Сейчас трудно даже представить, что, когда-то геологи искали месторождения полезных ископаемых без помощи геофизиков. О связи физических полей Земли (магнитного, радиоактивного, гравитационного) с рудными зонами знали давно. Идея использовать геофизический метод на практике, в геологическом поиске, пришла сравнительно недавно. И уж совсем «вчера», лишь в середине сороковых годов, когда геофизические приборы поставили на самолет, появилась аэрогеофизика - подлинное дитя века научно-технической революции. Объекты аэропоиска - нефть, уран, железо, олово, алюминий, молибден, тантал, бериллий, никель, медь, алмазы, золото. Словом, все главные виды сырья, важнейшие элементы, без которых немыслима современная промышленность.
На мелкомасштабной карте площадь в тысячу квадратных километров едва заметна. Но ведь это может быть тысяча квадратных километров непроходимой тайги, гор, болот. Геологической партии для исследования такой площади надо не менее трех лет. Аэрогеофизическая партия изучит ее за две недели.
Один из аэрогеофизических методов - это аэрогаммаспектрометрия, она изучает структуру радиоактивного поля, создаваемого горными породами в нижних частях атмосферы. Именно про аэрогаммаспектрометрию мы хотим рассказать более подробно, потому, что и в СССР, и за рубежом в последнее время она признана весьма эффективным поисковым методом, используют ее для поиска самых различных типов рудных месторождений. Авторы статьи уже свыше десяти лет ведут исследования в этой области.
Из трех видов радиоактивного излучения - альфа, бета и гамма - аэрогамма-спектрометрия имеет дело только с гамма-излучением. Лишь гамма-кванты пролетают десятки метров в атмосфере Земли (пробег альфа и бета-частиц не превышает нескольких сантиметров), их можно уловить датчиками геофизических приборов, установленных в самолете.
По своим энергетическим характеристикам гамма-поле Земли неоднородно. Это связано с тем, что в земной коре содержатся три разных гамма-излучателя торий, радий (уран), и калий, а энергия гамма-кванта у каждого элемента различна. Поэтому по характеру излучения, как по отпечаткам пальцев, геофизик уже в воздухе может определить «авторов» излучения. Перед ним на ленте регистратора возникает живое, пульсирующее радиоактивное поле Земли, разделенное на три компоненты ториевую, урановую, калиевую.
В любом образце горной породы, независимо от того, когда, где, и в, каких условиях она образовалась, обязательно содержатся радиоактивные атомы. В среднем на тонну вещества земной коры приходится 3 грамма урана, 10 граммов тория. Но они не равномерно рассеяны в литосфере, а концентрируются в определенных типах горных пород. Так, например, тяжелые глубинные породы мантии Земли - перидотиты, базальты, амфиболиты - содержат совсем мало гамма-излучателей. В легких изверженных породах типа гранитов радиоактивных элементов в десятки раз больше. В осадочных породах - известняках, песчаниках, сланцах-тоже содержатся радиоактивные элементы, но, как правило, в небольшом количестве, гораздо меньше, чем в гранитах. А в общем-то изверженные и осадочные породы создают тот самый радиоактивный фон Земли, который видит перед собой на ленте оператор-геофизик при аэрогаммасъемке.
Если рудная зона по своей радиоактивной характеристике не отличается от фона, она останется незамеченной.
К счастью, как правило, радиоактивность рудной зоны бывает резко отличной. Объясняется это тем, что процесс рудообразования сопровождается не только отложением рудных минералов, но, и изменением окружающих «фоновых» пород. Очень многие месторождения золота, серебра, меди и других металлов образовались при участии горячих водных растворов, поднимавшихся из глубин по трещинам земной коры. Эти растворы, богатые углекислотой, хлором, щелочами, обладали необычайной агрессивностью, они растворяли и переносили рудные минералы, а при этом изменяли граниты, базальты и другие горные породы. Баланс радиоактивных элементов нередко нарушался, возникали необычные соотношения гамма-излучателей, отличающиеся от фона.
Радиоактивные руды урана или тория довольно легко опознаются с воздуха по характеру излучения. Ну, а месторождения нерадиоактивных полезных ископаемых, обладают ли они, какой-то характерной радиоактивной меткой? Геохимические работы последних лет дают положительный ответ на этот вопрос. Так, например, для месторождений редкоземельных элементов, бериллия, олова, бокситов, характерны повышенные количества тория; уран накапливается на месторождениях ниобия, тантала, молибдена. Неожиданностью для исследователей оказалось мощное накопление калия на некоторых типах золотосеребряных и полиметаллических месторождений. При этом выяснилось, что калий и торий - это элементы-антагонисты если в горных породах рудных зон произошло накопление калия, значит, содержание тория уменьшилось и наоборот. Приборы, установленные на самолете, четко фиксируют антагонизм радиоактивных элементов в горных породах. Таким образом геофизики получили на вооружение очень важную геохимическую закономерность, позволяющую прямо в полете узнавать рудную зону.
Вспомним немного историю рождения аэропоиска.
В 1954 году на Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии среди многочисленных докладов внимание специалистов привлекло небольшое сообщение канадских геологов. Основываясь на успешно проведенных исследованиях, авторы делали далеко идущий вывод о том, что рудные зоны в пределах гранитных массивов располагаются в участках повышенной радиоактивности. Под радиоактивными элементами канадцы понимали только уран и торий, калий они полностью игнорировали, отводя ему неблаговидную роль помехи. Сейчас ясно, что это ошибка. Но в те годы все исследователи были словно загипнотизированы словом «уран»
«Урановый бум» начался в обстановке глубочайшей секретности сразу же после взрывов атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки. Задача, как можно скорее обнаружить урановые месторождения стала главнейшей для геологических служб многих стран мира.
Уже в 1945 году в воздух поднимались самолеты «малой» авиации с примитивнейшими приборами один-два счетчика Гейгера под крыльями да стрелка вольтметра перед глазами оператора в тесной кабине. Больше отклонится стрелка от нуля - больше радиоактивность.
Потом число счетчиков увеличили до десяти, стрелку вольтметра связали с самопишущим прибором и ее резкие скачки превратились в непрерывную волнистую линию на бумажной ленте. Случалось, иногда, что перо самописца вдруг стремительно взлетало вверх, выписывая четкий пик. Это означало, что под крылом самолета аномалия. Штурман отмечал точкой место на карте и туда, к этой точке, шел отряд геологов искать урановую руду.
Такими были первые шаги аэрогаммара-диометрии. Сначала изучалась только суммарная радиоактивность - общее число гамма-квантов, излучавшихся горной породой в пространство. Но даже такие простые измерения позволили открыть крупнейшие залежи урановых руд.
Потом удалось увеличить чувствительность аэрорадиометров и количество открываемых аномалий резко увеличилось. Однако наземные геологические отряды, которые приходили к отмеченным на карте точкам-аномалиям, все чаще и чаще находили там не уран, а выходы обычных горных пород с повышенной радиоактивностью. Дело в том, что если где-нибудь среди болот возвышается гранитная скала, то приборы зафиксируют ее так же резко и контрастно, как и стопроцентную урановую аномалию. Большие средства, затрачиваемые на наземную проверку «пустых» аномалий, сильно удорожали аэропоиск. Встал вопрос об экономической целесообразности метода. Необходимо было научиться различать гамма-кванты по величине энергии. Но, как это сделать?
Еще в 1904 году английский ученый Вильям Крукс обнаружил, что облучение альфа-частицами экрана из сернистого цинка вызывает слабые вспышки света. Так было открыто явление, получившее название СЦИНТИЛЛЯЦИЯ (мерцание). Однако сцинтилляционные счетчики элементарных частиц не находили в технике применения до 1949 года, пока не были разработаны высокочувствительные фотоэлектронные умножители (ФЭУ). С помощью таких умножителей можно вести автоматический счет вспышек-сцинтилляций, измерять энергию гамма-квантов. Так, как гамма-кванты тория, урана и калия различаются по энергиям, то они вызывают в веществе сцинтиллятора вспышки разной интенсивности. Наиболее яркие вспышки дают ториевые гамма-кванты, самые слабые - калиевые.
Сейчас для аэрогаммаспектрометров используют сцинтилляторы - искусственно выращенные огромные прозрачные монокристаллы йодистого натрия с примесью таллия. Их вес доходит до 25 килограммов, к одному прибору подключают до 12 таких датчиков. Все это обеспечивает очень высокую чувствительность метода.
Слово «аномалия» во всех словарях толкуется одинаково - отклонение от нормального. Чтобы выявить аномалию, надо знать норму. Но, что такое «норма» для геофизического поля, никто не знает. Норма, как некая усредненная величина гамма-излучения, для земного шара в целом одна, для континентов другая, для океанов третья, для гор четвертая, для гранитов пятая, и т. д.
Приходится каждый раз, в каждом конкретном случае определять норму радиоактивности горных пород для исследуемого участка, а потом на ее фоне выделять рудные аномалии.
Аэропоиск ведется в два этапа сначала - фоновая съемка, во время которой площадь «залетывается» по редкой сетке (маршруты лежат на расстоянии 4 - 5 километров друг от друга). При этом надо собрать данные о радиоактивности фона.
Затем ведут детальную съемку - собственно аэропоиск. Главная задача теперь - найти аномалию. Расстояние между маршрутами сжимается до 250 метров. Каждое отдельное измерение радиоактивного поля оценивается в сравнении со средними значениями, составляющими фон. Чем больше расхождение, чем дальше полученное измерение от фона, тем ближе оно к аномалии.
Далее надо разобраться, что за аномалия перед нами.
В поведении радиоактивных элементов подмечено несколько важных закономерностей. Вот одна из них в аномалиях, которые возникают над месторождениями, доминируют либо торий, либо калий. Например, над месторождениями бокситов, олова, вольфрама, тантала, бериллия мы встречаемся с ториевой доминантой, над месторождениями золота, серебра, молибдена - с калиевой доминантой.
Опыт, профессиональное мышление, интуиция позволяют поисковикам в калейдоскопе миллионов измерений, полученных аэрогеофизическими приборами, увидеть стройную картину, понять, о чем говорит аномалия, лежащая под крылом самолета.
Дело это, конечно, очень непростое. Далеко не каждое месторождение создает аномалию радиоактивного поля и не каждая аномалия - перспективная. Природа ведет с нами хитрую игру и чаще всего не по тем правилам, которых решили придерживаться мы.
Итак, идет аэропоиск.
На самолете (или вертолете) установлен измерительный прибор. В полете он измеряет радиоактивное поле, записи ведутся в двух видах аналоговом, то есть самописцем на бумажную ленту и в кодовом - перфоратор ежесекундно пробивает на перфоленте дырки-числа, характеризующие ториевую, урановую, калиевую составляющие радиоактивного поля и высоту полета.
Все перфоленты поступают на ЭВМ. Получено огромное количество информации. Ее начинают обрабатывать по специальному алгоритму, который так и называется - «Аэропоиск». При этом измерения «сглаживаются», очищаются от случайных помех. Результаты поступают на автоматическое цифропечатающее устройство (АЦПУ), по ним уже строятся карты, показывающие, как на данной площади распределены торий, уран, калий. Проступают аномалии.
Заключительная часть поиска - проверка аномалий на земле. Как всегда, последнее слово - за человеком.
А пока. пока мы летим. Летим сквозь живое радиоактивное дыхание Земли. Высота - 50 метров. Пилот начеку - слишком близко Земля. Штурман начеку - слишком быстро мелькают холмы, овраги, перелески. И мы начеку - в любой момент самописец может вырисовать на ленте острый пик - АНОМАЛИЮ.
Мы проваливаемся на самое дно ущелий и взлетаем к вершинам гор. Грохот мотора и вибрация. И мощное напряжение машины сливается с напряжением поиска.
ЛИТЕРАТУРА
Островский Э. Я., Портнов А. М„ Драбкин И. Е. Поиски близповерхностных месторождений золота в эффузивах методом аэрогаммаспектрометрии «Геология рудных месторождений», № 3, 1970.
Портнов А М., Островский 3 Я. Антагонизм калия и тория в зонах адуляризации. «Доклады АН СССР», том 204, № 6. 1972.
