地球物理通论γ射线测量和勘查方法

5.2.1 天然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，目前依然存在有180多种。主要是铀、钍、锕系列和钾 40，能够成为核工业原料的主要是铀、钍。有可能影响人类辐射环境的除了核事故之外，也主要是这两者。铀是主要天然放射性核素，在地球各圈层中平均含量仅为百万分之二，主要集中在地壳。地壳组成的各类岩石中放射性元素含量也不相同（表5．1）。

表5.1 各类岩石中铀、钍、钾含量

*包括碳酸盐岩。

铀原子的外层有6个价电子，具有很强的亲氧性和水溶解性。它在自然界形成稳定的氧化物，呈四价和六价化合物（属亲石元素，易存在于酸性岩石中）。在氧化条件下四价铀可以转化为六价铀，易溶解于水。在还原条件下，六价铀转化为四价铀沉积下来，形成沉积矿床。

钍属稀土元素组，亲石元素。它主要集中在地壳上部花岗岩中，组成四价极稳定化合物，不易溶解。在岩浆旋回中，钍和铀一起运移，进入铀矿物的一些组分中。在热液分异过程中钍和铀有所不同。岩石分化时，它以碎屑形式和水（地表水和地下水）溶解形式，从岩石带走铀和钍，但形式各不相同。钍处于晶格中，只受物理破坏的影响，具有较低的运移能力；而六价铀易溶于水，具有很强的迁移能力。如果介质的渗透性好，裂隙和解理发育，铀可以有很长的迁移路程，在矿床周围形成分散晕和分散流，成为找矿标志。

与其他金属元素相比，铀在地壳中的含量很低，可能成为工业矿床的概率小于其他金属元素，即使是可采工业矿床铀含量也很低，所以放射性矿床的找矿与勘探，各种放射性测量方法都不可或缺。

5.2.2 γ辐射场的分布和能量迁移

放射性含矿层发射的γ射线经过矿层物质、土壤盖层和空气到达探测器，在这些介质中都要发生光电效应、散射效应和电子对效应，使γ射线受到衰减和能量迁移。被探测器记录的是与路径物质多次作用后的（主要是多次散射）γ射线。下面只研究一次散射地面γ场的计算和多次散射的能量迁移分布特征。

1）地面上空γ辐射场的分布

航空和地面γ测量，每个测点的测量值，都是地面放射性物质发射的γ射线，是能到达探测器的周围一定范围内的γ射线照射量率的总量。

（1）地面γ辐射场。为了计算方便，假定出露地表的矿层无限宽阔，且厚度无限，矿层中放射性元素含量均匀（图5．4），则在矿层表面某点P一次γ辐射场强度（I）与食量（C）关系为

图5.4 辐射体上空一次辐射计算图

式中，k为γ常数，即1g点状放射性物质在1cm距离处的照射量率；C为矿层中放射性元素含量；ρ为密度；μ为矿层对γ射线自吸收的衰减系数，由于地面找矿，探测器离地面很近（H＝0），空气对γ射线的衰减系数可以忽略不计。由于矿层半径和厚度均达到γ射线穿透的最大值，所以式（5．6）为γ射线最大强度。该矿层称为饱和矿层。

（2）地面上空γ辐射场。在无限大放射性矿层上空，高度H处P点的γ射线强度可以参照式（5．4）计算，同时考虑到不是点状放射源，是地面宽束γ射线源，将式（5．4）改写为

式中，φ（μ0，H）为空气对宽束γ射线强度吸收的金格函数；μ0为空气对γ射线的衰减系数。

图5.5 花岗岩上空（相当于半无限大矿层）实测结果

矿层发射的γ射线，在不同高度的衰减可以计算；在高度H＝25m时，金格函数φ（0．004，25）＝0．72，即可测量得到一次γ辐射最大强度［式（5．6）］表示的72％；在H＝50m时，φ（0．004，50）＝0．60，可测得60％；在H＝100m时，φ（0．004， 100）＝0．4，可测得40％；在H＝150m时， φ（0．004，150）＝0．28，可测得28％。图5．5为花岗岩上空（相当于半无限大矿层）实测结果，从1．46MeV谱峰看，与计算结果基本相似或衰减更多一些。说明航空γ测量，飞行高度不宜过高。

处于一定高度的某点航测仪器能探测的地面γ射线辐射场的最大范围称为作用场。取其内部80％范围，沿飞行测线的分布称为作用带。根据当代高灵敏度γ能谱仪计算：飞行高度20m，作用带半径为70m；高度60m，作用带半径为140m；高度120m，半径为250m。高度与作用带半径近似为2倍关系。

2）无限介质中γ射线的能量迁移

上述大体积放射性矿床辐射源一次γ射线照射量率计算是比较简单的。因为只考虑矿层放射源γ射线到探测器的路程上各种物质层对γ射线的指数衰减规律。实际上，γ射线在无限介质中穿过，会产生光电效应、康普顿散射和电子对效应。每次碰撞后，散射光子的运动方向改变和能量损失是任意的、随机的，因此研究二次散射（即散射射线的散射）或多次散射光子在介质中的能量迁移是比较复杂的。

康普顿散射在形成二次以上散射光子中起主要作用。一般是低能光子能量损失比高能光子要小得多，因此在无限（或半无限）介质中多次散射后，γ射线能量向低能区蓄积，但由于低能光子的光电吸收，又使低能光子数减少，因此光电吸收阻碍了低能光子的无限蓄积，形成一定能量分布特征，使散射光子能谱达到平衡状态。对此，有许多学者从不同方面进行过研究。这里主要研究本专业实用的无限介质中单一γ射线能量迁移问题。

对于初始能量单一的γ射线源，在无限介质中（即钻孔中）多次散射达到能量谱平衡可以计算。如γ-γ测井（散射γ测井），使用137Cs（铯）放射源，发射单一能量660KeV。通常采用连续损耗近似法，针对不同煤的灰分平均值（％），用迭代法计算的多次散射光子能量谱，如图5．6所示。

由图5．6可见，在散射光子能量E＞150keV时，实际上与介质成分无关，是密度γ-γ测井所用的能谱区，在这一区间，散射γ光子数与介质密度几乎呈线性下降。在散射光子能量E＜150keV时，由于康普顿散射和光电效应使散射光子在低能区蓄积，对于不同原子序数（即煤中不同灰分含量）物质，有相应的极大值，称临界能量。

图5.6 迭代法计算的多次散射光子能量谱

由此可见，使用低能γ射线，根据γ-γ方法测量煤灰分可以有三种方法：①临界能量法，由图5．6可见，随着灰分含量增高，散射光子的极大值移向高能方向，该法的特点是与密度无关；②散射能谱强度法，主要是记录30～60keV的散射光子，该法的缺点是易受密度影响；③比值法，即选择30～60keV散射谱段总计数与140keV以后整个谱段计数之比。该方法容易操作，且与介质密度变化无关。

5.2.3 航空γ能谱测量方法

将高灵敏度γ能谱仪安装在轻型飞机上，在飞行中连续对地面进行γ能谱测量。其特点是效率高、成本低，适合大面积找矿或地质调查，特别是人难以到达或不适合人到达地区的地质和环境调查。

早期的仪器只能测量γ射线总量，灵敏度较低。20世纪70年代使用大型碘化钠［Na I （Tl）］闪烁晶体探测器测量γ射线能谱，拓宽了应用领域，更有利于显示铀的矿化区和区域地质背景，圈定有利于铀矿化的铀源区，而且可以用于一些非放射性矿产普查，探测地质构造，确定地质界线，圈定岩体，确定岩浆活动期次等。

天然放射性核素铀、钍、钾都发射有特征能量的γ射线。钍系中发射能量为2．62MeV的γ射线；铀系发射能量为1．76MeV的γ射线；钾发射能量为1．46MeV的γ射线，这些能量的γ射线受干扰较少，是测量铀、钍、钾含量的首选γ射线组。

1）铀、钍、钾含量计算方法

为了将γ能谱测量的计数率（CPS）换算成矿（岩）石中铀、钍、钾含量，常选三个元素有代表性的主要γ射线能量峰为中心，分别选择以下三个谱段（仪器的道宽）和γ射线总计数道构成以下4个测量道：

钾道（K），以1．46MeV为中心，道宽1．37～1．57MeV，净计数率I1；

铀道（U），以1．76MeV为中心，道宽1．66～1．87MeV，净计数率I2；

钍道（Th），以2．62MeV为中心，道宽2．41～2．81MeV，净计数率I3；(www.xing528.com)

总道（Tc），道宽0．4～3．0MeV，净计数率I4。

净计数率指的是各道计数率减去飞机和仪器所用的金属材料中含有的放射性元素引起的“本底”计数率。

上述的三个能量峰虽然清晰，但由γ射线能量在介质中迁移的原理可知，钍的2．62MeV γ射线在介质中多次散射将叠加在铀道计数和钾道中。同时散射也使高能峰降低。为了消除影响，利用各道计数，正确计算铀、钍、钾含量，列出如下三元一次联立方程：

式中，I1、I2、I3为K、U、Th道减去本底（I底＝I机＋I宇）后的计数率；CK、CU、CTh为岩（矿）石中K、U、Th的含量；a11，…，a33等6个系数，称换算系数，即饱和矿层厚度条件下，岩（矿）层中单位含量所对应的计数率，如a11为钾道计数率对应的岩（矿）层中钾含量；a12为铀道计数率对应的铀含量，依次类推。

解方程式（5．8），得钍、铀、钾含量：

式中各换算系数，可在国家5个标准模型上测定。

2）航空γ测量工作方法

（1）仪器的准备。

当代航空γ能谱仪都是256道或512道，为了提高探测灵敏度，所用的探测器都是大体积的铊激活的碘化钠晶体［Na I（Tl）］与光电倍增管对接构成的探测器，为适应找矿需要一般设置为4个测量道，如用于环境辐射调查，可以重新设置。在飞行中采集所有数据。在地面基站进行数据整理和处理，打印输出铀、钍、钾含量等值图和ω（U）/ω（K）、ω（U）/ω（Th）的值图以及相应的剖面图等。

为了保证数据的一致性，新仪器或工作一段时间之后，要在标准模型上对仪器进行标定和测定计算含量用的换算系数。

（2）飞行测量工作。

（A）根据航测目的确定飞行任务：适应航测目的的要求，确定航测调查详细程度，也就是比例尺和测线距的确定。

举例如下：①以全国放射性矿产资源评价和选择远景找矿地区为目的，进行放射性偏高γ场普查以及大范围辐射环境评价。一般选用1∶5万～1∶20万比例尺。②找寻铀矿床或追索放射性异常。一般选用1∶2．5万～1∶5万比例尺，因异常范围小，考虑仪器探测的作用带，飞行高度尽可能低。③在已有矿产发现的基础上扩大找矿区域。一般选用1∶1万～1∶2．5万比例尺。④已知有污染的辐射区域圈定，视核事故扩散区域大小而定，选用比例尺可以是1∶5000～1∶2．5万。⑤普查石油、天然气或金属矿产比例尺可以是1∶2．5万～1∶20万。测线方向一般与地层垂直。

测线距视比例尺而定，也与飞行高度和作用带有关。早期测量较稀，一般是1∶1万，用线距100m；1∶2．5万，用线距250m，现在用100m或150m。

（B）飞行测量工作。野外飞行测量，分为基线飞行、辅助飞行和测线飞行。基线飞行，在于检查仪器的稳定性，出发、收工各测一次。辅助飞行，主要在水面飞行，消除地壳岩石γ射线影响，测定仪器本底计数和大气氡的校正系数。测线飞行前，首先在航线图上，确定航测点的大地坐标，保持飞行与地面等高。

3）航空γ能谱异常的地质解释

航空γ能谱异常的地质解释与电法或磁法相比，既简单又复杂，因为γ场是放射性核素原子核衰变放出射线，反应核素的含量，而且主要是地表20～30cm岩（土）层中核素的含量；复杂的是许多岩石或构造带有可能形成局部核素富集，但不一定成矿，因此判别是否矿异常有一定难度。

为了得到正确的地质解释，应首先了解本测区的有利成（铀）矿的地质条件和构造特征；结合已知铀矿异常的特点，对取得的航测资料进行分析，作出地质解释。下面举例说明几种异常特征的地质解释（但不能看作唯一的解释）。

（1）航空γ能谱图中出现大面积偏高异常，与花岗岩体分布基本一致，其中有明显的高峰异常，铀含量高，可能成为有工业价值的花岗岩型铀矿床。

有些燕山期在花岗岩地区的航空γ能谱测量给出的铀、钍、钾和总道都出现高值异常，且铀和钍、铀和钾含量相关关系达0．8或更高，可能构成铀矿异常。

（2）砂岩地区航空γ能谱铀异常分布出现带状、点状或出现多峰值，但异常值较低（一般在3×10－6～4×10－6），如相邻有花岗岩地区，异常略高，在3×10－6～5×10－6，如面积大（可能成为铀源区），可能出现砂岩铀矿。

（3）铀异常值比较低，如果这些异常分散，沿水系分布，如图5．7所示。则这些异常可能是铀矿床的分散流引起，应追寻到上游地区，可能找到铀矿床。

图5.7 铀矿分散流的航空γ能谱等值线（A、B为铀矿床）

5.2.4 γ能谱测量的应用

1）钾盐矿产勘查的航空γ能谱测量

天然钾元素中40K（钾）的丰度是固定的，发射单一能量（1．46MeV）的γ射线。高灵敏度航空γ能谱测量，在150m高空可以准确测量。

1980年在河南驻马店西部航空γ能谱测量中发现异常区与震旦系地层中的富钾区与含钾粘板岩相吻合。

1984年在柴达木盆地第二轮盐矿普查中，航空γ能谱测量，在盆地中部2．36万km2面积上进行比例尺为1∶10万钾盐调查。取得钾异常区32处，其中富钾区12处，圈定钾盐成矿远景区7处。别勒滩钾盐矿属西部一个区域，面积2200km2，钾盐主要赋存于全新统上部，共有6层钾矿，固体钾矿多呈层状，最高含量达17．95％，液体钾矿以晶间卤水为主。图5．8为别勒滩航空γ能谱圈定的富钾区，与1967年钻孔资料确定的钾矿（K7）范围对比。表明1967年确认的中部近地表（K7）盐层钾矿分布范围，演变为分割的三段，并在周围发现众多富钾区，为合理开发K7盐矿和扩大矿区储量提供了依据。

图5.8 别勒滩表层固体钾矿范围对比图

1—航空γ能谱圈定的富钾区（表层固体钾矿）及编号；2—根据1967年地表钻孔资料圈定的表层固体钾矿范围；3—航空γ能谱钾异常及编号

2）油田的航空γ放射性勘查

图5．9是美国得克萨斯州东部一个油田上空的航空γ放射性异常中的两条剖面图（A B和B C），经过光滑处理后，低值连续，清晰明显，与油田相应的位置说明4个油藏都在铀（w Ud）和钾（w Kd）的低值位置。

图5.9 东得克萨斯油田航空γ放射性异常剖面图