海洋拖曳式 能譜儀在渤海的應用

 1．地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗室和地下信息探測技術(shù)與儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京100083 2．中國地質(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：為了加快我國海洋礦產(chǎn)資源勘探與開(kāi)發(fā)，研制了中國第一臺海底拖曳式多道y射線(xiàn)能譜儀，并在渤海地區進(jìn)行了初 次用于勘查油氣田的測量試驗，結果表明：儀器可以在現場(chǎng)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相對低值異常，本方法具有現場(chǎng)、快速和經(jīng)濟的特點(diǎn)．
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(kāi)始這類(lèi)儀器的研制與應用，其后許 多國家包括美國、英國、比利時(shí)、加拿大、丹麥、法國、 德國、日本、荷蘭、挪威等也先后開(kāi)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(shí)驗室也一直繼續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道或更高道數的海底)，射線(xiàn)能譜儀(Povinec， eta1．，1996)，進(jìn)行現場(chǎng))，射線(xiàn)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(zhì)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(jià)及核武器試驗對海洋環(huán)境影響等(Jones，2001)． 在國內，由于在海底進(jìn)行現場(chǎng)放射性測量對儀器 及其方法技術(shù)要求較高，一直未開(kāi)展這方面工作，而 我國是一個(gè)具有300多萬(wàn)平方公里領(lǐng)海的國家，海洋 中蘊藏著(zhù)豐富的國民經(jīng)濟急需的礦產(chǎn)資源．國外的實(shí) 際應用證明，海洋現場(chǎng)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(kāi)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(zhì)大學(xué)(北京)研制成功了我國第一臺海底 拖曳式多道)，射線(xiàn)能譜儀，達到了國外發(fā)達國家儀器 水平，并在渤海灣進(jìn)行了現場(chǎng)實(shí)際測量，首次在現場(chǎng) 取得了我國海底放射性核素鈾、釷、鉀的數據．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(shù)及其在渤海地區的實(shí)際應用． 基金項目：國家863計劃項目(No．820-03—01)；北京市重點(diǎn)學(xué)科“地球探測與信息技術(shù)(XK1O491O598)”資助

1 y能譜測量的基本原理 y能譜測量是通過(guò)記錄分析天然放射性核素產(chǎn) 生的y射線(xiàn)譜線(xiàn)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(xiàn)，海底y能譜儀通過(guò)測量海底沉積物、巖石等產(chǎn)生 的y射線(xiàn)能譜，并對其進(jìn)行譜線(xiàn)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(xiàn)能譜曲線(xiàn) Fig．1 The gamma-ray spectra of U，Th， 。K 鈾系、釷系及鉀-40的y射線(xiàn)能譜具有明顯區 別(章曄等，1992)，選擇3個(gè)不同能量的y射線(xiàn)分別 代表對應的3個(gè)核素，在測量譜線(xiàn)上求取這3個(gè)y 射線(xiàn)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(xiàn)上選取的代 表鉀( 。K)、鈾、釷的特征能量段的凈面積計數率(扣 除環(huán)境及儀器本底)，單位：計數／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 量段貢獻的計數率，單位：(cps)／單位含量；可通過(guò) 儀器標定求得，為已知量． 通過(guò)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 海底y能譜測量系統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(lái)探測海底沉積物中放射性核素 產(chǎn)生的y射線(xiàn)，并將其轉換成數字信號，形成譜數據 文件，然后經(jīng)過(guò)長(cháng)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(1 024道多道分析 器)、數據通訊系統、PVC聚氯乙烯防護套；水上部 分實(shí)現對拖引水下部分電纜的收放控制，對水下部 分進(jìn)行控制測量，并接收和處理經(jīng)過(guò)長(cháng)電纜傳輸上 來(lái)的7射線(xiàn)譜數據文件．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、電源及通訊接口和計算 機．圖2為海洋y能譜測量系統整體結構示意圖．

3 海上測量方法技術(shù) 油氣田上方放射性異常一般比較微弱(Saunders eta1．，1987)，要在現場(chǎng)測量中發(fā)現和采集這種異常 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(mǎn)足測量微弱 放射性異常要求，另一方面在實(shí)際海上測量時(shí)要使采 集數據過(guò)程的各個(gè)環(huán)節滿(mǎn)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(shí)間越長(cháng)， 測量精度相應提高．由于這次試驗是國內第一次，也 是世界上第一次在已知油氣區進(jìn)行的現場(chǎng)y能譜測 量勘探油氣田的試驗，沒(méi)有實(shí)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／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(xiàn)上分別進(jìn)行了兩個(gè)船速的測量試驗，分別 是3．5節／h和5節／h．
3．2 電纜絞車(chē)的操作控制 要確保探測器部分在測量過(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，下放 電纜的長(cháng)度與海水深度和船速有關(guān)，當水深或船速 發(fā)生變化時(shí)，要及時(shí)操作絞車(chē)調節電纜的長(cháng)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，水深的變化可根據船上水深測量裝置給 出的數據大致估計出來(lái)，經(jīng)過(guò)計算，下放電纜長(cháng)度約 為水深的3至5倍．在測量過(guò)程中盡量保持船速的 恒定，當不得以改變船速時(shí)，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(zhì)監測儀| 下放電纜的長(cháng)度必須隨 之改變，船速減慢，需要減小下放電纜的長(cháng)度，船速 加快，應適當增加下放電纜的長(cháng)度．
3．3 計算機屏幕監視水下探測器 測量系統的探測器部分是否與海底保持接觸狀 態(tài)，是海洋現場(chǎng)放射性測量能否取得成功的關(guān)鍵，海 水會(huì )對放射性核素產(chǎn)生的y射線(xiàn)造成明顯衰減，特 別是對低能y射線(xiàn)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(huì )受到探測器部分與海底接 觸狀態(tài)的影響． 為了實(shí)現實(shí)時(shí)監視儀器探測器在水下與海底的 接觸情況，專(zhuān)門(mén)設計編制了“實(shí)時(shí)監視”程序模塊，在 進(jìn)行連續測量時(shí)自動(dòng)調用“實(shí)時(shí)監視”程序模塊，如 圖3所示，“實(shí)時(shí)監視”模塊能夠將測量點(diǎn)的總道計 數高低以曲線(xiàn)圖的形式在計算機屏幕的“實(shí)時(shí)監 視”窗口顯示出來(lái)，當儀器探測器與海底之間距離發(fā) 量 萋 點(diǎn)號 O 圖3 計算機屏幕監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(shí)，由于海水對y射線(xiàn)的衰減作用，使測點(diǎn)總 道計數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(dòng)時(shí)，監視窗 口的總道計數曲線(xiàn)變化平緩，數值較大，而一旦儀器 探測器離開(kāi)海底，監視窗口的總道計數曲線(xiàn)會(huì )急劇 “下跳”，數值急劇減小，因此根據實(shí)時(shí)監視窗口曲線(xiàn) 的形態(tài)變化，可以及時(shí)了解水下探測器的情況，及時(shí) 調整水下電纜長(cháng)度，保證探測器與海底良好接觸．

4 海洋y能譜測量的數據處理與成果 解釋
4．1 海洋y能譜測量的數據處理 海洋水下y能譜儀測量記錄的是每個(gè)采樣點(diǎn) 1 024道計數，以數據文件的形式儲存在磁盤(pán)上，因 此要將這些數據進(jìn)行處理，最終計算出每一采樣點(diǎn) 的鉀、鈾、釷含量和總道的計數率．這些任務(wù)主要通 過(guò)計算機數據處理程序來(lái)完成，首先打開(kāi)存放每條 測線(xiàn)測量結果的數據文件，調用穩譜程序，進(jìn)行穩譜 處理，然后調用含量計算程序模塊，自動(dòng)進(jìn)行各點(diǎn)的 含量計算，并將計算結果存放在數據文件中． 海洋水下y能譜儀在海上測量時(shí)，設置測量時(shí) 間為1 rain，即連續測量每分鐘記錄一條譜線(xiàn)，每條 譜線(xiàn)對應一測量起始時(shí)間；在儀器測量期間，船上差 分GPS衛星定位測量系統，記錄船的運行路線(xiàn)，每 100 m記錄一個(gè)點(diǎn)位坐標，每一點(diǎn)位坐標對應一時(shí) 問(wèn)．資料整理是將y能譜儀記錄的每點(diǎn)測量譜線(xiàn)與 船上GPS定位系統記錄的點(diǎn)位坐標對應起來(lái)． 將經(jīng)過(guò)上述處理整理的數據利用計算機繪圖軟 件進(jìn)行成圖，分別繪出5條測線(xiàn)的鉀、鈾、釷含量及 總道計數率剖面曲線(xiàn)圖．
4．2 成果解釋 4．2．1 試驗區石油地質(zhì)概況渤中(即渤海中部) 凹陷試驗區內含有兩個(gè)性質(zhì)不同的區塊：含油區塊 BZ-25深淺均含油，1 500～3 000多米；含氣區塊 BZ-29埋藏較淺，約1 500多米．該區域是海洋石油 總公司在渤海工作的重點(diǎn)地區． 4．2．2 成果解釋海洋y能譜測量數據經(jīng)數據處理 和資料整理后，繪制出海洋y能譜測量剖面曲線(xiàn)圖： 圖4，圖5分別為試驗區測線(xiàn)L4、L5的海洋y能譜測 量成果解釋曲線(xiàn)圖．根據已知石油地質(zhì)資料、測井及 其它資料，對海洋y能譜測量結果進(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(xiàn)海洋y能譜測量成果解釋曲線(xiàn) 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(xiàn)海洋y能譜測量成果解釋曲線(xiàn) Fig．5 The result curve of gamma-ray measurement for Line 5 測線(xiàn)L4、L5方向基本為南北向，L4線(xiàn)長(cháng)度的油氣田區．L4線(xiàn)總道每分鐘計數平均為13 500， 19 kin,L5線(xiàn)長(cháng)度16 km，均穿過(guò)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、鈾、釷含量曲線(xiàn)的低值異常區，而在鉀含量剖 面曲線(xiàn)圖上則沒(méi)有明顯低值異常；可能由于剖面上 左側斷裂構造的影響，放射性低值區向右偏移，在已 知油氣田的右側仍有低值異常，在同時(shí)進(jìn)行的淺地 層剖面和側掃聲納解釋曲線(xiàn)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(xiàn)的圖5看，已知油氣田也位于y能譜 測量的低值異常區，總道計數、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(xiàn)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仍 是有利的油氣田勘探區． 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相對低值異常(王平 和熊盛清，1997)．

5 結論 國外的應用實(shí)例說(shuō)明海洋y能譜測量不但可以應 用于海洋地質(zhì)礦產(chǎn)的勘查，也可應用于海洋工程地質(zhì) 調查和環(huán)境放射性污染監測．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．