地面伽馬能譜測量理論基礎(chǔ)的綜述

張選同

（新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830046）

地面伽馬能譜測量理論基礎(chǔ)的綜述

張選同*

（新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830046）

伽馬能譜測量是地球物理勘探的方法之一。從伽馬射線的發(fā)現(xiàn)，伽馬射線與物質(zhì)的3種相互作用形式，放射性元素在巖石或土壤中的分布規(guī)律，以及能譜測量影響的因素等方面進行基礎(chǔ)論述，從而總結(jié)伽馬能譜測量在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用原理。

伽馬能譜；伽馬射線；相互作用；放射性元素分布規(guī)律；影響因素

近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和國防事業(yè)的增強，對礦產(chǎn)資源的需求不斷增長。然而礦產(chǎn)資源的稀缺性、礦床區(qū)域地質(zhì)、經(jīng)濟條件的落后以及交通不便等因素造成了礦產(chǎn)資源勘探的重大難題。伽馬能譜測量是利用各種巖石和土壤的放射性元素含量差異來尋找礦產(chǎn)或查明地下地質(zhì)構(gòu)造的一種勘探方法。伽馬能譜勘探具有高效、輕便、預(yù)測精度高等優(yōu)點。因此，在地質(zhì)勘查中獲得廣泛應(yīng)用。最初是在放射性地質(zhì)勘查領(lǐng)域使用，后來在非放射性礦產(chǎn)和地質(zhì)填圖中使用，近年來開始用于環(huán)境監(jiān)測和保護。

1　伽馬射線

伽馬射線是1900年由法國化學(xué)家和物理學(xué)家P.V.維拉德發(fā)現(xiàn)的，到1903年被物理學(xué)家盧瑟福命名［1］。它具有很強的穿透力，其可以穿透幾十厘米厚的巖石和數(shù)百米的空氣［2］。伽馬射線主要由以下過程產(chǎn)生［3］：①α或β衰變；②核反應(yīng)；③由基態(tài)的直接激發(fā)；④來自較高激發(fā)態(tài)的γ躍遷。

盡管自然界有很多天然放射性同位素，其中絕大多數(shù)是一次核衰變后形成穩(wěn)定核素，如87Rb（銣）、40K（鉀）等；有些核素按一定順序相繼衰變構(gòu)成放射性系，天然放射性系列主要是鈾系、釷系和錒鈾系［4-5］。天然放射性核衰變主要有α衰變和β衰變［6］。在α或β衰變之后，形成的子核往往處于激發(fā)態(tài)，當(dāng)原子核從激發(fā)態(tài)向較低能級躍遷時，同時釋放出伽馬射線，這種現(xiàn)象稱為伽馬衰變［7］。伽馬測量的對象主要是衰變的伽馬射線。

2　伽馬射線與物質(zhì)的相互作用

伽馬射線與物質(zhì)的相互作用是伽馬能譜測量的物理基礎(chǔ)。伽馬射線是一種波長極短的電磁波，與物質(zhì)相互作用和帶電粒子不同，是一種不帶電荷的光子。其與物質(zhì)相互作用除了具有穿透外，還有吸收和散射。伽馬射線與物質(zhì)的相互作用有3種形式：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)［4-6，8-9］。

2.1光電效應(yīng)

伽馬光子與原子殼層軌道上的內(nèi)層電子碰撞時，將全部的能量傳遞給原子中某個束縛的電子，使電子從原子中發(fā)射出來，發(fā)射的電子稱為光電子，伽馬光子消失，該過程稱為光電效應(yīng)。產(chǎn)生光電效應(yīng)后的原子處于激發(fā)態(tài)，當(dāng)外層電子充填內(nèi)層電子空缺時，多余的能量以輻射特征X射線或俄歇電子等形式放出，原子回到正常狀態(tài)。

光電子的飛行方向，一般與伽馬光子的運動方向和能量（hν）有關(guān)。根據(jù)動量和能量守恒原理，在光子的入射方向和180°方向上是沒有光電子發(fā)射。光電效應(yīng)是吸收低能量過程，當(dāng)伽馬光子能量較低的時候，光電子垂直于伽馬光子入射的方向飛出概率較大；隨著入射伽馬光子能量不斷的增加，射出的光電子逐漸靠近伽馬光子入射方向。

2.2康普頓效應(yīng)

伽馬光子與物質(zhì)相互作用時除了產(chǎn)生光電效應(yīng)之外，還有康普頓效應(yīng)?？灯疹D效應(yīng)產(chǎn)生兩種散射方式：其一是彈性散射，另一種是彈性碰撞。彈性碰撞是伽馬光子將部分能量傳給電子，電子與入射光子成φ角度射出，稱為反沖電子，被減弱的伽馬光子也改變了方向，與入射光子成θ角度散射出去，該光子稱為散射光子，這種作用稱為康普頓效應(yīng)?？灯疹D效應(yīng)主要吸收中等能量的伽馬光子。天然放射性核素放出的伽馬光子與巖石作用的主要形式是康普頓效應(yīng)。

2.3電子對效應(yīng)

隨著入射光子的能量增高，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)逐漸減弱。當(dāng)入射光子的能量大于1.02 MeV時，伽馬光子和物質(zhì)產(chǎn)生電子對效應(yīng)。電子對效應(yīng)是指入射的伽馬光子在核庫侖場作用下能量完全被吸收，電子從負(fù)能級躍遷到正能級，同時產(chǎn)生一對粒子（正、負(fù)電子），且隨著伽馬光子能量的增加逐漸成為主要的作用方式。

從圖1可以看出：隨著入射伽馬光子能量的變化，3種效應(yīng)所占比例是不同的［8］。一般來說①對于低能量的伽馬光子和原子序數(shù)高的吸收物質(zhì)，主要形式是光電效應(yīng)；②對于中等能量的伽馬光子和原子序數(shù)低的吸收物質(zhì)，主要形式是康普頓效應(yīng)；③對于高能量的伽馬光子和原子序數(shù)高的吸收物質(zhì)，主要形式是電子對效應(yīng)。

圖1　伽馬射線與物質(zhì)的相互作用（引自IAEA，2003）

3　伽馬能譜測量的物理基礎(chǔ)

伽馬能譜測量是利用各種巖石和土壤中放射性元素含量差異所引起的放射性異常來尋找有用的礦產(chǎn)或查明地下地質(zhì)構(gòu)造的一種地球物理方法。根據(jù)巖石和土壤中的放射性元素分布特征，探討伽馬能譜測量的物理基礎(chǔ)。

3.1放射性元素在巖石中分布規(guī)律

不同類型的巖石，其放射性元素的含量是不相同的［10］。即使是不同時代的同一種巖性的巖石或不同地區(qū)的同一種巖性的巖石，其放射性元素含量也是不相同的［11］，雖然這些放射性元素在巖石中含量差異很大，但是其具有以下分布規(guī)律［4，7，11-13］：

（1）在巖漿巖中，鈾、釷和鉀的含量往往隨著SiO2的含量增加而增長［14］，如圖2所示。例如長英質(zhì)巖石比超基性巖和鐵鎂質(zhì)巖的放射性元素含量都要高［15］。在火成巖侵入的最后階段形成的巖石，由于溫度的驟降，不再具有這種地球化學(xué)行為，但是鉀含量很高，而鈾和釷含量卻相對的減少［15］。鈾和釷含量從基性巖到酸性巖呈增長的趨勢，釷隨著鉀的含量增加也呈顯著性的增長［16］。鈾、釷、鉀含量在巖漿巖中差異很大，在酸性巖漿巖中最高，中性巖稍高，基性、超基性巖中最低。

圖2　火成巖中K、U、Th平均含量變化隨著酸性（Si含量）相應(yīng)增加（引自Dickson，Scott，1997）

（2）在花崗巖侵入體中，不同期次、不同巖相及不同脈中放射性元素含量都有差異。在巨大的花崗巖中，自外向內(nèi)，自上向下，放射性元素的含量也有明顯差異；花崗巖中穿插的偉晶巖脈有較高的放射性，但細(xì)晶的放射性較低。由于放射性衰變原因，花崗巖體年代越新，其放射性越高，在晚期花崗巖中鈾含量較高（表1）。

表1　我國不同時期花崗巖中鈾含量

（3）沉積巖的放射性元素的含量比巖漿巖和變質(zhì)巖都低。但是，不同的沉積巖中的鈾、釷、鉀含量也有很大的差異，其中頁巖和粘土巖中的含量較高，與酸性巖接近；砂巖中放射性元素含量變化大，主要取決于礦物顆粒組分；在石灰?guī)r、石膏、鹽巖中的鈾、釷、鉀含量都比較低。在石灰?guī)r中釷含量低，但是石灰?guī)r中釷的含量會隨著雜質(zhì)成份的增多而增加［17］。當(dāng)沉積巖中富含磷、鐵和鋁的氫氧化物或有機物時，也會有相對較高的放射性。

（4）變質(zhì)巖中的鈾、釷、鉀含量與變質(zhì)前原巖的含量和變質(zhì)程度有關(guān)。變質(zhì)程度較高的變質(zhì)巖放射性元素含量相對低，鈾、釷比值也隨著變質(zhì)程度的增加而有規(guī)律的減?。?8］。鈾、釷、鉀含量在炭質(zhì)頁巖、白云母化—黑云母化片麻巖中相對含量都比較高，但是在大理巖、石英巖中含量偏低。這是由于在變質(zhì)過程中，鈾、釷、鉀等發(fā)生了遷移，所以變質(zhì)巖的放射性元素含量常比原巖的低。

3.2放射性元素在土壤中分布規(guī)律

土壤是巖石風(fēng)化作用的產(chǎn)物，主要由礦物質(zhì)和有機質(zhì)組成，放射性元素的含量取決于形成土壤的基巖中放射性元素含量［4，7］。在表生風(fēng)化條件下，鈾和釷因氧化作用而發(fā)生分離，鈾的活動性大，可被淋蝕搬運，在還原環(huán)境中富集［19］，形成放射性異常；釷以機械風(fēng)化、遷移為主，通常富集在土壤和風(fēng)化巖石的殘積物中［20］。

綜上所述，根據(jù)巖石、土壤中的放射性元素的分布特征，為伽馬能譜測量提供了地質(zhì)測量的依據(jù)，通過伽馬能譜測量能夠反應(yīng)放射性元素分布規(guī)律。

4　地面伽馬能譜測量影響因素

地面伽馬能譜測量受深度的限制，所以僅能反映放射性元素在地表或近地表的富集的特征。因此，在野外伽馬能譜測量過程中，測得的能譜數(shù)據(jù)受幾何條件變化、覆蓋層、濕度、基質(zhì)和溫度等條件的影響［21］。

4.1地形的影響

地形的幾何條件可能影響放射性元素含量的測量［8］。地面伽馬能譜儀是在平面幾何條件為2π的混凝土模型上標(biāo)定的，而在實際測量工作中，地形起伏，測點通常會在凸起部位或是凹陷部位，這樣測得的值會不同，這是由于地面對探測器所張的立體角不同所致［11］。因此，在露頭很小、山脊、山谷和陡峭的斜坡上等不平的地表伽馬能譜測量時，可能對測量值有不同程度的影響［8］。為了克服地形的影響，應(yīng)盡量把伽馬能譜儀放在比較平坦的位置進行測量或是對地形進行修正。

對臺階、沖溝、山包等不平坦的地形作相應(yīng)修正，或?qū)①ゑR能譜探測器提高，可有效地減少地形對測量結(jié)果的影響［22］，也可以用二維地形改正的方法對地形進行修正［23］。地形起伏程度、坡度大小和山坡的長短等因素可能對航空伽馬能譜測量結(jié)果產(chǎn)生影響，為此采用了比值校正法對地形校正［24］。為了克服地形的影響，應(yīng)盡量把伽馬能譜儀放在比較平坦的位置上測量。

4.2覆蓋層的影響

覆蓋層為碎屑?xì)埛e、土壤層及植被等可能都會對地面伽馬能譜測量產(chǎn)生影響。根據(jù)初級光子注量率隨土壤厚度變化，地面伽馬能譜測量土壤的有效深度在100cm以內(nèi)，土壤的密度也會對地面伽馬能譜測量產(chǎn)生影響［25］。如果地表風(fēng)化碎屑、土壤層是原地殘積的而不是搬運的，那么地面伽馬能譜測量可認(rèn)為是母巖物質(zhì)［26］，能夠反映測區(qū)的地質(zhì)情況。所有類型巖石的風(fēng)化作用都會導(dǎo)致鉀的丟失，但是對于長英質(zhì)巖石，同樣會發(fā)生鈾和釷的丟失［15］。稠密的植被也會對伽馬輻射有明顯的衰減作用。覆蓋層厚度的影響，一般是隨著覆蓋層厚度的增加伽馬強度減弱［11］。

4.3濕度的影響

伽馬測量受土壤的濕度變化影響，當(dāng)濕度較高時伽馬射線通量明顯衰減，伽馬測量值降低［21，27］。而孔隙度對能譜測量影響較小，隨著含水量增加能譜強度呈線性降低。用蒙特卡羅程序MCNP4B模擬計算了土壤樣品具有不同含水量時，獲得伽馬探測效率受含水量影響；高能伽馬射線探測受土壤含水量的影響小，而低能的受含水量影響大。在高溫干燥時比低溫濕潤時的伽馬測量值要高，主要是由于地表濕度增大，加強了水分對伽馬的吸收作用，使得實際測量值較低。因此，雨后不要立即進行能譜測量，否則影響到測量結(jié)果。

4.4溫度的影響

在其他條件不變時，溫度的變化能使光電倍增管增益發(fā)生變化，從而使儀器計數(shù)率也發(fā)生變化。隨著溫度升高，鈾、釷、鉀和總道參量的讀數(shù)都有增高，在20℃～40℃出現(xiàn)一段平緩段，而總道較短［28］。因此，在地面伽馬能譜測量的過程中，應(yīng)當(dāng)考慮溫度影響而采用能譜自穩(wěn)措施，從而提高測量精度。

5　地面伽馬能譜測量基本原理

天然放射性核素中，鈾（238U）衰變成214Bi的過程中釋放出1.76 MeV的能量；同樣釷（232Th）衰變成208Th的過程釋放出2.61 MeV的能量，分別用來計算U和Th的含量［14］；而40K衰變釋放的1.46 MeV的能量用來計算K的含量。不同放射性元素釋放出不同特征能量的伽馬射線［5，29］，鈾、釷和鉀的平衡衰變系都有自己特征的線譜，傳統(tǒng)的伽馬能譜數(shù)據(jù)采集和處理方法是檢測3個或4個相對較寬的能量窗。鉀能量窗檢測的是40K衰變釋放出能量為1.46 MeV伽馬射線，鈾系和釷系伽馬射線能量窗都是其衰變子體核素產(chǎn)生的，這些能量窗是普遍認(rèn)為最適合鈾、釷和鉀的測量，反映出總的放射性含量［8］。

因此，每一種伽馬輻射體都有自己特定能量的伽馬射線。在野外勘探過程中，伽馬能譜儀可以直接測量巖石或土壤中特定能量的伽馬射線，從而就能夠確定具有該譜線特征的放射性元素的存在。再將測得的伽馬強度與標(biāo)準(zhǔn)樣品的伽馬強度進行對比和計算，就可以確定該元素在巖石、礦石或土壤中的含量，這就是伽馬能譜測量的基本原理。

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P623

A

1004-5716（2016）08-0129-04

2015-08-12

2015-08-14

張選同（1982-），男（漢族），新疆阿克蘇人，新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：礦床學(xué)，礦物學(xué)，巖石學(xué)。