放射性地球物理第六章 常规义射气测量.ppt
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1、放射性地球物理,核技术与自动化工程学院,概 述,定义:射气测量是利用射气仪测量土壤空气中的放射性气体的浓度,并根据不同地点所测量到的放射性气体浓度的分布规律来勘查铀矿、解决某些地质问题的一种放射性测量方法。,应用核技术与自动化工程学院,分类: 常规射气测量 径迹测量 钋量测量 活性炭吸附测量 卡(杯)测量,5.1 射气的性质和射气晕的形成,(1)氡的物理常数 临界温度 104.4oC 临界压力 6.2108Pa 气态时的密度 9.72910-3g/cm3 液态时的密度 5.7g/cm3 沸点 65oC 固化温度 71oC 在空气中的扩散系数 0.105cm2/s 3.71010Bq氡的体积 0
2、.66mm3,应用核技术与自动化工程学院,5.1.1 射气的性质,5.1 射气的性质和射气晕的形成,(2)射气的溶解性 射气能溶解在其它液体中。 溶解在液体中的射气浓度与空气中的浓度成正比,其比例系数称为溶解度系数。 温度增加,溶解度降低。例在0oC时Rn溶解度系数为0.510; 30oC时,溶解度系数为0.20。,应用核技术与自动化工程学院,5.1.1 射气的性质,5.1 射气的性质和射气晕的形成,(3)固体物质对射气的吸附 所有固体物质都不同程度地吸附氡。 活性炭、煤、橡胶、蜡吸附氡性能较好。 岩石中,粘土是好的氡吸附剂。 金属的吸附氡能力很弱。 玻璃吸附氡的能力比金属更弱。,应用核技术与
3、自动化工程学院,5.1.1 射气的性质,5.1 射气的性质和射气晕的形成,(1)射气系数 射气系数定义为,应用核技术与自动化工程学院,5.1.2 岩石和矿石的射气作用,式中:N1、N2分别为在某一时间间隔内岩石析出的射气与产生的全部射气。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,(2)影响射气系数的主要因素,应用核技术与自动化工程学院,5.1.2 岩石和矿石的射气作用,岩石破碎程度高,射气系数增大。 温度增高,岩石射气系数增大。 湿样品的射气系数略低于干样品。 风化岩石的射气系数高于原生岩石。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,(1)扩散作用(1) 当存在浓度梯度时,射气由浓度高的地方向浓度低的地方
4、迁移称为扩散。,应用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,描述扩散作用的参数为扩散系数K。,扩散系数当浓度梯度为一个单位时,单位时间内通过单位面积的气体量。其单位为:cm2/s。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,(1)扩散作用(2) 除扩散系数外,尚用扩散长度来描述射气的扩散。,应用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,扩散长度 l当某一点的射气浓度减少到原始射气浓度1/e时,该点离射气源的距离。,扩散长度反应了射气浓度随距离减弱的特性。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,(2)对流作用 当存在压力差时,射气从压力高的地方向压力低的地方流动,称为对流。,应
5、用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,对流作用的大小用对流速度来描述。单位:cm/d,对流作用的研究较少。被认为是影响射气运移的重要作用之一。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,(3)抽吸作用 当土壤和空气的温度存在差异时,若空气温度高,由于热的作用,水蒸气蒸发,使地下氡气不断向上迁移,这种作用叫抽吸。,应用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,温度差异越大,抽吸作用越大。,抽吸作用是近几年提出的氡气迁移方式之一。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,(4)地下水的搬运作用 由于氡可以溶解在水中,所以氡可以在地下水的带动下,被迁移到很远的地方。,应用核技术与
6、自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,5.1 射气的性质和射气晕的形成,(5)伴生气体的压力作用 氡是一种微量气态元素,在很多情况下它可以在其它浓度较大的土壤气体(如O、N、CO2)扩散压力的推动下向地表迁移。,应用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,5.1 射气的性质和射气晕的形成,(6)地热作用 当存在地热梯度时,气体可以由温度高的部位向温度低的部位迁移。,应用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,5.1 射气的性质和射气晕的形成,(7)其它作用 还有一些其它因素,如地震应力引起的毛细压力的变化,大气压力的纵深效应等,都可能引起氡的迁移。,应
7、用核技术与自动化工程学院,5.1.3 射气在介质中的迁移,氡气的迁移,一般不是单一因素,而应该是由综合因素引起的。在研究氡气迁移时,应该考虑各种影响因素。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,核技术与自动化工程学院,5.1.4 射气在土壤气体中的分布与射气异常的形成,射气在土壤中的分布与下列因素有关:,岩石或土壤中放射性核素含量(主要是Ra、Th);,射气系数;,射气的运移与射气的衰变;,由于决定射气析出、影响射气运移的因素众多,因此,一般说来,无法通过理论公式来计算射气的运移等。但理论公式对于工作方法选择、地质解释还是有价值的。,5.1 射气的性质和射气晕的形成,核技术与自动化工程学院,5.1
8、.4 射气在土壤气体中的分布与射气异常的形成,正常场:由土壤或岩石中正常放射性核素存在形成的射气浓度,称为射气底数或者射气正常场。,花岗岩地区射气底数:150260 Bq/L,异常场:通常把高于正常场2 3倍的射气浓度定为工作区的异常下限。大于等于异常下限的区域,称为异常场。,沉积岩地区射气底数:4075 Bq/L,5.1 射气的性质和射气晕的形成,核技术与自动化工程学院,5.1.4 射气在土壤气体中的分布与射气异常的形成,当浮土下有铀矿体时,能不断地放出射气。其中一部分射气可进入岩石孔隙或土壤及大气中。随着铀等核素的不断衰变,矿体内的射气浓度不断增大,驱使射气向四周浓度较小的地方逸散。使部分
9、氡可以从地下到达地表。形成以矿体为中心的向四周降低的射气异常。射气的浓度在矿体上方几至十几m的范围内都有显著的增高,所以可以根据氡射气浓度的增高来发现铀矿床。,铀矿体形成的射气场 分布示意图,5.2 射气分布的理论计算,当射气由矿体向地表迁移时,单位时间内dx层中射气量的改变与通过dx层底面和顶面的射气流之差、以及单位时间内在dx层中衰变的射气量有关,它们之间的关系为,核技术与自动化工程学院,5.2.1 层状矿体上面非放射性浮土中的射气分布,Ndx层中的射气浓度; S dx层的面积; Q通过dx层底面流入的射气量; NSdx dx层中的射气量。,只考虑扩散与对流时,单位时间内由扩散和对流引起的
10、射气量为:,K扩散系数 V对流速度,在放射性矿层上方,dx层中的射气浓度将达到稳定,即dN/dt0,由边界条件确定N1、N2:,1、浮土厚度很大时(h10m), x,N0,由此可得:N20, x=0,NN0,由此可得:N1N0,讨论:, V0,浮土中射气浓度公式简化为,即:浮土中射气浓度由矿层界面向地面呈指数规律衰减。当,讨论:,若无扩散作用,即K0,则,由边界条件确定N1、N2:,2、浮土厚度有限时(h10m), x0,NN0, x=h,N0,,由得 NN1N2N0 N2N0N1,由得,由此解得,将N1、N2代入N的一般公式得,分析:当x为一定值时,V越大,射气浓度N越大。,核技术与自动化工
11、程学院,若V0,则射气仅由于扩散作用而迁移,此时N之解为:,不同扩散条件时氡扩散距离(m),h=2m,不同扩散条件时氡扩散距离(m),h=5m,不同扩散条件时氡扩散距离(m),h,分析1:若扩散系数为0.04cm2/s,离矿体10m时,射气浓度已经下降到原始浓度得千分之一。,结论:如果只考虑扩散作用,可以把10m厚的浮土看作为无限厚的浮土。即扩散距离最大为10m。,分析2:若扩散系数为0.04cm2/s,取样深度为1m,以可以探测到矿层表面射气浓度百分之一为可以发现异常,则射气测量的探测深度为510m。,核技术与自动化工程学院,Tn扩散距离讨论:,结论:Tn离开矿层后只能扩散十几厘米。因此在地
12、表测量时,所测量的Tn射气代表的是来自地表的射气。,核技术与自动化工程学院,不同扩散条件时Tn扩散距离(cm),h,5.2 射气分布的理论计算,核技术与自动化工程学院,5.2.2 均匀放射性浮土中射气浓度的分布,a单位时间内放射层产生的射气浓度。,只考虑扩散与对流时,单位时间内由扩散和对流引起的射气量为:,0,核技术与自动化工程学院,核技术与自动化工程学院,由边界条件确定积分常数N1、N2:,当x0时,N0,有:,当x,NN,有:,N表示岩石深部的射气浓度。,1cm3浮土中有CRa.克镭,由其形成的自由氡浓度为:,核技术与自动化工程学院,当只考虑扩散作用,即V0,有,氡浓度随深度的变化规律如右
13、图所示。,均匀放射层的射气分布,5.2 射气分布的理论计算,核技术与自动化工程学院,5.2.3 射气流密度的确定,1、只考虑扩散和对流作用时,通过单位面积的射气流密度,若对流速度V0,则,(1) 经过地面进入大气的射气流密度q,若V0,核技术与自动化工程学院,(2) 经过矿层进入浮土的射气流密度qo,若V0,5.2 射气分布的理论计算,核技术与自动化工程学院,5.2.3 射气流密度的确定,2、表层被封闭时,浮土中的射气分布(仅考虑V0情况),此时,射气从矿层向浮土传播的微分方程的一般解为,h=2m K=0.04,1,2,1表层封闭 2未封闭时,核技术与自动化工程学院,积分常数N1、N2由边界条
14、件确定:,当x0时,N0,有:,当xh,q0,有:,5.2 射气分布的理论计算,应用核技术与自动化工程学院,5.2.4 浮土下均匀放射性矿层界面上浓度的计算,x,QdQ,Q,dx,5.2 射气分布的理论计算,(一)曲线法,应用核技术与自动化工程学院,5.2.5 在野外条件下测定扩散系数,1、制作量板,0.110-2,0.310-2,310-2,5.2 射气分布的理论计算,(一)曲线法,应用核技术与自动化工程学院,5.2.5 在野外条件下测定扩散系数,2、野外测量,在出露地面的均匀放射性岩层上,在同一测点的不同深度上取样(如条件不具备,也可在相邻测点的不同深度上取样),将测量结果用N/N=f(x
15、)的形式,用图示曲线表示。,5.2 射气分布的理论计算,(一)曲线法,应用核技术与自动化工程学院,5.2.5 在野外条件下测定扩散系数,3、对比求K值,将实测曲线与理论曲线比较。,用内插法求出实测曲线的K值。,5.2 射气分布的理论计算,(二)计算法,应用核技术与自动化工程学院,5.2.5 在野外条件下测定扩散系数,当无法确定较深度处的N值时,可以利用h1、h2两个不同深度处的射气浓度测量值来确定系数K。,应用核技术与自动化工程学院,为了确定b值,将 展成级数,取前4项,应用核技术与自动化工程学院,由于测量影响因素多,一般应利用h1、h2两个深度处几组测量值计算几组K值,并以其平均值作为结果。
16、,只有在放射性核素分布均匀地段测量的结果才具有意义。,应用核技术与自动化工程学院,1)矿层上方浮土中和放射性含量均匀的土壤中,射气浓度随深度变化规律明显不同,实际工作时,这是区分矿与非矿异常的标志。,几点认识:,离矿层越近,浓度变化梯度越大。,最终氡浓度趋于一饱和值。,应用核技术与自动化工程学院,2)如果土壤的孔隙度、扩散系数、放射性核素含量等参数已知,可以按照有关有关公式计算土壤中的射气浓度。当实测的射气浓度明显高于计算浓度时,则高出的浓度值可能意味深部存在矿(化)体,从而可以区分异常,确定有利地段。,3)利用射气分布理论,可以在野外条件下测定扩散系数。,几点认识(续):,4)当存在构造、破
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