活性炭测氡技术在地球物理勘探中的应用
地球物理勘探――物探，是应用地球物理学的主要分支，是地质工作的一种必不可少的主要手段。其实质是利用天然存在或人工建立的地球物理场的变化来解决地质问题的。放射性勘探是随着原子能的发现及利用而迅速发展起来的，是以岩矿石的放射性差异为基础的，其原理是放射物质的原子核衰变时能放出射线，而各种岩矿石中的放射性元素含量不同。活性炭测氡技术作为一种积累式静态测量方法，其测量结果较其他测量法更为准确、高效、便利，符合现代测量工程的实际发展需求。目前，活性炭测氡技术已被广泛应用于诸多领域，如航天、勘探、军事等。在铀矿勘探过程中，活性炭测氡技术能够有效地适应野外勘探作业的实际需求。同时，该测量技术还能够用于地下火区、中长期地震监测预警、煤矿采空区等，以更好地寻找地质构造破碎带、地下基岩水、隐伏断层等，同时在地热探测中也发挥了积极作用。
1 活性炭测氡技术的基本原理
氡是一种无色无味的放射性惰性气体，其固体分子的吸附性很强，特别是活性炭、橡胶、煤等。同时，活性炭本身就是一种良好的吸附材料，具有较强的吸附作用，被广泛应用于各个领域。活性炭与其他普通炭类相比，其表面积更大，吸附作用更强，它既可以吸附一些液态物质，又可以吸附一些气态物质，是一种非极性的吸附材料。因此，活性炭可以广泛应用于氡吸附工作中。在进行吸附时，工作人员先将特制的活性炭吸附器置于某一深度的地下，待一段时间后再取出，这时氡的吸附量达到最大值，并与周围的氡浓度呈现出一种平衡状态。工作人员可以将重新取出的吸附器放于专门的放射元素检测仪器中，测出氡衰变气体中γ射线的强度值，并判断其浓度。
活性炭对氡吸附的影响因素有很多，如：活性炭的选材、质量，采样器的制造工艺，探测环境的温度、湿度、埋深，地质体中的氡浓度以及吸附时间等等。在其它影响因素一定时，活性炭吸附量与氡浓度的关系如图1：
■
图1 活性炭吸附力与222Rn 图2 氡与氦形成“团簇”的
浓度的关系 模型示意图
图1表现了吸附量与氡浓度的线性关系。这就在理论上证明了活性炭测氡的可行性，并能准确反映探测区氡的含量，为活性炭测氡技术的广泛应用提供了理论基础。
1997年刘鸿福详尽地阐述了氡的运移，当α粒子以高速运动状态持续运动一段时间后，随即开始减速，这时氡、氦核、氡子体以及母体之间会产生两种强弱悬殊的作用力，即电场作用力与van der Waals力。在这两种力的相互影响和作用下，氡、氦核、氡子体以及母体会形成大小不一的“团簇”（详见图2）。根据元素构成可知，氦的比重远远小于空气，一旦满足其运动条件，氦就可以带动比重更大的氡和氡气体做向上运动。因此，我们可以积极采取各种有效方法和手段收集和整理相关数据，以有效解决地质勘探的相关问题。
由于大自然中放射性核素存在广泛，氡作为一种惰性气体，通常不参与化学反应。并且氡及其子体地球化学性质存在差异，不同的地质体氡的浓度分布也不尽相同，而且都有其规律可循。比如说：地质岩性的不同，像石灰岩与花岗岩由于放射性元素的含量不同就很容易被探测区分开；岩石的破碎差异也是造成氡异常的原因；地下水和地热梯度作用都会改变放射性元素的分布；特别是含放射性元素的地质矿体必然造成地表氡异常。这些都为活性炭测氡技术的使用提供了充分的客观基础。
2 活性炭测氡技术在地下火区中的应用
沉积岩中富含丰富的天然放射性核素，各放射性元素的含量具有一定的差异，同时其在岩层中的分布区域也不尽相同。沉积岩中常见的放射性核素主要有■，■，■等。由于各放射性元素的半衰期较其他元素更长，最长可达108-1010年之久。因此，目前很多岩石层中均有大量赋存的放射性核素。总体来看，不同沉积岩中核素的颜色和构成也相差较大。一般地，黑色的沉积岩中具有丰富的有机胶体，它们可以有效吸附岩石层中的铀、钍等元素，在沉积时这些元素也随之被带进沉积岩中。据此可知，那些颜色较深的沉积岩较颜色较浅沉积岩中富含的放射性核素更高。
2.1 煤炭自燃可增大射气系数
A.H.苏尔坦霍耶夫等曾给出了氡随温度变化从矿物
中析出的解释。刘鸿福等人通过氡析出实验有效地分析和判断出了氡析出量与温度之间的关系。实验结果证实氡析出量与温度呈正相关性，且介质湿度也会对氡析出量造成一定的影响。一般地，介质湿度越大，氡的析出量也随之增大。
表1 氡析出量与生成量比值
■
2.2 煤炭燃烧造成其顶部岩层放射性核素重新分布
当煤层自燃时，其周围的岩石将产生一定的烧变作用，这将改变其周围的氧化还原条件。在氧化还原过渡带，由于自由氧被消耗，pH值与Eh值发生了变化，水中的六价铀被还原为四价，吸附而沉淀。这样，可在煤炭自燃区顶部的某一部位造成铀的相对富集。同时，煤炭燃烧可使其周围孔隙或裂隙水温度升高，这就加大了水淋滤出铀和氡的母体的能力，从而增大了岩矿石析出自由氡的数量，又由于水溶解氡是随温度的升高而降低的（见表2），并在上升的水蒸汽作用下，就会大大地提高燃烧煤炭及其周围的氡浓度。
表2 氡在水中溶解度系数与温度的关系
■
此外，地下煤炭自燃区造成氡气向上运移。可见，煤炭自燃，会造成高温区上部氡气浓度的增高。
由于氡测量受地形因素影响较小，因此一旦出现地下煤层自燃情况时，热区和无热区上方会出现明显的氡浓度差。此时，技术人员可以采取相关措施进行提样采集，以确定自燃层的位置。
3 活性炭测氡技术在采空区中的应用
煤矿采空区形成后，改变了地下地质体的应力分布状态，促使地质体发生变形，从而改变了地下气体的运移与集聚环境，对氡气的运移与富集具有一定的控制作用。主要表现为三个方面：
3.1 储气作用
相比于其他完整的岩体来说，采空区是一个相对稳定和自由的流动区域，气体到了这一区域流动性和聚合性都有了相应的提高，这对于气体的变化与反应是十分有利的。一般情况下，这一地区通常储存着大量的气体和地下水，是开采（储存气体等）的重要区域。
3.2 集气作用
一旦采空区顶层出现陷落，则在重力的影响下，应力会向围岩内部进行迁移，并在周围形成一个低应力区。而气体与液体总是由高压区向低压区流动。在此情况下，采空区及其周围的变形区会将围岩中的气体源源不断地抽送上来，同时放射性元素也会富集至这一区域。
3.3 通道作用
采空区出现裂隙后，气体便由此缺口向上移动，氡气也由此向地表迁移，最终形成地表氡异常区。
4 结束语
综上所述，活性炭测氡技术除了可以用于铀矿勘探之外，还可以广泛应用于其他探测领域，有效地提升了勘探效率和质量，受到了各施工探测企业的一致欢迎。同时，由于各物探技术均存在一定的优势与不足。因此，在进行实际勘探活动时，勘探企业必须立足自身实际，将各种物探技术有机结合起来，以提升其勘探技术定位的准确度，以保证整个勘探活动的顺利进行。
- 上一篇：高中学生物理学业成败归因特点研究
- 下一篇：地球物理勘探技术的发展及应用研究
