1、核技术与自动化工程学院采用携带式采用携带式能谱仪，通过现场同时测能谱仪，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质问题的方法称为“射线能谱测量射线能谱测量”，简称，简称为为“能谱测量能谱测量”。应用核技术与自动化工程学院应用核技术与自动化工程学院与自然与自然 总量测量方法不同，总量测量方法不同，能谱方法测量记能谱方法测量记录的是铀、钍、钾特征谱段的录的是铀、钍、钾特征谱段的射线，因此可射线，因此可区分铀、钍、钾，故能解决较多的地质问题。区分铀、钍、钾，故能解决较多的地质问题。能谱测量是最为成熟的天然核方法之一，目能谱测量是最
2、为成熟的天然核方法之一，目前，除在地面应用以外，前，除在地面应用以外，能谱测量技术尚被能谱测量技术尚被应用于航空测量、井下测量，形成了航空应用于航空测量、井下测量，形成了航空能能谱测量技术、谱测量技术、能谱测井技术。能谱测井技术。铀系、钍系和钾所释放的铀系、钍系和钾所释放的射线的能量具有显著差别。射线的能量具有显著差别。岩石上实测铀系、钍系和钾的岩石上实测铀系、钍系和钾的射线能谱图射线能谱图 铀系释放的铀系释放的1.76MeV的的射线、钍系释放的射线、钍系释放的2.62MeV的的射线、钾释放的射线、钾释放的1.46MeV 的的对于同时含有铀、钍、钾的岩石，采用能谱仪，设对于同时含有铀、钍、钾的
3、岩石，采用能谱仪，设置测定置测定1.76、2.62、1.46MeV的三个能窗进行测量，的三个能窗进行测量，各能窗测量的计数可以表征为：各能窗测量的计数可以表征为：KThUKKThUThKThUUwcwbwaIwcwbwaIwcwbwaI333222111 式中：式中：ai、bi、ci（i1，2，3）称为换算系数，分）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（单位分别为量窗内产生的计数率（单位分别为cpm10-6U、cpm10-6Th和和cpmK），可以通过在铀、钍、），可以通过在铀、钍、钾三种标准模型上刻度时获得的钾
4、三种标准模型上刻度时获得的9个方程来确定。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：1.661.87MeV；2.41 2.81MeV；1.37 1.57MeVKThUKThUWWWcbacbacbaIII333222111WAIIAW1一、铀、钍、钾含量及其比值的计算一、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当不研究钾含量的变化时，可用简便的两道地面能谱仪，选择两个合适的能谱仪，选择两个合适的谱段，根据测量结谱段，根据测量结果，就可列出如下方程组果，就可列出如下方程组 ThThCbCuaNCbCuaN2221112,1
5、NN 和2211,baba和：谱仪：谱仪1道（铀道）和道（铀道）和2道（钍道）的计数率道（钍道）的计数率：换算系数，分别表示在射线饱和条件：换算系数，分别表示在射线饱和条件下，单位含量的平衡铀、钍在下，单位含量的平衡铀、钍在1道和道和2道道的计数率。的计数率。ThThCbCuaNCbCuaN222111211212211221122112212112NbNbNaNaCCbabaNaNaCbabaNbNbCUThThUbNNabNaNabUThffffrffffffrCCM2111222111212121,abrabrbbfaafNNfbaN通常分别称通常分别称 为为1道和道和2道钍的铀当量，比
6、值道钍的铀当量，比值 称为铀称为铀钍的能谱区分系数。钍的能谱区分系数。C值越大，方程组的解越稳定。值越大，方程组的解越稳定。21rr和Crr12/一、铀、钍、钾含量及其比值的计算一、铀、钍、钾含量及其比值的计算 采用三道或四道地面采用三道或四道地面能谱仪，选择三个合适的能谱仪，选择三个合适的谱段，根据测量结果，就可列出如下方程组谱段，根据测量结果，就可列出如下方程组 KThKThkThCcCbCuaNCcCbCuaNCcCbCuaN333322221111321,KThUCCCNi各道净计数一、铀、钍、钾含量及其比值的计算一、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
7、钍道，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，此时钾不进入镭道，此时 ，简化为简化为0122ccaThbUaNcCThbNaCNbCKUTh333211122111一、铀、钍、钾含量及其比值的计算一、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，就不能不宜太窄，此时进入钍道的镭组射线，就不能忽略不计，即忽略不计，即a20，在此情况下，在此情况下ThbUaNcCNbNbCNaNaCKUTh3332211212211一、铀、钍、钾含量及其比值的计算一、铀、钍、钾含量及其比值的计算
8、 镭道一般选镭道一般选1.76MeV为其中间位置。对于钍系元为其中间位置。对于钍系元素，其主要全能峰为素，其主要全能峰为2.62MeV,选此峰为其中间选此峰为其中间位置作为钍道。钾道一般都选为位置作为钍道。钾道一般都选为1.46MeV全能全能峰为其中间位置。峰为其中间位置。一、铀、钍、钾含量及其比值的计算一、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，其能谱仪器测量道宽选择示例：两台能谱仪器，其对对137Cs的能量分辨率分别是的能量分辨率分别是15和和10，其对，其对测量道宽选择结果如下。测量道宽选择结果如下。分辨率分辨率（）（）钾道宽度钾道宽度 MeV 铀道宽度铀道
9、宽度 MeV 钍道宽度钍道宽度 MeV计算计算建议建议计算计算建议建议计算计算建议建议150.220.250.2650.300.390.40100.1460.200.1760.200.2620.30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，基础。系数是否准确，直接影响能谱测量的
10、质量，当系数不准确时，会使铀，钍，钾含量的计算发生当系数不准确时，会使铀，钍，钾含量的计算发生系统误差。系统误差。二、换算系数的测定二、换算系数的测定 标准模型：标准模型：为了把仪器测量结果直接表示成含量单位为了把仪器测量结果直接表示成含量单位（，（，g/tg/t等），以及测定等），以及测定能谱仪的换算系数，需能谱仪的换算系数，需要制备要制备射线达到饱和厚度的标准源射线达到饱和厚度的标准源。这类标准源。这类标准源具有一定的体积，习惯上称其为标准模型。具有一定的体积，习惯上称其为标准模型。二、换算系数的测定二、换算系数的测定 标准模型种类：标准模型种类：一般有平衡铀模型、平衡钍模型、铀一般有平衡
11、铀模型、平衡钍模型、铀钍混合模型、钾模型、零值模型五种。钍混合模型、钾模型、零值模型五种。二、换算系数的测定二、换算系数的测定 采用饱和模型测定采用饱和模型测定能谱仪的换算系数时，模型能谱仪的换算系数时，模型必须满足必须满足射线饱和条件。射线饱和条件。2/100cmgl二、换算系数的测定二、换算系数的测定 能谱仪的标定，实质上是确定道灵敏度（能谱仪的标定，实质上是确定道灵敏度（ai、bi、ci）和）和换算系数（换算系数（Ai、Bi、Ci）以及康普顿散射修正系数。以）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
12、两个方程组：结为求解如下两个方程组：KkThThUKThKThkThCkCkCukNCcCbCuaNCcCbCuaNCcCbCuaN总道333322221111332313322212312111NCNBNACNCNBNACNCNBNACukTh二、换算系数的测定二、换算系数的测定 222111222111,bbBbbBaaBaaBbbaa小小小小n小模型法：用不饱和的小模型代替饱和模型来测小模型法：用不饱和的小模型代替饱和模型来测定换算系数的方法。定换算系数的方法。二、换算系数的测定二、换算系数的测定 n小模型法：小模型法：通常采用圆柱型小模型，直径通常采用圆柱型小模型，直径3040cm，高
13、，高1520cm左右。这时饱和度为左右。这时饱和度为0.30.4左右。必须指出，饱和度不仅和模型大小有关，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：测定饱和度时必须注意：三、铀、钍含量涨落误差的估计三、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道上的计数为道上的计数为Ni，则，则baiNNN 计数率的均方差（标准差）为：计数率的均方差（标准差
14、）为：bbbtbbaitNtNtNtNtNN 计数率的均方差（标准差）为：计数率的均方差（标准差）为：bbbtiiiitNtNtNNNNN1在地面在地面 能谱测量中，底数能谱测量中，底数Nb一般要求作高精度一般要求作高精度测定，测量时间很长，即测定，测量时间很长，即tb很大，所以很大，所以Nb/tb很很小，可忽略，故小，可忽略，故 tNtNNNNNNNttNtNNNbiibibii222224111 因为因为Nb已知，所以在对计数率的测量精度要求已知，所以在对计数率的测量精度要求确定后，即确定后，即 一定时，就可按上式中计算，求一定时，就可按上式中计算，求出测定出测定Ni所需时间。反之，对某一
15、固定的测量所需时间。反之，对某一固定的测量时间，可以求出时间，可以求出 能谱仪在各道能准确测定的能谱仪在各道能准确测定的最小计数率。最小计数率。N4-39三、铀、钍含量涨落误差的估计三、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、钍含量的在已知计数率均方差后，就可求出铀、钍含量的均方差。均方差。例如例如,由于底数较小，其影响可以忽略时，则能由于底数较小，其影响可以忽略时，则能谱仪谱仪1道和道和2道计数率道计数率N1、N2的均方差分别为：的均方差分别为：tCbCatNNtCbCatNNThUThU2222111112212122211221221212babaNaNaCbabaN
16、bNbCThU铀钍含量的相对均方差为：12211122222112212221212211babaThbMaabMaaCCbabaUMbabMbabCCtThThThtUUU式中，式中，M为钍铀的比值，为钍铀的比值，M=UThCC/t 观测点的测量时间观测点的测量时间讨论：讨论：系数系数 的差值越大，测定铀、钍的均方差值的差值越大，测定铀、钍的均方差值越小。因为越小。因为能谱仪的铀钍区分系数为：能谱仪的铀钍区分系数为：可见区分系数越大，可见区分系数越大，和和 的差值也越大。所以的差值也越大。所以要求区分系数大。要求区分系数大。1221,baba和1221112221babaababC21ba1
17、2ba讨论：讨论：1）铀和钍的含量越高，测定铀钍的均方差越小；）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）在铀含量一定时，钍含量越大，即钍铀比值M越大。越大。测定铀的均方差也越大；在钍含量一定时，铀含量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。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）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，即的
18、增加而减小。在铀钍含量的测量精度确定后，即在在 一定时，就可以在一定的铀钍含量及其比值一定时，就可以在一定的铀钍含量及其比值范围内，范围内，按按4-39式计算式计算，求出测量时间。，求出测量时间。ThU和四、地面伽玛能谱测量野外工作方法四、地面伽玛能谱测量野外工作方法 以以FD3022为例为例 主放大器主放大器 多多 道道分析器分析器 微处理机微处理机系统系统 液晶显液晶显示器示器主主 机机探测器探测器前前 置置放大器放大器探探头头稳谱控制稳谱控制高压高压低压低压FD3022能谱仪原理框图能谱仪原理框图KThUKKThUThKThUUwcwbwaIwcwbwaIwcwbwaI333222111
19、数学原理：9个未知数至少需要9个方程才可以确定。（1 1）体积小、重量轻、便于携带。）体积小、重量轻、便于携带。（2 2）具有两个以上的测量道。）具有两个以上的测量道。（3 3）漂移小。）漂移小。（4 4）线性好。）线性好。（5 5）能量分辨率高。）能量分辨率高。（6 6）晶体大，灵敏度高）晶体大，灵敏度高。四、地面伽玛能谱测量野外工作方法四、地面伽玛能谱测量野外工作方法 四、地面伽玛能谱测量野外工作方法四、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）；测定量谱段（亦有些仪
20、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。换算系数（或称能谱仪的标定）等工作。普查阶段：采用比例尺为普查阶段：采用比例尺为1：10000和和1：25000，线距，线距100m和和250m，点距，点距1020m和和50m。详查阶段，比例。详查阶段，比例尺为尺为1：1000到到1：5000，线距，线距10和和50m，点距，点距12m和和510m。测线垂直地层和构造的主要走向。在每一测点上。能谱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。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、根据野
21、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。钍钾、铀钾的比值。绘制的主要图件有：钍、钍、钾含量等值图，比值绘制的主要图件有：钍、钍、钾含量等值图，比值（）等值图。）等值图。/,/,/ThUThKUKCCCCCC五、地面伽玛能谱测量中，某些五、地面伽玛能谱测量中，某些干扰因素的考虑干扰因素的考虑 由于射气作用的结果，部分氡从岩石中逸出，使铀系产生的射线照射量率下降。射气作用对射线照射量率的影响，可用下式表示：1ln 1bIIBpbK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。ln 1IIbIb有效有效称为有效射气系数，可以实
22、际测定。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。五、地面伽玛能谱测量中，某些五、地面伽玛能谱测量中，某些干扰因素的考虑干扰因素的考虑 野外记录的野外记录的射线照射量率由岩石和土壤中的放射性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。后两种原因引起的性物质引起。后两种原因引起的射线照射量率值射线照射量率值之
23、和称为自然底数，一般可以采用在宽阔的湖面之和称为自然底数，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。上预先测定，并在资料整理时予以扣除。湖面测量计数为：测量计数为：伽玛辐射仪器进入离岸边较远处或湖心进入离岸边较远处或湖心五、地面伽玛能谱测量中，某些五、地面伽玛能谱测量中，某些干扰因素的考虑干扰因素的考虑 在某些地区，用能谱仪镭道（在某些地区，用能谱仪镭道（1.76MeVE）测定）测定底数时，会发现底数随时间、地点发生变化。底底数时，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。引起的变化等。
24、五、地面伽玛能谱测量中，某些五、地面伽玛能谱测量中，某些干扰因素的考虑干扰因素的考虑 测区中土壤和岩石的湿度测区中土壤和岩石的湿度和测定换算系数时的和测定换算系数时的模型或天然地质体的湿度模型或天然地质体的湿度0 0不同时，测定放不同时，测定放射性元素重量浓度的误差可用下式表示：射性元素重量浓度的误差可用下式表示：0qq 五、地面伽玛能谱测量中，某些五、地面伽玛能谱测量中，某些干扰因素的考虑干扰因素的考虑 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
25、响的只有能对人类生活产生影响的只有7种。它们是：种。它们是：14C,137Cs,95Zr,90Sr,103Ru,144Ce和和3H。可能对。可能对能谱测能谱测量造成干扰则是：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核试验产生的放射性核素只对低于1MeV伽玛射线伽玛射线测量产生干扰。这种干扰称为放射性沉降物干扰。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；勘查放射性矿产：铀、钍矿，钾盐矿等；岩性分类与地质填图岩性分类与地质填图勘查水资源勘查水资源工程地质
26、中确定裂隙、断层工程地质中确定裂隙、断层寻找非放射性矿产寻找非放射性矿产放射性环境评价放射性环境评价勘查油气藏勘查油气藏原理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；基本原则基本原则与放射性元素具有一定共生关系的矿产。共生关系类型共生关系类型固定、经常、偶然固定、经常、偶然固定共生关系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。矿床
27、，以及含独居石和锆石的钛铁矿。经常共生关系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。属伟晶岩、古老的含金砾岩等。偶然共生关系偶然共生关系铜、锡、多金属矿，内生的钼、钨矿等铜、锡、多金属矿，内生的钼、钨矿等山东某地测量找金矿成果图上图是应用能谱测量寻找含金构造带的实例。在含金矿脉附近，总量曲线和K含量曲线出现低值，U、Th含量曲线出现高值，而UTh、UK、ThK值形成明显的异常。综合这几条曲线，可确定含金矿脉的位置。根据K含量在矿脉两侧出现高值的位置，可大致估计钾化带的宽度。对热液型金矿，在其矿体两侧都
28、有围岩蚀变，其中，绢云母化是主要的蚀变之一。绢云母是含钾矿物，因此，绢云母化越强烈，钾含量越高。这就是为什么在矿体两侧会出现钾异常的原因。我国在20世纪90年代曾经对华东、华北地区已知金矿上方的能谱资料进行过分析研究，结果，无一例外，所有金矿上都有钾异常。GR820航空多道伽玛能谱仪航空伽玛能谱发现新的金矿带高精度航空伽玛能谱资料在地质填图和矿产评价中高精度航空伽玛能谱资料在地质填图和矿产评价中可发挥重要作用可发挥重要作用察拉盐滩凹地伽玛能谱测量KCl含量等值图l含砂石盐；2风积粉细砂及含砂石盐；3KCl(%)含量等值线；4地质界线主要参考文献主要参考文献章晔、华荣洲、石柏慎，放射性方法勘查放
29、射性方法勘查，原子能出版社，1990顾功叙，地球物理勘探基础地球物理勘探基础，地质出版社，北京，第一版，1990年 于汇津、邓一谦，勘查地球物理概论，地质出版社，北京，第一版，1993年 吴功建、林溥湲、高锐，地球物理方法及在地质和地球物理方法及在地质和找矿中的应用找矿中的应用，地质出版社，1988年 周蓉生、.瓦冈诺夫，核方法原理及应用核方法原理及应用，地质出版社，北京，第一版，1994 B.H.沃罗比约夫、A.B.叶非莫夫著，张文斌、徐岩译，普查金属矿床的航空伽玛能谱测量方法普查金属矿床的航空伽玛能谱测量方法，地质出版社，北京，第一版，1986 本讲复习思考题1、能谱测量的基本原理是什么？2、利用伽玛能谱方法测量铀、钍、钾时，通常选择测量哪些特征伽玛谱？它们的能量分别是多少？3、伽玛能谱仪器换算系数如何确定？五、地面伽玛能谱测量中，某些五、地面伽玛能谱测量中，某些干扰因素的考虑干扰因素的考虑
