放射性地球物理伽瑪能譜測(cè)量

放射性地球物理

概述定義：采用攜帶式γ能譜儀，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)測(cè)量巖石中鈾、釷、鉀含量來(lái)勘查礦產(chǎn)和解決地質(zhì)問(wèn)題的方法稱(chēng)為“γ射線能譜測(cè)量”，簡(jiǎn)稱(chēng)為“γ能譜測(cè)量”。

第5章伽瑪能譜測(cè)量－應(yīng)用核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院－與自然γ總量測(cè)量方法不同，γ能譜方法測(cè)量記錄的是鈾、釷、鉀特征譜段的γ射線，因此可區(qū)分鈾、釷、鉀，故能解決較多的地質(zhì)問(wèn)題。γ能譜測(cè)量是最為成熟的天然核方法之一，目前，除在地面應(yīng)用以外，γ能譜測(cè)量技術(shù)尚被應(yīng)用于航空測(cè)量、井下測(cè)量，形成了航空γ能譜測(cè)量技術(shù)、γ能譜測(cè)井技術(shù)。鈾系、釷系和鉀所釋放的γ射線的能量具有顯著差別。巖石上實(shí)測(cè)鈾系、釷系和鉀的γ射線能譜圖鈾系釋放的1.76MeV的γ射線、釷系釋放的2.62MeV的γ射線、鉀釋放的1.46MeV

的γ射線對(duì)鈾、釷、鉀來(lái)說(shuō)是特征的，即這三種特征能量的γ射線可以作為分別識(shí)別和測(cè)定鈾、釷、鉀的標(biāo)志。一、γ能譜測(cè)量原理對(duì)于同時(shí)含有鈾、釷、鉀的巖石，采用能譜儀，設(shè)置測(cè)定1.76、2.62、1.46MeV的三個(gè)能窗進(jìn)行測(cè)量，各能窗測(cè)量的計(jì)數(shù)可以表征為：式中：ai、bi、ci（i＝1，2，3）稱(chēng)為換算系數(shù)，分別表示單位含量的平衡鈾、平衡釷、鉀在不同測(cè)量窗內(nèi)產(chǎn)生的計(jì)數(shù)率（單位分別為cpm／10-6U、cpm／10-6Th和cpm／％K），可以通過(guò)在鈾、釷、鉀三種標(biāo)準(zhǔn)模型上刻度時(shí)獲得的9個(gè)方程來(lái)確定。測(cè)量鈾、釷、鉀1.76、2.62、1.46MeV的三個(gè)能窗一般設(shè)置為：1.66～1.87MeV；2.41～2.81MeV；1.37～1.57MeV一、鈾、釷、鉀含量及其比值的計(jì)算

當(dāng)不研究鉀含量的變化時(shí)，可用簡(jiǎn)便的兩道地面γ能譜儀，選擇兩個(gè)合適的γ譜段，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，就可列出如下方程組

1、巖石和土壤中鈾、釷含量的測(cè)定

：譜儀1道（鈾道）和2道（釷道）的計(jì)數(shù)率

：換算系數(shù)，分別表示在射線飽和條件下，單位含量的平衡鈾、釷在1道和2道的計(jì)數(shù)率。式中通常分別稱(chēng)為1道和2道釷的鈾當(dāng)量，比值稱(chēng)為鈾釷的能譜區(qū)分系數(shù)。C值越大，方程組的解越穩(wěn)定。一、鈾、釷、鉀含量及其比值的計(jì)算

采用三道或四道地面γ能譜儀，選擇三個(gè)合適的γ譜段，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，就可列出如下方程組

2、巖石和土壤中鈾、釷、鉀含量的測(cè)定

第5章伽瑪能譜測(cè)量Ni各道凈計(jì)數(shù)一、鈾、釷、鉀含量及其比值的計(jì)算

如果將譜段選擇得使鐳、鉀的射線不會(huì)進(jìn)入釷道，鉀不進(jìn)入鐳道，此時(shí)，簡(jiǎn)化為2、巖石和土壤中鈾、釷、鉀含量的測(cè)定

一、鈾、釷、鉀含量及其比值的計(jì)算

如果考慮到計(jì)數(shù)率太低會(huì)影響精度，則釷道道寬不宜太窄，此時(shí)進(jìn)入釷道的鐳組射線，就不能忽略不計(jì)，即a2≠0，在此情況下2、巖石和土壤中鈾、釷、鉀含量的測(cè)定

一、鈾、釷、鉀含量及其比值的計(jì)算

鐳道一般選1.76MeV為其中間位置。對(duì)于釷系元素，其主要全能峰為2.62MeV,選此峰為其中間位置作為釷道。鉀道一般都選為1.46MeV全能峰為其中間位置。

3、鈾、釷、鉀測(cè)量道的選擇

道寬的大小，應(yīng)選擇適當(dāng)，既要考慮上述原則，又應(yīng)使被測(cè)全能峰整個(gè)包括在內(nèi)，而相鄰峰又被排除在外為原則。一般應(yīng)使道寬略大于所選全能峰的能量與探測(cè)器能量分辨率的乘積（取該乘積的整數(shù)）。一、鈾、釷、鉀含量及其比值的計(jì)算

能譜儀器測(cè)量道寬選擇示例：兩臺(tái)能譜儀器，其對(duì)137Cs的能量分辨率分別是15％和10％，其對(duì)測(cè)量道寬選擇結(jié)果如下。3、鈾、釷、鉀測(cè)量道的選擇

分辨率（％）鉀道寬度MeV鈾道寬度MeV釷道寬度MeV計(jì)算建議計(jì)算建議計(jì)算建議150.220.250.2650.300.390.40100.1460.200.1760.200.2620.30鈾、釷、鉀測(cè)量道的選擇

國(guó)外著名測(cè)井公司伽瑪能譜能窗選擇方案單位KUTh阿特拉斯1.37-1.551.56-1.952.4-2.85斯侖貝謝1.1-1.61.6-2.02.0-3.0美能源部1.32-1.5751.65-2.392.475-2.765二、換算系數(shù)的測(cè)定換算系數(shù)是能譜儀器可以準(zhǔn)確確定鈾，釷，鉀含量的基礎(chǔ)。系數(shù)是否準(zhǔn)確，直接影響能譜測(cè)量的質(zhì)量，當(dāng)系數(shù)不準(zhǔn)確時(shí)，會(huì)使鈾，釷，鉀含量的計(jì)算發(fā)生系統(tǒng)誤差。

概述換算系數(shù)是在已知準(zhǔn)確含量的鈾、釷、鉀便準(zhǔn)模型上確定的。目前確定系數(shù)的方法有：室內(nèi)模型法、野外逆推法。二、換算系數(shù)的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)模型：為了把儀器測(cè)量結(jié)果直接表示成含量單位（％，g/t等），以及測(cè)定γ能譜儀的換算系數(shù)，需要制備γ射線達(dá)到飽和厚度的標(biāo)準(zhǔn)源。這類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)源具有一定的體積，習(xí)慣上稱(chēng)其為標(biāo)準(zhǔn)模型。

1、標(biāo)準(zhǔn)模型簡(jiǎn)介（1）密封模型結(jié)構(gòu)：用鐵皮制成圓柱形或方形密封箱子，其內(nèi)裝入含量已經(jīng)準(zhǔn)確確定的鈾（或釷、或鉀）礦粉。水泥將礦粉固結(jié)成塊，表面用環(huán)氧樹(shù)脂層密封。模型可由一大塊構(gòu)成，也可由多個(gè)小塊堆積構(gòu)成（積木式模型）。

二、換算系數(shù)的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)模型種類(lèi)：一般有平衡鈾模型、平衡釷模型、鈾－釷混合模型、鉀模型、零值模型五種。

1、標(biāo)準(zhǔn)模型簡(jiǎn)介（2）各種模型簡(jiǎn)介：平衡鈾模型：由達(dá)到放射性平衡的純鈾礦石制成，不含釷（要求Th/U＜1/25～1/30)。釷模型：純釷礦石制成，不含鈾（Th/U＞50）。鈾－釷混合模型：鈾、釷礦石混合加工制成。鉀模型：一般用鉀鹽制成。零值模型：放射性含量極低的石英砂制成。用于測(cè)定儀器底數(shù)。二、換算系數(shù)的測(cè)定采用飽和模型測(cè)定γ能譜儀的換算系數(shù)時(shí)，模型必須滿(mǎn)足γ射線飽和條件。2、飽和模型的一般要求模型厚度要求：l－模型厚度；ρ－模型中礦粉的裝填密度。一般要求礦粉裝填密度大于2g/cm3。為獲較大裝填密度，礦粉粒度應(yīng)控制在1～5mm內(nèi)。模型半徑：要求達(dá)到橫向飽和。當(dāng)探測(cè)器較小時(shí)，若探測(cè)器離礦粉表面的距離小于4cm，則模型半徑應(yīng)為80cm。二、換算系數(shù)的測(cè)定γ能譜儀的標(biāo)定，實(shí)質(zhì)上是確定道靈敏度（ai、bi、ci）和換算系數(shù)（Ai、Bi、Ci）以及康普頓散射修正系數(shù)。以常用的四道譜儀綜合剝譜法為例，其標(biāo)定過(guò)程可以歸結(jié)為求解如下兩個(gè)方程組：3、基準(zhǔn)（飽和）模型上換算系數(shù)的測(cè)定二、換算系數(shù)的測(cè)定4、小模型法(1)特點(diǎn)：制作容易，便于搬運(yùn)，有利于在野外測(cè)定和經(jīng)常檢查換算系數(shù)。使用方法：使用時(shí)必須事先求出小模型單位鈾、釷含量在譜儀鈾、釷道產(chǎn)生的射線照射量率，占飽和模型射線照射量率的比值。此比值通常稱(chēng)為飽和度。小模型法：用不飽和的小模型代替飽和模型來(lái)測(cè)定換算系數(shù)的方法。

二、換算系數(shù)的測(cè)定4、小模型法(2)測(cè)定飽和度時(shí)，γ能譜儀所采用的譜段即能量閾與道寬，應(yīng)和野外實(shí)際工作時(shí)相同探測(cè)器離小模型頂面的相對(duì)位置，必須嚴(yán)格控制小模型法：通常采用圓柱型小模型，直徑30～40cm，高15～20cm左右。這時(shí)飽和度為0.3～0.4左右。必須指出，飽和度不僅和模型大小有關(guān)，當(dāng)小模型規(guī)格一定時(shí)，飽和度還和測(cè)量射線能量以及探測(cè)器離小模型的距離等因素有關(guān)。因此在測(cè)定飽和度時(shí)必須注意：三、鈾、釷含量漲落誤差的估計(jì)設(shè)：觀測(cè)點(diǎn)上，巖石射線照射量率在能譜儀第i道上的計(jì)數(shù)為Ni，則1、計(jì)數(shù)率的誤差計(jì)數(shù)率的均方差（標(biāo)準(zhǔn)差）為：

計(jì)數(shù)率的均方差（標(biāo)準(zhǔn)差）為：

在地面γ能譜測(cè)量中，底數(shù)Nb一般要求作高精度測(cè)定，測(cè)量時(shí)間很長(zhǎng)，即tb很大，所以Nb/tb很小，可忽略，故

因?yàn)镹b已知，所以在對(duì)計(jì)數(shù)率的測(cè)量精度要求確定后，即一定時(shí)，就可按上式中計(jì)算，求出測(cè)定Ni所需時(shí)間。反之，對(duì)某一固定的測(cè)量時(shí)間，可以求出γ能譜儀在各道能準(zhǔn)確測(cè)定的最小計(jì)數(shù)率。4-39三、鈾、釷含量漲落誤差的估計(jì)在已知計(jì)數(shù)率均方差后，就可求出鈾、釷含量的均方差。

2、鈾、釷含量的誤差例如,由于底數(shù)較小，其影響可以忽略時(shí)，則能譜儀1道和2道計(jì)數(shù)率N1、N2的均方差分別為：鈾釷含量的相對(duì)均方差為：

式中，M－為釷鈾的比值，M=t－觀測(cè)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間討論：（1）均方差與換算系數(shù)的關(guān)系系數(shù)的差值越大，測(cè)定鈾、釷的均方差值越小。因?yàn)棣媚茏V儀的鈾釷區(qū)分系數(shù)為：可見(jiàn)區(qū)分系數(shù)越大，和的差值也越大。所以要求區(qū)分系數(shù)大。討論：（2）均方差與鈾釷含量及其比值的關(guān)系

1）鈾和釷的含量越高，測(cè)定鈾釷的均方差越小；2）在鈾含量一定時(shí)，釷含量越大，即釷鈾比值M越大。測(cè)定鈾的均方差也越大；在釷含量一定時(shí)，鈾含量越大，即釷鈾比值越小，測(cè)定釷的均方差越大。3）均方差與測(cè)量時(shí)間的關(guān)系：在換算系數(shù)與鈾釷含量及其比值一定時(shí)，鈾釷含量的均方差，隨測(cè)量時(shí)間的增加而減小。在鈾釷含量的測(cè)量精度確定后，即在一定時(shí)，就可以在一定的鈾釷含量及其比值范圍內(nèi)，按4-39式計(jì)算，求出測(cè)量時(shí)間。

第5章伽瑪能譜測(cè)量四、地面伽瑪能譜測(cè)量野外工作方法1、野外伽瑪能譜儀簡(jiǎn)介以FD－3022為例

主放大器

多道分析器

微處理機(jī)系統(tǒng)

液晶顯示器主機(jī)探測(cè)器前置放大器探頭穩(wěn)譜控制高壓低壓FD－3022γ能譜儀原理框圖γ能譜儀器刻度基本方法數(shù)學(xué)原理：9個(gè)未知數(shù)至少需要9個(gè)方程才可以確定。在已鈾含量為主的鈾標(biāo)準(zhǔn)模型、以釷為主的釷模型、以鉀為主的鉀模型上，分別測(cè)量鈾道、釷道、鉀道的計(jì)數(shù)，即可獲得確定前述方程系數(shù)的9個(gè)方程。（1）體積小、重量輕、便于攜帶。（2）具有兩個(gè)以上的測(cè)量道。（3）漂移小。（4）線性好。（5）能量分辨率高。（6）晶體大，靈敏度高。2、對(duì)野外能譜儀的基本要求四、地面伽瑪能譜測(cè)量野外工作方法3、工作方法簡(jiǎn)述四、地面伽瑪能譜測(cè)量野外工作方法在投入生產(chǎn)之前，對(duì)能譜儀必須進(jìn)行性能檢查；選擇測(cè)量譜段（亦有些儀器是固定的譜段無(wú)需選擇）；測(cè)定換算系數(shù)（或稱(chēng)能譜儀的標(biāo)定）等工作。普查階段：采用比例尺為1：10000和1：25000，線距100m和250m，點(diǎn)距10~20m和~50m。詳查階段，比例尺為1：1000到1：5000，線距10和50m，點(diǎn)距1~2m和5~10m。測(cè)線垂直地層和構(gòu)造的主要走向。在每一測(cè)點(diǎn)上。能譜儀作定時(shí)計(jì)數(shù)，測(cè)定鈾、釷、鉀道的計(jì)數(shù)率。根據(jù)野外測(cè)量結(jié)果，在室內(nèi)計(jì)算鈾、釷、鉀含量及釷鈾、釷鉀、鈾鉀的比值。繪制的主要圖件有：釷、釷、鉀含量等值圖，比值（）等值圖。1、巖石的射氣作用五、地面伽瑪能譜測(cè)量中，某些

干擾因素的考慮由于射氣作用的結(jié)果，部分氡從巖石中逸出，使鈾系產(chǎn)生的γ射線照射量率下降。射氣作用對(duì)γ射線照射量率的影響，可用下式表示：

式中，K和λ—射氣的擴(kuò)散系數(shù)和衰變常數(shù)。η，p和μ—巖石的射氣系數(shù)，孔隙度和衰減系數(shù)。

I和I∞—巖石有射氣作用和無(wú)射氣作用η=0時(shí)的射線照射量率。

前述公式表明，有射氣作用時(shí)，巖石射線照射量率不僅和射氣系數(shù)有關(guān)，而且和擴(kuò)散系數(shù)，孔隙度等因素有關(guān)。

通常，令

稱(chēng)為有效射氣系數(shù)，可以實(shí)際測(cè)定。

各類(lèi)巖石，射氣系數(shù)變化很大，通常致密巖石的射氣系數(shù)較小，一般只有百分之幾。而疏松巖石和浮土的射氣系數(shù)比較大，為20~40%左右。因此不考慮射氣作用，有時(shí)會(huì)使鈾（鐳）含量的測(cè)定產(chǎn)生一定誤差。（誤差可達(dá)20~30%，甚至可能更大）。

通常在測(cè)定換算系數(shù)時(shí)，敞開(kāi)模型的有效射氣系數(shù)（或用野外逆法測(cè)定換算系數(shù)時(shí)，天然地質(zhì)體的有效射氣系數(shù)）和測(cè)區(qū)內(nèi)巖石的有效射氣系數(shù)相似時(shí)，可以消除部分巖石射氣作用產(chǎn)生的誤差有時(shí)為消除這種誤差，對(duì)測(cè)得的Ra含量作必要的射氣系數(shù)（通常指有效射氣系數(shù)）校正。

通常，令

必須指出，有效射氣系數(shù)不僅和巖石類(lèi)型、成分、結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且和溫度、溫度、氣壓、風(fēng)速等因素有關(guān)。例如：溫度上升，巖石射氣系數(shù)增加。風(fēng)速增加，土壤表層氡濃度減小，致使有并行射氣系數(shù)變大。

2、底數(shù)的變化（1）五、地面伽瑪能譜測(cè)量中，某些

干擾因素的考慮野外記錄的γ射線照射量率由巖石和土壤中的放射性物質(zhì)、宇宙射線、以及儀器探測(cè)器中的微量放射性物質(zhì)引起。后兩種原因引起的γ射線照射量率值之和稱(chēng)為自然底數(shù)，一般可以采用在寬闊的湖面上預(yù)先測(cè)定，并在資料整理時(shí)予以扣除。湖面測(cè)量計(jì)數(shù)為：宇宙射線、以及儀器探測(cè)器中的微量放射性物質(zhì)引起伽瑪輻射儀器進(jìn)入離岸邊較遠(yuǎn)處或湖心2、底數(shù)的變化（2）五、地面伽瑪能譜測(cè)量中，某些

干擾因素的考慮在某些地區(qū)，用能譜儀鐳道（1.76MeV±△E）測(cè)定底數(shù)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)底數(shù)隨時(shí)間、地點(diǎn)發(fā)生變化。底數(shù)的變化又可分為晝夜變化，季節(jié)性變化和降雨引起的變化等。（1）晝夜變化晝夜變化和地區(qū)地理位置及早晚氣象條件的改變等因素有關(guān)。例如在俄塔什干地區(qū)，風(fēng)速小，觀測(cè)結(jié)果，在早晨6～9點(diǎn)底數(shù)最大，以后連續(xù)下降，到18～20點(diǎn)時(shí)達(dá)到常數(shù)值。在有些地區(qū)，最大值出現(xiàn)在早晨5～6點(diǎn)，以后底數(shù)迅速下降，到8～10點(diǎn)時(shí)，達(dá)到常數(shù)值。這種影響，在測(cè)定鐳的克拉克含量時(shí)，可產(chǎn)生8%左右的相對(duì)誤差。2、底數(shù)的變化（3）（2）季節(jié)性變化在一年當(dāng)中，由春季到秋季、冬季，可觀測(cè)到底數(shù)變化在有規(guī)律的增加現(xiàn)象。如果在野外工作的前后兩交所測(cè)定底數(shù)，取平均值計(jì)算，則季節(jié)性底數(shù)變化的影響減小，在測(cè)定Ra的克拉克含量時(shí)，相對(duì)誤差不超過(guò)5%。（3）降雨引起的變化有時(shí)在某些地區(qū)，降雨后可以觀測(cè)到Ra道底數(shù)大增加。這種現(xiàn)象稱(chēng)為“降雨干擾”。這種干擾甚至可以產(chǎn)生170%的相對(duì)誤差。以上底數(shù)的變化都是由于地表大氣中氡及其衰變產(chǎn)物的濃度變化引起的。例如，降雨時(shí)，大氣中氡及其衰變產(chǎn)物被水滴俘獲，而降落到地上，使地表大氣中氡及其衰變產(chǎn)物濃度發(fā)生變化。3、濕度對(duì)重量濃度的影響五、地面伽瑪能譜測(cè)量中，某些

干擾因素的考慮測(cè)區(qū)中土壤和巖石的濕度ω和測(cè)定換算系數(shù)時(shí)的模型或天然地質(zhì)體的濕度ω0不同時(shí)，測(cè)定放射性元素重量濃度的誤差可用下式表示：

通常巖石和土壤的濕度在0~0.25范圍內(nèi)變化。若模型的濕度為0.12，測(cè)定Ra、Th、K含量的相對(duì)誤差約為12%。

4、其它干擾因素五、地面伽瑪能譜測(cè)量中，某些

干擾因素的考慮由于核試驗(yàn)，已經(jīng)產(chǎn)生了幾百種放射性核素。其中多數(shù)產(chǎn)量很少，且在很短時(shí)間內(nèi)已全部衰變，可能對(duì)人類(lèi)生活產(chǎn)生影響的只有7種。它們是：14C,137Cs,95Zr,90Sr,103Ru,144Ce和3H。可能對(duì)γ能譜測(cè)量造成干擾則是：95Zr（0.75MeV）、137Cs（0.661MeV）、103Ru（0.48MeV）。核試驗(yàn)產(chǎn)生的放射性核素只對(duì)低于1MeV伽瑪射線測(cè)量產(chǎn)生干擾。這種干擾稱(chēng)為放射性沉降物干擾?？辈榉派湫缘V產(chǎn)：鈾、釷礦，鉀鹽礦等；巖性分類(lèi)與地質(zhì)填圖勘查水資源工程地質(zhì)中確定裂隙、斷層尋找非放射性礦產(chǎn)放射性環(huán)境評(píng)價(jià)勘查油氣藏六、γ能譜測(cè)量的應(yīng)用1、主要應(yīng)用范圍原理不同類(lèi)型巖石中，放射性元素的平均含量是不同的；同類(lèi)巖石中，放射性元素的分布服從地球化學(xué)規(guī)律；隨時(shí)間推移，同類(lèi)巖石中年齡越老的，放射性越弱；沉積巖中，放射性元素主要富集在泥質(zhì)成分中，泥質(zhì)含量越高，放射性越強(qiáng)；γ能譜測(cè)量的應(yīng)用－巖石分類(lèi)與地質(zhì)填圖基本原則與放射性元素具有一定共生關(guān)系的礦產(chǎn)。共生關(guān)系類(lèi)型固定、經(jīng)常、偶然固定共生關(guān)系在成因上與堿性巖核碳酸鹽巖有關(guān)的稀有礦產(chǎn)和鈉長(zhǎng)石礦床，以及含獨(dú)居石和鋯石的鈦鐵礦。經(jīng)常共生關(guān)系常見(jiàn)沉積釩礦、鉬礦、磷礦、煤、可燃頁(yè)巖、含稀有金屬偉晶巖、古老的含金礫巖等。偶然共生關(guān)系銅、錫、多金屬礦，內(nèi)生的鉬、鎢礦等γ能譜測(cè)量的應(yīng)用－勘查非放射性礦產(chǎn)γ能譜測(cè)量應(yīng)用實(shí)例－勘查金礦山東某地γ測(cè)量找金礦成果圖上圖是應(yīng)用γ能譜測(cè)量尋找含金構(gòu)造帶的實(shí)例。在含金礦脈附近，γ總量曲線和K含量曲線出現(xiàn)低值，U、Th含量曲線出現(xiàn)高值，