活性炭測(cè)氡技術(shù)在地球物理勘探中的應(yīng)用

活性炭測(cè)氡技術(shù)在地球物理勘探中的應(yīng)用活性炭測(cè)氡技術(shù)在地球物理勘探中的應(yīng)用

地球物理勘探――物探，是應(yīng)用地球物理學(xué)的主要分支，是地質(zhì)工作的一種必不可少的主要伎倆。其實(shí)質(zhì)是利用天然存在或人工建立的地球物理場(chǎng)的變化來解決地質(zhì)問題的。放射性勘探是隨著原子能的發(fā)現(xiàn)及利用而迅速開展起來的，是以巖礦石的放射性差別為根底的，其原理是放射物質(zhì)的原子核衰變時(shí)能放出射線，而各種巖礦石中的放射性元素含量不同?；钚蕴繙y(cè)氡技術(shù)作為一種積累式靜態(tài)測(cè)量辦法，其測(cè)量結(jié)果較其他測(cè)量法更為準(zhǔn)確、高效、便利，合乎現(xiàn)代測(cè)量項(xiàng)目的實(shí)際開展需求。目前，活性炭測(cè)氡技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如航天、勘探、軍事等。在鈾礦勘探過程中，活性炭測(cè)氡技術(shù)能夠有效地適應(yīng)野外勘探作業(yè)的實(shí)際需求。同時(shí)，該測(cè)量技術(shù)還能夠用于地下火區(qū)、中長(zhǎng)期地震監(jiān)測(cè)預(yù)警、煤礦采空區(qū)等，以更好地尋找地質(zhì)構(gòu)造破碎帶、地下基巖水、隱伏斷層等，同時(shí)在地?zé)崽綔y(cè)中也發(fā)揮了積極作用。

1活性炭測(cè)氡技術(shù)的根本原理

氡是一種無色無味的放射性惰性氣體，其固體分子的吸附性很強(qiáng)，特別是活性炭、橡膠、煤等。同時(shí)，活性炭本身就是一種良好的吸附材料，具有較強(qiáng)的吸附作用，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域?；钚蕴颗c其他普通炭類相比，其外表積更大，吸附作用更強(qiáng)，它既可以吸附一些液態(tài)物質(zhì)，又可以吸附一些氣態(tài)物質(zhì)，是一種非極性的吸附材料。因此，活性炭可以廣泛應(yīng)用于氡吸附工作中。在進(jìn)行吸附時(shí)，工作人員先將特制的活性炭吸附器置于某一深度的地下，待一段時(shí)間后再取出，這時(shí)氡的吸附量到達(dá)最大值，并與周圍的氡濃度呈現(xiàn)出一種平衡狀態(tài)。工作人員可以將重新取出的吸附器放于專門的放射元素檢測(cè)儀器中，測(cè)出氡衰變氣體中γ射線的強(qiáng)度值，并判斷其濃度。

活性炭對(duì)氡吸附的影響因素有很多，如：活性炭的選材、質(zhì)量，采樣器的制造工藝，探測(cè)環(huán)境的溫度、濕度、埋深，地質(zhì)體中的氡濃度以及吸附時(shí)間等等。在其它影響因素一定時(shí)，活性炭吸附量與氡濃度的關(guān)系如圖1：

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圖1活性炭吸附力與222Rn圖2氡與氦形成“團(tuán)簇〞的

濃度的關(guān)系模型示意圖

圖1表現(xiàn)了吸附量與氡濃度的線性關(guān)系。這就在理論上證明了活性炭測(cè)氡的可行性，并能準(zhǔn)確反映探測(cè)區(qū)氡的含量，為活性炭測(cè)氡技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了理論根底。

1997年劉鴻福詳盡地闡述了氡的運(yùn)移，當(dāng)α粒子以高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)持續(xù)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，隨即開始減速，這時(shí)氡、氦核、氡子體以及母體之間會(huì)產(chǎn)生兩種強(qiáng)弱懸殊的作用力，即電場(chǎng)作用力與vanderWaals力。在這兩種力的相互影響和作用下，氡、氦核、氡子體以及母體會(huì)形成大小不一的“團(tuán)簇〞〔詳見圖2〕。根據(jù)元素構(gòu)成可知，氦的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣，一旦滿足其運(yùn)動(dòng)條件，氦就可以帶動(dòng)比重更大的氡和氡氣體做向上運(yùn)動(dòng)。因此，我們可以積極采取各種有效辦法和伎倆收集和整理相關(guān)數(shù)據(jù)，以有效解決地質(zhì)勘探的相關(guān)問題。

由于大自然中放射性核素存在廣泛，氡作為一種惰性氣體，通常不參與化學(xué)反饋。并且氡及其子體地球化學(xué)性質(zhì)存在差別，不同的地質(zhì)體氡的濃度分布也不盡相同，而且都有其規(guī)律可循。比方說：地質(zhì)巖性的不同，像石灰?guī)r與花崗巖由于放射性元素的含量不同就很容易被探測(cè)辨別開；巖石的破碎差別也是造成氡異常的原因；地下水和地?zé)崽荻茸饔枚紩?huì)改變放射性元素的分布；特別是含放射性元素的地質(zhì)礦體必然造成地表氡異常。這些都為活性炭測(cè)氡技術(shù)的使用提供了充沛的客觀根底。

2活性炭測(cè)氡技術(shù)在地下火區(qū)中的應(yīng)用

沉積巖中富含豐盛的天然放射性核素，各放射性元素的含量具有一定的差別，同時(shí)其在巖層中的分布區(qū)域也不盡相同。沉積巖中常見的放射性核素主要有■，■，■等。由于各放射性元素的半衰期較其他元素更長(zhǎng)，最長(zhǎng)可達(dá)108-1010年之久。因此，目前很多巖石層中均有大量賦存的放射性核素?？傮w來看，不同沉積巖中核素的顏色和構(gòu)成也相差較大。一般地，黑色的沉積巖中具有豐盛的有機(jī)膠體，它們可以有效吸附巖石層中的鈾、釷等元素，在沉積時(shí)這些元素也隨之被帶進(jìn)沉積巖中。據(jù)此可知，那些顏色較深的沉積巖較顏色較淺沉積巖中富含的放射性核素更高。

2.1煤炭自燃可增大射氣系數(shù)

A.H.蘇爾坦霍耶夫等曾給出了氡隨溫度變化從礦物

中析出的解釋。劉鴻福等人通過氡析出實(shí)驗(yàn)有效地分析和判斷出了氡析出量與溫度之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)氡析出量與溫度呈正相關(guān)性，且介質(zhì)濕度也會(huì)對(duì)氡析出量造成一定的影響。一般地，介質(zhì)濕度越大，氡的析出量也隨之增大。

表1氡析出量與生成量比值

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2.2煤炭焚燒造成其頂部巖層放射性核素重新分布

當(dāng)煤層自燃時(shí)，其周圍的巖石將產(chǎn)生一定的燒變作用，這將改變其周圍的氧化復(fù)原條件。在氧化復(fù)原過渡帶，由于自由氧被耗費(fèi)，pH值與Eh值發(fā)生了變化，水中的六價(jià)鈾被復(fù)原為四價(jià)，吸附而沉淀。這樣，可在煤炭自燃區(qū)頂部的某一部位造成鈾的相對(duì)富集。同時(shí)，煤炭焚燒可使其周圍孔隙或裂隙水溫度升高，這就加大了水淋濾出鈾和氡的母體的能力，從而增大了巖礦石析出自由氡的數(shù)量，又由于水溶解氡是隨溫度的升高而降低的〔見表2〕，并在回升的水蒸汽作用下，就會(huì)大大地提高焚燒煤炭及其周圍的氡濃度。

表2氡在水中溶解度系數(shù)與溫度的關(guān)系

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此外，地下煤炭自燃區(qū)造成氡氣向上運(yùn)移?？梢?，煤炭自燃，會(huì)造成高溫區(qū)上部氡氣濃度的增高。

由于氡測(cè)量受地形因素影響較小，因此一旦出現(xiàn)地下煤層自燃情況時(shí)，熱區(qū)和無熱區(qū)上方會(huì)出現(xiàn)明顯的氡濃度差。此時(shí)，技術(shù)人員可以采取相關(guān)措施進(jìn)行提樣采集，以確定自燃層的位置。

3活性炭測(cè)氡技術(shù)在采空區(qū)中的應(yīng)用

煤礦采空區(qū)形成后，改變了地下地質(zhì)體的應(yīng)力分布狀態(tài)，促使地質(zhì)體發(fā)生變形，從而改變了地下氣體的運(yùn)移與集聚環(huán)境，對(duì)氡氣的運(yùn)移與富集具有一定的控制作用。主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：

3.1儲(chǔ)氣作用

相比于其他完整的巖體來說，采空區(qū)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定和自由的流動(dòng)區(qū)域，氣體到了這一區(qū)域流動(dòng)性和聚合性都有了相應(yīng)的提高，這對(duì)于氣體的變化與反饋是十分有利的。一般情況下，這一地區(qū)通常儲(chǔ)存著大量的氣體和地下水，是開采〔儲(chǔ)存氣體等〕的重要區(qū)域。

3.2集氣作用

一旦采空區(qū)頂層出現(xiàn)陷落，那么在重力的影響下，應(yīng)力會(huì)向圍巖內(nèi)部進(jìn)行遷移，并在周圍形成一個(gè)低應(yīng)力區(qū)。而氣體與液體總是由高壓區(qū)向低壓區(qū)流動(dòng)。在此情況下，采空區(qū)及其周圍的變形區(qū)會(huì)將圍巖中的氣體源源不斷地抽送上來，同時(shí)放射性元素也會(huì)富集至這一區(qū)域。

3.3通道作用

采空區(qū)出現(xiàn)裂隙后，氣體便由此缺口向上移動(dòng)，氡氣也由此向地表遷移，最終形成地表氡異常區(qū)。

4結(jié)束語

綜上所述，活性炭測(cè)氡技術(shù)除了可以用于鈾礦勘探之