Już od dość dawna prom ieniotwórczość znalazła za
stosowanie przy ocenie bezw zględnego w ieku skał. Sto
sowana pierw otnie metoda polegała na w yliczeniu w ie ku badanych próbek z koncentracji helu lub ołowiu w nich zawartego, przyjm ując, że są one w yłącznie produktam i rozpadu prom ieniotw órczego uranu lub toru, wchodzącego w skład skały. Stosowana obecnie metoda polega na analizie zawartości izotopów P b 204, P b 206, P b207 i P b208 w badanej skale. Izotopy P b 1’06, P b207 i P b208 stanowią ostatni produkt rozpadu trzech różnych rodzin prom ieniotwórczych, uranowej, akty
Październik-listopad 1955
281
n ow ej i torow ej. Koncentracja tych izotopów w próbce zależy od w ieku skały. C zw arty izotop P b204 nie jest zw iązany z żadnym procesem rozpadu prom ieniotw ór
czego. Jego zawartość w danej skale jest stała, nieza
leżna od czasu. Zakładając, że w chw ili powstania skały była już jakaś pierwotna koncentracja izotopu P b 206, P b207 i P b208 i biorąc pod uwagę, że stałe rozpadu U i Th m iały zawsze te same co obecnie wartości, m o
żem y w yliczyć je j w iek jako czas, w ciągu którego koncentracja tych izotopów osiągnęła w artości otrzy
m yw ane z analizy na spektrografie masowym. N ależy zaznaczyć, że na ogół w iek tej samej skały, wyznaczony z zawartości 3-ch różnych izotopów ołowiu w niej za
w artych nie jest jednakow y ze względu na m ożliwości m igracji Rn, Pb, U, A c U i Th w ciągu minionych w ieków . Z 3-ch różnych wartości, jakie się w ten spo
sób otrzym uje, można jednak w yznaczyć „p ra w d ziw y "
w iek skały. W iek najstarszego minerału oceniony na tej drodze wynosi ok. 2,0.109 lat.
Ocenę m aksymalnego wieku Ziem i przeprowadzono z danych uzyskanych na spektrografie m asowym dla trzeciorzędow ych rud ołow iow ych, zakładając, że za
w a rty w nich izotop P b207 powstał całkow icie na drodze rozpadu prom ieniotwórczego. O trzym ano w ten sposób w artość 5 ,4 .109 lat. T ak w ięc opisywana tu metoda podaje w iek ziem i w granicach od 2 , 0 . 109 do 5,4. 109 lat. Posługując się danym i z analiz w ykonanych przy pomocy spektrografu masowego dla szeregu próbek m inerałów ołowiowych, pochodzących z różnych okre
sów geologicznych, można było przeprowadzić dokład
niejszą ocenę na drodze prostego stosunkowo rachunku, w iążącego zawartości izotopów P b206 i P b207 w pewne zw iązk i matematyczne. Z rachunków tych otrzym uje się jako najprawdopodobniejszą wartość na w ie k ziemi 3 ,3 5 .109 lat.
Wspom nieć należy, że istnieje rów n ież metoda oceny w ieku skał oparta na wyznaczeniu stosunku ilości f,7 Rb i ilości Sr powstającego z jeg o rozpadu. Ostatnio zo
stały też podjęte próby oceny w ieku skał ze stosunku ilości J‘ K i ilości JJA, k tóry pow staje podczas prze
m iany prom ieniotw órczej z potasu.
Opisywana tu metoda m oże służyć do wyznaczania w ieku skał stosunkowo starych, nie d aje się ona użyć do oceny wieku skał młodszych. W ostatnich latach jednak znalazła ona znakom ite rozw iązanie i w tym kierunku. Stw ierdzone zostało m ianowicie, że neutrony prom ieniowania kosmicznego w ytw a rza ją bez przerw y
Ryc. 5. Aparatu ra do profilow an ia otw orów w iertn i
czych p rzy pom ocy naturalnych prom ieni y.
zarurowame
30 4 0 5 0 6070 80 natężenie prom. r
Ryc. 6. K rzy w a uzyskana przy p ro filo w a niu y odwiertów.
izotop prom ieniotw órczy w ęgla C14 przez bom bardowa
nie azotu N 14, w g reakcji:
>4N + Jn -> >4C + }H.
Pow stający w ten sposób izotop C14 jest nietrw ały i rozpada się do połow y w czasie ok. 5700 lat:
i4c -> +
p-em itując elektrony o n iezbyt w ysokiej energii (maks.
energia 0,155 M eV ). Oba te procesy zachodzą stale w atmosferze, dzięki czemu u tw orzyła się rów now aga m iędzy ilością C14, tw orzącego się w pow ietrzu przez bom bardowanie neutronami jąder azotu i ilością C14 ulegającą rozpadowi. M ożna w yliczyć, że równowaga ta prow adzi do koncentracji: 1 atom C14 w przybliżeniu na każdych 1012 atom ów C 12.
D zięki reakcjom chemicznym, jakie bez p rzerw y za
chodzą w atmosferze, w ę g ie l C14 zamienia się w dw u tlenek w ęgla, k tóry jest asym ilowany przez rośliny i w postaci zw iązk ów organicznych jest z kolei spoży
w an y przez zwierzęta. W ten sposób ta sama koncen
tracja atom ów prom ieniotwórczych C14 ustala się ró w nież i w organizmach żyjących. Obecność tych prom ie
niotwórczych atom ów C14 w substancji organicznej m o
żem y badać p rzy pom ocy liczników G.-M . specjalnej konstrukcji.
17
282
W S Z E C H Ś W I A TGdy organizm umiera, ilość atom ów w ęgla C 14, która ulega rozpadowi, przestaje być uzupełniana przez po
bieranie pokarmu. Istniejąca za życia rów n ow aga prze
staje istnieć i z biegiem czasu koncentracja izotopu C14 w danym szczątku organicznym m a leje do p ołow y po upływ ie 5700 lat. Z badania w ię c liczby im pulsów w liczniku G .-M pochodzących od rozpadu C14 m ożemy podać ocenę w ieku rozpatryw an ej próbki. M ożna na tej drodze jeszcze oceniać w sposób bezw zględn y w iek pró
bek nie przekraczający około 40 000 lat, p rzy czym ocena ta jest robioną z tym w iększą dokładnością im krótszy czas m inął od ch w ili śmierci organizmu, z któ
rego pochodzi dany szczątek organiczny. T ego rodzaju pom iary m ają duże znaczenie dla geologii p rzy badaniu u tw orów czw artorzędow ych i dla archeologii. M etoda ta pozw ala nam badać rów nież krążenie w ód na du
żych głębokościach na dnach oceanów przez pom iar prom ieniow ania (i w w ęglanach w nich zawartych.
Inne w ażne zastosowanie zn ajdu je p rom ien iotw ór
czość w geologii w m etodzie p rofilow an ia p rzy pomocy naturalnych prom ieni y o tw o ró w w iertn iczych dla ustalenia stratygrafii badanego terenu. Z licznych po
m iarów przeprow adzonych w ostatnich kilkunastu la tach w ynika, że większość skał w yk azu je na ogół dość charakterystyczne dla siebie na danym terenie dom ie
szki ciał prom ieniotw órczych, w głów n ej m ierze p ro
duktów rozpadu U i T h oraz dom ieszki K 40. W iadom o np., że r a ogół piaski, piaskowce, w ę g ie l kam ienny, sól kamienna, anhydryt w yk azu ją dość m ałe domieszki
Ryc. 7. P ro filo w a n ie pow ierzchniow e przy pom ocy pro
mieni y nad złożem ropnym.
radioaktywne, natomiast iły, łupki, sole potasowe, cha
rakteryzują się w iększym i domieszkami pierw iastków prom ieniotwórczych. Jeśli opuścimy do otworu w ie rt
niczego detektor prom ieni y, np. pakiet liczników G. M.
odpowiednio dużych rozm iarów (ryc. 5), to przy m ijaniu różnych w arstw geologicznych będzie on rejestrow ał rozm aite natężenie prom ieni y w zależności od cha
rakteru m ijanych skał.
U żyta do rejestracji prom ieniowania naturalnego y skał aparatura składa się z dwu zasadniczych części, zapuszczanej do odwiertu sondy i aparatury rejestru
jącej znajdującej się na powierzchni ziemi. Sonda, umieszczona w herm etycznym stalowym pancerzu, w y trzym ałym na w ysokie ciśnienie, zaw iera poza w spo
m nianym pakietem liczn ików G. M. źródło wysokiego napięcia, ok. 1000 V oraz wstępny wzm acniacz im pu l
sów. Im pulsy z liczników G. M. przesyłane są po je d nej z 3-ch żył zapuszczającego kabla do aparatury re
jestrującej, gdzie są wzmacniane, form ow ane do jedna
kow ego kształtu i przekazyw ane do obwodu integru
jącego, wspom nianego w yżej. M iliam perom ierz samo- piszący kreśli automatycznie k rzyw ą natężenia pro
m ieniowania y skał w fu n kcji głębokości osiąganej przez sondę. N a k rzyw ej dostajem y charakterystyczne minima i m axim a (ryc. 6).
Opisywana tu meoda profilow an ia naturalnego pro
m ieniowania y m oże być w ykonyw ana zarówno w otworach niezarurowanych, jak i zarurowanych.
Często pozw ala w starych otworach, dla których brak dokumentacji technicznej, ustalać stan zarurowania dzięki efek tow i absorpcji prom ieni y ze skał w żelazie.
Stanow i ona uzupełnienie elekrycznej m etody p ro filo w ania o tw orów w iertniczych i jest szeroko stosowana na całym świecie.
Uzupełnieniem tej m etody jest p rofilow an ie neutro- uow e odw iertów . P olega ono najczęściej na rejestracji wzbudzonych w przew iercanych skałach bardzo przeni
k liw ych prom ieni y wzbudzanych w procesach jądro
wych przez neutrony. M a ono duże znaczenie w poszu
kiwaniach naftow ych. Zasada tej m etody jest nastę
pująca. Spuszczamy do otw oru razem z sondą silne źródło neutronów (np. Rn + Be). Neutrony w ylatu ją z tego źródła z bardzo dużą energią (do 14 M eV ) i zde
rzają się z jądram i m aterii otaczającej źródło. W zde
rzeniach z jądram i wodoru tracą one dużą część swej energii. W ystarcza około 25 zderzeń z jądram i wodoru, by neutron w ychodzący ze źródła stracił swą energię i został w końcu pochłonięty. Jeśli w arstw y otaczające źródło neutronów nie zaw ierają w swym składzie w o
doru to neutrony w skale muszą przebiegać długą dro
gę, zanim zostaną schwytane przez jakieś jądro. W iele z nich zostanie pochłoniętych w skale w sąsiedztwie detektora prom ieni y, którym jest najczęściej licznik G. M. P rzy przejściu w ięc źródła neutronów w pobliżu skał „suchych", nie zaw ierających wodoru, licznik re
jestru je silne prom ieniow anie y, wzbudzone w skale.
P rz y przejściu źródła neutronów przez skały nasycone wodorem (woda, ropa, gaz ziem ny) neutrony zostają szybko spowolnione i zasięg ich w skale jest bardzo mały. Do detektora prom ieni y oddzielonego grubą w arstw ą ołow iu od źródła neutronów, dochodzi m ini
m alna ilość prom ieni y. W miejscach tych rejestru jem y charakterystyczne minima na k rzy w ej profilow ania. Te
Październik-listopad 1955
283
m inim a pozw olą nam lokować położenie poziom ów rop
nych w zględ n ie wodnych w odwiertach. Stosuje się rów nież p rofilow an ie neutronowe oparte na rejestracji rozproszonych w skałach neutronów wychodzących z zapuszczanego źródła. U żyte do tych pom iarów źródła neutronów muszą być bardzo silne.
Istn ieje rów nież metoda profilow ania pow ierzchnio
w ego, w której licznik do rejestracji prom ieni y lub struje się charakterystyczne m axim a natężenia pro
m ieniowania y (ryc. 7). W ynika to ze wzbogacenia w arstw pow ierzchniow ych w tych miejscach w dom ie
szki radioaktyw ne wynoszone z głębi ziemi. Być może to w ynoszenie pierw iastków prom ieniotwórczych po
zostaje w zw iązku z m igracją lotnych w ęglow odorów , potasu, opartej na w ykorzystaniu prom ieniotwórczego rozpadu izotopu K 40. Z w y k ły potas zaw iera 0,0119°/o t e
niem stosować w trudnych warunkach terenowych, jeśli zachodzi po temu potrzeba.