第六章 第二节 放射性测量方法及其应用

③将探测片取出, 放入测量仪的探测器室, 进行测 量。该仪器使用的是金硅面垒半导体探测器, 测量 218 Po 的α射线( 6. 002MeV) 的计数率; 也可以调 节阈值测量其他能量的α射线。 在野外工作期间, 为了了解仪器的工作稳定性, 早、晚用α源进行检查测量。 土壤氡气测量数据处理主要包括: 计算每个测 点的土壤氡浓度, 绘制等浓度图或剖面图等。
E.精测剖面 在工作区内典型地段至少布置一条地质γ能谱 精测剖面。 a.穿过区内主要地层、岩体和构造，尽可能穿过 主要岩石类型分布区; b.基岩出露好; c.最好通过主体异常中心部位，并兼顾已知异常 覆盖区; d.明显反映异常特征，便于定量计算的地段; e.采用高精度测量方式，测量点距适当加密，最 小地质单元内不少于3个测点。
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以及岩、 矿石的含量。
（2）野外工作与能谱仪 ①野外工作 A.资料收集 a.相应工作比例尺的地形图、最新彩色航空照片; b.地质资料; c.地球物理及化探、尤其是以往放射性测量资料; d.第四纪地质、水文地质、地貌及土壤资料; e.自然地理、交通及经济地理资料; f.其他。
测量土壤氡的操作程序： 根据需要布置好测线和测点。 1 ) 将α径迹探测片, 切成一定形状, 一般取0. 8 cm× 1. 5 cm, 将探测片固定在探杯( T-702 型) 内 的支架上, 并在径迹片和杯上统一编号。 2 ) 在测点挖埋杯探坑, 如下图所示。一般深度40 cm, 将探杯倒扣坑中, 用塑料袋装土将探杯压紧, 盖上填土, 在地表插上标志。
对天然放射性核素来讲, 它是性能优良的α粒 子探测器, 叫α粒子径迹探测器( Alpha Track Detectors,ATD) 。探测氡及其子体放出的α粒子, 是一种累积探测方法; 优点是收集时间长,均化了 自然环境的影响, 有效地提高了探测灵敏度。 我国常用的α径迹探测器( ATD) , 主要是聚碳 酸酯片和硝酸纤维、醋酸纤维以及丁酸醋酸纤维 片, 或美国引进的CR-39 探测器。
④水文地质、工程地质及灾害地质勘查中，划分 岩性、圈定接触带等; ⑤环境及建筑材料放射性评价。
应用条件 ①测区基岩露头较好或覆盖层较为均匀; ②不同地质体的钾、铀、钍元素含量的差异可被 能谱仪所区分； ③具体工作任务不同其应用条件有所不同。
二、α法 核地球物理勘探的另一大类方法，是以探测 氡及其子体所发射的α射线为基础的α法。该方法 也能寻找铀矿地下水源。目前常使用的α法，按其 测量方式可分为瞬时测量和积分测量两种。 氡属惰性气体, 是大气的组分之一。它在空气 中的总量基本保持平衡, 也就是它的产额和衰变基 本相等, 大地和大气中氡及其子体的循环保持不变。 氡和其他大气成分一样, 地面部分随气象条件 的变化而变化。
一、γ测量和γ能谱测量 1.地面γ测量 地面γ测量时利用记录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。 应用前提: 露头好,铀镭平衡
天然铀系特点: α β γ 铀组: 31.8% 41% 2.1% 镭组: 68.2% 59% 97.9%(Bi-214 85.5%) γ 射线穿透能力强,所以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。
（2）成果图件及资料解释评价 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。 主要是用统计的方法，求出正常值（X）和 均方差值（σ）。计算平均值 x 和均方差（σ）， 并按 ， x x 2 x 3 ， 三类数值分类，在每一种 岩性内分别圈出偏高场、高场和异常场的等值图。
（1）野外工作及测量仪器 ①野外工作方法：踏勘——普查——详查 踏勘阶段，主要测定各种岩石露头的γ射线强 度，了解大范围内放射性强度特征，为确定有利 地质条件提供依据。γ测量的路线应尽可能穿过地 层及主要构造的走向，在发现有利地层和构造， 以及某些异常时，可沿走向或其他方向追索。
普查、详查时，应进行大比例尺测量工作， 测线方向尽量垂直岩层走向，有条件时可作孔中γ 测量。如遇特殊地段，需要加密测点。工作前后 应检查仪器灵敏度、稳定性，定期计算仪器的自 然底数。 ②所用仪器：闪烁辐射仪，它的主要部分是闪烁计 数器。
2.α径迹测量 固体径迹探测器( SSNTD) 技术, 是20 世纪 60 年代初发展起来的。一片透明的云母片或聚酯 塑料片, 被带电粒子照射之后, 化学键被打断, 形成 的辐射损伤微区易受化学侵蚀, 扩大微区成蚀坑在 固体片表面显出照射粒子的径迹, 用一般光学显微 镜或火花计数器可以读出单位面积上径迹数, 成为 放射性重带电粒子探测器。
α卡测量方法, 目前主要用于土壤氡测量。其 采样方法的操作程序与α径迹相似。先将α卡片预 先放置在专门使用的T-702 型探杯内的支架上固 定好, 并在卡片与探杯上编号。在测点处挖埋卡采 样坑, 坑深20 cm; 将杯倒置坑中, 上面用塑料膜封 盖; 再用土壤压紧, 3 h 后取出, 测量α卡上沉积218 Po 的α粒子活度。如果采样累积时间达10 h 以上, 则卡上沉积的还有214Po 等子体。
②能谱仪
（3）成果显示及应用 成果以各种基础图件显示，它们包括: ①铀、钍 、钾元素含量及总道计数率实际材料图 ②铀、钍 、钾元素含量及总道计数率剖面平面图。 ③铀、钍 、钾元素含量及总道计数率平面等值线图。 ④铀、钍 、铀钾和钍钾比值平面等值线图。
应用范围 ①地质填图，划分岩性、岩相、确定构造带和蚀变 带等; ②放射性矿产地质勘查，直接寻找铀、钍矿床; ③非放射性矿产地质勘查，寻找与放射性元素钾、 铀、钍有共生或伴生关系的金属、非金属、能源 等矿产资源;
D.测线方向 a.尽可能垂直于岩体、构造及被勘查对象的总体 走向; b.当被勘查对象走向变化较大时，应随之改变测 线方向。 水文、工程、环境及灾害地质工作的测网视 具体任务而定，一个测区不少于3条测线，异常区 域内至少有3个连续测点。建筑材料(如天然石材) 放射性评价在基岩露头可采用1mx1m的测网密度。
5 ) 用一般光学显微镜观察, 探测器上径迹密度, 或用径迹扫描仪计数径迹密度。 6 ) 平均氡浓度NRn , 可用下式计算:
式中: nRn 为探测片上每cm2 径迹; t 为布放探测器 时间; ks 为刻度系数。
3.α卡法 20 世纪70 年代加拿大卡尔顿大学J· 卡特 W· 和K·比尔受到1913 年卢瑟福( 用金属片收集α辐 射体) 发现氡所用方法的启示, 研制成功α卡探测 方法。 α卡的材质, 可以是金属片( 银片、铜片或铝 片) , 也可以是塑料片。探测片可以重复使用。卡 片面积, 一般取为3. 8 cm× 4. 5 cm, 常用的测量 仪有CD-1, CD-2 型α卡仪和FD-3012 型α卡仪, 以 及其他α测量仪均可使用。
第二节 放射性测量方法及其应用
放射性探测可分为两大类：一类是天然放射 性方法，主要有γ测量法、α测量法等；另一类是 人工放射性方法，主要有X射线荧光法、中子法、 光核反应法等。其中常用的有γ测量法（包括γ测 量法和γ能谱测量）、氡的累积测量方法、瞬时土 壤氡测量方法及放射性测井等。 放射性勘查可以应用于寻找地下裂隙水、油 气田、多金属矿产和探查滑坡、地裂缝、塌陷、 地震预报以及环境监测等方面，取得了显著的效 果。
在自然条件下, Rn 及其子体很快与空气中水 汽等颗粒物结合成气溶胶。为了提高探测效率, 提 出了带电α卡测量方法。即在埋卡的同时, 给金属 α卡片上接上负300V 电压。使用一段时间之后, 感到很不方便。于是进一步提出了静电α卡测量方 法。即乙烯塑料薄片, 通过摩擦带负电。
只要使用一种简便的充电设备, 在埋杯之前, 先使卡片充电达- 600V ～- 800V, 使带静电。实 验证明带电α卡和静电α卡, 相对于不带电的α卡,可 提高探测灵度2. 5 倍左右。对于探测低氡异常体 是比较有用的。
如果使用FD-3017 型仪器, 只测222Rn, 则野 外氡气测量的程序是:
①先用铁锤和六棱钢钎, 在测点处土壤层打孔。然 后取出钢钎, 插入取样器, 周围用土壤封紧以免进 入空气。 ②用橡皮管连接取样器和仪器, 放入探测片, 打开 仪器, 抽取地下气样, 等待一定时间, 使氡在带负高 压的探测片上沉积。
其特点是探测器不受氡子体的污染, 也不受钍 射气的干扰。适于现场快速获得测量结果, 探测灵 敏度高, 操作简便。FD-3017 是目前地质找矿, 测 量土壤氡的主要仪器( 也有使用FD-3016 和FD1003 型仪器) 。
FD-3017 型测氡仪
土壤氡测量常用的是浅孔测量, 一般土壤层厚 度不超过5 m 时, 取样孔深80 cm 左右。如土壤层 较厚( 10 m 以内) , 可做深孔测量, 孔深可达2 m 或更深一些。另有一种叫氡气测井, 孔深数米或 10 m 左右。
岩石中正常含量的放射性核素所产生的γ射线 强度，称为正常底数。通常将高于围岩正常底数 2—3倍的γ强度值定位异常。实际工作中，考虑一 个异常不仅要有一定的数值，还要有一定的规模。
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2.地面γ能谱测量 使用γ能谱仪直接测定岩石或土壤中铀当量含 量(eU)、钍当量含量(eTh)(后文简称铀、钍元素 含量)、钾含量和总道计数率的方法。 （1）γ能谱测量的基本原理 每一种γ辐射体都要放出各自特有的、能量确 定的γ射线。因此，如果在野外条件下直接选定的 地点可以测出某种能量的特征γ谱线，就能唯一的 确定具有该谱线的放射性元素的存在。
如果Rn 和Tn 两者并存, 则α卡上收集的是两 者共有的子体沉积物。取出卡片后立即测量得到 的α粒子活度, 是两者子代产物的总和。放置4 ～5 h 之后Rn 的子代产物基本衰变殆尽, 这时测量α粒 子活度, 主要Tn 的子代产物造成的。因为Tn 的子 体212 Pb ( T =10. 6 h) 和212 Bi ( T = 60. 6 min) 具 有较长的半衰期。用Tn 的α粒子活度可以修正Tn 及子体对测氡的影响。一般取两次测量的差值。
像其他大气成分一样, 氡主要来自陆地, 其衰 变子体, 通过降水再回归大陆和海洋,保持动态循 环。
1.射气测量法 这是一种最早用于土壤氡测量的方法。早期 用的是电离室静电计( FD-103 ) 。1985 年出厂的 FD-3017 型测氡仪, 是通过测量222 Rn 衰变产生的 218 Po 来测氡的浓度, 可用于测量土壤、水的氡的 浓度。
C.测区范围 测区范围一般应满足下列要求: a.当γ能谱测量与其他物化探工作配合使用时，最 好按同一测网进行; b.包括被勘查对象可能赋存的地段并向四周有一 定的扩展; c.尽可能将已知地质体、矿体、矿化段和山地工 程包括在内.以利于推断解释; d.在前人工作的基础上扩大测区面积时，应覆盖 以前工作的部分测线和测点; e.面积性测量尽可能采用规则测网。
③对聚碳酸酯, 需要先将化学纯的KOH 用蒸馏水 配制成5. 7 mol /L 的溶液, 再取KOH( 5. 7 mol /L) 与C2H5OH 按体积比1∶2 制成化学蚀剥液。将聚 碳酸酯片放入保持60℃ 恒温, 30 min 取出, 用清 水冲洗晾干。④CR 39 片, 蚀刻液用KOH 制成6. 5 mol /L。保持恒温70℃, 放置10 h 后取出, 用清 水冲洗晾干。
3 ) 埋杯采样时间, 一般为20 d 左右。 4 ) 化学蚀刻液的配制与蚀刻。各种探测器有一定 差别: ① 对硝酸纤维用6 ～7 mol /LNaOH 或KOH, 在恒温50℃左右, 浸泡30 min即可。②对醋酸纤 维, 需要在上述化学蚀剥液中按100 ml 加1 ～3 g KMnO4 的比例, 制成蚀刻液, 蚀刻时保持60 ℃恒 温, 浸泡30 min。
B.野外踏勘 在全面分析收集到资料的基础上，确定测区 范围，选择有代表性的地质物探剖面进行踏勘测 量，了解下述内容: a.主要地层、岩体和构造的规模及其分布; b.有代表性的矿床、矿点、矿化点及异常点(带、 晕); c.地形、地貌、基岩、浮土、植被及水系分布; d.初步测量不同地质体内钾、铀、钍元素含量及 其总道计数率，了解不同岩性的放射性背景值; e.经济地理、交通条件、居民点分布等。