第一章 自然伽马测井和自然伽马能谱测井 - 图文(2)

（1） 钍系

232232钍系从90Th开始，经10次衰变变为20882Pb(铅)，90Th的丰度为100%，半衰期为

1.41?10y。在递次衰变的过程中产生的自然伽马射线能量在几十kev到3Mev之间，

10Er>100kev的有60多条，可见其伽马射线谱是很复杂的。

钍系伽马射线的特征：

?28989Ac(锕)丰度为26.2%?212?82Pb(铅)丰度为6.1%①主要伽马辐射体为：?212?83Bi(铋)丰度为5.6 8??81Tl(铊)丰度为61%

钍系的伽马射线谱是由钍及其子体放出的伽马射线共同组成的。

②典型的伽马射线，全是22086Rn(氡)的子体产生的，主要的伽马射线有6条。 0.239Mev 0.338Mev 0.583Mev 0.911Mev 0.968Mev 2.614Mev（20881Tl） 图2b钍衰变的?谱（放射谱）所示：

③钍系的伽马射线谱线的特征与Th系所处的平衡状态有关。当平衡被破坏，则谱线随之变化。破坏的方式主要是氡气逸出；地下条件的变化等。

（2）

铀系（铀镭系），锕系

92①23892U(铀系)丰度为99.276%，T1=4.468?10y

主要有?,?及?跃迁，?射线的能量为几十kev~3Mev，Er>100kev的谱线有80多条。

②23592U（锕系）丰度为0.7%，T1=7.038?10y,主要有?，?以及?跃迁，伽马射

2?8线能量范围为：几十kev~0.89kev

③伽马射线的能量的范围

当考虑的能量Er>1Mev时，只有铀-镭系列的贡献；

当考虑的能量范围有低能段时，主要仍是铀镭系列的贡献，伴有少量比例的锕系的贡献。

镭组 23892U占放出来?能量的2%

铀镭系又分

可见铀镭系中主要是镭组的贡献。 镭组（子体） 占放出?射线能量的98% 为：

④U系中，主要是镭组的贡献，且又都是氡（22286Rn）的子体，主要的伽马辐射核素

?RaB(21482Pb)12.4%?214?RaC(83Bi)85.5%如下：?

?其它占0.1%?? ⑤铀——镭平衡时，23892U系的伽马能谱特征

i)能谱是U及其子体共同放出的，因平衡时各核素的含量比值（核素的数目之比），活度是一定的，有稳定的伽马射线谱；ii

ii)平衡时，伽马射线谱仍是很复杂的，伽马射线的能量的范围为0.1~3 Mev，

Er>100kev的谱线有80多条；主要的伽马射线的能量为：

0.295Mev 0.352Mev 0.609Mev 1.120Mev 1.764Mev

208其中1.764Mev是由214Tl的衰变共同引起的。 83Bi与81 U系?能谱的特征与衰变系列所处的状态有关，若放射性平衡被破坏，则能谱的特征随之发生变化。

二．铀、钍、钾在岩石中的分布

岩石按其成因可分为：岩浆岩（火成岩），变质岩和沉积岩三类。三大岩石在一定条件下可以互相转化。三者的关系如图所示：

岩浆是地球内部成分复杂的硅酸盐炽热的熔融体，主要成分是硅酸盐，SiO2含量可达35%~80%，其次是各种金属氧化物。如，三氧化铝（Al2O3）,三氧化铁（Fe2O3）,氧化铁（FeO），氧化镁（MgO），氧化钙（CaO），氧化钠（NaO），氧化钾（K2O），二氧化钛（TiO2）等。此外还含有少量的贵金属，有色金属及放射性元素。岩浆岩是岩浆在一定的地质作用下由地壳深处沿着一定的通道侵入地壳表层或喷出地表经过冷却和结晶而形成的岩石。

根据产状分为??侵入岩

?喷出岩研究表明岩浆岩的放射性，随着酸性的增强而增高。其中石英是无放射性的，长石云母因含钾而具有放射性；铁，镁矿物的放射性较高。其中的附生矿物放射性最强。客观世界中基本的变化有物理、化学、生物、核反应等，前三者都不能改变核的性质，即不能使一种元素变为另一种元素。常见的岩浆岩：花岗岩、安山岩、闪长岩、玄武岩，流纹岩，放射性都较强。

1． 沉积岩的放射性

在地壳表层条件下，由早期形成岩石的风化产物和有机质等，通过风或水的搬运，水的溶解，生物的作用，沉积于河流，湖泊，海洋等处，再经成岩作用而形成的岩石称为沉积岩。

沉积岩的形成过程如下：母岩经过物理的，化学的，生物的作用，形成碎屑物质，或溶解于水中，或存在于生物体上，经过搬运，沉积形成碎屑沉积物，化学—生物—碎屑沉积物等，再经过成岩改造形成沉积岩岩石。

沉积岩的分类方案比较多。根据成因和物质成分又分为：碎屑岩，化学岩，生物岩。碎屑岩按碎屑的来源又可分为陆源碎屑和火山碎屑两个子类；再按结构分为：碎屑岩，

?粘土?泥质岩?泥岩

?页岩?含化学成因的岩类，按照三种过程（物理，化学，生物过程）参与的程度不同分为：纯化学岩石类，如蒸发岩类（石膏岩，盐岩等）锰质岩，铜质岩等；化学生物-碎屑岩，如碳酸盐岩，硅质岩等；有机生物岩，如煤，油页岩等。

研究表明，沉积岩的放射性具有如下的特点：纯岩石（如纯砂岩，灰岩等）的伽马放射性较低；泥岩，页岩的放射性较高；一般的岩石除基岩本身的一小部分贡献外主要是由泥质，粘土矿物引起的。泥质的含量越高，伽马放射性就越高。

2． 变质岩

变质岩的放射性与其母岩的放射性相同，这是因为各种元素形成的岩石在不同温度，压力条件下引起的物理的，化学的变化，并不改变原子核的性质，放射性是原子核的变化引起的。在地壳运动和岩浆的作用下，使地下深处形成的岩浆岩和沉积岩发生物理化学性质变化的作用，叫变质作用。由变质作用形成的岩石成为变质岩。由岩浆岩形成的变质岩叫正变质岩；由沉积岩形成的变质岩称为负变质岩。

总之，自然界中钾，铀，钍的分布，除少数的铀，钍和钾矿物外，均以杂质的形式存在于各种岩石中；铀钍钾的含量与其化学性质有关，与岩石的沉积环境，物源供给，沉积时的水动力环境等因素有关，与有机质的含量有关，并且随着有机物的变化，伽马放射性也会发生变化。铀矿物含量的高低还与岩石成岩后地下水的活动有关，因铀盐易溶解于水中，例如：在碳酸盐岩缝洞处，由于地下水的流过，铀盐矿物易吸附沉淀在流经的岩壁上。

§3 自然伽马射线强度沿井轴的分布

1． 无限均匀地层中的伽马射线的强度。

设地层的密度为?，每克岩石中含q克放射性物质，每克物质在单位时间中放出a个伽马光子；地层的吸收系数为u,则体积元dv中的伽马射线对距离为r的M点产生的伽马射线强度为：dJ=

aq??uredv 24?r在球坐标下，dv?r2sin?d?d?dr,即 dJ=

aq?sin?e?urd?drd? (这里有一张图) 4?2?aq?J=

4??r?urd?sin?d?e???dr=000aq? u这是在无限均匀放射性地层中任意一点的伽马射线强度。 2． 有限厚放射性地层伽马射线沿井轴的分布

设有半径为r0的井垂直钻过厚度为h的水平状放射性地层，如图所示： 选用柱坐标系，把坐标原点选在M点，则放射性地层体积元dv对M点的贡献为 dJ=

aq??uRedv 24?R则 J=dJ?v?aq?d???0z4?2?2z?hdz?erdr

r0r2?z2??ur2?z2?ur?z?eaq?z?h J=dz?2rdr 2?zr02r?z2将所有的长度单位以井眼半径为单位。 即作变量代换：r1?``rzz,z?,z1`?1 rz0r0h1,B1?aq?r0 r02 h?则原式=B1?`z1?h``z1dz`?r01e?ur0r?z``rdr `2`2r?z`2`2`2`2再作变量代换：t?ur0r?z

`z1?h原式=B1?`z1dz?`?ur01?z`2e?tdt t这样，对于给定的地层厚度h,给定一个z值，就可以计算一个J1(z)的值，从而就可以得到厚度为h的地层沿井轴的伽马射线强度分布。同样，如果对于不同的h值，则可以作出不同厚度地层的响应曲线。具体计算表明：

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