能谱测旋法测定土壤越野试验

能谱测旋法测定土壤越野试验

岩石被划分为岩石后，土壤在气候、地形和生物影响下发育而成。它由矿物、土壤溶液和土壤气体组成。土壤氡(222Rn)是从固态或液态介质中释放出来的,是土壤气体中的一种。由于地壳中含有放射性元素的岩石总是不断地向四周扩散氡气,使空气、地下水中含有不同浓度的氡气。土壤氡作为一种地下信息指示性示踪剂,在寻找隐伏铀矿、圈定油气藏边界和解决水文、工程地质中断裂带的分布问题以及预报地震灾害等方面取得了显著效果。氡气在扩散作用、对流作用、抽吸作用、地下水携带作用、伴生气体的气压作用以及团簇作用等影响下,能从地下深部迁移到地表。土壤氡浓度的年变化规律和日节性变化规律已被广泛研究,土壤氡浓度呈现冬天低、夏天高的规律,但日变化的规律并不明显,这可能是由于当时的测量仪器较难实现对土壤氡的实时连续测量,仪器容易受人工操作、钍射气(220Rn)等影响。在野外长时间的土壤氡浓度测量中,测量数据不仅受地质条件的影响,也受年变化和日变化的影响。为此,本实验利用壤氡扩散静电累积原理的α能谱测氡仪对土壤氡进行连续测量,并对土壤氡浓度的日变化规律及其影响因素进行了进一步研究和探索。1实验设备和方法1.1温度和湿度测量实验使用成都理工大学研发的α能谱测氡仪。仪器选用ue06420mm的金硅面垒型半导体探测器,以单片机C8051F340为数据采集器的微处理器,利用多道脉冲幅度分析器形成能谱图。仪器由单节锂电池进行供电,并配有太阳能板充电以实现对土壤的的连续实时测量。仪器的温湿度传感器可以同时测量土壤中的温湿度,仪器已通过标准氡室的温湿度修正。α能谱测氡仪通过测量218Po的α射线完成对222Rn的测量。仪器的显示数据由α能谱图、218Po计数、214Po计数、总计数和温度湿度构成。仪器利用土壤中氡气静态扩散的原理,氡气扩散到收集腔内部,有利减弱土壤中氡气场扰动及不均匀性影响;采用带电累积的方式,提高探测器的探测效率,增加测量信息量,降低统计涨落的影响;使用α能谱测量,能区分不同α辐射体的能谱特性,有利于区分土壤中220Rn子体的影响,同时也减少各种子体对探测器污染的恢复时间。1.2利用小型铣岩机铣取深度为40cm的测量坑实验选用成都理工大学地学核技术重点实验室作为实验场地。实验地点选在较为空旷的草坪,利用小型凿岩机凿取直径为25cm,深度为40cm的测量坑,同时放入2个探测器,编号为1号和2号,并将测量坑埋好。两个探头通过了标准氡室的一致性刻度,一致性刻度系数分别为1.0782和1.0566,其测量一致性良好。2氡与子体的测量结果在埋置探测器时,土壤氡聚集环境被临时破坏,恢复稳定的氡气场需要一定的时间,静置24h后开始测量。由于222Rn半衰期远大于218Po半衰期,可以认为在一个恒定的氡场中,经过30min(218Po的半衰期的10倍)氡与其子体218Po已经达到理论平衡。实验选取测量时间为1次/h。实验在成都一共测量了1206组数据,部分数据如图1所示。对比图1中的实验数据发现:探测器1和探测器2运行稳定,测量结果变化规律一致。对于同一测量地点,其土壤结构、成分和化学性质等在短期内是固定不变的。从图1可发现:218Po计数并不是服从简单的统计涨落分布,其计数有较明显的日变化。在图1中,3月31日后,土壤氡浓度的日变化规律并不明显。这主要是由于地震的影响,在4月1~20日一共出现了5次地震(震级≥3.0级,震中距≤150km),地震引起的土壤氡浓度异常导致日变化规律不明显。3影响因素的因素土壤氡浓度日变化不是由单一的因素引起的,对其分析必须结合多方面的因素。由于土壤中的镭含量、含水饱和度、孔隙度和粒径分布等无法实现连续测量,笔者仅从土壤温度、土壤湿度、空气温度等方面分析其对土壤氡浓度日变化规律的影响。3.1土壤氡含量的日变化土壤温度随着地表附近气温的变化而呈现昼夜变化。土壤表面在日间因吸收太阳辐射而增热,夜间因辐射而冷却。土壤表面的最高温度出现在13时左右,最低温度出现在接近日出的时候。这种变化会向下传到较深的土层,引起不同深度的土壤温度的日变。由于土壤的导热性不好,土壤最高温度和最低温度的出现时间随着深度的增加而逐渐向后延迟;最高、最低温度出现的时间,随土壤深度每增加约10cm,延后2.5~3.5h。实验中测氡仪距地面约40cm,通过以上规律可得出:每天最高温度约为23时左右,最低温度为14时左右。实验数据显示每天最高温度为21~23时,最低温度为12~15时,符合理论分析。图2中,土壤氡浓度的日变化为单峰型。土壤氡浓度在一天之中有较大的起伏,其变化规律与土壤温度大致相同。为求得二者的定量关系,对数据进行回归分析,结果见表1。表1分别选用了2个探测器的3组数据进行回归分析,分析数据由24个逐渐增加到72个;假设机率的值小于0.05,说明假设土壤温度与218Po计数相关成立;相关系数计算值大于相关系数检验值,说明土壤温度与218Po计数相关性良好;回归方程调整后的拟合系数较高,回归系数和相关系数都大于0,土壤氡浓度与土壤温度呈正相关关系。土壤温度是通过对流作用影响土壤氡浓度的变化。土壤氡的迁移的作用中,对流作用仅是扩散作用的一种重要形式。对流作用是指:当存在着压力差时,氡气可以从压力高的部位向压力低的部位迁移。土壤温度差会引起对流作用,促进了土壤中氡气的运动,从而产生了19~23时土壤氡浓度的高峰值和11~14时的低峰值现象。3.2土壤温度与土壤氡的关系土壤湿度的变化是由于降雨或降雪等引起的,土壤湿度呈现不规律的日变化。实验期间成都降雨少,湿度未发生较大的变化。实验组成员于5月15日至7月21日在内蒙古乌兰察布市进行了土壤氡连续测量实验,结合两次实验数据一起分析。从图3可发现:土壤氡浓度的日变化为双峰型。其第一个高峰值与土壤湿度最大值出现时间一致,第二个高峰值是由土壤温度引起的。为发现土壤氡浓度与土壤湿度变化规律的联系,对实验数据进行回归分析(表2)。表2中,前两组数据相关系数计算值小于相关系数检验值,说明土壤氡浓度与土壤湿度不相关。这是由于实验期间成都最大降雨每24h不超过6mm,湿度未发生较大的突然变化。第三、四组数据中,土壤氡浓度与土壤湿度相关。这是因为内蒙古乌兰察布市在实验期间经常有雨,湿度发生了大幅度变化。湿度的大幅度变化导致了土壤物理性质(含水饱和度、孔隙度等)的改变,从而使土壤氡浓度出现异常。降雨量的增加,地表土壤变得致密,从而阻止地层气体向大气逸出,使表层土壤下部所含气体的浓度增高。所以在土壤湿度出现最大值时,土壤氡浓度出现了高峰值。但是,实验还发现:暴雨后土壤氡浓度骤降,这是地下水位升高、观测孔内积水导致的。在暴雨后的一段时间后,土壤氡浓度恢复至正常背景值。3.3回归分析的结果一天内的气温高低呈周期性变化,这种变化离地面越近越明显。气温的日变化是由于下垫面的影响,大气中的热量累计相对于太阳辐射有一定的滞后性,气温的最高值一般出现在14时左右。在图4中,土壤氡浓度的日变化也为双峰型。对比发现:第一个高峰值与空气温度最大值出现时间一致,第二个高峰值是由土壤温度引起的。为求得二者的定量关系,对数据进行回归分析(表3)。由表3可看出,土壤氡浓度变化与空气温度呈不规律的相关性。3月14日和3月20日的数据显示:空气温度与土壤氡浓度相关,而3月17日的数据没发现其相关性。对比实验条件发现:3月14有降雨(约4mm),3月16日、17日无降雨,3月20日和3月21日均有降雨(约5mm),其余均一样。为此,得出结论:降雨后次日中午的空气温度升高引起了土壤氡浓度的高峰值。空气温度是通过抽吸作用影响土壤氡浓度的变化。当空气气温高于土壤温度时,由于热的作用,水蒸气蒸发,孔隙度增大,透气性能加大,使地下的铀矿体衰变出来的氡气不断地向上迁移,温度差异越大,向上迁移也越多越快。由于降雨的影响,增强了次日中午空气温度抽吸作用的影响,使土壤氡浓度在14时左右出现高峰值。为了对温度、湿度等对土壤氡浓度的影响进行量化,用公式对数据进行分析。在图5中,气象因素对土壤氡浓度的影响超过了1倍均方差,但未超过1.5倍均方差。研究表明:气象因素对土壤氡浓度影响不超过1倍均方差,本实验测量结果偏差较大,这是由于放射性自身的统计涨落和其他因素的影响(如:地震等)。4降雨和地震对土壤氡浓度的影响(1)土壤氡浓度日变化是由多种环境因素引起的。土壤氡浓度的日变化规律以单峰型为主,在降雨的作用下,土壤氡浓度会出现双峰型日变化。(2)土壤氡浓度与土壤温度呈正相关关系;较少的降雨对土壤氡的浓度几乎无影响,土壤湿度的大幅度变化会导致土