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1、放射性探测,2014.7.25,定义： 利用岩石中天然放射性元素含量及种类的差异，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，称为放射性探测。,应用条件,1.必要条件：放射性差异 .放射性的共生、伴生矿； .不同元素组成的岩矿石具有不同的放射性含量； .不同时代形成的岩矿石，放射性含量不同； .油、气田具有弱放射性异常； .构造有放射性异常。,2.充分条件： .能测量的异常； .干扰小，仪器灵敏度高； .环境条件允许。,应用,1.寻找放射性矿产(U、Th和K)； 2.寻找与放射性相关的矿产； 3.破碎带； 4.圈定花岗
2、岩体； 5.分层，确定岩性，煤层； 6.找水； 7.测定密度、孔隙度等； 8.解决环境问题。,七、优点,1.几乎不受环境影响：化学状态、温度、压力和电磁场等； 2.直观，易解释； 3.高效、快捷、方便和成本低。,不足,探测深度小。,简史,1932年，加拿大的沃格特(W. Voget)首次采用装有盖革计数器的野外辐射仪。1949年，美国普林格尔(R.W.Pringle)和劳洛顿(K. I.Rouloton)试制成功了第一批闪烁式野外辐射仪，并在加拿大阿萨巴斯卡湖附近的铀矿区试验成功。,简史,1944年航空放射性测量开始作实验性飞行。1949年美国、加拿大和英国开始设计航空闪烁辐射仪，1950年开
3、始大量生产。1962年美国研制了高灵敏度的航空能谱仪，并从1966年开始用于矿产资源调查。60年代后期美国、英国、加拿大、日本等国开始采用汽车能谱测量。70年代测氡技术有了新的发展。中国于1954年开始进行放射性普查工作。,几个概念,在原子世界中，淹没在电子云中的原子核是一个具有质量和电荷的核心。现在已经弄清楚，半径仅为原子半径万分之一的原子核，集中着99以上的原子质量和全部正电。 原子核带有正电荷，其电量g等于电子电量的绝对值e的整数倍，亦即gZe。这里，整数Z称为这元素原子核的电荷数，也就是这化学元素的原子序数原子核的质量同原子的质量相差极小。,原子核,原子的质量应包括原子核的质量和核外各
4、电子的质量。在原子核物理中通常使用另一个叫做“原子质量单位”的单位。按现在的规定，取碳的最丰富的同位素126C原子处于基态的静止质量的1/12作为1“原子质量单位”，以u表示根据计算 1u1.660566 X 1.0-27kg,同位素,原子的质量以“原子质量单位”计算时都接近于一整数，这整数称为原子核的质量数，或称核子数，以A表示。 电荷数Z和质量数A是标志原子核特征的两个重要物理量，常用AZX(或AX)来标记某原子核，其中X代表与Z相应的化学元素符号。Z和A都相同的原子核称为某种核素，Z相同而A不相同的原子核称为同位素。 例如氢有三种同位素，即11H、21H(或21D)和31H(或31T)，
5、分别称为氢核、氘核(又称重氢)和氚核。,中子,原子核X是由Z个质子和A-Z个中子所构成。对于轻核，质子数和中子数近乎相等，对于重核，中子数约为质子数的15倍。这是由核子之间作用力的性质所决定的。 例如氦42He核中有两个质子和两个中子；铁5626Fe核中有26个质子和30个中子；铀23892U核中有92个质 子和146个中子等。 中子在原子核中是构成核的稳定粒子，但在核外并不稳定，一个自由的中子的平均寿命约15min，它将衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子，因此自由中子是有放射性的。,核力,质子与质子之间有着很大的斥力，中子又不带电，不可能是电性力使质子、中子聚集成原子核，也不可能是万有引
6、力， 因为它比电磁力还小1039倍。那么，是一种什么力能够使质子与质 子，质子与中子，中子与中子紧紧地束缚在一起呢?经研究发现，这是一种强相互作用力，称为核力。 实验说明核力具有下列重要的性质： (1)核力比电磁力强100多倍，是强相互作用力； (2)核力是短程力只有当核子之间的距离为2个fm（1fm10-15m）之内，核力才显示出来。,结合能,原子核既然是由核子组成的，它的质量就应等于全部核子质量之和。设以mx、mp、 mn分别表示原子核AZX 、质子和中子的质量，于是应该有： Mx=Zmp+(A-Z) mn 但实验测定的原子核质量mx总是小于上式所给出的量值，这一差额称为原子核质量亏损。,
7、相对论指出，当系统有质量改变时一定也有相应的能量改变，关系为E=( m)c2。由此可知，质子和中子组成核的过程中必有大量的能量放出，这能量称为原子核的结合能，常用EB来表示反之，要使原子核再分解为单个的质子和中子就必须给予和结合能等值的能量。 例如氘的结合能为2.23MeV。实验证实，当射线光子具有的能量达到2.23MeV时，就能将氘核分解为自由的中子和自由的质子。,第一节 原子核的放射性衰变,在人们发现的2000多种同位素中，绝大多数(约1600多种)都是不稳定的，它们会自发地蜕变，变为另一种同位素，同时放出各种射线这样的现象称为放射性衰变。 1896年贝克勒耳(HBacquerel)首先发
8、现了铀的放射性现象，随后于1898年居里夫妇(P. 在残积-坡积发育区测定地表的铀 (镭)、钍、钾含量。 2）寻找稀有元素矿床。 3）研究岩浆岩、变质岩的成因以及侵入体的形成条件。,法是以探测氡及其子体所发射的射线为基础的。 应用： 寻找铀矿和地下水源。 按其测量方式可分为瞬时测量和积分测量两种： 常用的射气测量法 (瞬时测量的代表)、径迹测量法以及卡法 (积分测量的代表)。 （一）射气测量法 三个天然放射性系列中各自有一个气态的放射性同位素，统称为射气。其中铀系的氡（ ）有较长的半衰期（3.824 d），因而在铀矿中有氡的存在和积累。,二、法,射气测量的野外工作步骤： 1.在测量之前先在测点
9、上打深约1m的取样孔，埋好取气器，压紧周围浮土； 2. 仪器与取样器连接, 抽取由抽拉唧筒气样（一般56次）; 3.抽气20s后立即读数，之后立即排掉气体，以免污染仪器。,射气异常性质的判别: 不同地区观测的射气浓度有各自的底数，即正常场。高于正常场23倍的射气浓度值可以算作异常。为了判明射气异常的性质 (即是铀异常还是钍异常)，只需在射气仪读数后经过55s后再读一次数(不另外抽气)。 若第二次读出的浓度值比第一次大，异常为纯氡性 (属铀异常)。若第二次读数比第一次读数减小一半，异常应属于钍射气性质。 射气测量的对象是氡放出的射线。虽然射线穿透能力很弱，但由于氡的运移能力强，射气测量的探测深度
10、远大于测量的探测深度。,（二）径迹测量 采用某些固体材料也能记录重带电粒子。这类材料称为固体径迹探测器。用固体径迹探测器探测核辐射的方法就称为径迹测量。 径迹测量的工作过程是：将己制备的探测器悬在塑料杯里，再按一定的测线网格，把杯底朝上埋在测点位置处挖开的40cm深的小坑中;经过20-30天取出杯子里的探测器，进行蚀刻，用光学显微镜或用自动扫描仪观测、辨认并计算探测器在蚀刻后显现的径迹。以每平方毫米的径迹（径迹/mm2）数表示，称为径迹密度。,通过对一个地区大量测点上的观测，可以用数理统计求中位数的方法确定该地区的径迹底数。一般取底数的8 - 10倍作为异常值。 径迹测量结果主要绘制成剖面图、
11、剖面平面图和等值线平面图。 径迹测量主要用于初步踏勘后的有利地段寻找铀矿，也用于扩大铀矿区。,（三）卡法 卡法也是一种累积测氡方法。 该方法是把某种对氡及其子体具有强烈吸引力的材料制成卡片，称作卡。 卡法特点: 1.灵敏度高，异常清晰，具有累积测氡的优点； 2.干扰因素少，分辨能力高，能够发现1m以下狭窄的构造破碎带； 3.方法简单、仪器轻便，野外工作周期短、成本低廉;可区分铀和钍。,野外埋片示意图,将卡置塑料杯中并使杯底朝上埋入地下浅坑中(右图 )使其集聚氡及其子体，一定时间后，取出卡片立即用辐射仪测量射线强度，借此确定氡的异常，用以发现铀矿床或寻找地下水以及解决其他地质问题。,6.2.3放
12、射性物探的应用,（一）核地球物理在寻找高放射性矿体的应用 1.地面测量寻找铀矿的实例 工区地质: 某地区曾发现燕山运动早期的花岗岩体，其主要岩性为中细粒花岗岩。区内浮土覆盖面积较大，岩浆活动频繁，构造复杂呈东西向分布。,6.2.3放射性物探的应用（续1）,某地区地质、相对强度综合平面图 1-中粒花岗岩 2-中细粒花岗岩 3-第四系 4-地质界线 5-相对等值线 6-异常编号,测量成果: 对该区进行地质填图和测量工作后，绘制了相对等值线图，圈出两个异常和偏高地带 (右图 )。异常具有一定的规模。通过勘探揭露，在l号、2号相对异常地段和3号相对偏高地带发现了铀矿体，在4号偏高地带见到铀矿化。,2.
13、射气测量在寻找铀矿上的应用 工区地质: 某地区主要分布的是太古界上部变质岩系，除东部外都有大面积的海西期花岗岩侵入。但该地区大部分被浮土覆盖，浮土厚度一般为11.5m，最厚处达10 m左右地面。 测量：位于大部分为变质岩和花岗岩堆积物的山坡上 。在此处进行过深度为90cm的孔内测量，只发现一个强度约80的异常点。,6.2.3放射性物探的应用（续2）,某地区山坡上射气异常综合平面图 1-花岗岩 2-煌斑岩 3-破碎带 4-陡壁 5-射气等值线（爱曼） 6-异常点,射气测量：射气异常是沿北东向构造破碎带分布的，最高浓度接近1000em。经判明异常为纯氡性。在C-C剖面上布置探槽并刻槽取样分析，并进
14、一步沿异常方向进行坑道揭露，终于在距地表约20m深度处沿构造破碎带见到长十几米、品位高达1.5%的铀矿体。,6.2.3放射性物探的应用（续3）,双河油田地面伽玛能谱及法杯测量综合剖面 1中更新统褐色亚粘土； 2 上更新统黄褐色亚粘土； 3 全新统沙砾,（二）放射性物探在寻找油气藏中的应用及实例 油田放射性异常的特征为：在油田正上方，相对于平均值为低值，油田边界处相对于平均值为高值，即在油气田上方的地表往往呈现放射性低场。,6.2.3放射性物探的应用（续4）,地热田上方往往出现放射性异常，其主要原因有以下几个方面 ： 1.岩性差异：地下热水是受含水层与隔水层组成的蓄水构造控制。 2.岩石破碎程度
15、不同：许多地热田出现在构造断裂带，这些地方岩石破碎，裂隙多，于是岩石的射气系数将增大。 3.地下热水出露处是一种地球化学垒：具有很强溶解能力的地下热水，在循环过程中沿裂缝带把岩石中的氡、镭等放射性元素携带到地下水的露头处，并由于环境的改变发生沉淀和富集，从而形成放射性元素分布的异常。,6.2.3放射性物探的应用（续5）,安徽半汤综合剖面图,4.地热田的地热梯度较大, 氡在水中的溶解度随温度增高而减小：随地下水运移过程中氡较易于从水中逸出，加强了地表放射性异常。 常用的放射性勘探方法:射线测量、射气测量、径迹测量、210P0测量、卡测量等。,实例:右图是在安徽半汤温泉实测的一条剖面，可以看出，测
16、量，径迹测量和静电卡测量结果，同出露的温泉位置对应很好，而且静电卡可以清楚显示F1和F2断裂的位置。,6.2.3放射性物探的应用（续6）,6.3放射性测井,放射性测井是在井中测量岩石和孔隙流体的核物理性质 (如物质的天然放射性、人工核反应等)的一类物探方法。 与其他测井方法相比，它们具有以下两个重要特点: 1.由于放射性核素的衰变不受温度、压力、电磁场及自身化学性质的影响，因此可以更直接、更本质地研究岩石的物理性质。 2.放射性测井使用的射线及中子流等具有较强的穿透能力，因此它们在裸眼井或套管井、充满淡水的井或充满高矿化泥浆的井中都能进行测量。,6.3.1自然测井,自然测井测量装置示意图 1-
17、 探测器；2电子线路；3高压电源 4-井下装置外壳；5-电缆；6-地面测量仪器 7-地面记录仪器,自然测井是沿井身研究岩层天然放射性的方法。 测量原理: 井下装置中装有探测器，它将接收到的射线转变成电脉冲，经电子线路放大、整形后，通过电缆传送回地面。由地面仪器中计数率测量线路，将电脉冲变换为与脉冲计数率成正比的直流电压，最后做出测井曲线 (J曲线)。,几种常见岩层的J曲线 1- 泥岩； 2-砂岩； 3-方解石 ；4-海相泥岩； 5-斑脱岩； 6-岩盐； 7-石灰岩； 8-花岗岩,异常性质: 沿钻井剖面测得的J曲线反映了井内各岩层天然放射性物质含量的变化。对于沉积岩而言，J曲线上射线的强弱直接反
18、映了岩层中泥质含量的多少。 几种常见岩层的Jr曲线: 曲线的变化是井中各岩层放射性物质含量差异的反映，据此可以划分岩层。,6.3.1自然测井（续1）,6.3.2-测井,-测井装置示意图 1-源; 2-铅屏; 3-探测器; 4-弹簧片; 5-短源距探测器; 6-长源距探测器; 7-泥饼; 8-地面记录仪,原理: -测井是在钻孔中用射线照射岩层，然后用探测器记录被岩层中的电子所散射的射线。射线的强度与岩石密度有关，故-测井又称为密度测井。 注:岩石密度愈小，散射的射线愈强。,6.3.2-测井（续1）,利用J曲线划分含水层 1-砂层; 2-砂砾层; 3-粘土; 4-含贝壳粘土砂层 5-粘土砂层; 6
19、-含粘土砾石层,-测井应用: 确定岩层的孔隙度，划分岩层、含水层等。 实例：该区的主要含水层是砾石层，但在电阻率测井曲线上没有出现异常。在Jr曲线和Jrr曲线上砾石层均显示为低值异常，且Jrr曲线上更明显。,6.3.3中子测井,定义： 利用中子和物质作用产生的各种效应来研究钻井剖面中岩石性质的一组测井方法称为中子测井。 测井装置：将-测井的源改为中子源。根据探测器所记录的物理量不同，中子测井可以分为中子伽马测井和中子中子测井两大类。利用探测器测量次生射线的强度，就是中子伽马测井。而利用中子探测器测量热中子的密度，就是中子中子测井。,异常特点： 1.中子中子测井: 当用短源距测量时，热中子密度与
20、岩石含氢量成正比，而用长源距测量时，二者成反比。当源距为某一中间数值 (约40cm)时，热中子密度与岩石的含氢量无关，这种源距称为零源距。,6.3.3中子测井（续1）,2.中子 测井: 由探测器记录到的次生射线强度基本上决定于介质的含氢量。当采用长源距测量时，含氢量高的岩层，次生射线强度低，而含氢量低的岩层，次生射线强度高。采用短源距测量则出现相反情况。 当地层水矿化度较高 (如咸水层)时，其中含有较多的强吸收氯元素。氯元素每俘获一个热中子可以放出几个光子，因此次生射线的强度会明显增大，这时中子伽马曲线 ( )主要反映岩石的含氯量。 应用: 中子测井曲线可用于划分岩性、查明含水层。,6.3.3中子测井（续2）,