李必紅
(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)
我國(guó)鈾礦核物探發(fā)展與未來(lái)
李必紅
(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)
簡(jiǎn)述了核物探概念、發(fā)展歷程和未來(lái)前景。從方法原理、采集儀器、數(shù)據(jù)處理、解釋和應(yīng)用領(lǐng)域等方面,介紹了γ能譜、氡及其子體方法技術(shù)、X熒光技術(shù)、核磁共振技術(shù)、中子技術(shù)和中微子技術(shù)現(xiàn)狀與展望。 提出了 “α+γ”、 “α+β+γ”、 “核物探+核化探”、 “核物探+普通物探” 組合找礦模式及綜合信息找礦模式,并通過(guò)應(yīng)用實(shí)例分析了找礦模式應(yīng)用效果。
核物探;γ能譜;氡及其子體;組合找礦模式
核物探是由核技術(shù)在地學(xué)中的應(yīng)用而形成的一門(mén)學(xué)科,早期稱(chēng)之為放射性地球物理勘探(簡(jiǎn)稱(chēng)放射性物探)[1],它是利用巖石的放射性物理性質(zhì)尋找放射性礦產(chǎn)的一種方法技術(shù)。
核物探的發(fā)展離不開(kāi)鈾礦需求,鈾是重要的核燃料,鈾礦資源是核能可持續(xù)發(fā)展的重要保障。全球陸地淺層鈾礦已基本探明,深部鈾礦勘查需要更高的技術(shù)手段,核物探必須改變以前的找礦模式以適應(yīng)新的需求。其發(fā)展按時(shí)間段大致經(jīng)歷如下6個(gè)階段[2]。
(1)20世紀(jì)50年代,起步階段。主要是方法技術(shù)的引進(jìn)、消化和吸收。首先用于鈾礦的普查與勘探,同時(shí),用于水文地質(zhì)和工程地質(zhì)方面,以及油、氣田和煤田測(cè)井中的人工放射性地球物理勘查。
(2)20世紀(jì)60年代,自主創(chuàng)新階段。主要是在毛澤東思想指導(dǎo)下,堅(jiān)持走獨(dú)立自主、自力更生的道路,方法技術(shù)日趨完善,并有所發(fā)展。
(3)20世紀(jì)70年代,飛速發(fā)展階段。主攻方向是尋找深部盲礦體和戰(zhàn)略選區(qū),γ能譜測(cè)量由實(shí)驗(yàn)研究階段走向?qū)嶋H應(yīng)用,氡及其子體方法迅速發(fā)展, “空中-地面-井下”各種類(lèi)型的儀器校準(zhǔn)模型建成。
(4)20世紀(jì)80年代,全面發(fā)展階段。由戰(zhàn)術(shù)研究發(fā)展到戰(zhàn)略選區(qū)研究,核物探處于多方法、多領(lǐng)域的應(yīng)用階段。
(5)20世紀(jì)90年代,低緩發(fā)展階段。由于鈾礦勘探經(jīng)費(fèi)投入不足,核物探相關(guān)生產(chǎn)研究進(jìn)步較慢。
(6)2000~2010年,再次發(fā)展階段。由于國(guó)際鈾價(jià)影響及核工業(yè)、軍工業(yè)的崛起,特別是核電站的發(fā)展,找鈾熱再起,鈾勘查從國(guó)內(nèi)走向國(guó)際,核物探主要還是測(cè)氡和γ能譜技術(shù)。
我國(guó)核物探經(jīng)歷了60 a的發(fā)展,在總體上不斷發(fā)展壯大,方法技術(shù)由單一走向綜合,應(yīng)用由單領(lǐng)域走向多領(lǐng)域。不光是單一的放射性礦產(chǎn)領(lǐng)域,還用于非放射性礦產(chǎn)領(lǐng)域,如:金、銀、銅、鉛、鋅等多金屬,磷、稀有、稀土金屬及石油、天然氣等,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和環(huán)境等領(lǐng)域也均有應(yīng)用。特別是環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)領(lǐng)域異軍突起,各類(lèi)輕便新儀器不斷出現(xiàn),空間由地面走向 “空-地-井”、從一維走向三維,儀器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和解釋等技術(shù)水平不斷提高。
2.1 γ測(cè)量技術(shù)
γ測(cè)量按測(cè)量方式可分為航天、航空、地面、坑中、井中、水底、海底和室內(nèi)等;按道址可分為γ總量測(cè)量和γ能譜測(cè)量。
γ總量測(cè)量是測(cè)量介質(zhì)γ射線(xiàn)強(qiáng)度 (或照射量率)來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)和研究。γ能譜測(cè)量是利用γ能譜儀器測(cè)定放射性核素產(chǎn)生的γ射線(xiàn),并根據(jù)核素γ射線(xiàn)能量特征來(lái)確定核素活度或其含量的方法。γ測(cè)量在放射性礦產(chǎn)地質(zhì)普查及輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。在鈾礦找礦工作中,γ總量測(cè)量的主要任務(wù)是在分析研究區(qū)域地質(zhì)背景和成礦地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,通過(guò)系統(tǒng)測(cè)定各地質(zhì)體巖石γ照射量率尋找異常點(diǎn)、帶,研究γ場(chǎng)特征及其與鈾礦化的關(guān)系,從而評(píng)價(jià)區(qū)域鈾礦產(chǎn)資源和尋找具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的鈾礦床。γ能譜測(cè)量主要是應(yīng)用γ能譜儀探測(cè)天然放射性核素鉀 (40K)、鈾系列(214Bi)和釷系列(208Tl)輻射出的 γ 射線(xiàn), 根據(jù)各種輻射體特征γ射線(xiàn) (40K——1.46 MeV、214Bi——1.764 MeV、208Tl——2.614 MeV)的強(qiáng)弱換算成鉀、鈾和釷元素的含量。γ能譜信息是根據(jù) γ譜計(jì)算出放射性核素信息,廣義上也包括元素比值、元素組合等信息。γ能譜數(shù)據(jù)覆蓋全國(guó)大部分地區(qū),但仍存在空白區(qū),其地面γ能譜、井中γ能譜測(cè)量工作程度均較低。攻深找盲是當(dāng)前鈾礦找礦的熱點(diǎn),γ能譜表征表層γ射線(xiàn)信息和深部隱伏較弱信息,技術(shù)發(fā)展還有待提高。
γ測(cè)量技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在儀器上,(1)表現(xiàn)在新型探測(cè)器應(yīng)用,主要在以下3方面發(fā)展: 半導(dǎo)體探測(cè)器(高純鍺 HPGe、 Ge(Li))、無(wú)機(jī)閃爍體 探 測(cè) 器 (NaI、 CsI、 BGO、 LaBr3)和有機(jī)(塑料)探測(cè)器,其中高純鍺等半導(dǎo)體探測(cè)器由液氮制冷向電制冷、單探頭向多探頭方向發(fā)展,無(wú)機(jī)閃爍體探測(cè)器的鍺酸鉍晶體在能譜測(cè)井儀中的應(yīng)用較廣,溴化鑭晶體應(yīng)用還處于研究階段。(2)表現(xiàn)在總道、4道發(fā)展到全譜測(cè)量,總道測(cè)量主要儀器有國(guó)產(chǎn)的FD-3013、FD-803A,美國(guó)的GR-101A、GR-110等便攜式輻射儀及國(guó)產(chǎn)的FD-61K、FD-3019測(cè)井儀,美國(guó)的MOUNT綜合測(cè)井儀;四道能譜儀器主要有國(guó)產(chǎn)的FD-3022、加拿大的GAD-6、美國(guó)的GR-410等;多道能譜儀器主要有加拿大的GR320地面能譜儀、GR660車(chē)載γ能譜儀、GR820航空γ能譜儀,美國(guó)生產(chǎn)的DigiDART便攜式γ能譜儀、高純鍺γ能譜儀器及國(guó)產(chǎn)的HD-2002便攜式γ能譜儀、HD-4002B型1024道 γ能譜測(cè)井儀、GRS-863航空 γ能譜儀等。(3)儀器向多功能、智能化、小型化發(fā)展。
方法技術(shù)也不斷提高,特別是在航空γ能譜測(cè)量方法技術(shù)方面,表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)儀器校準(zhǔn)和本底消除方法研究,基本建立固定和移動(dòng)式標(biāo)定模型,滿(mǎn)足生產(chǎn)要求;(2)穩(wěn)譜技術(shù)研究,從外加放射性源穩(wěn)譜發(fā)展到天然峰自動(dòng)穩(wěn)譜技術(shù)已相對(duì)成熟;(3)降噪濾 波 技 術(shù) 研 究 , 有 小 波 降 噪[3]、 NASVD[4]、ANFIS[5]等; (4)測(cè)量中大氣氡的消除方法研究, 采用上測(cè)探頭[6]或譜比法[7]; (5)數(shù)據(jù)處理與解釋從常規(guī)到多信息綜合處理,鈾礦測(cè)量中常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法主要有窗口法和全譜法。然而,比值,鈾富集系數(shù),鈾成礦有利指標(biāo)U1、U2,γ能譜變異系數(shù),活化遷移鈾,F(xiàn)參數(shù),歸一化,主成分分析,RGB成像,鈾信息增強(qiáng),鈾弱信息,全譜和蒙特卡羅等方法技術(shù),以及剖面、平面到三維立體綜合解釋?zhuān)骄糠?、剝譜法和反褶積法等定量解釋方法在γ測(cè)井方面應(yīng)用較廣。
2.2 氡及其子體測(cè)量技術(shù)
地學(xué)界所指的氡主要是天然鈾衰變系列中核素222Rn,半衰期為3.825 d,為α輻射體。氡的子體分為短壽命子體和長(zhǎng)壽命子體,氡的短壽命子體主要是:218Po、214Pb、214Bi和214Po,氡的長(zhǎng)壽命子體主要是:210Pb、210Bi和210Po。測(cè)量氡的方法種類(lèi)較多,以測(cè)量氡及其子體的α放射性為主(活性炭方法除外,該方法主要測(cè)量214Bi放出的γ射線(xiàn)),按照測(cè)量時(shí)間可分為瞬時(shí)測(cè)量、累積(積分)測(cè)量。瞬時(shí)測(cè)量主要測(cè)量氡的短壽命子體,該方法工作效率高,但受氣象等因素影響大,表現(xiàn)在測(cè)量剖面數(shù)據(jù)起伏變化大;累積測(cè)量主要測(cè)量對(duì)象是氡的長(zhǎng)壽命子體,該方法工作效率低,但受短期因素影響小,異常的穩(wěn)定性較好。按照測(cè)量對(duì)象可分為射氣測(cè)量(測(cè)氡氣)、氡子體測(cè)量。常用的氡及其子體測(cè)量方法有:射氣測(cè)量(氡氣測(cè)量)、218Po測(cè)量、α徑跡測(cè)量、活性炭測(cè)量、210Po測(cè)量、熱釋光測(cè)量、土壤天然熱釋光測(cè)量、帶電和自然α卡測(cè)量,以及其他方法,如氡管法等。
氡測(cè)量最早開(kāi)始于1922年的前蘇聯(lián),該國(guó)對(duì)水樣實(shí)施了氡測(cè)量并應(yīng)用于鈾礦勘查[8],20世紀(jì)50年代初,法國(guó)、美國(guó)和加拿大也開(kāi)始氡法找鈾工作,隨后應(yīng)用于地震、建材、大氣物理、溫室氣體效應(yīng)和癌癥病理等方面。氡及其子體測(cè)量和用于找礦開(kāi)始于20世紀(jì)50年代中期,隨著方法技術(shù)的發(fā)展,特別是儀器的發(fā)展,氡的測(cè)量逐漸向高精度、高效率的方向發(fā)展。目前,瞬時(shí)測(cè)氡的代表儀器主要是美國(guó)產(chǎn)RAD7測(cè)氡儀、德國(guó)產(chǎn)RTM-1688測(cè)氡儀、國(guó)產(chǎn)FD-3017等,累積測(cè)氡的代表儀器主要是國(guó)產(chǎn)HD2003型活性炭吸附測(cè)氡儀。氡測(cè)量的應(yīng)用如今已經(jīng)擴(kuò)大到了鈾礦、油氣藏、滑坡、地震監(jiān)測(cè)、地下水、構(gòu)造、環(huán)境氡監(jiān)測(cè)、尾礦山和煤火等領(lǐng)域,特別是環(huán)境氡的監(jiān)測(cè)已經(jīng)家喻戶(hù)曉。
2.2.1 徑跡蝕刻法
徑跡蝕刻法也叫徑跡找礦法,該方法是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的方法,1972年,美國(guó)將該方法列入國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利,該項(xiàng)技術(shù)發(fā)明者為H.W.Alter等。1974年,我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行徑跡蝕刻技術(shù)研究,1975年研究成功,并推廣應(yīng)用,應(yīng)用效果好。當(dāng)時(shí)基本上每年約有100萬(wàn)個(gè)測(cè)點(diǎn),工作量相當(dāng)大,應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大:有巖礦研究,地震預(yù)報(bào),地下水、油氣藏、構(gòu)造、喀斯特溶洞的尋找,以及微孔薄膜研制等。但是該方法僅流行一時(shí),目前在鈾礦找礦工作中已基本見(jiàn)不到了,前人工作的數(shù)據(jù)也很難查到。
2.2.2 活性炭測(cè)氡技術(shù)
核工業(yè)北京地質(zhì)研究院談成龍?jiān)阝櫟V找礦活性炭測(cè)氡方法技術(shù)方面研究較多,發(fā)表相關(guān)文章多篇。該方法數(shù)據(jù)采集是關(guān)鍵,采用活性炭收集裝置收集土壤中氡氣,測(cè)量氡子體衰變產(chǎn)生的γ射線(xiàn)強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)土壤中氡濃度,主要用于尋找深部鈾礦體和輻射環(huán)境評(píng)價(jià)。分為累積式活性炭吸附氡和瞬時(shí)式活性炭吸附氡測(cè)量。該方法用于深部鈾礦找礦潛力較大,效果明顯,但是過(guò)程繁瑣,累積式測(cè)量活性炭收集裝置埋置時(shí)間一般為7 d,挖坑深一般為50 cm,測(cè)量采用的儀器一般為國(guó)產(chǎn)HD-2003型活性炭吸附測(cè)氡儀。
2.2.3218Po測(cè)氡
該方法屬于瞬時(shí)測(cè)氡方法,1983年,上海電子儀器廠(chǎng)研制生產(chǎn)了FD-3016閃爍測(cè)氡儀,此后,該廠(chǎng)又成功研究出帶電金屬片收集氡衰變子體218Po的FD-3017測(cè)氡儀器,隨后,華東地質(zhì)學(xué)院成功研究出218Po法,取得了較好的效果,這些儀器主要探測(cè)的是所有α射線(xiàn),基本上是總道測(cè)量。目前,主要采用RAD7儀器,通過(guò)測(cè)量α譜,選取218Po特征譜窗來(lái)計(jì)算氡濃度,該方法廣泛應(yīng)用于環(huán)境氡監(jiān)測(cè)、鈾礦探測(cè)、斷裂構(gòu)造等生產(chǎn)研究。
2.2.4210Po法
210Po法是在南非的測(cè)量系統(tǒng)(具有世界權(quán)威性)基礎(chǔ)上,于20世紀(jì)70年代后期,由核工業(yè)中南地質(zhì)局研究成功,是一種累積式測(cè)氡方法,與之配套的WAY-80五通道α測(cè)量?jī)x,可同時(shí)測(cè)量5個(gè)樣品,本底低、儀器穩(wěn)定,很快得到推廣應(yīng)用,目前還在應(yīng)用中,但是技術(shù)水平基本沒(méi)有發(fā)展。
2.3 X熒光技術(shù)
放射性同位素X射線(xiàn)熒光方法是根據(jù)放射性同位素源所放出的X射線(xiàn)照射到研究介質(zhì)的某一原子上,逐出原子內(nèi)殼層電子,而形成電子空位。當(dāng)鄰近殼層的電子補(bǔ)充到該電子空位后,則放出特征X射線(xiàn)(或稱(chēng)熒光)。根據(jù)特征X射線(xiàn)的能量大小,可區(qū)別元素,因特征X射線(xiàn)的能量E正比于某元素的原子序數(shù)Z的平方,從而可進(jìn)行定性分析,根據(jù)特征X射線(xiàn)或熒光強(qiáng)度,可以測(cè)出研究介質(zhì)中元素含量,從而進(jìn)行定量分析。按照測(cè)量方式分為地面便攜式X熒光測(cè)量和井中X熒光測(cè)量、海底X測(cè)量及實(shí)驗(yàn)室X熒光分析。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、采礦、選礦、有色、建材、商檢、環(huán)保、衛(wèi)生、考古、藝術(shù)鑒定等各個(gè)領(lǐng)域。
放射性同位素源激發(fā)的X射線(xiàn)熒光技術(shù)是1955年法國(guó)科學(xué)家提出的,使X射線(xiàn)熒光分析技術(shù)用于現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)量。1974年,我國(guó)研制成功第1臺(tái)放射性同位素源激發(fā)的便攜式X射線(xiàn)熒光儀[9];X射線(xiàn)熒光測(cè)井技術(shù)是在20世紀(jì)60年代末期發(fā)展起來(lái)的,先后在美國(guó)、前蘇聯(lián)、英國(guó)、瑞典、芬蘭和德國(guó)等國(guó)家開(kāi)展了放射性同位素X射線(xiàn)熒光測(cè)井儀器的研制和方法技術(shù)研究。我國(guó)在1979年,成功研制了首臺(tái)X射線(xiàn)熒光測(cè)井儀,該儀器可在鉆孔中直接對(duì)金屬礦中的元素進(jìn)行定性、定量測(cè)量;海底X熒光技術(shù)起始于20世紀(jì)70年代,美國(guó)、前蘇聯(lián)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家先后進(jìn)行了海底沉積物X射線(xiàn)熒光原位測(cè)量技術(shù)的研究和儀器研制,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用[10]。美國(guó)Battlle小組研制的海底X射線(xiàn)熒光探測(cè)系統(tǒng)采用109Cd同位素源和液氮冷卻的Si(Li)探測(cè)器用于測(cè)量元素的低能K層或L層的X射線(xiàn),可提供13種元素的分析。并在長(zhǎng)島西海岸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。德國(guó)研制109Cd同位素源和Si(Li)半導(dǎo)體探測(cè)器所組成的XRF探測(cè)系統(tǒng),在不改變幾何條件的情況下,對(duì)采集于海底的沉積物連續(xù)流進(jìn)行快速分析。我國(guó)成都理工大學(xué)于2000年研制了海底X射線(xiàn)熒光探測(cè)系統(tǒng)ANTG,并在船上對(duì)南海域44個(gè)站位的99件天然海底沉積物樣品進(jìn)行了快速測(cè)定[11]。當(dāng)前 X熒光儀器在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)鈾等元素的測(cè)量下限較大(鈾在10×10-6左右),在鈾礦探測(cè)與γ測(cè)量方面還存在差距,但是X熒光能快速探測(cè)多種元素,隨著方法技術(shù)的提高,在深井測(cè)量方面必然發(fā)揮重大作用。
當(dāng)前,測(cè)量?jī)x器方面發(fā)展迅速,代表儀器有美國(guó)的DC6000和DS6000便攜式礦石分析儀,可分析從鎂礦到钚礦之間的所有83種自然礦石。國(guó)產(chǎn)的有CIT-3000 SMP手持式X熒光分析儀、CIT-3000SM能量色散X熒光分析儀和WISDOM-8000型X熒光分析儀等。
2.4 中子技術(shù)
中子是1932年由查德威克發(fā)現(xiàn)。中子不帶電,磁距很小,與電子的相互作用也很小。中子探測(cè)主要包括中子探測(cè)、中子能量和中子流強(qiáng)度探測(cè)。中子探測(cè)技術(shù)中,中子測(cè)井技術(shù)發(fā)展迅速,方法種類(lèi)較多,包括中子測(cè)井、脈沖中子測(cè)井、快中子非彈性散射γ射線(xiàn)能譜測(cè)井、中子俘獲γ射線(xiàn)能譜測(cè)井、中子活化γ射線(xiàn)能譜測(cè)井。脈沖中子測(cè)井技術(shù)是具發(fā)展?jié)摿Φ姆较颍?dāng)前脈沖中子測(cè)井主要代表有中子壽命測(cè)井、碳氧比中子γ能譜測(cè)井、陣列中子測(cè)井等,儀器有康普樂(lè)公司的PND和PNDS、斯倫貝謝的RST、哈里伯頓的RMT、貝克阿特拉斯的RPM、熱井公司的PNN及雙晶碳氧比中子γ能譜測(cè)井等。中子源是中子與物質(zhì)相互作用研究必需的信息源。常用的中子源主要有放射性同位素中子源、自發(fā)裂變中子源和人工脈沖中子源。在中子測(cè)井中常用的242Am-Be源是放射性同位素源,252Cf是自發(fā)裂變中子源,T(d, n)源是脈沖中子源[12]。在鈾礦中子測(cè)井中,瞬發(fā)和緩發(fā)中子測(cè)井技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用,瞬發(fā)裂變中子(PFN)測(cè)井技術(shù)是一種分析井中鈾礦化的手段,采用脈沖式14 MeV中子發(fā)生器,使235U發(fā)生裂變,當(dāng)裂變中子慢化時(shí)便被PEN探測(cè)器記錄來(lái)直接測(cè)鈾。緩發(fā)中子測(cè)井是探測(cè)借助循環(huán)活化的方法使鈾發(fā)生裂變產(chǎn)生緩發(fā)中子的方法來(lái)確定礦石品位。隨著深部找礦技術(shù)的發(fā)展,發(fā)展直徑更小的中子探管成為急需。
在地面中子測(cè)量方面,1983年,俄羅斯地球物理學(xué)家提出了以太陽(yáng)發(fā)射的宇宙中子流作為中子源,輻射地表土壤、巖石等對(duì)宇宙中子的慢化、擴(kuò)散和吸收等特性的差異,在地面測(cè)量地下反射上升的中子流通量變化。我國(guó)于1989年研制成功了RCN-1反射宇宙中子儀。
目前,中子技術(shù)廣泛應(yīng)用于環(huán)境中,代表儀器有美國(guó)的190N便攜式中子測(cè)量?jī)x、日本的NSN3便攜式中子測(cè)量?jī)x。
2.5 核磁共振技術(shù)
核磁共振(NMR)測(cè)量利用靜磁場(chǎng)(又稱(chēng)穩(wěn)定磁場(chǎng)或恒定磁場(chǎng))和一定頻率的交變磁場(chǎng)操控某一種自旋磁距不為零的核素(如1H、19F、13C和31P等),使之發(fā)出核磁共振響應(yīng),以獲得有關(guān)這些核素所處的物理和化學(xué)的環(huán)境信息,據(jù)以研究物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)等問(wèn)題[13]。核磁共振現(xiàn)象最早認(rèn)識(shí)于 1930年,1946年被哈佛大學(xué)伯塞爾(E.M.Purcell)和斯坦福大學(xué)布洛赫(F.Bloch)等人用實(shí)驗(yàn)證實(shí)[14]。1964年,美國(guó)Varian公司研制出世界上第一臺(tái)超導(dǎo)磁場(chǎng)的核磁共振譜儀。核磁共振技術(shù)目前在物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)和地質(zhì)等方面應(yīng)用很廣,在找水和找石油方面也得到了較好的應(yīng)用,在鈾礦找礦領(lǐng)域,特別是測(cè)井方面可開(kāi)展該方向的方法技術(shù)研究。
2.6 中微子測(cè)量技術(shù)
中微子物理學(xué)是一門(mén)與粒子物理、核物理,以及天體物理的基本問(wèn)題息息相關(guān)的新興分支學(xué)科,中微子測(cè)量技術(shù)也屬于核物探的一種方法技術(shù)。中微子是組成自然界最基本的粒子之一,不帶電,小于電子質(zhì)量的百萬(wàn)分之一,幾乎沒(méi)有質(zhì)量,能以接近光速的運(yùn)動(dòng)穿過(guò)任何物質(zhì),與物質(zhì)碰撞的幾率大約為百億分之一,極難探測(cè)到。中微子與物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的粒子叫μ介子,生成藍(lán)色光束被稱(chēng)作 “切倫科夫光”,利用光學(xué)探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)中微子測(cè)量。利用中微子進(jìn)行探礦,不但可以探測(cè)深部礦體,而且還可以了解放射性核素在地球深部的分布規(guī)律[15],為探測(cè)深部隱伏大型鈾礦提供新的技術(shù)思路。
中微子的發(fā)現(xiàn)距今已有80 a,其技術(shù)發(fā)展不斷前進(jìn),研究意義無(wú)疑是重大的。1931年,奧地利物理學(xué)家泡利(W.Pauli)首先提出關(guān)于β衰變中會(huì)出現(xiàn)的一種穿透力很強(qiáng)的新的中性粒子。1932年,英國(guó)物理學(xué)家查德威克(J.Chadwick)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中子后,意大利物理學(xué)家費(fèi)米(E.Fermi)認(rèn)為泡利所說(shuō)的 “中子”質(zhì)量遠(yuǎn)比查德威克發(fā)現(xiàn)的中子小得多,故改名為 “中微子”。1933年,泡利完整地提出了β衰變時(shí)釋放出中微子的假說(shuō)。1934年,費(fèi)米建立了一個(gè)定量的中微子理論,形成了泡利·費(fèi)米中微子假說(shuō)。1956年,美國(guó)的萊因斯(F.Reines)和柯文(C.L.Cowan)采用中子吸收法,首次探測(cè)到了泡利假設(shè)的中微子。1965年,人們探測(cè)到了來(lái)自太空的中微子。1972年,瑞典的一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組通過(guò)對(duì)氚核β衰變電子能譜的測(cè)量,認(rèn)為中微子有不為零的靜質(zhì)量。1980年,美國(guó)加利福尼亞州立大學(xué)歐文分校的實(shí)驗(yàn)小組在萊因斯領(lǐng)導(dǎo)下,在薩凡納河核反應(yīng)堆上做了一次有爭(zhēng)議的實(shí)驗(yàn),表明中微子穿過(guò)空間時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩,意味著中微子有不為零的靜質(zhì)量,引起了物理界的普遍關(guān)心[16]。 1997年, R.S.Raghavan 提出利用160Gd的逆β衰變過(guò)程有可能實(shí)時(shí)測(cè)量太陽(yáng)中微子。1998年,日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)以確鑿的證據(jù)證明,中微子在飛行中會(huì)發(fā)生震蕩。2002年5月至2004年10月,國(guó)際研究小組包括來(lái)自日本、美國(guó)、法國(guó)和中國(guó)的87名科學(xué)家使用基本粒子觀(guān)測(cè)裝置觀(guān)測(cè)到的152個(gè)低能反中微子中,發(fā)現(xiàn)包含有來(lái)自地球內(nèi)部的反中微子5~54個(gè),為研究地球內(nèi)部能量及構(gòu)造開(kāi)創(chuàng)了新方法,也有助于研究地球和其他星體的形成與演變。2009年,包括來(lái)自6個(gè)國(guó)家的80位研究人員的Borexino合作組在2008~2009年的實(shí)驗(yàn)中,探測(cè)到9.9個(gè)地球中微子。由美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校領(lǐng)導(dǎo),比利時(shí)、德國(guó)、荷蘭、日本、新西蘭和瑞典等國(guó)家的40多個(gè)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)參與的 “冰立方”(Ice Cube)中微子探測(cè)器項(xiàng)目耗資2.71億美元,歷時(shí)10 a,于2010年底在南極建成。該探測(cè)器是目前世界上最大的中微子探測(cè)器,是國(guó)際粒子物理研究的重大成果[17]。我國(guó)于2006年成立國(guó)際合作組,由中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、捷克等國(guó)家的25個(gè)研究機(jī)構(gòu)的120名研究人員組成。于2007年10月開(kāi)始建設(shè)的大亞灣反應(yīng)堆中微子試驗(yàn)站,將于2011~2012年逐步投入運(yùn)行,該中微子實(shí)驗(yàn)室是我國(guó)第一個(gè)大型的地下低本底實(shí)驗(yàn)室[18]。隨著中微子技術(shù)的不斷提高,利用中微子技術(shù)探測(cè)更深部鈾礦資源成為可能。
核物探在鈾礦找礦工作中發(fā)揮了主力軍作用,是鈾礦勘查的特色方法。近年來(lái),隨著鈾需求的加大,而淺層鈾礦已基本探明,新一輪深部隱伏鈾礦勘查是亟待解決的問(wèn)題,對(duì)核物探方法來(lái)說(shuō)挑戰(zhàn)大于機(jī)遇,特別是γ測(cè)量,必須拓展思路。針對(duì)核物探發(fā)展現(xiàn)狀,核物探發(fā)展方向基本圍繞以下幾種找礦模式。
3.1 組合找礦模式
物探方法的多解性是物探方法的特性,核物探也不例外,兩種或兩種以上方法組合各取所長(zhǎng),盡量避免多解性給解釋工作帶來(lái)負(fù)面影響。這里所謂的組合找礦模式是指以核物探為主的找礦模式,分為內(nèi)組合和內(nèi)、外組合兩種模式,內(nèi)組合主要是核物探各種方法的最佳組合, 如 “α+γ” 組合, “α+β+γ”組合等,內(nèi)、外組合主要是核物探與其他探測(cè)方法的優(yōu)化組合找礦模式。
3.1.1 “α+γ”模式。
γ測(cè)量主要表征淺層信息,表層信息干擾大(深部隱伏弱信息提取方法還有待提高),這使得γ測(cè)量在深部隱伏找礦中的發(fā)展成為瓶頸。氡具有較大的遷移性,攻深能力強(qiáng),氡及其子體測(cè)量方法較多,但測(cè)量對(duì)象主要是α射線(xiàn)。根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境,選取γ測(cè)量和氡及其子體方法的最佳組合是一種找礦模式思路。
圖1是2007年在浙江衢州鈾礦床老區(qū)外圍找礦中的一條剖面測(cè)量曲線(xiàn),試驗(yàn)地段的第四系蓋層較厚,故而采用地面γ能譜和測(cè)氡兩種方法組合試驗(yàn)數(shù)據(jù);地面γ能譜儀器使用的是HD-2002便攜式γ能譜儀,主要用于測(cè)量巖體γ能譜;測(cè)氡儀器是美國(guó)產(chǎn)的RAD 7測(cè)氡儀,主要測(cè)量土壤中氡濃度。測(cè)量中發(fā)現(xiàn),鈾含量變化不大,鈾、鉀比曲線(xiàn)變化幅度較小,而土壤中氡濃度曲線(xiàn)變化較大,認(rèn)為異??赡軄?lái)自深部。
3.1.2 “α+β+γ” 模式
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量,目前γ能譜測(cè)量?jī)x器仍然是以碘化鈉晶體探測(cè)為主,探測(cè)鈾、釷含量是通過(guò)探測(cè)其衰變子體而換算得到的,換算的前提條件是鈾、鐳平衡,而實(shí)際上鈾、鐳大多處于不平衡狀態(tài),特別是井下鈾、鐳,取樣測(cè)試非常繁瑣,這大大降低了工作效率,并且費(fèi)用也高,因此通過(guò) “α+β+γ”組合既可以解決此類(lèi)問(wèn)題,同時(shí)深部隱伏礦體異常也能反應(yīng)出來(lái)。
3.1.3 “核物探+核化探”模式。
核物探方法相對(duì)比較單一,核物化探聯(lián)合勘查是必然趨勢(shì),兩者之間也有很多相似點(diǎn)。隨著分析測(cè)試水平的提高,核化探對(duì)深部鈾礦探測(cè)必然有著較好的前景,同時(shí),核化探屬于地球化學(xué)領(lǐng)域,地球化學(xué)很多比較先進(jìn)的攻深能力和較好的新方法值得借鑒,如20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的深穿透地球化學(xué)法,20世紀(jì)70年代提出的偏提取法(Partial extraction), 瑞典Kristiansson與Malmqvist(1984)首 先 提 出 的 地 氣 方法(geogas), 美國(guó)Clarke等人1990年提出的酶提取方法,70年代初,前蘇聯(lián)的電地球化學(xué)方法 (CHIM)、元素有機(jī)態(tài)法(MRF)。桂林理工學(xué)院的羅先熔在地電化學(xué)方面做了較多的工作,并提出偶極電吸附;1995年,澳大利亞Mann等人提出的活動(dòng)金屬離子法(MMI),他們能在覆蓋層幾米到700 m厚度的礦體上方發(fā)現(xiàn)清晰的異常;我國(guó)的謝學(xué)錦、王學(xué)求等于1988年提出的金屬活動(dòng)態(tài)法(MOMEO),能在覆蓋層幾米到三四百米厚度的礦體上方發(fā)現(xiàn)清晰的異常。這些方法同樣可以應(yīng)用到鈾礦勘探中,開(kāi)展深穿透核物化探集成技術(shù)研究,是深部隱伏鈾礦探測(cè)的一個(gè)突破點(diǎn)。核工業(yè)北京地質(zhì)研究院尹金雙將金屬活動(dòng)態(tài)法應(yīng)用于鈾礦找礦中,取得了較好的效果。其實(shí),所有這些深穿透方法實(shí)質(zhì)上是通過(guò)方法手段分離淺層信息和深部信息,從而提取深部隱伏礦產(chǎn)異常信息,鈾礦找礦有其特有的核物探方法,加上深穿透化探手段形成新的找礦模式,具有一定的研究意義。
另外,采用測(cè)氡和測(cè)汞組合找礦方法尋找深部熱液型鈾礦也是較理想的方法。氡和汞具有伴生關(guān)系,汞是自然界中常溫下惟一呈液態(tài)的金屬,一般來(lái)源于地球深部地幔巖石和巖漿,具有極強(qiáng)的揮發(fā)性和深穿透性[19],在溫度、壓力的作用下,沿微裂隙向地表快速滲濾擴(kuò)散至地表,被土壤吸收形成穩(wěn)定的吸附態(tài)汞,測(cè)量土壤中汞可以探測(cè)深部礦體,是尋找深部隱伏礦體較好的找礦方法。前蘇聯(lián)A.A.薩烏科夫于1946年首先提出熱液礦體汞及汞蒸氣測(cè)量方法。在我國(guó),從20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始,推廣了汞量測(cè)量技術(shù),并研制成功多種測(cè)汞儀器。
3.1.4 “核物探+普通物探”組合模式
構(gòu)造控礦、容礦是熱液型鈾礦體形成的主要方式,目前,電磁法是鈾礦間接找礦的熱門(mén)方法。V8及配套的相關(guān)軟件的問(wèn)世,使得AMT、CSAMT等方法可稱(chēng)得上是深地探測(cè)的 “透視望遠(yuǎn)鏡”,可是, “千里眼”對(duì)鈾礦體卻是 “色盲”,采用 “核物探+普通物探”組合找礦模式,對(duì)深部隱伏鈾礦體的探測(cè)無(wú)疑是理想組合。如氡法與AMT組合,當(dāng)氡異常規(guī)模較大,而AMT反演的構(gòu)造明顯時(shí),深部成礦的可能性極大,至于兩者組合能否對(duì)深部鈾礦體定位,還有待進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)工作。
3.2 綜合找礦模式
綜合信息找礦是當(dāng)前研究的熱點(diǎn),關(guān)鍵是建立綜合信息找礦模型,航空γ能譜信息涵蓋了全國(guó)大部分面積,是鈾礦找礦工作中直接找礦信息的重要因子,建立γ能譜信息找礦模型是鈾礦綜合信息找礦模型的核心部分。地質(zhì)、物探、化探、遙感綜合信息找礦模型對(duì)鈾礦找礦工作具有重要意義。在空間上,采用 “空中-地面-井下”三維立體找礦模式,在方法上,采用以核物探為主的 “地質(zhì)-物探—化探-遙感”找礦模式,隨著數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高,數(shù)學(xué)地質(zhì)已經(jīng)成為地學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一支 “奇葩”,基本實(shí)現(xiàn)了礦產(chǎn)資源地質(zhì)的定量化預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。根據(jù)前人的工作成果和現(xiàn)今的成果,建立地學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)地層、巖體,通過(guò)已知礦床、礦點(diǎn)與其相交分析,提取成礦有利地層或巖體;采用組合熵對(duì)地層、巖體實(shí)現(xiàn)定量化提??;采用構(gòu)造等密度、優(yōu)益度、中心對(duì)稱(chēng)度、平均方位、條數(shù)等方法對(duì)構(gòu)造進(jìn)行定量化分析;采用新技術(shù)方法對(duì)物探、化探、遙感進(jìn)行鈾成礦有利信息提取,再將提取后的信息形成新圖層;采用特征分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析、成礦有利度函數(shù)分析,以及證據(jù)權(quán)法和專(zhuān)家打分法等方法建立相關(guān)預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)綜合成礦預(yù)測(cè)。
圖2為內(nèi)蒙古巴音戈壁盆地東部及邊緣地區(qū),以航空γ能譜信息、車(chē)載γ能譜信息為主,結(jié)合地質(zhì)、航磁、化探、遙感等多源信息,采用證據(jù)權(quán)法,建立地質(zhì)、物探、化探和遙感等綜合模型,經(jīng)過(guò)計(jì)算所得后驗(yàn)概率圖,利用后驗(yàn)概率與鈾成礦潛力呈正相關(guān)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾礦資源定量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)及靶區(qū)優(yōu)選,當(dāng)然這種方法似乎有點(diǎn) “大雜燴”,但思路是正確的,方法總是不斷在改進(jìn)和提高。
隨著X熒光、中子、中微子等技術(shù)的不斷改進(jìn)和引入,核物探探測(cè)深度、精度將得到進(jìn)一步提高,深部鈾礦空間定位的準(zhǔn)確度也將得到很大的提高。
核物探的發(fā)展離不開(kāi)鈾的需求,鈾作為一種重要的核燃料,在當(dāng)前核能的利用和發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。自1789年德國(guó)化學(xué)家克拉普羅特(M.H.Klaproth)發(fā)現(xiàn)鈾開(kāi)始,人類(lèi)對(duì)鈾的研究不斷前進(jìn):1896年,法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾(A.H.Becquerel)發(fā)現(xiàn)天然放射性現(xiàn)象,人類(lèi)首次觀(guān)察到核變化,這一重大發(fā)現(xiàn)是原子核物理的開(kāi)端;1939年,哈恩(O.Hahn)和斯特拉斯曼(F.Strassmann)發(fā)現(xiàn)了鈾的裂變現(xiàn)象,鈾開(kāi)始成為主要的核燃料;1942年,美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)米成功制造出世界第1個(gè)核反應(yīng)堆,標(biāo)志著原子時(shí)代的真正開(kāi)始;1945年世界第1顆原子彈問(wèn)世;1951年,美國(guó)實(shí)驗(yàn)增值堆1號(hào)(EBR-1)首次利用核能發(fā)電;1954年,前蘇聯(lián)建造世界上首座核電站,從此,核能發(fā)展達(dá)到鼎盛時(shí)期,鈾成為核電、航天、核武器等不可缺少的核動(dòng)力燃料。用于尋找鈾礦產(chǎn)的核物探技術(shù)也相應(yīng)發(fā)展起來(lái)。當(dāng)然,核能在造福人類(lèi)的同時(shí)也帶來(lái)了負(fù)面影響,特別是1986年前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電事故和2011年3月12日日本地震海嘯引起的福島核電事故,使人類(lèi)對(duì)核能的開(kāi)發(fā)利用的信心一度產(chǎn)生了動(dòng)搖,國(guó)際鈾價(jià)也因此一路下跌,但是核能作為可持續(xù)發(fā)展的能源在緩和世界能源危機(jī)中起著重要作用,在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還將繼續(xù)造福于人類(lèi)。然而,僅陸地上已探明的鈾儲(chǔ)量很難長(zhǎng)期滿(mǎn)足持續(xù)發(fā)展的核能需求,更多的鈾礦產(chǎn)資源還有待探測(cè)發(fā)現(xiàn),展望未來(lái),核物探具有廣闊的發(fā)展前景:
(1)空間發(fā)展。深海、深地、深空,以及南極、北極和青藏高原等 “三深”、 “三極”科考正吸引著中國(guó)科學(xué)界越來(lái)越多的關(guān)注,其中是否存在鈾礦產(chǎn)資源及儲(chǔ)量值得期待,如何探知其中鈾礦產(chǎn)資源是核物探研究人員艱巨的使命和技術(shù)挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),海水水體中含有豐富的鈾礦資源,海水中溶解的鈾的數(shù)量估計(jì)有幾十億噸,鈾在海水中不可能平均分布,應(yīng)該有多個(gè)富集層或域,同時(shí)海底也有待深入研究。早在20世紀(jì)50年代后期,前蘇聯(lián)就開(kāi)始海洋核探測(cè)技術(shù)研究,21世紀(jì)初,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)首次在渤海灣油氣田進(jìn)行了海洋 γ能譜測(cè)試[20];對(duì)于深空核探測(cè)研究,我國(guó)正走在國(guó)際前列,我國(guó)發(fā)射的嫦娥1號(hào)、嫦娥2號(hào)分別裝載高能量分辨率γ能譜儀器進(jìn)行了月表核探測(cè)研究,相信在不久的將來(lái),會(huì)有更多的鈾礦產(chǎn)資源被發(fā)現(xiàn)。
(2)技術(shù)不斷提高,新方法不斷涌現(xiàn)。儀器小型化、智能化,并朝向高靈敏度和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、技術(shù)尖端化發(fā)展,隨著核物理的發(fā)展,高新科技核探測(cè)技術(shù)必然不斷出現(xiàn)。
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Technology development of uranium nuclear geophysical exploration and its future in China
LI Bi-hong
(CNNC Key Laboratory of Uranium Resources Exploration and Evaluation Technology,Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China)
Outlined the concept,development and future of nuclear geophysical.Introduced the current situation and the prospect of gamma spectroscopy, radon and its daughters, X-ray fluorescence technique, NMR, neutron and neutrino technique based on the principle, instrument,data processing,interpretation and application areas.Combination prospecting models are proposed as alpha plus beta, alpha plus beta plus gamma, nuclear geophysical plus geochemical, nuclear geophysical plus common geophysical, and integrated prospecting model,analysis of examples showed the good application effect of the prospecting models
nuclear geophysical exploration; gamma-ray spectrum; radon and its daughters;combination prospecting model
P631;P632
A
1672-0636(2012)03-0156-08
10.3969/j.issn.1672-0636.2012.03.006
2012-02-08;
2012-03-21
李必紅(1976—),男,安徽安慶人,工程師,在讀博士,主要從事核物探方法技術(shù)研究。E-mail:libihong008@163.com