第一章 自然伽马测井和自然伽马能谱测井

‘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γ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。

γ+→X X AZ mAZ △E=h ν=hλc式中 h ν是伽马射线的能量，h 是普郎克常数，ν是频率，c 是光速，λ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)伽马射线的探测由上面的讨论可知，γ射线与物质相互作用的结果是，原入射能量的伽马光子消失，把入射γ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γ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。

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γ射线能量的分辨率高。

作简单，后者的优点是§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？γ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T21>107y的核素有：中量原子核衰变的特点是：β衰变，Ec电子俘获，α衰变较少；①主要衰变方式是-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 的衰变纲图为：仅有11%的4019K 原子核俘获一个轨道电子变为mAr 4018，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α衰变，也有-β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，T 21=4.468⨯109y ，丰度为99.25%Th 系列从23290Th 开始，质量数为A=4n ， T 21=1.411010⨯y ，丰度为100%锕系列从23592U开始，质量数为A=4n+3，T 21=7.038810⨯y ，丰度为0.72%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。

（1）钍系钍系从23290Th 开始，经10次衰变变为20882Pb(铅)，23290Th 的丰度为100%，半衰期为1.411010⨯y 。

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，r E >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：①主要伽马辐射体为：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧%61)(%6.5)(%1.6)(%2.26)(20881212832128228989丰度为铊丰度为铋丰度为铅丰度为锕Tl Bi Pb Ac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 （Tl 20881）图2b 钍衰变的γ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①23892U(铀系)丰度为99.276%，T 21=4.468910⨯y主要有跃迁及γβα-,，γ射线的能量为几十kev~3Mev ，r E >100kev 的谱线有80多条。

②23592U （锕系）丰度为0.7%，T 21=7.038810⨯y,主要有跃迁以及，γβα，伽马射线能量范围为：几十kev~0.89kev③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。

可见铀镭系中主要是镭组的贡献。

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镭组 U 23892占放出来γ能量的2%镭组（子体） 占放出γ射线能量的98% 铀镭系又分为：如下：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧%1.0%5.85)(%4.12)(2148321482其它占Bi RaC Pb RaB⑤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；iiii)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 ，r E >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 其中1.764Mev 是由Bi 21483与Tl 20881的衰变共同引起的。

U 系γ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，S i O 2含量可达35%~80%，其次是各种金属氧化物。

如，三氧化铝（Al 2O 3）,三氧化铁（Fe 2O 3）,氧化铁（FeO ），氧化镁（MgO ），氧化钙（CaO ），氧化钠（NaO ），氧化钾（K 2O ），二氧化钛（T i O 2）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⎩⎨⎧喷出岩侵入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。