放射性地球物理伽玛能谱测量

放射性地球物理

概述定义：采用携带式γ能谱仪，通过现场同时测量岩石中铀、钍、钾含量来勘查矿产和解决地质问题的方法称为“γ射线能谱测量”，简称为“γ能谱测量”。

第5章伽玛能谱测量－应用核技术与自动化工程学院－与自然γ总量测量方法不同，γ能谱方法测量记录的是铀、钍、钾特征谱段的γ射线，因此可区分铀、钍、钾，故能解决较多的地质问题。γ能谱测量是最为成熟的天然核方法之一，目前，除在地面应用以外，γ能谱测量技术尚被应用于航空测量、井下测量，形成了航空γ能谱测量技术、γ能谱测井技术。铀系、钍系和钾所释放的γ射线的能量具有显著差别。岩石上实测铀系、钍系和钾的γ射线能谱图铀系释放的1.76MeV的γ射线、钍系释放的2.62MeV的γ射线、钾释放的1.46MeV

的γ射线对铀、钍、钾来说是特征的，即这三种特征能量的γ射线可以作为分别识别和测定铀、钍、钾的标志。一、γ能谱测量原理对于同时含有铀、钍、钾的岩石，采用能谱仪，设置测定1.76、2.62、1.46MeV的三个能窗进行测量，各能窗测量的计数可以表征为：式中：ai、bi、ci（i＝1，2，3）称为换算系数，分别表示单位含量的平衡铀、平衡钍、钾在不同测量窗内产生的计数率（单位分别为cpm／10-6U、cpm／10-6Th和cpm／％K），可以通过在铀、钍、钾三种标准模型上刻度时获得的9个方程来确定。测量铀、钍、钾1.76、2.62、1.46MeV的三个能窗一般设置为：1.66～1.87MeV；2.41～2.81MeV；1.37～1.57MeV一、铀、钍、钾含量及其比值的计算

当不研究钾含量的变化时，可用简便的两道地面γ能谱仪，选择两个合适的γ谱段，根据测量结果，就可列出如下方程组

1、岩石和土壤中铀、钍含量的测定

：谱仪1道（铀道）和2道（钍道）的计数率

：换算系数，分别表示在射线饱和条件下，单位含量的平衡铀、钍在1道和2道的计数率。式中通常分别称为1道和2道钍的铀当量，比值称为铀钍的能谱区分系数。C值越大，方程组的解越稳定。一、铀、钍、钾含量及其比值的计算

采用三道或四道地面γ能谱仪，选择三个合适的γ谱段，根据测量结果，就可列出如下方程组

2、岩石和土壤中铀、钍、钾含量的测定

第5章伽玛能谱测量Ni各道净计数一、铀、钍、钾含量及其比值的计算

如果将谱段选择得使镭、钾的射线不会进入钍道，钾不进入镭道，此时，简化为2、岩石和土壤中铀、钍、钾含量的测定

一、铀、钍、钾含量及其比值的计算

如果考虑到计数率太低会影响精度，则钍道道宽不宜太窄，此时进入钍道的镭组射线，就不能忽略不计，即a2≠0，在此情况下2、岩石和土壤中铀、钍、钾含量的测定

一、铀、钍、钾含量及其比值的计算

镭道一般选1.76MeV为其中间位置。对于钍系元素，其主要全能峰为2.62MeV,选此峰为其中间位置作为钍道。钾道一般都选为1.46MeV全能峰为其中间位置。

3、铀、钍、钾测量道的选择

道宽的大小，应选择适当，既要考虑上述原则，又应使被测全能峰整个包括在内，而相邻峰又被排除在外为原则。一般应使道宽略大于所选全能峰的能量与探测器能量分辨率的乘积（取该乘积的整数）。一、铀、钍、钾含量及其比值的计算

能谱仪器测量道宽选择示例：两台能谱仪器，其对137Cs的能量分辨率分别是15％和10％，其对测量道宽选择结果如下。3、铀、钍、钾测量道的选择

分辨率（％）钾道宽度MeV铀道宽度MeV钍道宽度MeV计算建议计算建议计算建议150.220.250.2650.300.390.40100.1460.200.1760.200.2620.30铀、钍、钾测量道的选择

国外著名测井公司伽玛能谱能窗选择方案单位KUTh阿特拉斯1.37-1.551.56-1.952.4-2.85斯仑贝谢1.1-1.61.6-2.02.0-3.0美能源部1.32-1.5751.65-2.392.475-2.765二、换算系数的测定换算系数是能谱仪器可以准确确定铀，钍，钾含量的基础。系数是否准确，直接影响能谱测量的质量，当系数不准确时，会使铀，钍，钾含量的计算发生系统误差。

概述换算系数是在已知准确含量的铀、钍、钾便准模型上确定的。目前确定系数的方法有：室内模型法、野外逆推法。二、换算系数的测定标准模型：为了把仪器测量结果直接表示成含量单位（％，g/t等），以及测定γ能谱仪的换算系数，需要制备γ射线达到饱和厚度的标准源。这类标准源具有一定的体积，习惯上称其为标准模型。

1、标准模型简介（1）密封模型结构：用铁皮制成圆柱形或方形密封箱子，其内装入含量已经准确确定的铀（或钍、或钾）矿粉。水泥将矿粉固结成块，表面用环氧树脂层密封。模型可由一大块构成，也可由多个小块堆积构成（积木式模型）。

二、换算系数的测定标准模型种类：一般有平衡铀模型、平衡钍模型、铀－钍混合模型、钾模型、零值模型五种。

1、标准模型简介（2）各种模型简介：平衡铀模型：由达到放射性平衡的纯铀矿石制成，不含钍（要求Th/U＜1/25～1/30)。钍模型：纯钍矿石制成，不含铀（Th/U＞50）。铀－钍混合模型：铀、钍矿石混合加工制成。钾模型：一般用钾盐制成。零值模型：放射性含量极低的石英砂制成。用于测定仪器底数。二、换算系数的测定采用饱和模型测定γ能谱仪的换算系数时，模型必须满足γ射线饱和条件。2、饱和模型的一般要求模型厚度要求：l－模型厚度；ρ－模型中矿粉的装填密度。一般要求矿粉装填密度大于2g/cm3。为获较大装填密度，矿粉粒度应控制在1～5mm内。模型半径：要求达到横向饱和。当探测器较小时，若探测器离矿粉表面的距离小于4cm，则模型半径应为80cm。二、换算系数的测定γ能谱仪的标定，实质上是确定道灵敏度（ai、bi、ci）和换算系数（Ai、Bi、Ci）以及康普顿散射修正系数。以常用的四道谱仪综合剥谱法为例，其标定过程可以归结为求解如下两个方程组：3、基准（饱和）模型上换算系数的测定二、换算系数的测定4、小模型法(1)特点：制作容易，便于搬运，有利于在野外测定和经常检查换算系数。使用方法：使用时必须事先求出小模型单位铀、钍含量在谱仪铀、钍道产生的射线照射量率，占饱和模型射线照射量率的比值。此比值通常称为饱和度。小模型法：用不饱和的小模型代替饱和模型来测定换算系数的方法。

二、换算系数的测定4、小模型法(2)测定饱和度时，γ能谱仪所采用的谱段即能量阈与道宽，应和野外实际工作时相同探测器离小模型顶面的相对位置，必须严格控制小模型法：通常采用圆柱型小模型，直径30～40cm，高15～20cm左右。这时饱和度为0.3～0.4左右。必须指出，饱和度不仅和模型大小有关，当小模型规格一定时，饱和度还和测量射线能量以及探测器离小模型的距离等因素有关。因此在测定饱和度时必须注意：三、铀、钍含量涨落误差的估计设：观测点上，岩石射线照射量率在能谱仪第i道上的计数为Ni，则1、计数率的误差计数率的均方差（标准差）为：

计数率的均方差（标准差）为：

在地面γ能谱测量中，底数Nb一般要求作高精度测定，测量时间很长，即tb很大，所以Nb/tb很小，可忽略，故

因为Nb已知，所以在对计数率的测量精度要求确定后，即一定时，就可按上式中计算，求出测定Ni所需时间。反之，对某一固定的测量时间，可以求出γ能谱仪在各道能准确测定的最小计数率。4-39三、铀、钍含量涨落误差的估计在已知计数率均方差后，就可求出铀、钍含量的均方差。

2、铀、钍含量的误差例如,由于底数较小，其影响可以忽略时，则能谱仪1道和2道计数率N1、N2的均方差分别为：铀钍含量的相对均方差为：

式中，M－为钍铀的比值，M=t－观测点的测量时间讨论：（1）均方差与换算系数的关系系数的差值越大，测定铀、钍的均方差值越小。因为γ能谱仪的铀钍区分系数为：可见区分系数越大，和的差值也越大。所以要求区分系数大。讨论：（2）均方差与铀钍含量及其比值的关系

1）铀和钍的含量越高，测定铀钍的均方差越小；2）在铀含量一定时，钍含量越大，即钍铀比值M越大。测定铀的均方差也越大；在钍含量一定时，铀含量越大，即钍铀比值越小，测定钍的均方差越大。3）均方差与测量时间的关系：在换算系数与铀钍含量及其比值一定时，铀钍含量的均方差，随测量时间的增加而减小。在铀钍含量的测量精度确定后，即在一定时，就可以在一定的铀钍含量及其比值范围内，按4-39式计算，求出测量时间。

第5章伽玛能谱测量四、地面伽玛能谱测量野外工作方法1、野外伽玛能谱仪简介以FD－3022为例

主放大器

多道分析器

微处理机系统

液晶显示器主机探测器前置放大器探头稳谱控制高压低压FD－3022γ能谱仪原理框图γ能谱仪器刻度基本方法数学原理：9个未知数至少需要9个方程才可以确定。在已铀含量为主的铀标准模型、以钍为主的钍模型、以钾为主的钾模型上，分别测量铀道、钍道、钾道的计数，即可获得确定前述方程系数的9个方程。（1）体积小、重量轻、便于携带。（2）具有两个以上的测量道。（3）漂移小。（4）线性好。（5）能量分辨率高。（6）晶体大，灵敏度高。2、对野外能谱仪的基本要求四、地面伽玛能谱测量野外工作方法3、工作方法简述四、地面伽玛能谱测量野外工作方法在投入生产之前，对能谱仪必须进行性能检查；选择测量谱段（亦有些仪器是固定的谱段无需选择）；测定换算系数（或称能谱仪的标定）等工作。普查阶段：采用比例尺为1：10000和1：25000，线距100m和250m，点距10~20m和~50m。详查阶段，比例尺为1：1000到1：5000，线距10和50m，点距1~2m和5~10m。测线垂直地层和构造的主要走向。在每一测点上。能谱仪作定时计数，测定铀、钍、钾道的计数率。根据野外测量结果，在室内计算铀、钍、钾含量及钍铀、钍钾、铀钾的比值。绘制的主要图件有：钍、钍、钾含量等值图，比值（）等值图。1、岩石的射气作用五、地面伽玛能谱测量中，某些

干扰因素的考虑由于射气作用的结果，部分氡从岩石中逸出，使铀系产生的γ射线照射量率下降。射气作用对γ射线照射量率的影响，可用下式表示：

式中，K和λ—射气的扩散系数和衰变常数。η，p和μ—岩石的射气系数，孔隙度和衰减系数。

I和I∞—岩石有射气作用和无射气作用η=0时的射线照射量率。

前述公式表明，有射气作用时，岩石射线照射量率不仅和射气系数有关，而且和扩散系数，孔隙度等因素有关。

通常，令

称为有效射气系数，可以实际测定。

各类岩石，射气系数变化很大，通常致密岩石的射气系数较小，一般只有百分之几。而疏松岩石和浮土的射气系数比较大，为20~40%左右。因此不考虑射气作用，有时会使铀（镭）含量的测定产生一定误差。（误差可达20~30%，甚至可能更大）。

通常在测定换算系数时，敞开模型的有效射气系数（或用野外逆法测定换算系数时，天然地质体的有效射气系数）和测区内岩石的有效射气系数相似时，可以消除部分岩石射气作用产生的误差有时为消除这种误差，对测得的Ra含量作必要的射气系数（通常指有效射气系数）校正。

通常，令

必须指出，有效射气系数不仅和岩石类型、成分、结构有关，而且和温度、温度、气压、风速等因素有关。例如：温度上升，岩石射气系数增加。风速增加，土壤表层氡浓度减小，致使有并行射气系数变大。

2、底数的变化（1）五、地面伽玛能谱测量中，某些

干扰因素的考虑野外记录的γ射线照射量率由岩石和土壤中的放射性物质、宇宙射线、以及仪器探测器中的微量放射性物质引起。后两种原因引起的γ射线照射量率值之和称为自然底数，一般可以采用在宽阔的湖面上预先测定，并在资料整理时予以扣除。湖面测量计数为：宇宙射线、以及仪器探测器中的微量放射性物质引起伽玛辐射仪器进入离岸边较远处或湖心2、底数的变化（2）五、地面伽玛能谱测量中，某些

干扰因素的考虑在某些地区，用能谱仪镭道（1.76MeV±△E）测定底数时，会发现底数随时间、地点发生变化。底数的变化又可分为昼夜变化，季节性变化和降雨引起的变化等。（1）昼夜变化昼夜变化和地区地理位置及早晚气象条件的改变等因素有关。例如在俄塔什干地区，风速小，观测结果，在早晨6～9点底数最大，以后连续下降，到18～20点时达到常数值。在有些地区，最大值出现在早晨5～6点，以后底数迅速下降，到8～10点时，达到常数值。这种影响，在测定镭的克拉克含量时，可产生8%左右的相对误差。2、底数的变化（3）（2）季节性变化在一年当中，由春季到秋季、冬季，可观测到底数变化在有规律的增加现象。如果在野外工作的前后两交所测定底数，取平均值计算，则季节性底数变化的影响减小，在测定Ra的克拉克含量时，相对误差不超过5%。（3）降雨引起的变化有时在某些地区，降雨后可以观测到Ra道底数大增加。这种现象称为“降雨干扰”。这种干扰甚至可以产生170%的相对误差。以上底数的变化都是由于地表大气中氡及其衰变产物的浓度变化引起的。例如，降雨时，大气中氡及其衰变产物被水滴俘获，而降落到地上，使地表大气中氡及其衰变产物浓度发生变化。3、湿度对重量浓度的影响五、地面伽玛能谱测量中，某些

干扰因素的考虑测区中土壤和岩石的湿度ω和测定换算系数时的模型或天然地质体的湿度ω0不同时，测定放射性元素重量浓度的误差可用下式表示：

通常岩石和土壤的湿度在0~0.25范围内变化。若模型的湿度为0.12，测定Ra、Th、K含量的相对误差约为12%。

4、其它干扰因素五、地面伽玛能谱测量中，某些

干扰因素的考虑由于核试验，已经产生了几百种放射性核素。其中多数产量很少，且在很短时间内已全部衰变，可能对人类生活产生影响的只有7种。它们是：14C,137Cs,95Zr,90Sr,103Ru,144Ce和3H。可能对γ能谱测量造成干扰则是：95Zr（0.75MeV）、137Cs（0.661MeV）、103Ru（0.48MeV）。核试验产生的放射性核素只对低于1MeV伽玛射线测量产生干扰。这种干扰称为放射性沉降物干扰。勘查放射性矿产：铀、钍矿，钾盐矿等；岩性分类与地质填图勘查水资源工程地质中确定裂隙、断层寻找非放射性矿产放射性环境评价勘查油气藏六、γ能谱测量的应用1、主要应用范围原理不同类型岩石中，放射性元素的平均含量是不同的；同类岩石中，放射性元素的分布服从地球化学规律；随时间推移，同类岩石中年龄越老的，放射性越弱；沉积岩中，放射性元素主要富集在泥质成分中，泥质含量越高，放射性越强；γ能谱测量的应用－岩石分类与地质填图基本原则与放射性元素具有一定共生关系的矿产。共生关系类型固定、经常、偶然固定共生关系在成因上与碱性岩核碳酸盐岩有关的稀有矿产和钠长石矿床，以及含独居石和锆石的钛铁矿。经常共生关系常见沉积钒矿、钼矿、磷矿、煤、可燃页岩、含稀有金属伟晶岩、古老的含金砾岩等。偶然共生关系铜、锡、多金属矿，内生的钼、钨矿等γ能谱测量的应用－勘查非放射性矿产γ能谱测量应用实例－勘查金矿山东某地γ测量找金矿成果图上图是应用γ能谱测量寻找含金构造带的实例。在含金矿脉附近，γ总量曲线和K含量曲线出现低值，U、Th含量曲线出现高值，