Вертолёт низко летит над Аппалачами, медленно перемещаясь над преимущественно лесистыми землями Мэриленда, Пенсильвании и Западной Вирджинии. На борту вертолёта находится бело-синий ящик с приборами для обнаружения невидимых фотонных гамма-лучей, возникающих в результате радиоактивного распада в скалах под ними. Когда гамма-луч достигает специально разработанного кристалла внутри ящика, он вызывает вспышку света — явление, называемое сцинтилляцией, — которая предоставляет информацию о свойствах и происхождении гамма-луча.
Измерения естественной низкоуровневой радиоактивности в геологических исследованиях
Измерения естественной низкоуровневой радиоактивности используются в геологических приложениях почти столетие. Сцинтилляция лежит в основе радиометрических методов, которые позволяют проводить пассивные и быстрые оценки геохимического состава образцов горных пород, кернов и обнажений, а также участков поверхности Земли.
Эти методы измеряют энергетические характеристики гамма-излучения в окружающей среде для определения наиболее вероятных изотопов, которые их произвели. Полученные данные затем используются для создания карт поверхности Земли и прилегающих к ней участков, где присутствуют радиоактивные элементы, даже в небольших количествах.
От счётчиков Гейгера до спектрометрии
Радиометрические методы быстро развивались после открытия радиоактивности в 1896 году. Уже в 1930-х годах при разведке нефти использовались счётчики Гейгера и ионизационные камеры для измерения гамма-излучения, испускаемого из скважин. Эти ранние методы позволяли подсчитывать общее количество обнаруженных гамма-лучей, но не могли различать отдельные радиоэлементы.
К 1940-м годам кристаллы сцинтилляции стали достаточно лёгкими, чтобы приборы можно было перевозить на самолётах для проведения радиометрических съёмок с подсчётом общего количества. А к концу 1960-х годов датчики гамма-излучения стали достаточно точными, чтобы различать конкретные изотопы-источники, обеспечивая возможности для полной гамма-спектрометрии.
Аэрофотосъёмка с помощью гамма-спектрометрии
Аэрофотосъёмка с помощью гамма-спектрометрии позволяет быстро и непрерывно собирать геохимическую информацию о больших территориях, которую невозможно получить с земли. Во время аэрофотометрической съёмки самолёт, вертолёт или дрон пролетает вперёд и назад по схеме «покос газона», чтобы получить оценки концентрации радиоэлементов в плане.
Результаты представляют гамма-лучи, испускаемые примерно с верхних 50 сантиметров поверхности земли, будь то коренная порода или почва. Хотя многие радиоэлементы производят гамма-лучи, калий, уран и торий являются основными элементами, которые оцениваются, потому что они относительно распространены на Земле, а их последовательности распада генерируют гамма-сигнатуры, достаточно сильные для измерения с помощью бортовых датчиков.
Исследование ресурсов стимулирует сбор данных
Первые аэрофотометрические наборы данных были собраны в результате подсчёта общего количества, в основном для разведки урана Австралией, Канадой, Советским Союзом и Соединёнными Штатами сразу после Второй мировой войны. В 1970-х годах продолжающийся интерес к урану привёл к началу Национальной оценки урановых ресурсов (NURE), которая поддерживала аэрофотометрические спектрометрические исследования гамма-излучения, измеряющие калий, торий и уран на территории Соединённых Штатов и на Аляске.
Эти данные, наряду с одновременными магнитными данными, были обнародованы. Примерно в то же время аналогичный интерес в Австралии и Канаде стимулировал региональное покрытие в этих странах. Для достижения национального охвата съёмки NURE были спланированы с очень широко разнесёнными линиями полётов на расстоянии 5–10 километров друг от друга, и только несколько районов были выбраны для сбора данных с более высоким разрешением.
С 2019 года Earth MRI решает проблему нехватки данных, стремясь улучшить знания о внутренних ресурсах критических минералов и геологических режимах, в рамках которых они формируются и концентрируются. Ресурсы критических минералов, такие как литий, графит, редкоземельные элементы (РЗЭ) и многие другие, являются товарами, которые имеют важное значение для экономики и безопасности США, но подвержены рискам, связанным с нарушениями цепочек поставок.
Земляные МРТ: новый взгляд на геологию
Earth MRI использует междисциплинарный подход, который включает геологическое картирование и сбор новых данных с помощью лидара, аэрофотогеодезических методов и анализа геохимии, минералогии и геохронологии образцов. Эти данные и интерпретации, все из которых находятся в свободном и публичном доступе, предоставляют обширную информацию о критических минералах, их минерализующих системах и геологических рамках.
Магнитные и радиометрические данные лежат в основе аэрофотогеодезического покрытия Earth MRI, поскольку они предоставляют ценную информацию о геологии, включая районы под покровом растительности, а их относительно низкая стоимость позволяет проводить съёмку больших территорий.
Взгляд с высоты птичьего полёта на геологию
Аэрофотометрические данные, собранные над провинцией Аппалачских долин и хребтов в Мэриленде, Пенсильвании и Западной Вирджинии, показаны здесь с использованием троичной цветовой шкалы (пурпурный = калий (K), голубой = торий (Th), жёлтый = уран (U)). Эти данные, доступные в Геологической службе США, подчёркивают различные литологии мелководных и обнажённых осадочных слоёв.
В дополнение к их использованию для фундаментального геологического картирования, новые наборы данных Earth MRI предоставляют ключевую информацию о внутренних критических минералах — а в некоторых случаях и визуализируют их напрямую. Это особенно касается РЗЭ, поскольку многие минералы, содержащие РЗЭ, также содержат торий.
Критические минеральные структуры
В дополнение к их использованию для фундаментального геологического картирования, новые наборы данных Earth MRI предоставляют ключевую информацию о внутренних критических минералах — и в некоторых случаях визуализируют их напрямую. Это особенно касается редкоземельных элементов (РЗЭ), поскольку многие минералы, содержащие РЗЭ, также содержат торий.
Аэрофотометрические исследования также привели к открытиям критических минералов. В одном случае данные из отдалённой части северного Мэна выявили локальную аномалию тория и урана. Это открытие побудило к последующим усилиям, в которых междисциплинарная и многоинституциональная команда быстро исследовала этот район пешком.
Обнаружение воздействий человека и на человека
Новое направление в изучении критических минералов фокусируется на потенциале использования нетрадиционных ресурсов, особенно тех, которые присутствуют в горных отходах и хвостохранилищах. Горнодобывающие предприятия и хвостохранилища разбросаны по Соединённым Штатам, иногда представляя опасность для окружающей среды или здоровья населения. Если бы критические минералы можно было экономически извлекать из отходов, выручка могла бы помочь финансировать мероприятия по очистке.
Ранние работы с аэрофотометрическими данными на этом фронте были сосредоточены, например, на изучении аномальных концентраций тория в хвостохранилищах заброшенных железных рудников в восточных Адирондакских высокогорьях на севере штата Нью-Йорк. Исследователи обнаружили, что отвалы, содержащие редкоземельные элементы (РЗЭ) в минерале апатите, выражали ториевые аномалии, тогда как другие отвалы были лишены этих ценных минералов.
Заключение
Аэрофотометрические исследования могут также пролить свет на естественные геологические опасности, влияющие на здоровье человека. Газ радон, известный фактор риска развития рака лёгких, образуется в результате распада радиоэлементов, особенно урана, в почве и горных породах. Визуализируя районы с повышенным содержанием урана, радиометрические исследования могут определить районы с более высоким риском радонового облучения.
Новые данные, доступные в открытом доступе, открывают широкие возможности для исследований — от качественных пересмотров геологических карт до количественного анализа, посвящённого вопросам критических минеральных ресурсов и другим темам, важным для общества.