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
0γ
xγ
γ
0 xγ γ→
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−=
0γ
xγ
iµ
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
Eγ
6027Co
13755Cs
24195Am
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
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−
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:
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≠
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
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 =
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.
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=
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
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
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
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
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
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
Eγ
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
=
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 −
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 = −
− −
- 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
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 ∼
Pµ
Eγ
Beschreibung der element- bzw. gesteinsspezifischen Eigenschaften durch Wirkungsquerschnitte:
Photoabsorptions-Index (Mikroskopischer Wirkungsquerschnitt)
in barn/electron: 1 barn =
3.6
10e
ZP
=
28 210 m−
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
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
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
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