встречается в основном в виде соединений с S (св. 90% мировых запасов и добычи медь) и в виде кислородсодержащих соединений. Среди многочисленных минералов медь (более 250) наиб. важны: халькопирит CuFeS2, ковеллин CuS, халькозин Cu2S, борнит Cu5FeS4, куприт Сu2О, малахит CuCO3.Cu(OH)2, хризоколла CuSiO3.2H2O др. Редко встречается самородная медь Медные руды по минералогическому составу могут быть подразделены на сульфидные, оксидные и смешанные (30-40% Сu в форме оксидных минералов). По текстурным особенностям различают медные руды массивные, или сплошные (колчеданные, медно-никелевые, полиметаллические), и прожилково-вкрапленные (медистые песчаники и сланцы). Медные руды полиметаллические, помимо меди, они содержат Fe, Zn, Pb, Ni, Au, Ag, Mo, Re, Se, Fe, платиновые металлы и др. Основные мировые запасы меди (кроме России) сосредоточены в Северной Америке (США, Канада, Мексика)-32%, Южной Америке (Чили, Перу)-30%, Африке (Замбия, Заир)-15%. Мировые запасы медных руд составляют 847,6 млн. т.
Свойства.Медь - пластичный, розовато-красный металл с характерным металлическим блеском, тонкие пленки меди при просвечивании-зеленовато-голубого цвета. Кристаллическая решетка гранецентрированная кубическая, а = 0,36150 нм, 2 = 4, пространств. группа FтЗт.Т. пл. 1083,4 0С, т. кип. 2567 °С; плотность 8,92 г/см3, жидкой при 11000С-8,36 г/см3,при 200°С-8,32 г/см3, рентгеновская плотность 8,9331 г/см3; C0р 24,44 ДжДмоль • К), уравнение температурной зависимости в интервале 248-1356,9 К: С0р=4,187(5,41 + 1,4.7.10-3 Т)Дж/моль.К); DH0пл 13,02 кДж/моль, скрытая DHпл 205 кДж/моль, DH0исп 304,8 кДж/моль; S0298 33,15 Дж/моль.К); уравнение температурной зависимости давления пара над жидкой медь: lgp(Па) = -17650/T + 1 l,27.l,273lg Т(1356,9-2870 К). Даже при 1900 К давление пара над медь не превышает 133,32 Па. Температурный коэффициент линейного расширения 1,7.10-5 К-1(273-323 К), уравнение температурной зависимости линейного расширения: lt = l0(1 + 1,67.10-5t + +3,8.10-9t2 + 1,5.10-12t3) м, где l0-длина образца при 25 °С; объемная усадка при кристаллизации-4,1%.
Медь - мягкий, ковкий металл; твердость по Моосу 3,0; твердость по Бринеллю 370-420 МПа; sраст 220 МПа; относительное удлинение 60%, относительное уменьшение поперечного сечения 70%; модуль продольной упругости 112 ГПа; модуль сдвига 49,25 ГПа; коэффициент Пуассона 0,34. После обработки давлением в связи с наклепом пределпрочности меди возрастает до 400-450 МПа, уменьшаются на 1-3% удлинение и электрическая проводимость; последствия наклепа устраняются после отжига металла при 900-1000 К. Под действием нейтронного облучения (373 К, поток 5.1019 n/см2) предел текучести медь возрастает почти в 2,7 раза, сопротивление разрыву - в 1,26 раза, удлинение уменьшается в 1,35 раза. Небольшие примеси Bi, Pb вызывают красноломкость медь, S, О2 - хладноломкость, примеси Р, As, Al, Fe заметно уменьшают электрическую проводимость медь. Медь растворяет Н2, который существенно ухудшает ее механические свойства ("водородная болезнь").
Получение.Основное сырье для получения медь-сульфидные, реже-смешанные руды. Большое значение приобретает переработка вторичного сырья, из которого в ряде развитых стран получают до 30-60% производимой медь. В связи с невысоким содержанием медь в рудах (0,5-1,2%) и их много-компонентностью руды подвергают флотационному обогащению, получая попутно, помимо медного, и др. концентраты, например цинковый, никелевый, молибденовый, пиритный, свинцовый. Содержание медь в медных концентратах достигает 18-45%.
Применение.Широкое применение медь в промышленности обусловлено рядом ее ценных свойств и прежде всего высокой электрической проводимостью, пластичностью, теплопроводностью. Более 50% медь используется для изготовления проводов, кабелей, шин, токопроводящих частей электрических установок. Из меди изготовляют теплообменную аппаратуру (вакуум-испарители, подогреватели, холодильники). Более 30% меди применяют в виде сплавов, важнейшие из которых - бронзы, латуни, мельхиор и другие. Медь и ее сплавы используют также для изготовления художественных изделий. В виде фольги медь применяют в радиоэлектронике. Значительное количество меди (10-12%) применяют в виде различных соединений в медицине (антисептические и вяжущие средства), для изготовления инсектофунгицидов, в качестве медных удобрений, пигментов, катализаторов, в гальванотехнике и т.д.
Все соли меди ядовиты; раздражают слизистые, поражают желудочно-кишечный тракт, вызывают тошноту, рвоту, заболевание печени и др. При вдыхании пыли медь развивается хроническое отравление. ПДК для аэрозолей меди 1 мг/м3, питьевой воды 1,0 мг/л, для рыбных водоемов 0,01 мг/л, в сточных водах до биол. очистки 0,5 мг/л.
Медь известна человечеству с глубокой древности. Медь и ее сплавы сыграли заметную роль в развитии цивилизации.
МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Сибайское месторождение.
Приурочено к западному крылу Магнитогорского мегасинклинория и расположено в восточной части Сибайской вулканогенной брахиантиклинали, сложенной породами базальтового, а в центральной части липаритодацитового комплексов. С востока и запада месторождение ограничено соответственно Восточным и Центральным разломами близмеридионального простирания и состоит из двух участков — Старого и Нового Сибая.
Все рудные тела — линзообразной формы, залегают в липаритодацитовых породах. В южной части месторождения в пределах Нового Сибая расположена наиболее мощная залежь массивных руд, расщеплённая по восстанию и падению на пять рудных линз; контакт их с вмещающими породами чёткий, падение восточное, от пологого до крутого. Основные компоненты руд — медь, цинк, сера. Отношение меди к цинку в среднем 1:1,6. Главный минеральный тип руд — медно-цинковый (халькопирит-сфалерит-пиритовый), второстепенные руды — серно-колчеданные (пиритовые) и цинково-колчеданные (сфалерит-пиритовые). Месторождение вскрыто спиральным съездом шириной 17 м с уклоном 80/00 и наклонной скиповой траншеей. Осушение карьера осуществляется с помощью горизонтальных подземных выработок (горизонты 130, 230, 350 м) и пробуренных к ним вертикальных сквозных фильтров (скважин). Отработка месторождения производится от центра к границе карьера. Высота уступов 10 м. Бурение скважин — шарошечными станками, выемка — экскаваторами, транспортировка — автосамосвалами. На карьере установлен наклонный скиповый подъёмник грузоподъёмностью до 40 т. Перегрузочный узел скиповой подъёмной установки расположен на глубине 228 м от дневной поверхности. Добытая руда складируется на усреднительных складах, затем направляется на обогащение по бесциановой технологии и по схеме прямой селективной флотации с получением медного, цинкового и пиритного концентратов.
Удоканское медное месторождение.
Расположено в 30 километрах южнее железнодорожной станции Новая Чара Читинской области России. Крупнейшее в стране и третье в мире по запасам меди (около 20 млн т).
Его предварительные запасы оцениваются в 1,3 миллиарда тонн медной руды, среднее содержание меди в руде 1,5 %, что составляет около 30 % всех запасов этого металла в России. Месторождение находится в сейсмоопасном районе.
Месторождение было открыто еще в середине XX века. В 1992 году лицензию на освоение Удокана получило никому не известное российско-американское СП «Удоканская горная компания». Но работа так и не началась, спустя 6 лет государство отозвало лицензию.
По состоянию на декабрь 2010 года на месторождении осуществляется геологоразведка
ЧУКИКАМАТА (Chuquicamata)
Крупнейшее в мире месторождение медных руд на севере Чили, в провинции Эль-Лоа, к северо-востоку от горы Антофагаста. Расположено на высоте 2840 м. Месторождение известно с древнейших времён. Разработка и плавка медных руд велись инками в 16 веке. В промышленных масштабах разрабатывается с 1915. Рудное поле Чукикамата входят также месторождения Мина-Cyp (бывшее название Эксотика), открытое в 1957 и разрабатываемое с 1971, и Мина-Норте (северное продолжение Чукикамата).
Молибден-медно-порфировое месторождение Чукикамата расположено в узкой полосе складчатой зоны Главных Кордильер, в пределах Меденосного пояса Южной Америки. Оруденение приурочено к массиву эоценовых монцонит-порфиров, имеющему в плане вид линзы длиной 3000 м при максимальной ширине 1100 м. Оруденение представлено густой сетью минерализованных прожилков и ветвящихся жил. Главные минералы первичных руд: пирит, энаргит и халькопирит; второстепенные - борнит, сфалерит, галенит и молибденит. Вмещающие породы интенсивно гидротермально изменены. На месторождении до глубины 200 м проявлена зона окисления, а до глубины 700 м — зона вторичного обогащения. Вторичные руды сложены ковеллином, халькозином, брошантитом и атакамитом. Общие запасы меди оцениваются в 92 млн. т при содержании в руде 1,19%, молибдена — около 2 млн. т при содержании 0,02-0,03% и рения — 460 т. Разведанные запасы меди 42,0 млн. т (1987).
Государственная компания "Соdelсо" разрабатывает открытым способом месторождение Чукикамата и месторождение Мина-Cyp. До 1952 отрабатывалась зона окисления, затем зона вторичного обогащения, а после отработки последней — сульфидные руды (на месторождении Мина-Cyp добывается окисленная руда).
-
История эффекта нейтронной активации
Метод нейтронной активации основан на явлении искусственной радиоактивности, за открытие которого Ирен и Фредерик Жоли-Кюри были удостоены Нобелевской премии в 1935г. В опытах супругов были получены искусственно-радиоактивные изотопы при бомбардировке α-частицами мишеней, состоящих из стабильных веществ.
В заметке, опубликованной в 1934г. под названием «Новый вид радиоактивности», авторы указывают, что «радиоактивности, аналогичные наблюденным нами, могут быть получены при помощи бомбардировки другими частицами». Наиболее подходящими среди них оказались нейтроны, что было показано в дальнейшем в работах Э. Ферми. С помощью нейтронной накачки оказывается возможным получение искусственно-радиоактивных изотопов практически для любых материнских ядер. Изучение искусственной радиоактивности, вызванной в результате нейтронной «накачки» исследуемой среды, составляет сущность метода, получившего название нейтронной активации.
2.2Физическая суть метода и область применения
При бомбардировки нейтронами мишеней сложного состава (горные породы, руды) обычно образуется большое количество искусственно радиоактивных изотопов, каждый из которых характеризуется рядом особенностей (схема распада и его постоянная, вид и спектральный состав излучений, выход ядерной реакции). При наличии контрасте в ядерных характеристиках (периодов полураспада, энергетических спектров излучений) оказывается возможным получение сведений о парциальных активностях радионуклидов путем γ-спектрометрических измерений в комбинации с регистрацией вызванной активности во времени (если это необходимо). Информация об особенностях спектра γ-излучения, дополненная постоянной распада, как правило, является достаточной для надежной идентификации каждого из радионуклидов, образующихся с высоким выходом при нейтронной активации среды сложного состава.
Отмеченное обстоятельство определяет области применения метода нейтронной активации, который оказался особенно эффективным для дистанционного изучения состава природных сред, например для получения информации о распределении полезной компоненты в рудных подсечениях разведочных скважин, пройденных с недостаточным выходом кернового материала или при его отсутствии. Другим важным направлением использования явления искусственной радиоактивности является возможность получения сведений о микропримесях в исследуемых веществах как следствие высокой чувствительности метода. В этом случае для нейтронной «накачки» специально подготовленных проб используются нейтронные исследовательские каналы атомных реакторов.
В практике геологоразведочных работ нашли применение и технологии бескернового анализа состава рудных интервалов разведочных скважин, и нейтронный активационный анализ на редкие элементы. Применительно к бескерновым технологиям метод нейтронной активации оказался полезным при разведке месторождений различных полезных ископаемых: топлива (уголь, нефть), черных металлов (марганец), цветных (алюминий, медь), нерудного сырья (флюорит, фосфорит, пьезокварц). Более широкие возможности для изучения состава природных сред заключаются в использовании нейтронно-активационного анализа порошковых проб при нейтронной «накачке» в атомных реакторах. С помощью этого метода исследуется на кларковом уровне распределение в горных породах и рудах целого ряда редких и драгоценных металлов, включая Bа, Се, Sт, Еu, Тb, Dу, Yb, Lи, Ir, Sс, а также Аи и другие элементы.
2.3 Уравнение активации
Предположим, что при бомбардировке однородным потоком нейтронов плотностью f(t) некоторой мишени, содержащей до облучения N0ядер стабильного изотопа, образуются ядра искусственно-радиоактивного продукта с постоянной распада λ. Будем считать, что f(t)и N(t) меняются в процессе нейтронного облучения следующим образом:
f(t) = f0exp(-λ’ t) (1)
N(t}=N0е-f(t) σt (2)
где λ - постоянная распада активного излучателя в источнике нейтронов; σ - микросечение активации ядер материнского изотопа; t- время облучения; f0 - плотность нейтронного потока до начала облучения.
Прирост искусственно-радиоактивных ядер dnза время dt равен
dn= σN(t)f(t)dt – λndt (3).
Найдем скорость прироста искусственно радиоактивных ядер:
dn/dt = σN(t)f(t) – λn (4).
Учитывая (1) и (2), перепишем (4) следующим образом:
Dn/dt + λn = σf0N0exp{-(λ ‘+σf0 exp(-λ ‘t)t} .
Уравнение характеризует связь вызванной активности и времени облучения с учетом изменяющихся в процессе облучения потока нейтронов и количества материнских ядер мишени (т.н. «выгорание») .
3. Активационное опробование медно колчеданных руд в скважинах
3.1 Предпосылки для активационного опробования меди в колчеданных рудах.
Известно, что все нечетные элементы таблицы Менделеева состоят не более чем из двух изотопов, поэтому их определение в сложных средах с помощью искусственной радиоактивности, как правило, оказывается более простой задачей, чем определение четных элементов, зачастую состоящих из пяти-девяти стабильных изотопов.
Полиизотопность уменьшает выходы ядерных реакций и увеличивает количество искусственно-радиоактивных продуктов, которые по своим свойствам могут оказаться сходными с продуктами других элементов. В связи с этим усложняется детектирование наведенного эффекта изотопа-индикатора. Последнее обстоятельство, однако, присуще не только четным элементам: значительное многообразие ядерных реакций на нейтронах и т. д. — приводит к образованию нескольких искусственно-радиоактивных продуктов из одного материнского изотопа. Примером могут служить искусственно-радиоактивные γ-излучатели Со80, Со61, Со62, Ni66, Сu62, Сu64, Сu66, образующаяся в результате взаимодействия быстрых и тепловых нейтронов с ядрами стабильных изотопов меди Сu63 (68,94%) и Сu65 (31,06%). Каждый из этих продуктов имеет свои специфические особенности, анализ которых .может дать ответ на вопрос о пригодности того или иного изотопа в качестве индикатора. При выборе индикатора, прежде всего следует иметь в виду необходимость детектирования его наведенной активности из суммарного эффекта, Обусловленного одновременным активированием других изотопов.
Покажем, при каких условиях возможно детектирование группы среднеживущих γ -излучателей, в число которых входит изотоп меди Си64. Среди долгоживущих изотопов наименьшим периодом и наибольшей активационной константой обладает изотоп мышьяка Аз75. Периоды полураспада остальных продуктов, их типичные содержания и активационные характеристики таковы, что эффект, связанный с Си64, при реальных условиях активирования оказывается много большим в сравнении с суммой эффектов от других изотопов долгоживущей группы. Поэтому будем считать, что при условии сведения к допустимым пределам эффекта Аз75, влиянием продуктов долгоживущей группы можно пренебречь.
Необходимую экспозицию облучения t, которая обеспечит заданное превалирование полезного эффекта над «долгоживущей помехой», можно подобрать лишь при условии соблюдения неравенства :
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
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
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 2.4. 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.
5. 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:
SK=
Pn- среднее содержание полезного компонента в %, относящееся к ln– части эталонного интервала.
Среднее содержание полезного компонента Pi в любом активационном интервале (
Примеры использования нейтрон-активационного метода на медноколчеданных месторождениях
Примеры производственного применения активационного опробования на Молодежном месторождении Челябинской области.
С
ледует отметить, что по нескольким скважинам этого месторождения линейные запасы меди были определены активацией значительно раньше, чем это было выполнено но керну. При последующем сравнении оказалось, что разница в линейных запасах меди по активации и керну колебалась от 3,5 до 25%, составляя в среднем около 15%. Учитывая преимущественно вкрапленный характер оруденения (влияние натрия) и сравнительно бедные концентрации меди (низкий эффект), такую точность следует признать хорошей.Рис. 5. График количественного распределения меди по результатам (1) кернового и (2) активационного опробования по скв. 536
5.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.
6.Литература
1. Возжеников Г.С. «Активационный анализ в рудной геофизике». Недра 1965г.
2.Возжеников Г.С. Белышев Ю.В. «Радиометрия и ядерная геофизика». Екатеринбург 2000г.