航空伽瑪能譜測量大氣氡的影響研究

摘" 要：該文闡述上測法結合基線數(shù)據(jù)在航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)處理中大氣氡校正的應用，包含上測法的原理和方法、航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)處理和基線的作用。使用該方法能夠對航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)進行修正，但由于上測法大氣氡校正時引入較大的不確定度，數(shù)據(jù)條帶仍存在，進一步調(diào)平后，大氣氡對航空放射性鈾道數(shù)據(jù)的影響基本消除，實際應用效果較好。

關鍵詞：航空伽瑪能譜測量；基線；大氣氡校正；上測法；調(diào)平

中圖分類號：TL817.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）35-0031-04

Abstract： This paper describes the application of the up-measurement method combined with baseline data in atmospheric radon correction in airborne gamma spectrum data processing， including the principles and methods of the up-measurement method， airborne gamma spectrum data processing and the role of baseline. Using this method， the airborne gamma spectrum data can be corrected. However， due to the large uncertainty introduced during the correction of atmospheric radon by the up-measurement method， the data strips still exist. After further leveling， the atmospheric radon on the airborne radioactive uranium channel data. The impact of the data is basically eliminated， and the practical application effect is satisfying.

Keywords： airborne gamma spectroscopy; baseline; atmospheric radon correction; up-measurement method; leveling

航空伽瑪能譜測量[1-2]的影響因素很多，其中大氣氡因其衰變子體214Bi是天然放射性鈾系中最主要的伽瑪輻射體，成為航空伽瑪能譜測量本底中最大的影響因素。大氣氡主要來源于地表土壤和巖石。土壤和巖石中均存在一定的量的天然放射性系列：鈾系、釷系、錒鈾系，這些天然放射性系列中的核素經(jīng)衰變[3]產(chǎn)生氡及其子體，隨周圍環(huán)境因素（溫度、壓力等）改變，引起擴散對流等作用，使得氡及其子體從土壤和巖石的裂隙中遷移至大氣中。大氣氡衰變產(chǎn)生的輻射分量，將嚴重干擾航空伽瑪能譜測量系統(tǒng)各計數(shù)窗記錄的數(shù)據(jù)所反映的陸地放射性[4-5]的真實性，而航空伽瑪能譜測量系統(tǒng)并不能自動消除這種干擾。

國際原子能機構IAEA-323報告[6]中使用上測法來測量大氣氡，即在測量系統(tǒng)中增加上視探測器。這種附屬探測器的測量立體角一般為180°，記錄來自飛機以上半空間的輻射計數(shù)率。該方法能夠有效去除大氣氡本底。由于大氣氡及其子體的分布與變化的復雜性，在實際的航空伽瑪能譜測量中，還須增加基線測量來監(jiān)測大氣氡的重要環(huán)節(jié)，通過早晚基線數(shù)據(jù)變化來反映大氣氡的影響及航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)的變化。

鑒于此，筆者在本文中介紹了上測法修正大氣氡的原理、本底扣除方法以及大氣氡修正系數(shù)的獲取。將上測法和基線測量數(shù)據(jù)結合，以江蘇省某金剛石勘查區(qū)航空伽瑪能譜測量為實例，研究大氣氡對航空伽瑪能譜測量的影響，并運用到數(shù)據(jù)處理中，取得了較好的效果。

1" 上測法修正大氣氡的原理

上測法修正大氣氡的詳細步驟如下。

步驟一，確定上下測探測器對大氣氡計數(shù)率之間的關系。這需在動態(tài)帶水面上進行一系列飛行測量可得。因為水體上測的數(shù)據(jù)去掉飛機和宇宙射線本底外，只剩下氡計數(shù)，此時各窗計數(shù)率變化只是空中214Bi的變化。鈾道（下測鈾道）計數(shù)率和鉀道、釷道、總道及上測鈾道計數(shù)率存在線性關系，如式（1）所示

ur=aUUr+bU

Kr=aKUr+bK

Tr=aTUr+bT

Ir=aIUr+bI，（1）

式中：ur為上測鈾窗中氡的計數(shù)率的數(shù)值，單位為計數(shù)每秒（1/s）；Kr為下測鉀道中氡的計數(shù)率的數(shù)值，單位為計數(shù)每秒（1/s）；Ur為下測鈾道中氡的計數(shù)率的數(shù)值，單位為計數(shù)每秒（1/s）；Tr為下測釷道中氡的計數(shù)率的數(shù)值，單位為計數(shù)每秒（1/s）；Ir為下測總道中氡的計數(shù)率的數(shù)值，單位為計數(shù)每秒（1/s）。aU，aK，aT，aI為（U、K、T、I）校準常數(shù)，通過實測可求得，即各道的計數(shù)減去飛機本底與宇宙射線本底的計數(shù)，擬合可得。

理論上宇宙射線及飛機本底被完全去掉之后，式（1）中常數(shù)bI應為零。但是實際上bI有一個很小的非零剩余值。

步驟二，確定上下測探測器對地面輻射的計數(shù)之間關系。上測探測器對地面輻射的計數(shù)率ug取決于地面的鈾和釷含量。這和下測探測器的鈾、釷窗對地面輻射也取決于地面鈾和釷的含量一樣。所以，上測探測器地面組分與下測探測器地面組分的關系。將相應飛行高度上探測器各道陸地上空計數(shù)率減去水域上空計數(shù)率消除大氣氡、飛機本底和宇宙射線對測量的影響，剩余計數(shù)率僅來自地面伽瑪輻射成分，如式（2）所示

ug=a1Ug+a2Tg， （2）

式中：ug為地面組分對上測鈾窗的影響的數(shù)值，單位為計數(shù)每秒（1/s）；Ug為地面組分對下測鈾窗的影響的數(shù)值，單位為計數(shù)每秒（1/s）；Tg為地面組分對下測釷窗的影響的數(shù)值，單位為計數(shù)每秒（1/s）；a1、a2為校準常數(shù)，通過一組比ug、Ug、Tg計算值，使用最小二乘法就可確定。國內(nèi)使用的方法是在動態(tài)帶陸地部分求出的。

每個窗的計數(shù)都由地面輻射和大氣氡衰變兩部分組成（消除了宇宙本底與飛機本底后），如式（3）、式（4）、式（5）所示

式中：u為消除飛機和宇宙射線本底后的上測鈾窗計數(shù)率的數(shù)值，單位為計數(shù)每秒（1/s）；U為消除飛機和宇宙射線本底后的下測鈾窗計數(shù)率的數(shù)值，單位為計數(shù)每秒（1/s）；T為消除飛機和宇宙射線本底后的下測釷窗計數(shù)率的數(shù)值，單位為計數(shù)每秒（1/s）。

將式（1）中第一個方程、式（2）、式（3）代入式（4），得式（6）

u=a1Ug+a2Tg+aUUr+bU。" （6）

將式（4）、式（5）、式（1）中第三個方程代入式（6），得式（7）

Ur=。（7）

將求出的a1、a2及aU代入式（7）即可求出鈾道下測晶體中的氡計數(shù)。同樣將式（1）中的另外3個方程代入即可得各計數(shù)道氡的計數(shù)。

2 實例分析

數(shù)據(jù)來源于江蘇省徐州某金剛石勘查區(qū)，比例尺為1∶50 000的航空伽瑪能譜測量，測線間距為500 m，測線方向145°，平均飛高108.3 m，測量系統(tǒng)為成都理工大學研發(fā)的GF-863型航空伽瑪能譜測量系統(tǒng)。為了確保數(shù)據(jù)質量，在每天測量工作前后，將測量系統(tǒng)進行7 h穩(wěn)定性檢查，各能譜窗計數(shù)率變化范圍在-4.21%～4.80%之間；測量系統(tǒng)的鉀道、鈾道、釷道的道址漂移在±2道以內(nèi)，滿足EJ/T 1032—2005《航空伽瑪能譜測量規(guī)范》的要求。

2.1 數(shù)據(jù)處理

上測法在航空伽瑪能譜測量數(shù)據(jù)[7]中的處理流程包括宇宙射線本底與飛機本底校正、大氣氡校正、剝離校正、高度衰減校正和含量換算。飛機本底與宇宙射線本底的測量由海上本底校正區(qū)獲得；大氣氡校正系數(shù)在動態(tài)校準帶上獲得。剝離系數(shù)由航空放射性標準模型裝置獲得。

其中上測法大氣氡校正流程如下：

1）對原始能譜數(shù)據(jù)進行去噪和五點平滑處理，同時去除畸變點；

2）扣除原始數(shù)據(jù)中的飛機本底和宇宙射線本底；

3）利用式（7）計算出大氣氡對下測鈾窗的貢獻。

由于上測法，上測探測器體積遠比下測探測器小，用較大的不確定度數(shù)據(jù)去修正較小不確定度的數(shù)據(jù)，這是航測條帶形成的原因之一[8]。因此，大氣氡校正后的測線數(shù)據(jù)中仍然存在條帶狀。為了進一步消除由于氡引起的條帶，對數(shù)據(jù)做進一步的處理，數(shù)據(jù)進一步處理過程如下：

1）通過切割線法進行能譜數(shù)據(jù)切割線調(diào)平修正；

2）根據(jù)有效早晚基線、相鄰測線、各個架次各窗口平均計數(shù)的統(tǒng)計結果，利用航空物探軟件系統(tǒng)（GeoProbe）進行條帶干擾人工修正；

3）利用加拿大Geosoft公司的OASIS軟件對能譜數(shù)據(jù)進行微調(diào)平去噪；

4）利用航空物探軟件系統(tǒng)（GeoProbe）對背景值進行滑動平均。

經(jīng)過上述步驟綜合處理后，數(shù)據(jù)條帶基本消除完畢。

2.2" 基線飛行

基線是指用來監(jiān)控航空伽瑪能譜測量系統(tǒng)工作狀態(tài)和環(huán)境輻射穩(wěn)定程度的一條測試線，基線測量是監(jiān)控航空伽瑪能譜測量系統(tǒng)工作狀態(tài)和監(jiān)測大氣氡變化的重要環(huán)節(jié)，也是航空伽瑪能譜測量數(shù)據(jù)質量評價的重要內(nèi)容。因此，通過早晚基線測量結果可以監(jiān)測大氣氡的變化，同時可以評價大氣氡對測量數(shù)據(jù)的影響。

以江蘇省徐州某金剛石勘查區(qū)飛行的26個架次的航空伽瑪能譜測量的早、晚基線測量為例，具體見表1。

根據(jù)表2統(tǒng)計的結果顯示，所有架次的早、晚基線總計數(shù)率變化均滿足小于20.00%的要求，但是第1、14、18架次早、晚鈾道（U）計數(shù)變化率相對其它架次明顯偏高，分別達到13.70%、17.80%、15.00%，相應的早、晚上測鈾道計數(shù)變化率分別為16.70%、22.40%、20.00%，對比這3個架次測線數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，下測原始鈾窗計數(shù)率在測線方向出現(xiàn)較明顯的偏高。出現(xiàn)條帶的測線飛高和峰位漂移均滿足規(guī)范要求。因此，這2架次鈾窗的計數(shù)受到了大氣中氡濃度的影響。此外，第3、4、15架次的基線數(shù)據(jù)中僅早、晚上測鈾道計數(shù)變化率變化較大，同樣相應架次的測線數(shù)據(jù)也出現(xiàn)了條帶。早、晚基線測量的總道（TC）、鉀道（K）、釷道（Th）均滿足EJ/T 1032—2005《航空伽瑪能譜測量規(guī)范》要求的8.00%、10.00%。

2.3" 結果分析

根據(jù)在徐州地區(qū)實際采集的數(shù)據(jù)，結合本文所述的方法，航空伽瑪能譜儀鈾窗計數(shù)經(jīng)大氣氡校正、剝離校正后的成果圖如圖1所示。

對比圖1（a）、圖1（b）和圖1（c）可以發(fā)現(xiàn)，航空伽瑪能譜測量系統(tǒng)記錄的原始鈾窗數(shù)據(jù)由于受大氣氡及其子體的影響，沿測線方向的條帶非常明顯；經(jīng)過上測法大氣氡校正和剝離校正后，總體上消除了大氣氡干擾所產(chǎn)生的條帶，但是位于勘查區(qū)西南區(qū)域的測線仍存在明顯的條帶，這也反映出了上測法消除大氣氡影響的局限性；因此，需要對數(shù)據(jù)進行進一步調(diào)平，調(diào)平后的結果顯示，剩余測線上的條帶基本完全消除，鈾窗計數(shù)局部高值與異常值得到進一步修正，異常區(qū)域表現(xiàn)的更加凸顯。與地質構造的吻合度較好，最終的鈾窗計數(shù)率能基本上準確反映勘查區(qū)的地質特征和地表覆蓋。

3" 結論

大氣氡對U窗計數(shù)的影響，最直觀的表現(xiàn)為U窗計數(shù)影像圖中測線方向的條帶狀，這也嚴重地影響了伽瑪能譜數(shù)據(jù)對地質體的反映?；€測量可以用于實時監(jiān)測大氣氡的變化，對于保證測線數(shù)據(jù)質量有著重要的作用。上測法消除大氣氡的影響存在一定的局限性，采用本文中將大氣氡校正后的數(shù)據(jù)進行進一步調(diào)平處理后，所獲得的U窗計數(shù)率的等值線圖的條帶基本消除，能夠更加準確地反映出勘查區(qū)的地質特征與異常信息，從而對勘查區(qū)的放射性評價更加精確。

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