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運用核物理學的技術與方法,測量地球介質中天然的或人工的放射性射線的能量與活度的變化,以揭示地殼中元素含量或濃度的變化規律,進而勘查礦產資源和解決某些地質問題的地球物理勘探方法。

1簡介

核法勘探

  核法勘探

早期的核法勘探主要是測量地殼內天然放射性元素所放出的 α、β、γ射線,勘查鈾、釷、鉀礦床,稱為放射性勘探。現代的核法勘探除利用天然放射性射線外,還利用放射性同位素等激發源放出的各種粒子或射線,輻照地殼的各介質並使之相互作用,並測量其粒子或射線,用以揭示相關的礦產資源及解決各類地質問題。核法勘探應用的範圍包括航空、地面、坑道、鑽孔、水底、海底等以及月球、火星的探測,除用於野外探測外,還可用於室內分析大氣、水、土壤、岩石和礦物、生物等的物質成分。

2發展簡史

1923年,蘇聯Л.Н.鮑戈亞夫連斯基著《放射性測量》,論述了在地質學中利用放射性進行測量與勘探的原理和方法。1932年加拿大W.沃格特第一次採用裝有蓋革計數器的野外輻射儀,進行地質勘探工作。1949年美國R.W.普林格爾和K.I.魯洛頓試製成功閃爍計數器式的野外輻射儀。1944年航空放射性γ測量開始作實驗性飛行。1962年美國研製了高靈敏度航空γ能譜儀,並用於地質勘探。1962年蘇聯Е.М.菲利鮑夫著《實用核地球物理學》。60年代後期,美國、英國、加拿大、日本、蘇聯等國開始採用汽車γ能譜測量。1977年美國J.G.莫爾斯著《礦產勘探與開採中的核法》,對核法勘探的各種方法做了較為系統的論述。
中國於1954年開始進行核法勘探,主要用來勘查鈾礦床(見放射性元素礦床)。此後核法勘探的應用領域不斷擴大,除用於尋找鈾礦外,還用於非放射性礦床的找礦測井(見鑽孔地球物理勘探)、岩石和礦物的成分分析等。同時出版了有關的學術著作。

3基本原理

自然界已知有鈾系、釷系和錒鈾系3個天然放射性系列,一個人工放射性系列鎿系。天然放射性系列都有一個起始元素,經過放射性 α衰變或β衰變,變成一個新的元素(即衰變子體)。這個元素仍是不穩定的,繼續進行放射性衰變,其中各系列都有一個氣態元素是氡的同位素,稱射氣。在繼續進行放射性衰變的同時,放出 α射線或β射線或γ射線,直到生成穩定同位素。在自然界除成系列的天然放射性元素外,還有180多種原子序數為中等而不成系列的天然放射性元素,它們經過一次衰變后即成為穩定元素,如40K、87Rb等。40K、鈾系、釷系放出的 γ射線能譜上分別在 1.46、1.76、2.62MeV處有一特徵譜,若分別測量其特徵譜段的γ射線照射量率的強弱,可獲知鉀、鈾、釷含量的高低(見圖)。 核法勘探
帶電粒子、X 射線或γ射線、中子等與物質相互作用,能夠產生各種效應。帶電粒子與原子核、核外電子可發生彈性與非彈性碰撞;X射線或γ射線與物質相互作用,可產生光電效應、X射線熒光輻射、康普頓效應、電子對效應、穆斯堡爾效應、同質異能素、γ多極輻射、核反應等;中子與物質相互作用,可產生彈性散射、非彈性散射、中子俘獲、核裂變反應、帶電粒子發射、多粒子發射等。核法勘探就是利用並測量天然放射性和人工放射性所輻射的粒子或量子的能量和活度變化,勘查地質礦產資源和解決各類地質問題。
無論天然或人工放射性元素(或稱核素)都按指數規律衰變,即
關係

  關係

式中N0為衰變起始時的原子數;Nt為經過t時間后保留的原子數;λ為衰變常數。放射性核素衰變完一半所需的時間稱為半衰期(T)。半衰期與衰變常數的關係為
一种放射性核素經過10個半衰期,實際上可認為衰變完了。衰變速度還可用原子平均壽命(τ)表示
公式

  公式

無論天然放射性系列,還是生成人工放射性核素,都會一方面使放射性核素生成而積累,另一方面使放射性核素衰變而減少。當放射性核素的生成速度和其衰變速度相等時,放射性核素不再增加,達到平衡,稱放射性平衡。放射性核素生成速度為fσN,其衰變速度為λN*,則放射性核素的增長速度為         dN*/dt=fσN-λN* 式中N是經輻照的該核素的原子核數目;N*是該核素經過核反應而生成的核素數目;f是輻照粒子流的通量;σ 是該核素的活化截面;λ是衰變常數;t為輻照時間。經演算而得下式
公式

  公式

上式是室內活化分析、地面活化分析、井中活化測量、海底活化測量、月球或火星表面進行活化測量等領域的應用理論基礎。
α、β、γ、中子等 4種射線,以中子射線的穿透能力為最強。γ射線的穿透能力比β射線大100倍,比 α射線大1萬倍。

4方法

核法勘探的方法有多種。用於測量天然放射性核素40鉀、鈾、鐳、氡、釷等元素的方法有 γ測量、α 測量等;用於測量人工激發的次生放射性射線的方法有 X射線熒光法、中子活化法、γ-中子法、γ-γ法、選擇性 γ-γ法、γ射線共振法、核磁共振法、中子壽命法、緩發裂變中子法等。   γ測量  測量γ射線照射量率總量或分別測量1.46、1.76、2.62MeV的 γ射線能譜的鉀、鈾、釷含量的γ能譜方法。廣泛用於航空、地面、坑道、井中、水底、海底,測定鈾、釷、鉀含量的分佈規律。   α 測量  用於測量土壤、空氣中氡及其子體,具體方法有射氣測量、α 徑跡測量、α 硅探測器測量、α 卡測量、氡管法以及其他派生方法。   X射線熒光法  岩礦中元素在激發源放出的X射線、β射線或電子束、α 射線或質子、激光等的輻照下,產生次生的 X射線熒光。測量次生的熒光照射量率的高低,以確定岩礦中待測元素的含量。廣泛用於室內分析、地面找礦、坑道或探槽或岩心上的 X輻射取樣及鑽孔、水中、月球或火星表面等測量元素含量和分佈規律。
γ-中子法
岩礦介質中某些元素,可以與γ射線相互作用產生核反應,並釋放出中子。測量中子的計數率強弱,可探知待測元素含量的多少。可用於室內分析、地面找礦、測井等領域裡勘查鈹礦。   中子吸收法  岩礦介質中某些元素(如硼、鋰、汞、鎘、氫等)的中子吸收截面較大,若在岩礦中上述元素含量高,則中子被吸收后而探測到的中子計數率大為減少,藉此來分析這些元素的含量。可用於室內分析,地面找礦、測井等領域。
選擇性γ-γ法
應用放射性核素低能γ源,沿著井壁測量散射γ射線能量小於0.5MeV的照射量率變化,用於研究重金屬礦物的富集程度。主要用於勘查鉛、鎢、汞、銻、銅等礦床,測定煤的灰分等。
核磁共振法
造岩元素中各種原子核有核磁共振效應。在穩定的外磁場中,具有磁矩μ和動量矩P的原子核上,作用著一個使磁矩平行於外磁場方向的力偶,原子核將像陀螺一樣環繞這個場的方向以頻率ω0而運動,ω0與外磁場強度H0成正比,即
ω0=r0H0
其中ω0稱為核磁共振頻率(拉莫爾頻率);r0=μ/P,稱為原子核的回磁比。主要造岩元素中,氫在地磁場中具有最大的回磁比和最高的核磁共振頻率。水、石油、天然氣中的氫原子核是核磁共振測井的研究對象。
緩發裂變中子法
鈾的天然放射性同位素238鈾和235鈾在快中子和熱中子作用下,分別產生快中子裂變和熱中子裂變,部分裂變產物會產生緩發中子輻射,其半衰期等於先驅元素β衰變的半衰期。它主要應用於勘查放射性平衡嚴重破壞且沒有明顯變化規律的鈾礦床。
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