海洋拖曳式 能譜儀在渤海的應(yīng)用

海洋拖曳式 能譜儀在渤海的應(yīng)用

 1．地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和地下信息探測(cè)技術(shù)與儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083 2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京100083 3．清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京100084 摘要：為了加快我國(guó)海洋礦產(chǎn)資源勘探與開(kāi)發(fā)，研制了中國(guó)第一臺(tái)海底拖曳式多道y射線能譜儀，并在渤海地區(qū)進(jìn)行了初 次用于勘查油氣田的測(cè)量試驗(yàn)，結(jié)果表明：儀器可以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(duì)低值異常，本方法具有現(xiàn)場(chǎng)、快速和經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)．
海洋放射性測(cè)量可以追溯到20世紀(jì)50年代后 期，前蘇聯(lián)最早開(kāi)始這類(lèi)儀器的研制與應(yīng)用，其后許 多國(guó)家包括美國(guó)、英國(guó)、比利時(shí)、加拿大、丹麥、法國(guó)、 德國(guó)、日本、荷蘭、挪威等也先后開(kāi)展了這方面的研 究．國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)設(shè)在摩納哥的海洋環(huán) 境實(shí)驗(yàn)室也一直繼續(xù)這方面的研究和應(yīng)用．目前國(guó) 外已研制出以碘化鈉晶體或高純鍺為探測(cè)器具有 1 024道或更高道數(shù)的海底)，射線能譜儀(Povinec， eta1．，1996)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng))，射線能譜測(cè)量，得到海洋 沉積物或巖石鈾、釷、鉀的含量．海洋放射性測(cè)量已 經(jīng)應(yīng)用于海洋地質(zhì)填圖、礦產(chǎn)勘查、沉積物運(yùn)移研究 和一些環(huán)境應(yīng)用，包括放射性廢棄物處置和深埋評(píng) 價(jià)及核武器試驗(yàn)對(duì)海洋環(huán)境影響等(Jones，2001)． 在國(guó)內(nèi)，由于在海底進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放射性測(cè)量對(duì)儀器 及其方法技術(shù)要求較高，一直未開(kāi)展這方面工作，而 我國(guó)是一個(gè)具有300多萬(wàn)平方公里領(lǐng)海的國(guó)家，海洋 中蘊(yùn)藏著豐富的國(guó)民經(jīng)濟(jì)急需的礦產(chǎn)資源．國(guó)外的實(shí) 際應(yīng)用證明，海洋現(xiàn)場(chǎng)放射性測(cè)量是一種經(jīng)濟(jì)、快速 的測(cè)量方法，為了給我國(guó)海洋礦產(chǎn)資源調(diào)查和開(kāi)發(fā)提 供一快速、經(jīng)濟(jì)的手段，在國(guó)家海洋“863”項(xiàng)目的資助 下，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)研制成功了我國(guó)第一臺(tái)海底 拖曳式多道)，射線能譜儀，達(dá)到了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家儀器 水平，并在渤海灣進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，首次在現(xiàn)場(chǎng) 取得了我國(guó)海底放射性核素鈾、釷、鉀的數(shù)據(jù)．本文主 要介紹我國(guó)第一臺(tái)海底拖曳式多道y能譜儀和測(cè)量 方法技術(shù)及其在渤海地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用． 基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(No．820-03—01)；北京市重點(diǎn)學(xué)科“地球探測(cè)與信息技術(shù)(XK1O491O598)”資助

1 y能譜測(cè)量的基本原理 y能譜測(cè)量是通過(guò)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(guò)測(cè)量海底沉積物、巖石等產(chǎn)生 的y射線能譜，并對(duì)其進(jìn)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(gè)不同能量的y射線分別 代表對(duì)應(yīng)的3個(gè)核素，在測(cè)量譜線上求取這3個(gè)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(cè)量譜線上選取的代 表鉀( 。K)、鈾、釷的特征能量段的凈面積計(jì)數(shù)率(扣 除環(huán)境及儀器本底)，單位：計(jì)數(shù)／秒(cps)；CK、Cu、 分別表示被測(cè)對(duì)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(xiàn)的計(jì)數(shù)率，單位：(cps)／單位含量；可通過(guò) 儀器標(biāo)定求得，為已知量． 通過(guò)求解方程組(1)，可求得測(cè)量對(duì)象鉀( 。K)、 鈾、釷的含量．

2 海底y能譜測(cè)量的探測(cè)系統(tǒng) 海底y能譜測(cè)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(cè)量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖 Fig．2 The sketch map of the marine gamma-ray spec— trom eter 分．水下部分是用來(lái)探測(cè)海底沉積物中放射性核素 產(chǎn)生的y射線，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，形成譜數(shù)據(jù) 文件，然后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸給水上部分，水下部分主 要包括：探測(cè)器、信號(hào)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(hù)套；水上部 分實(shí)現(xiàn)對(duì)拖引水下部分電纜的收放控制，對(duì)水下部 分進(jìn)行控制測(cè)量，并接收和處理經(jīng)過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸上 來(lái)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(chē)盤(pán)、剎車(chē)控制裝置、變速裝置(變 速箱)、提供動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)、電源及通訊接口和計(jì)算 機(jī)．圖2為海洋y能譜測(cè)量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖．

3 海上測(cè)量方法技術(shù) 油氣田上方放射性異常一般比較微弱(Saunders eta1．，1987)，要在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(shè)計(jì)上努 力提高儀器的測(cè)量精度，在硬件上能夠滿足測(cè)量微弱 放射性異常要求，另一方面在實(shí)際海上測(cè)量時(shí)要使采 集數(shù)據(jù)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)滿足測(cè)量精度要求．
3．1 測(cè)量船速控制 測(cè)量中船的運(yùn)行速度對(duì)測(cè)量結(jié)果存在比較大的 影響，船速越慢，船在相同距離上運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)， 測(cè)量精度相應(yīng)提高．由于這次試驗(yàn)是國(guó)內(nèi)第一次，也 是世界上第一次在已知油氣區(qū)進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)y能譜測(cè) 量勘探油氣田的試驗(yàn)，沒(méi)有實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，因此采用 了使船保持最慢的速度運(yùn)行，即3．5節(jié)／h，以保證測(cè) 量結(jié)果的精度． 另外，為了試驗(yàn)船速對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在其中 一條測(cè)線上分別進(jìn)行了兩個(gè)船速的測(cè)量試驗(yàn)，分別 是3．5節(jié)／h和5節(jié)／h．
3．2 電纜絞車(chē)的操作控制 要確保探測(cè)器部分在測(cè)量過(guò)程中與海底盡量保 持恒定的接觸，主要通過(guò)絞車(chē)收放電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)，下放 電纜的長(zhǎng)度與海水深度和船速有關(guān)，當(dāng)水深或船速 發(fā)生變化時(shí)，要及時(shí)操作絞車(chē)調(diào)節(jié)電纜的長(zhǎng)度，以保 持合適的拖引狀態(tài)．由于探測(cè)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(cè)量裝置給 出的數(shù)據(jù)大致估計(jì)出來(lái)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，下放電纜長(zhǎng)度約 為水深的3至5倍．在測(cè)量過(guò)程中盡量保持船速的 恒定，當(dāng)不得以改變船速時(shí)，沼氣檢測(cè)儀| 氣體檢測(cè)儀| 氣體分析儀| 一氧化碳檢測(cè)器| 可燃氣體檢測(cè)儀| 泄露氣體檢測(cè)儀| 毒性氣體| 氧氣檢測(cè)| VOC檢測(cè)儀| 煙氣分析儀| 臭氧檢測(cè)儀| 空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)儀| 下放電纜的長(zhǎng)度必須隨 之改變，船速減慢，需要減小下放電纜的長(zhǎng)度，船速 加快，應(yīng)適當(dāng)增加下放電纜的長(zhǎng)度．
3．3 計(jì)算機(jī)屏幕監(jiān)視水下探測(cè)器 測(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)器部分是否與海底保持接觸狀 態(tài)，是海洋現(xiàn)場(chǎng)放射性測(cè)量能否取得成功的關(guān)鍵，海 水會(huì)對(duì)放射性核素產(chǎn)生的y射線造成明顯衰減，特 別是對(duì)低能y射線衰減作用更為明顯．因此儀器測(cè) 量結(jié)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(huì)受到探測(cè)器部分與海底接 觸狀態(tài)的影響． 為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視儀器探測(cè)器在水下與海底的 接觸情況，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)編制了“實(shí)時(shí)監(jiān)視”程序模塊，在 進(jìn)行連續(xù)測(cè)量時(shí)自動(dòng)調(diào)用“實(shí)時(shí)監(jiān)視”程序模塊，如 圖3所示，“實(shí)時(shí)監(jiān)視”模塊能夠?qū)�測(cè)量點(diǎn)的總道計(jì) 數(shù)高低以曲線圖的形式在計(jì)算機(jī)屏幕的“實(shí)時(shí)監(jiān) 視”窗口顯示出來(lái)，當(dāng)儀器探測(cè)器與海底之間距離發(fā) 量 萋 點(diǎn)號(hào) O 圖3 計(jì)算機(jī)屏幕監(jiān)視探測(cè)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(shí)，由于海水對(duì)y射線的衰減作用，使測(cè)點(diǎn)總 道計(jì)數(shù)變化能夠反映儀器探測(cè)器與海底之間的接觸 狀態(tài)，當(dāng)儀器探測(cè)器部分在海底正常移動(dòng)時(shí)，監(jiān)視窗 口的總道計(jì)數(shù)曲線變化平緩，數(shù)值較大，而一旦儀器 探測(cè)器離開(kāi)海底，監(jiān)視窗口的總道計(jì)數(shù)曲線會(huì)急劇 “下跳”，數(shù)值急劇減小，因此根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視窗口曲線 的形態(tài)變化，可以及時(shí)了解水下探測(cè)器的情況，及時(shí) 調(diào)整水下電纜長(zhǎng)度，保證探測(cè)器與海底良好接觸．

4 海洋y能譜測(cè)量的數(shù)據(jù)處理與成果 解釋
4．1 海洋y能譜測(cè)量的數(shù)據(jù)處理 海洋水下y能譜儀測(cè)量記錄的是每個(gè)采樣點(diǎn) 1 024道計(jì)數(shù)，以數(shù)據(jù)文件的形式儲(chǔ)存在磁盤(pán)上，因 此要將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終計(jì)算出每一采樣點(diǎn) 的鉀、鈾、釷含量和總道的計(jì)數(shù)率．這些任務(wù)主要通 過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理程序來(lái)完成，首先打開(kāi)存放每條 測(cè)線測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)文件，調(diào)用穩(wěn)譜程序，進(jìn)行穩(wěn)譜 處理，然后調(diào)用含量計(jì)算程序模塊，自動(dòng)進(jìn)行各點(diǎn)的 含量計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果存放在數(shù)據(jù)文件中． 海洋水下y能譜儀在海上測(cè)量時(shí)，設(shè)置測(cè)量時(shí) 間為1 rain，即連續(xù)測(cè)量每分鐘記錄一條譜線，每條 譜線對(duì)應(yīng)一測(cè)量起始時(shí)間；在儀器測(cè)量期間，船上差 分GPS衛(wèi)星定位測(cè)量系統(tǒng)，記錄船的運(yùn)行路線，每 100 m記錄一個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)，每一點(diǎn)位坐標(biāo)對(duì)應(yīng)一時(shí) 問(wèn)．資料整理是將y能譜儀記錄的每點(diǎn)測(cè)量譜線與 船上GPS定位系統(tǒng)記錄的點(diǎn)位坐標(biāo)對(duì)應(yīng)起來(lái)． 將經(jīng)過(guò)上述處理整理的數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)繪圖軟 件進(jìn)行成圖，分別繪出5條測(cè)線的鉀、鈾、釷含量及 總道計(jì)數(shù)率剖面曲線圖．
4．2 成果解釋 4．2．1 試驗(yàn)區(qū)石油地質(zhì)概況渤中(即渤海中部) 凹陷試驗(yàn)區(qū)內(nèi)含有兩個(gè)性質(zhì)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(diǎn)地區(qū)． 4．2．2 成果解釋海洋y能譜測(cè)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(cè)量剖面曲線圖： 圖4，圖5分別為試驗(yàn)區(qū)測(cè)線L4、L5的海洋y能譜測(cè) 量成果解釋曲線圖．根據(jù)已知石油地質(zhì)資料、測(cè)井及 其它資料，對(duì)海洋y能譜測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析解釋?zhuān)?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(diǎn)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(cè)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(diǎn)位y(m) 圖5 L5線海洋y能譜測(cè)量成果解釋曲線 Fig．5 The result curve of gamma-ray measurement for Line 5 測(cè)線L4、L5方向基本為南北向，L4線長(zhǎng)度的油氣田區(qū)．L4線總道每分鐘計(jì)數(shù)平均為13 500， 19 kin,L5線長(zhǎng)度16 km，均穿過(guò)一BZ25—1井控制平均當(dāng)量鈾含量、平均當(dāng)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(jì)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(méi)有明顯低值異常；可能由于剖面上 左側(cè)斷裂構(gòu)造的影響，放射性低值區(qū)向右偏移，在已 知油氣田的右側(cè)仍有低值異常，在同時(shí)進(jìn)行的淺地 層剖面和側(cè)掃聲納解釋曲線圖的對(duì)應(yīng)位置也有油氣 顯示，因此推測(cè)已知油氣田的右側(cè)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(cè)量的低值異常區(qū)，總道計(jì)數(shù)、鈾、釷、鉀的含量均顯 示低值異常，與已知油氣田對(duì)應(yīng)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(shuō)明已知油氣田的右側(cè)仍 是有利的油氣田勘探區(qū)． 從幾條剖面的試驗(yàn)結(jié)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(duì)低值異常(王平 和熊盛清，1997)．

5 結(jié)論 國(guó)外的應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明海洋y能譜測(cè)量不但可以應(yīng) 用于海洋地質(zhì)礦產(chǎn)的勘查，也可應(yīng)用于海洋工程地質(zhì) 調(diào)查和環(huán)境放射性污染監(jiān)測(cè)．我國(guó)擁有遼闊的海域，因 此海洋放射性測(cè)量在我國(guó)具有廣闊的應(yīng)用前景．