核子地球物理勘探

核子地球物理方法通常與所尋找的礦產資源有特定的關係，這種方法的特點是直接的，並且是短程的。

基本介紹

• 中文名：核子地球物理勘探
• 性質：礦產資源有特定的關係
• 特色：直接的，並且是短程的
• 類型：超熱中子測井

簡介

利用中子、光子等基本粒子同介質原子核相互作用，以尋找礦產資源或解決某些地質問題。放射性勘探本應屬於核子地球物理勘探的範疇，但它主要是測量地殼內的天然放射性強度。這些方法通常用於鑽孔（井）、坑道、海底、地表露頭以及地球化學樣品的分析工作中。較為普通的核子地球物理勘探方法有：

測井勘探方法

一般中子測井

主要是指中子-γ測井和中子-中子測井。當中子源釋放出的快中子同介質原子核發生碰撞時，它就會失掉自己的部分能量，減低速度並最後變成熱中子。如果原子核的質量和中子質量相近，中子損失的能量就多。氫原子核同中子的質量基本相等，中子在含有大量氫的含水層和含油岩層里最容易受到減速，速度減慢了的熱中子容易被岩石中的原子核所俘獲，並伴隨而釋放出γ射線,這就是中子-γ測井。在油田地質勘探中，使用中子-γ測井方法,從測量到的γ射線的強弱就可以了解岩層中含氫量的多少，進而也就可以用它來劃分多孔岩層和測定它們的孔隙度(圖1)。若與其他孔隙度測井或岩芯分析進行對比,還可以鑑別氣層，鑑定岩性。如果改用中子探測器代替γ射線探測器來記錄中子強度的變化，這種方法就相應地稱為中子-中子測井。在中子-中子測井中，按照所測量的中子的能量，還可以分為熱中子測井和超熱中子測井。近年來發展起來的井壁中子孔隙度測井，就是一種超熱中子測井。

在煤田地質勘探中,由於碳是中子的良好減速劑,所以煤層在一般中子測井曲線上視孔隙度讀數較高。

中子壽命測井

或稱中子衰減時間測井。它是測量熱中子被地層俘獲所需時間與深度變化關係的一種測井方法。

測井探管中的中子發生器（中子管）斷續地釋放出初始能量為14兆電子伏的脈衝中子束，快中子與井液和地層原子核發生連續碰撞而很快地被減速成熱中子。從脈衝快中子變為熱中子的瞬間起，到熱中子大部分（約63.7%）被周圍物質吸收時止，熱中子所經過的這段平均時間就稱作熱中子壽命。不同岩性的地層和不同的孔隙液體，對中子的吸收不一樣，中子的壽命也就不一樣，因此，可以利用它來區分油水層，劃分油、氣、水界面。

中子γ能譜測井

包括快中子非彈性散射γ能譜測井、中子俘獲γ能譜測井和中子活化 γ能譜測井。這3種γ射線之間有一定的時間延遲，因而有可能從時間上將這3種不同作用過程所產生的γ射線區分開來（圖2）。在油氣田地質勘探工作中，主要採用快中子非彈性散射γ能譜測井。這種能譜測井的特點之一，在於它能夠比較直接地測量地層的岩性和油氣的含量。當中子管所釋放出的初始能量為14兆電子伏的脈衝中子束射入地層時，立即發生非彈性散射。在受激核躍遷到基態時,伴隨而釋放出γ射線,這就是快中子非彈性散射γ射線。由於碳和氧的快中子非彈性散射所產生的次生 γ射線的能量差別較大(對碳、氧而言，次生γ射線的相應能量分別為4.43和6.13兆電子伏),測量中容易把它們分開，所以碳、氧的快中子非彈性散射γ峰之比值可以作為判別地層含油、水量的指標（見表）。同樣地，對於俘獲γ射線來說，可以根據岩層中的氫俘獲γ射線的強弱來判別地層中含油水量的大小。

中子活化測井

主要是把地質樣品放在反應堆、加速器或其他中子源所提供的中子束中進行照射、活化而產生放射性同位素,根據放射性同位素的半衰期,和它所釋放出的γ射線能量和強度，鑑定出所測定的元素及其含量。這種分析技術的主要優點是：①靈敏度高，熱中子活化分析對80多種元素的分析靈敏度達到 10-6～10-11克，少數元素達到10-13或10-14克；②分析速度快，精度高；③多元素同時分析；④非破壞性分析；⑤不易污染和不受試劑空白的影響；⑥可以對化學性質非常接近的元素進行分析。 　中子活化測井就是中子活化分析技術在測井中的套用。目前主要套用於尋找銅、鎳礦體並確定其含量。海底中子活化測量主要用於普查海底錳結核礦(圖3)。

瞬發裂變中子測量

基本原理是測量235U熱中子裂變時所釋放的瞬發中子群（圖4）。瞬發裂變中子數占裂變中子總數的99.3%左右,而緩發裂變中子數隻占0.7%左右。岩層不含鈾時，在脈衝中子束照射結束之後約150微秒,源中子慢化而成的超熱中子群將完全消失（圖5）；相反，岩層含鈾時,在150～2500微秒的時間範圍內,將會出現瞬發裂變中子因慢化而成的超熱中子群，所增高的超熱中子群幅度正比於岩層中的鈾含量。這種正比關係正是瞬發裂變中子測量直接找鈾的依據。此法主要用於鈾礦測井。

緩發裂變中子測量

基本原理是鈾的天然同位素238U和235U在快中子（En>1兆電子伏）和熱中子作用下,分別產生快中子裂變和熱中子裂變，部分裂變產物會產生緩發中子輻射(圖4),其半衰期等於先驅元素β蛻變的半衰期。緩發裂變中子測量，主要用於放射性平衡嚴重破壞且沒有明顯變化規律的鈾礦區。其主要缺點是:①釷的干擾;②測量靈敏度較低（大致為瞬發裂變中子測量的1/5～1/6）；③當採用初始能量為14兆電子伏的脈衝中子源時，由於氧的緩發中子本底干擾，靈敏閾受到一定限制。 　緩發裂變中子測量的另一個用途是測量區域化探樣品（河湖底沉積樣和水樣）的鈾含量值。其主要缺點是，其計數值更強烈地依賴於岩層中的吸收元素含量和鑽孔條件，即受鑽孔和地層環境諸參數的影響更為嚴重。 　光中子測量 　岩石和礦石中的某些元素可以與γ射線發生光核反應，釋放出光中子。測量光中子強度可為尋找某些礦產資源，提供信息並可確定相應的含量。光中子測量經常被用於鈹礦的地面普查。 　γ-γ密度測量 測量沿著井身或炮孔中的散射γ射線強度，可為研究岩石密度提供資料。γ射線與原子中的電子發生相互碰撞時，部分能量就傳給電子，並改變其原來行進的方向，稱為γ射線的康普頓散射（圖6）。康普頓效應的吸收係數為： 式中Z為原子序數;A為原子量;N 為阿伏伽德羅常數；σe為每個電子的康普頓散射截面；δ為介質的密度。對於大多數造岩元素來說，Z/A近似地為0.5。入射γ射線的能量在 0.25～2.50兆電子伏範圍內時，σe的變化不大，因此吸收係數μ僅與介質的密度δ有關。利用這個關係，就可以根據γ-γ測量結果來研究岩石密度,並進而研究岩石的其他物理參數。 　煤層的密度比岩石的密度小,γ-γ測井曲線在煤層處顯示出較強的異常，從而可容易地劃分煤層。這種方法還可以用來劃分新老地層界面，確定破碎帶；通過曲線對比解決地層層位和地質構造等問題。為了減小井液和孔徑的影響，並獲得較精確的岩石真實密度值，已採用雙源距井壁地層密度測井法。

圖6

此外，在坑道或其他山地工程中，把γ射線源和γ探測器分置於不同的炮孔中,可利用γ-γ測量來確定岩石和礦石的密度。

選擇性γ-γ測量

γ射線的能量小於0.5兆電子伏時，它和岩石中重元素的作用主要是光電吸收（γ射線的全部能量都傳給電子）。光電吸收係數τ近似地與元素原子序的四次方成正比（如圖7）。 式中λ為入射γ射線的波長。因此，可根據光電吸收的情況來研究鑽孔或坑壁剖面中重金屬礦物的富集。選擇性γ-γ測量主要用於：①在鉛、鎢、汞等礦床上,分辨0.2～0.3%或含量更高的礦帶；②在銻、銅礦床上，分辨0.6～1%或含量更高的礦帶；③在煤田地區，研究煤層的灰分。

圖7

X射線螢光測量

岩石中的鈾或其他重金屬元素的原子在X射線照射下，由於光電吸收作用,原子被激發並從內層電子殼層（K、L、M、…）中釋放出電子。處於激發態的原子內部隨即發生電子躍遷，並伴隨而釋放出具有特徵波長的螢光。測量次級螢光的強度就可以確定岩石中的鈾或其他重金屬元素的含量。

X射線螢光測量通常在坑道或鑽孔中進行,相應的測量儀器原理見圖7。採用不同能量的低能γ射線源和不同的能量過濾層，利用波長色散的 X射線螢光取樣儀或測井儀可以用於尋找鈾、鉛、鐵、鎢、錳等20多種重金屬元素礦物，並確定它們在岩石中的含量。為了減小坑壁凹凸不平的影響，採用了雙源距測量的方法。在岩體出露地區,X射線螢光測量也可用於地面普查。這種測量方法的主要缺點是有效探測深度較淺，一般只有3厘米左右。

γ射線共振測量

錫、銻、鐵等33種元素可以對一定能量的γ射線產生共振吸收現象(或稱穆斯堡爾效應)。測量穆斯堡爾效應產生的次生γ射線強度，就可以確定岩石中某些金屬礦物的含量。目前，這種方法主要用於尋找錫礦（地面普查和坑道取樣測量）。

核磁測井

基本原理是利用造岩元素中各種原子核的核磁共振效應。在穩定的外磁場中，具有磁矩μ和動量矩P的原子核上,作用著一個使磁矩平行於外磁場方向的力偶，原子核將象陀螺一樣環繞這個場的方向以頻率ω0而進動，ω0與外磁場強度H0成正比：

ω0=γpH0,ω0

稱為拉莫爾頻率（核磁共振頻率），γp=μ/P稱為原子核的回磁比。

在石油和金屬礦鑽孔中可能遇到的主要造岩元素中，氫在地磁場中具有最大的回磁比和最高的核磁共振頻率。根據含氫物質的回磁比，天然含量和賦存狀態，氫是最容易在鑽孔條件下進行研究的元素。因此，包含在某種流體（水、油或天然氣）中的氫原子核是核磁測井的研究對象。

核磁測井能夠直接劃分儲集層，並確定它們的自由流體指數（即流體的體積百分數），進而確定地下可采的石油儲量。核磁測井還能確定地層的有效孔隙度、地層流體類型（油、氣、水）和含量、地層水電阻率和岩性等多種重要參數。核磁測井是迄今為止唯一能夠直接獲取地層滲透率參數的測井方法