地面伽马能谱法

（一）宁夏汝箕沟黑头寨火区试验结果

为分析煤火区伽马能谱测量效果及异常性质，分别选择非着火区和着火区做了两条野外实测剖面，并同时取化探样品进行分析，见图4⁃2⁃12。

由图可见，对钍元素而言，在非着火区伽马能谱测量含量与样品化学分析含量曲线变化趋势基本相同，说明两种方法测量结果一致，主要反映岩性不均匀分布情况。在着火区，伽马能谱测量结果出现一个异常峰，而室内分析结果无异常出现，仅随岩性变化上下波动。两种方法测出的曲线变化趋势不同，测量结果不一致，说明除了近地表岩石或土壤的影响外，还有其他因素引起的野外实测伽马能谱异常。

两种方法测出的钾含量结果，在着火区及非着火区基本一致，说明煤层燃烧对岩石中的钾元素分布无影响。铀元素的分布情况要复杂一些，在非着火区两种方法测出的结果基本一致；在着火区，野外伽马能谱测量结果显示出比燃烧带范围更大的升高弱异常，而室内分析结果基本处于正常分布状态。

对比着火区与非着火区的差异，可初步推断着火区的钍、铀元素含量异常由煤层燃烧引起。因为伽马能谱测量结果反映的是地表附近一般不超过1m厚的岩石或土壤层中放射性水平（吴慧山，1984年）。假设近地表岩石或土壤中放射性元素含量均匀分布，则同一测量点的野外伽马能谱测量结果与岩石或土壤样品分析结果应具有良好的一致性。在着火区，伽马能谱测量结果除了近地表岩石或土壤的贡献外，还有深部放射性源的贡献。即由于煤层燃烧使得深部岩石中的放射性元素产生的氡气、钍射气等沿燃烧裂隙从介质中析出并迁移到近地表，其衰变子体²¹⁴Bi、²⁰⁸Tl产生较强的伽马射线，因而引起能谱钍和铀异常。当样品从着火区取出后，由于脱离了氡气、钍射气源，室内分析结果只反映近地表的岩石或土壤的贡献，在这种情况下两种测量的结果便出现较大的偏差。由此可见，煤田着火区燃烧带范围与放射性元素铀、钍的含量异常有一定的相关性。

（二）内蒙古乌达煤田的Ⅷ号火区试验结果

为了确定着火区燃烧带范围与放射性元素含量异常之间的相关性是否具有普遍意义，2003年、2004年分别在内蒙古乌达煤田的Ⅷ号火区进行了面积性测量，获得了可靠的第一手资料。通过对这些数据进行综合分析，作者认为根据着火区放射性元素含量异常能圈定燃烧带的范围。

在乌达测区，使用上海仪器三厂生产的FD⁃3022多道伽马能谱仪。仪器探头置地表平坦开阔处，测量铀、钍、钾三元素含量及总计数率。测量时间120 s，点距10m，线距25m。

图4⁃2⁃13b、c、d分别为铀、钍、钾元素含量等值线平面图。与通过地质观察圈定的着火区燃烧带范围相比较，钍元素含量异常范围与之吻合最好；铀元素含量异常范围也与之吻合较好，但异常分布较零散；较难看出钾元素异常与着火区燃烧带范围有相关性。

在图4⁃2⁃13c钍含量图的右下方存在一片异常，在相同的位置上铀和钾含量都有异常显示。经实地地质查证，确定它是由于岩性不同引起的。因此，采用伽马能谱法进行大面积的测量时，岩性差异可能是主要干扰因素，要想正确地圈定出着火区燃烧带的范围，就必须要对测区的地质情况有一定程度的了解，并设法排除岩性差异引起的异常。

在图4⁃2⁃13c钍含量图右上方还存在一个异常区；铀含量图亦有异常反映，位置不太吻合；野外的地质观察并没看到着火的迹象，地磁ΔT测量结果，在相同的位置上也测出了异常反映（如图4⁃2⁃13a）。综合磁、伽马能谱测量结果推断此处地下煤层正在着火燃烧。由于地表完整，观察不到冒烟冒火等着火迹象，放射性方法和地面磁法能探测出地下煤层着火的情况。

（三）初步结论

初步的试验研究表明，着火区与正常区相比存在放射性方面的差异。地下煤层燃烧可引起放射性异常，以钍异常（可高达3×10^-6以上）为主，铀也有一定的反映，钾反映不明显。以现有伽马能谱仪的探测精度是完全可以探测并区分开这种异常，探测着火区放射性元素钍和铀异常就可以圈定地下燃烧煤层的范围。

图4-2-12 宁夏汝箕沟黑头寨着火区及无火区野外实测与室内分析K、U、Th含量图

（A）无火区K、U、Th室内样品分析结果；（B）着火区K、U、Th室内分析结果；（C）无火区K、U、Th野外实测结果；（D）着火区K、U、Th野外实测结果

图4-2-13a 乌达Ⅷ号火区磁等值线图

图4-2-13b 乌达Ⅷ号火区铀含量等值线图

我们认为其原因是煤层燃烧产生的高温，重力对煤层顶板的破坏、改造作用及压力梯度、温度梯度、气体携带作用等对氡射气、钍射气的动力作用共同改善了燃烧带射气迁移条件，从而使得射气更快更多地向地表迁移，大大地增高了近地表射气的浓度。迁移到燃烧带近地表的大量射气发生衰变，使得近地表²¹⁴Bi和²⁰⁸Tl含量增高。这些外来的²¹⁴Bi和²⁰⁸Tl，引起能谱仪测量出来的铀、钍元素含量增高，在着火区的燃烧带上方表现为放射性元素含量异常。

图4-2-13c 乌达Ⅷ号火区钍含量等值线图

图4-2-13d 乌达Ⅷ号火区钾含量等值线图

用伽马能谱方法来圈定煤层着火范围在国内外尚无先例，我们的探讨是很初步的。