航空放射性測量基本原理及應用

董根旺 中國冶金地質總局地球物理勘查院

一、航空放射性測量基本原理

天然輻射廣泛存在，但直到100多年前，人們才發(fā)現(xiàn)了射線和放射性。自然界有一些元素的原子核處于不穩(wěn)定狀態(tài)，能自發(fā)地發(fā)生變化，由一種原子核轉變?yōu)榱硪环N原子核，并伴隨著放出一種特殊射線，這種現(xiàn)象稱為核衰變，這樣的元素稱為天然放射性核素（同位素）。放射性核素衰變時放射出的射線與物質相互作用會產生的各種效應，放射性測量的基本原理便是基于這些效應。

核衰變放出的射線最常見的有三種：α射線（氦核）、β射線（電子）和γ射線（光子）航，航空放射性測量利用的是γ射線，測量的主要是鈾、釷、鉀的含量。由于鈾、釷是主要的核工業(yè)原料，也是除核事故外最有可能影響人類輻射環(huán)境的元素，而鉀元素在地殼巖石中廣泛分布，因此測量巖（礦）石中鈾、釷、鉀的含量有重要意義。

另一方面，因為天然放射性核素鈾系、釷系和40K放射有特征能量的γ射線，如下圖所示。可以看到，不論是模型上空還是典型花崗巖體上空，γ射線譜均有清晰可見的三個能量譜峰，分別為2.62MeV（釷系）、1.762MeV（鈾系）、1.462MeV（40K），并且這些射線受干擾少，是測量鈾、釷、鉀含量的首選γ射線組。

高空γ射線能譜測量圖

為了將航放測量的計數(shù)率（cps）換算得到巖（礦）石中鈾、釷、鉀的含量，常用的是選擇以這三個能量峰為中心，分別選擇三個譜段。通常是：鉀道(K)道寬：1.37～1.57MeV；鈾道(U)道寬：1.66～1.87MeV；釷道(Th)道寬：2.41～2.81MeV；總道(TC)道寬：0.4～3.0MeV。

雖然這三個能量峰清晰可見，但互有干擾，為了消除相互影響，最好的辦法是將測量系統(tǒng)在已知鈾、釷、鉀含量的標準模型上進行標定。同時由于航空放射性測量是在空中進行，需要對采集的數(shù)據(jù)做一些特殊的校正，如消除飛行器本身材料中放射性核素影響的飛機本底校正，消除宇宙射線影響的本底校正，消除γ射線經介質（主要是空氣）散射而影響低能道的康普頓散射校正，消除飛行高度變化影響的高度校正以及大氣氡校正。

二、航空放射性測量的應用

航空放射性測量應用廣泛，主要有以下幾個方面。

（一）放射性礦產資源勘查。顯然，航空放射性測量可以直接尋找鈾、釷、鉀等放射性礦產，對于鈾礦勘查，一是尋找火山巖硬巖型鈾礦床，二是預測碳硅泥巖型鈾礦成礦有利地帶，三是尋找沉積砂巖型鈾礦。砂巖型鈾礦是目前尋找的重點鈾礦類型，但由于其通常品位低、埋深大，需采用多元素組合參數(shù)進行弱信息增強處理，提取與砂巖型鈾礦有關的礦致信息。另外還可以利用航空放射性測量尋找勘查與放射性元素有共生關系的多金屬、貴金屬、稀土金屬和非金屬礦床，如金礦、銅鉛鋅礦、鉬礦、銀礦、磷礦等。

（二）地質填圖。根據(jù)不同巖（礦）石中放射性元素含量差異，可以利用航空放射性數(shù)據(jù)進行巖性單元填圖，區(qū)分各類巖體或地層。火成巖是地殼放射性元素的主要來源，不同性質不同來源的火成巖放射性元素含量有差異，利用快速獲得的大量放射性數(shù)據(jù)在細化火山巖組尤其是在區(qū)分花崗巖深成巖體或基巖方面有很好的的效果。并且由于蒸發(fā)巖、碳酸巖、砂巖和泥頁巖通常放射性元素含量是不同的，利用航空放射性數(shù)據(jù)進行沉積盆地巖相填圖也十分有效。為了更好地發(fā)揮放射性數(shù)據(jù)在地質填圖中的作用，通常結合地形圖、遙感數(shù)據(jù)及衛(wèi)星圖片等資料進行綜合解釋。

（三）油氣資源勘查。上世紀50年代到80年代，美國進行了大量的放射性測量尋找油氣田的工作，一項研究工作表明72.7% 的油氣田有明顯的歸一化鉀異常和鈾異常。我國東部五個油氣田區(qū)中62個已知油氣田的航空放射性測量結果的研究表明，66.1% 的已知油氣區(qū)與放射性低值相關，主要表現(xiàn)為鉀和鈾低。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明油氣田上方的放射性異常確實存在，但油是碳氫化合物，本身沒有放射性，油氣田上方的放射性異常形成機理目前仍在研究當中。同時由于油氣區(qū)的放射性異常信息微弱，且存在巖性干擾，目前油氣田勘查已較少應用航空放射性數(shù)據(jù)。

（四）輻射環(huán)境調查與監(jiān)測。輻射環(huán)境調查與監(jiān)測包括輻射環(huán)境水平調查及核事故應急監(jiān)測。輻射環(huán)境水平調查目的有二：一是為公眾和建設選擇環(huán)境適宜地區(qū)；二是為今后核污染提供背景資料，可以充分利用以往航空物探調查時獲得的航空放射性數(shù)據(jù)。核事故應急監(jiān)測主要是針對突發(fā)性核事件進行的監(jiān)測工作，包括核實驗、核電站泄漏等過程產生的放射性塵埃及碎片，監(jiān)測的對象以人工核素為主。近些年我國曾針對鄰國核試驗、福島核電站事故等突發(fā)事件對我國東部相關地區(qū)進行過核應急航空監(jiān)測飛行。

三、總結

經過60多年的應用和發(fā)展，我國航空放射性測量已經積累了豐富的經驗，獲得了大量的測量數(shù)據(jù)，為我國礦產資源勘查尤其是鈾礦勘查提供了有力的支持。根據(jù)我國目前航空物探工作形勢，筆者認為，加強對已獲得的航空放射性數(shù)據(jù)的二次開發(fā)，以及拓展航空放射性數(shù)據(jù)的應用領域并深入研究其應用原理，是今后一段時間航空放射性測量的重點工作。