地球物理勘探概论课件 第六章-fu

3、常用放射性标准源 放射性测量中统一衡量标准的东西
（1）固体镭γ射线标准源 （2）氡射气标准源
镭盐溶液制成、镭10-8-10-9g （3）氡室
密封室、1-20m3、用纯沥青铀矿石或镭盐提供 充足的氡气源
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（4）伽马能谱测量的标定模型
该模型共有5种：
• 平衡铀模型，由达到放射性平衡的纯铀矿石制
成，不含钍（
）； w(Th) 1 ～ 1
w(U ) 25 30
•
钍模型，由纯钍矿石制成，不含铀（
w(Th ) 50 w(U )
）。
• 铀钍混合模型，由铀和钍矿石混合加工制成。
• 钾模型，由钾盐混合物制成；
• “零值”模型，由石英砂制成。
γ辐射体
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（2）三个天然放射性系列放射性核素的α、β、γ射线 能谱
• α射线谱（测氡）：222Rn （5.482 MeV）、 218Po (6.002 MeV) 、220Rn (6.282 MeV)
• γ射线谱（室内核素分析） 238U：UX1 (63 keV, 93 keV), 226Ra：214Pb (352 keV), 214Bi (609 keV) 232Th：228Ac (911 keV), 208Tl (583 keV)
当k=1时，表示该地区岩石中铀镭处于平衡状态； k<1时，表示该地区岩石中铀多，常称作富铀；k>1， 表示该地区铀少，称为富镭。
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（五）放射性测量单位及标准源
1、度量放射性物质量的单位 • 活度：处于特定能态的一定量放射性核素在单 位时间内发生自发衰变的次数，单位为Bq（S-1）
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2、β射线与物质的相互作用 • 电离 • 激发 • 弹性散射——能量不变，运动方向变化。 • 轫致辐射——β射线被物质阻止时，速度下降，一 部分能量以电磁辐射出去 • 湮没辐射——当+ 粒子与物质作用，速度接近于 零时，与电子（e -）结合，正负电荷抵消，转化为两 个方向相反能量各为0.511MeV 的 光子
1、衰变规律
核衰变中，放射性核素中的原子数随时间增长
而按指数规律减少。
N N0et
N0—— 为t=0时的原子核数目
N —— t 时刻该核素的原子核数目
λ ——衰变常数，单位为s-1，原子核单位时间
的衰变几率；
• 半衰期：T1/2= 0.69315/λ
• 衰减完：N完=N0/1000 ， T完=10T1/2
X射线或γ射线在空气中引起电离数量的量（C/kg、R） 照射量率（ C/（kg·s）、R/h、uR/h（γ）） • 介质吸收辐射——吸收剂量 辐射在1千克介质中形成的能量沉积（Gy、nGy、J/kg） 吸收剂量率（Gy/s、 nGy/h(常用））
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（1）核素在岩浆岩中的分布规律：
• 超基性岩→酸性岩，核素含量逐渐增加
• 核素含量与岩浆岩形成时间的关系：新的岩浆岩核素含量较
老的岩浆岩大。
（2）核素在沉积岩中的分布规律：
• 沉积岩中核素的含量主要取决于泥质的含量、钾的含量和吸
附作用的结果。
• 泥、页岩中核素含量最高；砂、砂岩中核素含量次之；白云
放射性勘探
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一、放射性勘探
利用岩石中天然放射性元素含量及种类的差别， 以及在人工放射源激发下岩石核辐射特征的不同， 寻找矿产资源及解决包括水文、工程、环境地质在 内的某些地质问题的地球物理方法。
由于放射性元素的衰变不受其自身化学状态、温 度、压力和电磁场的影响，因此其探测成果比较直 观，容易解释，成本低、效率高、方法简便、不受 环境干扰等突出优点。
岩、灰岩中核素含量再次之；石膏、岩盐中核素含量最低。
（3）核素在变质岩中的分布规律：
• 变质岩中核素的含量主要取决于原岩。
• 在变质岩中，核素一般较分散，含量比原岩低。
（4）核素在水中的含量一般较低，氡(Rn)易溶于水，
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2、天然放射性核素的迁移
三、仪器
放射性是人眼睛看不见、身体也感觉不到的，但 用仪器可以直接测量。 测量系统基本组成如下：
核辐射
记录与
放
探测器
放大与
存储
射
变换
• 光电效应 —— 光子与物质原子相撞时，把全 部能量交给原子的一个轨道电子，电子获得能量后 成为自由电子 • 康普顿效应——当光子将部分能量传给电子， 电子获得能量后脱离原子而运动 • 电子对效应——当入射光子能量大于1.02MeV 时，光子在原子核的库仑电场作用下， γ射线消失， 转换成一对正负电子
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介质物性差异
密度
磁性
经典
电性
弹性波速
放射性 近代
地球物理方法 重力勘探 磁法勘探 电法与电磁法 地震勘探 放射性勘探 地球物理测井
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二、放射性探测基本知识
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3、γ射线对物质的作用
第1步 初级作用
γ射线
三种作用效应
光电效应 康普顿效应 电子对效应
产生次级电子
第2步 次级作用
电离效应
次级电子使 物质原子电离
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n Nn N1N1
此时系列达到放射性平衡
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铀系中高能量的γ射线主要来自镭以后的核素， 那么测量γ射线用以计算铀含量的前提是铀与镭处于 放射性平衡状态。
衡量铀镭平衡状态的量叫做铀镭平衡系数：
k
mRa mu
•
1 3.4 10 7
• U：银色金属、强亲氧性、亲石元素；在深部还
原带，以四价离子形式存在，沉淀。在近地表氧
化带，以六价（铀酰离子）溶于水，易迁移。
• Ra：银白色金属，很容易进入天然晶体的毛细
管和微裂隙中，在氧化环境下易沉淀。铀镭不平
衡！
• Th：银白色金属，集中在地壳上部花岗岩中，
组成四价化合物， 在近地表，钍非常稳定，几乎
(6,14) (7,14) (-1,0) (v0,e0)
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+衰变：
母核 子核 发射射线
A Z
X
Z
A1Y
ve
如：27 Si → 27Al + e+ + v e
( 14,27 ) (13,27) ( +1,0 ) ( 0,0 )
（二）放射性衰变类型
放射性衰变中，发生衰变的核素称为母核， 经衰变而形成的新核素称为子核，可将放射性 衰变分为以下几个类型： • α衰变 • β衰变 • γ衰变
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1、α衰变
α (4He)
母核
子核 发射射线
A z
X
Y A4
z2
比活度：单位质量物质中放射性核素的活度。 单位：Bq/kg（固体）、Bq/L（液、气体） • 固体物质中放射性物质的含量
（1）质量分数：%、ppm(10-6)、g/t、g/g （2）放射性元素含量单位：Uγ
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2、度量放射性辐射的物理量和单位 • 辐射照射介质——照射量
238Ｕ－铀系(4n+2) （掌握） 232Th－钍系(4n) （掌握） 235Ｕ－锕铀系(4n+3) （了解） 237Np－镎系(4n+1) （人工、自然界不存在）（了解）
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（1）天然放射性系列的特征
• 起始母元素寿命很长，大于地球形成的年龄； • 最后一个稳定同位素都是铅的同位素； • 都有一个气态元素－氡的同位素； • 质量数变化有规律； • 每个系列有若干个衰变子体，氡的子体是强α，β，
（一）放射性
某些核素的原子核不稳定，能自发放出射线变 成另一种核素的原子核，这种现象称为放射性衰变， 不稳定原子核的核素称为放射性核素。
原子核表示方法
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A Z
X
A－质量数，等于中子和质子的总和；
Z－原子序数。
如： Ｕ 238 92
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2、不成系列的天然核素
• 40K 半衰期： 12.8亿年 衰变类型： β- 衰变，K电子俘获 射线：β-1.31 MeV γ-1.46 MeV
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（四）放射性核素的衰变规律
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（六）射线与物质的相互作用
1、α射线与物质的相互作用 • 电离——α射线与电子碰撞，电子获足够能量， 变为自由电子，失去一个电子的原子则变成带正电荷 的离子 • 激发——α射线与电子碰撞，电子获能量不足， 电子跃迁到高能级。
没有迁移。
• K：在氧化带极易被淋滤，分解，迁移。
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3、铀矿床 • 铀矿床分类
火山岩型、岩浆岩型、沉积岩型（砂岩型） • 砂岩铀矿成因的基本因素有三个方面：
铀源、铀的迁移、铀的沉淀
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4 2
H
e
226Ra → 222Rn + 4He
(88,226) (86, 222) ( 2,4)
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EAST CHINA INSTITUTE OF TECHNβ-衰变：
母核 子核 发射射线
A Z
X
Z A1Y
ve (反中微子 )
如：14C → 14N + e- +
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野外测量核素所用相关核素及γ射线能量： • 238U：214Bi (1.76 MeV, 1.120 MeV) • 232Th：208Tl (2.62 MeV)
• 思考题：为什么室内γ谱分析和野外γ能谱测量选 择不同的测量对象？
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2、系列放射性核素的衰变与积累规律 假定某系列由n个核素组成，衰变次序1 2
3 …… n，第n个核素的积累：
Nn
12
...n1N01
(2
1)(3
e1t
1) (n
1)
.....
(1
n )(2
ent
n ) (n1
n
)
当时间足够长，大于寿命最长衰变子体半衰期 的10倍以上时：
产生α与β衰变时，可放出γ射线。
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α: 高速运动的氦核,带两个正电 β: 高速运动的电子 γ: 光子,电磁辐射,不带电
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（三）天然放射性核素
1、三个天然放射性系列
三种效应与原子序数和光子能量的关系
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（七）天然放射性核素的分布与迁移
1、放射性核素在自然界的分布 与地球同时生成的天然放射性核素，目前存在有
180多种，主要是铀、钍、锕系列和钾的同位素。
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电子俘获：
常俘获K层电子，称K电子俘获
A Z
X
eZ A1Y
ve
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3、 衰变
137 Cs -衰变
137 Ba* （激发态） 衰变
137 Ba + 射线（661.7 keV）
γ衰变：原子核处于激发状态，从高能级回到低 能级，同时释放出波长极短的电磁辐射（γ光子）。 因此， γ衰变只改变能量， 不改变质量、电荷数.