Question

地面步行γ能谱测量

Answer 1

(一)地面步行γ能谱测量的基本原理

从实测岩矿石的γ谱线可知，岩石中铀、钍、钾三种核素的原始γ谱的差异性可显示出来。如图2-38所示，从仪器谱中可以明显看出1.46MeV的谱峰、1.76MeV谱峰和2.62MeV的谱峰；而这正是⁴⁰K、²¹⁴Bi和²⁰⁸Tl三个核素的特征峰。它们之间的差别是明显的，极易辨认。因此，可以利用这一点，适当选择能谱仪各道的能量范围，即可分别测定岩石(矿石)中铀、钍、钾的γ射线计数率，然后经过换算(能谱仪标定)即可得铀、钍、钾的含量。

图2-38 U、Th、K的能谱分布示意图

一般地面γ能谱仪器选择下列四个能量窗：

钾道：1.35～1.55MeV；铀道：1.65～1.95MeV；钍道：2.5～2.7MeV；总道：0.3～3.0MeV。

总道给出的是计数率(cps)或当量含量10^-6)。其余三道测量出各道的计数率N₁、N₂、N₃，由此可列出以下联立方程：

放射性勘探方法

式中：N_i为各道计数率(常以i=1为U道，i=2为Th道，i=3为K道)；Q_U、Q_Th、Q_K分别为岩石中铀、钍、钾含量；a_i、b_i、c_i为铀、钍、钾各道的灵敏度系数，各灵敏度的定义如下：

放射性勘探方法

表示在饱和条件下，单位铀(或钍、钾)含量在铀、钍、钾各道中的读数。如a₁即表示单位铀含量在铀道的计数，即a₁=N₁/Q_U，这里的Q_U是饱和模型的铀含量，N₁是仪器在饱和模型上测量时铀道的读数。

解(2-96)式构成的线性方程组，得

放射性勘探方法

式中：

放射性勘探方法

即可计算测量测区岩(矿)石中铀、钍、钾含量。灵敏度系数a_i、b_i、c_i可在国家标准饱和模型上进行测定，详见能谱仪的标定。

(二)测量仪器

1.仪器种类

γ射线能谱仪利用的是探测器输出的脉冲幅度与γ射线的能量之间的线性正比关系。图2-39是γ射线能谱仪的方框图。脉冲振幅被放大和数字化后，经脉冲幅度分析器甄别分析，使能谱仪输出所探测到的γ射线的能谱。由于每个放射性核素能发射出特定的γ射线能量，所以可以用γ射线能谱仪来判断辐射源是什么。

图2-39 γ射线能谱仪框图

γ射线能谱仪分为“积分”式或“微分”式。积分能谱仪记录超过某阈值的脉冲幅度射线。此阈值可以依允许的某个放射性核素的临界值而调节。微分γ射线能谱仪记录幅值范围内(或道)上脉冲，它们对应于γ射线的相应能量范围。

相对于每个道址，较宽的能量间隔称为能量窗口。目前较多分析仪使用多道，如256道或512道，甚至更多，每道具有几千电子伏。也可使用开窗方式，这种能谱仪是将能窗限制在记录某几个特定能量范围。γ射线能谱仪幅度增益稳定，可以避免能量谱漂移。人们可以通过控制探测器的温度，或通过使用一个参考放射源的能谱或已测量能谱来实现能量稳定增益。

(1)便携式四道γ能谱仪

主要测量矿石、土壤中铀、钍、钾的含量，实现对高放射性矿产找矿勘探的要求。国产的仪器较多，如上海申核电子有限公司的FD-3022四道能谱仪；北京核地质研究院的H-90B微机γ能谱比活度仪，该仪器更新为HD-2002型便携式γ能谱等。国外的此类仪器有加拿大的GAD-6型γ能谱仪、美国的GR-410型γ能谱仪。表2-16列出了几种谱仪的性能对比。

表2-16 几种国内外四道γ能谱仪的性能对比

(2)便携式多道γ能谱仪

主要可用于野外地质找矿和环境监测。它测量的能谱范围大，从256道至1024道、2048道，可显示一次测量的谱线，采用相应的程序进行放射性含量的计算。主要仪器有H-40A微机γ能谱仪(256道)、HDY-256便携式γ能谱仪(256道)、HD-2000智能γ能谱仪(256道)、NP4-2伽马射线能谱仪(512)、CD-10野外γ射线全谱仪(2048道)、HF-91C便携式微机多道能谱仪(256道)。国外的此类仪器有加拿大的GR-320地面能谱仪，美国生产的DigDART便携式γ能谱仪、高纯锗γ能谱仪。表2-17列出了几种多道能谱仪。

表2-17 几种轻便多道γ能谱仪

2.能谱仪的标定

能谱仪标定的目的有二：其一是确定总道Tc的格值，这与辐射仪确定格值是一样的。其二是为了准确测定γ能谱仪的换算系数A_i、B_i、C_i(i=1，2，3)。换算系数准确与否，直接影响仪器测定eU、eTh、K含量的准确度。除了新仪器启用、仪器大修后以及野外工作之前要对仪器进行校准外，在野外工作期间，在更换了探测元件(如碘化钠晶体、光电倍增管等)，变更了分析器甄别阈，以及一切可能使能谱仪的换算系数发生变化的情况下，均应重新校准仪器，通常情况下应每年对仪器进行一次校准。

换算系数的测定必须在铀、钍、钾饱和模型上进行，然后在混合模型上检验仪器测定eU、eTh、K含量的准确度。

在模型上测量时，将探头先后置于各模型的中心位置，读取仪器各道(窗)的计数率。每次读数的测量时间为1～2min。每个模型上，每个道(窗)至少取用10个落在2倍标准误差以内的读数，取其平均值。根据测量结果及模型的定值含量计算换算系数。具体步骤如下：

(1)根据地面γ能谱测量原理，可建立三元一次方程组

放射性勘探方法

式中：N_U、N_Th、N_K分别为能谱仪测得的铀、钍、钾道(窗)计数率(扣除仪器放射性本底后)；Q_U、Q_Th、Q_K分别为测量对象中的eU、eTh、K含量，单位分别为1×10^-6eU、1×10^-6eTh、%K；a_i、b_i、c_i(i=1，2，3)分别为能谱仪各道(窗)对铀、钍、钾的灵敏度，单位分别为：计数率/1×10^-6eU、计数率/1×10^-6eTh、计数率/1%K，其下标1、2、3分别对应于能谱仪的铀、钍、钾道(窗)。

在饱和铀、钍、钾模型上进行测量，每个模型上均可以建立上述三个方程。根据这三个模型上建立的九个方程可以解出九个灵敏度：

放射性勘探方法

放射性勘探方法

式中：(U)、(Th)、(K)分别表示铀、钍、钾模型。

(2)换算系数的计算公式

为了便于计算含量，通常采用以下含量计算公式：

放射性勘探方法

式中：A_i、B_i、C_i(i=1，2，3)为换算系数。

根据饱和铀、钍、钾模型上测量的结果，每个模型均可建立上述三个方程。从三个模型上建立的九个方程可以解出这九个换算系数：

放射性勘探方法

放射性勘探方法

放射性勘探方法

放射性勘探方法

放射性勘探方法

放射性勘探方法

放射性勘探方法

放射性勘探方法

放射性勘探方法

式中：

放射性勘探方法

利用公式(2-110)和上述九个换算系数，即可从铀、钍、钾道(窗)的计数率换算出eU、eTh、K含量。

3.仪器的三性检查

(1)短期稳定性检查

(a)在开机8h内，在混合工作模型上等时间间隔读取n个读数(n≥30)，每个读数时间不少于1min。各道均应满足下式：

放射性勘探方法

式中：N_i为同一道中第i次读数；

为同一道中n个读数平均值；G为归一化恢复系数，它是仪器读数的测量时间t₀与归一化时间t的比值

放射性勘探方法

(b)连续读取n个底数，n≥30，每个读数时间1min，各道均应满足(2-121)式。

(c)在混合工作模型上连续取n个铀道和钍道读数，在钾工作模型上连续读取n个钾道读数，n≥30，每个读数时间为1min，各道读数均应满足(2-121)式。

(2)准确性检查

仪器对标准饱和混合模型测量后计算的含量，与该混合模型的已知含量间的允许误差范围见表2-18。表中低含量的允许误差以绝对误差要求，高含量的以相对误差要求。

表2-18 准确度检查的允许误差

(3)一致性检查

由一级模型站(现在称计量站)负责统一对一级模型站和各二级模型站建立一条标准剖面，并给出铀、钍、钾含量。标准剖面设在五个标准饱和模型的一个旁侧，剖面上等间距设立n个测点，n≥25，并做出醒目标记。

被检查的仪器对标准剖面测量的结果，与标准剖面的已知含量间进行一一对比检验。同一对数据的差值为x_i(i=1，2，…，25，26)，依下式计算这些差值的平均数

：

放射性勘探方法

再计算

的标准离差

：

放射性勘探方法

对于自由度f=n-1，取量信区间为95%，由t分布表(数学手册)查得t值。当|X|≤t·

时，则可判断为可以使用；否则，需查明原因，或重新标定仪。

4.仪器本底的测量

与地面γ辐射仪一样，见前述。可在水面上测量，也可用铅屏法。一般用水面法。

(三)野外测量方法

1.工作比例尺的选择

利用地面γ能谱测量进行高放射性矿产普查，根据要求找矿的详细程度，大致分为区调、普查和详查。各工作阶段比例尺及常用测网见表2-19，也可根据具体任务确定，区调和普查可采用规则测网，也可采用不规则测网，详查测量应采用规则测网。工作底图应使用大于或等于工作比例尺的地形图。

(1)区调

测量工作区内eU、eTh、K含量，计算其比值，了解它们的分布规律，研究区域地质背景和成矿地质条件，为预测找矿远景区及地质填图提供基础资料。

(2)普查

在找矿远景区内通过对eU、eTh、K含量及其比值等分布规律的研究，并结合地质构造、矿化特征和其他物化探异常，圈定找矿远景片。

表2-19 各工作阶段比例尺及常用测网

(3)详查

通过对远景片内eU、eTh、K含量及其比值的分布特征的综合分析，进一步圈出富铀地段和其他矿产的矿化蚀变范围，查明铀矿或其他矿产的成矿地质条件、矿化特征及控制因素，划出需揭露的远景段，为工程部署提供依据。

2.路线测量或面积测量的一般程序

与γ总量测量大体相同，主要有：

1)将仪器置于正常工作状态，主要是特征能量峰窗口的选择、道宽的选择。

2)测点选择是将仪器的探头放在比较平坦基岩露头上，要注意几何条件的一致性。

3)视仪器探头晶体体积大小及测量对象的含量高低确定测量时间。若仪器探头晶体为φ75mm×75mm的规格及被测含量为正常情况时，测量时间为1min取一次读数，当发现异常时取两次读数，每次1min，其允许误差：当eU≤10×10^-6时，绝对误差为2×10^-6；当eU>10×10^-6时，相对误差±10%，当eTh≤25×10^-6时，绝对误差为3×10^-6；当eTh>25×10^-6时，相对误差为±1%，K的绝对误差为1%。

4)仪器工作期间每隔2h进行一次仪器工作状态的有关参数检查，其结果必须记录。

5)出工前要把已知的地层(岩性)、岩体界线、构造位置、各类异常事先标在地形图上，在沿路线测量时，认真观察地质现象。

6)在测区内，对各种地层单元或岩性，均匀地取n个有代表性的样品(n>30个)分析铀、钍、钾及伴生元素，按项目要求，提供铀镭平衡的研究资料等。

7)测量工作提交以下资料：①实际材料图；②野外原始记录；③仪器工作状态有关参数。

8)野外异常测量：当遇到异常时(大于异常下限)，应对异常进行追索，工作程序如下：

(a)检查仪器工作是否正常；

(b)如仪器工作正常，进行重复测量；

(c)观察地质现象；

(d)按一定的加密点线距进行测量，追索异常；

(e)在记录本上记述异常位置，赋存地层及岩性，控制因素，围岩蚀变，矿化特征，异常形态、规模、性质等；

(f)在异常最高部位取样，进行铀、钍、钾及伴生元素分析，必要时应做岩矿鉴定；

(g)对异常进行评价，并提出进一步工作意见。

3.质量检查

(1)野外仪器检查

(a)仪器的野外短期稳定性检查；

(b)仪器的野外长期稳定性检查。

(2)路线检查

检查路线主要分布在成矿有利或对工作质量有怀疑的地方，以互检方式进行，检查工作量：区调阶段5%，初查和详查阶段10%。单个点误差要求如下：eU≤10×10^-6时，绝对误差为2×10^-6；当eU>10×10^-6时，相对误差±10%；当eTh≤25×10^-6时，端差≤3×10^-6；当eTh>25×10^-6时，相对误差为±10%；K含量误差以绝对误差衡量，端差≤1%K的测点为合格测点，合格率应不低于70%。

(3)异常点(带)检查

具有矿化及有地质意义的点(带)进行100%检查，一般异常点(带)检查50%。