氡气测量及其应用-地球物理通论

氡有三个天然放射性同位素，分别来自三个天然放射性系列（图5．1），由镭同位素产生的222Rn、220Rn、219Rn。其中219Rn的半衰期很短，为3．92s，自然界含量很低，难以应用。主要是研究222Rn和220Rn。重要的是矿石中铀系镭衰变产生的222Rn（半衰期3．825天）。一部分固结于岩（矿）石的晶格中，称为约束氡。一部分进入岩（矿）石土壤的孔隙中，可以活动和迁移，称为自由氡，像其他气体一样，能够在岩（矿）石和土壤孔隙、水体和空气中迁移。氡为惰性气体，不易产生化学反应，但易溶于水和油脂类。

从采集氡样的时间长短划分，有瞬时氡测量和积累氡测量方法。瞬时氡气测量方法是最早测量氡的方法，测量仪器种类很多，土壤采样深度50～80cm（如果需要，可以更深），利用仪器测量换算出土壤中氡气的浓度值，其优点是快速，在测量点见到异常可以在周围进行追踪测量，及时了解异常的分布。积累氡测量方法将采样片较长时间埋在土壤探坑中，使土壤中氡较长时间沉积在采样片上，可以是几小时或者几十天。相对于瞬时氡测量来讲，累积测氡时间长，均化了自然环境影响，有效提高了探测灵敏度，有利于探测深部矿体。

5.3.1 深部来源的氡气测量

深部矿体产生的氡，在地温和压力梯度作用下向地表迁移，为深部找矿提供了信息。氡及其子体，都是强α辐射体，容易采集和探测，且灵明度很高，累积测量方法多样。有α聚焦器法和活性炭吸附器测氡方法等。

图5.10 探坑埋深示意图

α聚焦器又称α卡，有自α卡方法和静电α卡方法，20世纪70年代由加拿大卡尔顿大学提出，α卡片材料可以是金属片或塑料片，一般取3．8cm×4．5cm大小。用α卡片采集土壤中氡及其子体的方法，是将采样卡片埋于土壤空间中，如图5．10所示。采样时间一般为3h（也有用10h以上）。取出后用α测量仪器测量α射线计数率，并换算出土壤氡浓度。

活性炭微细孔隙丰富，比表面积大，是氡的强吸附剂，且在很大吸附氡量范围内呈线性关系。用作氡采集器寻找铀矿，20世纪60年代始于瑞典，70年代在我国应用。

取直径3cm塑料瓶，装活性炭4～5cm高（上置干燥剂去湿影响），装入塑料杯埋入土壤，与图5．10相似。一般采样4～7天，使氡与子体达到平衡。吸附氡样品的活性炭，用γ能谱仪或γ总量测量仪进行测量，计算氡的浓度。

测氡不仅在找矿中有用，而且在构造研究、地震预测、地质灾害探测等方面，也是重要方法。大量实测资料证明，对于一定规模的断层，通过氡气体测量，可以准确寻找出隐伏断层位置。但氡浓度的异常幅度，剖面形状常受断层规模、断层破碎带宽度，充填物以及覆盖层厚度，孔隙度以及地貌、植被等多种因素的影响。但观其趋势，可以得到一定信息。如断层近乎垂直，断层破碎带较开放，盖层不厚，氡等气体形成单峰高值。对于倾斜断层，则氡异常随土壤盖层厚度增大而展宽。

郯庐断裂带是我国东部一条巨型活动断裂带，在江苏省宿迁—泗洪段，进行氡气测量，使用瞬时测氡方法，在横跨断裂带的110km，点距由4m加密到2m。如图5．11所示为泗洪县泗宿剖面的测量结果。断层位置与氡异常峰一致。

图5.11 郯庐断裂泗洪段氡测量剖面

5.3.2 环境（大气）氡测量

氡在大气中随大气一起运动，成为大气活动的示踪，逐渐用于气象研究和大气沉积物研究。氡也是人类健康危害最主要的天然放射性核素。

1）环境辐射的来源

（1）平均辐射剂量及其来源。1945年第一颗原子弹爆炸之后，引起核技术竞争，至1992年共有1950次核试验，其中大气爆炸520次。使人们感到大气空间“死神降临”，危害人类健康的呼声日益高涨，于是1955年联合国成立原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR），针对放射性可能造成人类健康危害进行定量评价。

1993年研究公布了全球公众每年每人受到各类辐射照射的平均有效剂量：宇宙射线产生0．39mSv/a，土壤岩石中天然放射性核素铀、钍、钾等放出的γ射线产生0．46mSv/a，X射线医疗检查人均0．6mSv/a，核爆炸、核动力事故以及各类放射源合计产生0．6mSv/a，人体含有天然核素（40K、14C等）产生0．23mSv/a，空气中氡及其衰变子体，对人体产生的有效剂量为1．3mSv/a。以上总计为3．58mSv/a。天然放射性核素占2．38mSv/a，占总计剂量的66％。在天然放射性辐射中氡及其子体占55％。而且氡存在于空气中由呼吸道进入体内，比较集中沉积在肺部，已成为公认的肺癌的致病因素之一，是当前环境辐射研究的重点。

（2）大气氡的来源。像其他大气成分一样，主要来自大陆和海洋。

地壳中铀含量平均在2g/t左右，估计地壳中铀的总量为4×109t，陆地平均铀含量2．8×10－6（eU），相应的226Ra为25Bq/kg，如果地面氡析出率平均为16mBq/（m2·s）。则每年进入大气，总计约9．7×1019Bq/a。与其他气体一样，99％都在对流层12km以下。

地球表面的平均浓度为2．9Bq·m3。陆地表面平均浓度为9．8Bq·m3，在1～15Bq·m3变化。海洋表面的平均浓度为0．03Bq·m3，不超过1Bq·m3。我国大陆地区平均为13Bq·m3，最高为广东阳江，平均为16．4Bq·m3。(www.xing528.com)

大气中的氡和其他气体一样，随高度和气象条件的变化而变化，与湿度、温度、气压都有关系，夏季浓度低，冬季浓度高。

（3）射气系数和析出率。大气中氡不仅与岩性有关，而且与岩石、矿物和土壤的结构、构造有关，松散与孔隙度大的土壤（岩石）氡容易溢出，可以用氡的射气系数和析出率表示。

放射性矿物中镭核衰变产生氡，一部分固结在晶格中，称束缚氡，一部分进入土壤（岩石）孔隙中，可以迁移，称自由氡。在一定时间间隔内，从土壤（岩石）中放出的氡气量（N1）与同一时间内产生的氡气量（N）之比，称为射气系数α＝×100（％）。表示孔隙中自由氡所占的比例。这些孔隙中的氡有多少能溢出地面（介质面）进入大气，同样与成分、结构、颗粒度、孔隙度以及湿度、温度等因素有关。用氡析出率（δ）来表示，即单位地面面积在单位时间内溢出氡的量。

2）区域环境辐射监测

环境监测的主要目的是保护人身安全，调查地区平均辐射水平和核素种类，评价公众受照射辐射（内、外）水平，评价核设施的安全性以及核设施对公众造成的危害。

除突发核事故外，天然放射性核素是影响公共环境辐射安全的重要放射性源。对人的放射性照射分为外照射和内照射。外照射源主要是宇宙射线和地壳岩石（土壤）中的40K、238U、232Th放出的γ射线。内照射主要是进入人体的氡（222Rn＋220Rn）。

天然放射性核素在地壳岩石中的分布是不均匀的，对人的危害，区域性很强，许多国家制作了两种背景环境放射性分布图。一种是γ射线剂量率图，一种是氡浓度地质潜势图。为选择居住区以及经济、文化建设提供参考。

（1）环境γ辐射测量。地区放射性元素分布，决定于岩石类型，在花岗岩中各种放射性核素含量都比较高（表5．1），这些地区1m高处空气吸收剂量值比较大。人居住的地区大都有土壤覆盖，但土壤结构松散，铀易流失或聚集，一般处于不平衡状态，且氡的析出率较高。空气吸收剂量差别较大。例如：①巴西高γ射线本底区Guarapari镇，土壤中富含独居石，街道1m高空气吸收剂量率为12μGy/h，居民照射年平均剂量6．4mSv，为全球平均水平的6倍，与正常地区相比人群染色体畸变率有所增加；②广东阳江，土壤中铀、镭、钍高于平均水平4～7倍，居民照射年平均剂量2．8mSv，为全球平均水平的3倍，单相指标看不出变化，但全因死亡率高于正常水平。

区域环境辐射剂量测量，主要是航空γ能谱测量，辅以汽车γ能谱测量，少数地区采用地面γ测量。航空γ能谱测量方法是区域辐射本底调查、核辐射污染调查和评价的有效方法。用以编制区域γ射线空气吸收剂量率图（单位为Gy/h），换算和编制氡地质潜势图，调查和圈定核事故污染引起的铯（137Cs）等沉淀的污染区域。

（2）环境氡的测量。氡易被吸入体内，成为体内照射的主要天然核素，根据流行病学调查，在患肺癌死亡的总人数中占8．2％。被世界卫生组织（WHO）列为19种致癌物质之一。

公众生活环境中的氡，主要来自大地。地表与大气之间存在温度差、压力差和氡浓度差的情况下，氡由土壤中析出进入大气。

人的活动80％时间在室内，而且又是一个相对的密闭空间，氡气容易积累。因此室内氡备受关注。自1956年开始研究室内氡的来源和检测氡的浓度。瑞典铀含量比较高的花岗岩、伟晶岩（铀含量8×106～40×106eU）和明矾页岩（铀含量10×10－6～350×10－6eU）分布广泛，造成大面积高氡浓度住宅，1980年对2万户住宅调查发现其中46％住房氡浓度超过国际放射防护委员会（ICRP）提出的限值标准200Bq/m3，少数为4000～9000Bq/m3。

为了经济建设和人文建设的需要，许多国家编制了氡地质潜势图。例如1975年瑞典地质调查局根据航空γ能谱和地面γ能谱测量资料以及地质图资料综合处理，编制1∶5万GEO辐射图，确定氡浓度分布，圈出高氡浓度地区。美国采取相似的做法，以盐湖城地区为试验区，推及全国，进行了详细地质分析和氡浓度调查。结论如下：①前寒武片麻岩风化深，裂隙发育，氡的浓度最高（平均157．2Bq/m3）。这类岩性分布区可能成为环境氡危害区。②第三纪花岗岩与前寒武片麻岩铀含量相似，但氡浓度很低。因为致密而无裂隙，氡不易析出。③第三纪砾岩、砂岩有的地点铀含量较高（5．6×10－6eU），氡浓度较低。二叠纪磷灰岩纯铀含量较高（7．3×10－6eU）。④断裂带上（沃萨奇断层）氡浓度平均14．4pci/L （163Bq/m3），断层以外地区氡浓度很低。

室内氡主要来自地基土壤、建筑材料和室外大气，其次是来自自来水和燃烧天然气等。国家已制订出标准限值。

（3）核事故应急监测。根据国际原子能机构（IAEA）和经济合作与发展组织核能机构（NEA/OECD）提出的核事件分级三原则，将核事故分成7级。应急监测主要指较大事件。重要的是即时进行航空γ能谱测量，分为早期和中后期测量。

早期测量：测量地面辐射水平和空气中微粒浓度和成分，放射性物质的飘移方向、分布特征。

中期测量：确定地面和空气中污染物的分布。

后期测量：主要是确定参与放射性污染水平和分布范围。