Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Микротронный активационный анализ и прецизионная спектрометрия природных образцов для решения геологических и геоэкологических задач

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Динь Тхи Лиен

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Современные ядерно-геофизические методы анализа природных элементов

1.1 Принципы ядерно-физических методов активационного анализа. 1.1.1 Нейтронно- активационный анализ

1.2. Многокомпонентный гамма-активационный анализ природных объектов 1.2.1 Физические основы гамма-активационного анализа.

1.3. Технология работ на микротроне

1.3.1 Измерение и обработка аппаратурных спектров

1.3.2 . Интерферирующий вклад дочернего радионуклида

1.4- Многокомпонентный инструментальный рентгенофлюоресценый анализ (РФА) природных объектов

1.4.1 Элементы метрологии РФА (стандары).

Глава 2. Современные радиохимические методы анализа редких, рассеянных, радиоактивных элементов с использованием обогащения посредством онообменной и экстракционной хроматографии.

2.1. Особенности подготовки нефтей. ., .Выделение легколетучих элементов (Os, Re, Se. As Ge. Ga) из водных растворов.

2.2. Технология определения радионуклидов с применением .новой техники концентрирования и обогащения элементов.

2.2.1 Ионообменные методы быстрого и селективного выделения радионуклидов

2.2.2. Экстракция и экстракционная хроматография

2.3. Экспериментанльная часть Выводы.

Глава 3. Обраотка, качественный и количественный анализ ядерно-геофизических результатов микроэлементов в нефти.

3 .1. Некоторые сведения о происхождении нефти

3 2. Литературные данные о распределении микроэлементов в нефтях

3.3. Экспериментанльная часть

3.3.1. Оптимальные условия облучения на микротроне МТ-25 для инструментального гамма активационного многоэлементного анализа в нефти

3.3.2. Инструментальное определение содержания урана и свинеца в образцах нефти с помощью активационного анализа на микротроне МТ

3.3.3. Результаты Рентгено-флуоресцнтного анализа 63 3.4. Результаты и их обсуждение

Выводы.

Глава 4 Применение гамма-спектрометрии для определения радионуклидов в образцах окружающей среды Вьетнама и СНГ. а) Экологические объекты Вьетнама в) Анализ Чернобыльского следа

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Микротронный активационный анализ и прецизионная спектрометрия природных образцов для решения геологических и геоэкологических задач"

Актуальность темы.

Расширение ресурсной базы углеводородного сырья представляет собой важную задачу для любой страны мира. В нынешних условиях высоких цен на нефть важными ресурсами помимо нефти и газа являются отложения тяжелых нефтей и битумов. Для эксплуатируемых месторождений, в частности, месторождений с нетрадиционными коллекторами (Белый Тигр, Вьетнам) важно понимание источников накопления и эволюции углеводородного сырья (происхождение и пути миграции).

Состав микроэлементов нефти является весьма информативным для этой цели. В 70-80гг для решения этой задачи привлекали всевозможные физико-химические методы анализа и всевозможные инструментальные ядерно-геофизические методы (рентгеновский, нейтронный активационный анализ с изотопными источниками и в ядерных реакторах, другие виды анализа). В частности, в это время в лаборатории ядерной геофизики МИНХ и ГП (К. И. Якубсон с сотрудниками) выполнена большая серия нейтронных активационных измерений микроэлементов в нефтях, в которой использованы изотопные источники нейтронов. С их помощью были получены весьма интересные, а порою и уникальные результаты о распределении микроэлементов в нефтях различных регионов СССР и мира. Эти результаты существенным образом повлияли на понимание вопросов происхождения, миграции и эволюции нефти и газа, которые, несмотря на столетнюю историю, остаются весьма акту альными.

Однако до появления данной работы микротронная активация для данной цели, как нам известно, не привлекалась. Микротронная активация (в режиме гамма-активации и режиме нейтронной активации) является довольно универсальным физическим инструментом и поэтому привлекалась для изучения элементного состава всевозможных природных объектов. Однако микроэлементный состав нефтей, как нам известно, с помощью этого инструмента не изучали (возможно, из-за трудностей удержания летучих фракций).

Последнее десятилетие повлияло на ситуацию тем, что рынок услуг в этой области сильно изменился. В частности, реакторный активационный анализ по многим причинам стал труднодоступным. Одновременно сильно уменьшился объем активационных работ с изотопными источниками (ужесточение радиационных требований). С другой стороны, процедуры измерений любых рентгеновских и гамма-спектров (естественных и наведенных) с помощью полупроводниковых детекторов стали рутинными, благодаря стандартным компьютерным программам обработки и накоплению баз данных эталонных спектров. Одновременно, по инициативе Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ-1АЕА) интенсивно развивается метрология физических измерений (система международных стандартов состава), которая напрямую касается геологии и экологии. Все это видоизменяет отношение к прецизионным ядерно-геофизическим средствам анализа как инструменту решения геологических и геоэкологических задач. Ведущие физические организации России и, в частности, Объединенный Институт Ядерных Исследований, (г. Дубна) по-прежнему располагают мощным арсеналом ядерных методов исследования вещества: например, микротроном для нейтронной и гамма-активации микроколичеств природных образцов, средствами рентгено-флуоресцентного анализа (РФА), средствами прецизионной полупроводниковой спектрометрии и средствами предварительного сильного обогащения концентраций и разделения элементов с помощью ионообменных смол. Следует заметить, что микротрон со средствами мониторирования пучка и современной метрологией (стандартные образцы состава горных пород, почв, грунтов и других природных объектов) обеспечивает существенно меньшую погрешность измерений, чем ускорительная техника прежних поколений.

Для развития некоторых стран и регионов весьма важно знание и контроль радиоэкологической обстановки. Например, известно, что в институте ядерной физики АН Вьетнама практически сразу была зафиксирована радиоактивная аномалия, связанная с чернобыльскими событиями (27 апр.1986), что лишний раз говорило о глобальности этого события. Однако систематические наблюдения за радиоактивным фоном (как интегральной, так и спектральными компонентами) в различных регионах этой страны до данной работы отсутствовали. Поэтому первые измерения фона были необходимы как стартовая точка для наблюдений за последующими изменениями. цели и задачи работы

1. Выбор рационального комплекса ядерно-геофизических методов анализа природных геологических и экологических образцов, включающего микротронный гамма-активационный анализ, полупроводниковый рентгено-флюоресцентный и гамма спектрометрический анализ продуктов облучения, с предварительным (при необходимости) ионообменным разделением и обогащением продуктов.

2. Обоснование достоверности получаемых результатов путем сравнения с международными стандартами состава (там, где это возможно).

3. Проведение средствами комплекса серии измерений, обработка измерений, качественный и количественный анализ результатов. Выявление спектра микроэлементов в образцах нефтей из различных регионов СНГ. В задачу данной работы не будет входить геологический анализ полученных результатов.

4. Оценки спектрального состава и уровня естественного радиоактивного фона природных объектов Вьетнама (почвы, грунты, сельскохозяйственные земли, поверхностные воды). В задачу данной работы не будет входить экологический анализ фоновых изменений.

Методы проведения работ.

1. В работе использованы различные ядерно-геофизические методы: гамма и нейтронной активации микроэлементов в природных образцах, с помощью полупроводникового рентгено-флюоресцентного и гамма-спектрального анализа.

2. В работе использован разнообразный набор радиохимических методов разделения и анализа микроколичеств природных образцов с предварительным выделением активностей и обогащением порядка 103-1()5на ионообменных смолах.

3. В работе использованы стандартные компьютерные методы обработки гамма-спектров, принятые в ведущих физических институтах мира, которые включают различные оценки интенсивности линии и автоматическую идентификацию с использованием стандартного компьютерного каталога спектров. Использование международных и внутренних стандартов концентрации позволяет перевести измеряемые величины в общепринятые величины концентраций, активностей и т.д.

Научная новизна.

1. Разработан комплекс ядерно-геофизических методов анализа, включающий микротронную нейтронную и гамма-активацию, современную полупроводниковую гамма спектрометрию с компьютерным анализом интенсивности линий и использованием стандартного банка эталонных спектров, а также предварительное (при необходимости) существенное обогащение концентраций микроэлементов (ЮМО5) с помощью ионообменных смол.

2. Посредством предложенного комплекса выявлен ряд новых микроэлементов в образцах нефтей из различных регионов СНГ, что расширяет возможности анализа вопросов происхождения, эволюции, миграции, накопления и деструкции углеводородов в природе.

3. Получены первые оценки спектрального состава и уровня естественного радиоактивного фона природных объектов Вьетнама (почвы, грунты, сельскохозяйственные земли, поверхностные воды), что создает основу для дальнейших систематических радиоэкологических наблюдений в этой стране.

Практическая ценность и применение результатов.

Разработанный комплекс был с успехом применен для решения некоторых геологических и геоэкологических задач России, СНГ и Вьетнама. Полученные результаты переданы для использования научным геологическим и экологическим организациям России (ВНИИгеосистем) и Вьетнама (Институт ядерной физики) для практического применения.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 19 работ в различных отечественных и международных изданиях. Материалы диссертации доложены на научной конференции МГГА, на международных научных семинарах в различных странах мира и в различных организациях России (например, ОИЯИ, ВНИИгеосистем).

Основные защищаемые положения.

1. Разработан и опробован комплекс ядерно-геофизических методов анализа природных геологических и экологических образцов, включающий микротронный нейтронный и гамма-активационный анализ, полупроводниковый рентгено-флюоресцентный и гамма-спектрометрический анализ продуктов облучения, с предварительным (при необходимости) ионо-обменным разделением и обогащением продуктов.

2. Применение комплекса позволило обнаружить в нефтях СНГ ряд новых микроэлементов, не выявленных ранее /(ругими методами анализа, что углубляет понимание процессов происхождения и миграции углеводородов, а также

3. Получены первые оценки спектрального состава естественного радиоактивного фона природных объектов Вьетнама.

Приношу свою глубокую благодарность члену -корр РАН Ю.Ц.Оганесяну, академику Nguyen van Hieu, профессору 3. Шеглоску, профессору И. И. Звару, доц. А. Б. Якушеву и начальнику землячества СРВ Nguyen Manh Sat за постоянное внимание не только в науке, но и поддержку в жизни.

Я очень признателена за обсуждения, помочь при выполнении работы своим руководителам проф. В. Е. Лухминскому и проф. О. Д.Маслову.

Я благодарена за большую помощь своим колегам Густовой М. В. и С. Н. Тимокину, Г. Я. Страдубу, и А. Г. Белову

Считаю своим долгом выразить искреннюю благодарность проф. А. А. Никитину и коллективу кафедры ядерно-геофизичесих методов и геофизической информатики, коллективу иностранного деканата МГГА во главе с проф. Елеминым М.А. Я очень благодарю проф. Р. П. Готтих за новый поход в решении современных радиоаналитических задач.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Динь Тхи Лиен

Заключение:

1 Разработан и опробован комплекс ядерно-геофизических методов анализа природных геологических и экологических образцов, включающий микротронный гамма-активационный анализ, современный полупроводниковый рентгено-флюоресцентный и гамма-спектрометрический анализ продуктов облучения с использованием стандартного банка эталонных спектров. Комплекс при необходимости включал предварительное существенное обогащение концентраций микроэлементов (103-105) с помощью ионо-обменных смол.

2. Применение комплекса позволило обнаружить в нефтях из различных регионов СНГ ряд новых микроэлементов, невыявленных ранее другими методами анализа, что углубляет понимание процессов происхождения, миграции и эволюции углеводородов.

3. Получены первые оценки спектрального состава естественного радиоактивного фона природных объектов Вьетнама (почвы, сельскохозяйственные земли, грунты, природные воды), что создает основу для системы радиоэкологических наблюдений страны.

4. Разработанный комплекс был с успехом применен для решения некоторых геологических и геоэкологических задач России и Вьетнама. Полученные результаты переданы для использования научным геологическим и экологическим организациям России и Вьетнама для практического применения.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Динь Тхи Лиен, Москва

1. Ю.Телдеши, Э. Клер, Ядерные методы химического анализа окружающей среды, Москва "Химия", 1991, стр. 125-126, 140-144.

2. Г. Н. Флеров, В. Я.Выропаев, Возможные применения методов ядерной физики в науке и Технике. 3 совещание по использованию новых ядерно-физических методов для решения научно-технических и народнохозяйственных задач, р-18-12147, Дубна 1979, стр. 10, 113

3. Н. П. Балабанов, X. Г. Христов, Ф. Г. Конден, О возможности применения микротрона МТ-25 в Пловдивском университете, Microtron МТ-25, 1993, рабочее совещание по использованию микротронов в ядерной физике Д-15-93-80, Дубна 1993, стр. 53-55.

4. Кузнецов Р. А., Аналитические возможности бетатрона с внутрикамерным облучением. Избирательность и чувствительность, радиохимия, 1971 т. 13, стр. 475-478.

5. Бурмистенко Ю. Н., Фотоядерный анализ состава вещества М. Энергоатомиздат, 1986, стр.200.

6. Активационный анализ с помощью 252Cf /Межиборская х. Б / Атоная техника за рубежом 1971, № 1, стр. 35-39

7. Иваненко В. В., Кустов В. Н., и. др., Установка и метод нейтронно-активационного анализа на основе калифорния -252. Изотопы в СССР, М. Атомиздат. 1981, № 60, стр. 3-9

8. Тетерев Ю. Г., Замятнин Ю. С., Источник фотонейтронов на основе 124Sb для нейтронно-активационного анализа, Дубна 1980,18-80-599, стр. 11

9. Бурмистенко Ю. Н., Заметнин Ю. С. и др. Установка для нейтронно-активационного анализа с помощью сурьмяно-бериллиевым источников нейтронов, Дубна 1981, 18-81-172, стр.7

10. Флеров Г. Н., Бурмистенко Ю. Н., и. др., О перспективах развития нейтронно-активационных аналитических установок на базе мощных сурьмяно-бериллиевых источников, Атомная энергия 1982. Т. 53, вып. 4, стр.255-260

11. Кузнецов Р. А., Активационный анализ, М. Атомиэдат 1974.

12. Телдеши Ю., Яковлев Ю. В., Бшшмович Г. Н. Диагностика методы химического анализа окружающей среды, М. Атомиздат, 1985 стр. 106

13. Капица С.П., Мелехин В.Н. Микротрон. -М.: "Наука", 1969.

14. Межиборская Х.Б. Практические аспекты гамма-активационного анализа //Атомная техника за рубежом. -1972. -№ 3. -С. 35-40.

15. Segebade С., Weise H P., Lutz G. Photon Activation Analysis. -В., N. -Y., G., 1987.

16. Chattopadhaya A., Jervis R.E. Multielement Determination in Market-Garden Soils by Instrumental Photon Activation Analysis // Anal.Chem. -1974, -V. 46, No. 12. -P. 1630-1639.

17. Aras N.K., Zoller W.H., Gordon G.E., Lutz G.J. Instrumental Photon Activation Analysis of Atmospheric Particulate Materials // Anal.Chem. -1973. -V. 45, No. 8. -P. 1481-1490.

18. Kato Т., Morito I., Sato N. Non-destructive photon-activation analysis of standard rocks with 30 MeVbremsstrahlung // J. Radioanal. Chem. -1973. -V. 18. -P. 97-110.

19. Беспамятное Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. — Л.: Химия, 1985. — 528 с.

20. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. -М.: АН СССР, 1950.-278 с.

21. Microtron МТ-25, Dubna 1993, Д15-93-80, Рабочее совещение по использованию микротронов в ядерной физике, стр. 6, 12, 16, 63.

22. Белов А. Г., Ганрский Ю. П., интегральные сечения фотоядерных реакций в области гигантского дипольного резонанса, Р15-2000-15, направлено в журнал "Атомная энергия", стр.3-6

23. Мухин К. Н., Эксрериментальная ядерная физика Том I. Физика атомного ядра М. Энергоатомиздат 1983, стр. 616

24. Эрнандес Риверо Аэрулио Тулио, использование микротрона для проведения активационного анализа горных и метеоритного вещества, 1984, удк: 539-122. 539. 125 5, стр.24.

25. В. Б. Лукьянов, С. С. Бердоносов, И. О. Богатырев, и др., Радиоактивные индикаторы в химии Основы метода, Москва "высшая школа" 1985, стр.30-53

26. Leif Spanier and Peter Ekstrom, Gammas GDISP vers 1.1, August 1989, a program to assist dentifying and to list, radioactivity gamma rays, Department of Nuclear Physics, Solvegatan 14, S-223 62. Lund, Sweden

27. Блохин M.А. Методы рентгеноспектральных исследований. M.: 1959.

28. Лосев Н.Ф. Количественный рентгеноспектральный флюоресцентный анализ. М.: Наука, 1969.

29. Вольдсет Р. Прикладная спектрометрия рентгеновского излучения. М. Атомиздат, 1977, 192 с.

30. Борходоев В.Я. Рентгенофлуоресцентный анализ горных пород способом фундаментальных параметров. Магадан: СВКНИИ ДВО РАН, 1999. 279 с.

31. Плотников Р.И., Пшеничный Г.А.Флюоресцентный рентгенорадиометрический анализ. М.Атоихда, 1973, 264.

32. Якубович А.Л., Зайцев Е.И., Пржиялговский С.М. Ядернофизические методы анализа минерального сырья. М. Атомиздат, 1973,392 с.

33. Содном Н., Гэрбиш HI, Белов А.Г., Маслов О.Д., Гаврилов К.А., Журавлева Е.Л., Кежек И. Определение содержания серебра в углях // Isotopenpraxis. -1990. -V. 26, No. 10. P. 488-490.

34. Экспрессные методики многоэлементного рентгенофлюоресцентного анализа с использованием изотопных источников возбуждения и полупроводникового Si(Li) детектора / Журавлева Е.Л.; Объед. ин-т. ядерн. исслед. -Дубна, 1980. -№ 14-80-358. -11 с.

35. Кудряшов В.И., Журавлева Е.Л., Маслов О.Д., Сравнение возможностей различных вариантов рентгенофлуоресцентного и нейтронноактивационного методов анализа при исследовании экологических образцов, Зав. лаб., 1997, № 9, с. 15.

36. S. Johanson and T.Johanson, Nucl. Instr. And methods 137(1976) 473-561.

37. А. Я. Синицип, Ю. О. Козында, Ядерно-геохимические методы поисков месторождений твердых полезных ископаемых, "Недра" 1991, стр. 84-132, 163

38. К. Эллис, Химия углеводородов нефти и их производных, Том I, ОНТИ, Москва 1936. Стр. 456-467.

39. Sarah Black, Galen Porter, david F. Boltz, .Колориметрические (фотометрические) методы определения неметаллов, изд. Иностранной литературы, Москва 1963, стр. 305

40. И. Т. Гороновский, Краткий справочник по химии М. 1974 стр. 66-266

41. Г. Н. Флеров Эксперименты ОИЯИ (Дубна) по синтезу по поиску в природе, рансурановых элементов.Р7-6153, 1971,срт.14.

42. Лавровский С. В книге "Москва, Госхимиздат, 1956, сер. 153 ( Докл. Иност. Ученных на Международ. Конф. По Мирному использ. Атоной Энергии Женева, (1955).

43. Амфетт Ч. " неорганические иониты" переврд с англ. Москва, "Мир", 1966.

44. Гельферих Ф. "Иониты ", перевод с нем. Москва Изд.во Иностр. Лит. 1962.

45. Extraction chromatography edieted by Т. Braun and G. Chersini, Akademai Kiado Budapest, 1975.

46. Szeglowski Z., Bruchertseifer H., Domanov V., P. Et al. Radiochmica Acta 51(1990) 71-76.

47. Z. Szeglowski, Dinh Thi Lien, S. N. Timokhin, A. B. Yakushev, LZvara, Fast and continuous of short- lived mercury isotopes from diluted sulphuric acid solution, J. Radioanal. Nucl. Chem. Vol.247Да.2(2001), Inhress.

48. Z. Szeglowski, Dinh Thi Lien, L. I. Guseva, S. N. Timokhin, et al. Investigation of trasactinide elements Bh (107) and (108) in an aqueous medium by test experiments with their homologues, JINR Scientific Report 2001-2002

49. H. К. Надиров, А. В. Катова, и др. Металлы в нефтях, -Академия наук Казахской ССР институт химии нефти и природнфх солей, изд. "Наука" Казахской ССР, стр. 66-79, 80-117,

50. Готтих Р. П., Б. И. Писоцкий, и др., Металлогеническая особенность жидких и твердых углеродистых веществ в отложениях Днепровско-Донецкой впадины, Геохимия УКД 550.4:553.98 стр. 1445-1450.

51. С. А. Пунанова, Геохимические особенности распределения микроэлемнтов в нафтидах и металлоносность осадочных бассейнов СНГ-Геохимия, 1986, №9, стр. 956 -972.

52. Эрнандес А., Замятнин Ю. С., многоэлементный гамма-активационный анализ с помощью микротрона, (isotopenpraxix 1984) vol.20, стр. 272-276.

53. Н. Содном, Ш. Гэрбиш, О. Д. Маслов, К. А. Гавринов, А. Г.Белов, Инструментальный активационный метод аналига хлора в углях, 18-87-649 ОИЯИ Дубна стр. 2-3.1011

54. О. Д. Маслов, Ю. Г. Тетерев, и д., применение фотонейтронов микротроа для инструменльного активационного определения урана, 18-12210, Дубна 1979.

55. Ж. Пайк, Г. Берд, радиохимия хрома, мышьяка, кадмия, и гологенов, М. 1966, стр 63

56. В. И. Баронов, А. С. Сердюкова, и др., Лабораторные работы и задачи по радиометрии. Атомиздат, Москва 1964, стр. 10, 192.

57. Динь Тхи Лиен Научная конферанция МГТА 2001 "Новые идеи и методы в науках о Земле" "Современные ядерные методы оценки содержания микроэлементов в нефти" 04-04-001.

58. Гусев Н. Г., Дмитриев П. П., квантовое излучение радиоактивных нуклидов М. Атомиздат. 1977, стр 486.

59. Д. Рубио, Журавлева Е. Л., выбор держателя кольцевого источника I- 125 для рентгенофлюоресцентного анализа, 18-12854, 1979.1. Energy keV.

60. Рис 2.1 Гамма спектры из системы трех колонок дауэкс-50(A)—дауэкс- 1(B))— дауэкс-50(C), когда раствор 0.05m H2S04 содержащие иотопы 1б8' ,бЯ 172W ( при облучении nttSm('24Mg, xn)W на У-400)1. Energy KeV.1. Energy KeV.1. Energy KeV.

61. N-3 Siiskoe skv.17304D0 МТ19П03/2 s600 700 800 900 1000 11001. Energy KeV.1. Energy KeV.у-спектры образцов нефти №3 облученного нейтронами микротрона МТ-25, Т0бл. =6ч., (средний ток 15мкА, Е=24 МэВ).» « 1 I I « I I I I »I,, I., I150to с3