Методические и технические аспекты проведения гамма-спектрометрии с использованием комплекса БПЛА «Геоскан 401 Гамма»

Методические и технические аспекты проведения гамма-спектрометрии с использованием комплекса БПЛА «Геоскан 401 Гамма»

Гамма-спектрометрия (ГС) является одним из важнейших методов решения картировочных и рудопоисковых задач. Реализуется ГС, как правило, в наземном и аэро-вариантах. В первом случае площадная съемка выполняется долгое время, но возможно накопление большого числа импульсов в одной точке для достоверного определения удельных активностей (и концентраций) урана, тория, калия. При аэросъемке производительность работ на порядок выше, но аномалии существенно сглаживаются, растет погрешность определения количественных характеристик естественных источников гамма-излучения. Объединяет преимущества обоих методов развивающаяся в настоящее время гамма-спектрометрия на беспилотных воздушных судах, где съемка может выполняться с небольшой высотой и скоростью полета, и при необходимости, с зависанием (Balkov et al., 2019; Briechle et al., 2018; Danilov et al., 2015; Gachenko et al., 2020; Kremcheev et al., 2019; Peterson et al., 2019; Šálek, 2021, Tang et al., 2019).

Авторы данной работы поставили перед собой следующие задачи:

  • оценить технические характеристики спектрометра, который можно использовать для БПЛА в лабораторных условиях;
  • дать рекомендации по методике проведения гамма-спектрометрии;
  • выполнить обработку полевых данных гамма-спектрометрии, полученных с использованием БПЛА «Геоскан 401 Гамма».

Методика

Исследования разделены на 2 этапа.

Первый этап исследований выполнен в лабораторных условиях. Объект исследования – гаммаспектрометр, приспособленный для комплекса Геоскан 401 «Гамма», оснащенный натриевым сцинтилляционным детектором в форме цилиндра объемом 0.4 л; данные съёмки записываются с цикличностью 1 Гц.

Для оценки градуировки энергетической шкалы и для получения коэффициентов пересчета параметров спектров в содержания радиоактивных элементов использован набор моделей ПКУ (передвижная калибровочная установка), соответствующих распространенным горным породам по содержанию естественных радионуклидов U, Th, K, а также дополнительные образцы с относительно высокими содержаниями радиоактивных элементов, в т.ч. искусственных (рис. 1). Интегральные показания сопоставлены с данными радиометра СРП-97. Выполнены оценки требуемой длительности замера для получения заданной погрешности определения концентраций естественных радионуклидов в горных породах.

На втором этапе исследований авторы применили уточнённые коэффициенты при обработке полевых данных. В работе показаны результаты полевых работ на участке, перспективном на гидротермальные золото-медные руды, выполнены аэрогамма-спектрометрические работы с беспилотным аэрогеофизическим комплексом «Гамма». Участок расположен в Забайкальском крае. Для выполнения работ использовался комплекс БПЛА «Геоскан 401 Гамма». Его основные характеристики: продолжительность полета квадрокоптера режиме съёмки без подзарядки – до 45 минут, скорость полета – 0-50 км/ч, максимальная масса полезной нагрузки – 3.5 кг. В качестве датчика использовался детектор, описанный в первом этапе исследований.

Результат

Результаты первого (лабораторного) этапа исследований можно представить в виде отдельных выводов:

1. Определена связь между энергией гамма-кванта и номером канала линейная с коэффициентом, близким к 1 (точнее, 1.0749), что удобно для интерпретации спектров. По выделенным пикам выполнено построение графика зависимости энергии гамма-квантов от номеров каналов.

2. По экспериментальным работам, замечена некоторая зависимость в показаниях спектрометра от того, датчик вертикален или горизонтален. Определено, что 1 имп/с соответствует для данного спектрометра примерно 30 мкР/ч. Получены пересчетные коэффициенты из параметров спектров в процентные содержания радиоактивных элементов.

img1

Рисунок 1. Общий вид комплекса «Геоскан 401 Гамма», примеры регистрируемых спектров для образцов, содержащих цезий, кобальт, уран, торий, калий в логарифмическом и линейном масштабах.

3. Выполнена оценка длительности «зависания» гамма-спектрометра, необходимого для достижения заданной точности определения содержания урана, тория, калия. Если обозначить время измерений в секундах T, то относительная точность измерений за время T может быть определена как (Miller et al., 2020):

form1

где 𝛿К (𝑇) – относительная погрешность измерений содержания калия для времени измерений T, 𝛿К – относительная статистическую ошибку измерений, то есть отношение среднеквадратического отклонения к величине концентрации. Согласно нормативным документам, допустимые значения погрешности измерений процентного содержания радиоактивных элементов определены как 0,2 % по калию, 0,3 г/т по урану и 0,5 г/т по торию. Можно вычислить необходимое время набора в секундах, исходя из заданных относительных точностей для радиоактивных элементов:

form2

где TК - время в секундах, необходимое для достижения относительной точности определения содержания калия 𝛿К (𝑇). Аналогичные (2) зависимости можно выписать для урана и тория. В результате получены следующие значения: 𝑇К = 2907 𝑐, 𝑇𝑈 = 44100 𝑐, 𝑇𝑇ℎ = 22500 𝑐.

Традиционно погрешность, обусловленная статистическим характером измерений, задается в 0,15. Исходя из этой величины, рассчитанное по (4) время измерений для калия, урана, тория 𝑇𝐾 = 336 𝑐, 𝑇𝑈 = 282 𝑐, 𝑇𝑇ℎ = 361 𝑐. То есть, если задаваться наибольшим временем по всем элементам, минимальное время измерений для получения приемлемой статистической ошибки измерений содержания составляет 5 минут.

Результатом второго этапа исследований стали карты, характеризующие распределение по площади исследования урана, тория, калия (рисунок 2). Авторы не ставили перед собой задачу выполнить детальную интерпретацию результатов обработки и оставили этот момент для будущих исследований.

img2

Рисунок 2. Карта высот местности съемки с нанесенными линиями полета и результаты – счет (имп/с) в окнах урана, тория, калия и сводный результат в формате RGB-композиции.

Аномальные концентрации радиоактивных элементов или их аномальные соотношения могут быть присущи различным минеральным парагенезисам (Alekseev, 2020; Ilalova et al., 2020; Veshev et al., 1996). Тенденция к обособлению парагенезисов в пространстве никогда не реализуется полностью (Movchan, Yakovleva, 2019): каждая минеральная ассоциация накладывается на предыдущие образования, что создает пеструю картину распределения естественных радиоактивных элементов на рудных месторождениях. Интенсивность радиогеохимических аномалий в гидротермальных рудных полях относительно невелика. Для рудных полей медных и золотых месторождений характерна приуроченность к областям калиевой и калий-урановой радиогеохимической специализации (по результатам RGB (redgreen-blue)-композиции — это сочетание оттенков желтого цвета).

Выводы

Полученные материалы свидетельствуют о возможности изучения достаточно слабых аномалий, не связанных с месторождениями радиоактивных элементов, с помощью ГС на беспилотных летательных аппаратах в режиме непрерывного полета. Более точные количественные оценки содержаний естественных радиоактивных элементов возможны путем измерений с зависанием длительностью до 5 минут и с частичной заверкой (в отдельных точках) получаемых концентраций и соотношений методом наземной ГС. Для полноценной калибровки аппаратуры и сопоставления различных технологических комплексов аэро-гаммаспектрометрии необходимо наличие аккредитованного полигона, нехватка которого в настоящий момент остро ощущается. Удобная и относительно дешевая методика ГС на БПЛА открывает перед гамма-спектрометрией обширные перспективы в поисках рудных, нефтегазовых месторождений, залежей строительного сырья, в геологическом картировании и решении экологических задач.


Источник: «Инженерная и рудная геофизика 2021» — Геленджик, Россия, 26 - 30 апреля 2021 г.

Е.Ю. Ермолин (ООО «ДЖИ М Сервис»), Д.А. Андриец* (Санкт-Петербургский горный университет), Н.П. Сенчина (ООО «ДЖИ М Сервис»), А.А. Миллер (Санкт-Петербургский горный университет)