近直立鈾礦體上土壤層中氡遷移模型的正演研究

張 葉， 楊亞新， 陳 越， 鄭勇明， 吳信民

(東華理工大學，江西撫州 344000)

近直立鈾礦體上土壤層中氡遷移模型的正演研究

張 葉， 楊亞新， 陳 越， 鄭勇明， 吳信民

(東華理工大學，江西撫州 344000)

對近直立鈾礦體上方土壤層中氡遷移進行正演研究，建立了近直立礦體上方土壤層中氡遷移的二維模型，并將模型用于下莊鈾礦田礦體覆蓋層中氡遷移的正演計算，當所研究礦體所處的地質條件與模型計算要求相似，模型在參數選取合適時，計算所獲得的結果與實測結果可以基本吻合。

直立鈾礦體;氡遷移;土壤覆蓋層;正演;

氡氣是一種示蹤劑，它能夠指示地下礦床、地質構造、地震等某些特征。在地質勘察工作中，氡氣測量廣泛應用于浮土覆蓋地區找尋鈾礦、進行地質填圖、探測隱伏構造、找尋基巖地下水和地熱、解決有關工程地質問題、發現含金構造帶、找尋石油天然氣、探測煤田地下火區、探尋煤田陷落柱等方面(劉菁華，2009;金培杰，1996;楊亞新等，2003，2007;王桂香，2001;尹兵祥，2002)。研究土壤中氡運移規律，對于地質勘查過程中氡氣實測資料的整理及解釋工作具有重要的指導意義和實用價值。

1 近直立鈾礦體上土壤層中氡遷移模型

與土壤覆蓋層垂直或近似垂直的鈾礦體，簡稱為直立近直立鈾礦體(圖1)。

依據任意多孔介質中氡的擴散和對流原理(劉慶成，1996)，對近直立鈾礦體上土壤層中氡遷移模型可建立氡的二維遷移方程:

式中，C為土壤覆蓋層中(x，y)點的濃度;D為覆蓋層中氡的擴散系數(cm2/s);V為覆蓋層中氡的對流速度(cm/s);λ為氡的衰變常數(s－1);η為巖石、土壤孔隙度;A為單位體積介質中活動氡的產生率(Bq/s·cm3)。

其對應的邊界條件為:

圖1 二維氡運移模型示意圖Fig.1 The sketch figure of 2D radon migration model

其中，β為氡在土壤表面進入大氣的系數，C0為礦體表層氡濃度，［0，a］和［0，b］所圍成的區域為研究區域，即0≤x≤a，0≤y≤b，解此帶有邊界條件的偏微分方程可得到均質土壤中氡濃度的分布。方程解選用有限差分法進行網格化處理后迭代計算求得，運用MATLAB可以實現正演計算模型可視化，其流程圖如圖2所示。

圖2 模型計算程序設計圖Fig.2 The design figure of model calculation program

2 氡遷移模型的驗證

為了檢驗模型在覆蓋層中運移規律的正確性，采用劉慶成等(1995)所做的氡在覆蓋層中運移模擬實驗。將135塊鈾含量為0.07%的礦石磚平鋪在長2 m、寬1.5 m、高1 m的水泥池底部作為放射源層，在放射源層上部裝上沙層，直到水泥池裝滿。之后用FD-3017RaA測氡儀分別在礦層上方15 cm，45 cm，75 cm處進行了多次測量。同時使用正演計算模型對實驗裝置進行模擬，得到各層的模擬值與測量值如表1所示。

表1 實驗模型介質中不同深度處氡濃度值Tab.1 The radon concentrations in different depth of the experiment model Bq·l－1

從表1中數據可以看到，根據實驗所做的實測值與理論計算值最大相對誤差為10.34%，最小為3.6%。由此可初步判定，當參數選取合適時，氡運移可視化模型能夠正確反映覆蓋層中氡濃度的變化規律。

3 下莊鈾礦田礦體覆蓋層正演研究

3.1 已知礦體概況

已知礦體1和礦體2上方土壤層中氡濃度測量選用FD-3017RaA測氡儀進行實測，沿著垂直于礦體走向方向分別布置13和15個物探測量點，測點點距為10 m，每個測點儀器采樣和測量時間均為3 min，測量工作按照氡氣測量規范進行，測量結果如圖3和圖4所示。

圖3 礦體1物探測量綜合剖面圖Fig.3 The comprehensive section figure of geophysical prospecting on NO.1 orebody

從圖3的1號礦體上方氡氣測量剖面曲線上看，只在50～80 m處有劇烈的異常跳變，氡的跳變值達5 437 Bq/m3。由已知的地質勘探剖面資料可知，該異常跳變帶對應于由賦存于斷裂破碎帶與中基性巖脈(輝綠巖脈)交界處的鈾礦體，頂部埋深在25 m深度處，斷裂破碎帶、輝綠巖脈和鈾礦體均呈陡傾角產出。

從圖4中可以看出，2號礦體上方氡氣測量曲線可以分成0～50 m和60～130 m兩個跳變帶。從已知的地質勘探剖面上可以看出，0～50 m跳變帶對應著一條規模較小的構造帶;而60～130 m的跳變帶對應著規模較大的一條構造帶，并且該構造帶與鈾礦成礦關系密切，對應著頂部埋深約為60 m的鈾礦體，故選取所測數據中50～140 m對模型進行驗證。

3.2 模型計算與實測數據比對

根據已有的對下莊礦田勘探成果和各類相應研究資料得知，下莊礦田土壤中氡遷移的部分參數

圖4 礦體2物探測量綜合剖面圖Fig.4 The comprehensive section figure of geophysical prospecting on No.2 orebody

如下:D=4 × 10－2cm2/s，v=1.5 × 10－3cm/s，β =0.028，pr=2.8g/cm3，ar=0.17，Dr=5 × 10－4cm2/s，A=4.2 ×10－4Bq/(m3·s)

礦體1的b=2 500 cm，w=1 000 cm

礦體2的b=6 000 cm，w=3 000 cm

模型計算結果與礦體實測數據比對如圖5和6所示。

從圖5中可以看到，礦體1模型計算結果與實際測量值基本吻合;從圖6中可見，礦體2模型計算結果與實際測量值基本吻合，只是礦體右邊具有偏差，由地質資料分析可知在110 m有斷層出現，斷層是氡運移的良好通道，在斷層上方氡濃度值增大，所以實測值比模型計算值要大。而在120～140 m地段，90 m附近的礦體所產生的氡氣，于110 m附近斷層形成的良好通道而快速遷移，對120～140 m的影響程度相對于正常均勻層減弱，從而形成實測值相對模型計算值下降。最后，通過對兩個已知礦體的模擬計算可以得出如下結論:當所研究礦體所處的地質條件與模型計算要求相似，模型在參數選取合適時，計算所獲得的結果與實測結果可以基本吻合，當地質條件較復雜時，模型還有待于進一步完善。

4 結論

依據氡的擴散和對流理論建立的礦體上方土壤層中氡遷移的二維模型，應用于下莊鈾礦田已知礦體上計算土壤氡濃度，與實測數據具有較好的吻合性。同時，利用實驗所獲得的不同深度處的氡濃度值與模型計算所獲得的數據之間誤差小于10.34%，初步驗證模型及模型所采用的數據計算方法是正確可行的。這對于用放射性氣體濃度的分布規律尋找鈾礦及解決某些地質問題具有一定的指導意義。

劉菁華，王祝文，王曉麗，等.2009.氡氣測量在佳木斯城市地下熱水普查的應用［J］.地球科學與環境學報，31(1):75-78.

劉慶成.1996.大地—大氣氡交換模型及環境氡濃度變化規律與影響因素的研究［博士論文］.北京:中國地質大學.

劉慶成，程業勛，章曄，等.1995.介質中氡運移的模擬［J］.華東地質學院，18(4):366-370.

金培杰.1996.氡氣測量在驪山北坡坡體病害工程地質研究中的應用效果［J］.中國地質災害與防治學報，7(3):68-72.

楊亞新，劉慶成，龍期華，等.2003.氡氣測量在下莊鈾礦田擴大礦床范圍中的應用［J］.物探與化探，27(3):184-186.

楊亞新，吳雅梅，吳信民，等.2007.應用氡氣測量和土壤天然熱釋光測量推斷花崗巖型鈾礦含礦部位——以下莊花崗巖型鈾礦田為例［J］.鈾礦地質，23(3):177-181.

王桂香，唐岱茂，張新軍.2001.氡氣測量在煤礦地質上的應用［J］.太原理工大學學報，32(5):523-526.

尹兵祥，王南萍，劉洪濤.2002.氡測量在油氣勘探中的應用［J］.石油大學學報(自然科學版)，26(2):23-25.

The Forward Study of Soil Radon Migration Model Above the Near Vertical Uranium Ore

ZHANG Ye， YANG Ya-xin， CHEN Yue， ZHENG Yong-ming， WU Xin-min
(East China Institute of Technology，Fuzhou，JX 344000，China)

The forward calculation of soil radon migration above the near vertical uranium ore was studied in the paper，and the two-dimensional model of soil radon migration above the near vertical uranium ore was established.The model was used to calculate the soil radon migration above the uranium ore of Xiazhuang uranium ore field，when the geological conditions of studied ore were similar to the request of the model calculation，and the appropriate parameters of the model were chose，the model calculation results and measurement results could be basically consistent were found.

Vertical uranium ore;radon migration;soil cover;forward

T631.6

A

1674-3504(2010)02-165-04

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.02.009

2009-12-01

國家基金項目(40774075);教育廳重點項目(贛教技字［2007］411號);教育廳青年基金項目(GJJ10175)。

張 葉(1982—)，女，從事核技術應用及輻射防護領域的教學和科研工作。