海洋拖曳式 能譜儀在渤海的應用

海洋拖曳式 能譜儀在渤海的應用

 1．地質過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室和地下信息探測技術與儀器教育部重點實驗室，北京100083 2．中國地質大學地球物理與信息技術學院，北京100083 3．清華大學核能與新能源技術研究院，北京100084 摘要：為了加快我國海洋礦產(chǎn)資源勘探與開發(fā)，研制了中國第一臺海底拖曳式多道y射線能譜儀，并在渤海地區(qū)進行了初 次用于勘查油氣田的測量試驗，結果表明：儀器可以在現(xiàn)場測量海底沉積物、巖石等的天然放射性核素鈾、釷、鉀( 。K)的含 量，在已知油氣田上方放射性核素的含量出現(xiàn)相對低值異常，本方法具有現(xiàn)場、快速和經(jīng)濟的特點．
海洋放射性測量可以追溯到20世紀50年代后 期，前蘇聯(lián)最早開始這類儀器的研制與應用，其后許 多國家包括美國、英國、比利時、加拿大、丹麥、法國、 德國、日本、荷蘭、挪威等也先后開展了這方面的研 究．國際原子能機構(IAEA)設在摩納哥的海洋環(huán) 境實驗室也一直繼續(xù)這方面的研究和應用．目前國 外已研制出以碘化鈉晶體或高純鍺為探測器具有 1 024道或更高道數(shù)的海底)，射線能譜儀(Povinec， eta1．，1996)，進行現(xiàn)場)，射線能譜測量，得到海洋 沉積物或巖石鈾、釷、鉀的含量．海洋放射性測量已 經(jīng)應用于海洋地質填圖、礦產(chǎn)勘查、沉積物運移研究 和一些環(huán)境應用，包括放射性廢棄物處置和深埋評 價及核武器試驗對海洋環(huán)境影響等(Jones，2001)． 在國內(nèi)，由于在海底進行現(xiàn)場放射性測量對儀器 及其方法技術要求較高，一直未開展這方面工作，而 我國是一個具有300多萬平方公里領海的國家，海洋 中蘊藏著豐富的國民經(jīng)濟急需的礦產(chǎn)資源．國外的實 際應用證明，海洋現(xiàn)場放射性測量是一種經(jīng)濟、快速 的測量方法，為了給我國海洋礦產(chǎn)資源調查和開發(fā)提 供一快速、經(jīng)濟的手段，在國家海洋“863”項目的資助 下，中國地質大學(北京)研制成功了我國第一臺海底 拖曳式多道)，射線能譜儀，達到了國外發(fā)達國家儀器 水平，并在渤海灣進行了現(xiàn)場實際測量，首次在現(xiàn)場 取得了我國海底放射性核素鈾、釷、鉀的數(shù)據(jù)．本文主 要介紹我國第一臺海底拖曳式多道y能譜儀和測量 方法技術及其在渤海地區(qū)的實際應用． 基金項目：國家863計劃項目(No．820-03—01)；北京市重點學科“地球探測與信息技術(XK1O491O598)”資助

1 y能譜測量的基本原理 y能譜測量是通過記錄分析天然放射性核素產(chǎn) 生的y射線譜線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鈾系、釷系及不成系列的 鉀-40，它們能夠放射出自己特有的不同能量的y射 線，海底y能譜儀通過測量海底沉積物、巖石等產(chǎn)生 的y射線能譜，并對其進行譜線分析就可以獲得鈾、 釷、鉀的含量信息(圖1)． 圖1 鈾、釷、鉀( 。K)的7射線能譜曲線 Fig．1 The gamma-ray spectra of U，Th， 。K 鈾系、釷系及鉀-40的y射線能譜具有明顯區(qū) 別(章曄等，1992)，選擇3個不同能量的y射線分別 代表對應的3個核素，在測量譜線上求取這3個y 射線能量峰的凈面積，帶人下列方程組： 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 分別表示在測量譜線上選取的代 表鉀( 。K)、鈾、釷的特征能量段的凈面積計數(shù)率(扣 除環(huán)境及儀器本底)，單位：計數(shù)／秒(cps)；CK、Cu、 分別表示被測對象中鉀( 。K)、鈾、釷的含量，待 求未知量；系數(shù)ad(i一1，2，3； 一1，2，3)分別表示 單位含量的鉀( 。K)、鈾、釷在鉀( 。K)、鈾、釷特征能 量段貢獻的計數(shù)率，單位：(cps)／單位含量；可通過 儀器標定求得，為已知量． 通過求解方程組(1)，可求得測量對象鉀( 。K)、 鈾、釷的含量．

2 海底y能譜測量的探測系統(tǒng) 海底y能譜測量系統(tǒng)的儀器硬件主要包括兩大 部分：在海底拖曳的水下部分和位于船上的水上部 圖2 海洋7能譜測量系統(tǒng)整體結構示意圖 Fig．2 The sketch map of the marine gamma-ray spec— trom eter 分．水下部分是用來探測海底沉積物中放射性核素 產(chǎn)生的y射線，并將其轉換成數(shù)字信號，形成譜數(shù)據(jù) 文件，然后經(jīng)過長電纜傳輸給水上部分，水下部分主 要包括：探測器、信號處理系統(tǒng)(1 024道多道分析 器)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、PVC聚氯乙烯防護套；水上部 分實現(xiàn)對拖引水下部分電纜的收放控制，對水下部 分進行控制測量，并接收和處理經(jīng)過長電纜傳輸上 來的7射線譜數(shù)據(jù)文件．主要包括：拖曳和傳輸用的 電纜、集流器、絞車盤、剎車控制裝置、變速裝置(變 速箱)、提供動力的電動機、電源及通訊接口和計算 機．圖2為海洋y能譜測量系統(tǒng)整體結構示意圖．

3 海上測量方法技術 油氣田上方放射性異常一般比較微弱(Saunders eta1．，1987)，要在現(xiàn)場測量中發(fā)現(xiàn)和采集這種異常 存在比較大的難度，因此一方面要求在儀器設計上努 力提高儀器的測量精度，在硬件上能夠滿足測量微弱 放射性異常要求，另一方面在實際海上測量時要使采 集數(shù)據(jù)過程的各個環(huán)節(jié)滿足測量精度要求．
3．1 測量船速控制 測量中船的運行速度對測量結果存在比較大的 影響，船速越慢，船在相同距離上運行的時間越長， 測量精度相應提高．由于這次試驗是國內(nèi)第一次，也 是世界上第一次在已知油氣區(qū)進行的現(xiàn)場y能譜測 量勘探油氣田的試驗，沒有實際測量經(jīng)驗，因此采用 了使船保持最慢的速度運行，即3．5節(jié)／h，以保證測 量結果的精度． 另外，為了試驗船速對測量結果的影響，在其中 一條測線上分別進行了兩個船速的測量試驗，分別 是3．5節(jié)／h和5節(jié)／h．
3．2 電纜絞車的操作控制 要確保探測器部分在測量過程中與海底盡量保 持恒定的接觸，主要通過絞車收放電纜來實現(xiàn)，下放 電纜的長度與海水深度和船速有關，當水深或船速 發(fā)生變化時，要及時操作絞車調節(jié)電纜的長度，以保 持合適的拖引狀態(tài)．由于探測器總是在船后幾十米 至上百米，水深的變化可根據(jù)船上水深測量裝置給 出的數(shù)據(jù)大致估計出來，經(jīng)過計算，下放電纜長度約 為水深的3至5倍．在測量過程中盡量保持船速的 恒定，當不得以改變船速時，沼氣檢測儀| 氣體檢測儀| 氣體分析儀| 一氧化碳檢測器| 可燃氣體檢測儀| 泄露氣體檢測儀| 毒性氣體| 氧氣檢測| VOC檢測儀| 煙氣分析儀| 臭氧檢測儀| 空氣品質監(jiān)測儀| 下放電纜的長度必須隨 之改變，船速減慢，需要減小下放電纜的長度，船速 加快，應適當增加下放電纜的長度．
3．3 計算機屏幕監(jiān)視水下探測器 測量系統(tǒng)的探測器部分是否與海底保持接觸狀 態(tài)，是海洋現(xiàn)場放射性測量能否取得成功的關鍵，海 水會對放射性核素產(chǎn)生的y射線造成明顯衰減，特 別是對低能y射線衰減作用更為明顯．因此儀器測 量結果一方面反映了海底沉積物放射性核素含量的 高低變化，另一方面還會受到探測器部分與海底接 觸狀態(tài)的影響． 為了實現(xiàn)實時監(jiān)視儀器探測器在水下與海底的 接觸情況，專門設計編制了“實時監(jiān)視”程序模塊，在 進行連續(xù)測量時自動調用“實時監(jiān)視”程序模塊，如 圖3所示，“實時監(jiān)視”模塊能夠將測量點的總道計 數(shù)高低以曲線圖的形式在計算機屏幕的“實時監(jiān) 視”窗口顯示出來，當儀器探測器與海底之間距離發(fā) 量 萋 點號 O 圖3 計算機屏幕監(jiān)視探測器與海底接觸狀態(tài) Fig．3 The state of detector with sea-bed is monitored by computer 生變化時，由于海水對y射線的衰減作用，使測點總 道計數(shù)變化能夠反映儀器探測器與海底之間的接觸 狀態(tài)，當儀器探測器部分在海底正常移動時，監(jiān)視窗 口的總道計數(shù)曲線變化平緩，數(shù)值較大，而一旦儀器 探測器離開海底，監(jiān)視窗口的總道計數(shù)曲線會急劇 “下跳”，數(shù)值急劇減小，因此根據(jù)實時監(jiān)視窗口曲線 的形態(tài)變化，可以及時了解水下探測器的情況，及時 調整水下電纜長度，保證探測器與海底良好接觸．

4 海洋y能譜測量的數(shù)據(jù)處理與成果 解釋
4．1 海洋y能譜測量的數(shù)據(jù)處理 海洋水下y能譜儀測量記錄的是每個采樣點 1 024道計數(shù)，以數(shù)據(jù)文件的形式儲存在磁盤上，因 此要將這些數(shù)據(jù)進行處理，最終計算出每一采樣點 的鉀、鈾、釷含量和總道的計數(shù)率．這些任務主要通 過計算機數(shù)據(jù)處理程序來完成，首先打開存放每條 測線測量結果的數(shù)據(jù)文件，調用穩(wěn)譜程序，進行穩(wěn)譜 處理，然后調用含量計算程序模塊，自動進行各點的 含量計算，并將計算結果存放在數(shù)據(jù)文件中． 海洋水下y能譜儀在海上測量時，設置測量時 間為1 rain，即連續(xù)測量每分鐘記錄一條譜線，每條 譜線對應一測量起始時間；在儀器測量期間，船上差 分GPS衛(wèi)星定位測量系統(tǒng)，記錄船的運行路線，每 100 m記錄一個點位坐標，每一點位坐標對應一時 問．資料整理是將y能譜儀記錄的每點測量譜線與 船上GPS定位系統(tǒng)記錄的點位坐標對應起來． 將經(jīng)過上述處理整理的數(shù)據(jù)利用計算機繪圖軟 件進行成圖，分別繪出5條測線的鉀、鈾、釷含量及 總道計數(shù)率剖面曲線圖．
4．2 成果解釋 4．2．1 試驗區(qū)石油地質概況渤中(即渤海中部) 凹陷試驗區(qū)內(nèi)含有兩個性質不同的區(qū)塊：含油區(qū)塊 BZ-25深淺均含油，1 500～3 000多米；含氣區(qū)塊 BZ-29埋藏較淺，約1 500多米．該區(qū)域是海洋石油 總公司在渤海工作的重點地區(qū)． 4．2．2 成果解釋海洋y能譜測量數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理 和資料整理后，繪制出海洋y能譜測量剖面曲線圖： 圖4，圖5分別為試驗區(qū)測線L4、L5的海洋y能譜測 量成果解釋曲線圖．根據(jù)已知石油地質資料、測井及 其它資料，對海洋y能譜測量結果進行分析解釋． 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 點位y(m) 17 15 13 2．6 2．2 2 1 8 1．4 1．O 推斷油氣田范圍圜疆霹疆蹬豳圈曩瞳圈雹圜霹圈 圖4 L4線海洋y能譜測量成果解釋曲線 Fig．4 The result curve of gamma-ray measurement for Line 4 12．O G10．0 l寶8．0 6．O 1．8 — 1．6 1．4 1_2 1．O 4 230 600 4234 600 已知油氣田范圍 推斷油氣田范圍 4 238 600 4 242 600 4246 600 點位y(m) 圖5 L5線海洋y能譜測量成果解釋曲線 Fig．5 The result curve of gamma-ray measurement for Line 5 測線L4、L5方向基本為南北向，L4線長度的油氣田區(qū)．L4線總道每分鐘計數(shù)平均為13 500， 19 kin,L5線長度16 km，均穿過一BZ25—1井控制平均當量鈾含量、平均當量釷含量分別為1．85× H m m 加 lO 和8．9l×lO一，已知油氣田范圍基本位于總道 計數(shù)、鈾、釷含量曲線的低值異常區(qū)，而在鉀含量剖 面曲線圖上則沒有明顯低值異常；可能由于剖面上 左側斷裂構造的影響，放射性低值區(qū)向右偏移，在已 知油氣田的右側仍有低值異常，在同時進行的淺地 層剖面和側掃聲納解釋曲線圖的對應位置也有油氣 顯示，因此推測已知油氣田的右側可能還有油氣田 存在．從L5線的圖5看，已知油氣田也位于y能譜 測量的低值異常區(qū)，總道計數(shù)、鈾、釷、鉀的含量均顯 示低值異常，與已知油氣田對應較好，低值異常范圍 比已知油氣田稍大，同L4線的相似，低值異常的右 邊界比已知油氣田靠右，說明已知油氣田的右側仍 是有利的油氣田勘探區(qū)． 從幾條剖面的試驗結果看，海洋油氣田上方也 存在放射性異常，并與陸上油氣田上方放射性異常 形態(tài)一致，即在油氣田上方出現(xiàn)相對低值異常(王平 和熊盛清，1997)．

5 結論 國外的應用實例說明海洋y能譜測量不但可以應 用于海洋地質礦產(chǎn)的勘查，也可應用于海洋工程地質 調查和環(huán)境放射性污染監(jiān)測．我國擁有遼闊的海域，因 此海洋放射性測量在我國具有廣闊的應用前景．