能譜測旋法測定土壤越野試驗

能譜測旋法測定土壤越野試驗

巖石被劃分為巖石后，土壤在氣候、地形和生物影響下發(fā)育而成。它由礦物、土壤溶液和土壤氣體組成。土壤氡(222Rn)是從固態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中釋放出來的,是土壤氣體中的一種。由于地殼中含有放射性元素的巖石總是不斷地向四周擴散氡氣,使空氣、地下水中含有不同濃度的氡氣。土壤氡作為一種地下信息指示性示蹤劑,在尋找隱伏鈾礦、圈定油氣藏邊界和解決水文、工程地質(zhì)中斷裂帶的分布問題以及預報地震災害等方面取得了顯著效果。氡氣在擴散作用、對流作用、抽吸作用、地下水攜帶作用、伴生氣體的氣壓作用以及團簇作用等影響下,能從地下深部遷移到地表。土壤氡濃度的年變化規(guī)律和日節(jié)性變化規(guī)律已被廣泛研究,土壤氡濃度呈現(xiàn)冬天低、夏天高的規(guī)律,但日變化的規(guī)律并不明顯,這可能是由于當時的測量儀器較難實現(xiàn)對土壤氡的實時連續(xù)測量,儀器容易受人工操作、釷射氣(220Rn)等影響。在野外長時間的土壤氡濃度測量中,測量數(shù)據(jù)不僅受地質(zhì)條件的影響,也受年變化和日變化的影響。為此,本實驗利用壤氡擴散靜電累積原理的α能譜測氡儀對土壤氡進行連續(xù)測量,并對土壤氡濃度的日變化規(guī)律及其影響因素進行了進一步研究和探索。1實驗設備和方法1.1溫度和濕度測量實驗使用成都理工大學研發(fā)的α能譜測氡儀。儀器選用ue06420mm的金硅面壘型半導體探測器,以單片機C8051F340為數(shù)據(jù)采集器的微處理器,利用多道脈沖幅度分析器形成能譜圖。儀器由單節(jié)鋰電池進行供電,并配有太陽能板充電以實現(xiàn)對土壤的的連續(xù)實時測量。儀器的溫濕度傳感器可以同時測量土壤中的溫濕度,儀器已通過標準氡室的溫濕度修正。α能譜測氡儀通過測量218Po的α射線完成對222Rn的測量。儀器的顯示數(shù)據(jù)由α能譜圖、218Po計數(shù)、214Po計數(shù)、總計數(shù)和溫度濕度構成。儀器利用土壤中氡氣靜態(tài)擴散的原理,氡氣擴散到收集腔內(nèi)部,有利減弱土壤中氡氣場擾動及不均勻性影響;采用帶電累積的方式,提高探測器的探測效率,增加測量信息量,降低統(tǒng)計漲落的影響;使用α能譜測量,能區(qū)分不同α輻射體的能譜特性,有利于區(qū)分土壤中220Rn子體的影響,同時也減少各種子體對探測器污染的恢復時間。1.2利用小型銑巖機銑取深度為40cm的測量坑實驗選用成都理工大學地學核技術重點實驗室作為實驗場地。實驗地點選在較為空曠的草坪,利用小型鑿巖機鑿取直徑為25cm,深度為40cm的測量坑,同時放入2個探測器,編號為1號和2號,并將測量坑埋好。兩個探頭通過了標準氡室的一致性刻度,一致性刻度系數(shù)分別為1.0782和1.0566,其測量一致性良好。2氡與子體的測量結果在埋置探測器時,土壤氡聚集環(huán)境被臨時破壞,恢復穩(wěn)定的氡氣場需要一定的時間,靜置24h后開始測量。由于222Rn半衰期遠大于218Po半衰期,可以認為在一個恒定的氡場中,經(jīng)過30min(218Po的半衰期的10倍)氡與其子體218Po已經(jīng)達到理論平衡。實驗選取測量時間為1次/h。實驗在成都一共測量了1206組數(shù)據(jù),部分數(shù)據(jù)如圖1所示。對比圖1中的實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):探測器1和探測器2運行穩(wěn)定,測量結果變化規(guī)律一致。對于同一測量地點,其土壤結構、成分和化學性質(zhì)等在短期內(nèi)是固定不變的。從圖1可發(fā)現(xiàn):218Po計數(shù)并不是服從簡單的統(tǒng)計漲落分布,其計數(shù)有較明顯的日變化。在圖1中,3月31日后,土壤氡濃度的日變化規(guī)律并不明顯。這主要是由于地震的影響,在4月1~20日一共出現(xiàn)了5次地震(震級≥3.0級,震中距≤150km),地震引起的土壤氡濃度異常導致日變化規(guī)律不明顯。3影響因素的因素土壤氡濃度日變化不是由單一的因素引起的,對其分析必須結合多方面的因素。由于土壤中的鐳含量、含水飽和度、孔隙度和粒徑分布等無法實現(xiàn)連續(xù)測量,筆者僅從土壤溫度、土壤濕度、空氣溫度等方面分析其對土壤氡濃度日變化規(guī)律的影響。3.1土壤氡含量的日變化土壤溫度隨著地表附近氣溫的變化而呈現(xiàn)晝夜變化。土壤表面在日間因吸收太陽輻射而增熱,夜間因輻射而冷卻。土壤表面的最高溫度出現(xiàn)在13時左右,最低溫度出現(xiàn)在接近日出的時候。這種變化會向下傳到較深的土層,引起不同深度的土壤溫度的日變。由于土壤的導熱性不好,土壤最高溫度和最低溫度的出現(xiàn)時間隨著深度的增加而逐漸向后延遲;最高、最低溫度出現(xiàn)的時間,隨土壤深度每增加約10cm,延后2.5~3.5h。實驗中測氡儀距地面約40cm,通過以上規(guī)律可得出:每天最高溫度約為23時左右,最低溫度為14時左右。實驗數(shù)據(jù)顯示每天最高溫度為21~23時,最低溫度為12~15時,符合理論分析。圖2中,土壤氡濃度的日變化為單峰型。土壤氡濃度在一天之中有較大的起伏,其變化規(guī)律與土壤溫度大致相同。為求得二者的定量關系,對數(shù)據(jù)進行回歸分析,結果見表1。表1分別選用了2個探測器的3組數(shù)據(jù)進行回歸分析,分析數(shù)據(jù)由24個逐漸增加到72個;假設機率的值小于0.05,說明假設土壤溫度與218Po計數(shù)相關成立;相關系數(shù)計算值大于相關系數(shù)檢驗值,說明土壤溫度與218Po計數(shù)相關性良好;回歸方程調(diào)整后的擬合系數(shù)較高,回歸系數(shù)和相關系數(shù)都大于0,土壤氡濃度與土壤溫度呈正相關關系。土壤溫度是通過對流作用影響土壤氡濃度的變化。土壤氡的遷移的作用中,對流作用僅是擴散作用的一種重要形式。對流作用是指:當存在著壓力差時,氡氣可以從壓力高的部位向壓力低的部位遷移。土壤溫度差會引起對流作用,促進了土壤中氡氣的運動,從而產(chǎn)生了19~23時土壤氡濃度的高峰值和11~14時的低峰值現(xiàn)象。3.2土壤溫度與土壤氡的關系土壤濕度的變化是由于降雨或降雪等引起的,土壤濕度呈現(xiàn)不規(guī)律的日變化。實驗期間成都降雨少,濕度未發(fā)生較大的變化。實驗組成員于5月15日至7月21日在內(nèi)蒙古烏蘭察布市進行了土壤氡連續(xù)測量實驗,結合兩次實驗數(shù)據(jù)一起分析。從圖3可發(fā)現(xiàn):土壤氡濃度的日變化為雙峰型。其第一個高峰值與土壤濕度最大值出現(xiàn)時間一致,第二個高峰值是由土壤溫度引起的。為發(fā)現(xiàn)土壤氡濃度與土壤濕度變化規(guī)律的聯(lián)系,對實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析(表2)。表2中,前兩組數(shù)據(jù)相關系數(shù)計算值小于相關系數(shù)檢驗值,說明土壤氡濃度與土壤濕度不相關。這是由于實驗期間成都最大降雨每24h不超過6mm,濕度未發(fā)生較大的突然變化。第三、四組數(shù)據(jù)中,土壤氡濃度與土壤濕度相關。這是因為內(nèi)蒙古烏蘭察布市在實驗期間經(jīng)常有雨,濕度發(fā)生了大幅度變化。濕度的大幅度變化導致了土壤物理性質(zhì)(含水飽和度、孔隙度等)的改變,從而使土壤氡濃度出現(xiàn)異常。降雨量的增加,地表土壤變得致密,從而阻止地層氣體向大氣逸出,使表層土壤下部所含氣體的濃度增高。所以在土壤濕度出現(xiàn)最大值時,土壤氡濃度出現(xiàn)了高峰值。但是,實驗還發(fā)現(xiàn):暴雨后土壤氡濃度驟降,這是地下水位升高、觀測孔內(nèi)積水導致的。在暴雨后的一段時間后,土壤氡濃度恢復至正常背景值。3.3回歸分析的結果一天內(nèi)的氣溫高低呈周期性變化,這種變化離地面越近越明顯。氣溫的日變化是由于下墊面的影響,大氣中的熱量累計相對于太陽輻射有一定的滯后性,氣溫的最高值一般出現(xiàn)在14時左右。在圖4中,土壤氡濃度的日變化也為雙峰型。對比發(fā)現(xiàn):第一個高峰值與空氣溫度最大值出現(xiàn)時間一致,第二個高峰值是由土壤溫度引起的。為求得二者的定量關系,對數(shù)據(jù)進行回歸分析(表3)。由表3可看出,土壤氡濃度變化與空氣溫度呈不規(guī)律的相關性。3月14日和3月20日的數(shù)據(jù)顯示:空氣溫度與土壤氡濃度相關,而3月17日的數(shù)據(jù)沒發(fā)現(xiàn)其相關性。對比實驗條件發(fā)現(xiàn):3月14有降雨(約4mm),3月16日、17日無降雨,3月20日和3月21日均有降雨(約5mm),其余均一樣。為此,得出結論:降雨后次日中午的空氣溫度升高引起了土壤氡濃度的高峰值?？諝鉁囟仁峭ㄟ^抽吸作用影響土壤氡濃度的變化。當空氣氣溫高于土壤溫度時,由于熱的作用,水蒸氣蒸發(fā),孔隙度增大,透氣性能加大,使地下的鈾礦體衰變出來的氡氣不斷地向上遷移,溫度差異越大,向上遷移也越多越快。由于降雨的影響,增強了次日中午空氣溫度抽吸作用的影響,使土壤氡濃度在14時左右出現(xiàn)高峰值。為了對溫度、濕度等對土壤氡濃度的影響進行量化,用公式對數(shù)據(jù)進行分析。在圖5中,氣象因素對土壤氡濃度的影響超過了1倍均方差,但未超過1.5倍均方差。研究表明:氣象因素對土壤氡濃度影響不超過1倍均方差,本實驗測量結果偏差較大,這是由于放射性自身的統(tǒng)計漲落和其他因素的影響(如:地震等)。4降雨和地震對土壤氡濃度的影響(1)土壤氡濃度日變化是由多種環(huán)境因素引起的。土壤氡濃度的日變化規(guī)律以單峰型為主,在降雨的作用下,土壤氡濃度會出現(xiàn)雙峰型日變化。(2)土壤氡濃度與土壤溫度呈正相關關系;較少的降雨對土壤氡的濃度幾乎無影響,土壤濕度的大幅度變化會導致土