張 葉， 楊亞新， 陳 越， 鄭勇明， 吳信民

(東華理工大學(xué)，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(xué)，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(dāng)所研究礦體所處的地質(zhì)條件與模型計算要求相似，模型在參數(shù)選取合適時，計算所獲得的結(jié)果與實測結(jié)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(zhì)構(gòu)造、地震等某些特征。在地質(zhì)勘察工作中，氡氣測量廣泛應(yīng)用于浮土覆蓋地區(qū)找尋鈾礦、進行地質(zhì)填圖、探測隱伏構(gòu)造、找尋基巖地下水和地?zé)帷⒔鉀Q有關(guān)工程地質(zhì)問題、發(fā)現(xiàn)含金構(gòu)造帶、找尋石油天然氣、探測煤田地下火區(qū)、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(guī)律，對于地質(zhì)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(dǎo)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(jù)任意多孔介質(zhì)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(shù)(cm2/s);V為覆蓋層中氡的對流速度(cm/s);λ為氡的衰變常數(shù)(s－1);η為巖石、土壤孔隙度;A為單位體積介質(zhì)中活動氡的產(chǎn)生率(Bq/s·cm3)。

其對應(yīng)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(shù)，C0為礦體表層氡濃度，［0，a］和［0，b］所圍成的區(qū)域為研究區(qū)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(zhì)土壤中氡濃度的分布。方程解選用有限差分法進行網(wǎng)格化處理后迭代計算求得，運用MATLAB可以實現(xiàn)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(shè)計圖Fig.2 The design figure of model calculation program

2 氡遷移模型的驗證

為了檢驗?zāi)Ｐ驮诟采w層中運移規(guī)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?zāi)Ｐ徒橘|(zhì)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(shù)據(jù)可以看到，根據(jù)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(dāng)參數(shù)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(guī)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(guī)范進行，測量結(jié)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(zhì)勘探剖面資料可知，該異常跳變帶對應(yīng)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(chǎn)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(zhì)勘探剖面上可以看出，0～50 m跳變帶對應(yīng)著一條規(guī)模較小的構(gòu)造帶;而60～130 m的跳變帶對應(yīng)著規(guī)模較大的一條構(gòu)造帶，并且該構(gòu)造帶與鈾礦成礦關(guān)系密切，對應(yīng)著頂部埋深約為60 m的鈾礦體，故選取所測數(shù)據(jù)中50～140 m對模型進行驗證。

3.2 模型計算與實測數(shù)據(jù)比對

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

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(jié)果與礦體實測數(shù)據(jù)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(jié)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(jié)果與實際測量值基本吻合，只是礦體右邊具有偏差，由地質(zhì)資料分析可知在110 m有斷層出現(xiàn)，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(chǎn)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?qū)訙p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(jié)論:當(dāng)所研究礦體所處的地質(zhì)條件與模型計算要求相似，模型在參數(shù)選取合適時，計算所獲得的結(jié)果與實測結(jié)果可以基本吻合，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較復(fù)雜時，模型還有待于進一步完善。

4 結(jié)論

依據(jù)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(yīng)用于下莊鈾礦田已知礦體上計算土壤氡濃度，與實測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)之間誤差小于10.34%，初步驗證模型及模型所采用的數(shù)據(jù)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(guī)律尋找鈾礦及解決某些地質(zhì)問題具有一定的指導(dǎo)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(yīng)用［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報，31(1):75-78.

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

劉慶成，程業(yè)勛，章曄，等.1995.介質(zhì)中氡運移的模擬［J］.華東地質(zhì)學(xué)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(zhì)研究中的應(yīng)用效果［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)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(yīng)用［J］.物探與化探，27(3):184-186.

楊亞新，吳雅梅，吳信民，等.2007.應(yīng)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(zhì)，23(3):177-181.

王桂香，唐岱茂，張新軍.2001.氡氣測量在煤礦地質(zhì)上的應(yīng)用［J］.太原理工大學(xué)學(xué)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(yīng)用［J］.石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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，F(xiàn)uzhou，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(shù)應(yīng)用及輻射防護領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。