地面伽马能谱测量理论基础的综述

张选同

（新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830046）

地面伽马能谱测量理论基础的综述

张选同*

（新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830046）

伽马能谱测量是地球物理勘探的方法之一。从伽马射线的发现，伽马射线与物质的3种相互作用形式，放射性元素在岩石或土壤中的分布规律，以及能谱测量影响的因素等方面进行基础论述，从而总结伽马能谱测量在地质勘探中的应用原理。

伽马能谱；伽马射线；相互作用；放射性元素分布规律；影响因素

近年来，随着国民经济的发展和国防事业的增强，对矿产资源的需求不断增长。然而矿产资源的稀缺性、矿床区域地质、经济条件的落后以及交通不便等因素造成了矿产资源勘探的重大难题。伽马能谱测量是利用各种岩石和土壤的放射性元素含量差异来寻找矿产或查明地下地质构造的一种勘探方法。伽马能谱勘探具有高效、轻便、预测精度高等优点。因此，在地质勘查中获得广泛应用。最初是在放射性地质勘查领域使用，后来在非放射性矿产和地质填图中使用，近年来开始用于环境监测和保护。

1　伽马射线

伽马射线是1900年由法国化学家和物理学家P.V.维拉德发现的，到1903年被物理学家卢瑟福命名［1］。它具有很强的穿透力，其可以穿透几十厘米厚的岩石和数百米的空气［2］。伽马射线主要由以下过程产生［3］：①α或β衰变；②核反应；③由基态的直接激发；④来自较高激发态的γ跃迁。

尽管自然界有很多天然放射性同位素，其中绝大多数是一次核衰变后形成稳定核素，如87Rb（铷）、40K（钾）等；有些核素按一定顺序相继衰变构成放射性系，天然放射性系列主要是铀系、钍系和锕铀系［4-5］。天然放射性核衰变主要有α衰变和β衰变［6］。在α或β衰变之后，形成的子核往往处于激发态，当原子核从激发态向较低能级跃迁时，同时释放出伽马射线，这种现象称为伽马衰变［7］。伽马测量的对象主要是衰变的伽马射线。

2　伽马射线与物质的相互作用

伽马射线与物质的相互作用是伽马能谱测量的物理基础。伽马射线是一种波长极短的电磁波，与物质相互作用和带电粒子不同，是一种不带电荷的光子。其与物质相互作用除了具有穿透外，还有吸收和散射。伽马射线与物质的相互作用有3种形式：光电效应、康普顿效应和电子对效应［4-6，8-9］。

2.1光电效应

伽马光子与原子壳层轨道上的内层电子碰撞时，将全部的能量传递给原子中某个束缚的电子，使电子从原子中发射出来，发射的电子称为光电子，伽马光子消失，该过程称为光电效应。产生光电效应后的原子处于激发态，当外层电子充填内层电子空缺时，多余的能量以辐射特征X射线或俄歇电子等形式放出，原子回到正常状态。

光电子的飞行方向，一般与伽马光子的运动方向和能量（hν）有关。根据动量和能量守恒原理，在光子的入射方向和180°方向上是没有光电子发射。光电效应是吸收低能量过程，当伽马光子能量较低的时候，光电子垂直于伽马光子入射的方向飞出概率较大；随着入射伽马光子能量不断的增加，射出的光电子逐渐靠近伽马光子入射方向。

2.2康普顿效应

伽马光子与物质相互作用时除了产生光电效应之外，还有康普顿效应。康普顿效应产生两种散射方式：其一是弹性散射，另一种是弹性碰撞。弹性碰撞是伽马光子将部分能量传给电子，电子与入射光子成φ角度射出，称为反冲电子，被减弱的伽马光子也改变了方向，与入射光子成θ角度散射出去，该光子称为散射光子，这种作用称为康普顿效应。康普顿效应主要吸收中等能量的伽马光子。天然放射性核素放出的伽马光子与岩石作用的主要形式是康普顿效应。

2.3电子对效应

随着入射光子的能量增高，光电效应和康普顿效应逐渐减弱。当入射光子的能量大于1.02 MeV时，伽马光子和物质产生电子对效应。电子对效应是指入射的伽马光子在核库仑场作用下能量完全被吸收，电子从负能级跃迁到正能级，同时产生一对粒子（正、负电子），且随着伽马光子能量的增加逐渐成为主要的作用方式。

从图1可以看出：随着入射伽马光子能量的变化，3种效应所占比例是不同的［8］。一般来说①对于低能量的伽马光子和原子序数高的吸收物质，主要形式是光电效应；②对于中等能量的伽马光子和原子序数低的吸收物质，主要形式是康普顿效应；③对于高能量的伽马光子和原子序数高的吸收物质，主要形式是电子对效应。

图1　伽马射线与物质的相互作用（引自IAEA，2003）

3　伽马能谱测量的物理基础

伽马能谱测量是利用各种岩石和土壤中放射性元素含量差异所引起的放射性异常来寻找有用的矿产或查明地下地质构造的一种地球物理方法。根据岩石和土壤中的放射性元素分布特征，探讨伽马能谱测量的物理基础。

3.1放射性元素在岩石中分布规律

不同类型的岩石，其放射性元素的含量是不相同的［10］。即使是不同时代的同一种岩性的岩石或不同地区的同一种岩性的岩石，其放射性元素含量也是不相同的［11］，虽然这些放射性元素在岩石中含量差异很大，但是其具有以下分布规律［4，7，11-13］：

（1）在岩浆岩中，铀、钍和钾的含量往往随着SiO2的含量增加而增长［14］，如图2所示。例如长英质岩石比超基性岩和铁镁质岩的放射性元素含量都要高［15］。在火成岩侵入的最后阶段形成的岩石，由于温度的骤降，不再具有这种地球化学行为，但是钾含量很高，而铀和钍含量却相对的减少［15］。铀和钍含量从基性岩到酸性岩呈增长的趋势，钍随着钾的含量增加也呈显著性的增长［16］。铀、钍、钾含量在岩浆岩中差异很大，在酸性岩浆岩中最高，中性岩稍高，基性、超基性岩中最低。

图2　火成岩中K、U、Th平均含量变化随着酸性（Si含量）相应增加（引自Dickson，Scott，1997）

（2）在花岗岩侵入体中，不同期次、不同岩相及不同脉中放射性元素含量都有差异。在巨大的花岗岩中，自外向内，自上向下，放射性元素的含量也有明显差异；花岗岩中穿插的伟晶岩脉有较高的放射性，但细晶的放射性较低。由于放射性衰变原因，花岗岩体年代越新，其放射性越高，在晚期花岗岩中铀含量较高（表1）。

表1　我国不同时期花岗岩中铀含量

（3）沉积岩的放射性元素的含量比岩浆岩和变质岩都低。但是，不同的沉积岩中的铀、钍、钾含量也有很大的差异，其中页岩和粘土岩中的含量较高，与酸性岩接近；砂岩中放射性元素含量变化大，主要取决于矿物颗粒组分；在石灰岩、石膏、盐岩中的铀、钍、钾含量都比较低。在石灰岩中钍含量低，但是石灰岩中钍的含量会随着杂质成份的增多而增加［17］。当沉积岩中富含磷、铁和铝的氢氧化物或有机物时，也会有相对较高的放射性。

（4）变质岩中的铀、钍、钾含量与变质前原岩的含量和变质程度有关。变质程度较高的变质岩放射性元素含量相对低，铀、钍比值也随着变质程度的增加而有规律的减小［18］。铀、钍、钾含量在炭质页岩、白云母化—黑云母化片麻岩中相对含量都比较高，但是在大理岩、石英岩中含量偏低。这是由于在变质过程中，铀、钍、钾等发生了迁移，所以变质岩的放射性元素含量常比原岩的低。

3.2放射性元素在土壤中分布规律

土壤是岩石风化作用的产物，主要由矿物质和有机质组成，放射性元素的含量取决于形成土壤的基岩中放射性元素含量［4，7］。在表生风化条件下，铀和钍因氧化作用而发生分离，铀的活动性大，可被淋蚀搬运，在还原环境中富集［19］，形成放射性异常；钍以机械风化、迁移为主，通常富集在土壤和风化岩石的残积物中［20］。

综上所述，根据岩石、土壤中的放射性元素的分布特征，为伽马能谱测量提供了地质测量的依据，通过伽马能谱测量能够反应放射性元素分布规律。

4　地面伽马能谱测量影响因素

地面伽马能谱测量受深度的限制，所以仅能反映放射性元素在地表或近地表的富集的特征。因此，在野外伽马能谱测量过程中，测得的能谱数据受几何条件变化、覆盖层、湿度、基质和温度等条件的影响［21］。

4.1地形的影响

地形的几何条件可能影响放射性元素含量的测量［8］。地面伽马能谱仪是在平面几何条件为2π的混凝土模型上标定的，而在实际测量工作中，地形起伏，测点通常会在凸起部位或是凹陷部位，这样测得的值会不同，这是由于地面对探测器所张的立体角不同所致［11］。因此，在露头很小、山脊、山谷和陡峭的斜坡上等不平的地表伽马能谱测量时，可能对测量值有不同程度的影响［8］。为了克服地形的影响，应尽量把伽马能谱仪放在比较平坦的位置进行测量或是对地形进行修正。

对台阶、冲沟、山包等不平坦的地形作相应修正，或将伽马能谱探测器提高，可有效地减少地形对测量结果的影响［22］，也可以用二维地形改正的方法对地形进行修正［23］。地形起伏程度、坡度大小和山坡的长短等因素可能对航空伽马能谱测量结果产生影响，为此采用了比值校正法对地形校正［24］。为了克服地形的影响，应尽量把伽马能谱仪放在比较平坦的位置上测量。

4.2覆盖层的影响

覆盖层为碎屑残积、土壤层及植被等可能都会对地面伽马能谱测量产生影响。根据初级光子注量率随土壤厚度变化，地面伽马能谱测量土壤的有效深度在100cm以内，土壤的密度也会对地面伽马能谱测量产生影响［25］。如果地表风化碎屑、土壤层是原地残积的而不是搬运的，那么地面伽马能谱测量可认为是母岩物质［26］，能够反映测区的地质情况。所有类型岩石的风化作用都会导致钾的丢失，但是对于长英质岩石，同样会发生铀和钍的丢失［15］。稠密的植被也会对伽马辐射有明显的衰减作用。覆盖层厚度的影响，一般是随着覆盖层厚度的增加伽马强度减弱［11］。

4.3湿度的影响

伽马测量受土壤的湿度变化影响，当湿度较高时伽马射线通量明显衰减，伽马测量值降低［21，27］。而孔隙度对能谱测量影响较小，随着含水量增加能谱强度呈线性降低。用蒙特卡罗程序MCNP4B模拟计算了土壤样品具有不同含水量时，获得伽马探测效率受含水量影响；高能伽马射线探测受土壤含水量的影响小，而低能的受含水量影响大。在高温干燥时比低温湿润时的伽马测量值要高，主要是由于地表湿度增大，加强了水分对伽马的吸收作用，使得实际测量值较低。因此，雨后不要立即进行能谱测量，否则影响到测量结果。

4.4温度的影响

在其他条件不变时，温度的变化能使光电倍增管增益发生变化，从而使仪器计数率也发生变化。随着温度升高，铀、钍、钾和总道参量的读数都有增高，在20℃～40℃出现一段平缓段，而总道较短［28］。因此，在地面伽马能谱测量的过程中，应当考虑温度影响而采用能谱自稳措施，从而提高测量精度。

5　地面伽马能谱测量基本原理

天然放射性核素中，铀（238U）衰变成214Bi的过程中释放出1.76 MeV的能量；同样钍（232Th）衰变成208Th的过程释放出2.61 MeV的能量，分别用来计算U和Th的含量［14］；而40K衰变释放的1.46 MeV的能量用来计算K的含量。不同放射性元素释放出不同特征能量的伽马射线［5，29］，铀、钍和钾的平衡衰变系都有自己特征的线谱，传统的伽马能谱数据采集和处理方法是检测3个或4个相对较宽的能量窗。钾能量窗检测的是40K衰变释放出能量为1.46 MeV伽马射线，铀系和钍系伽马射线能量窗都是其衰变子体核素产生的，这些能量窗是普遍认为最适合铀、钍和钾的测量，反映出总的放射性含量［8］。

因此，每一种伽马辐射体都有自己特定能量的伽马射线。在野外勘探过程中，伽马能谱仪可以直接测量岩石或土壤中特定能量的伽马射线，从而就能够确定具有该谱线特征的放射性元素的存在。再将测得的伽马强度与标准样品的伽马强度进行对比和计算，就可以确定该元素在岩石、矿石或土壤中的含量，这就是伽马能谱测量的基本原理。

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P623

A

1004-5716（2016）08-0129-04

2015-08-12

2015-08-14

张选同（1982-），男（汉族），新疆阿克苏人，新疆大学地质与矿业工程学院在读硕士研究生，研究方向：矿床学，矿物学，岩石学。