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(地球探测与信息技术专业论文)活性炭测氡法的数据处理与应用.pdf.pdf 免费下载
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太原理工大学硕士研究生学位论文 活性炭测氡法的数据处理与应用 摘要 氡气测量法已作为地球物理勘探工作中一种便利、有效的放射性探测 技术,在众多领域中得到了广泛应用。测氡方法众多,常用的氡气测量方 法主要有活性炭测量、常规氡气测量、0 【径迹蚀刻测量、0 【杯( 卡) 测量、 2 1 0 p o 测量、0 【聚集器测量和热释光测量等等。 活性炭测氡法是氡气测量方法中一种静态、累积的测氡方法,其原理 是将活性炭吸附器埋于地下一段时间,取出吸附器,并将吸附器放入仪器 测量其氡的衰变子体放射出丫射线的强度,从而了解氡气浓度的高低。该 方法除了用于铀矿勘探外,还可以用于解决非铀矿具有微弱氡异常的地质 问题,如寻找地质构造破碎带、地下基岩水、煤矿采空区、隐伏断层和火 区等。 本文从氡气的基础理论和氡气测量国内外研究状况入手,对不同的氡 气测量方法进行了讨论,在阐述了活性炭测氡的基本理论和方法后,对影 响活性炭测氡数据的因素作了详尽的分析,在此基础上,总结了关于测氡 数据处理的经典理论和计算公式,并针对氡及其子体放射性衰变的特点, 对实测数据进行了校正处理,通过对y 射线能谱谱线的分析,实现了计算 机对测氡数据的提取和校正。 作者以w i n d o w s 为平台,采用面向对象程序设计语言v i s u a lb a s i c 6 0 编程,利用j e t 支持s o l 结构化查询语言的特点和a c c e s s 数据库紧密连接, 太原理工大学硕士研究生学位论文 从实际应用出发,设计了可视化的测氡数据处理程序。本程序能够充分利 用微机资源,不受内存的限制,实现了用数据库对测氡数据的存储和管理, 可对大量面积性和剖面性数据进行处理。并提供给用户良好的图形用户界 面,友好的应用环境,方便用户操作、使用,大大提高了工作效率。通过 对山西省古交市南岩村的测氡数据进行处理,取得了良好的效果,表明该 程序在实际中是可行的。 本文在对煤矿采空区进行探测研究时,讨论了活性炭吸附器的埋设分 别为2 0 c m 、4 0 c m 和6 0 c m 深度时氡值变化的情况,并得出了活性炭测氡法 在较低氡值区内进行测量时,埋设吸附器的深度对测氡值影响较大;而在 较高氡值区吸附器埋设深度在2 0 4 0 c m 范围内对测氡值影响不大,但吸附 器埋深6 0 c m 时对测氡值有一定影响的结论。最后作者将取出的吸附器进行 了不同时间间隔的1 ,射线强度测量,对所引起的测氡数据变化做了时问校 正,并经过对实际测量数据的校正与分析,获得了较好的效果。上述工作 的成果无疑对大面积活性炭氡气测量工作和数据处理与分析起到了一定作 用,并有利于对氡气测量资料的解释工作,这对活性炭测氡法的实际应用 具有一定的意义。 关键词:活性炭测氡法,数据处理,a c c e s s 数据库,v i s u a lb a s i c 6 0 , 吸附器 太原理工人学硕士研究生学位论文 t h ed a t ap r o c e s s i n ga n da p p l y i n go fa c t i v ec a r b o n m e a s u r i n gr a d o nt e c h n i q u e a b s t r a c t r a d o ns u r v e y i n gt e c h n i q u eh a sb e e nac o n v e n i e n ta n de f f e c t i v er a d i o a c t i v e e x p l o r a t i o ni nt h ef i e l do fe a r t hp h y s i c a lp r o s p e c t i n g ,w h i c hi sa p p l i e dw i d e l yi n m a n yf i e l d s r a d o nm e a s u r i n gm e t h o d sa r es om a n y , a n di d i o m a t i cm e t h o d s i n c l u d ep r i n c i p a l l ya c t i v ec a r b o nm e a s u r e m e n t , g e n e r a lm e a s u r e m e n t ,a r r a c k e t c h e d m e a s u r e m e n t ,0 【i n s t r u m e n tm e a s u r e m e n t ,2 1 0 p om e a s u r e m e n t ,a c o l l e c t i n gi n s t r u m e n tm e a s u r e m e n t ,h e a tr e l e a s i n gl i g h tm e a s u r e m e n te t c a c t i v ec a r b o ns u r v e y i n gt e c h n i q u ei sas t a t i c ,a c c u m u l a t i v ew a yo fr a d o n s u r v e y i n gt e c h n i q u e i t sp r i n c i p l ei st h a ta c t i v ec a r b o na d s o r b e rw a si m b e d d e d u n d e r g r o u n df o raw h i l e ,t h e nt a k e no u ta n dp u t t e di n t oi n s t r u m e n t w es u r v e y t h ei n t e n s i t yo f7r a d i a lo fr a d o nd a u g h t e ri na d s o r b e rs ot h a tw eu n d e r s t a n dt h e s c a l eo fr a d o nt h i c k n e s s t h i sm e t h o d ,b e s i d er e s o l v i n gp r o s p e c t i n gu r a n i u m , c a nr e s o l v eu n u r a n i u mg e o l o g i ci s s u e sw h i c ht a k eo nf a i n tr a d o na b n o r m i t y , e s p e c i a l l y , i tc a nf i n ds o m ef a i n t n e s sa b n o r m i t y , f o re x a m p l ei tc a ns e a r c hf o r f r a c t u r ez o n eo fg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ,g r o u n d w a t e r , s u b s i d i n gc o l u m ni nc o a l m i n e ,l u r k i n gf a u l t s ,l o c a t i o no fu n d e r g r o u n df i r er e g i o n t h ea r t i c l e ,b e g i n n i n gw i t ht h eb a s a lt h e o r yo fr a d o na n di n t e m a la n d o v e r s e a ss t u d ya c t u a l i t y ,d i s c u s s e sd i f f e r e n tm e a s u r i n gm e t h o d sa b o u tr a d o n a f t e re x p a t i a t i n gb a s i ct h e o r ya n dm e t h o do fa c t i v ec a r b o nm e a s u r i n gr a d o n , i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ea r t i c l ed o e sd e t a i l e da n a l y s i sa n dn e a t e n i n gf o ri n f l u e n c i n gf a c t o r so fa c t i v e c a r b o nm e a s u r i n gr a d o nd a t a o nt h eb a s eo fi t ,t h ea r t i c l es u m m a r i z e sc l a s s i c a l t h e o r ya n dc a l c u l a t i n gf o r m u l aa b o u td a t ad i s p o s a lo fm e a s u r i n gr a d o n c o n s i d e r i n gr a d i o a c t i v ed e c a yo fr a d o ns u r v e y i n g ,a c t u a lm e a s u r i n gd a t aa r e r e q u i r e dt or e v i s e b ya n a l y z i n gt h es p e c t r u mo f1 ,r a d i a le n e r g y , w eh a v e r e a l i z e dt od i s t i l la n dr e v i s em e a s u r i n gr a d o nd a t ab yc o m p u t e r f o rt h e p u r p o s e o fp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ,o n t h eb a s eo fw i n d o w s d e v e l o p i n gp l a t f o r m ,t h e a u t h o r d e s i g n s av i s u a la n d i n t e g r a t e dr a d o n m e a s u r i n gd a t ap r o c e s s i n gs y s t e mb yu s i n go b j e c to r i e n t e dl a n g u a g ev i s u a l b a s i c 6 0 ,c o n n e c t i n gi ft oa c c e s st h r o u g hm i c r o s o f tj e te n g i n ew h i c hp r o v i d e s f u l ls u p p o r tf o rs o l ,t h es y s t e mc a nm a k et h eb e s tu s eo fc o m p u t e rr e s o u r c e s a n di sn o tc o n f i n e db yc o m p u t e rm e m o r y , r e a l i z ed a t as t o r a g ea n dm a n a g e m e n t i nt h ed a t a b a s ea n dp r o c e s sl a r g ed a t a i tp r o v i d e sf r i e n d l yg u f o ru s e ra n dc a l l b eu s e re a s i l y a tt h es a m et i m ei tc a ni m p r o v eg r e a t l ye f f i c i e n c y t h es y s t e mi s p r o v e dt ob ee f f i c i e n tw h e ni ti sa p p l i e di nd a t ap r o c e s s i n go fr a d o nm e a s u r i n g o f n a n y a n c u nm i n e ,g u j i a oc i t yi ns h a n x ip r o v i n c e d u r i n gd o i n gs o m ee x p l o r i n gs t u d yf o rs u b s i d i n gc o l u m ni nc o a lm i n e ,t h e a r t i c l ed i s c u s s e st h es t a t eo fr a d o nv a l u ec h a n g ew h e na c t i v ec a r b o na d s o r b e r w a sr e s p e c t i v e l ye m b e d d e d 2 0 c m ,4 0 c m ,6 0 c md e p t ha n dd r a w ss o m e c o n c l u s i o nt h a ti na r e ao fl o w e rr a d o nt h ed e p t ho f e m b e d d i n ga d s o r b e rh a sa m u c he f f e c to nm e a s u r i n gr a d o nv a l u eb ya c t i v ec a r b o nm e a s u r i n gr a d o n , h o w e v e r , i na r e ao fh i g h e rr a d o nt h ed e p t hw h i c hi sa tt h er a n g eo f2 0 i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 0 c m ,h a sn o to b v i o u se f f e c t ,b u ti th a sd e f i n i t ee f f e c tw h e nt h ed e p t ho fa d s o r b e r i s6 0 c m f i n a l l y , a u t h o rm e a s u r e d1 ,r a d i a li n t e n s i o ni nd i f f e r e n tt i m ei n t e r v a lf o r t a k e na d s o r b e ra n dd i dt i m er e v i s ef o rc a u s e dc h a n g eo f m e a s u r i n gr a d o nd a t a a u t h o ro b t a i n e db e t t e re f f e c tb yr e v i s i n ga n da n a l y z i n ga c t u a lm e a s u r i n gd a t a w i t h o u td o u b t ,t h ep r o d u c t i o no fa b o v ew o r kh a ss o m er u l eo nr a d o nm e a s u r i n g w o r ko fl a r g e - a r e aa c t i v ec a r b o na n dd a t ah a n d l i n go ra n a l y s i sa n di s g o o da t e x p l a i n i n gw o r ko fr a d o nm e a s u r i n gd a t a i th a sd e f i n i t em e a n i n gf o ra c t u a l a p p l y i n go f a c t i v ec a r b o nm e a s u r i n gr a d o n k e y w o r d s :a c t i v ec a r b o n m e a s u r i n g r nt e c h n i q u e ,d a t a d i s p o s a l ,a c c e s s d a t a b a s e ,v i s u a lb a s i c 6 0 ,a d s o r p t i v ei n s t r u m e n t v 声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在指导教师的指导下, 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名:翌盘垒 日期:逸司! : 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括:学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件;学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅;学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文;学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名: 缨匀刍亟 导师签名:垒型丝 日期:兰型2 :芝 日期:2 翌2 :么 太原理:l 大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 放射性现象是1 8 9 6 年发现的,放射性勘探方法用于地质工作始于上世纪- - = 十年 代。首先是用于油、气田测井以对比地层,后来,为了寻找制造原子能的资源,促使这 种物探方法从上世纪四十年代起逐步得到发展,并扩大了应用范围。放射性方法具有简 便、灵活,不受电磁、噪声等干扰,适宜在浮土覆盖地区工作,能在山区、平原、乡镇、 闹市等地区施工的特点,可以在现场获得初步探测结果,成本低,效率高,实用安全, 便于推广和使用i ”。 在放射性方法里,氡及其子体的测量具有很重要的实用价值。自上世纪初ed o m 发现第8 6 号元素氡以来【2 】,该元素及其子体一直受到了科学界的广泛注意。 氡气测量法已作为地球物理勘探工作中一种便利的、有效的放射性探测技术,在众 多领域中得到了广泛应用。其原理是放射性元素的原子核在衰变过程中放出不同能量的 射线,用放射性仪器测量氡的子体衰变所放射出的a 射线、p 射线或丫射线的强度。 氡气测量最初主要是用于寻找铀矿床,并随着核原料的急需和浅层铀矿的缺乏,美 国、加拿大等国家大力发展测氡技术,使氡气测量在基础理论、工作方法、仪器设备、 数据处理等方面都得到了不同程度的进展1 3 4 】,为扩大氡气测量在地质上的应用范围提供 了前提条件。随着研究工作的深入,人们发现在各种地质体及地质演化过程中,铀、钍、 钾的分布有一定的规律,而氡浓度的分布也容易受构造控制。因而氡气测量己突破了专 一解决铀矿地质任务的束缚,在解决l r 放射性地质问题方面展现了令人瞩目的前景,如 在寻找地下基岩水、探测地热、确定构造位置、解决煤矿地质问题等工作中获得了众多 成功的实例,它是当前颇为引人注目的领域【5 】o 活性炭测氡法是氡气测量方法中一种静态、累积的测氡方法,其原理是将活性炭吸 附器埋于地下一段时间,取出吸附器,用放射性仪器测量吸附器中氡所衰变的子体放射 出y 射线的强度,从而了解氡气浓度的高低。活性炭测氡除了用于铀矿勘探外,还可以 用于解决非铀矿具有微弱氡异常的地质问题,如寻找地质构造破碎带、地下基岩水、煤 矿采空区、隐伏断层、火区等。 随着科学技术的飞速发展,越来越多的高新技术及设备应用于氡气测量,形成了现 代的测氡技术。近年来,测氡法在方法技术、数据处理上都有了很大的发展,尤其是在 数据处理上,随着许多新的理论、方法和概念的引进,加上计算机技术的迅猛发展,计 太原理工大学硕士研究生学位论文 算速度突飞猛进,能够参与计算的数据量也日益增大。利用测氡法进行实际工作,由于 放射性测量中核素的放射性衰变现象,氡及其子体放射性衰变和统计涨落特点,加之随 机误差和系统误差的存在,气候情况、浅部土壤结构条件不一致等原因,都会给氡气测 量数据的提取造成一定程度的影响,所以要对大量的面积性和剖面性测量数掘进行野外 和室内的处理,同时要快速、方便地绘制并输出各种二维和三维图形。显然,人工完成 这些工作要花很多时间才能做到,或者有的根本无法做到,因此需要专门的处理软件来 完成这些处理工作。 本文首先从测氡的国内外研究入手,对不同的氡气测量方法进行了讨论,阐述活性 炭测氡的基本理论和方法,对影响活性炭测氡数据的因素作了详尽的分析,在此基础上, 总结了关于测氡数据处理的经典理论和计算公式,并针对氡及其子体放射性衰变的特 点,对实测数据进行校正处理,通过对测氡y 射线能谱谱线的分析,实现了计算机对测 氡数据的提取和校正。这样可减轻手工劳动的强度,提高工作效率,减少人为主观因素 的影响,从而提高了数据解释的精度和准确性。最后,讨论活性炭吸附器的埋设深度与 : 氡异常的关系;同时,对测氡数据的时间校正做具体的分析,有利于大面积氡气测量的 数据分析和解释,对活性炭测氡法的实际应用具有一定的意义。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 氡的研究动态 第二章国内外研究现状 自从2 0 世纪初发现氡以来,人们对氡就有着浓厚的兴趣。半个世纪以来,核技术 方法己经发展成为寻找各种类型铀矿的有效手段。最初氡被应用在医学上,用来治疗恶 性肿瘤。随着科学技术向纵深发展,人们对射气的物理化学性质、运移和析出原理认识 不断深化,目前氡及其子体的各种测量方法已应用到许多领域中如:铀矿勘查、中长期 地震监测预报、油气勘查、地质找矿、地震预报、煤阳陷落柱的勘查等各个方面。 随着人们对氡的物理化学性质的日益了解,人们知道氡是惰性气体,具有放射性, 易溶于水,能被吸附在固体的表面上等,人们利用这些性质使氡测量已成为一种便利、 有效的探测技术,在众多领域得到了极大的推广应用。早在1 9 2 6 年,前苏联学者r 1 h 鲍戈亚夫连斯基就应用射气方法在玛伊科博斯基油阳进行了探测石油的试验【6 j 。近年来, 在地质工作的许多领域如矿产地质、水文地质、工程地质、灾害地质、环境地质等,氡 测量已得到了广泛应用。 随着氡测量应用范围的扩大,氡及其子体对人体的危害也越来越引起人们的关注。 近十几年来,随着人类对周围环境和自身健康认识的加深,氡及其子体的放射性危害已 成为现今社会普遍关心的重要问题之一。根据联合国原子辐射效应科学委员会1 9 8 2 年 的估计,在正常地区每年由于吸入氡及其短寿命子体而产生的辐射剂量约占人类所受全 部天然辐射年有效剂量的一半以上1 7 j 。 氡是人们所受天然辐射剂量的主要来源,其主要危害是导致肺癌。当人吸入氡后, 氡及其子体沉积在呼吸道和肺部,并放射出a 、d 甚或7 射线,其中危害最大的是a 射 线,这些射线长期作用于肺支气管上的细胞,造成辐射损伤,经过一定的潜伏期后,细 胞将发生癌变,导致肺癌f 引。i c r p 第5 0 号出版物认为,公众中肺癌的1 0 左右可能为 室内氡所致。也有人认为,每年肺癌死亡者中有2 0 的人是由于氡所致。美国1 9 8 8 年 公布的一份官方资料认为,氡是美国肿癌的第二位诱因,室内氡每年大约导致2 万人死 亡。据美国报刊报道,在美国的5 0 个州中,有3 0 个州都受到氡辐射的危害,有几百万 住宅受到氡污染。英国星期日电讯报】9 9 4 年1 月1 6 同文章说,看不见的氡污染每 年在住宅内要夺走7 千个英国人的生命1 9 】。而掘2 0 0 2 年的最新调查结果表明:全世界患 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 肺癌死亡的总人数中有8 一2 5 是由于长期吸入空气中的氡造成的,英国患白血病的人 有1 2 是由氡引发的;因过量吸入氡而死亡的人数,美国每年约4 万人,英国约l 万人, 瑞典约1 千人,俄国和中国各约5 万人【”j 。许多调查结果显示,室内氡浓度水平与肺癌 发生率密切相关,室内氡能导致癌症不再只是推测,而成为事实。氡已成为仅次于吸烟 的第二大致癌物质【l o l 。 鉴于室内氡对人体的危害,各国对氡的问题都非常重视,有些国家已经率先开展了 全国性生活环境中氡的水平调查。美国于1 9 8 7 年大量发送“氡的居民指南”,指出氡是 关系到公众健康的大众问题,提醒人们注意氡辐射问题。二十世纪九十年代初,欧共体 又对氡气的基础理论、基本应用、对氡的危害须采取的基本对策等提出了详细的研究计 划j 。中国地球物理学会环境专业委员会也决定在近几年对环境氡问题着力开展宣传与 调研,开展部分监测和科研工作,并向政府提出政策性建议。总之,国际上关于氡的 研究已经成为一个热门话题。 目前,科学界大力研究地气的运移机理、测量方法、应用范围。为能揭示氡及其子 体“自身”固有的运移舰律,研究氡及其子体运移的内在因素,在理想条件下进行氡及 其子体运移规律的实验研究较多。实验研究大都采用高精度、高灵敏度、静态、累积的 测量仪器;运用操作简便、对比性强、条件单一、可重复测量的实验装置。如此,较为 系统的进行氡及其子体运移规律的研究。 近年来,随着高灵敏度、高精度、静态、累积、低本底的c d l c t 杯测氡仪的问世【1 2 】, 使在理想条件下,对氡及其子体运移的深入研究成为可能。从而也有力地推动了氡及其 子体“自身”固有运移规律的研究。 关于氡及其子体的运移理论,人们提出了很多理论,主要有: ( 1 ) 扩散理论:该理论认为,氡射气是一种可随时日j 而衰变的放射性气体,由于分子 热运动,在介质中由浓度高的地方向浓度低的地方移动,称为扩散。一般用扩散系数 k ( e m 2 s 。) 来表示。在1 9 3 4 年一1 9 3 6 年,为比较不同岩石的透气性进行了放射性气体的扩 散研究。 ( 2 ) 对流理论:为了弥补扩散理论不足,f l e i s h e r 和m o g r o c a m p e r o 曾提出流体对流 理论 1 3 , 1 4 , 1 5 , 16 】。该理论认为,由于地温梯度和压力梯度的存在,在地下空间可以存在气 体的对流。其运移速率可以使氡气运移很长距离,大大超过扩散作用。并指出:在高渗 透区,这种热对流可能是氡气运移的一种主要形式,而且是唯一可用来解释大范围内氡 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 气运移的重要模式。 ( 3 ) 渗流理论:是建立在达西定律基础上的一种氡气运移机制。该理论认为,在毛细 孔隙中,氡气被流动的气体或水携带运动1 1 3 ,1 6 1 7 】。运移距离依赖于流体流动速率,这使 长距离运移成为可能。t a n n e r 就氡气的扩散和流体的携带机制,已有过详细的论述。 l e n n a r tm a l m q v i s t 等1 1 6 1 发现地下流体也是很重要的,并主导着氡气在地下运移。 s l o m b a r d i 等1 1 7 1 提出氡气浓度的大小是与岩石的渗透系数有关的。 ( 4 ) 搬运机制:8 o 年代j e g i n g r i c h 1 3 1 在提出气体搬运假说时认为,扩散可以解释氡 原子离开矿物而运动,并以极短的距离运移而进入开放的或者充满水的颗粒间的微孔 中。在此,也可以发生其它重要的搬运形式。这些搬运机制通常分为两个范畴:地球的 力学作用和流体的对流。从而使氡气运移很长距离,大大超过扩散作用。地球的力学作 用的范畴包括:( 1 ) 气压变化:( 2 ) 1 壤和空气温度梯度;( 3 ) 地表风的湍流作用;( 4 ) 地潮 泵吸作用;( 5 ) 由于地震引力引起的微孔压强变化:( 6 ) 深部其它气体引起的加速运动。 并认为气压百分之几的变化,可引起流量中的氡百分之几十的变化。 ( 5 ) 微气泡或地下水垂直搬运理论【1 6 , 1 8 :该理论认为,在潜水面以下,存在着微 气泡,氡附着在微气泡上向上运移,速率很快,可以运移很长的距离。而在潜水面以上, 氡主要是以扩散与对流方式运移。 k r i s t i a n s s o n a n d m a l m q v i s t l l 6 】曾在地下6 m 进行的氡气测量中,证实了向上流动气体 的存在。地下水面以下向上携带氡的气泡已被s o m o g y i 和l 色n a r t u 9 在实验室中证实。 ( 6 ) 潮汐作用:是由于重力固体潮引起地壳中的毛细孔隙开闭作用造成的氡气运移。 ( 7 ) 地下水的搬运:氡易溶于水,可随地下水的流动而运移。 ( 8 ) 其它气体的流动对氡气的带动运移。 ( 9 ) 其他,如大气压的纵深效应;将各作用合而为一的“多棒接力传递”机制【2 0 l 等。 ( 1 0 ) 氡团簇运移理论:氡及其子体和母体与j 下2 价的h e 核形成团簇,h e 核很轻, 当这一团簇的重量小于空气对它的浮力时,便导致团簇自行上升。 对上述观点,人们曾进行了现场模拟实验和计算机模拟。如: 1 s c h e r y 等【1 9 0 2 0 4 1 曾在沙土地区作了一个氡气从地下深部向上运移的剖面实验。该 实验结论是,由流动机制携带氡气的运移远没有氡气扩散运移快。然而,扩散系数是如 何得到的,对流速率又是怎样确定的,文中来说明。 2 o b h e r i e t k r l h 在小钻孔中证明了,氡气对流迁移是存在的f 】。并提出氡在介质 5 太原理1 大学硕士研究生学位论文 中的迁移是以扩散,扩散一对流,对流三种形式存在。 3 ,k r i s t e rk r i s t i a n s s o n 等川通过大量的钻孔测试,证实了地下深部存在可携带氡及 其它金属粒子向上迁移的微气泡。 4 计算机模拟研究:1 9 7 4 年c l e m e n t s l 2 2 l 曾提出了一维数学模型;8 0 年代末至9 0 年代初,d j h o l f o r d 等( 2 2 2 3 】在f i e k 的扩散定理和d a r c y 的渗流定理基础上,曾用计算机 软件模拟了不同水含量和大气压对氡气在土壤表面运移的影响,并提出了三维模型。通 过对地表裂隙氡气的运移模拟,提出了氡运移的二维模型。e c o w c z a r s k i 等脚1 用计算 机软件模拟了氡气流的影响因素,并给出了三维模型。l o u r e i r o 等1 2 2 用三维模型模拟了 氧通过地基裂隙在稳定状态下的对流和扩散运移。 5 1 9 9 5 年,白云生等 2 0 】将直径为1 0 0 m m ,长为1 0 0 0 0 m m 的塑料管竖立在室外。其 中。1 4 0 0 n u n 埋于地面以下,与下端密封的氡源相接,管内由河沙充填。该实验认为, 氡的运移机制不只是扩散作用。 在进行上述理论与现场实验研究的同时,为弄清氡的运移规律。人们运用室内实验 装置,进行了理想条件下氡运移的研究。从而对氡的运移机制又提出了新的见解。重要 的实验有: 1 6 0 年代f i y n a m e s g q 2 4 j 曾建立了验证多孔介质中扩散运动的实验装置,该装置高 2 8 8 0 m m ,直径为1 5 0 m m 的金属圆筒,用含镭溶液均匀涧湿了的建筑用砂作为介质材料。 2 。1 9 8 0 年,m m c o l ( o j o b 等【2 5 1 曾建立了用以研究氡运移桃理的实验装置,装置高 1 2 0 0 0 m m ,直径为3 0 0 m m ,采用的氡源是铀品位为o 2 的铀矿石。在理想的条件下做 了些实验研究( 模型实验) 。实验采用o t 径迹测量方法,观铡了密封模型中氡的分布 规律。结果发现,氡向上运移能力比用扩散理论预计的要强,而且明显大于向下运移的 能力;非扩散作用对氡运移有重要的影响。作者从对流角度解释了这一现象。但是,在 密封模型中,对流是否存在? 这一现象是否确由对流因素引起,作者并末给出实验解答。 3 1 9 8 4 年a t i d j a n i 等建成了在可控条件下研究氡气运移的实验装置,装置高 1 2 0 0 0 m m ,直径为3 0 0 m m ,可单独改变不同的参数,如压力、湿度、湿度等,氡源为 沥青铀矿【2 6 1 。实验是采用径迹和半导体探测器进行测量,主要用模型做了地下水位的 变化对氡气运移影响的实验。认为氡的运移是复杂的。 4 1 9 8 6 年s o m o g y i 和l 6 n & r t 在报垂直的长充水管中研究氡的运移时,发现只要 有氡迁移,就伴有气泡的上升。由此证实了气泡迁移的存在【硒,”】。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 1 9 9 2 年a v a r h e g y i 1 8 1 在水模型中进行了氡的运移实验研究,为微气泡运移理论提 供了物理实验的根据。 6 1 9 9 2 年刘鸿福等应用低射气测氡实验台对煤矸石中氡的释放随温度变化情况进 行了实验研究【2 7 l ,发现当温度比常温稍高时,实验台各观测点处氡浓度都急剧上升,并 在3 5 c 时达到峰值。随之又开始降低,在5 04 c 时降到最低。随着介质温度的升高,各 点处的氡浓度又开始上升,在6 8 时出现峰值。接着氡浓度又急剧下降,在7 2 时下 降趋势才变得平缓。之后开始近似稳定的缓慢上升。当时的解释是:第一次峰值出现在 刚刚加温时,可能是由于温度作用使吸附在介质外部的氡获得能量,解脱出来进入孔隙 中引起的;第二次峰值与煤矸石脱水和煤矸石急剧氧化生成大量气体有关。 7 1 9 9 5 年t t v a n d e r g r a a f 2 8 1 在实验室条件下进行了放射性核素运移的实验研究,发 现其运移情况也是复杂的。 8 1 9 8 7 年文献【2 9 】还报导了金属元素以气体方式( 即金属以微粒状态) 与地气 ( g e o g a s ) 一起运移到地面的情况。作者认为这是已知物理、化学理论难于解释的现象。 9 2 0 0 2 年乐仁昌,贾文懿【3 0 l 等设计了一套可以在理想条件下观测氡气运移的装置, 通过多次实验发现:在理想条件下,虽然氡及其子体的比重比空气大,却具有明显向上 运移能力,存在一种比扩散和重力沉降大得多的“上浮”运移机制。提出了氡团簇运移 模型对这一现象进行解释,该模型认为:h e 核及h e 可以与氡及其子体结合成团簇,由 于h e 很轻,当这一团簇的重量小于空气对它的浮力时,导致团簇自行上升。 综上所述,人们对氡的研究兴趣倍增。一是其应用领域广泛,更重要的是它对公众 健康的危害受到了密切关注。尤其是在氡及其予体的运移方面,人们做了大量的工作, 从各方面研究论证了氡气运移机理,取得了很大的成果。为人们的进一步研究提出了新 的观点,做出了巨大的贡献。 2 2 测氡方法的研究动态 在加拿大,1 9 0 4 年开始出现探测土壤和河水中氡的装置和方法。然而直到本世纪 2 0 年代,氡气测量才成为一种野外找矿法。它发展很缓慢,也很不平衡。过去,在欧美 国家里,特别是美国和加拿大,氡气测量法基本上没有得到实际的应用,而在原苏联和 东欧一些国家里应用稍多。总的来说,本世纪6 0 年代以前的一段漫长的时问罩,氡气 测量法只限于较小面积的普查找矿。空中和地p 程应用射气测量方法进行找矿的问题 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 虽然已有某些理论研究,但最终没有取得实际有效的应用效果。 近几年来,由于核燃料需求的迫切和初露地表或近地表的矿越来越少等缘故,找深 部铀矿的工作已被提到议事日程上,射气测量作为一种找深部铀矿的方法已引起一些国 : 家的重视。在美国、加拿大、印度、阿根廷、芬兰和英国等国家用测氡法已经找到了一 些深部铀矿和解决了一些地质问题。高灵敏度的、自动记录氡的装置已被应用于预报地 震。一些新的和改进型的氡气仪器己问世。野外工作方法、测量结果的数据处理和地质 解释,以及某些基本理论的研究都有了不同程度的进展。然而,不同的国家和地区其侧 重面有所不同。原苏联等一些东欧国家,射气测量虽然开展较早,但在工作方法和仪器 设备方面改进不多,在射气的定量解释和某些理论的研究方面有一些进展。加拿大、美 国等国侧重于异常的解释、资料的数据处理和新仪器和新方法的研究等【3 1 】。 近十年来,有不少入在大量而系统的从事对氡的短寿命子体和长寿命子体衰变的o l 射线的研究,并以此达到寻找铀矿的目的。并且,在非铀矿地质问题中也进行了大量的 研究工作,且取得了成效j 主要有: 1 2 0 0 0 年刘菁华,王兴泰1 3 2 】等为了使煤的燃烧和气化得到有效的控制,了解燃烧的 火焰工作面的移动速度以及燃空区的范围。在唐山刘庄煤矿地下气化区的试验中,得出 了放射性测氡法在进行煤炭地下气化监测中确定燃烧火焰工作面的移动速度以及燃空 区范围是可行的和有效的。 2 2 0 0 0 年谈成龙【3 习出于对国土安全、国民健康、国家经济与社会发展的需要,对波 兰和斯洛伐克两国国土进行了天然与人工放射性环境地质调查与填图工作,取得了成 果。 3 2 0 0 3 年王卫【蚓等利用滑坡体与其周边岩土体的结构差异,应用测氡法对滑坡进行 勘探,对滑坡的结构特征进行研究。达到节约投资,缩短勘探时间的目的,与地质分析 相互验证,为工程应用提供依据。 4 2 0 0 6 年李建军,张许平,刘鸿福【3 5 l 在山西祁县地热区,利用测氡法与磁法相结合 寻找地热资源,取得了显著的效果。得出了氡异常区是圈定地热的理想地带;断裂构造 或陷落柱是地下热水流动的重要通道,地质构造控制着地下热水的分布的结论。 总之,氡气测量法在解决非铀矿地质问题中起着越来越来重要作用,覆盖面也较大。 随着人们对氡气测量技术的不断完善,氡气测量方法将更加受到重视,发挥其更突出的 作用。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 目前,国内外氡气测量方法主要有以下几种: 1 活性炭测量 活性炭测量是利用活性炭对放射性有着高吸附性的特点来完成测量目的的。这种方 法灵敏度很高。活性炭是氡的强吸附剂,它与硅胶、活性氧化铝、活性白土、大孔性吸 附树脂、人工合成沸石及炭分子筛等是工业上常用的吸附剂。 活性炭吸附氡的良好性能几十年来已被广泛用于环境、地下工程和实验室的污染监 测,以及铀矿的普查勘探工作中。 活性炭吸附氡找铀矿,总的来说有两种方法,即微分法( 瞬时法或称抽气法) 和积 分法( 长时间法或累积法、非抽气法) 。两种方法各有千秋,但以后者为优,这是近几 年来的发展趋势。活性炭吸附氡后可在现场测量,也可在室内测量。测量的对象主要是 氡的子体衰变的0 【射线、p 射线或y 射线,或者其中某一能谱线。 六十年代初,北欧的瑞典和芬兰曾使用活性炭测量方法找铀矿,取得了肯定的成果 1 3 6 1 。瑞典曾生产了一种2 4 1 3 一a 型氡采集仪。它仅有抽气取样部分,没有测量部分。测 量的是氡子体2 “b f 的b 放射性( 最大能量为3 2 8 m e v ) 。美国近年来也在采用活性炭吸 附氡的找矿方法3 7 1 ,它既不是测量y 总量也不是测量氡予体2 ”b f 的1 3 射线,而是测量 2 ”研的0 6 0 9 m e v 的y 谱线。除此之外,它不是抽取土壤气,而是使土壤气自由通过安 放于近地表的装有活性炭的装黄。此外,美国专利3 8 1 还报道用白色塑料薄膜做成直径为 1 5 m 到7 m 的圆项形包,采用数百米一个测点的小比例尺测网,将圆顶形包固定和密封 地安放于测点上。包内放有带抽风机的活性炭气体过滤装置。这种方法也称气体捕集器 方法,“捕集”时问为7 - 1 2 d 。1 9 8 0 年南非研制的活性炭方法【3 9 1 ( r o a c 系统) 是一个 比较成熟的方法。该系统由带有罩杯的活性炭吸附器和带有铅室的轻便定标器组成。野 外埋设吸附器的方法类似于埋设径迹杯的方法,但在测孔中的埋设时问仅为5 8 d 。一般 的工作方法是:在野外按一定测网挖孔和埋设活性炭吸附器;达到要求埋设时间后,从 孔中取出吸附器并立即密封,以防止氡的解吸,然后在现场或实验室测量氡子体衰变的 射线照射量率。为了保证取得的数据的可靠,可用修正系数对埋设吸附器时间的不一致 和吸附器取出后测量时间的不一致性进行校正。近几年来美国一些单位也采用这种方 法。 2 常规氡气测量 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 常规氡气测量,是利用测氡仪器或系统来测量土壤空气中或大气中的氡浓度及其分 布规律,从而达到寻找包括铀矿在内的各种矿种( 含地下水及热资源) 及解决其他有关 的问题的目的。常规氡气测量,亦称经典氡测量,是采用“最古老”的测量电离效应的 方法,亦是最先被采用的方法,因而被称为常规或经典的方法。该方法在目前,主要是 采用硫化锌闪烁计数器法来达到测量的目的,过去也曾采用过金箔电计法( 本世纪2 0 年代) 和静电计电离室法( 5 0 - 7 0 年代) 。该方法由于采用“瞬时”或微分测量,因而速 度快、成本低,可以做到现场及时评价的目的,因而即使在当前,其办被广泛应用。 常规氡气测量最主要的弱点( 测量速度较慢) 可能就是打孑l 取气样了。为了提高可 靠结果,必须根据具体取样条件,在未堵塞炮眼前选择最合适的鼓气次数,因为在此情 况下,土壤层下空气可能被大气稀释。取样之后应立即进行测量。为了正确地反映覆盖 层中氡的分布,必须在同一深度上采取气体样品。在具有混合射气场的地段,要进行氡 一钍射气测量。为了确定氡和钍射气的浓度,需要对同一气体进行两次测量,其时间间 隔大约为5 m i n 。抽取气样并将其引入测量室后立即进行第一次测量,给出氡和钍射气 引起的总效应:第二次测量给出的只是由氡引起的效应。因为经过这段时间钍射气实际 一k 已经全部衰变掉了。 3 a 径迹蚀刻测量 a 径迹蚀刻测量,也称径迹找矿法,它是采用一种固体塑料薄膜,如硝酸纤维或醋 酸纤维制作探测器,即称固体核径迹探测器( s s n t d ) 。这种探测器仅对粒子灵敏, 对光,t 射线和1 3 射线不灵敏。工作时将这种探测器固定于一般为塑料探杯的内底部, 然后将探杯倒置于3 0 7 0 c m 深的浅孔( 坑) 中,上埋土壤封闭,一般需3 - 4 星期后才取 出。经室内
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