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Gamma-Gamma-Verfahren (aktives Messverfahren) Gamma-Strahlungsquelle , Atomphysikalische Wechselwirkungsprozesse Gammastrahlung – Materie, Messung der Streustrahlung (Reststrahlung) am Detektor. Wechselwirkungsprozesse = f (Energie der -Strahlung; mittlere Kernladungszahl Z der Formation). Photoeffekt, COMPTON-Effekt, Paarbildungseffekt. Energieabsorption der Strahlung 0 γ x γ γ 0 x γ γ

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Page 1: Gamma-Gamma-Verfahren (aktives Messverfahren)tu-freiberg.de/.../bl_rad_gamma-gamma.pdf · Aussagen von Gamma-Gamma-Messungen Gamma-Gamma-Verfahren liefern „mittlere bzw. wirksame“

Gamma-Gamma-Verfahren (aktives Messverfahren)

Gamma-Strahlungsquelle , Atomphysikalische Wechselwirkungsprozesse Gammastrahlung – Materie, Messung der Streustrahlung (Reststrahlung) am Detektor.

Wechselwirkungsprozesse = f (Energie der -Strahlung; mittlere Kernladungszahl Z der Formation).

Photoeffekt, COMPTON-Effekt, Paarbildungseffekt.

Energieabsorption der Strahlung

γ

0 xγ γ→

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Absorptionsgesetz für -Strahlung (monoenergetisches, paralleles Bündel):

- Intensität der Quellstrahlung , - Intensität der Reststrahlung nach passieren des Absorbers (Gestein) x - Weglänge, - Absorptionskoeffizient des Absorbers für den jeweiligen Effekt.

Gamma-Gamma-Messungen: Wechselwirkungsprozesse und Strahlungsquellen

0i x

xI I eµ−=

γ

0I

xI

Verfahren WW - Effekt QuelleNuklid

in MeV Halbwertszeitin a

Gamma-Gamma-

DichtemessungCompton

1.173

0.662

5.27

30.2

Gamma-Gamma-

Pe-MessungPhoto 0.059 432.6

6027Co

13755Cs

24195Am

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Aussagen von Gamma-Gamma-Messungen

Gamma-Gamma-Verfahren liefern „mittlere bzw. wirksame“ atomphysikalische Kennwerte,

Gewichteter Beitrag aller am Gesteinsaufbau beteiligten Elemente,

Gesteinsspezifische Kennwerte: Gamma-Gamma-Dichte (Elektronendichte) , Pe-Wirkungsquerschnitt .

Röntgenfluoreszenzanalyse und Gamma-Neutronmessungen liefern bei Bestrahlung von Materie mit Gammastrahlung eine elementspezifische Reststrahlung

Gehaltsbestimmung bestimmter Elemente.

GGd

eP

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Gamma-Gamma-Dichtemessung

Übung Sondierungsbohrung: s. Anleitung

„Dichtebestimmung nach der Gamma-Gamma-Methode“

COMTON-Effekt:

Streuung einer monoenergetischen Gammastrahlung (elektromagnetische Welle) an Hüllenelektronen , Energieabsorption und Vergrößerung der Wellenlänge der

Gammastrahlung:

- Streuwinkel, h - PLANCKsches Wirkungsquantum, c - Lichtgeschwindigkeit, - Masse des Elektrons.

COMPTON-Wellenlänge des Elektrons:

(1 cos )e

h

m cλ ϕ∆ = −

ϕ

e

h

m cΛ =

em

e−

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γxQuelleCs-137

Detektor

Hüllen-elektronen

e- Atom-kern

Compton-Effekt

Atomhülle

Weglänge x

γ0

γx = f (e- ) = f ( Zeff )

e-

elastischerStoßprozess

ϕ

E0 = hν0

Gammaquant γ0γ1

gestreutes Gammaquant

E1 = E0 - B = hν1

E1 < E0

ν1 < ν0

B - Bindungsenergie des e-

COMTON-Effekt:

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Absorptionsgesetz für Gammastrahlung durch den COMPTON-Effekt:

COMPTON-Absorptionskoeffizient des Absorbers:

- Gamma-Gamma-Dichte (Elektronendichte), Z - Kernladungszahl, A - Atommassenzahl.

Für die meisten gesteinsbildenden Elemente mit gilt:

Direkter Zusammenhang zwischen der gemessenen Intensität der Reststrahlung und der Gesteinsdichte (Quotient aus Masse und Volumen):

0C x

xI I eµ−=

( )/C GGd Z Aµ ∼

/ 0.5Z A ≈

xId

20Z <

GGd

GGd d=

Wasserstoff:

Lithologiekorrektur für wasserstoffreiche Formationen.

/ 1Z A = → GGd d≠

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MineralPoreninhalt

Quarz 11.8 0.499 2.654 2.650

Calzit 15.7 0.500 2.710 2.708

Dolomit 13.7 0.499 2.850 2.864

Anhydrit 15.6 0.499 2.960 2.957

Gips 16.4 0.511 2.320 2.372

Halit 14.0 0.479 2.165 2.074

Montmorillonit 12.2 0.500 2.120 2.120

Illit 14.2 0.496 2.650 2.630

Kaolinit 11.9 0.500 2.440 2.440

Barit 47.0 0.446 4.500 4.010

Wasser 7.5 0.555 1.000 1.110

Salzwasser120000 ppm

9.4 0.545 1.086 1.185

Öl 5.5 0.558 0.850 0.948

effZ

Effektive Ordnungszahl , effektives Verhältnis , Massendichte d,

Gamma-Gamma-Dichte (Elektronendichte)

effZ

( / )effZ A

( / )effZ A

3(g/cm )d

GGd

3(g/cm )GGd

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Sondenaufbau und Kalibrierungskurve

Andruckarm, definierte Lage von Quelle und Detektor, Kalibermessung.

Gammaquelle (Cs - 137, Co - 60) mit Bleiabschirmung zur Unterdrückung der Direktstrahlung Quelle – Detektor und Kollimator (gerichtetes, paralleles Gamma-Strahlungsbündel),

Robertson Geologging: Sonde FDGS Formation Density Gamma Sonde Quelle: Cs - 137; Aktivität (1995): 3.7 GBq = 3.7 .9 110 s

−⋅0I =

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Gammadetektoren, FDGS: 2 Szintillationszähler

High Resolution Detektor HRD

Abstand Quelle – Detektor, Spacing L = 24 cm, Hohe Schichtauflösung, Lithologie, Korrektur von bohrlochnahen Einflüssen (Kaliberausbrüche,

Filterkuchen).

Long Spacing Detektor LSD, L = 48 cm,

Größere radiale Wirkungstiefe, Kennwertermittlung (Kalibrierungskurve): Dichte.

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Kalibrierung einer Gamma-Gamma-Sonde (Erstkalibrierung Sondenhersteller)

Messung der Reststrahlung an Kalibriermodellen mit bekannten Dichtewerten d und variablem Bohrlochkaliber D ,

Zylindermodelle: Dimension = Simulation Vollraum (radiale Wirkungstiefe),

FDGS: Kalibrierung nur für LSD.

xI

0C x

xI I eµ−= ( )/C GGd Z Aµ ∼ ( ; )x GGI f d x=

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LSD

FilterkuchenRelief der Bohrlochwand

Quelle

HRD

D

GR

Kollimatorgerichtetes Strahlen-bündel

Formation Density Gamma Sonde FDGS

Führungsrohr (Eisen)

Gamma-Tiefensonde S-24.2(Ingenieurgeophysik)

Quelle Cs-137A = 185 MBq

Detektor (Zählrohr)

Spacing L = 20cm

Impulszähler

Kalibriermodelld - bekannt

Wasser 1.11 Sand

1.65

Sand-stein2.05

Granit 2.60

Kalibrierungskurvefür zwei spacings L

L1

L2

L1

L2

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Kalibrierfunktion: Logarithmischer Zusammenhang

A, B – Koeffizienten,

Bestimmung von A, B durch Regressionsanalyse aus den Wertepaaren der Kalibriermodelle.

FDGS:

Kaliberkompensierte Dichte für den Long Spacing Detektor LSD:

d – Dichte in g/cm³, - Impulsrate in cps, D – Kaliber in inch.

( / 0.5)Z A→ =lnGG GGd d A I B= = ⋅ +

( ; )GG GGd I

ln (1.1 9.306 )GG GGd d j I j= = + −

2

1

0.001063 0.02753 2.511j

D D=

+ −

GGI

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2000 4000 6000 8000 10000 12000IGG in cpm

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

dG

G in

g/c

m3

Granodiorit: dGG = 2.70 g/cm3

Sandstein: 2.10Sand: 1.60Wasser: 1.11

Kalibrierungskurve: Gamma-Gamma-Tiefensonde S-24.2 28 mm-Gestänge, August 2001, dt = 1 min

Wasserpunkt 08.2001: 11025 cpm,Überprüfung I0(t)

Vierpunkt-Kalibrierung

Lockergestein

Festgestein

dGG = -1.40 ln(IGG) + 14.1n = 4R2 = 0.999dGG in g/cm3, IGG in cpm

LG - Lockergestein, A - Auffüllung; Gnw - Gneis, verwittert, Gn frisch: d = 2.7 g/cm3

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4wV

-3.4

-3.2

-3

-2.8

-2.6

-2.4

-2.2

-2

-1.8

-1.6

-1.4

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

z in

m

1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2dGG in g/cm3

Praktikumsbohrungdiskrete Messung: dt = 1min, dz = 0.2 m

wV LG

A

Gnw

dGG

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1.2 1.6 2

d (g/cm³)

Wasserseite

Dammfuß

90

90.5

91

91.5

92

92.5

93

93.5

94

94.5

95

95.5

96

96.5

97

0 0.2 0.4

WV

Hochwasserdamm bei Speyer / Rhein

d = (1- Φ ) dF + wV dW

dTr = (1- Φ ) dF

dTr Sondierungs-gestänge

GW-Spiegel

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48

46

44

42

40

38

36

34

32

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

z in

m

2.5 3.5 4.5 5.5

Cal (inch)

48

46

44

42

40

38

36

34

32

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

0 800 1600 2400

N (cps)

HRDLSD

MCAL

Bohrung FREIBERG 3Sonde: FDGS

3ACS

VR

Gnstkl

Gnswkl

KL

LithologieDichte

48

46

44

42

40

38

36

34

32

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

2.45 2.55 2.65

Dichte (g/cm³)

48

46

44

42

40

38

36

34

32

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

0 4 8 12 16

KL (%)

dF = 2.7 g/cm³

KL-SHNO

KL-Dichte

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Radiale Eindringtiefe ist abhängig:

Spacing L, Strahlungsenergie der Quelle (Cs-137, Co-60), Formationsdichte d, Detektoreigenschaften.

Eindringtiefe = Materialdicke, die 90% der Impulsrate des unendlich ausgedehnten Absorbers erzeugt.

Orientierungswerte

Quelle d in g/cm³ Eindringtiefe in cm

Cs-137 2.6 (FG) 5

Cs-137 1.8 (LG) 6

Co-60 12

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Korrekturen

Absorptionskorrektur: Spülungs- und Kalibereinfluss, Eingangsgrößen: Dichte des Bohrlochinhaltes, Kaliber.

Ausbaukorrektur: Eingangsgrößen: Dichte und Abmessungen des Ausbaus,

(Verrohrung, Zementation).

Z/A – Korrektur (Lithologiekorrektur) Formationen, wo Z/A = 0.5 nicht gilt: Gips, Steinsalz, stark wasserführende Gesteine.

GGd d≠ →0.5

( / )GG

eff

d dZ A

=

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Anwendungen

Bestimmung der Formationsdichte und Ableitung der Porosität/Klüftigkeit,

Lithologische Profilgliederung v. a. in porenfreien (dichten) Gesteinen mit deutlichen Dichteunterschieden (Salinar),

Tiefenlage und Mächtigkeit von Kohleflözen und Aschegehaltsbestimmung.

Gestein d (g/cm³)Dolomit 1.9 … 3.0

Kalkstein 1.8 … 2.9

Sandstein 1.7 … 2.8

Geschiebemergel 2.0 … 2.3

Ton 1.2 … 2.3

Sand/Kies 1.6 … 2.3

Braunkohle 1.0 … 1.25

Steinkohle 1.35 … 1.65

Torf 1.05

Mittlere Dichtewerte von Sedimentiten, Sedimenten

EinflussΦ −

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Porositätsbestimmung mit der Dichtemittelgleichung (Mehrphasensystem)

Dichte Festsubstanz, Matrixdichte:

Wassergesättigtes, tonfreies Gestein:

Teilgesättigtes, tonfreies Gestein:

Teilgesättigtes (kohlenwasserstoffführendes), tonfreies Gesteine:

Gesättigte, tonige Gesteine:

1

ni

F ii

Vd d

V=∑=

1WS = 0TV =

(1 ) F Wd d d= − Φ + Φ → F

F W

d d

d d

−Φ =

1WS < 0TV =(1 ) F W Wd d S d= − Φ + Φ → F

F W W

d d

d S d

−Φ =

1W KWS S= − 0TV =(1 )KW F W KW KWd V d d S d= − Φ − + Φ +

( )(1 ) F KWF

WF W F W

d dd dS

d d d d

−−Φ = − −

− −

1WS = 0TV >(1 )T F W T Td V d d V d= − Φ − + Φ +

( )F T F Tto

F W F W

d d V d d

d d d d

− −Φ = −

− −

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- totale Porosität, - tonkorrigierte Porosität,

- gemessene Dichte,

- Dichte der tonfreien Festsubstanz,

- Dichte der Kohlenwasserstoffe (Öl, Gas),

- Dichte des Porenwassers, - Dichte des Tones,

- Tongehalt,

- Wassersättigung des Porenraumes,

- Kohlenwasserstoffsättigung des Porenraumes

d

Φ

toΦ

Fd

KWd

Td

TV

WS

KWS

Wd

F

P

1 - Φ = VF / VdF

dW Φ = VP / V

Plattenmodell nach WYLLIEMehrphasensystem Gestein

d V

F 1 - Φ = VF / VdF

dW

Φ = VP / V

d V

WKW

PdKW

SW = VW / VP

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Gamma-Gamma-Messung auf der Basis des Photoeffektes

Quelle: Niederenergetische Gammastrahlungquelle (Am - 241) mit = 0.04 ... 0.12 MeV,

Geringe Eindringtiefe (mm – cm).

Energieabsorption der Gammastrahlung durch Photoeffekt:

Absorptionskoeffizient für den Photoeffekt wird von der Kernladungszahl des Mediums bestimmt.

0P x

xI I eµ−=

4.6P Zµ ∼

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Beschreibung der element- bzw. gesteinsspezifischen Eigenschaften durch Wirkungsquerschnitte:

Photoabsorptions-Index (Mikroskopischer Wirkungsquerschnitt)

in barn/electron: 1 barn =

3.6

10e

ZP

=

28 210 m−

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MineralPoreninhalt

(barn/electron)

Quarz 11.8 1.81

Calzit 15.7 5.08

Dolomit 13.7 3.14

Anhydrit 15.6 5.05

Gips 16.4 3.42

Halit 14.0 4.65

Montmorillonit 12.2 2.04

Illit 14.2 3.55

Kaolinit 11.9 1.84

Barit 47.0 267

Wasser 7.5 0.35

Salzwasser120000 ppm

9.4 0.81

Öl 5.5 0.12

effZ eP

e-

elastischerStoßprozess

Photoeffekt

E0 < 0.1 MeVGammaquant γ0

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Messergebnis

Impulsrate der Gamma-Reststrahlung ,

Abhängig von der mittleren Kernladungszahl des Gesteins,

Unterscheidung von Gesteinen nach ihrem Elementbestand,

Kombination mit Gamma-Gamma-Dichtemessung: Litho – Density – Log.

effZ

xI

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Quelle, Am-241

Hüllenelektronene-

Atomkern

PhotoeffektIx = f (e- ; Zeff ; Pe)

Atomhülle

Detektor Pe : großIx : klein

Pe : kleinIx : groß

11 12 13 14 15

Mittlere Kernladungszahl Z

Sandstein Dolomit Kalkstein

0% Φ = 40%

Reststrahlung Ix

I0 I0

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Röntgenfluoreszenzanalyse

Bestrahlung von Materie mit niederenergetischer Gammastrahlung (z.B. Samarium, 0.038 MeV),

Bei „schweren Elementen“ ( ): Emission einer elementspezifischen Röntgenstrahlung („weiche“ Gammastrahlung mit einigen 0.01 MeV),

Extrem geringe Reichweite im - Bereich,

Element- und Gehaltsbestimmung: Ni, Cu, Zn, As, Sr, Zr, Nb, Ag, Sn, Sb, Ba, W, Hg, Pb, Bi,

Einsatz: Trockene Bohrungen mit glatter Wand.

26Z >

µm....mm

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