活性炭測氡技術(shù)在地球物理勘探中的應(yīng)用

摘要：本文主要就活性炭測氡技術(shù)在地球物理勘探中的應(yīng)用進行了分析和研究，并提出了自己的看法。

關(guān)鍵詞：物探 活性炭測氡 煤層自燃 采空區(qū)

地球物理勘探——物探，是應(yīng)用地球物理學(xué)的主要分支，是地質(zhì)工作的一種必不可少的主要手段。其實質(zhì)是利用天然存在或人工建立的地球物理場的變化來解決地質(zhì)問題的。放射性勘探是隨著原子能的發(fā)現(xiàn)及利用而迅速發(fā)展起來的，是以巖礦石的放射性差異為基礎(chǔ)的，其原理是放射物質(zhì)的原子核衰變時能放出射線，而各種巖礦石中的放射性元素含量不同?；钚蕴繙y氡技術(shù)作為一種積累式靜態(tài)測量方法，其測量結(jié)果較其他測量法更為準確、高效、便利，符合現(xiàn)代測量工程的實際發(fā)展需求。目前，活性炭測氡技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如航天、勘探、軍事等。在鈾礦勘探過程中，活性炭測氡技術(shù)能夠有效地適應(yīng)野外勘探作業(yè)的實際需求。同時，該測量技術(shù)還能夠用于地下火區(qū)、中長期地震監(jiān)測預(yù)警、煤礦采空區(qū)等，以更好地尋找地質(zhì)構(gòu)造破碎帶、地下基巖水、隱伏斷層等，同時在地熱探測中也發(fā)揮了積極作用。

1 活性炭測氡技術(shù)的基本原理

氡是一種無色無味的放射性惰性氣體，其固體分子的吸附性很強，特別是活性炭、橡膠、煤等。同時，活性炭本身就是一種良好的吸附材料，具有較強的吸附作用，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域?；钚蕴颗c其他普通炭類相比，其表面積更大，吸附作用更強，它既可以吸附一些液態(tài)物質(zhì)，又可以吸附一些氣態(tài)物質(zhì)，是一種非極性的吸附材料。因此，活性炭可以廣泛應(yīng)用于氡吸附工作中。在進行吸附時，工作人員先將特制的活性炭吸附器置于某一深度的地下，待一段時間后再取出，這時氡的吸附量達到最大值，并與周圍的氡濃度呈現(xiàn)出一種平衡狀態(tài)。工作人員可以將重新取出的吸附器放于專門的放射元素檢測儀器中，測出氡衰變氣體中γ射線的強度值，并判斷其濃度。

活性炭對氡吸附的影響因素有很多，如：活性炭的選材、質(zhì)量，采樣器的制造工藝，探測環(huán)境的溫度、濕度、埋深，地質(zhì)體中的氡濃度以及吸附時間等等。在其它影響因素一定時，活性炭吸附量與氡濃度的關(guān)系如圖1：

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圖1 活性炭吸附力與222Rn 圖2 氡與氦形成“團簇”的

濃度的關(guān)系 模型示意圖

圖1表現(xiàn)了吸附量與氡濃度的線性關(guān)系。這就在理論上證明了活性炭測氡的可行性，并能準確反映探測區(qū)氡的含量，為活性炭測氡技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

1997年劉鴻福詳盡地闡述了氡的運移，當α粒子以高速運動狀態(tài)持續(xù)運動一段時間后，隨即開始減速，這時氡、氦核、氡子體以及母體之間會產(chǎn)生兩種強弱懸殊的作用力，即電場作用力與van der Waals力。在這兩種力的相互影響和作用下，氡、氦核、氡子體以及母體會形成大小不一的“團簇”（詳見圖2）。根據(jù)元素構(gòu)成可知，氦的比重遠遠小于空氣，一旦滿足其運動條件，氦就可以帶動比重更大的氡和氡氣體做向上運動。因此，我們可以積極采取各種有效方法和手段收集和整理相關(guān)數(shù)據(jù)，以有效解決地質(zhì)勘探的相關(guān)問題。

由于大自然中放射性核素存在廣泛，氡作為一種惰性氣體，通常不參與化學(xué)反應(yīng)。并且氡及其子體地球化學(xué)性質(zhì)存在差異，不同的地質(zhì)體氡的濃度分布也不盡相同，而且都有其規(guī)律可循。比如說：地質(zhì)巖性的不同，像石灰?guī)r與花崗巖由于放射性元素的含量不同就很容易被探測區(qū)分開；巖石的破碎差異也是造成氡異常的原因；地下水和地熱梯度作用都會改變放射性元素的分布；特別是含放射性元素的地質(zhì)礦體必然造成地表氡異常。這些都為活性炭測氡技術(shù)的使用提供了充分的客觀基礎(chǔ)。

2 活性炭測氡技術(shù)在地下火區(qū)中的應(yīng)用

沉積巖中富含豐富的天然放射性核素，各放射性元素的含量具有一定的差異，同時其在巖層中的分布區(qū)域也不盡相同。沉積巖中常見的放射性核素主要有■，■，■等。由于各放射性元素的半衰期較其他元素更長，最長可達108-1010年之久。因此，目前很多巖石層中均有大量賦存的放射性核素。總體來看，不同沉積巖中核素的顏色和構(gòu)成也相差較大。一般地，黑色的沉積巖中具有豐富的有機膠體，它們可以有效吸附巖石層中的鈾、釷等元素，在沉積時這些元素也隨之被帶進沉積巖中。據(jù)此可知，那些顏色較深的沉積巖較顏色較淺沉積巖中富含的放射性核素更高。

2.1 煤炭自燃可增大射氣系數(shù)

A.H.蘇爾坦霍耶夫等曾給出了氡隨溫度變化從礦物

中析出的解釋。劉鴻福等人通過氡析出實驗有效地分析和判斷出了氡析出量與溫度之間的關(guān)系。實驗結(jié)果證實氡析出量與溫度呈正相關(guān)性，且介質(zhì)濕度也會對氡析出量造成一定的影響。一般地，介質(zhì)濕度越大，氡的析出量也隨之增大。

表1 氡析出量與生成量比值

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2.2 煤炭燃燒造成其頂部巖層放射性核素重新分布

當煤層自燃時，其周圍的巖石將產(chǎn)生一定的燒變作用，這將改變其周圍的氧化還原條件。在氧化還原過渡帶，由于自由氧被消耗，pH值與Eh值發(fā)生了變化，水中的六價鈾被還原為四價，吸附而沉淀。這樣，可在煤炭自燃區(qū)頂部的某一部位造成鈾的相對富集。同時，煤炭燃燒可使其周圍孔隙或裂隙水溫度升高，這就加大了水淋濾出鈾和氡的母體的能力，從而增大了巖礦石析出自由氡的數(shù)量，又由于水溶解氡是隨溫度的升高而降低的（見表2），并在上升的水蒸汽作用下，就會大大地提高燃燒煤炭及其周圍的氡濃度。

表2 氡在水中溶解度系數(shù)與溫度的關(guān)系

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此外，地下煤炭自燃區(qū)造成氡氣向上運移?？梢?，煤炭自燃，會造成高溫區(qū)上部氡氣濃度的增高。

由于氡測量受地形因素影響較小，因此一旦出現(xiàn)地下煤層自燃情況時，熱區(qū)和無熱區(qū)上方會出現(xiàn)明顯的氡濃度差。此時，技術(shù)人員可以采取相關(guān)措施進行提樣采集，以確定自燃層的位置。

3 活性炭測氡技術(shù)在采空區(qū)中的應(yīng)用

煤礦采空區(qū)形成后，改變了地下地質(zhì)體的應(yīng)力分布狀態(tài)，促使地質(zhì)體發(fā)生變形，從而改變了地下氣體的運移與集聚環(huán)境，對氡氣的運移與富集具有一定的控制作用。主要表現(xiàn)為三個方面：

3.1 儲氣作用

相比于其他完整的巖體來說，采空區(qū)是一個相對穩(wěn)定和自由的流動區(qū)域，氣體到了這一區(qū)域流動性和聚合性都有了相應(yīng)的提高，這對于氣體的變化與反應(yīng)是十分有利的。一般情況下，這一地區(qū)通常儲存著大量的氣體和地下水，是開采（儲存氣體等）的重要區(qū)域。

3.2 集氣作用

一旦采空區(qū)頂層出現(xiàn)陷落，則在重力的影響下，應(yīng)力會向圍巖內(nèi)部進行遷移，并在周圍形成一個低應(yīng)力區(qū)。而氣體與液體總是由高壓區(qū)向低壓區(qū)流動。在此情況下，采空區(qū)及其周圍的變形區(qū)會將圍巖中的氣體源源不斷地抽送上來，同時放射性元素也會富集至這一區(qū)域。

3.3 通道作用

采空區(qū)出現(xiàn)裂隙后，氣體便由此缺口向上移動，氡氣也由此向地表遷移，最終形成地表氡異常區(qū)。

4 結(jié)束語

綜上所述，活性炭測氡技術(shù)除了可以用于鈾礦勘探之外，還可以廣泛應(yīng)用于其他探測領(lǐng)域，有效地提升了勘探效率和質(zhì)量，受到了各施工探測企業(yè)的一致歡迎。同時，由于各物探技術(shù)均存在一定的優(yōu)勢與不足。因此，在進行實際勘探活動時，勘探企業(yè)必須立足自身實際，將各種物探技術(shù)有機結(jié)合起來，以提升其勘探技術(shù)定位的準確度，以保證整個勘探活動的順利進行。

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[3]梁永東.活性炭測氡法的數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用[D].太原理工大學(xué)， 2007.

作者簡介：宋英慧（1982-），女，山西大同人，2011年太原理工大學(xué)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)碩士畢業(yè)，遼源職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源工程系。