（地球探测与信息技术专业论文）壤氡辐射场理论研究与测氡仪器研制.pdf

摘要 壤氧辐射场理论研究与测氡仪器研制 作者简介：姜海静，女，1 9 7 8 年1 1 月生，师从成都理工大学葛良全教授， 2 0 0 8 年1 1 月毕业于成都理工大学地球探测与信息技术专业，获得工学博士学位。 摘要 众所周知，自然界的氡主要来自地下地质体中放射性元素铀镭等的衰变释 放，因此对壤氡辐射场的研究意义重大：即可通过对其异常场的研究解决找矿、 油气勘探、灾害地质监测、地震预报、考古、环境工程地质等领域中的应用问题； 又可通过研究氡在土壤的迁移规律，使环境氡研究与相关的地质背景相联系，提 高环境氡的评价水平。本文对壤氡辐射场的研究，以后者为目的。 论文通过氡迁移的扩散一对流理论模型，建立地空界面氡浓度定解问题，并 提出定解问题新的边界条件，即地空界面上氡气流密度连续，进而得到地空界面 两侧氡浓度分布随土壤深度、地表高度及地表介质铀镭含量变化的数学表达式。 提出氡逸出率与迁移率比的物理概念，较好地解释了壤中氡浓度与大气氡浓度的 变化特征及二者问的相互关联。 论文根据实验研究的特点，有针对性的丌发了三种土壤氡测量仪器：( 1 ) 土 壤连续测氡系统埋入地下长期连续测量，采用c a n 总线设计，可组网实现几公 罩范围内的多点同时测量，在两小时测量周期其探测灵敏度达到g b 5 0 3 2 5 2 0 0 1 对室内空气氡的检测要求( “所选用方法的探测下限不应大于1 0b q m 3 ”) ，表现 出良好的探测性能；( 2 ) l e d 3 0 0 0 型测氡仪通过计算气压校讵系数，校j 下f d 3 0 1 7 类泵吸式测氡仪进气量难以预计引起的测量误差。通过金花镇剖面测线的实测 数据表明，由进气量原因引起的平均相对偏差高达3 9 ，可由该项校j 下技术解 决。其性能根据氡室比对结果，在探测灵敏度、相对标准偏差等指标方面均优于 f d 3 0 1 7 ；( 3 ) 自动移片测氡仪首次实现非接触式( 即0 5 衰变不在探测器表面进 行) 静电收集测氡仪的抽气一收集一探测全自动化测量，免去了一次测量过程中 抽排气、取放片的多次人工干预，把收集室和探测室集成在主机箱内的一体化设 计，省去了外部的连接电缆，使仪器的操作更简便快捷，工作更可靠。经标定测 试，包括稳定性、灵敏度在内，仪器各项指标均优于l e d 3 0 0 0 型测氡仪。 对壤氡辐射场的实验研究主要包括：( 1 ) 通过对不同深度( 高度) 土壤( 空 气) 氡浓度的观测，验证地空界面两侧氡浓度分布数学表达式。观测结果表明， 理论计算值与实测值符合性较好，尤其地下实验的最大相对误差仅为5 5 ；( 2 ) 通过对土壤氡场扰动的实验观测发现，某地下o 2 8 米处氡浓度在一个月内的前 后变化幅度超过4 倍，且壤氡辐射场的变化受土壤温度、气压影响，与温度呈现 成都理i ：人学博十学位论文 j 下相关，与气压呈现负相关。( 3 ) 通过对成都经济区两条测线包括氡浓度、镭比 活度、含水率、孔隙度等参数的实地测量，经误差分析、多元四l 归处理、反演拟 合计算，得出按四种土壤类型细化的含水率修正模型。在对实测剖面c d f i 的理 论计算中，有近6 0 的样品理论值与实测值吻合较好，其中含水率修证前后， 各测点平均相对偏差由9 7 减4 , n5 0 。在对实测剖面c d f 3 的验证性计算中， 理论值与实测值平均相对偏差为7 0 。( 4 ) 利用修正模型，对区域氡浓度分布 情况做出预测，可得出氡浓度平面分布的等值线图和随深度变化的表面图。 关键词：组网原位测氡气压校正自动移片含水率修正预测模型 a b s t r a c t s t u d i e so fr a d o nr a d i a t i o nf i e l di ns o i la n dd e v e l o p m e n to f r a d o nme a s ur ei n s t r ume n t s i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：j i a n gh a i - j i n g ，f e m a l e ，w a sb o r ni nn o v ，19 7 8 w h o s et u t o rw a sp r o f e s s o rg el i a n g q u a n s h eg r a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yi ng e o p h y s i c a lp r o s p e c t i n ga n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ym a j o ra n dw a s g r a n t e dt h ed o c t o rd e g r e ei nn o v ，2 0 0 8 a b s t r a c t a sw ek n o w , n a t u r a lr a d o ni sr e l e a s e db yr a d i a t i v ee l e m e n t su r a n i u ma n d r a d i u ma st h e yd e c a yi n g e o l o g i c a lo b j e c tu n d e r g r o u n d t h e r e f o r e ，i t i s v e r y i m p o r t a n tt os t u d yo nt h er a d i a t i v ef i e l do fr a d o ni ns o i l o n ei st os t u d yo nt h eh o t s p o t ，s oa st of i n ds o l u t i o nf o rv a r ya p p l i c a t i o nr e g i o n s ，s u c ha sm i n ee x p l o r a t i o n ，o i l a n dg a se x p l o r a t i o n ，g e o l o g i c a ld i s a s t e rm o n i t o r i n g ，e a r t h q u a k ef o r c a s t ，a r c h a e o l o g y , e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g e t c a n o t h e ri st os t u d yo nt h er a d o nt r a n s p o r t a t i o nl a wt o i m p r o v ee n v i r o n m e n t a lr a d o ne v a l u a t i o n ，b ys t u d ye n v i r o n m e n t a lr a d o na l o n gw i t h g e o l o g i c a lb a c k g r o u n d t h em o t i v a t i o no f t h i st h e s i si st h el a s to n e i nt h i st h e s i s t h ef i x e ds o l u t i o no fr a d o nc o n c e n t r a t i o no ng r o u n d - a i ri n t e r f a c e h a sb e e ne s t a b l i s h e db a s e do nd i f f u s i v ea n dc o n v e c t i o nt h e o r y t h en e wb o u n d a r y c o n d i t i o no ft h ef i x e ds o l u t i o na l s oh a sb e e np u tf o r w a r d ，n a m e l y ，t h ea i r f l o wd e n s i t y o fr a d o no ng r o u n d a i ri n t e r f a c ei sc o n t i n u o u s b a s e d o nt h i s p o s t u l a t e ，t h e d i s t r i b u t i o no fr a d o nc o n c e n t r a t i o no nt h eb o t hs i d e so ft h eg r o u n d - a i ri n t e r f a c ei s c h a n g ew i t ht h es o i ld e p t h h e i g h ta n dt h ec o n c e n t r a t i o no fr a d i u ma n du r a n i u mi n s u r f a c es o i la n dr o c k f u r t h e r m o r e ，t h ec h a n g ei se x p r e s s e db ym a t h e m a t i c a le q u a t i o n t h er e l a t i o n s h i pa n dc h a n g eb e t w e e n r a d o nc o n c e n t r a t i o ni ns o i la n dt h e c o n c e n t r a t i o ni na t m o s p h e r ei se x p l a i n e da d e q u a t e l yb yd e f i n i n gap h y s i c a lc o n c e p t ， r a d o ne m i s s i o nr a t e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，t h r e ek i n d so fr a d o n m e a s u r ei n s t r u m e n ta r ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ( 1 ) as o i lr a d o nm o n i t o rc a nb e b u r i e di nt h eu n d e r g r o u n dt om e a s u r et h er a d o nc o n c e n t r a t i o ni nt h es o i l d e s i g n e d b a s e do nc a nb u s ，m u l t i p l er a d o nm e a s u r es y s t e m sc a nb eu s e dt ob u i l tu par a d o n d e t e c t i n ga r e an e t w o r k t h u s ，t h es o i lr a d o nc o n c e n t r a t i o n sc a nb em e a s u r e da tt h e s a m et i m ei nt h er e g i o no fs e v e r a ls q u a r ek i l o m e t e r s t h ed e t e c t i n gs e n s i t i v i t yc a n m e e tt h er e q u i r e m e n t so fg b 5 0 3 2 5 2 0 01 ( t h em i n i m u md e t e c t i n ga c t i v i t yi sn om o r e t h a n10 b q m 3 ) u n d e rt h em e a s u r i n gc y c l eo f2h o u r s ( 2 ) t h eu n c e r t a i n t yo fg a sf l o w r a t eb r i n g se r r o ri nam e a s u r e m e n tw h i l ep u m p i n gg a s u s i n gap o p u l a rr a d o nm e a s u r e i n s t r u m e n tf d 3 0 17 ，t h ea v e r a g ev a l u eo fr e l a t i v ed e v i a t i o ni s3 9 a c c o r d i n gt ot h e d a t as u r v e y e di nj i n g h u at o w ns e c t i o ni nc h e n g d uc i t y i e d 3 0 0 0 ，an e wd e s i g ni n t h i st h e s i s ，c a nc o r r e c tt h er e s u l tb yu s i n gt h ea i rp r e s s u r ec a l i b r a t i o nc o e f f i c i e n t c o m p a r i n gt of d 3 017i nt h em e a s u r e m e n t sw i t hr a d o nc h a m b e r ，t h ep e r f o r m a n c e so f i i i 成都理i ：人学博十学位论文 i e d 3 0 0 0 ，s u c ha sd e t e c t i n gs e n s i t i v i t ya n dr e l a t i v ed e v i a t i o n ，a r ei m p r o v e d ( 3 ) t h e n e wr a d o nm e a s u r es y s t e mw i t ha u t o m a t i ct o l es l i d i n gc a ns w i t c ht h em e a s u r i n gt o l e w i t h o u tm a n u a lm a n i p u l a t i o n i ti st h ef i r s tt i m et h a tt h ea u t o m a t i o no fs w i t c h i n gt o l e i sa p p l i e di nr a d o nc o l l e c t e db yn o n c o n t a c t 。t h en e wd e s i g na v o i d st h ei n f l u e n c e c a u s e db ym a n u a lm a n i p u l a t i o n t h ec o l l e c t i o nc h a m b e ra n dd e t e c t i o nc h a m b e rc a n b ed e s i g n e di n t e g r a t i v ea n dt h ec o n n e c tc a b l ew i l lb er e t r e n c h e d t h e r e f o r e t h e p e r f o r m a n c eo ft h en e wd e s i g ni sb e t t e rt h a ni e d 30 0 0 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ns o i lr a d o nr a d i a t i o nf i e l di sd e s c r i b e da sb e l o w f1 ) i n o r d e rt op r o v et h ea c c u r a c yo fm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o na b o u tr a d o nc o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o no nt h eb o t hs i d e so ft h eg r o u n d a i ri n t e r f a c e t h er a d o nc o n c e n t r a t i o ni n t h es o i l ( a t m o s p h e r e ) a tv a r i o u sd e p t h s ( h e i g h t ) h a db e e nm e a s u r e d t h er e s u l to ft h e m e a s u r e m e n tw a sc o i n c i d e n tw i t ht h e o r e t i cv a l u e sa n dt h em a x i m a lv a l u eo fr e l a t i v e d e v i a t i o ni so n l y5 5 i nu n d e r g r o u n de x p e r i m e n t ( 2 ) i tw a sf o u n dt h a tt h ev a r i e t y r a n g eo fr a d o nc o n c e n t r a t i o ni nt h ee n do fam o n t hw a sf o u rt i m e sh i g h e rt h a nv a r i e t y r a n g ea tt h eb e g i n n i n go ft h em o n t ha to 2 8 md e p t hu n d e r g r o u n di nt h ee x p e r i m e n t m o r e o v e r , b o t ht h es o i lt e m p e r a t u r ea n da i rp r e s s u r ea f f e c tt h es o i lr a d o nr a d i a t i o n f i e l d t h es o i lr a d o nr a d i a t i o nf i e l dh a san e g a t i v ec o r r e l a t i o nw i t ha i rp r e s s u r ea n d p o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t h s o i l t e m p e r a t u r e ( 3 ) t h ep a r a m e t e r s ，s u c ha s r a d o n c o n c e n t r a t i o n ，s p e c i f i ca c t i v i t yo fr a d i u m ，m o i s t u r ec o n t e n ta n dp o r o s i t y , a r ea c q u i r e d b ye x p e r i m e n ti nt w os e c t i o np l a n e s b a s e do ne r r o ra n a l y s i s ，m u l t i p l er e g r e s s i o n p r o c e s s i n ga n di n v e r s i o nf i t t i n gc o m p u t a t i o n ，t h em o i s t u r ec o n t e n tc o r r e c t i o nm o d e l h a v eb e e ne s t a b l i s h e dc o r r e s p o n d i n gt of o u rd i f f e r e n ts o i lp r o p e r t i e s i ns e c t i o np l a n e o fc d f1 a b o u t6 0 t h e o r e t i cv a l u e so ft h es a m p l ea r ec o i n c i d e n tw i t ht h eo b s e r v e d v a l u e s a f t e rm o i s t u r ec o n t e n ta d j u s t m e n t ，t h ea v e r a g er e l a t i v ed e v i a t i o nd e c r e a s e s f r o m9 7 d o w nt o5 0 i np o s i t i o no fo b s e r v a t i o n c o m p a r i n gt h ea v e r a g er e l a t i v e d e v i a t i o ni ns e c t i o np l a n eo fc d f1 t h ea v e r a g er e l a t i v ed e v i a t i o no fc d f 3b e t w e e n t h e o r e t i cv a l u e sa n do b s e r v e dv a l u e si s7 0 b yv a l i d i t yc a l c u l a t i o n ( 4 ) u s i n gt h e m o i s t u r ec o n t e n tc o r r e c t i o nm o d e l ，r e g i o n a lr a d o nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o nc a nb e c a l c u l a t e d ，t h ei s o g r a m so fr a d o nc o n c e n t r a t i o np a r a l l e l i n gt ot h eh o r i z o na n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e p t ha n dr a d o nc o n c e n t r a t i o na r ea c q u i r e da tt h es a m et i m e k e y w o r d s ：i ns i t ur a d o nm e a s u r eb yn e t w o r kp r e s s u r ec o r r e c t i o n a u t o m a t i ct o m s l i d i n g t h em o i s t u r ec o n t e n tc o r r e c t i o n p r e d i c t i o nm o d e l i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 墨；撕 一 易卯g 年 f ，月珈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权成都堡工态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 墨滔备， 学位论文作者导师签名：鼋厂1 挲龟 谢年，r 月孙日 第1 章引言 1 1 研究课题来源 第1 章引言 本研究课题足在作者导师葛良全教授承担的国家自然科学基金项目“地一空 界面氡场及其辐射环境效应研究”( 编号：4 0 3 7 4 0 5 1 ) 和广东省地勘局“地质科学研 究基金”横向合作项目“c d i 2 0 0 0 型便携式土壤测氡仪开发与研制”资助下进行。 1 2 研究现状 对土壤氡辐射场的研究，在过去很长一段时问，仅注重对其异常场的研究， 主要是根据氡的地质示踪特性来解决寻找放射性、非放射性矿床，以及解决环境 工程与水文地质工程、地震预报、考古等领域中的应用问题。近年来，随着人们 生活水平的提高和环保意识的增强，环境中氡场的辐射效应越来越被重视，氡的 危害、监测与防治已成为国内外政府和学者关注的热点问题。但是对于环境氡的 研究也在很长时间以研究空气中氡为主要对象，实际上，地质背景与区域空气中 氡浓度水平有密切关系，如美国的r e a d i n gp r o n g 地区一狭长花岗岩带上建筑物内 氡浓度比周围建筑物高4 0 ，反映了地质背景与空气中氡浓度的联系。目前， 我国环境氡研究与岩石、土壤中氡的分布与迁移规律及地质背景的结合还远远不 够。但西方发达国家已经注意到，要提高坏境氡研究水平，须与地质背景相联系。 因此，研究氡在土壤的迁移规律，找出壤氡与环境氡问相关关系，并对区域环境 氡水平做出预测，成为当前壤氡辐射场研究中的热点问题。早在上世纪中后期， 西方国家就已经开展了环境氡的调查与研究工作1 2 j ，根据美国地调局和环境署联 合对美国的氡危害作出调查的结果表明，3 5 的人口居住在氡危害可能性大的地 区。因此，如何在区域上圈定潜在的高氡地区具有非常重要的意义。目前1 2 j ，美 国和俄罗斯利用已有的航空放射性资料快速圈定了潜在高氡危害区，然后在重点 地区开展具体的地面测量工作，取得了很好的效果；欧共体在9 0 年代初制定的氡 研究计划中提出的研究目标之一就是“改善地质、地球化学及土壤特性与室内氡 之问现有关系的认识”，同时也提出了氡填图计划；当前，我国的区域环境放射 性调查也在地质调查部门初步开展。 众所周知，自然界的氡主要来自地下地质体中放射性元素铀镭等的衰变释 放，其释放量不仅与地质体中铀、镭、钍含量密切相关，而且由于氡具有长距离 迁移能力，还与下伏基岩的铀、镭、钍含量、地质构造与岩性有关，如在隐伏断 裂构造上方氡浓度明显增高。因此自然条件下，氡及子体的迁移过程是极其复杂 成都理i ：人学博十学位论文 的物理现象。白1 9 3 9 年f l u g g e 矛l l z i m e n s 提出氡气扩散迁移机制以来【3 l ，国内外许 多学者对氡在地质体内的迁移机理进行了较深入的研究，相继提出了众多氡气迁 移模型，如白云生、吴慧山等的多棒接力传递1 4 】【引、贾文懿教授的团簇迁移模式f 6 】、 对流迁移、泵吸作用等。但有关氡的迁移机理问题，仍是核地球物理学术界关注 与研讨的基本问题之一。 迄今，对地空界面上氡辐射场的研究，一般是根据氡释放与迁移的扩散、对 流理论提出定解问题，经一定简化处理后建立数理方程，再根据有关参量的数值 得出土壤或空气中氡浓度分布的“精确”解。在此方面，国内外学者做过大量研究， 应用最广泛的是r o g e r s 等人在1 9 9 1 年提出的扩散一渗透模型7 】：北京科技大学刘 庆成等在假设土壤均匀、各向同性的条件下，利用该模型的一维解析解对大地空 气白j 的氡交换过程进行了理论与试验研究，提出了在地空界面上氡浓度连续的边 界条件，由此推导出壤中氡浓度与大气氡浓度的数学表达式【8 l ；随后，基于该模 型的二维有限差分算法被建立用来模拟大气压对氡从孔隙中迁移出来的泵吸作 用。吉林大学的刘箐华等，也建立了基于该模型的二维有限差分算法模拟断层上 方均匀覆盖层中氡的迁移一j ；l o u r e i r o 等人用三维数学模型模拟了氡通过地基裂 隙在稳定状态下的对流和扩散迁移，其中包括土壤中氡的产生和衰变，通过地下 室墙角有限尺寸裂隙的传输，以及计算室内氡的浓度【l 。本课题提出了新的边界 条件，即地空界面上氡气流密度连续，对地空界面两侧氡浓度的定解问题进行求 解，推导出壤中氡浓度与大气氡浓度随土壤深度与地表高度的数学表达式，并提 出了地表氡逸出率和壤中氡与空气中氡迁移率比的物理概念，较好地解释了土壤 中氡浓度与大气氡浓度的变化特征及二者相互关联的关系。 依据方程求出的氡浓度分布的“精确”解，配以当地的地质调查资料，可以实 现对区域氡浓度分布的预测。法国gi e l s c h 等人，根据1 5 万地质填图结果和铀、 钍元素的含量数据，结合现场测氡结果，研究了土壤中放射性元素铀、钍的含量 和地表氡析出率及环境氡浓度的关烈1 1j ；刘庆成等根据某地航测的铀含量资料， 并运用基于扩散渗透模型得出的大气氡浓度方程精确解，对某住宅区空气中氡 浓度水平做出快速预测，取得初步的应用效果【l2 。与上述实例直接利用精确解求 解不同，本课题在得出精确解后，经过大量实测数据的修正和反演，最终细化得 出针对四种不同土壤类型求解的氡分布表达式。以此公式配以测区铀镭含量等资 料，可对测区土壤氡浓度分布做出预测。 实地测量为本课题顺利实施提供重要的数据支撑和效果验证，需要用到的测 氡设备以监测土壤氡的连续、瞬时测氡仪和监测空气氡的连续测氡仪为主。近年 来，随着氡测试技术的蓬勃发展，国内外测氡仪种类繁多。在按采样方式不同划 分的瞬时、累积和连续测氡仪中：( 1 ) 累积测氡设备以固体核子径迹探测器 ( s s n t d s ) 和驻极体测氡设备为主，由于其探测器适合悬挂，且要选择通风、 避雨的位置，加之测量周期一般为数个月，多适用于大规模布点的室内空气氡普 2 第1 章引言 查；( 2 ) 连续测氡仪种类较多，多为便携式自动测量设备，功能强大，使用方便， 人机交互能力强，自带存储器，多数可与上位机通信，有些自备微型打印机，提 供现场打印结果功能。如美国r a d 7 测氡仪、m o d e l 1 0 2 7 连续测氡仪、德国 d o s e m a n 、r t m 系列测氡仪及o 【g u a r d 测氡仪等，国内有南华大学研制的 p c m r 一1 连续测氡仪等。此类测氡仪主要进行环境空气氡测量，若配有辅助采 样设备( 手动或自动采样泵) ，可进行单点地面土壤气氡测量，但遇到土壤气较 少的情况，测量结果不理想。另外，主动抽吸采样打破土壤原有的内部平衡环境， 测量结果难以真实反映该采样点土壤氡的运移规律，且由抽吸气体造成的氡场扰 动也远比土壤本身气象因素变化引起的扰动大的多。因此，当前绝大多数连续测 氡仪无法适应上述工作。研制采用c a n ( 控制器局域网) 总线，可多机连接为 局域测氡网，埋入土壤长期监测0 【粒子及多项气象参数的连续测氡仪，国内外未 见报道。其被动扩散的测氡方式避免了地面抽吸测氡时土壤气不足带来的测量误 差，且组网多点同时测量方式，不仅提高工作效率，还排除因测量时间不同引起 的误差，增加了数据的可比性。( 3 ) 瞬时测氡仪以静电收集原理测量土壤气氡居 多，如目前地质领域广泛使用的上海电子仪器厂生产的f d 3 0 1 7r a a 测氡仪。由 于此类仪器采用的主动泵吸式抽气原理在土壤气少时易产生较大的系统误差，且 人工操作繁琐，一次测量需要多次人工干预才能完成。针对以上缺点，丌发了具 备“气压校正”和“自动移片 两项国家专利技术的瞬时土壤测氡仪。 1 3 选题依据与研究意义 自1 8 9 6 年贝可勒尔发现天然放射性以来，充盈于人类生存、活动和获取资 源场所上的核地球物理辐射场逐步被人们认识、了解与利用，它包括y 辐射场、 1 3 辐射场、中子辐射场、a 辐射场( 主要由放射性氡引起，又称氡场) 、u 辐射 场，以及其它粒子的宇宙射线场。其中，氡场占有重要的地位。这是因为：1 ) 氡是自然界三个天然放射性系列中唯一的气态元素，地质体与环境中固、液体物 质不断地释放氡气。化学性质稳定、但物理性质很活泼的氡气，易溶于水和有机 溶剂，通过团簇迁移、接力传递、扩散、对流、抽吸等作用，表现出很强的迁移 能力，因此，氡可以很容易的通过断裂构造、裂隙、地下水搬运等在地质体中长 距离迁移至地表形成异常场，成为地质找矿、环境工程与水文地质勘查等的有效 示踪元素；2 ) 氡是镭的第一代子体，而氡本身及其子体是铀系、钍系的主要q 辐射体，其能量分别占总体能量的5 7 与6 8 ；同时，它们也是铀系与钍系的 主要丫辐射体，其能量分别占总体能量的9 5 8 、7 6 ，氡场的分布及其扰动直 接影响到天然y 辐射场的分布及扰动；3 ) 空气中的放射性氡，不仅给人体造成 外照射，更重要的是它通过人的呼吸系统进入体内，固态的氡衰变子体会在人体 呼吸器官内沉淀累积，造成内辐射，甚至引起肺癌，严重危害人体健康。而调查 成都理i ：人。学博十学位论文 显示：在人们接受的天然辐射剂量中大约5 0 是由氡及其短寿衰变子体贡献时1 3 1 。 因此，从环境辐射防护角度，放射性氡具有重大的危害性。 近年来，随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，环境中氡场的辐射 效应越来越被重视，氡的危害、监测与防治己成为国内外政府和学者关注的热点 问题。把环境氡研究与相关的地质背景相联系，利用现有区域土壤中铀、钍、钾 含量的调查数据，研究不同地球化学景观下地空界面上氡场的分布特征，并设计 高效实用的氡测量仪器进行实地测量，为理论研究提供实验验证数据，以便得出 日后预测与评价区域氡水平及其辐射环境效应的修f 模型：( 1 ) 将进一步加深土 壤与空气问氡的释放与迁移规律的认积与理解，强化“地质背景与环境氡浓度联 系”的观点，具有重要学术价值。( 2 ) 为实验设计的测氡设备解决了现有设备的 某些不足，除课题研究领域外，还能更好的为勘查找矿、环境工程与水文地质工 程、地震预报、考古等其它领域服务；( 3 ) 可为城镇建设与规划提供科学防氡的 依据，为快速圈定高氡地区、环境评价调查采样点的排布、区域氡地质填图的实 现等提供指导。尤其在我国开展氡调查时间短、区域小、数据少、资金不足、至 今未建立全国性氡地质填图的当前，利用现有地质力量和地质资料解决环境问 题，具有重要社会效益和经济效益。 1 4 主要研究内容 论文从氡的迁移理论、地空界面氡辐射场分布的数理模型、测氡仪器及实 验研究等几个方面展开论述，其主要研究内容有： ( 1 ) 对地空界面氡浓度定解问题的研究。建立氡的稳态迁移方程，提出新的 边界条件，求解得出壤中氡浓度和大气氡浓度分布的数学表达式，以及氡浓度与 地表介质铀镭含量问的关系式： ( 2 ) 研制测氡仪器，为验证理论模型与开展实验研究服务。论文共进行了三 台测氡仪器的软硬件开发、标定比对及性能测试、机箱面板及移片装置的机械设 计加工。这三台仪器分别为：采用c a n 总线通信技术的土壤连续测氡仪、针对 f d 3 0 1 7 测氡仪缺点进行改进的具有气压校正技术的l e d 3 0 0 0 土壤瞬时测氡仪 和进行一体化设计的自动移片土壤瞬时测氡仪。 ( 3 ) 两套实验方案开展实验研究。方案一采用连续测氡仪对土壤和空气氡做 长期观测，一方面用于对推导得出的地空界面氡分布数理模型进行实验验证，另 一方面通过大量测量数据观察和分析氡场的扰动情况；方案二从土壤瞬时测氡仪 对成都经济区两条测线剖面的实地测量数据展开分析，利用其中一条剖面进行数 据处理，得出基于不同土壤类型的经含水率修f 的氡浓度分布公式，利用另条 剖面对修正公式进行验证与反演，得出能用于氡分布预测的修正模型并绘制预测 的氡分布表面图。 4 第2 章理论基础 第2 章理论基础 2 1 氡的主要迁移机理 放射性氡来源于地表介质中放射性铀系、钍系和锕系。由于2 2 0 r n 和2 1 9 r n 的半衰期很短，分别为5 5 6 秒和3 9 6 秒，所以氡的迁移主要考虑2 2 2 r n ( 半衰期 为3 8 2 5 天) 。2 2 2 r n 是放射性铀系中2 2 6 r a 的衰变子体，氡从土壤的析出过程包 括自由氡的产生和氡的迁移两个阶段，如图2 1 所示：第一阶段是固体晶格中的 镭原子放出0 l 粒子而衰变成氡原子，由于核反冲作用，氡原子离开固体品格进入 连通的微裂隙中彤成可迁移的自由氡；第二阶段是这些可迁移的氡原子在介质的 孔隙、微裂隙和裂隙中通过扩散、对流等机制向土壤表面迁移，最终离丌土壤表 面进入周围空气。 2 1 1 自由氡的产生 图2 - 1 氡的析出过程 当镭衰变时，产生的氡原子与a 粒子之间由于动量守恒使氡原子获得8 6 k e v 的动能，在这个反冲动能的作用下，新衰变产生的氡原子将离开衰变前镭原子的 位置而运动一段距离，这段距离称为反冲距离 j 4 1 。反冲距离的大小依赖于发生衰 变介质的密度和组成，2 2 2 r n 在一般固体中的反冲距离为0 0 2 - - 0 0 7l am ，在水中 是o 1l am ，在空气中是6 3pm 【15 1 。反冲的氡原子在运行它们获得的反冲距离后， 成都理i ：人学博十学 7 ：论文 可能进入微裂隙而逃逸出矿物品格，也可能被固定在品格内，或穿过微裂隙重新 进入附近的固体品格而阻留，而受阻在品格中的氡原子常温下仅靠分子热运动很 难扩散出晶格，故可认为是不可迁移的。所以固体中的镭衰变后，产生的氡原子 并不全是可迁移的，进入到土壤孔隙中可迁移部分的氡被称为自由氡，这正是本 文关注和研究的对象。 自由氡与土壤中氡的总量之比，称为射气系数，射气系数是决定土壤中可迁 移的有效氡含量的源项【l6 1 。国内外学者的实验研究显示，射气系数与土壤含水量 和土壤粒径大小有直接关系【1 7 j 。 射气系数一般随土壤含水率的增大而升高，当土壤达到一定的含水饱和度， 射气系数将不再发生显著变化。这是因为在干燥土壤中，反冲到空气填充的土壤 孔隙中的氡原子倾向于嵌入到相邻的固体颗粒中。而氡在水中的反冲距离比一般 土壤的孔隙尺寸要小些，当土壤孔隙含水时，氡原子更倾向于留在孔隙中的水里 而得到较高的射气系数，直到达到一定的含水饱和度，停留在孑l 隙水中的氡原子 达到饱和，射气系数不再增加。 射气系数与土壤粒径的大小呈反比关系，因为只有分布在固体颗粒表面氡的 反冲距离( 0 0 2 , - - - - 0 0 7l am ) 深度以内的镭原子产生的氡4 有可能逃离固体颗粒而 进入到孔隙中，假设固体颗粒为球形，镭原子均匀分布于整个固体颗粒，则只有 表面处的镭对射气系数有贡献，这时射气系数正比于固体颗粒的表面积与体积的 比，也就是反比于颗粒的直径，而土壤的镭含量与粒径大小无关。所以，当其它 条件不变，射气系数随砂粒含量的增加而减少，随细小粘粒含量的增加而增大。 表2 1 为文献提及的不同类型土壤的射气系数实验参考值列表【1 8 】【1 9 】【2 0 1 ，其中参 考值2 与理论分析有一定出入，可能由实验条件不同造成。 表2 - 1 不同类型土壤的射气系数参考值 射气系数射气系数 十壤类型 参考值1 【1 8 】【2 0 j参考值2 1 1 9 】 粘十0 2 80 1 5 砂质粘土 o 1 8 0 2 1 砂土 o 1 4 0 2 5 粘土质砂 0 3 2 1 2 氡的扩散迁移 氡的扩散是指由于分子热运动，在浓度梯度作用下，氡在固体介质的孔隙空 气中从浓度较高处向浓度较低处扩散迁移，它服从一般气体扩散的费克第一定 律，其扩散迁移通量为： 1=一dgradc(2-1) 6 第2 章理论基础 式中：万，指氡的扩散迁移通量，也叫扩散流密度，若在介质表面即为氡的析出 率( b q m 2 s ) ；c ，指介质孔隙中的氡浓度( b q m 3 ) ：g r a d c ，指介质孔隙中的氡浓度 梯度( b q m 4 ) ；d ，指氡在介质中的扩散系数( m 2 s ) ，在数值上等于当浓度梯度为 一个单位时，单位时间内通过单位面积的氡气量。在一维x 坐标上，氡浓度梯度 为单位距离氡浓度的变化，因此由公式( 2 1 ) 可知，一维条件下，氡的扩散迁 移通量为： 盼散= 一。石d c ( 2 2 ) 氡在射气介质中的扩散运动是它最基本的运动形式。扩散系数d 在一定程 度上反映了射气介质为氡的扩散迁移所提供条件的好坏。这罩所说的扩散系数指 氡在作为一个整体的介质中的扩散系数，实际研究中经常用到的是有效扩散系数 眈，即氡在介质孔隙空l 日j 中的扩散系数，两者的换算关系为： d = r 1 d 。 p ( 2 3 ) 刀为介质的总孔隙度。土壤的有效扩散系数主要由土壤的含水饱和度和孔隙度决 定。前人在实验基础上总结出下面公式f 7 】： d p = r i d 。e x p ( - 6 m r l 一6 m 1 4 军) ( 2 4 ) 其中，1 7 是土壤的含水饱和度，d 仃是氡在自由空气中的扩散系数，值为1 1 1 0 5 m 2 s 。表2 - 2 为文献提及的氡在不同介质类型中的扩散系数列表f 5 】【1 8 】【1 9 】。 表2 - ：1 不同介质类型中氡的扩散系数参考值 介质类型 扩散系数( c m 2 s )扩散系数( c m 2 s ) 扩散系数( c m 2 s ) 参考值i 【5 1 介质类型 参考值2 【1 8 1参考值3 【1 9 1 砂质粘士 1 0 9 1 0 2 砂质粘七 3 5 1 0 23 10 。2 ( 湿度5 ，7 ) 砂土( 孔隙度 ( 4 5 7 o ) 砂土 6 5 x 1 0 2 6 x10 2 4 0 ) x10 2 粘土 ( i 3 ) 1 0 。2 粘土 ( 1 3 ) 1