Геологоразведка телефон: (812) 412-76-30
факс: (812) 412-98-83

e-mail: geo@geolraz.com

Единая система метрологического обеспечения радиометрии при геологических и радиоэкогеологических исследованиях.

 

В настоящее время радиометрические методы прочно вошли в арсенал геофизических методов, используемых при геологическом картировании, при поисках, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых, а также при радиоэкогеологических исследованиях – как, например, оценка степени загрязненности территорий радионуклидами техногенного происхождения, выбор мест для строительства зданий и сооружений различного назначения, и т.д. В значительной мере это обусловлено внедрением в практику работ достижений метрологии ионизирующих излучений, в чем немалая заслуга ученых и специалистов ФГУНПП «Геологоразведка» (ВИРГ-Рудгеофизика).

Специфика МО радиометрических методов заключается в том, что измерение параметров геофизических полей производят в условиях естественного залегания, когда калибровочные меры должны воспроизводить эти условия, а полезный сигнал осложнен практически не поддающимися учету помехами. Из этого следует, что роль эталонов отводится стандартным образцам (СО), более или менее адекватно отражающим условия измерений в естественном залегании.

В ФГУНПП «Геологоразведка» разработана единая система метрологического обеспечения (ЕСМО) радиометрии, которая позволяет «увязать» между собой результаты каротажных, наземных и воздушных гамма-съемок при геологических и радиоэкогеологических исследованиях. Эта система не имеет аналогов и технология ее использования позволяет получать в пределах требуемой точности информацию о составе и свойствах радионуклидов в окружающей среде, которая в состоянии обеспечить нужды производства при поисках, разведке и эксплуатации месторождений радиоактивных руд, при геологическом картировании и при радиоэкологических исследованиях территорий, загрязненных естественными радионуклидами и радионуклидами техногенного происхождения. Система призвана обслуживать следующие радиометрические методы: гамма-каротаж (ГК), спектрометрический гамма-каротаж (СГК), каротаж методом мгновенных нейтронов деления (КНД-М), гамма-опробование методом разностного эффекта, пешеходная, автомобильная и аэрогамма-съемки в интегральном и спектрометрическом режимах.

Научно-методическую основу ЕСМО составляет теоретическая проработка и математическое моделирование, которые позволили сформулировать требования к СО и методику их использования при передаче размера единиц от исходных образцовых средств измерений (ИОСИ) на СО более низкого разряда, в том числе на СО-полигоны, и на рабочие средства измерений Основная НТД по этой системе опубликована в сборнике руководящих документов «Система метрологического обеспечения и стандартизации радиометрии при изучении состава естественных радиоактивных элементов в горных породах и рудах и поверхностного загрязнения радионуклидами искусственного происхождения». Составители Хайкович И.М. и др. – НПО «Рудгеофизика», Санкт-Петербург, 1991, 250 с. Система призвана обслуживать следующие радиометрические методы: гамма-каротаж, спектрометрический гамма-каротаж, каротаж методом мгновенных нейтронов деления, гамма-опробование методом разностного эффекта, пешеходная, автомобильная и аэрогамма-съемки в интегральном и спектрометрическом режимах. В этой системе роль эталонов отводится стандартным образцам (СО), более или менее адекватно отражающим условия измерений в естественном залегании.

Материально-техническую основу ЕСМО составляют принадлежащие ФГУНПП «Геологоразведка» комплект Государственных стандартных образцов состава естественных радионуклидов ГСО СТЕРН-3 №8510-2004 (сертификат №2948) и эталонный источник гамма-излучения из 137Cs №7 (свидетельство №233/2000), имитирующие условия работ в естественном залегании, и аттестованные органами Госстандарта РФ образцовые средств измерений.

Комплект ГСО СТЕРН-3 состоит из четырех стандартных образцов калиевого (СТЕРН-3К), уранового (СТЕРН-3U), ториевого (СТЕРН-3Th) и смешанного (СТЕРН-3С) составов. Каждый экземпляр комплекта ГСО СТЕРН-3 представляет собой герметичную заполненную однородной рудной массой емкость в виде правильного параллелепипеда со стороной основания 140 см и высотой 150 см с отверстием по вертикальной оси имитирующим скважину. Комплект транспортированию не подлежит, храниться в специально оборудованном отапливаемом помещении, исключающим возможность проникновения посторонних лиц.

Аттестованные значения параметров комплекта ГСО СТЕРН-3 и дополнительные сведения приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1. Метрологические характеристики комплекта ГСО СТЕРН-3

Индексы СО в комплекте Элемент Обозначение единицы физической величины Аттестованное значение СО Относительная погрешность аттестованного значения СО, % (Р=0,95)
СТЕРН-3К калий % 10 2
СТЕРН-3U уран млн-1 81 4
СТЕРН-3Th торий млн-1 160 4
СТЕРН-3С калий
уран
торий
%
млн-1
млн-1
4,7
42
80
3
3
3

Таблица 2. Дополнительные характеристики комплекта ГСО СТЕРН-3

Нормируемые параметры СТЕРН-3К СТЕРН-3U СТЕРН-3Th СТЕРН-3С
Массовая доля калия, % - 0,06 0,06 -
Массовая доля урана, % 0,3×10-4 - 0,3×10-4 -
Массовая доля тория, % 2,4×10-4 2,8×10-4 - -
Эффективный атомный номер 13,4 11,7 11,6 12,7
Коэффициент приведения к нормальной среде 0,993 0,998 0,998 0,995
Плотность, г/см3 1,39 1,45 1,44 1,39
Влажность, % 0,05 0,11 0,07 0,14

Комплект ГСО располагается на базе магнитометрической станции ФГУНПП «Геологоразведка» в пос. Мельничный Ручей Всеволожского района Ленинградской области.

Эталонный источник гамма-излучения из 137Cs представляет собой активную поверхность 60×60 см2; который хранит значение поверхностной активности А, равное по состоянию на 15 мая 2000 г.:

A=(17,9±0,7)Бк/см2; P=0,95.

Технология использования ГСО СТЕРН-3 и эталонного источники из 137Cs предусматривает передачу размеров единиц от них на стандартные образцы более низкого уровня инструментальным способом с помощью образцовых средств измерений (в том числе и на стандартные образцы-полигоны для МО аэрогамма-спектрометрии) и на рабочие средства измерений – одноканальные и многоканальные радиометры (гамма-спектрометры). Образцовые средств измерений – это каротажный радиометр ПРМК 103 «Объ-М» №7 (свидетельство №162/06)и радиометр (концентратомер) РКП-305 № 503007 (свидетельство №161+06)

Комплект ГСО СТЕРН-3 и Эталонный источник гамма-излучения из 137Cs воспроизводят и хранят размеры величин массовых долей ЕРН и поверхностной активности 137Cs и предназначены для передачи размера единиц этих величин на стандартные образцы более низкого уровня инструментальным способом с помощью образцовых средств измерений (в том числе и на стандартные образцы-полигоны для МО аэрогамма-спектрометрии методом «разностного эффекта».) и на рабочие средства измерений. Основное достоинство этого метода заключается в том, что измеряемый сигнал пропорционален
γ-излучению участка, расположенного непосредственно под экраном, и не зависит ни от
γ -излучения фона, в том числе от космического излучения, ни от радона в приповерхностном слое атмосферного воздуха и фона самого прибора. Действительно, если обозначить измеренную без экрана скорость счета в i-м канале радиометра через и записать ее в виде n1 = n + nф, где ni – скорость счета от участка, ограниченного размерами экрана, а через nф – то же от γ -излучения окружающих пород и фонового γ -излучения, то результат измерения с экраном можно записать в виде n1 = (1-p)n + nф, где р – доля γ -излучения, поглощенная экраном. Отсюда следует, что разностный эффект Δn=n1 – n2 = pn равен γ -излучению, поглощенному свинцовым экраном в телесном угле, под которым детектор «видит» излучающий объект. Если использовать свинцовые экраны диаметром 20 см и толщиной 5 см, то «насыщение» по γ -излучению на уровне 98 % в 2π-геометрии наступает, если использовать СО в виде куба со стороной 50 см. А это означает, что поверку (калибровку) радиометров (γ -спектрометров) для опробования стенок поверхностей можно проводить на боковых стенках ГСО СТЕРН-3.


В настоящее время в РФ для МО радиометрических и спектрометрических исследований функционируют следующие ГСО: ФГУП «Березовгеология» (г. Новосибирск) – СУРТ-1 №3160-85/01 (урановый СО), СТЕРН—Т2 № 6398-92 (ториевый СО) и СТЕРН—К2 № 6399-92 (калиевый СО); ФГУП «Сосновгеология (г. Иркутск) – комплект ГСО СТЕРН-1 №7250-96 из трех СО- соответственно калиевого, уранового и ториевого составов, ФГУП «Зеленогоркгеология» комплект из четырех ГСО СТЕРН. Значения массовых долей ЕРН в этих комплектах были получены в том числе и методом передачи размера единиц от исходных образцовых СИ ФГУНПП «Геологоразведка».

Для аэрогаммагамма-спектрометрии в качестве ГСО методом передачи размера единиц от комплекта ГСО СТЕРН-3 аттестован полигон, расположенный на полуострове Пусун-Саари (Карелия).

Опыт аттестации СО-полигонов инструментальным способом был широко использован для МО аэрогамма-съемки по программе “Атлас” в 1990-1991 г.г., при обследовании Европейской части территории России, загрязненной вследствие аварии на Чернобыльской АЭС. Всего было аттестовано в качестве ГСО три полигона – один на территории Ленинградской области, и два в Тульской области.

Для калибровки аппаратуры метода КНД-М ФГУНПП «Геологоразведка» располагает стандартным образцом состава и свойств уранового рудного тела, пересеченного скважиной (СО СОСВУРТ). Конструкция и размеры этого СО аналогичны ГСО СТЕРН-3, но его отличительная особенность состоит в том, он заполнен материалом с большим водородосодержанием. Аттестуемыми характеристиками СО СОСВУРТ являются массовые доли в нем урана, коэффициент влажности и плотность.

Параметры СО СОСВУРТ приведены в табл. 3.

Таблица 3. Метрологические характеристики комплекта ГСО СОСВУРТ

Наименование характеристики Значение Доверительная погрешность
(при Р=0,95)
Мощность рудного интервала 4,70 м 0,05 м
Массовая доля урана 74×10-4% 74×10-4%
Коэффициент влажности 12,8 % 0,8 %
Плотность руды 2,05 г/см3 0,1 г/см3
Массовая доля тория 3×10-4%  
Массовая доля калия 0,5 %  
Эффективный атомный номер 12,7  
К-т приведения к нормальной среде 1,00  

В состав ЕСМО входят также ГСО, которые представляют собой рудные интервалы специально оборудованных контрольно-поверочных скважин (КПС), аттестованные методом передачи размера величин от ГСО СТРН-3U. Такие рудные интервалы в скважинах, расположенных в стабильной геологической и гидрогеологической обстановке, сохраняют свои параметры неизменными в течение достаточно длительных интервалов времени – по нашим наблюдениям более 20 лет. Метрологические характеристики аттестованного в качестве ГСО рудного интервала КПС приведены в табл. 4. Эта скважина, у которой на глубине 450,25 м расположен аттестованный рудный интервал, находится вблизи пос. Новопетропавловское Курганской области и принадлежит Уральскому филиалу «Зеленогорскгеология» ФГУГП «Урангео».

 

Таблица 4. Метрологические характеристики комплекта ГСО СОСВУРТ-КПС

Наименование характеристики Значение Доверительная погрешность
(при Р=0,95)
Мощность рудного интервала 4,70 м 0,05 м
Средняя массовая доля урана в рудном интервале 593×10-4% 30×107,5×10-4%
Коэффициент влажности в рудном интервале 16,3 % 0,8 %
Плотность руды в рудном интервале 1,96 г/см3 0,1 г/см3
Средняя массовая доля тория в рудном интервале 7,5×10-4%  
Средняя массовая доля калия в рудном интервале 1,5 %  
Эффективный атомный номер 12,9  
К-т приведения к нормальной среде 1,00