放射性勘探

物探方法

放射性勘探又称放射性测量或“伽玛法”。借助于地壳内天然放射性元素衰变放出的α、β、γ射线，穿过物质时，将产生游离、荧光等特殊的物理现象，人们根据放射性射线的物理性质利用专门仪器（如辐射仪、射气仪等），通过测量放射性元素的射线强度或射气浓度来寻找放射性矿床以及解决有关地质问题的一种物探方法。也是寻找与放射性元素共生的稀有元素、稀土元素以及多金属元素矿床的辅助手段。放射性物探方法有γ测量、辐射取样、γ测井、射气测量、径迹测量和物理分析等。

方法定义

探测地表岩土天然放射性异常的分布，研究确定地质构造的工程地球物理勘探方法。工程地球物理勘探(简称工程物探)中的天然放射性异常，是指自然条件下存在于岩层断裂破碎带或岩溶发育带、不同岩性的岩层或地下水露头附近的放射性元素形成的放射性异常。通过地面放射性勘探发现这种异常，再结合有关地质资料进行综合分析，作出定性的地质推断。

简史

放射性现象是1896年发现的。放射性勘探用于地质工作，始于20世纪20～30年代，而用于工程物探领域，则从50年代后期开始。日本人落合敏郎采用放射性γ法探测断层和查找基岩裂隙水; 苏联采用放射性氡气探测法调查断层破碎带、岩溶发育带、地下坑道和滑坡等;其他国家应用放射性勘探相对较少。中国从20世纪70年代中期开始，主要应用天然放射性γ法查找基岩裂隙水。1981年，中国首届“全国应用核技术寻找地下水源学术讨论会”召开。1980年前后，加拿大出现了放射性α卡法探测技术。随后中国也开展了α卡法的试验研究，开发出静电α卡法和电离室α杯法的放射性探测技术以及相应的仪器。这些方法都属于累积法测氡技术，80年代以后，侧重向这方面发展。

理论基础

自然界能产生放射性的核素已发现 230多种，其中80多种经过一次衰变就成为稳定的核素，称为单衰变。还有50多种原子序数高于80的放射性同位素，是由几个长寿元素衰变产生的。这些长寿元素经过一次衰变后，形成的产物仍然是放射性元素，再继续发生衰变，如此一代一代衰变下去，直到成为一个稳定的核素为止。通常把衰变起始的那个元素称为母元素，其衰变产物称为子元素。由母元素和子元素组成一个族，叫做放射性系列。已知有3个天然放射性系列，即铀系（或称铀-镭系）、钍系和锕系，它们的衰变如图1所示。还有一个用人工方法得到的镎系。每个天然放射系列中都有一个气态元素(An、Tn、Rn)，是氡的同位素，通常称之为射气，都能逸散，其中以Rn的半衰期最长，故可扩散得较远。因此作放射性测量可以发现由放射性元素组成的矿床。

实验测定结果表明，不同的放射性衰变具有特定的能谱，称为射线能谱。各种天然放射性元素衰变时，放出的α 粒子能量为 4～10兆电子伏。一定的放射性元素所放出的α 粒子的能量是一定的。β射线的能量可自零到某一最大值(一般低于15兆电子伏)之间变化。γ射线有几种能量的γ光子。某种原子核发射出的各种能量的γ光子的集合，称为该核的γ能谱。各种天然放射性元素的γ射线能量一般为几十千电子伏到几兆电子伏。一定的放射性元素所放出的γ射线能量是一定的。故测定放射性能谱，特别是γ射线能谱，可以区分不同的放射性元素。例如40钾、铀系和钍系放射的 γ射线仪器谱上各在1.46、1.76、2.62兆电子伏处有一特征峰（如图2所示），故分别测定1.3～1.6、1.6～2.2和2.2～2.9兆电子伏 3个能量间隔内γ射线的放射性强度，就可能区分放射性元素是属于40钾、铀系或钍系。

各种放射性元素都按指数规律衰变，即： Nt=N0-λt，式中N0为衰变起始时的原子数；Nt为经过t时间后保留的原子数；λ为衰变常数，和原子核的性质有关。不同的放射性元素λ值不同，但不随元素的化学或物理状态而改变。放射性元素衰变完一半所需的时间称为半衰期(T)，T=0.693/λ。一种放射性元素经过10个半衰期，实际上可以认为衰变完了。表示衰变速度还可用原子平均寿命τ，τ =1/λ=1.44T。　如果从某一时刻起，放射性系列中各放射性元素的衰变率（单位时间内衰变的原子数）都相等，则这个状态叫做系列放射性平衡。

这时，有以下关系： λ1N1 = λ2N2 =…= λiNi 。利用上式，可由子元素原子数Ni推算母元素原子数N1。这就是根据γ能谱测量估算铀的含量的理论基础。

α、β及γ3种射线，以γ射线的穿透能力为最强。测定结果，γ射线的穿透能力比β射线大100倍,比α 射线大10000倍。在空中γ射线的射程可达200～300米,而β和α 射线分别仅达几米和几厘米。在岩石中，γ射线的射程约50～60厘米，β射线约0.5～0.6厘米，α 射线只有几十微米，一层灰尘就可把它全部挡住。因此，测定γ射线的强度是寻找放射性矿床的主要方法之一。

测量方法

放射性勘探方法有γ测量、射气测量、α 径迹测量等几种。

γ测量

用盖革式辐射仪或闪烁辐射仪在地面步行作放射性总量测量，是铀矿普查工作中最有成效、最广泛采用的方法。它是以测量岩矿石的γ（或β+γ）射线总强度来发现放射性异常的。该法的优点是几乎能在任何地区、任何地质条件下进行最详细的测量。缺点是不能区分放射源的性质（铀、钍、钾），探测深度有限。

步行测量还可利用γ能谱仪在野外直接测定(点测)浮土及岩矿石中铀、钍、钾的等效含量。本法适用于各种地质、地形条件，即使在覆土掩盖区，只要存在放射性元素的分散晕就可采用。但效率较低，不适于大面积测量。

为了提高γ测量的效率，多将γ能谱仪装在飞机上或越野性能良好的汽车上进行测量，寻找放射性异常，也可以做成特殊的γ能谱仪，进行湖底或海底放射性测量。航空放射性测量，主要用于地质填图，推断铀、钍成矿区的位置，寻找与放射性元素分布有关的某些非放射性矿产资源。车载放射性测量，主要用于踏勘性的调查，或作为航空放射性测量的初步检查。

γ测量还可以在钻孔中进行，即用辐射仪在钻孔中测量岩矿石的天然γ射线强度，以寻找地下深处放射性矿床。有γ测井（总量）和能谱测井两种。

射气测量

利用射气仪测量土壤空气中放射性气体的浓度，以推断浮土覆盖下可能存在的放射性矿床，也可用来圈定破碎带等地质构造。射气测量主要是测量氡(部分钍)衰变时放出的α 射线。该法探测深度较大，一般可以发现 6～10米厚的浮土覆盖下的盲铀矿体。在岩石裂隙和构造破碎带有利于射气迁移的条件下，还可发现埋藏更深的矿体，因而广泛应用于浮土覆盖地区。可在现场用抽气泵自土壤中抽气取样，利用闪烁室型或电离室型射气仪直接进行测量；也可用活性炭吸附土壤空气中的氡，经过一定时间，在实验室测定活性炭中氡子体 RnC的β或γ放射性。土壤空气中的射气浓度受气候条件变化等许多因素的影响，使得射气异常的解释十分困难和复杂。

α径迹测量

利用塑料径迹探测器记录地下放射性元素衰变时放出的α 粒子的径迹，以此寻找深部放射性矿床。探测器记录的α 径迹密度（径迹数平方毫米）主要取决于积累于埋在土壤中杯子里的氡及其子体放出的α 粒子。由于它是长时间（约20～30天）积累取样，即为时间上氡浓度的积分测量，因而比瞬时抽气取样的射气测量（为“时间上氡浓度的微分测量”）具有较大的探测深度，而且可在很大程度上消除气候和取样条件的变化影响，使所得结果比较可靠。此法操作简便，成本低，可发现来自深部的微弱信息。实际资料表明，找矿深度可达100～200米。其探深机制在理论上的解释尚不完善。缺点是埋片时间长，不能及时取得结果。

最近采用“钍过滤器”以消除钍的干扰。即在探杯口上盖一塑料薄膜，使钍射气通过它时已衰变掉，而氡减少甚微进入杯子。塑料探测器固定在探杯中。

α硅探测器法

用硅半导体探测器记录地壳内放射性元素衰变时所放出的α 粒子。其找矿原理大致与α 径迹测量相似。探测器埋在土壤中，累计的α 粒子数也主要是氡及其子体放出的。但埋的时间较短，为数天或数小时，甚至更短。故能及时取得结果并进行现场评价。其探测深度原则上应与α 径迹测量差不多。因计数时间短，受气候变化的影响仍然较大。

近年来，还出现了人工热释光测量，α 卡、氡管法等多种射气测量技术,它们大都采用了累积测量原理,探测深度较大。

仪器

放射性勘探的仪器一般由探测器、放大器和记录装置等电子元器件组成。

探测器

当射线射入探测器后转换为电脉冲输出，经放大器放大后，送到甄别器把不需要的脉冲剔除，然后经过整形器变成大小相等、形状一致的脉冲送到脉冲计数器电路进行记录。由于核辐射粒子的性质，决定了人们不能直接对其进行观测，而只能通过它们与物质作用的某些物理、化学效应间接地进行观测。最常用的是利用电离作用和荧光作用制成的电离型探测器和闪烁计数器。

电离型探测器包括气体电离室、盖革计数器、正比计数器、半导体探测器等。其工作原理是，当射线通过电离室、计数器等内部的气体时，使气体分子电离产生电子和正离子，在外加电场的作用下，电子和正离子分别向阳极和阴极移动而形成一瞬时的电离电流，阳极电位相应下降，而形成一电压脉冲输出。半导体探测器与射线作用的电离效应与此相似,只不过发生在固体内,所产生的电子及空穴分别移向正、负极形成电流脉冲输出。测量这些电荷的电量或其形成的电离电流、电压脉冲，就可确定射线强度。

闪烁计数器是由闪烁体（荧光体）、光电倍增管和相应的电子线路组成。当射线穿入荧光体被吸收后，荧光体产生闪烁现象，放出光子。光子透过荧光体照射在光电倍增管的光阴极上，从光阴极上打出光电子，电子在管内得到倍增放大后被阴极收集,形成电脉冲输出,被电子仪器记录下来。入射线强，闪烁次数多，单位时间内的脉冲数就多；射线能量大，闪烁时光子多，脉冲幅度就大。从而就可以知道待测射线的强度和能量。常用的无机荧光体有NaI(T1)、ZnS(Ag)、CsI(T1)、LiI(T1)。有机荧光体蒽、三联苯、塑料闪烁体等多用于测量β射线的仪器中。由NaI(T1)晶体组成的仪器应用最广。

闪烁计数器与充气计数器相比，灵敏度较高，分辨能力强，不但可以测量射线强度，而且还能区分射线能量。因此，带闪烁计数器的辐射仪几乎全部取代了充气计数管型的辐射仪。

野外观测仪器

根据找矿方法的不同，野外观测所用的仪器有α射线测量仪及γ(β)辐射仪两类。

α 射线测量仪根据探测器的不同可分为几类：①用气体电离室作为探测元件的，如电离室型射气仪和各类验电器、静电计等;②以ZnS(Ag)组成的闪烁计数器为探测元件的，如闪烁室型射气仪和氡、钍分析仪等；③探测元件是金硅面垒型探测器的，如α 硅探测器、α 辐射探测仪、α 能谱等；④利用α 粒子对绝缘固体材料的辐射损伤留下的痕迹，经化学溶液蚀刻后能显示微米量级蚀坑的塑料径迹探测器。

γ(β)辐射仪是测量γ、β射线的，根据探测元件分为两种。一种是利用γ、β射线对氩、氖等一些惰性气体的电离作用,其探测元件为各类充气计数器,并由它组成各种盖革式辐射仪。还有用正比计数器（如 BF3计数器和3He计数器）组成的中子测量仪。另一种探测元件是闪烁计数器，由它组成了各式各样的地面、井下、航空闪烁辐射仪和室内外能谱测量仪。

特点、发展趋势

放射性勘探方法的特点

虽然放射性勘探方法以辐射场为探测目标，但它以放射性元素为研究对象，并且结果可用元素含量表示，所以具有化探的特征；几乎不受地形的影响，但受测量立体角的影响，所以测量中要注意测量几何条件的一致性；受地面植被、表土含水率、地面土壤放射性含量的不均匀影响；不受电、磁、震动等影响；仪器轻便，成本低，快速，异常解释简单。

发展趋势

（1）要加强探测深度方法的研究。如研制浅孔打眼机，将探测器放人孔中测量，或研究随钻探测器，提高深部探测信息，同时减少地表，以及气候的影响。再如中微子探测技术应用，如能利用中微子强穿透能力的特性，则可达到对深部地质信息的探测。性激发源，如超声波激发源；减小对工作人员的辐射危害性，提高仪器的操作性。

（2）加大人工放射性测量的方法和技术研究，如轻便化中子法测量装置；研制非放射（3）加强应用基础理论的研究。

（4）加强定量解释，特别是反演问题的研究。

（5）加大开展扩大方法应用领域的研究，特别是应用领域机理的研究。如利用放射性勘探方法探测采空区、塌陷区等工程环境问题的机理的研究、环境辐射调查潜在危险评价方法研究、在海洋矿产资源勘探中的应用及方法的研究等。

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