海洋（水下）γ能谱测量

海洋拖曳式多道γ能谱仪~

海洋多道γ能谱仪主要用于海底矿产勘查和辐射环境污染监测，仪器由水下和船上两部分组成。图4-7-1所示，为中国地质大学（北京）研制的海洋拖曳γ能谱仪结构原理图。船上与水下部分用长电缆连接，水下部分拖于海底，对海底岩石和土壤进行γ能谱测量。水下部分采用PVC软管套在外缘，使水下部分形成“雪橇”式装置，其目的是防止水下部分被障碍物卡住。连接电缆为铠装五芯电缆，能承受3吨拉力，船上的电缆刹车抗拉力为5000 kg，绞车分快慢两档，低速为3m/min，高速为40m/min。
仪器为1024道γ能谱仪。为提高探测灵敏度，使用体积较大的NaI（Tl）晶体，至少是φ70 mm×100 mm。本台仪器使用的是φ100 mm×110 mm，晶体直接与低钾含量的光电倍增管耦合，能量分辨率好于12%。线性放大器等都安装在水下部分，目的是使采集的信号用数字传输，经电缆到达船上进入微机进行数据存储处理，作图显示。

图4-7-1 海洋γ能谱仪结构示意图


图4-7-2 实测单点和累加40K谱线

水下部分要有一定重量防止在拖行过程中离开海底，为此设有监视系统。
稳谱是所有γ谱仪能够稳定工作的重要环节，本仪器采用软件“累计钾峰稳谱”技术。由于海洋底沉积物中钾含较低，一般在2%～2.5%之间，每1 min采样一次，测得40K的1460 keV能量谱如图4-7-2所示。峰值较低涨落较大（见B线），用以稳谱难以达到效果。为克服这一缺陷，将测线上连续测量的20个数累加，最后得到20个累加数据的γ谱线如图4-7-2所示（A线）。40K谱峰值有很大增长，可以得到好的稳谱效果，稳谱程序流程，如图4-7-3所示。

γ射线穿透能力强，用现代设备在150m高空还可清晰测量地面的放射性异常。因此，γ射线测量是寻找放射性矿产（铀、钍），以及与天然放射性元素铀、钍、钾有相关 关系的非放射性矿产的主要方法。此外，利用航空γ能谱测量寻找油气藏等非放射性矿 产，以及岩性划分、确定地质构造等都取得了重大成效。
（一）地面γ测量
地面γ测量是利用记录γ射线强度的辐射仪，对近地表岩石或土壤的γ射线强度进行测量的一类野外测量方法。
地面γ测量具有方便、直观、效率高、成本低等优点，是寻找铀矿床的一种卓有成效的方法。但是，必须注意γ射线强度的大小并非在任何情况下都反映铀的富集程度。因为 铀系中的主要辐射体是属于镭组元素的，镭组放出的γ射线的强度约占整个铀系总强度的 98％，所以对γ异常起主要作用的是镭而不是铀。野外工作中，发现γ异常并不难，但要 确定含矿异常就必须对γ异常进行综合分析研究，才能作出正确的评价。
1.野外工作及测量仪器
在高山区或地形起伏激烈的丘陵地区，如果基岩出露良好并且机械晕发育，对γ测量最为有利。在较平坦的地区，只要基岩出露较好，或者机械晕或盐晕广泛发育，γ测量也 能取得好的地质效果。
地面γ测量一般可分为概查、普查和详查。比例尺与点、线距的对应关系见表5-4。
表5-4 地面γ测量的比例尺及点、线距


野外进行γ测量使用的仪器称为辐射仪。辐射仪由γ探测器和记录装置两个主要部分 组成。我国1998年生产的FD—3013型数字式γ辐射仪就是地质找矿中常用的仪器。
该仪器的探测灵敏度为5s-1（cps）/10-6eU（平衡铀含量），即岩石、土壤中每10-6eU 能产生每秒5个计数。仪器显示器上读出的是以10-6eU为单位的铀含量值。
显示器为四位液晶显示器。定时器给出选定的测量时间信号。报警器根据设定的计数 率信号以及计数溢出、电池电压不足等进行报警。仪器适应工作温度为：-10～＋50℃；耗电为150mW，用两节一号电池供电，可用40h。
国外使用的类似仪器也很多，如美国的GR—101A型γ辐射仪，仅有1.25kg，改进 后的GR-110为四位液晶显示器读数的数字γ辐射仪，探测器为13cm3的NaI（TI）晶体。
在野外进行γ测量工作之前，需要对辐射仪进行标定。例如作10-6标定时可在已知含量（10-6值）的平衡铀矿饱和模型上进行；作γ标定时一般借助1号和6号镭源进行。在工作期间还要定期检查辐射仪的稳定性、准确性及多台仪器对比的一致性。
用辐射仪在野外进行测量所记录的γ射线强度，实际上包括岩石和土壤中的放射性物 质引起的γ强度、宇宙射线的强度以及仪器本身所含的和所沾染的放射性物质引起的γ强 度。后二者之和称为自然底数，可以在工作地区采取一定的方法加以测定。整理野外资料 时必须从观测值中减去自然底数，然后才能作为绘制成果图件的依据。
2.成果图件及资源解释评价
γ测量的成果一般表示成实际资料图、γ强度等值图、γ强度剖面图以及相对γ等值 图和区域研究程度图等。这里仅解释一下相对γ等值图，其余图件与其他物探方法类似。
绘制相对γ等值图时，为排除岩性变化因素的干扰，可采用以均方差（σ）的倍数为 等值线间距的办法。这种图可有三个等级，即X＋σ，X＋2σ，X＋3σ，勾绘等值线时，不 看绝对γ强度值多少，而是将不同岩石的相同等级X＋σ（或X＋2σ，或X＋3σ）值连接 起来。等值线的值也以背景值X和均方差的倍数来标注。
对普查铀矿床所发现的γ异常进行评价，以确定其是否具有工业远景意义时，必须考 虑到放射性元素在自然界中的分布非常广泛而分散的特点，而且引起γ异常的因素比较 多，并且地面γ测量的探测深度不超过1～2m，一般只能圈定地表放射性元素增多地段，不能反映地下深部的情况。因此，必须到现场进行详细地调查研究，以确定异常的性质、 强度和分布范围，异常赋存的地质条件和控制因素，以及放射性平衡情况。必要时应作γ 详查，浮土覆盖地区可作射气测量或其他物化探方法，然后进行综合评价。
必须强调，评价γ异常时，特别要注意该地区铀、镭是否处于长期平衡状态。因为γ异常并不一定意味着铀的含量高。例如矿床出露地表或处于氧化带中而附近又有断裂迹 象，就很容易受淋滤风化作用以致铀被溶解运走，其结果是改变了铀、镭的相对数量，使 平衡偏向镭。这时γ异常主要是镭的反映，工业价值不大。若被运走的铀在适当的环境沉 积下来，形成次生铀矿，但沉积时间未达到铀、镭平衡所需的年代，则镭的数量积累不 够，平衡偏向于铀。此时γ异常较弱，但主要是铀的反映，具有较大的工业价值。所以在 野外工作中发现了γ异常，既不能仅仅根据γ异常的强度来估计矿床的远景，也不应随意 放弃弱异常，必须对异常进行综合研究。
3. 应用范围
地面γ测量是普查铀、钍矿床的有效方法，适用于各种地形、地貌和气候条件。在基 岩出露良好和覆盖层不厚的地区进行这项工作，效果更佳。
目前地面γ测量除了用于直接寻找铀、钍矿床和确定成矿远景区外，还用于地质填 图、寻找与放射性元素有共生关系的其他矿产、探测地下水以及解决其他的一些地质 问题。
地下水通常并无放射性。然而，岩层的断裂带、构造带和不同岩性的接触带等处能成为地下水赋存或迁移的场所。在断裂带和一些构造接触带，岩石破碎，裂隙发育，地下水 易于流通，并将岩石中的铀、镭、氡等元素溶解，使之迁移和析出，在地面上可形成放射 性元素分布的异常；在不同岩性的接触带地区，因岩性有差异而放射性元素的含量不同，也会引起γ强度的变化。因此，通过地面γ测量可以发现与地下水有关的蓄水构造，从而 间接地找到地下水。根据我国多年来用γ测量法找水的经验，在含水的构造断裂带上所测 到的γ射线强度通常只有周围背景值的1.1～1.8倍，因此需要采用灵敏度和稳定性较高 的辐射仪进行工作。
（二）地面γ能谱测量
γ能谱测量是利用分别记录几种不同能量段内射线强度的能谱仪，测定岩石、土壤中的铀、钍、钾含量的一类野外方法。相应的也有地面、航空和井中γ能谱测量。
在铀、钍混合地区，地面γ测量不能将铀、钍异常区分开来，这时就要采用γ能谱测量。γ能谱测量采用γ能谱仪，在现场即可测定岩石或土壤中的铀、钍、钾含量。
1.γ能谱测量的基本原理
前面已经讲到，不同放射性元素放出不同能量的γ射线，把γ射线按其能量大小排列，即构成了γ射线谱或称能谱，表5-5列出铀、钍系的主要γ辐射体的能谱成分，图5-2上是它们的γ谱线图。图中可见，它们都是线谱。但铀、钍系的线谱有明显的 差别。铀系中可以看到0.352MeV（兆电子伏），0.609MeV，1.12MeV和1.76MeV等 谱线，后者特别明显成为它的特征谱；而钍系中则有0.239MeV，0.338MeV，0.583MeV，0.908MeV和2.62MeV等，其中非常突出的是2.62MeV谱线，它成为钍 系的特征谱。钾的放射性同位素40K的γ能谱只有一条1.46MeV的谱线，它也是钾的 特征谱线。
表5-5 铀系和钍系的γ谱成分


综上所述可知，每一种γ辐射体都要放出自己特有的、能量确定的γ射线。因此，如果在野外条件下直接在选定的地点可以测出某种能量的特征γ谱线，就能唯一地确定具有 该谱线的放射性元素的存在。而且将测得的γ强度与标准样品的γ强度进行对比和计算，还可以确定该元素在土壤和岩、矿石中的含量。这就是γ能谱测量的基本原理。
2. 野外工作与能谱仪
能谱测量的测网选择与要求，比例尺的确定，甚至资料整理的方法都与γ测量相似。只是能谱测量需要按预先布置的测线或测网定点、定时计数。

图5-2 铀系和钍系的主要γ射线谱线图

目前野外使用的能谱仪主要为FD-3014积分能谱仪，其整体结构原理与FD-3013γ 辐射仪类似，其主要差别在甄别器阈电压可调。可以分别测量不同能量阈的γ射线总计 数，可以定性地分别测量铀含量和钍含量。
类似这种轻便型积分γ能谱仪，如加拿大的UG-130型单道积分γ能谱仪和GRS- 400型积分能谱仪，两者的NaI（TI）晶体大小不同，均设有5个阈电压位置。
此外，在放射性矿产找矿勘探中常用的是四道γ能谱仪。目的是一次同时测量矿石、土壤中的铀、钍、钾的含量。有地面四道γ能谱仪和四道γ能谱测井仪等。目前国内应用 的四道γ能谱仪主要是上海地质仪器厂生产的FD-3022型能谱仪。该仪器除具有铀、 钍、钾三道外，还有一个记录总计数率（即γ射线总强度）的积分道，称为总道。这类仪 器在它的记录装置电子线路中设置了专用的数字运算器，可以直接将测点上所测定的总计 数率和铀、钍、钾含量同时呈现在数字显示屏上。
我国目前使用的航空γ测量装置都是加拿大Exploranium公司生产的256道航空γ能 谱仪。一种为GR-800D，另一种为GR-820。后者的所有数据采集都在空中完成，最后 输出得到是一张硬盘。室内有一台计算机对硬盘输入的数据进行计算处理，打印出各种 图件。
3. 成果显示及应用
根据野外观测所获得的铀、钍、钾含量，通常绘制成相应的含量剖面图、等值线平面 图或剖面平面图。有时还要绘制钍铀比（Th/U）、钍钾比（Th/K）、铀钾比（U/K）剖 面图或等值线平面图。
地面γ能谱测量比γ（总量）测量的应用广泛。除主要用于γ异常点（带）的铀、钍 定性分析，并在铀、钍混合地区确定它们的含量以及在残积—坡积发育地区测定地表的铀（镭）、钍、钾含量之外，还可以比较有效地发现微弱的镭分散晕；根据铀、钍、钾含量的 渐变或突变以确定不明显的岩性界线或相变；根据区域地质条件与铀、钍、钾含量的关 系，包括研究均质花岗岩中的铀、钍、钾含量的空间关系，寻找稀有元素矿床，圈定铀矿 化、钍矿化或稀土元素矿化的成矿远景区；研究岩浆岩、变质岩的成因以及侵入体的形成 条件等等。

20世纪70年代以来，陆续开展了海洋（水下）γ能谱测量。如1975～1977年加拿大在几个湖中进行水下γ测量，其目的在于追寻陆上两个铀矿山构造带的延伸部分，想找到新的铀矿。英国先后用5年时间在Bristol海峡东部大陆架水深200 m以内地区，按照严格的测网进行拖曳式γ能谱测量。测线总长逾10000 km，进行海底地质填图和矿产调查，绘出了总γ辐射等值图和钾、铀、钍含量等值图。最后根据辐射、地震、声纳和取样分析资料作出了地质解释，绘制了基底地质图。图5-6-1为北海约克群海域⁴⁰K等值图。前苏联在海底陆棚地区用放射性测量寻找油气田，寻找金属砂矿做了许多工作。我国于2000年由中国地质大学（北京），在海洋863项目支持下研制了海洋拖曳式γ能谱仪系统，在渤海进行了寻找石油的试验工作。通过已知油田（B225-1）南北方向的γ能谱剖面测量，如图7-1-15所示，在油田上方显示明显的低值异常区（阴影部分）。

图5-6-1 英国北海约克群海域⁴⁰K辐射等值图

废物排放、核潜艇事故、海岸附近核电站排放污染物（水）。国际原子能有关机构报告，从1946年到1993年间，向海洋排放的核废物达85PBq，其中大西洋45 PBq，太平洋1.4 PBq，北冰洋38 PBq，所以海洋辐射环境测量越来越受到重视。

海洋γ能谱测量都是将水下部分挂在船上进行海底拖曳式测量，航行速度一般为6～10 km/h，按设计的测线进行工作，以GPS定位。

工作中要特别注意的是保证探测器在海底拖行。因为航速变化或水下深陷，探测器容易漂浮水中。对此，一般仪器都设有监测窗口。因为海水的放射性核素含量很低，探测器出现漂浮，总辐射计数会迅速降低几乎到零。这时应立即放电缆，使探测器沉入海底。

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