Стандартные образцы на базе естественных полигонов в системе метрологического обеспечения полевых геофизических методов

СТАНДАРТНЫЕ ОБРАЗЦЫ НА БАЗЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ПОЛИГОНОВ В СИСТЕМЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЛЕВЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

И. М. Хайкович

1. В настоящее время для решения геологических и экологических задач широко используются геофизические методы изучения состава и свойств горных пород и руд. И трудно представить себе современного геолога, который в повседневной работе — при геологическом картировании, при поисках месторождений полезных ископаемых и оценке их запасов — не использовал бы достижения геофизики. Как невозможно обойтись без геофизики и при организации экологического мониторинга окружающей среды с целью предупреждения аварийных ситуаций — оперативный экологический (экогеологический) мониторинг можно организовать только на основе систематического изучения поведения и изменения параметров геофизических полей. Арсенал геофизических методов чрезвычайно разнообразен (радиометрия, электрометрия, гравиметрия, магнитометрия, сейсмометрия и т. д.), а специфика геофизических работ заключается в том, что измерение параметров геофизических полей проводят, как правило, в условиях естественного залегания — в каротажном, наземном и воздушном вариантах. Понятно, что низкое качество геофизической информации может привести к недостоверным сведениям о разведанных запасах полезных ископаемых, к недостоверному прогнозу эколо-

гической обстановки и как следствие к серьезным последствиям социально-экономического характера. К сожалению, большинство аппаратных средств, используемых в геофизике с целью получения измерительной информации при геологических, экогеологических исследованиях недр, не имеет статуса «средство измерений», что является нарушением Законов РФ «О недрах» и «Об экологической безопасности населения». И обусловлено это в первую очередь недостаточным вниманием со стороны пользователей к метрологическому обеспечению (МО) технологии геофизических работ, которое призвано гарантировать единство и требуемую точность результатов измерений. Приходится констатировать, что, экономя на МО, мы тратим гораздо больше времени и средств на сличение результатов измерений и оценку их достоверности.

При организации МО следует иметь в виду, что оно должно обеспечить в каждом из геофизических методов единство измерений, когда один и тот же параметр может измеряться в различных условиях, а арсенал используемых для этого средств измерений (СИ) чрезвычайно разнообразен. Единственно возможный путь решения этой задачи — охватить каждый метод единой для этого метода системой метрологического обеспечения (ЕСМО).

Естественно, что такая система должна опираться на единую (базовую) систему исходных СИ и на нормативно-правовую базу, составленную с учетом современного уровня теоретических исследований, методических и материально-технических разработок, а также социально-экономических показателей [1].

Как правило, для организации МО в прикладной геофизике в качестве исходных (образцовых) СИ используют стандартные образцы (СО) состава и/или свойств (или комплекты СО), которые хранят и воспроизводят единицы измеряемых физических величин. Естественно, что в лабораторных условиях невозможно воспроизвести все многообразие условий измерений. Логичный выход из такой ситуации — использование в системе МО в качестве СО естественных полигонов и контрольно-поверочных скважин (КПС), адекватно воспроизводящих условия измерений, а многообразие факторов, характеризующих физические поля, учитывать с помощью принципов подобия. Многолетний опыт показал, что при соблюдении определенных и не очень жестких требований полигоны и рудные интервалы КПС в течение достаточно длительного времени сохраняют свои параметры в пределах 2—3 % и вполне пригодны для организации на их основе МО геофизических методов. СО-полигоны и КПС, выбранные с учетом специфики конкретных геофизических методов и с соблюдением определенных требований к их размерам и геофизическим параметрам, могут быть аттестованы по этим параметрам путем передачи размера единиц от исходных СО инструментальным способом в различных вариантах — каротажном, наземном, воздушном, что позволяет охватить все виды измерений данным методом единой системой метрологического обеспечения. Только в этом случае можно гарантировать получение достоверной информации, независимо от того, в каком варианте были проведены измерения. Достоинство таких СО-полигонов и КПС еще и в том, что на них можно прово-

дить поверку (калибровку) аппаратуры и опытно-методические работы по совершенствованию методов и методик выполнения измерений, а также апробацию новых методов и технологий.

Для обеспечения функционирования полигонов и КПС в качестве СО достаточно предъявить к участкам для их размещения следующие общие требования:

— наличие подлежащих измерениям геофизических объектов;

— типичность состава и строения геологических тел и физических свойств пород и руд;

— наличие объектов с различными значениями однотипных геофизических параметров;

— доступность и гарантия, что участок в течение достаточно длительного времени не будет освоен промышленностью;

— уровень грунтовых вод не подвержен значительным изменениям, влияющим на результаты измерений;

— изменчивость климата не влияет на оценку изучаемых параметров.

В литературе неоднократно поднимался вопрос о создании на территории РФ сети полигонов-заповедников для отработки методических положений [7, 8], но фактически, если не считать электроразведочных и специальных гравиметрических полигонов, для метрологии в прикладной геофизике реально действенными оказались только СО-полигоны и КПС для обеспечения нужд гамма-каротажа и аэрогамма-спектрометрии. Такие полигоны и КПС входят в состав Единой системы метрологического обеспечения (ЕСМО) радиометрии и успешно используются для калибровки радиометрической аппаратуры с целью получения измерительной информации при поисково-оценочных работах и при геологическом и экогеологическом картировании. В свое время такие полигоны позволили оперативно организовать работу по составлению Атласа радиоактивного загрязнения территории европейской части РФ в результате аварии на Чернобыльской АЭС [2, 3].

Ниже на примере ЕСМО радиометрии продемонстрированы основные принципы формирования ЕСМО и приемы ее использования при организации МО аэрогамма-съемки.

2. Единая система метрологического обеспечения радиометрии применительно к решению геологических и радиоэкогеологических задач, которая позволяет «увязать» между собой результаты каротажных, наземных и воздушных гамма- и гамма-спектрометрических съемок, была разработана в 90-х годах прошлого столетия во Всероссийском институте разведочной геофизики (ВИРГ) для обеспечения нужд урановой геологии. Эта система и технология ее использования позволяют получать в пределах требуемой точности информацию о составе и свойствах радионуклидов в окружающей среде и обеспечивает 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, спектрометрический гамма-каротаж, каротаж методом мгновенных нейтронов деления, гамма-опробование методом разностного эффекта, пешеходная, автомобильная и аэрогамма-съемки в интегральном и спектрометрическом режимах.

Научно-методическую основу ЕСМО радиометрии составляют теоретические (физико-математические) и экспериментальные исследования, которые (естественно, с учетом конкретных геологических задач) легли в основу технических требований к основным параметрам исходных образцовых средств измерений (ИОСИ) и СО различного уровня, к их точностным характеристикам, к конструкции СО, а также к нормативно-технической документации использования этих средств.

Материально-техническую основу ЕСМО радиометрии составляет принадлежащий

ФГУ НПП «Геологоразведка» комплект Государственных стандартныгх образцов состава естественных радионуклидов ГСО СТЕРН-3 (№ 8510—2004), имитирующий условия работ в естественном залегании, и образцовые средства измерений — каротажные и наземные гамма-радиометры, спектрометры и дозиметры.

Комплект ГСО СТЕРН-3 состоит из четырех образцов. Каждый экземпляр комплекта представляет собой герметичную емкость в виде параллелепипеда со стороной основания (140 ± 0,3) см и высотой (150 ± 0,3) см, заполненную радиоактивным материалом соответственно калиевого, уранового, ториевого и смешанного составов. Стенки корпуса и его дно выполнены из нержавеющей стали толщиной 3 мм, верхняя крышка емкости — из антистатического пластика. По центру емкости вмонтирована труба, имитирующая скважину. Труба пластмассовая с внутренним диаметром 155 мм и толщиной стенки (3 ± 0.5) мм. Комплект ГСО СТЕРН-3 отвечает современным представлениям и требованиям и призван обеспечить единство и требуемую точность полевых радиометрических измерений методами гамма-каротажа, гамма-спектрометрического каротажа и полевых радиометрических и спектрометрических исследований, а также при проведении радиоэкологических исследо-

Рис. 1. Внешний вид комплекта ГСО СТЕРН-3

ваний. Расположен комплект в специально оборудованном помещении в пос. Мельничный Ручей Всеволожского района Ленинградской области. Его метрологические характеристики и дополнительные сведения приведены в табл. 1 и 2, а внешний вид показан на рис. 1.

В настоящее время в РФ для МО радиометрических исследований функционируют ГСО типа СТЕРН в СФ «Березовгеология» (г. Новосибирск), БФ «Сосновгеология» (г. Иркутск) и УФ «Зеленогорскгеология» (г. Екатеринбург); значения массовых долей ЕРН на эти СО переданы от ГСО СТЕРН-3.

Нормативно-правовое обеспечение ЕСМО радиометрии представляет собой комплект нормативно-технической документации (НТД). Основная НТД опубликована в Сборнике руководящих документов [4] и отражает состояние этой системы на конец 1990 года. Технология использования ГСО СТЕРН-3, изложенная в [4], предусматривает передачу размера единиц на стандартные образцы более низкого уровня инструментальным способом с помощью образцовых средств измерений (в том числе и на СО-полигоны методом «разностного эффекта» [5]) и на рабочие средства измерений —

Таблица 1

Метрологические характеристики комплекта ГСО СТЕРН-3 № 8510—2004

Индекс СО в комплекте Элемент Обозначение единицы физической величины Аттестованное значение СО Относительная погрешность аттестованного значения СО, %

СТЕРН-3К Калий % 10,0 2

СТЕРН-3и Уран млн-1 81 4

СТЕРН-3Т Торий млн-1 160 4

СТЕРН-2С Калий % 4,7 3

Уран млн-1 42 3

Торий млн-1 80 3

Таблица 2

Дополнительные сведения комплекта ГСО СТЕРН-3 № 8510—2004

Нормируемые параметры СТЕРН-3К СТЕРН-3и СТЕРН-3Т СТЕРН-3С

Массовая доля калия, % - 0,06 0,06 -

Массовая доля урана, млн-1 0,3 - 0,3 -

Массовая доля тория, млн-1 2,4 2,8 - -

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

Коэффициент влажности, % 0,05 0,11 0,07 0,14

одноканальные и многоканальные радиометры (гамма-спектрометры). В частности, для МО гамма-каротажа и каротажа методом мгновенных нейтронов деления в качестве ГСО аттестован рудный интервал в скважине, пробуренной на территории разведочной партии УФ «Зелено-горскгеология» в пос. Новопетропавловское Курганской области, а для МО аэрогамма-спектрометров — полигон «Пусун-Сари», расположенный на полуострове Пусун-Сари (Карелия) [6].

Понятно, что Единую систему метрологического обеспечения радиометрии, которая разработана в 90-х годах прошлого столетия, следует привести в соответствие современному научно-техническому уровню и законодательным нормам.

3. Геологическая задача, стоящая перед аэрогамма-съемкой, — построить карты распределения массовых долей естественных ра-ди-онуклидов (ЕРН) — калия, урана/радия и тория — и амбиентного эквивалента мощностей доз внешнего гамма-излучения (МАЭД); на карте должны быть выделены территории, принадлежащие различным типам горных пород (различным геологическим средам), и проведены изолинии, обеспечивающие достоверное выделение таких территорий. Для решения этой задачи необходимо обеспечить порог чувствительности не ниже 0,5х10-4 % для урана и тория, 0,3 % для калия и 0,05 мкЗв/ч для МАЭД гамма-излучения. При этом с учетом вариаций массовых долей ЕРН метод должен обеспечить их измерение в диапазоне (0,5—50)х10-4 % по урану и торию, 0,3—8 % по калию и 0,05—1 мкЗв/ч по МАЭД гамма-излучения. Что касается погрешности измерений, то для уверенного разделения пород она должна быть не более 30 %.

Физическая модель, соответствующая поставленной задаче, — полупространство с однородными по отношению к гамма-излучению свойствами, причем распределение источников гамма-излучения в этом полупространстве не зависит от глубины.

Для того чтобы корректно определить элементы калибровочной матрицы для раздельно-

го определения п радионуклидов методом спектрометрии гамма-излучения, необходимо иметь в общем случае не менее п + 1 (4) стандартных образцов, воспроизводящих условия измерений. Но поскольку из-за больших размеров такие СО изготовить невозможно, то используют СО-полигоны, аттестованные методом передачи размера единиц от ИОСИ — например, от комплекта ГСО СТЕРН-3.

Основные требования к полигону:

— минимальные размеры полигона 1000 х х400 м;

— полигон должен быть сложен преимущественно однородными по составу коренными породами, не загрязненными техногенными радионуклидами, и расположен на горизонтальной площадке или пологом склоне крутизной не более 5 %; крутизна отдельных склонов положительных форм рельефа также не должна превышать 5 %; допускается наличие участков с отрицательными формами рельефа (ложбины, овраги), если их площадь не превышает 10 % площади полигона;

— площадь участка, перекрытого рыхлыми (четвертичными) отложениями, не должна превышать 20 %, а площадь залесенных участков (деревья, кустарники) — не более 15 % площади полигона;

— предпочтительно располагать полигон вблизи водоема размером не менее 1000 х 400 м и глубиной 2 м и более.

Местоположение полигона должно быть вынесено на крупномасштабную основу с указанием его географических координат. Основная магистраль полигона должна быть обозначена четкими хорошо просматриваемыми с летательного аппарата и закрепленными на местности входными и выходными ориентирами.

Аттестуемыми характеристиками полигона являются массовые доли калия, урана/радия и тория в поверхностном слое и мощность ам-биентного эквивалента дозы (МАЭД) гамма-излучения на высоте 1 м от поверхности; дополнительные характеристики, — плотность и влажность. При выборе участка следует

Таблица 3

Рекомендуемые значения параметров полигонных участков для МО наземных и воздушных гамма-радиометров и спектрометров

Характеристика Единица измерения Диапазон значений

Массовая доля калия Процент 2-5

Массовая доля равновесного урана млн-1 5-20

Массовая доля тория млн-1 10-40

МАЭД гамма-излучения (превышение над фоном) мкЗв/ч 0,10-0,40

руководствоваться рекомендациями, приведенными в табл. 3

Поверочная схема для многоканальных геофизических аэрогамма-радиометров (гамма-спектрометров), которая призвана обеспечить решение поставленной выше геологической задачи, должна иметь по крайней мере три уровня. Возможный вариант схемы показан на рис. 2.

Первый уровень — исходные образцовые средства измерений (эталоны), включает комплект Государственных стандартных образцов (ГСО) состава EPH (позиция 1), эталон радия (позиция 2), образцовый переносной многоканальный геофизический гамма-радиометр (гамма-спектрометр, позиция 3), и образцовый дозиметр (позиция 4). Комплект ГСО (из четырех стандартных образцов) и эталон радия предназначены для хранения и воспроизведения размера единиц массовых долей EPH в модели «однородное пространство» и единиц мощности амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения и для передачи размера этих единиц (с помощью образцовых СИ) средствам измерений более низкого уровня. Размеры ГСО должны обеспечивать «насыщение» по гамма-излучению в режиме измерений «разностного эффекта». Образцовый многоканальный радиометр (гамма-спектрометр) используется также для контроля стабильности параметров комплекта ГСО.

Второй уровень — образцовые средства измерений, состоит из комплекта малогабарит-

ных стандартных образцов состава EPH (позиция 5), спектр которых подобен спектру гамма-излучения на поверхности полупространства, и СО-полигонов (позиция 6), аттестованных инструментальным способом с помощью образцовых гамма-радиометров и дозиметров первого уровня — по массовым долям EPH и по мощности амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения.

Третий уровень — рабочие средства измерений (позиция 7).

При составлении схемы (рис. 2) использованы следующие обозначения: доверительная (на уровне 95 %) относительная погрешность стандартных образцов и эталонов; предельная относительная погрешность СИ; методическая погрешность (погрешность не-однородности СО), имеющая статистическую природу и характеризуемая относительным средним квадра-тическим отклонением. Для подсчета основной погрешностей использованы стандартные приемы математической статистики.

Из приведенной поверочной схемы видно, что рекомендуемая последовательность организации МО аэрогамма-съемки обеспечивает единство и точность измерений, достаточные для решения сформулированной геоло-гиче-ской задачи. Очевидно также, что при соответствующем доукомплектовании приведенная поверочная схема может быть использована для МО радиоэкологических исследований.

КОМПЛЕКТ ГСО СОСТАВА ЕРН и, 77? (%) в0 (%) К,% в0 (%) 0,005-0,001 10 0,3-5,0 6 0,001-0,01 4 5,0-10 4 Б. (неоднородность) 1 %

Метод прямых измерений

Образцовый многоканальный гамма-радиометр и, Г/? (%) в0 (%) К,% в0 (%) 0,005-0,001 12 0,3-5,0 8 0,001-0,01 6 5,0-10 6

Эталон 226Ra МАЭД ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ 50-250 мкЗв/ч, в0 = 4%

Метод прямых измерений

Образцовый дозиметр

0,05-5 мкЗв/ч

Д0 = 12%

S (неоднородность) 1 %

Метод прямых измерений

Малогабаритные СО состава ЕРН

и, 777 (%) в0 (%) К,% в0 (%) 0,001-0,1 12 5,0-1,0 15

Метод прямых измерений

СО-полигоны ЕРН U, 77? (%) в0 (%) К,% 0,001-0,005 18 3,0-5,0

18

20-50 мкЗв/ч

6 = 20%

Метод прямых измерений

Многоканальные геофизические аэрогамма-радиометры (спектрометры) и, 77) (%) в0 (%) К,% А0 (%) 0,005-0,01 20 5,0-1,0 28

МАЭД 10-50 мкЗв/ч, А0= 28 %

Рис. 2. Поверочная схема для средств измерений массовых долей ЕРН и МАЭД гамма-излучения

методом аэрогамма-съемки

4. В 2007 году ФГУ НПП «Геологоразведка» провело анализ состояния МО в геофизике, который показал, что в настоящее время есть все необходимые технические и методические средства для создания систем МО, подобных ЕСМО, в радиометрии, в электрометрии, гравиметрии, магнитометрии, сейсмометрии, то есть для геофизических методов, в той или иной мере используемых для получения измерительной информации при геологических и экологических исследованиях. Как показал этот анализ, при организации системы МО каждого метода особое внимание следует уделить взаимоувязанным наземным метрологическим полигонам и контрольно-поверочным скважинам, к числу которых в первую очередь можно отнести следующие:

— контрольно-поверочные скважины для калибровки аппаратуры радиометрического, электрического, магнитного, индукционного, акустического каротажа;

— электрометрические, магнитометрические, радиометрические и гравиметрические полигоны — для калибровки соответствующей аппаратуры в наземном и воздушном вариантах;

— контрольно-поверочные наземные и скважинные сейсмометрические полигоны — для калибровки сейсморазведочных комплексов;

— геодезические полигоны — для повышения качества геодезического обеспечения геофизических исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Блюменцев А. М., Хайкович И. М. Системный подход к организации метрологического обеспечения радиоэкологических исследований. // Законодательная и прикладная метрология, № 5, 1995. С. 36—41.

2. Метрологическое обеспечение работ по изучению радиоактивного загрязнения местности в результате аварии на Чернобыльской АЭС (метрологическое обеспечение программы АТЛАС). Хайкович И. М., Серых А. С. и др. // Сборник статей «Методика и некоторые результаты авиационной гамма-съемки радиоактивного загрязнения европейской части России». — СПб: Гидрометеоиздат, 1994. С. 52—65.

3. Опыт аттестации естественных полигонов в каче-

стве государственных стандартных образцов для метрологического обеспечения радиоэкологических исследований. Лучин И. А., Серых А. С. и др. // Сборник статей «Методика и некоторые результаты авиационной гамма-съемки радиоактивного загрязнения европейской части России». — СПб: Гидрометеоиздат, 1994. С. 66—73.

4. Система метрологического обеспечения и стандартизации радиометрии при изучении состава естественных радиоактивных элементов в горных породах и рудах и поверхностного загрязнения радионуклидами искусственного происхождения. Сборник руководящих документов. / Сост. Хайкович И. М. и др. — СПб: НПО «Руд-геофизика», 1991. 250 с.

5. Хайкович И. М., Шашкин В. Л. Опробование ра-

диоактивных руд по гамма-излучению (теория и методика). М.: Энергоатомиздат, 1982.

6. Хайкович И. М., Мац Н. А., Ганичев Г. И. Методы

ядерно-геофизического каротажа на месторождениях урана. СПб: ФГУ НПП «Геологоразведка, 2007.

7. Франтов Г. С. О создании геолого-геофизических полигонов и заповедников. Советская геология. № 6, 1988.

8. Франтов Г. С. Методические рекомендации по аттестации электроразведочных полигонов. СПб: ВИРГ, 1992.

Автор

ХАЙКОВИЧ Иосиф Мордухович

Главный научный сотрудник ФГУ НПП

«Геологоразведка».

Доктор физико-математических наук.

Заслуженный деятель науки Российской

Федерации.

Действительный член Метрологической Академии.

Телефоны:

8 (812) 576-85-79 8 (812) 350-22-97 E-mail:

imkha@inbox.ru