【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 8142813?反應(yīng)產(chǎn)物是放射性核素，將發(fā)生 β衰變，半衰期為，伴隨發(fā)射能量為 γ射線。 ?利用這一反應(yīng)的測(cè)井方法叫硅測(cè)井，是識(shí)別巖性的一種測(cè)井方法 。 ? 3）鋁活化核反應(yīng)： PMgnAl 112712102713 ???產(chǎn)生的 Mg是放射性核素 ， 以半衰期 γ衰變 ， 放出 γ射線 。利用這一核反應(yīng)的測(cè)井方法就是鋁活化測(cè)井 。 ? 1） 彈性散射過程： 高能中子在極短的時(shí)間內(nèi) ，經(jīng)過一 、 二次非彈性碰撞損失了大量的能量后 ， 中子已沒有足夠的能量再同原子核發(fā)生非彈性散射 ， 此時(shí) ， 中子與原子核發(fā)生碰撞后 ， 系統(tǒng)的總動(dòng)能不變 ， 中子所損失的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)變成反沖核的動(dòng)能 ， 而反沖核仍處于基態(tài) 。 反應(yīng)式為： ?主要發(fā)生在中子發(fā)射后的 106~105s時(shí)間間隔內(nèi) 。 彈性散射 nXnX 1010 ??? AZAZ? 2） 碰撞前后中子的動(dòng)能比值 E2/E1： 每次彈性碰撞后 ， 快中子的能量損失與靶核的質(zhì)量數(shù) A、 入射中子的能量 E1以及散射角 θ有關(guān) 。 由動(dòng)量守恒和能量守恒定律 ， 可得 )c os21()1(1212122212212 ?AAAmvmvEE??????對(duì)上式討論： ?當(dāng) θ=0o時(shí)，中子動(dòng)能沒損失， E2最大， E2=E1。 ?當(dāng) θ=180o時(shí)，即發(fā)生正碰撞時(shí)，中子的動(dòng)能損失最大， E2最小，有 2212)1()1(???AAEE?一次碰撞，中子可能的最大能量損失為： 1221m a x 111 EAAEEE??????????????????????可見： 中子與氫核碰撞有可能損失全部能量；原子核的質(zhì)量數(shù)越大 ， 一次碰撞損失的最大能量急劇減少 。 核素 A質(zhì)量數(shù) ΔEmax/E1 1H 1 1 12C 12 16O 16 238U 238 ?在核物理中常用每次碰撞的平均對(duì)數(shù)能量消耗 ζ來表示物質(zhì)對(duì)中子的減速能力 。 ?ζ的定義： 每次碰撞前后中子能量自然對(duì)數(shù)差的平均值 ， 有 11ln2 )1(1)/l n(221 ??????AAAAEE?3）平均對(duì)數(shù)能量損耗（減縮） ?當(dāng) A10時(shí) ， 上式近似簡(jiǎn)化為 ?可見： 當(dāng)質(zhì)量數(shù)大于 10時(shí) ， 平均對(duì)數(shù)損耗是由靶核的質(zhì)量數(shù) A決定的 ， 與中子的能量近乎無關(guān) 。 3/22?? A??中子從初始能量 E0減速到或慢化到熱中子能量Et= 。 4）熱化碰撞次數(shù) /散射次數(shù) n ?)( 0En ?靶核 質(zhì)量數(shù) A δ n(E0=2MeV) 1H 1 1 18 7Li 7 67 9Be 9 86 12C 12 114 16O 16 150 24Mg 24 226 ?可見： 靶核的質(zhì)量數(shù)越小，慢化到熱中子所需的碰撞次數(shù)越少。氫的碰撞次數(shù)最少，即慢化能力或減速能力最強(qiáng)。 ?可見：可見氫是地層中最強(qiáng)的中子減速劑或慢化劑。 ?這是中子測(cè)井得物理基礎(chǔ)。 靶核 質(zhì)量數(shù) 中子反應(yīng)全截面 1H 1 2H 7 9Be 9 12C 12 16O 16 ? 1） 熱中子定義： 快中子經(jīng)過一系列的非彈性碰撞及彈性碰撞 ， 能量逐漸減小 ， 最后當(dāng)中子的能量與組成地層的原子處于熱平衡狀態(tài)時(shí) ， 中子不再減速 。 處于這種能量狀態(tài)的中子稱為熱中子 。 ?在溫度為 25℃ 時(shí) ， 標(biāo)準(zhǔn)的熱中子能量為 ，速度為 105cm/s。 熱中子的擴(kuò)散與輻射俘獲 ? 2） 熱中子的擴(kuò)散： 熱中子在介質(zhì)中的擴(kuò)散過程與氣體分子的擴(kuò)散相類似 ， 即從熱中子密度大的區(qū)域向密度小的區(qū)域擴(kuò)散 ， 直到被該介質(zhì)中的原子核俘獲為止 。 ? 3） 熱中子的輻射俘獲反應(yīng)： 物質(zhì)中的原子核俘獲一個(gè)熱中子而變成激發(fā)態(tài)的復(fù)核 ， 處于激發(fā)態(tài)的復(fù)核放射出一個(gè)或幾個(gè) γ光子而回到基態(tài) 。 這一反應(yīng)稱為輻射俘獲核反應(yīng) ， 也稱 （ n，γ） 反應(yīng) 。 反應(yīng)式為 : ????? ?? ZZnZ AAA 101? 4） 熱中子擴(kuò)散與輻射俘獲核反應(yīng)的意義： ?在輻射俘獲反應(yīng)中放出的 γ射線叫 俘獲 γ射線 ， 測(cè)井上習(xí)慣稱為 中子 γ射線 。 ?以輻射俘獲反應(yīng)為基礎(chǔ)的測(cè)井方法叫中子 γ測(cè)井方法 。 不同元素的原子核具有不同的能級(jí) ， 它們放出的 γ射線能量也不同 ， 這是中子 γ測(cè)井方法的物理基礎(chǔ) ?熱中子活化反應(yīng)： 熱中子使某些原子核活化主要是與這些原子核產(chǎn)生 （ n， γ） 核反應(yīng) 。 反應(yīng)產(chǎn)生的新核往往是放射性的 ， 新核以一定的半衰期衰變 ， 并伴隨發(fā)射出一定能量的 γ射線 。 這是熱中子活化測(cè)井的物理基礎(chǔ) 。 熱中子的活化反應(yīng) ?本章主要介紹核輻射測(cè)井的地質(zhì)基礎(chǔ) ， 巖石的天然放射性 ， 地層中伽馬射線的分布 ，巖石的散射伽馬射線特征 ， 巖石的中子特性及中子通量的空間分布 。 167。 3 核輻射測(cè)井的巖石核物理基礎(chǔ) 第一節(jié) 核輻射測(cè)井的地質(zhì)基礎(chǔ) ?目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)地層中的元素有 100多種 ， 幾乎 所有的化學(xué)元素 都能在地層中找到 。 但主要的地層元素只有少數(shù)幾種 。 ?在地殼內(nèi)化學(xué)元素含量按重量百分比大小的分布依次為 O、 Si、 Al、 Fe、 Ca、 Na、 K、 Mg、 H、 Ti、C、 Cl等 。 一、地層元素分布及含量 ?各元素在地層中的總量分布極不均勻 ， 前三種元素 O、 Si和 Al總量占地殼總量的 %； ?前 9種即 O、 Si、 Al、 Fe、 Ca、 Na、 K、 Mg和 H總量占地殼總量的 %； ?而其余元素僅占地殼元素總量的 %。 ?核輻射測(cè)井所關(guān)心的 不是 地層中 所有 的元素 ， 而是含量在前 10種元素 。 ?巖石按成因可分為 巖漿巖 、 沉積巖 和 變質(zhì)巖 三大類 。 1） 變質(zhì)巖： ?變質(zhì)巖是由 巖漿巖或沉積巖 經(jīng)各種 內(nèi)力地質(zhì)作用形成的 ， 其物質(zhì)組成與變質(zhì)前的巖石直接相關(guān)（ 這里不再介紹 ） 。 二、巖石礦物及其指示元素 地層中的巖石及礦物 2） 巖漿巖： ?巖漿巖主要分布在地層深處 ， 其體積占地層巖石的 95%。 ?巖漿巖礦物種類繁多 ， 主要有以下礦物：石英（ 12%） 、 長(zhǎng)石 （ 59%） 、 角閃石及輝石 （ 17%） 、云母 （ 4%） 、 橄欖石 、 霞石 、 石榴石 、 磁鐵礦 、磷灰石 （ 共 8% ） 等 。 其余礦物只占 1%。 3） 沉積巖： ?沉積巖已知的礦物有 100多種 ， 其中常見的有 20多種 ， 這些礦物可分為：石英類 、 長(zhǎng)石類 、 云母類 、粘土礦物類 、 碳酸鹽巖及硫酸鹽巖類 、 氯化物 、鐵和錳的氧化物等 。 ?以粘土為主要成分的沉積巖屬于粘土巖 。 粘土巖在沉積巖中分布最廣 ， 約占沉積巖總量的60%~70%左右 。 Al2O3在泥巖中含量最多的礦物 ，為 15%~21%。 ?礦物的指示元素： 是指選取能夠充分表征該礦物特征的極少數(shù)元素作為該礦物的代表 。 ?例如選取 Si作為石英的指示元素 ， Ca作為石灰?guī)r的指示元素 ， Mg和 Ca為白云巖的指示元素 。 ?對(duì)于復(fù)雜的礦物 ， 則可以選取 2~3種元素作為指示元素 ， 如鉀長(zhǎng)石就是選取 Si、 Al和 K作為指示元素 。 礦物的指示元素 ?如果每種礦物的化學(xué)成分穩(wěn)定時(shí)，礦物中元素含量的百分比也是不變的，這是核輻射測(cè)井通過測(cè)量地層中元素的含量來判斷地層的礦物成分和流體類型及含量的前提條件。 為什么核輻射測(cè)井可以通過測(cè)量地層的元素含量來判斷礦物成分 ？ 礦物 /流體 主要元素含量順序 石 英 石灰?guī)r 白云巖 鉀長(zhǎng)石 伊利石 云 母 石 膏 水 油 氣 O、 Si O、 Ca、 C O、 Ca、 Mg、 C O、 Si、 Al、 H、 K、 Mg、 Fe O、 Si、 Al、 K、 Mg、 Fe O、 Si、 Al、 H、 K、 Mg、 Ca O、 Ca、 S O、 H、 Cl、 Na C、 H 地層礦物及其元素 第二節(jié) 巖石的天然放射性特征 ?巖石的自然放射性是由 巖石中放射性核素 及其 含量 決定的 。 ?自然界中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)有元素中 ， 已發(fā)現(xiàn)的天然核素有 330多種 ， 其中 273種為穩(wěn)定核素 ， 60余種位放射性核素 。 ?在自然界中原子量 A209的核素多數(shù)是穩(wěn)定的 ，只有少數(shù)是放射性的 ， 如 40K；而 A209的核素全部都是 放射性 的 。 一、巖石中放射性核素 ?自然界中有三個(gè)天然放射系 ， 即 鈾系 、 釷系 和 錒系 。 ?它們的初始核素分別為 238U、 232Th和 235U。 238U的豐度為 %， 而 235U的豐度只有 %， 所以錒系對(duì)巖石放射性的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略 。 ?巖石的自然放射性主要是由 238U和 232Th開頭的兩個(gè)放射系和放射性核素 40K決定的 。 巖石的天然放射性系列 ?釷系 80 82 84 86 88 90 92204208212216220224228232236 107s AZThRa Ac ThRaRnPoPb Bi PoTl Pb 1010y h y y d s s h mi n( % ) mi n( % ) mi nαβ?鈾系 80 82 84 86 88 90 92 94204208212216220224228232236240αβ 4 104s 103y 104y 105y 109y AZUTh Pa UThRaRnPoPb Bi PoTl Pb Bi PoPb d mi n d mi n mi n mi n( 6%) mi n( % ) d138d i n y?錒系 80 82 84 86 88 90 92 94204208212216220224228232236240αβ 4 104s 103y 104y 105y 109y AZUTh Pa UThRaRnPoPb Bi PoTl Pb Bi PoPb d mi n d mi n mi n mi n( 6%) mi n( % ) d138d i n y天然放射衰變系的共同特點(diǎn) ?長(zhǎng)壽命的系列起始的核素： 1081010年 ?系列最后都是穩(wěn)定的鉛的同位素 ?每個(gè)系列都有一個(gè)氡的同位素，是氣體 地層中不成系列的天然放射性核素 ? K40： T1/2＝ 109年； 3種同位素： K39（ 豐度： ％ ） ； K40（ 豐度： ％ ） ； K41（ 豐度： ％ ） 。 1g天然鉀每秒放出 28個(gè)能量為 β粒子和 3個(gè) γ光子 ， 是自然伽馬測(cè)井中重要元素 。 鉀為生命的必要元素 ， 成人體內(nèi) 60 Bq/kg, ?核衰變放出的 γ光子具有特定的能量 。 測(cè)得地層中γ光子的能量往往可以確定地層中存在某種核素 。 ?鈾系的能譜中可觀察到大約 80條 γ射線譜線；在釷系中可觀察到大約 60條 γ射線譜線 。 ?因?yàn)槟芰啃∮?100keV的光子在穿透地層和儀器外殼時(shí)大量被吸收 ， 它們對(duì)自然 γ測(cè)井讀數(shù)的影響可以忽略不計(jì) ， 因而只須注意能量大于這一數(shù)值的 γ輻射 。 自然伽馬和自然伽馬能譜測(cè)井的機(jī)理 巖漿巖中的天然放射性核素分布 ： ?石英 基本上不含放射性雜質(zhì) 。 ?長(zhǎng)石和云母 含有地層中大部分的鉀 ， 其中 40K是放射性核素 。 ?角閃石和輝石 中放射性核素含量更高一些 。 二、天然放射性核素在巖石中的分布 沉積巖中天然放射性核素分布： ?沉積巖分為 碎屑巖 、 化學(xué)巖 （ 包括生物化學(xué)巖 ）和 粘土巖 三大類 。 1） 粘土巖 粘土巖 是油氣測(cè)井中遇到的含有放射性核素最多的礦物 ， 它主要由粘土礦物組成 。 ?高嶺石：