海洋拖曳式 能谱仪在渤海的应用

海洋拖曳式 能谱仪在渤海的应用

 1．地质过程与矿产资源国家重点实验室和地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室，北京100083 2．中国地质大学地球物理与信息技术学院，北京100083 3．清华大学核能与新能源技术研究院，北京100084 摘要：为了加快我国海洋矿产资源勘探与开发，研制了中国第一台海底拖曳式多道y射线能谱仪，并在渤海地区进行了初 次用于勘查油气田的测量试验，结果表明：仪器可以在现场测量海底沉积物、岩石等的天然放射性核素铀、钍、钾( 。K)的含 量，在已知油气田上方放射性核素的含量出现相对低值异常，本方法具有现场、快速和经济的特点．
海洋放射性测量可以追溯到20世纪50年代后 期，前苏联最早开始这类仪器的研制与应用，其后许 多国家包括美国、英国、比利时、加拿大、丹麦、法国、 德国、日本、荷兰、挪威等也先后开展了这方面的研 究．国际原子能机构(IAEA)设在摩纳哥的海洋环 境实验室也一直继续这方面的研究和应用．目前国 外已研制出以碘化钠晶体或高纯锗为探测器具有 1 024道或更高道数的海底)，射线能谱仪(Povinec， eta1．，1996)，进行现场)，射线能谱测量，得到海洋 沉积物或岩石铀、钍、钾的含量．海洋放射性测量已 经应用于海洋地质填图、矿产勘查、沉积物运移研究 和一些环境应用，包括放射性废弃物处置和深埋评 价及核武器试验对海洋环境影响等(Jones，2001)． 在国内，由于在海底进行现场放射性测量对仪器 及其方法技术要求较高，一直未开展这方面工作，而 我国是一个具有300多万平方公里领海的国家，海洋 中蕴藏着丰富的国民经济急需的矿产资源．国外的实 际应用证明，海洋现场放射性测量是一种经济、快速 的测量方法，为了给我国海洋矿产资源调查和开发提 供一快速、经济的手段，在国家海洋“863”项目的资助 下，中国地质大学(北京)研制成功了我国第一台海底 拖曳式多道)，射线能谱仪，达到了国外发达国家仪器 水平，并在渤海湾进行了现场实际测量，首次在现场 取得了我国海底放射性核素铀、钍、钾的数据．本文主 要介绍我国第一台海底拖曳式多道y能谱仪和测量 方法技术及其在渤海地区的实际应用． 基金项目：国家863计划项目(No．820-03—01)；北京市重点学科“地球探测与信息技术(XK1O491O598)”资助

1 y能谱测量的基本原理 y能谱测量是通过记录分析天然放射性核素产 生的y射线谱线特征求取各核素的含量的．自然界 主要的天然放射性核素是铀系、钍系及不成系列的 钾-40，它们能够放射出自己特有的不同能量的y射 线，海底y能谱仪通过测量海底沉积物、岩石等产生 的y射线能谱，并对其进行谱线分析就可以获得铀、 钍、钾的含量信息(图1)． 图1 铀、钍、钾( 。K)的7射线能谱曲线 Fig．1 The gamma-ray spectra of U，Th， 。K 铀系、钍系及钾-40的y射线能谱具有明显区 别(章晔等，1992)，选择3个不同能量的y射线分别 代表对应的3个核素，在测量谱线上求取这3个y 射线能量峰的净面积，带人下列方程组： fNK— a11·Cl(+a12·Cu+ a13·Cl( NU— a21·Ck+ a22·Cu+ a23·Cl(． (1) LNTh—a31·Ck+a32·Cu+a33·CK 式中：NK、Nu、N 分别表示在测量谱线上选取的代 表钾( 。K)、铀、钍的特征能量段的净面积计数率(扣 除环境及仪器本底)，单位：计数／秒(cps)；CK、Cu、 分别表示被测对象中钾( 。K)、铀、钍的含量，待 求未知量；系数ad(i一1，2，3； 一1，2，3)分别表示 单位含量的钾( 。K)、铀、钍在钾( 。K)、铀、钍特征能 量段贡献的计数率，单位：(cps)／单位含量；可通过 仪器标定求得，为已知量． 通过求解方程组(1)，可求得测量对象钾( 。K)、 铀、钍的含量．

2 海底y能谱测量的探测系统 海底y能谱测量系统的仪器硬件主要包括两大 部分：在海底拖曳的水下部分和位于船上的水上部 图2 海洋7能谱测量系统整体结构示意图 Fig．2 The sketch map of the marine gamma-ray spec— trom eter 分．水下部分是用来探测海底沉积物中放射性核素 产生的y射线，并将其转换成数字信号，形成谱数据 文件，然后经过长电缆传输给水上部分，水下部分主 要包括：探测器、信号处理系统(1 024道多道分析 器)、数据通讯系统、PVC聚氯乙烯防护套；水上部 分实现对拖引水下部分电缆的收放控制，对水下部 分进行控制测量，并接收和处理经过长电缆传输上 来的7射线谱数据文件．主要包括：拖曳和传输用的 电缆、集流器、绞车盘、刹车控制装置、变速装置(变 速箱)、提供动力的电动机、电源及通讯接口和计算 机．图2为海洋y能谱测量系统整体结构示意图．

3 海上测量方法技术 油气田上方放射性异常一般比较微弱(Saunders eta1．，1987)，要在现场测量中发现和采集这种异常 存在比较大的难度，因此一方面要求在仪器设计上努 力提高仪器的测量精度，在硬件上能够满足测量微弱 放射性异常要求，另一方面在实际海上测量时要使采 集数据过程的各个环节满足测量精度要求．
3．1 测量船速控制 测量中船的运行速度对测量结果存在比较大的 影响，船速越慢，船在相同距离上运行的时间越长， 测量精度相应提高．由于这次试验是国内第一次，也 是世界上第一次在已知油气区进行的现场y能谱测 量勘探油气田的试验，没有实际测量经验，因此采用 了使船保持最慢的速度运行，即3．5节／h，以保证测 量结果的精度． 另外，为了试验船速对测量结果的影响，在其中 一条测线上分别进行了两个船速的测量试验，分别 是3．5节／h和5节／h．
3．2 电缆绞车的操作控制 要确保探测器部分在测量过程中与海底尽量保 持恒定的接触，主要通过绞车收放电缆来实现，下放 电缆的长度与海水深度和船速有关，当水深或船速 发生变化时，要及时操作绞车调节电缆的长度，以保 持合适的拖引状态．由于探测器总是在船后几十米 至上百米，水深的变化可根据船上水深测量装置给 出的数据大致估计出来，经过计算，下放电缆长度约 为水深的3至5倍．在测量过程中尽量保持船速的 恒定，当不得以改变船速时，沼气检测仪| 气体检测仪| 气体分析仪| 一氧化碳检测器| 可燃气体检测仪| 泄露气体检测仪| 毒性气体| 氧气检测| VOC检测仪| 烟气分析仪| 臭氧检测仪| 空气品质监测仪| 下放电缆的长度必须随 之改变，船速减慢，需要减小下放电缆的长度，船速 加快，应适当增加下放电缆的长度．
3．3 计算机屏幕监视水下探测器 测量系统的探测器部分是否与海底保持接触状 态，是海洋现场放射性测量能否取得成功的关键，海 水会对放射性核素产生的y射线造成明显衰减，特 别是对低能y射线衰减作用更为明显．因此仪器测 量结果一方面反映了海底沉积物放射性核素含量的 高低变化，另一方面还会受到探测器部分与海底接 触状态的影响． 为了实现实时监视仪器探测器在水下与海底的 接触情况，专门设计编制了“实时监视”程序模块，在 进行连续测量时自动调用“实时监视”程序模块，如 图3所示，“实时监视”模块能够将测量点的总道计 数高低以曲线图的形式在计算机屏幕的“实时监 视”窗口显示出来，当仪器探测器与海底之间距离发 量 萋 点号 O 图3 计算机屏幕监视探测器与海底接触状态 Fig．3 The state of detector with sea-bed is monitored by computer 生变化时，由于海水对y射线的衰减作用，使测点总 道计数变化能够反映仪器探测器与海底之间的接触 状态，当仪器探测器部分在海底正常移动时，监视窗 口的总道计数曲线变化平缓，数值较大，而一旦仪器 探测器离开海底，监视窗口的总道计数曲线会急剧 “下跳”，数值急剧减小，因此根据实时监视窗口曲线 的形态变化，可以及时了解水下探测器的情况，及时 调整水下电缆长度，保证探测器与海底良好接触．

4 海洋y能谱测量的数据处理与成果 解释
4．1 海洋y能谱测量的数据处理 海洋水下y能谱仪测量记录的是每个采样点 1 024道计数，以数据文件的形式储存在磁盘上，因 此要将这些数据进行处理，最终计算出每一采样点 的钾、铀、钍含量和总道的计数率．这些任务主要通 过计算机数据处理程序来完成，首先打开存放每条 测线测量结果的数据文件，调用稳谱程序，进行稳谱 处理，然后调用含量计算程序模块，自动进行各点的 含量计算，并将计算结果存放在数据文件中． 海洋水下y能谱仪在海上测量时，设置测量时 间为1 rain，即连续测量每分钟记录一条谱线，每条 谱线对应一测量起始时间；在仪器测量期间，船上差 分GPS卫星定位测量系统，记录船的运行路线，每 100 m记录一个点位坐标，每一点位坐标对应一时 问．资料整理是将y能谱仪记录的每点测量谱线与 船上GPS定位系统记录的点位坐标对应起来． 将经过上述处理整理的数据利用计算机绘图软 件进行成图，分别绘出5条测线的钾、铀、钍含量及 总道计数率剖面曲线图．
4．2 成果解释 4．2．1 试验区石油地质概况渤中(即渤海中部) 凹陷试验区内含有两个性质不同的区块：含油区块 BZ-25深浅均含油，1 500～3 000多米；含气区块 BZ-29埋藏较浅，约1 500多米．该区域是海洋石油 总公司在渤海工作的重点地区． 4．2．2 成果解释海洋y能谱测量数据经数据处理 和资料整理后，绘制出海洋y能谱测量剖面曲线图： 图4，图5分别为试验区测线L4、L5的海洋y能谱测 量成果解释曲线图．根据已知石油地质资料、测井及 其它资料，对海洋y能谱测量结果进行分析解释． 12 喜 6 2．O 1．8 1．6 1．4 1_2 1．O 4 I 墨 螽 翥 珀 227 200 4230 200 4 233 200 4236 200 4239 200 4 242 200 4245 200 点位y(m) 17 15 13 2．6 2．2 2 1 8 1．4 1．O 推断油气田范围圜疆霹疆蹬豳圈曩瞳圈雹圜霹圈 图4 L4线海洋y能谱测量成果解释曲线 Fig．4 The result curve of gamma-ray measurement for Line 4 12．O G10．0 l宝8．0 6．O 1．8 — 1．6 1．4 1_2 1．O 4 230 600 4234 600 已知油气田范围 推断油气田范围 4 238 600 4 242 600 4246 600 点位y(m) 图5 L5线海洋y能谱测量成果解释曲线 Fig．5 The result curve of gamma-ray measurement for Line 5 测线L4、L5方向基本为南北向，L4线长度的油气田区．L4线总道每分钟计数平均为13 500， 19 kin,L5线长度16 km，均穿过一BZ25—1井控制平均当量铀含量、平均当量钍含量分别为1．85× H m m 加 lO 和8．9l×lO一，已知油气田范围基本位于总道 计数、铀、钍含量曲线的低值异常区，而在钾含量剖 面曲线图上则没有明显低值异常；可能由于剖面上 左侧断裂构造的影响，放射性低值区向右偏移，在已 知油气田的右侧仍有低值异常，在同时进行的浅地 层剖面和侧扫声纳解释曲线图的对应位置也有油气 显示，因此推测已知油气田的右侧可能还有油气田 存在．从L5线的图5看，已知油气田也位于y能谱 测量的低值异常区，总道计数、铀、钍、钾的含量均显 示低值异常，与已知油气田对应较好，低值异常范围 比已知油气田稍大，同L4线的相似，低值异常的右 边界比已知油气田靠右，说明已知油气田的右侧仍 是有利的油气田勘探区． 从几条剖面的试验结果看，海洋油气田上方也 存在放射性异常，并与陆上油气田上方放射性异常 形态一致，即在油气田上方出现相对低值异常(王平 和熊盛清，1997)．

5 结论 国外的应用实例说明海洋y能谱测量不但可以应 用于海洋地质矿产的勘查，也可应用于海洋工程地质 调查和环境放射性污染监测．我国拥有辽阔的海域，因 此海洋放射性测量在我国具有广阔的应用前景．