航空伽玛能谱测量大气氡的影响研究

摘" 要：该文阐述上测法结合基线数据在航空伽玛能谱数据处理中大气氡校正的应用，包含上测法的原理和方法、航空伽玛能谱数据处理和基线的作用。使用该方法能够对航空伽玛能谱数据进行修正，但由于上测法大气氡校正时引入较大的不确定度，数据条带仍存在，进一步调平后，大气氡对航空放射性铀道数据的影响基本消除，实际应用效果较好。

关键词：航空伽玛能谱测量；基线；大气氡校正；上测法；调平

中图分类号：TL817.2" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）35-0031-04

Abstract： This paper describes the application of the up-measurement method combined with baseline data in atmospheric radon correction in airborne gamma spectrum data processing， including the principles and methods of the up-measurement method， airborne gamma spectrum data processing and the role of baseline. Using this method， the airborne gamma spectrum data can be corrected. However， due to the large uncertainty introduced during the correction of atmospheric radon by the up-measurement method， the data strips still exist. After further leveling， the atmospheric radon on the airborne radioactive uranium channel data. The impact of the data is basically eliminated， and the practical application effect is satisfying.

Keywords： airborne gamma spectroscopy; baseline; atmospheric radon correction; up-measurement method; leveling

航空伽玛能谱测量[1-2]的影响因素很多，其中大气氡因其衰变子体214Bi是天然放射性铀系中最主要的伽玛辐射体，成为航空伽玛能谱测量本底中最大的影响因素。大气氡主要来源于地表土壤和岩石。土壤和岩石中均存在一定的量的天然放射性系列：铀系、钍系、锕铀系，这些天然放射性系列中的核素经衰变[3]产生氡及其子体，随周围环境因素（温度、压力等）改变，引起扩散对流等作用，使得氡及其子体从土壤和岩石的裂隙中迁移至大气中。大气氡衰变产生的辐射分量，将严重干扰航空伽玛能谱测量系统各计数窗记录的数据所反映的陆地放射性[4-5]的真实性，而航空伽玛能谱测量系统并不能自动消除这种干扰。

国际原子能机构IAEA-323报告[6]中使用上测法来测量大气氡，即在测量系统中增加上视探测器。这种附属探测器的测量立体角一般为180°，记录来自飞机以上半空间的辐射计数率。该方法能够有效去除大气氡本底。由于大气氡及其子体的分布与变化的复杂性，在实际的航空伽玛能谱测量中，还须增加基线测量来监测大气氡的重要环节，通过早晚基线数据变化来反映大气氡的影响及航空伽玛能谱数据的变化。

鉴于此，笔者在本文中介绍了上测法修正大气氡的原理、本底扣除方法以及大气氡修正系数的获取。将上测法和基线测量数据结合，以江苏省某金刚石勘查区航空伽玛能谱测量为实例，研究大气氡对航空伽玛能谱测量的影响，并运用到数据处理中，取得了较好的效果。

1" 上测法修正大气氡的原理

上测法修正大气氡的详细步骤如下。

步骤一，确定上下测探测器对大气氡计数率之间的关系。这需在动态带水面上进行一系列飞行测量可得。因为水体上测的数据去掉飞机和宇宙射线本底外，只剩下氡计数，此时各窗计数率变化只是空中214Bi的变化。铀道（下测铀道）计数率和钾道、钍道、总道及上测铀道计数率存在线性关系，如式（1）所示

ur=aUUr+bU

Kr=aKUr+bK

Tr=aTUr+bT

Ir=aIUr+bI，（1）

式中：ur为上测铀窗中氡的计数率的数值，单位为计数每秒（1/s）；Kr为下测钾道中氡的计数率的数值，单位为计数每秒（1/s）；Ur为下测铀道中氡的计数率的数值，单位为计数每秒（1/s）；Tr为下测钍道中氡的计数率的数值，单位为计数每秒（1/s）；Ir为下测总道中氡的计数率的数值，单位为计数每秒（1/s）。aU，aK，aT，aI为（U、K、T、I）校准常数，通过实测可求得，即各道的计数减去飞机本底与宇宙射线本底的计数，拟合可得。

理论上宇宙射线及飞机本底被完全去掉之后，式（1）中常数bI应为零。但是实际上bI有一个很小的非零剩余值。

步骤二，确定上下测探测器对地面辐射的计数之间关系。上测探测器对地面辐射的计数率ug取决于地面的铀和钍含量。这和下测探测器的铀、钍窗对地面辐射也取决于地面铀和钍的含量一样。所以，上测探测器地面组分与下测探测器地面组分的关系。将相应飞行高度上探测器各道陆地上空计数率减去水域上空计数率消除大气氡、飞机本底和宇宙射线对测量的影响，剩余计数率仅来自地面伽玛辐射成分，如式（2）所示

ug=a1Ug+a2Tg， （2）

式中：ug为地面组分对上测铀窗的影响的数值，单位为计数每秒（1/s）；Ug为地面组分对下测铀窗的影响的数值，单位为计数每秒（1/s）；Tg为地面组分对下测钍窗的影响的数值，单位为计数每秒（1/s）；a1、a2为校准常数，通过一组比ug、Ug、Tg计算值，使用最小二乘法就可确定。国内使用的方法是在动态带陆地部分求出的。

每个窗的计数都由地面辐射和大气氡衰变两部分组成（消除了宇宙本底与飞机本底后），如式（3）、式（4）、式（5）所示

式中：u为消除飞机和宇宙射线本底后的上测铀窗计数率的数值，单位为计数每秒（1/s）；U为消除飞机和宇宙射线本底后的下测铀窗计数率的数值，单位为计数每秒（1/s）；T为消除飞机和宇宙射线本底后的下测钍窗计数率的数值，单位为计数每秒（1/s）。

将式（1）中第一个方程、式（2）、式（3）代入式（4），得式（6）

u=a1Ug+a2Tg+aUUr+bU。" （6）

将式（4）、式（5）、式（1）中第三个方程代入式（6），得式（7）

Ur=。（7）

将求出的a1、a2及aU代入式（7）即可求出铀道下测晶体中的氡计数。同样将式（1）中的另外3个方程代入即可得各计数道氡的计数。

2 实例分析

数据来源于江苏省徐州某金刚石勘查区，比例尺为1∶50 000的航空伽玛能谱测量，测线间距为500 m，测线方向145°，平均飞高108.3 m，测量系统为成都理工大学研发的GF-863型航空伽玛能谱测量系统。为了确保数据质量，在每天测量工作前后，将测量系统进行7 h稳定性检查，各能谱窗计数率变化范围在-4.21%～4.80%之间；测量系统的钾道、铀道、钍道的道址漂移在±2道以内，满足EJ/T 1032—2005《航空伽玛能谱测量规范》的要求。

2.1 数据处理

上测法在航空伽玛能谱测量数据[7]中的处理流程包括宇宙射线本底与飞机本底校正、大气氡校正、剥离校正、高度衰减校正和含量换算。飞机本底与宇宙射线本底的测量由海上本底校正区获得；大气氡校正系数在动态校准带上获得。剥离系数由航空放射性标准模型装置获得。

其中上测法大气氡校正流程如下：

1）对原始能谱数据进行去噪和五点平滑处理，同时去除畸变点；

2）扣除原始数据中的飞机本底和宇宙射线本底；

3）利用式（7）计算出大气氡对下测铀窗的贡献。

由于上测法，上测探测器体积远比下测探测器小，用较大的不确定度数据去修正较小不确定度的数据，这是航测条带形成的原因之一[8]。因此，大气氡校正后的测线数据中仍然存在条带状。为了进一步消除由于氡引起的条带，对数据做进一步的处理，数据进一步处理过程如下：

1）通过切割线法进行能谱数据切割线调平修正；

2）根据有效早晚基线、相邻测线、各个架次各窗口平均计数的统计结果，利用航空物探软件系统（GeoProbe）进行条带干扰人工修正；

3）利用加拿大Geosoft公司的OASIS软件对能谱数据进行微调平去噪；

4）利用航空物探软件系统（GeoProbe）对背景值进行滑动平均。

经过上述步骤综合处理后，数据条带基本消除完毕。

2.2" 基线飞行

基线是指用来监控航空伽玛能谱测量系统工作状态和环境辐射稳定程度的一条测试线，基线测量是监控航空伽玛能谱测量系统工作状态和监测大气氡变化的重要环节，也是航空伽玛能谱测量数据质量评价的重要内容。因此，通过早晚基线测量结果可以监测大气氡的变化，同时可以评价大气氡对测量数据的影响。

以江苏省徐州某金刚石勘查区飞行的26个架次的航空伽玛能谱测量的早、晚基线测量为例，具体见表1。

根据表2统计的结果显示，所有架次的早、晚基线总计数率变化均满足小于20.00%的要求，但是第1、14、18架次早、晚铀道（U）计数变化率相对其它架次明显偏高，分别达到13.70%、17.80%、15.00%，相应的早、晚上测铀道计数变化率分别为16.70%、22.40%、20.00%，对比这3个架次测线数据发现，下测原始铀窗计数率在测线方向出现较明显的偏高。出现条带的测线飞高和峰位漂移均满足规范要求。因此，这2架次铀窗的计数受到了大气中氡浓度的影响。此外，第3、4、15架次的基线数据中仅早、晚上测铀道计数变化率变化较大，同样相应架次的测线数据也出现了条带。早、晚基线测量的总道（TC）、钾道（K）、钍道（Th）均满足EJ/T 1032—2005《航空伽玛能谱测量规范》要求的8.00%、10.00%。

2.3" 结果分析

根据在徐州地区实际采集的数据，结合本文所述的方法，航空伽玛能谱仪铀窗计数经大气氡校正、剥离校正后的成果图如图1所示。

对比图1（a）、图1（b）和图1（c）可以发现，航空伽玛能谱测量系统记录的原始铀窗数据由于受大气氡及其子体的影响，沿测线方向的条带非常明显；经过上测法大气氡校正和剥离校正后，总体上消除了大气氡干扰所产生的条带，但是位于勘查区西南区域的测线仍存在明显的条带，这也反映出了上测法消除大气氡影响的局限性；因此，需要对数据进行进一步调平，调平后的结果显示，剩余测线上的条带基本完全消除，铀窗计数局部高值与异常值得到进一步修正，异常区域表现的更加凸显。与地质构造的吻合度较好，最终的铀窗计数率能基本上准确反映勘查区的地质特征和地表覆盖。

3" 结论

大气氡对U窗计数的影响，最直观的表现为U窗计数影像图中测线方向的条带状，这也严重地影响了伽玛能谱数据对地质体的反映。基线测量可以用于实时监测大气氡的变化，对于保证测线数据质量有着重要的作用。上测法消除大气氡的影响存在一定的局限性，采用本文中将大气氡校正后的数据进行进一步调平处理后，所获得的U窗计数率的等值线图的条带基本消除，能够更加准确地反映出勘查区的地质特征与异常信息，从而对勘查区的放射性评价更加精确。

参考文献：

[1] 航空伽玛能够测量规范：EJ/T 1032—2005[S].2005.

[2] International Atomic Energy Agency. Airborne gamma ray spectrometer surveying[R].Vienna Technical Reports Series， IAEA 1991：No.323.

[3] 葛良全，熊盛青，曾国强，等.航空伽玛能谱探测技术与应用[M].北京：科学出版社，2016.

[4] LAHTI M， JONES D G. Environmental applications of airborne radiometric surveys [J].First Break， 2003， 21（10）：35-41.

[5] 程业勋，王南萍，侯胜利.核辐射场与放射性勘查[M].北京：地质出版社，2005．

[6] International Atomic Energy Agency. Guidelines for radioelem

ent mapping using gamma ray spectrometry data[R]. Vienna Technical Reports Series， IAEA 2003：No.323.

[7] 房江奇.航空伽玛能谱测量中基线测量评价方法研究[J].物探与化探计算技术方法，39（4）：490-499.

[8] 王景丹，高国林，杨金政，等.航空伽玛射线全能谱数据分析方法的理论研究[J].铀矿地质，27（4）：231-240.