第一章 自然伽马测井和自然伽马能谱测井 - 图文

‘0、核测井原理概述

核测井这门课程是和《原子核物理基础》是相互衔接的一门课程。本课程的重点是自然伽马测井自然伽马能谱测井，密度测井，中子测井以及核磁测井方法原理的讨论，资料的解释应用只稍作提及。

核测井，在核磁共振测井出现之前，我们又叫做放射性测井。放射性测井主要有三种方法：自然伽马测井测量地层的天然放射性；密度测井测量人工伽马源与地层作用后的?射线；中子测井利用中子作用于地层作用，然后测量经地层慢化后的中子，或中子核反应产生的伽马射线。这些测井方法主要用于了解地层的岩性和测量地层的孔隙度。密度测井与中子测井结合也可用来判别储集层空间中的流体性质。

核磁测井严格地说不是放射性测井方法，核磁测井利用氢核具有核磁在外磁场作用下的共振吸收特性，测量地层中的氢核的状态和数目，进而求得地层的孔隙度，束缚水饱和度等参数。

第一章 自然伽马测井和自然伽马能谱测井

自然伽马测井测量地层中天然放射性矿物放出的伽马射线来了解地层的岩性等方面的特性。本章从五个方面来讨论：1.伽马射线的测量（自然伽马测井的物理基础）；2.岩石的放射性来源(自然伽马测井的地质基础)；3.井中自然伽马的测量；4. 自然伽马测井资料的应用;5.最后介绍自然伽马能谱测井的原理及其应用。

§1 伽马射线及其探测 1、 伽马射线及其性质

(1)伽马射线：处于激发态的原子核，回到基态时，放出伽马射线。伽马射线是一种能量很高，波长很短的电磁波。

AA ZXm?ZX??

△E=h?=h

c?

式中 h?是伽马射线的能量，h是普郎克常数，?是频率，c是光速，?是波长。岩石地层中放出的伽马射线的能量范围为1kev~7Mev.

(2)伽马射线与物质的相互作用

如前所述，伽马射线射入物质后主要与物质发生三种相互作用。

光电效应：伽马射线的全部能量转移给原子中的电子，使电子从原子中发射出来，

伽马光子本身消失的现象，称为光电效应。

康普顿效应：入射的伽马光子与核外电子发生非弹性散射，光子的一部分能量转移给电子，使原子中的电子被反冲出来，而散射光子的能量和运动方向发生变化的现象。

电子对效应：当伽马光子的能量大于1.02Mev时，光子与靶原子核的库仑场相互作用，光子转化为正负电子对的现象。

(3)伽马射线的探测

?射线与物质相互作用的结果是，由上面的讨论可知，原入射能量的伽马光子消失，

把入射?光子的全部能量或部分能量转移给带电粒子（电子）。也就是说，由于伽马射线的射入，在物质中产生了有运动能的带电粒子。电子通过物质时，使原子产生激发或电离，电子本身在运动过程中逐渐损失能量。

如果电子的能量高，则在物质中穿行时，产生激发或电离的原子数目就多。 利用上述伽马射线与物质相互作用的机制，我们就可以制作相应的伽马射线探测器。

目前?射线的探测应用广泛的是闪烁探测器。闪烁探测器的优点是探测效率高。其探测装置如图1所示。探测装置由探头，高压电源，前置放大器，主放大，分析记录仪器等组成。其中探头主要由闪烁体和光电倍增管构成。闪烁探测器探测伽马射线的原理如下：

（1） 伽马射线入射到闪烁探测器的晶体（NaI(Tl)）内，与物质发生三种相互作用，产生不同能量的带电粒子（电子）；

（2） 带电粒子在探头晶体的运动引起探头晶体原子的激发，退激时发出荧光； （3） 荧光光子经光子耦合剂（硅脂）引入光电倍增管中；

（4） 光子打到光电倍增管的光阴极上，与光阴极板材料发生光电效应。荧光被吸收，产生光电子束；

（5） 光电子被电场聚焦和加速，打到光电倍增管的各电极上，逐级倍增； （6） 倍增后的电子，在光电倍增管的阳极上产生一个电流脉冲，在阳极的负载电阻上产生一个电压脉冲；

（7） 电压脉冲被放大，整形后送入相应的记录仪器进行记录，分析。 上述测量射线的过程尽管有若干步骤，实际上是瞬间完成的。

从上面的探测原理可以看出，如果伽马光子的能量高，则光电效应的光电子能量就高，光电子在探头内运动时激发的原子就多；在探头的闪烁体内产生的荧光就多；进而在光电倍增管的光阴极上产生的光电子就多；经光电倍增管倍增后在阳极上产生的电流脉冲就高，即在负载电阻上输出的电压脉冲幅度就高。电压脉冲经放大和整形后，送入相应的记录仪器记录。

记录仪器可以分为两种：一种是仅记录脉冲的个数，称为定标器；另一种是不仅记

录脉冲的个数，并且根据脉冲电压的高低，分别进行记录，称为脉冲幅度分析器。记录的是射线能谱（仪器谱）。

探测伽马射线的探测器还有盖格—弥勒计数器，半导体探测器。前者的优点是制作简单，后者的优点是?射线能量的分辨率高。

§2 岩石的自然伽马放射性（自然伽马测井的地质基础）

自然伽马测井，自然伽马能谱测井，测量的是天然岩石的放射性。为此，我们要了解自然界的岩石中有哪些放出伽马射线？其半衰期是多少？其含量（或者说其丰度）如何？?放射性的多少与测量岩石之间的关系如何等问题。

（1）岩石中的放射性核素

在自然界中存在92中元素，330多种核素，有270种是稳定的核素，有60多种是不稳定的核素。

研究表明，对于质量数A?209的核素，大部分是稳定的，20多种是不稳定的；对于质量数A>209的核素，全部都是不稳定的，主要的是铀系，钍系，锕系的成员。

1． 天然轻核，中量核（A<209）的不稳定核素 对于半衰期

T

1>10y的核素有：

27

元素名称 核素 原子量 半衰期 丰度 衰变方式及能量 元素在沉积岩中的含量 % 2% 英文 Potassium 中文 钾 AZX A 39.96670 % 0.0117 Mev 4019K 1.28?109y ??，1.325 Ec,?,1.461??，0.71 Ec,?,1.59??，??Vanadium 钒 5023V 49.947164 6.0?1015y 0.250 ？ Selenium 硒 8234Se 81.916707 1.4?1020y 9.2 ？ 几十ppm <0.1ppm ? ? Rubidium Indium Tellurium Iodine 铷 铟 碲 碘 8737Rb In 114.903871 129.906238 128.90498 128.90498 4.8?1010y 27.83 95.7 34.7 ？ ??，0.272 ?? 双?? 115495.1?1014y 2.0?1021y 1305212953Tc I 1.6?107y ??,0.150 ?,0.0376??,0.205 ?,0.788,1.436?,1.83 Lanthanum 镧 13857La 137.906916 1.1?1011y 0.089 10~20ppm Neodymium 钕 Samarium Tantalum Rhenium Osmium Lutecium 钐 钽 铼 锇 镥 14460Ne 143.91003 146.914867 179.947514 186.955833 185.953870 175.942600 2.1?1015y 1.06?1011y 23.8 15.1 ? 几十ppm ? ? ? 1476218073187751867617671Sm ?,2.233 Ta Re 1.0?1013y 4.0?1010y 2.0?1015y 3.6?10y 0.0123 62.6 1.6 2.61 ??,0.00265 ?,2.75 Os Lu <1ppm ?,0.565 ?,0.3068,0.2018

中量原子核衰变的特点是：

①主要衰变方式是?衰变，Ec电子俘获，?衰变较少； ②半衰期长的元素不多；③不成递次衰变系列；

?

④除元素钾在沉积岩中含量较高外，其它都不高。

由此可见，对于中等质量的原子核的伽马放射性只考虑4019K的射线外，其它放射性核素可不与考虑。

4019K Ec 11% ??,89%,E??1.32Mev Er?1.46Mev 4020Ca 4018Ar 4019K的衰变纲图为：

40m仅有11%的4019K原子核俘获一个轨道电子变为18Ar，处于激发态，退激时放出

1.46Mev的伽马光子。

2．重核A>209 （A是质量数）

重核衰变的特点是：主要是?衰变，也有?衰变，Ec及伽马跃迁。通常半衰期很长，全部包含在三个天然放射性系列中（铀系，钍系，锕系）。

U系列从23892U开始，质量数为A=4n+2，T1=4.468?10y，丰度为99.25%

29?232Th系列从90Th开始，质量数为A=4n， T1=1.41?10y，丰度为100%

210锕系列从23592U开始，质量数为A=4n+3，T1=7.038?10y，丰度为0.72%

28由前面有关放射性平衡的讨论中指出，对于递次衰变系列，不管各子体的衰变常数如何，只有半衰期最长者支配整个衰变系列的衰变。也即在足够长的时间后，整个系列只剩下半衰期最长者及其后面的子体，且都按最长的衰变常数衰变。

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