Question

放射性测量

Answer 1

20世纪70年代初，我国开始用天然放射性测量寻找地下水源，至今已取得了良好的效果和进展。该方法的优点为设备轻便、操作简单、探测速度快、成果反映直观，是寻找地下水源的一种简单、经济和有效的方法。

利用放射性测量主要是寻找与断裂、裂隙有关的基岩地下水。在断裂带、破碎带和裂隙发育带中，地下水的迁移、搬运不断地对周围岩石中的放射性元素进行冲刷、析出、沉淀、运移等，使作为水通道的断层破碎带与周围岩石之间存在着放射性元素含量的相对富集或相对贫化的差异，从而产生了放射性强度的差异。因此，在与断裂、裂隙构造部位相应的地表处，通常存在放射性异常。当放射性元素正向迁移作用（即氧化、溶解、扩散、射气等使各种放射性元素从岩石进入水中的作用）大于反向迁移作用（即在地下水运动过程中，由于构造环境、地球物理和地球化学条件的改变，造成天然放射性元素自水中析出、沉淀，被粘土、有机质等颗粒所吸附的作用）时，断裂破碎带上的放射性强度低于围岩，即所谓放射性元素相对贫化，此时则出现天然放射性强度的“负异常”，反之，当反向迁移作用大于正向迁移作用时，断裂破碎带上的放射性强度高于围岩，即放射性元素相对富集，则出现天然放射性强度的“正异常”。无论“正”或“负”异常都是判断是否有含地下水构造存在的标志^[10,11],。

利用天然射线测量法找水，目前国内采用的方法有γ测量、静电α卡法、α径迹测量、²¹⁰Po测量等。不同方法可探测不同的核素异常。一般说来，α放射性测量比y放射性测量更为灵敏，探测深度更大。尤其是α径迹测量和²¹⁰Po测量，其干扰因素少，有利于克服地形、地物和气候变化等影响。²¹⁰Po测量比α径迹测量显示的异常范围大、异常边界不很清晰，但其工作周期短、取样分析比较方便。所以，在利用天然放射性寻找地下水源时，若覆盖层较薄、工作范围较大，则使用快速的y测量，若覆盖层厚度大、工作范围小，则采用α径迹测量或²¹⁰Po测量。

1.y测量

γ测量是直接测定迁移至地表的放射性元素（包括Rn的衰变物）所发出的γ射线。一般用高精度辐射仪如FD-71、FD-31、T FS-1和T FS·2型辐射仪，徒步沿剖面测量。

γ测量是一种简便的找水方法，具有仪器轻便、工作方法简单、效率高、成本低和直观的优点。但由于含水构造引起的放射性异常强度一般只是正常场的1.1～1.4倍，要可靠地确定异常性质，测量时要求辐射仪的灵敏度应大于3×10^-6eU（[当量铀e（U）含量]）

1×10-⁶eU=0.619γ 1γ＝71.767×10-¹⁵A/kg=71.767 fA/kg（飞安每千克）。，观测读数的相对标准偏差小于3%，测量探头应有较低的本底读数。

图3-1-33 山东平阴γ曲线图

（据朱焕祖，1986）

1—表土；2—页岩；3—石灰岩

γ测量探测深度小，一般只有几十厘米至几米，最深不超过15m。当测区的地下水较丰富、埋藏较深、流速较大、表层又缺少土时，不利于放射性元素富集，在其上不易发现放射性异常。在开展工作时，要注意γ测量的方法有效性，不可盲目使用。

图3-1-33是山东平阴一条剖面上γ测量的结果。地表为厚度约10m的粘性土，基岩为页岩和灰岩。两台辐射仪观测的γ曲线上均有明显的低值异常，极小值比正常值低25%左右。经钻探验证，在50号点附近石灰岩破碎、裂隙发育，钻孔内静水位为8m，抽水试验时地下水位降14m，涌水量达1900～2400t/d。低值γ异常为含水构造裂隙的反映_[11]。

2.α径迹测量

所谓径迹是指裂变碎片在绝缘固体物质中产生的辐射损伤。当利用塑料胶片在土壤层浅孔中接收Rn、Th及其子体所产生的α线辐射时，a粒子就会在胶片上产生辐射损伤。因肉眼看不到，故又称为潜伏径迹，经化学方法腐蚀后，蚀刻出来的辐射损伤叫做径迹。在普通光学显微镜下，径迹呈圆锥形的坑洞，称为蚀坑。蚀坑在镜下透视平面上表现为圆形或椭圆形带黑边的亮点。根据胶片上出现的径迹（亮点）密度，可估计辐射到胶片上的α射线的强度。

α径迹测量是利用径迹现象来找水的一种方法，是利用塑料胶片在土壤层浅孔中接收Rn、Th及其子体产生的α射线的辐射，然后用一定倍数的显微镜观测经化学腐蚀方法处理的塑料胶片上的径迹密度。在富水裂隙带上部的土壤层中可形成高于背景值的径迹密度异常，根据径迹密度异常可确定富水裂隙带，从而达到寻找基岩裂隙水的目的。

α径迹测量简单易行，比γ测量有更高的灵敏度。由于Rn的半衰期为3.825天，能扩散百米之外，所以，它通常可探测几十米。

α径迹测量所需设备如下：

1）探测装置：为塑料胶片和探杯。塑料胶片可选用醋酸纤维胶片或硝酸纤维胶片，探杯用直径8cm、高9cm的陶瓷茶杯或塑料探杯。

2）蚀刻装置：包括恒温水浴锅、温度计、台杯、烧杯、量杯、化学蚀刻架、化学试剂（KO H、NaOH、KMnO₄和HCl）等。

3）观测装置：为普通生物显微镜，并附有统计径迹密度用的刻度尺。

野外工作时，首先将塑料胶片剪成1.5cm×3.5cm的长方形，并在两端用针尖刻记编号，编号要统一刻在胶片的同一面。然后用透明胶带粘住胶片两端，将其粘着固定在探杯内离杯口4cm的深处，使胶片平悬于探杯中央（图3-1-34）。

图3-1-34 探测器安装过程示意图

（据南京大学地质系基岩裂隙水探测方法研究小组，1983）

（a）胶片两端刻记编号（；b）用透明胶带纸粘住胶片两端；（c）胶带纸的另一端粘着于杯壁使胶片平悬于探杯中央；（d）胶片离杯口距离4cm

1—胶片；2—透明胶带纸；3—探杯

然后，在选择的剖面上，按一定的点距，一般为3～5m，挖35～45cm深的浅孔，浅孔要避开人工填土、沟边、陡坎边。将编好号的探杯口朝下放入浅孔，盖上塑料布，再压土封好。

由于Rn的半衰期为3.825天，在埋探杯后一个月左右，Rn及其子体可达到平衡，因此，埋杯时间一般为15～30天。为了保证测量条件的一致，在同一测区必须用同一埋杯时间。

α径迹测量结果以α径迹密度曲线剖面表示（图3-1-35）。径迹密度单位可用胶片上每0.26mm²内的径迹数目（j）或每平方毫米内的径迹数目（j/mm²）表示。一般认为，径迹密度异常值高于背景值四倍以上时，反映构造断裂的效果较好。

图3-1-35 α径迹密度曲线剖面

（据南京大学地质系基岩裂隙水探测方法研究小组，1983）

依断裂规模、性质的不同，在α径迹密度曲线上呈现不同的异常特征。异常类型可有下述几种（图3-1-36）。

1）单峰状异常：以一点或相邻两点形成的异常为特征，常反映单一的直立的断裂带，其两侧次级断裂、裂隙、破碎不发育（图3-1-36（a）。

图3-1-36 常见的几种径迹密度曲线异常类型示意图

（据南京大学地质系基岩裂隙水探测方法研究小组，1983）

（a）单峰状异常；（b）双峰状异常；（c）多峰状异常；（d）对称异常

2）双峰状异常：其特征是以一点或相邻两点形成主峰异常，在其一侧出现强度上次于主峰异常的次峰异常（，图3-1-36（b）。主峰异常为主断裂带的反映，次峰异常为主断裂上盘一侧的次级裂隙或破碎的反映。

3）多峰状异常：其特征是曲线呈锯齿状，异常有一定宽度，反映了宽度较大的断裂带或较宽的节理密集破碎带（图3-1-36（c）。

4）对称异常：其特征是在低缓异常背景上叠加了单峰状异常，主峰异常反映了直立的主断裂，两侧低缓异常反映了次级断裂带或破碎带（图3-1-36（d）。

除上述类型外，还常见以下一些不规则形态的曲线（图3-1-37）。

图3-1-37 几种不规则的曲线形态

（据南京大学地质系基岩裂隙水探测方法研究小组，1983）

（a）风化裂隙所反映的曲线形态；（b）不同岩层界面两侧反映的曲线形态；（c）岩溶、裂隙、洞穴上的曲线形态

3.²¹⁰Po测量

²¹⁰Po测量是通过取土壤样品，用化学处理的办法将样品中放射性元素²¹⁰Po置换到铜、镍等金属片上，再用α辐射仪测量析沉在金属片上的²¹⁰Po所辐射的a射线强度。

由于新构造断裂上方的土壤层中²¹⁰Po的含量明显地比周围的含量高，因此，用²¹⁰Po测量测得的α射线强度异常可推断新构造断裂的位置，从而达到找水的目的。

₂₁₀Po测量的野外工作主要是采样。采样点距为3～5m，采样深度35～45cm，样品重量20～30g。²¹⁰Po测量可与α径迹测量配合，在α径迹测量的土壤层浅孔底取样。

₂₁₀Po测量的室内工作包括样品的化学处理和金属片上的α射线强度测定。其步骤如下。

1）称量8～10g样品放入100mL的烧杯中；

2）注入2.5N的H Cl 130mL，浸泡数小时；

3）将直径为19cm的铜片放入溶液中，振荡3～4小时；

4）取出铜片，用清水冲洗干净，晾干；

5）用低本底α辐射仪（如EJ-13、FD-3005型等）测量铜片上²¹⁰Po的a射线强度，其单位以计数率（脉冲/小时）表示

计数率是一种相对读数记录单位，随仪器不同而不同，需经过标准源进行标定后，才能换算成放射性活度单位。。

²¹⁰Po测量结果以剖面曲线图表示。曲线上高于背景值2～3倍以上的α射线强度定为异常。

图3-1-38是无锡某地用²¹⁰Po测量寻找新构造裂隙水的例子。测区内出露地层为上志留统茅山组砂岩、石英砂岩。区内裂隙、节理发育，断裂构造有N W 290°和N E10°两组。在预计布井的范围内，经地质观测认为，N E10°一组裂隙为更新的一组含水构造。为此，布置了近东西向的α径迹测量剖面。测量结果见图3-1-38b。由图可看出，在3号点和12号点处出现明显的异常，经12号点处的钻探验证，异常为含水新构造裂隙带引起的。

图3-1-38 无锡某地地质、物探综合剖面

（据石玉春，1982）

（a）α射线强度曲线（；b）α径迹密度曲线1—砂岩；2—构造裂隙

为了验证²¹⁰Po测量探测新构造裂隙水的效果，在α径迹剖面上采集土壤样品，测定²¹⁰Po的α射线强度（图3-1-38）。结果表明，在α径迹密度异常位置上同样出现a射线强度异常，而且比α径迹密度异常更明显^[13]。