張 葉， 楊亞新， 陳 越， 鄭勇明， 吳信民

(東華理工大學(xué)，江西撫州 344000)

近直立鈾礦體上土壤層中氡遷移模型的正演研究

張 葉， 楊亞新， 陳 越， 鄭勇明， 吳信民

(東華理工大學(xué)，江西撫州 344000)

對(duì)近直立鈾礦體上方土壤層中氡遷移進(jìn)行正演研究，建立了近直立礦體上方土壤層中氡遷移的二維模型，并將模型用于下莊鈾礦田礦體覆蓋層中氡遷移的正演計(jì)算，當(dāng)所研究礦體所處的地質(zhì)條件與模型計(jì)算要求相似，模型在參數(shù)選取合適時(shí)，計(jì)算所獲得的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果可以基本吻合。

直立鈾礦體;氡遷移;土壤覆蓋層;正演;

氡氣是一種示蹤劑，它能夠指示地下礦床、地質(zhì)構(gòu)造、地震等某些特征。在地質(zhì)勘察工作中，氡氣測(cè)量廣泛應(yīng)用于浮土覆蓋地區(qū)找尋鈾礦、進(jìn)行地質(zhì)填圖、探測(cè)隱伏構(gòu)造、找尋基巖地下水和地?zé)帷⒔鉀Q有關(guān)工程地質(zhì)問題、發(fā)現(xiàn)含金構(gòu)造帶、找尋石油天然氣、探測(cè)煤田地下火區(qū)、探尋煤田陷落柱等方面(劉菁華，2009;金培杰，1996;楊亞新等，2003，2007;王桂香，2001;尹兵祥，2002)。研究土壤中氡運(yùn)移規(guī)律，對(duì)于地質(zhì)勘查過程中氡氣實(shí)測(cè)資料的整理及解釋工作具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 近直立鈾礦體上土壤層中氡遷移模型

與土壤覆蓋層垂直或近似垂直的鈾礦體，簡(jiǎn)稱為直立近直立鈾礦體(圖1)。

依據(jù)任意多孔介質(zhì)中氡的擴(kuò)散和對(duì)流原理(劉慶成，1996)，對(duì)近直立鈾礦體上土壤層中氡遷移模型可建立氡的二維遷移方程:

式中，C為土壤覆蓋層中(x，y)點(diǎn)的濃度;D為覆蓋層中氡的擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s);V為覆蓋層中氡的對(duì)流速度(cm/s);λ為氡的衰變常數(shù)(s－1);η為巖石、土壤孔隙度;A為單位體積介質(zhì)中活動(dòng)氡的產(chǎn)生率(Bq/s·cm3)。

其對(duì)應(yīng)的邊界條件為:

圖1 二維氡運(yùn)移模型示意圖Fig.1 The sketch figure of 2D radon migration model

其中，β為氡在土壤表面進(jìn)入大氣的系數(shù)，C0為礦體表層氡濃度，［0，a］和［0，b］所圍成的區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，即0≤x≤a，0≤y≤b，解此帶有邊界條件的偏微分方程可得到均質(zhì)土壤中氡濃度的分布。方程解選用有限差分法進(jìn)行網(wǎng)格化處理后迭代計(jì)算求得，運(yùn)用MATLAB可以實(shí)現(xiàn)正演計(jì)算模型可視化，其流程圖如圖2所示。

圖2 模型計(jì)算程序設(shè)計(jì)圖Fig.2 The design figure of model calculation program

2 氡遷移模型的驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诟采w層中運(yùn)移規(guī)律的正確性，采用劉慶成等(1995)所做的氡在覆蓋層中運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)。將135塊鈾含量為0.07%的礦石磚平鋪在長2 m、寬1.5 m、高1 m的水泥池底部作為放射源層，在放射源層上部裝上沙層，直到水泥池裝滿。之后用FD-3017RaA測(cè)氡儀分別在礦層上方15 cm，45 cm，75 cm處進(jìn)行了多次測(cè)量。同時(shí)使用正演計(jì)算模型對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬，得到各層的模擬值與測(cè)量值如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒橘|(zhì)中不同深度處氡濃度值Tab.1 The radon concentrations in different depth of the experiment model Bq·l－1

從表1中數(shù)據(jù)可以看到，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所做的實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值最大相對(duì)誤差為10.34%，最小為3.6%。由此可初步判定，當(dāng)參數(shù)選取合適時(shí)，氡運(yùn)移可視化模型能夠正確反映覆蓋層中氡濃度的變化規(guī)律。

3 下莊鈾礦田礦體覆蓋層正演研究

3.1 已知礦體概況

已知礦體1和礦體2上方土壤層中氡濃度測(cè)量選用FD-3017RaA測(cè)氡儀進(jìn)行實(shí)測(cè)，沿著垂直于礦體走向方向分別布置13和15個(gè)物探測(cè)量點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距為10 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)儀器采樣和測(cè)量時(shí)間均為3 min，測(cè)量工作按照氡氣測(cè)量規(guī)范進(jìn)行，測(cè)量結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 礦體1物探測(cè)量綜合剖面圖Fig.3 The comprehensive section figure of geophysical prospecting on NO.1 orebody

從圖3的1號(hào)礦體上方氡氣測(cè)量剖面曲線上看，只在50～80 m處有劇烈的異常跳變，氡的跳變值達(dá)5 437 Bq/m3。由已知的地質(zhì)勘探剖面資料可知，該異常跳變帶對(duì)應(yīng)于由賦存于斷裂破碎帶與中基性巖脈(輝綠巖脈)交界處的鈾礦體，頂部埋深在25 m深度處，斷裂破碎帶、輝綠巖脈和鈾礦體均呈陡傾角產(chǎn)出。

從圖4中可以看出，2號(hào)礦體上方氡氣測(cè)量曲線可以分成0～50 m和60～130 m兩個(gè)跳變帶。從已知的地質(zhì)勘探剖面上可以看出，0～50 m跳變帶對(duì)應(yīng)著一條規(guī)模較小的構(gòu)造帶;而60～130 m的跳變帶對(duì)應(yīng)著規(guī)模較大的一條構(gòu)造帶，并且該構(gòu)造帶與鈾礦成礦關(guān)系密切，對(duì)應(yīng)著頂部埋深約為60 m的鈾礦體，故選取所測(cè)數(shù)據(jù)中50～140 m對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 模型計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)

根據(jù)已有的對(duì)下莊礦田勘探成果和各類相應(yīng)研究資料得知，下莊礦田土壤中氡遷移的部分參數(shù)

圖4 礦體2物探測(cè)量綜合剖面圖Fig.4 The comprehensive section figure of geophysical prospecting on No.2 orebody

如下:D=4 × 10－2cm2/s，v=1.5 × 10－3cm/s，β =0.028，pr=2.8g/cm3，ar=0.17，Dr=5 × 10－4cm2/s，A=4.2 ×10－4Bq/(m3·s)

礦體1的b=2 500 cm，w=1 000 cm

礦體2的b=6 000 cm，w=3 000 cm

模型計(jì)算結(jié)果與礦體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)如圖5和6所示。

從圖5中可以看到，礦體1模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值基本吻合;從圖6中可見，礦體2模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值基本吻合，只是礦體右邊具有偏差，由地質(zhì)資料分析可知在110 m有斷層出現(xiàn)，斷層是氡運(yùn)移的良好通道，在斷層上方氡濃度值增大，所以實(shí)測(cè)值比模型計(jì)算值要大。而在120～140 m地段，90 m附近的礦體所產(chǎn)生的氡氣，于110 m附近斷層形成的良好通道而快速遷移，對(duì)120～140 m的影響程度相對(duì)于正常均勻?qū)訙p弱，從而形成實(shí)測(cè)值相對(duì)模型計(jì)算值下降。最后，通過對(duì)兩個(gè)已知礦體的模擬計(jì)算可以得出如下結(jié)論:當(dāng)所研究礦體所處的地質(zhì)條件與模型計(jì)算要求相似，模型在參數(shù)選取合適時(shí)，計(jì)算所獲得的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果可以基本吻合，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較復(fù)雜時(shí)，模型還有待于進(jìn)一步完善。

4 結(jié)論

依據(jù)氡的擴(kuò)散和對(duì)流理論建立的礦體上方土壤層中氡遷移的二維模型，應(yīng)用于下莊鈾礦田已知礦體上計(jì)算土壤氡濃度，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的吻合性。同時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)所獲得的不同深度處的氡濃度值與模型計(jì)算所獲得的數(shù)據(jù)之間誤差小于10.34%，初步驗(yàn)證模型及模型所采用的數(shù)據(jù)計(jì)算方法是正確可行的。這對(duì)于用放射性氣體濃度的分布規(guī)律尋找鈾礦及解決某些地質(zhì)問題具有一定的指導(dǎo)意義。

劉菁華，王祝文，王曉麗，等.2009.氡氣測(cè)量在佳木斯城市地下熱水普查的應(yīng)用［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，31(1):75-78.

劉慶成.1996.大地—大氣氡交換模型及環(huán)境氡濃度變化規(guī)律與影響因素的研究［博士論文］.北京:中國地質(zhì)大學(xué).

劉慶成，程業(yè)勛，章曄，等.1995.介質(zhì)中氡運(yùn)移的模擬［J］.華東地質(zhì)學(xué)院，18(4):366-370.

金培杰.1996.氡氣測(cè)量在驪山北坡坡體病害工程地質(zhì)研究中的應(yīng)用效果［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，7(3):68-72.

楊亞新，劉慶成，龍期華，等.2003.氡氣測(cè)量在下莊鈾礦田擴(kuò)大礦床范圍中的應(yīng)用［J］.物探與化探，27(3):184-186.

楊亞新，吳雅梅，吳信民，等.2007.應(yīng)用氡氣測(cè)量和土壤天然熱釋光測(cè)量推斷花崗巖型鈾礦含礦部位——以下莊花崗巖型鈾礦田為例［J］.鈾礦地質(zhì)，23(3):177-181.

王桂香，唐岱茂，張新軍.2001.氡氣測(cè)量在煤礦地質(zhì)上的應(yīng)用［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，32(5):523-526.

尹兵祥，王南萍，劉洪濤.2002.氡測(cè)量在油氣勘探中的應(yīng)用［J］.石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，26(2):23-25.

The Forward Study of Soil Radon Migration Model Above the Near Vertical Uranium Ore

ZHANG Ye， YANG Ya-xin， CHEN Yue， ZHENG Yong-ming， WU Xin-min
(East China Institute of Technology，F(xiàn)uzhou，JX 344000，China)

The forward calculation of soil radon migration above the near vertical uranium ore was studied in the paper，and the two-dimensional model of soil radon migration above the near vertical uranium ore was established.The model was used to calculate the soil radon migration above the uranium ore of Xiazhuang uranium ore field，when the geological conditions of studied ore were similar to the request of the model calculation，and the appropriate parameters of the model were chose，the model calculation results and measurement results could be basically consistent were found.

Vertical uranium ore;radon migration;soil cover;forward

T631.6

A

1674-3504(2010)02-165-04

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.02.009

2009-12-01

國家基金項(xiàng)目(40774075);教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(贛教技字［2007］411號(hào));教育廳青年基金項(xiàng)目(GJJ10175)。

張 葉(1982—)，女，從事核技術(shù)應(yīng)用及輻射防護(hù)領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。