6 RADIONUKLIDOVÉ METODY Rozvoj použití metod jaderné geofyziky je úzce spjat s vývojem techniky detekce jaderného záření. Studium jevů jaderného záření a scintilaee z počátku dvacátého století, návrh počítače alfa částic realizovaný Rutherfordem a Griperem r. 1908, konstrukce Geigerova—Múllerova počítače r. 1928 a snaha o stanovení radioaktivity hornin vedly k sestavení prvních přenosných měřičů radioaktivity po r. 1930. Roku 1934 byla I. a í\ J. Curieovými objevena umělá radioaktivita. Velký rozmach průzkumu uranu po r. 1945 podmínil rozvoj terénních přístrojů: roku 1947 byla v SSSR, USA a Kanadě realizována prvá letecká měření radioaktivity hornin, v padesátých letech se rozvíjí spektrometrie gama záření se scintilaČ-ními počítači, koncem Šedesátých let jsou'konstruovány moderní letecké a pozemní gama spektrometry, v sedmdesátých letech se uplatňuje technika polovodičových detektorů pro měření ve vrtech a intenzívně se prosazuje automatizace zpracování naměřených dat. , Radionuklidové metody využívají přeměn jader atomů, jaderného zářeni a jeho působení na hmotu. Při použití v oboru geologie je dělíme na metody zabývající se měřením přirozené radioaktivity hornin (často označované jako radiometrické metody) a na metody využívající vzbuzená pole jaderného záření (metody jaderné geofyziky). Radiometrické metody umožňují kvalitativní a kvantitativní stanovení přirozených radioaktivních prvků v horninách, vodách a vzduchu. Metody jaderné geofyziky, využívající působení umělých zdrojů jaderného záření na zkoumané geologické objekty, umožňují stanovení obsahů prvků a fyzikálních vlastností hornin. Podle typu detekovaného jaderného záření se radionuklidové metody dělí na metody alfa, beta, gama a neutronové. Radionuklidové metody se uplatňují při geologickém mapování, vyhledávání a průzkumu ložisek nerostných surovin, v hydrogeologii, při řešení inže-nýrskogeologických problémů a v provozu dolů a úpraven. Jaderné záření zkoumaných přírodních objektů se měří z letadel, automobilů, pomocí ručních přenosných přístrojů, ve vrtech, v dolech, na mořském dně a v laboratořích. 6.1 Fyzikální základy radionuklidových metod Znalost vzniku jaderného záření, jeho vlastností a způsobu interakce s hmotou umožňuje výklad naměřených hodnot při studiu geologických objektů. 6.1.1 Stavba hmoty, jaderné přeměny a radioaktivita Atomy prvků se skládají z jádra a elektronového obalu. Jádro je tvořeno protony a neutrony, elektrony se pohybují na elektronových sférách označovaných K, L, M, N, O, P, Q. Elementární náboj nabitých částic je l,60ä . 1Q~19 C. Izotopy prvků označujeme symboly ÄZX, kde A je hmotnostní číslo prvku a X chemický symbol prvku. Z je atomové číslo prvku. 99 Přeměny jader atomů vznikají působením externího záření na atomy hmoty nebo v důsledku vnitřní nestability jader atomů. Dopadají-Ii částice a na jádra X atomů, tvoří se jádra Y a uvolňují Částice b, a + X-^Y + b; (6il) reakci lze zapsat X{a,b) Y. Pravděpodobnost vzniku interakce jaderného záření-8 hmotou vyjadřuje účinný průřez cr (cm2) reakce daného typu. Pro energie částic a Ea £ 10 MeV je přeměna obvykle uskutečněna v posloupnosti a + X^Y*^Y + b, (6i2) při které vzniká vzbufcené jádro atomu í*, Jeho přechod na stabilní energetickou úroveň může být okamžitý (6.2) nebo postupný; v druhém případě se jádra Y* přeměňují podle Y*->Z-\-c (6.3) a mluvíme o -umělé radioaktivitě. Nacházejí-li se jádra Y* v přírodě, označujeme přeměny podle (6.3) jako přirozenou radioaktivitu. Přeměny jader Y* atomů jsou provázeny emisí Částic (b, o) nebo energie, takzvaným jaderným zářením; takové prvky označujeme jako radioaktivní. Typy přeměn jsou: alfa, beta, záchyt elektronu a dělení jader. Zákon radioaktivního rozpadu vyjadřuje závislost úbytku počtu atomů N radioaktivního prvku na čase / Nt= N0 exp (—Xt), (6.4) kde Nt; N0 jsou počty atomů prvku v časech t a t = 0, X (s~i) je rozpadová konstanta prvku charakterizující rychlost rozpadu. Poločas rozpadu T (s) je doba, za kterou se rozpadne z počátečního množství radionuklidu jedna polovina. In 2 0,693 = —= (6-5) Za dobu 5T zbude 3 % výchozího množství radionuklidu, za 7T1 %, za 10T 0,1 %. 6.1.2 Přirozené a umělé radionuklidy Mezi přirozené radionuklidy patří členy přirozených radioaktivních rozpadových řad. Rozpadové řady se nazývají podle svých mateřských prvků "8Ut 23SU, «2Th (obr. 41). Zůstávají-li členy rozpadové řady v přírodních objektech na místě, vzniká mezi nimi radioaktivní rovnováha. Za podmínek XL 0, Xl <^ Xt vzniká mezi mateřským prvkem (* = 1) a jeho produkty rozpadu {i = 2, 3, 4,...) trvalá radioaktivní rovnováha určená vztahem XÍN1 = X2N2 = X3N3 = ... XíNí. (6.6) V řadě 238U je za stavu trvalé radioaktivní rovnováhy důležitý poměr hmot 238Ua««Ra tou : wk,a = 1 : 3,4 . 1Q-^. (g!?) V přírodním prostředí může být vlivem rozdílně rozpustnosti a transportu členů řady radioaktivní rovnováha porušena. Stav charakterizuje,.koeficient radioaktivní rovnováhy určený z experimentálně stanovených, hodnot mv a mBa; ,, "'Hit ,. 100 81 e O JZ 82 o > o "o »3 84 e C O O Q. TOM 0 V E 85 66 í í S L 0 87 88 to o c o -o o E 'ô c TJ S 89. E 3 90 (Th) 91 (Pn) 92 (U) 234 ^4,51 x 103 r 238 ----f 232 234 3,05 min 218 ^ 3,82d 222 1622 r j 226 8.10' 228} 230 210 -0-- _5^5_s_^_0^^_N^_0^^_X-^2e) 2,5x10* r 11,2 d 223 18,6d 227 přemřna a> 136,4 d r 18 r 19 I /\ jí I < ^0 > o -p j záchyt / 40 i elektronu 20 K*° zastoupeni' q0119 % 1.Í15. x109r Obr. 41. Přirozené radioaktivní rozpadové řady J38TJ, 235U, 232Th a rozpad «K. Označení poločasů rozpadu T: r — roky, d — dny, h — hodiny, min. — minuty, s —- sekundy Při krátkém poločasu rozpadu mateřského prvku vzniká přechodná radioaktivní rovnováha. Óleiiy rozpadových řad jsou zdroje záření alfa, beta, gama. K přirozeným radionuklidům, jejichž prvé produkty rozpadu jsou stabilní, náležejí 40K,'48Ca, 87Rb, 96Zr aj. Vzhledem k přítomnosti v horninách je nejdůležitěji 40K, který je ve směsi izotopů K zastoupen 0,012 %, emituje záření beta a gama (obr. 41). Umělé radionulclidy vznikají při vyvolaných jaderných reakcích. Ozářením látek neutrony, nabitými Částicemi nebo zářením gama nastávají přeměny jader atomů (6.2) a vznik radioizotopů Y*. V jaderné geofyzice se některé používají jako zdroje záření (2^Pu, M1Am, i:"Cs, 6°Co aj.). 6.1.3 Jaderné záření Jednotlivé druhy jaderného záření se liš! typem částic, chováním v elektrickém a magnetickém poli a způsoby interakce s hmotou. . Záření alfa je proud kladně nabitých Částic složených ze 2 protonů a % neutronů. Průchodnost částic alfa hmotou je malá, doběh závisí na počáteční energii a na prostředí. Doběh částic alfa přirozených radionuklidů je ve vzduchu do 10 cm, v tuhých látkách 0,01 mm. Jednotlivé radionuklidy emitují částice alfa o charakteristické energii. Částice alfa mají vysoké ionizační účinky. Záření beta je proud záporně nabitých elektronů. DobSh částic beta o energii ff0 — 1 MeV je ve vzduchu 3,9 m, ve vodě 4,38 mm, v AI 2,06 mm, v horninách do 10 mm. Spektrum energií částic beta je spojité, pohlcení v hmotě popisuje exponenciální závislost. Záření gama přirozených radioaktivních prvků v horninách s energiemi do 2,615 MeV má doběh ve vzduchu 700 m, v horninách 0,S m, v Pb několik cm. Energie kvantgama je diskrétní a pro každý radionuklid charakteristická. Při průchodu záření gama hmotou nastává interakce kvant gama s atomy hmoty; nejdůležitěji] jevy vzájemného působení jsou fotoefekt, Complonův jev ä tvoření párů elektron—pozitron. Účinné průřezy uvedených reakcí jsou závislé na energii E záření gama a na složení hmotného prostředí, které lze charakterizovat efektivní hodnotou atomového čísla (obr. 42). Následkem interakci je snižování Obr. 42. Schéma fotoefektu,. Comptonova rozptylu, tvoření párů elektron—pozitron a dominantní oblasti jejioh interakce s hmotou energie kvant gama, jejich rozptyl a pohlcení. Pokles intenzity záření gama při průchodu hmotnou překážkou charakterizuje lineární koeficient zeslabení záření gama (i (cm-1), Pohlcení primárního záření zdroje o energii Bo (geometrie úzkého svazku paprsků, obr. 43a) vyjadřuje vztah 102 Ii = lo exp (—fix), (6.9) kde 7o a I1 jsou intenzity záření gama před a za hmotnou překážkou o rozměru x (cm). Při mSření celkového záření gama všech energií E (geometrie širokého svazku paprsků, obr. 43b), zahrnujícího primární záření a záření rozptýlené a sekundární, vznikající v hmotné překážce, lze absorpci popsat vztahem Iz = Z0 exp (-^ar) B, (6.10) kde B = Z2/i\ > 1 je faktor vzrůstu mgřeného pole. Á* \ Pb Pb ---- Obr. 43. Pohlcení záření gama v hmotné překážce a) úzký svazek paprsků, b) Široký svazok paprsků, A — zdroj záření, D — detektor, p — primární, r •— rozptýlené, a — sekundární kvanta gama, Pb — olovené stínění Neutrony vznikají při štepení jader atomů a při jaderných reakcích. Mimo jádro atomu jsou nestabilní a rozpadají se s T = 11,7 min. Podle své energie se označují jako rychlé (E > Q,5 MeV), nadtepelné a tepelné [E < 0,5 e V). Při průchodu neutronů hmotou nastávají interakce pružný rozptyl, nepružný rozptyl a záchyt neutronů. Rychlé a nadtepelné neutrony jsou zpomalovány do energie tepelných neutronů na dráze, kterou pro dané prostředí charakterizuje délka zpomaleni Ls, tepelné neutrony se šíří difúzí, dráhu charakterizuje délka difúze L. Celkový dobSh neutronů v horninách nabývá hodnot až prvých desítek cm. Neutronové vlastnosti hornin charakterizují dále koeficient difúze D (cm2 s-1) a střední doba života neutronů t (s), prakticky 10-4 až 10~3 s. Kosmické záření je proud nabitých částic (p jedna za a a-i energie záření M elektronvolt eV 1 eV = 1,602 . 10 13 J koncentrace Q obecně: Bq kg-* radioaktivních horniny: %, ppra 1 ppm = 10-e g g-i = 10-+ % prvků tekutiny, plyny: Bq l-l Pozn.: Pole gama záření hornin je podle novelizace jednotek možno vyjádřit veličinou priore hermy vo vzduchu, &a, jejíž jednotkou je gray za sekundu, Qy g-i. Převodní vztah je 1 A kg-i = 33,682 17 Gy s-1. 6.2 Měření jaderného záření K měření jaderného záření a, /9, y, n se užívají radiometrické přístroje. Podstatnou častí aparatur jsou detektory. Způsob měření jaderného záření je podmíněn jeho charakterem a konstrukcí radiometrických přístrojů. 6.2.1 Detektory V detektorech nastává přeměna energie záření na elektrické veličiny. V geofyzice se užívají detektory různých typů. Ionizační komory využívají ionizačních vlastností jaderného záření. Ionizační komory jsou obvykle válcového tvaru. Záření zdroje ionizuje v komoře přítomný plyn; podle stupně jeho ionizace protéká mezi elektrodami komory ionizační proud, jehož hodnota je mírou radioaktivity zdroje. Ionizační komory se nejčastěji užívají k detekci záření alfa. Proporcionální počítače jsou válcového tvaru, jsou plněny plynem, v ose válcové katody je vodivé vlákno — anoda. Po dopadu ionizující částice do prostora počítače vzniká řetězová reakce násobení poetu iontů, podmíněná silným elektrickým polem mezi elektrodami. Mezi elektrodami proteče proud, který se na výstupu počítače projeví jako napěťový impuls. Amplituda impulsu je úměrná energii dopadlé Částice (proporcionalita). Počítače se užívají k analýze energií jaderného aáření (spektrometrie). Oeigerovy-Mullerovy počítací trubice jsou konstrukčně podobné proporcionálním počítačům, pracují však při vyšších napětích (200. až 1 500 V) (obr. 44). 104 Amplitudy impulsů na výstupu jsou přibližnč jednotné a nejsou úměrné energiím detekovaných Částic. Částice beta jsou detekovány přímo, kvanta gama uvolňují Z katody GM počítače elektrony, které realizují prvotní ionizaci. ■ ScintilaSní počítače se skládají ze scintilační látky a fotonásobiče (obr, 45). Dopad Částice do scintilaGní látky podmíní emisi fotonu (scintilaee), který z foto-katody fotonásobiče vyráží elektrony, jejichž počet se ve fotonásobiči progresivně znásobí. Elektronový mrak dopadly na anodu podmíní vznik napěťového impulsu na výstupu počítače, jehož amplituda je úměrná energii detekované Částice. Scintilační počítače ZnS(Ag) lze užít pro spektrometrii alfa, CsI(Tl) pro spektrometrii beta, Nal(Tl) pro spektrometrii gama. 6 g 1,00 bl s 0,015 ■0,010 0,005 0 é A --- s' \ -~.--" SS?' // '* 0,50- V ---- 50 mm -— 20 mm 0 0,5 1.0 \5 2p ř(MeV) Obr. 44. Geigerova-Mullerova počítací trubice pro detekci záření gama a) 1 — obal, 0 — katoda, S — anoda, 4 a 5 spoj anody a katody, b) účinnost GM počítačů pro detekci záření gama. Materiál katody: 1 — W, 2 — Ou, 3 — grafit, 4 ■— ooel 2 b) Obr. 45. SointilaSní počítač a) y — kvantum gama, / — foton, e — elektron, 1 — schifcilacní látka, 2 — fotokatoda fotonásobiče, 3 —. pomocné elektrody, 4 — anoda, 3,.— impuls, 6 — fotonásobič, b) účinnost krystalů Nal(Tl), výška krystalu CO mm a 20 mm MMěVI Polovodičové počítače využívají vzniku volných nositelů nábojů po dopadu detekovaných částic do účinného objemu polovodiče. Amplituda impulsu na výstupu počítače je úmerná energii detekované Částice. Užívají se k detekci nabitých částic, rentgenového záření a záření gama. Pro spektrometrii gama se užívá detektorů Si(Li), Ge(Li) a Ge. Detektory neutronů jsou počítače podobných konstrukcí, ve kterých přidáním vhodné látky se uskuteční reakce, při které je neutrony uvolnená nabitá částice detekovatelná podle ionizačních účinků. Citlivost detektoru je dána četností produkovaných impulsů (imp s"1) při ozáření jednotkovým polem. Účinnost počítače g(fl) je pomSr počtu impulsů na výstupu počítače k počtu částic dopadlých do jeho objemu. Spektrální rozlišovací schopnost rs detektoru vyjadřuje kvalitu ostrého vymezení energií detekovaných částic' 0.2.2 Radiometrické aparatury Dozimetry sčítají hodnoty ozářeni, kterému je přístroj vystaven, intenzio-metry měří okamžitou hodnotu pole radioaktivity, kde sc přistroj nalézá. Impulsy vzniklé na výstupu detektoru se zesilují, analyzuji a sčítají. 105 Podle způsobu sčítání impulsů se přístroje dělí na analogové měřiče střední četnosti impulsů, n kterých odečítanou veličinou je četnost impulsů n (8-i), a digitální počítače vmpulsů, které signalizují počet impulsů N namorených za čas t; n = Jff/ŕ. Měřiče střední četnosti impulsů sčítají signál na integračním obvodu EG; hodnota součinu odporu R (O) a kapacity C (F) udává časovou konstantu MG (s) přístroje. Podle způsobu analýzy impulsů se aparatury děli na přístroje na měření úhrnné aktivity, které nerozlišují energie záření, a na spektrometry (analyzátory) využívající úměrnost amplitudy impulsů a energie detekovaného záření. Spektrometry se délí na integrální (prahové) a diferenciální, které registrují částice příslušející do vymezeného pásma (kanálu, okna) energií (obr. 46). Diferenciální spektrometry jsou jednokanálové nebo mnohokanálové, které analyzují celé spektrum energií současně. i XIT 1 h D iryv 2 J L -J L J L ^ A J L [ 001 j Obr. 46. Schéma funkce jednokanálového diferenciálního spektrometru D — detektor, Z — zesilován impulsů, A'— analyzátor impulsů, P — poĚítaĚ impulsů, Md — dolm úroveň diskriminace, £!b — horní úroveň diskriminace, 1, 2, 3 — impulsy 6.2.3 Nahodilost jaderných přeměn Přemény jader atomů, a tím i emise jaderného záření mají pravděpodobnostní charakter, který vyjadřuje Poissonův vztah P(n) =— exp (-«), (611) kde n je střední četnost rozpadů a P(n) pravděpodobnost, že v jednotce času se rozpadne n jader atomů. Pro Poissonovo rozdělení platí, že rozptyl s = n a směrodatná (standardní) odchylka a = ]/ň. ' (6_12) Odchylky od střední hodnoty počtu rozpadů v jednotce času nebo měřené radioaktivity se nazývají fluktuace. Odchylka a omezuje pásmo zahrnující 68,3 % všech fluktuací, 2a odpovídá 96,5 % a 3 Chybu moření lze snížit zvětšením konstanty (RC) přístroje a použitím citlivějšího detektoru. , Mrtvá doba aparatury odpovídá času potřebnému k detekci a registraci jedné dopadlé částice. V této době přístroj nereaguje na dopad dalších částic. Při měření vysokých aktivit se výsledky měření opravují na mrtvou dobu přístroje. Citlivost radiometrické aparatury je velikost změny jejího výstupu podmíněná jednotkovou změnou měřeného pole. Mez citlivosti je nejmenší věrohodně stanovitelná změna radioaktivity na pozadí fluktuací. Mez stanovitelnosti je dána limitní spodní určitelnou koncentrací sledovaného prvku. 6.3 Radiometrické metody průzkumu Měření přirozené radioaktivity hornin umožňuje jejieh rozlišení. Přítomnost přirozených radioaktivních prvků v horninách se v terénních podmínkách nejčastěji stanovuje metodami gama a emanometrií. 6.3.1 Radioaktivita zemské kůry PHrozená radioaktivita hornin je v podstatě určována přítomností K, U a Th (tab. 14). Radioaktivita magmatických hornin má tendenci růst s kyselostí hornin. Radioaktivita sedimentárních hornin závisí na povaze usazovaného materiálu; epigenetické pochody mohou radioaktivitu sedimentů měnit. Radioaktivita metamorfovaných hornin odpovídá převážně vlastnostem výchozího materiálu. Injekční metamorfóza s živcovým metatektem radioaktivitu hornin zvyšuje, křemenný metatekt je neaktivní. Tabulka 14. K, U, Th v horninách Horniny kyselé magmatity střední magmatity bazické magmatity břidlice, jíly pískovce vápenoe %K 3,3 2,3 0,8 3,2 1,2 0,3 ppm TJ 3,6 1,8 0,5 4,0 3,0 1,4 ppm Th 18,0 7,0 3,0 11,0 10,0 1,8 Th/IT 6,1 4,0 6,0 2,8 3,3 1,3 Na úhrnné aktivitě gama se K, U, Th podílejí přibližně stejnými díly. 107 0.3.2 Základy metod gama Intenzita I zářeni gama ve vzdálenosti r od bodového zdroje s hmotností radioaktivní látky m v hmotnom prostředí s lineárním součinitelem zeslabení záření gama /u2 je dána vztahem I ^-^exp (-^r), (6il7) kde h je konstanta závisející na kvalitě zdroje. Pro trojrozměrná tělesa s koncentrací radioaktivního prvku q, hustotou q a pohlcením záření /nL ve vlastním télese platí r oikQo I = —> , (6.18) kde oj je prostorový úhel vyjadřující geometrické podmínky morení. Pro nekonečný poloprostor oj — 2tt sr (měření na povrchu zorně), pro nekonečný prostor oj = in sr (měření ve vrtech). Spektra energií primárního záření gama K, U, Th jsou složena z jednotlivých linií, které charakterizuje hodnota energie E (eV) a intenzita linie I (E) vyjádřená poetem uvolněných kvant gama na 1 rozpad (obr. 47). Průchodem primárního záření gama hmotou vzniká rozptýlené a sekundární záření. Všechny složky společně vytvářejí spojité spektrum energie. V závislosti na detektoru a podmínkách měření se v naměřeném spektru projevují energie primárního záření, podle kterých lze prvky stanovovat kvalitativně a kvantitativně (obr. 48). Měření úhrnné aktivity gama je založeno na registraci všech kvant gama o energii vyšší, než je diskriminační úroveň přístroje. Měřená četnost impulsů nT (s,1) je relativní mírou přítomnosti K, U, Th v horninách. Cejchování přístrojů bodovým standardem Ra umožňuje převod údajů nT na jednotky expozičního příkonu záření gama (A kg-*). Vhodnější je cejchování nad velkými trojrozměrnými standardy o známé koncentraci V a převod na jednotky ppm etJ nebo Ur (1 Ur ~ ~ 1 ppm eU). Teoreticky 1 Ur ~ 0,043 pA kg"1. Gama speklromelrická měření umožňují stanovení radionuklidů v horninách. Za použití scintilačních počítačů Nal(Tl) se pro stanovení K, U, Th nejčastěji užívají energie 1,46 MeV («K), 1,76 MeV (" n?, n3 ve třech zvolených oknech energie jsou úměrné koncentracím QK,Qv, Qth: »i = ai&K + biQv + CiQth , ' ■ n2 = b2Qv + c2Qití, (6.19) n$ — b-sQu + C3Í?tii • Konstanty aLl..., c3 se určí cejchováním nad trojrozměrnými standardy o známé koncentraci K, U, Th. Řešením rovnic (6.19) ke určit QK (% K), Qv (ppm eU,' určení U nepřímé) a 0Th (ppm eTh, určení Th nepřímé). Měřené pole aktivity gama při studiu radioaktivity hornin jo součtem vlastního pozadí přístroje IVP, kosmického záření IKZ, radioaktivity hornin Inu, účinku radioaktivního spadu JRS a vzdušného radonu 7a„: I = Jvp + Jkz + Írh + I ěs + ÍRii. (6.20) -?vp + -Zkz = Ip je pozadí, jehož hodnota se stanoví měřením nad vodní plochou.; Významná odchylky od normálního pole radioaktivity hornin nazýváme anomálie radioaktivity Ia; Ia musí splňovat podmínku 4 ž 3.1/(r|H + oV (6.21) 108 jf kvant /1 rozpad ) ' O 200 4-00 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 El ke V) Obr. 47. Spektra energií záření gama rozpadových řad 239U, "2Th a' draslíku A"K. číselné hodnoty uddny v MeV Obr. 48. Přístrojové spektrum energií ■ záření gama K, U, Th naměřené detektorem Nal(Tl). Číselné hodnoty uvedeny v MeV kde ctrh je směrodatná odchylka proměnnosti radioaktivity geologické struktury a a standardní odchylka měření radioaktivity daným přístrojem. Hloubkový dosah metod gama v horninách je 0,5 m. Lokalizace hlouběji uložených radioaktivních těles je umožněna existencí mechanických, solných a plynných aureol. 6.3.3 Terénní průzkum metodami gama Letecká míření radioaktivity hornin se realizují z výšek do 150 m za použití citlivých aparatur umístěných v letadlech- nebo vrtulnících při rychlostech letů do 200 km h"1 (obr. 49). Anomální zdroje o malých plochách jsou obtížněji lokali-zovatelné než velké plochy s nízkou koncentrací radioaktivních prvků. Naměřené hodnoty mohou být ovlivněny geometrií reliéfu, účinkem vzdušného radonu a stíněním záření lesy. Obr. 49. Vrtulník Mi-2 s leteckým magnetometrem a spektrometrem gama. Detektory spektrometru gama o objemu li 829 cmJ Nal(Tl) umístěny vne vrtulníku (Geofyzika, n. p., Brno) Obr. 50. Geometrie terénních měření s přenosnými radiometry Průzkum bývá veden v pravidelné síti rovnoběžných profilů nebo v horských oblastech způsobem vrstevnicového létání. Vzdálenosti profilů se volí v závislosti na účelu průzkumu 250 až 5 00Qm; navigace se provádí vizuálně nebo pomocí elektronických zařízení. K dokumentaci dráhy letu slouží fotokainery nebo videozáznamy. Radioaktivita hornin se zaznamenává analogově nebo digitálně v jednosekundových intervalech společně s výškou letu h a popřípadě pozicí letadla x, y. Při zpracování dat se zavádějí opravy na pozadí, výpoěet jednotlivých účinků zdrojů K, U, Th, oprava na jednotnou výšku letu a oprava na vzdušný En. Letecká spektrometrie umožňuje stanovit rozdíly radioaktivity hornin 0,3 % K, 1 ppm eU a 2 ppm eTh. Denní výkon jedné letecké skupiny je 300 až 800 km profilů. Automobilový gama průzkum se užívá k výzkumu samostatných území a k detailizaci letecky zjištěných anomálii. Gama spektrometrické aparatury 110 s detektory Nal(Tl) o objemu větším než 2 000 om3 zaznamenávají radioaktivitu hornin v pásmu 20 až 40 m širokém v závislosti na výšce umístění detektoru. Na registrované hodnoty mají vliv nerovnosti terénu blízké k trase měření, jako jsou úbočí, svahy a zářezy. Měření je nutno realizovat po přírodních neupravených cestách, navigace a záznam měřených tras se provádí pomocí topografických map. Výsledky automobilového průzkumu se prezentují mapami profilů nebo mapami izolinií úhrnné gama aktivity hornin a koncentraci K, U, Th s citlivostí obdobnou leteckým měřením. Pracovní skupina změří denně 60 až 300 km profilů. Měření gama aktivity hornin přenosnými mďiometry umožňuje plošné a detailní výzkumy. Sonda radiometru se umisťuje do malých výšek nad povrch, na povrch nebo do připravených jamek. Citlivost metody roste s prostorovým úhlem detekce záření gama (obr. 50), šířkový dosah s výškou detektoru. Měřeni Obr. 51. Polní přenosný radiometr RP-11 (CSUP) (foto R. Duda) 1 — blok radiometru, 3 — sonda se seintilacním detektorem, 3 — sluchátka, 4 — měřidlo střední Ěetnosti impulsů, S — přepínán rozsahů, 6 — vypínač, kontrola baterií, přepínač časové konstanty 111 na všech bodech musí být realizována v jednotných geometrických podmínkách, kterým odpovídá způsob cejchování přístrojů. K měření úhrnné aktivity gama hornin se užívají lehké měřice střední četnosti impulsů, nejčastěji se scintilačními detektory Nal(TI) 30x20 mm a možností volby časové konstanty EC přístroje (obr. 51). Naměřené hodnoty se odečítají Obr. 52. Gama spektrometr GR 410 s automatickou stabilizací zesíloní impulsů (Goomotrics/Exploranium) (foto K.. Duda) 112 po čase t = iRG (s) na bodě zámery, mezi body se radioaktivita hornin sleduje podlje frekvence detekovaných gama kvant akusticky. Výsledky se zobrazují jako mapy profilů nebo mapy izolinií v jednotkách Ur nebo pA kg-1. ^ Přenosné spektrometry gama jsou čtyřoknové analyzátory, : převážně digitální, umožňující stanovit hodnoty úhrnné gama aktivity hornin a záření gama draslíku, uranu a thoria (obr. 52). Jako detektorů se užívá krystalů Nal(TI) 50x50 až 80x80 mm. Pro měření na povrchu země je nutné dodržet rovinnost plochy v kruhu o průměru 1 až 2 m. Doba měření na jednom bodě závisí na aktivitě hornin, velikosti objemu detektoru a požadované přesnosti, výsledků; obvykle se volí 2 až 4 minuty. Od naměřených hodnot se odečítá hodnota pozadí a koncentraci K, U, Th se určí výpočtem podle rovnic (6.19). Metodou lze rozlisovat 0,2 % K|, 1 ppm eTJ a 2 ppm eTh. Hmotnost měřeného vzorku je v závislosti na detekované energii až 350 kg. i Měřením na výchozech stanovíme základní údaje o radioaktivitě hornin oblasti; měřítka 1 : 25 000 až 1 : 5 000 odpovídají vyhledávacímu průzkumu a mapování, detailizace anomálií se provádí v měřítku 1 : 500; vzdálenost záměr na profilu je 1 až 50 m. Šířkový dosah povrchových měření je obvykle vztahován na průměr 2r kruhové plochy, která pro danou výšku detektoru produkuje 90 % detekovaného záření gama hornin. Šířkový dosah závisí na energii detekovaného záření (tab. 15). Tabulka 15. Šířkový dosah motod průzkumu gama Měření Výška detektoru (m) 2 ľ (m) letecká 60 330 100 470 automobilová 1 20 1,5 .35 pěaí 0,02 ' 0,4 3.0 0,15 Hloubkový průzkum gama za použití penetračně vrtních zařízení umožňuje zjišťování radioaktivity hornin podloží v oblastech s mocností pokryvných útvarů 10 až 15 m. Vrty o průměru 45 až 90 mm se hloubí mobilními agregáty, gama aktivita hornin se proměřuje lehkými přenosnými aparaturami. Výsledky měření se zobrazují jako mapy profilů aktivity na četbách vrtů nebo jako profily aktivity gama podél jednotlivých vrtů. 6.3.4 Radiometrické vzorkování Radiometrické vzorkování umožňuje stanovení koncentrace radioaktivních prvků v lokálních objektech a určení mocností zrudnělých poloh. Vzhledem k směrové účinnosti měření lze aktivitu zkoumaných objektů stanovit i ve vysokém poli okolního záření. Radiometrické vzorkování s absorpčními filtry je založeno na úměrnosti koncentrace radioaktivních prvků zkoumaného rudního tělesa k rozdílu měření s odkrytým detektorem a detektorem stíněným absorpčním filtrem. Při vzorkování s radiometry směrového příjmu se kompenzuje signál gama aktivity okolních hornin, měřená aktivita gama odpovídá pouze účinkům lokálního zrudnění. Mocnost zrudněných poloh se určuje profilovým měřením s malým krokem postupu. 113 6.3.5 Eraanometrie Rozpadem radionuklidů přirozených rozpadových řad vznikají v horninách radioaktivní plyny — emanace (tab. 16), Měřením pole emanace v půdním vzduchu nebo ve vodách lze zjišťovat přítomnost těles U, Tabulka 16. Bmance Rozpadová řada Emanace T Název emanace 239IJ 3,823 d radon 235XJ 2«Rn 3,92 s akfcinon MíTh 220Rn 54,5 a thoron Emanace se v horninách šíří difúzí; zdánlivý koeficient difúze D je závislý na kompaktnosti hornin. Koncentrace radonu klesne v horninách na hodnotu jedné setiny koncentrace U zdroje ve vzdálenosti 2 až 6 m. Pole koncentrace emanace v horninách závisí na přítomnosti TJ a Th a na koeficientu emanování hornin; nabývá hodnot do 200 Bq Anomálie podmíněné U tělesy dosahují c) emanace. Obr. 53, Schéma měření koncentrace emanace a) přenosným emanometrem {8 — sonda, F — flitr, D — detekční komora, P ■— pumpa); b.) alfaraetrem (D — polovodičový detektor záření alfa, V digitální výstup naměřeného signálu a Sasu měření); c) metodou alfa Btop {K — kalisek, F —filtr, D — detekční fólie) 114 hodnot řádu 103 Bq l-1. Emanace se snáze šíří po poruchách a v příznivých případech umožňují jejich lokalizaci. Emanace se rozpadají výhradně přeměnou alfa* Přítomnost emanací se zjišťuje různými metodami (obr. 63). Tradiční metodou je měření emanace přenosnými emanómetry. Půdní vzduch z díry 1 až. 2 m hluboké se nasaje do detekční komory emanometru a změří se jeho aktivita, alfa. Po ocejchování emanometru lze výsledky vyjádřit v jednotkách Bq l-i; opravu na thoron lze zavést z druhého měření s odstupem Času 2 minut. Hlubinný dosah metody při vyhledávání TJ je jednotky až desítky metrů. Metoda stop alfa částic je založena na účincích záření alfa na citlivé foto-napíry. Kalíšky s citlivým fotopapírem pro detekci částic alfa se umístí v jamkách na dobu 3 až 4 týdnů. Po vyvolání ůlmu udává hustota stop částic alfa (stop «r na 1 mm2 při expozici 30 dní) pole koncentrace emanace. Měření se realizuje ve stacionárních podmínkách; hloubkový dosah metody pro lokalizaci U těles se uvád£ až 100 m. Přenosné digitální měřiče aktivity alfa emanací (alfametry) se umisťují do mělkých vyhloubených jamek na dobu expozice hodiny až dny. Počet zaregistrovaných částic s spolu dobou měření určují pole koncentrace emanace. Metoda alfa card je založena na měření aktivity alfa produktů rozpadu emanace zachycených na kolektoru umístěném na dobu 12 hodin v jamce. Z měření opakovaných po 5 hodinách lze zavést opravu na účinek thoronu. Systém ROAC je založen na adsorpci radonu na aktivním uhlí a na. stanovení gama aktivity jeho produktů rozpadu. Indikátory s aktivním uhlím se umisťují do bodů měřičské sítě v terénu. Doba expozice je 5 až 8 dní. Stanovení pole koncentrace emanace přenosnými emanómetry jev terénui rychlé a operativní. Výsledky bývají ovlivněny způscbem čerpání půdního vzduchu a změnami pole koncentrace emanace podmíněnými tlakem a cirkulací vzduchu.. Určení pole emanace měřením ve stacionárních podmínkách vyžaduje relativně dlouhé expozice a mívá obvykle nižší citlivost, avšak eliminuje časové změny měřeného pole. 6.3.6 Použití radiometrických metod Přítomnost přirozených radioaktivních prvků v horninách se určuje* při řešení různých geologických úkolů. Průzkum radioaktivních surovin je založen na vyhledávání anomálně radioaktivních objektů, zjištění jejich kvality a na kvantitativním určení radioaktivních těles. Disperzní aureoly existující kolem U Zrudnění s koncentracemi o 8 až 20 ppm TJ většími než okolní horniny a s rozměry desítek a stovek metrů jsou obvykle objektem, který bývá ve fázi vyhledávání lokalizován. Perspektivní U anomálie se vyznačují parametry: koncentrace U desítky ppm; U roste s hloubkou; Th/U < 1; U/K > 5 až 10; gama aktivita U je více než jedna polovina signálu úhrnné gama aktivity; v zóně mineralizace a zóně výnosu lze pozorovat redistribuci K, U, Th; anomálie gama provází anomálie emanometrická. Vodítkem pro vymezení anomálií je statistické zpracování údajů o radioaktivitě jednotlivých horninových typů (obr. 54). Regionální gama spektrometrický průzkum umožňuje geochemické mapování. Jednotlivé litologické celky lze vymezit podle koncentrací K, U, Th, jejich poměrů a typu proměnnosti pole radioaktivity. Radiometrické metody se význačně uplatňují při těžbě umnu. Podle důlních měření se řídí postup a způsob dobývání. Radiometrické kontrolní stanice měří množství těžené a transportované rudy a systém radiometrického rozdružo-vání automaticky obohacuje U rudu a odděluje hlušinu na úpravnách. , ..: , 115 ■ Endogenní- Miska a. některá exogénni ložiska nerUÍiôdktivních prvků vznikají za' geochemických podmínek, které podmiňují změny koncentrace radioaktivních prvků K, U, Th v rudních zónách a okolních horninách. Studium a stanovení regresních vztahů mezi K, U, Th a neradioaktivními prvkyí umožňuje jejich nepřímé Vyhledávání: Význačným ukazatelem přeměn a výskytu endogenních rudních ložisek je obsah" K. V zónách albitizace a prokřemenění obsah K klesá, v zónách feldspatizace a sericitizace obsah K roste. Th je V granitoideeh obvykle vázáno s výskyty S n, W, Mo, Ta, Nb, Zr. U projevuje někdy přímo úměrnou závislost k hydrotermalním polymetalickým ložiskům-Pb, Ou, Zn, Ni, Co, Bi, Ág aj. Význačně se uplatňuje vztah U k exoganním ložiskům Cu, V, P a k Au konglomerátům (obr. 55). 100i-£etnost O 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 4 4 48 52 56 60 64 68 72 (imp s"1) četnost 100- Q2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 "1,6 2JD 2,2 2,4" b) Obr. 54. Histogramy gama aktivity TJ a poměru TJ/Th podle výsledků letecké spektrometrie gama v oblasti syenitů a episyenitů BouAzzer—El Graara, Maroko. V místech abnormálních hodnot ( + 3tr) a anotaálníoh hodnot ( + 4o) ověřeny pozeninÔ lokální koncentrace aá 200 ppra U 116 200 CD D C 10 000- TC (imp s') 4200 . 2200 250_0 1000 y ~"\_800 900 4000 K limp š1) 37 20 30 35 . 26 18 18 -u " -r _ • 0100- 78 U - limp s"1) 54 80 48 -" \ 12 15 14 o- 100- Th (imp š1} 10 12 OÍ>r 55. Výaledky loteoké spektrometrie gama při opakovaném měření přes polohy fosfát* oblasti ložiska Oued Zem. Maroko. Registrovaná hodnoty K, V, Th opraveny na primární záření a Comptonův rozptyl h — výäka letu, TC — úhrnná aktivita gama 6.4 Metody jaderné geofyziky • Význačné jaderné vlastnost některých prvků a fyzikální parametry hornin umožňují jejich stanovení metodami jaderné geofyziky. 117 6.4.1 Gama-gama metoda Při ozáření hornin externím zdrojem záření gama je výsledné pole I záření gama závislé na aktivitě A zdroje, energii E0 emitovaných kvant gama a na složení horniny, které charakterizuje efektivní hodnota atomového čísla Zeť. I = f {A, Eq, Zet)- (6.22) Typ interakce záření gama s hmotou závisí na JP0 a Z. Při výběru vhodné energie záření zdroje (E0 > 0,2 MeV) převládá v horninách Comptonův rozptyl, jehož makroskopicky účinný průřez je funkcí hustoty q hornin. Pro danou aparaturu a sondu platí 7 = Afie). (6.23) kde A je aktivita zdroje. Z měřené hodnoty lze stanovit hustotu o hornin. Jako zdroje se užívají i^Cs a ÍOCó. Zdroj umístěný v sondě se vpichuje do hloubky 0,5 m pod povrch; délka sondy l je 0,2 až 0,3 m. Hloubkový dosah metody je 15 cm; lze stanovit rozdíly £ 0,1 až 0,01 g cm-3. Při použití zdroje měkkého záření gama (E0 < 0,2 MeV) převládá v hornině fotoefekt a měřené pole je význačně závislé na složení hornin (Zet). Při použití zdrojů "0Tu, "Se, 2AiAm jze stanovit v horninách obsahy těžkých prvků. Metoda gama—gama je závislá na pórovitosti a zrnitosti měřených hornin. 6.4.2 Kentgenofluorescenční metoda Při ozáření analyzované horniny zdrojem gama záření o nízké energii (i7o ~ do 150 ke V) je většina kvant absorbována fotoefeklem na elektronových sférách K, L atomů a přechod atomů ze vzbuzeného stavu je provázen emisí charakteristického záření. Jeho energie E je závislá na atomovém čísle Z prvku, Určením energie charakteristického záření a jeho intenzity lze prvky kvalitativně a kvantitativné stanovit. Podle elektronové sféry, na které nastal fotoefekt, je emitováno charakteristické zářeni K nebo L série; emise série se dělí na linie « P, y. Intenzivními signály se vyznačují linie K«i (tab. IV). Tabulha 17. Konstanty charakteristického záření ' Prvek K — sério L — série Kotľ i Ka2 Lpi Lr keV | keV keV keV keV keV Zn ,Sn . U 30 50 92 ' 8,638 26,270 98,428 8,616 . 26,042 94,648 •9,671 28,483 111,289 1,009 3,444 13,613 1,032 3,662 17,218 4,131 20,163 Každý prvek emituje více linií charakteristického záření, a proto výsledné spektrum je složité. Ke stanovení charakteristického záření analyzovaného prvku se v terénních podmínkách užívá technika dvojice absorpčních filtrů:Prvý žádanou energii charakteristického záření propouští, druhý nepropouští. Rozdíl výsledků měření s prvým a druhým filtrem (A«) odpovídá intenzitě charakteristického záření. 118 Přenosný rentgenofluorescenční. analyzátor se skládá ze sondy s izotopiekým zdrojem, s filtry a detektorem, a z analyzátoru impulsů {obr., 56). Výsledky analýz jsou ovlivněny složením matrice horniny, strukturou rudy, proměnností koncentrace prvků 8 blízkými energiemi emise záření a geometrií měřeni. Pro vyloučení nepříznivých vlivů matrice lze užít metody spektrálních poměrů. Údaje An (s l), naměřené v krátkých záměrech (desítky sekund) se převádějí na koncentraci podle cejchovací křivky. Obr. 56. Přenosný rentgenofluorescenční analyzátor NE 5017 se. sondou M 8563 a výměnnými absorpčními filtry (foto R. Duda) Rentgenofluorescenční analýzou lze v terénních podmínkách stanovit prvky se Z > 24. Mez stanovitemosti je 0,01 až 0,3 %, měření na jednom bodě je kratší než 1 minuta. Malý hloubkový dosah metody 2 až 15 mm je podmíněn nízkou energií charakteristického záření. 6.4.3 Metoda jaderné gama rezonance Metoda jaderné gama rezonance je založena na Môssbauerové jem. U mossbauerovských,jader atomů platí, že při emisi i absorpci kvant gama je kinetická energie Jřk odraženého jádra atomu rovna nule. Důsledkem jé, že při interakci neztrácejí kvanta gama svoji energii á v měřeném spektru energií^ se objeví význačné linie. Jaderná gama rezonance nastává na mossbauerovských jádrech pouze při absorpci kvant gama rezonanční energie. Pohybem izótopického zdroje sloužícího k ozařování analyzované horniny lze jeho energii emise jemně měnit a dosáhnout energie rezonanční. Metoda jaderné gama rezonance slouží ke stanovení kasiteritu. Jako zdroj se užívá "9«Sn (2S0 = 23,8 keV). Měří se signál s nulovou rychlostí zdroje {K rezonance) a zvolenou rychlostí pohybu zdroje. Rozdíl dvou měření je úměrný koncentraci Sn02. Citlivost metody je 0,1 % Sn, hloubkový dosah metody je do 2 mm. Pro analýzy Fe slouží zdroj "Co (E0 = 14,4 keV). 6.4.4; Gama-neutron metoda Stanovení berylia (Be) je založeno na reakci (y, n). Tato reakce vzniká při energii kvant gama větší, než je vazebná energie neutronu v jádře atomu. Be má prahovou energii (1,67 MeV) nižší než jiné prvky. Při použití izotopického zdroje i^Sb {E0~ 1,69 MeV) lze podle toku uvolněných neutronů Be selektivně určovat. , ,| Výsledná hustota toku neutronů závisí na intenzitě budicího izotopického zdroje, koncentraci Be, hustotě horniny a na koncentraci prvků s vysokým účinným průřezem pro záchyt tepelných neutronů (B, Li, Cd). Berylometr se skládá 119 je sondy b izotopickym zdrojem ™Sb a detektorem a< měřícího blokm Mez stanovi-telnos i je řadu 10-3 až 1(H % Be, hloubkový dosah metody je 0,2 m. Výsledky měření se převádějí na koncentraci Be podle cejchovací křivky. 6.4.5 Neutron-neutron metoda Při ozáření analyzované horniny zdrojem neutronů nastává jejich zpomalení a záchyt. Pro zpomalení neutronů do energie neutronů tepelných je nevýznamnější přítomnost H, pro záchyt neutronů jsou významné B, TR, Li Cl a .■/A* /■ * termfhzaci rychlých neutronů zdroje je založena metoda stanovení vlhkoshhormn Zkoumaná hornina je vystavena toku rychlých neutronů, zdroje-v hornině vzniká pole neutronů nadtepelných a tepelných, které se detekují! 6> rostoucí vzdáleností od zdroje neutronů pole tepelných neutronů nejprve roste (termalizací), kulminuje, a pak klesá (záchytem tepelných neutronů). Přenosné přístroje pracují s délkami sond o přímé úměrnosti mezi měřeným polem nadtepelných nebo tepelných neutronů a vlhkostí horniny. Sondy vlhkoměrů obsahují * LT uV detektor; Při raěř^í ^ umisťují do země. Naměřený signál se převádí na hodnoty objemové vlhkosti podle cejchovací křivky. Metodou lze nn«H ?Kr°% Z1^}™^™^ °M aŽ 0^H^0 na 1 ^ m« stanovitel-nosti je přibližně 0,01 g H20 na 1 cm^, hloubkový dosah 20 až 25 cm - u x5VáMadS vysokého účinného průřezu záchytu neutronů lze z povrchových.měření stanovit obsah boru (B) v horninách. K ozáření hornin se užívá zdroj ryCíí "eutro"u> detekují ^ neutrony tepelné. Stanovení B je rušeno přítomnosti U, ie a H. Doplňkovým měřením gama kvant emitovaných při záchytu "eut™™ f1™™1™1* Přítom™st Cl zavést opravu. Mez stanovitelnou metody je přibližně 0,01 % B203, hloubkový dosah 25 cm. 6.4.6 Neutronová aktivační analýza Aktivační analýza je založena na aktivaci vzorku jadernými částicemi nebo kvanty gama a měření jaderného záření uměle vzbuzeného radionuklidu véhľpívku a tÍty m8řenéh° P°le Ize urBit přítomnost výchozího terčo- A7* x,?1 oz^ení analyzované horniny tokem jaderných částic q> se atomy N umělého radionuklidu hromadí. Aktivita radionuklidu vzniklého ozařováním po dobu ta je 4(ťá) =