岩石的扩散系数及其测量方法
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发布时间：2022-04-21 17:50
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时间：2023-07-27 01:20
当岩石（土壤）中存在浓度梯度时，氡由高浓度向低浓度地方迁移，称为（浓度）扩散作用，常用扩散系数（D）来表示。
氡的扩散系数（D）与扩散长度（l）之间的关系为
核辐射场与放射性勘查
式中：λ为氡的衰变常数。
扩散系数与岩石（土壤）的孔隙度相关性很强，岩石的扩散系数变化范围很大，从7×10-2cm2/s到3×10-4cm2/s。与岩石的透水性、温度、构造等有关。例如孔隙度为0.1%～0.2%的花岗岩，扩散系数约为（2～3）×10-4cm2/s；孔隙度为30%的粗粒砂，扩散系数达（5～7）×10-2cm2/s；孔隙度12.5%时，D=5×10-3cm2/s；6.2%时，D=2×10-3cm2/s。
岩石（土壤）的湿度（也就是孔隙充水）变化对扩散系数影响很大。湿度增大，扩散系数减小。水的扩散系数很小（D水=0.82×10-5cm2/s）。表6-3-6为砂质沉积物和砂泥质沉积物的湿度变化与扩散系数的关系。
可见，湿度增大，扩散系数变小。与湿度增大射气系数变小是一致的。
此外，扩散系数与岩石（土壤）的结构，湿度有很强的相关性。松散结构扩散系数较大。
表6-3-6 不同湿度与扩散系数的关系
目前测定扩散系数的方法有两种：即野外方法和实验室方法。野外现场测定的扩散系数接近于真实情况，但难度较大。实验测定比较容易，氡气浓度、射气系数、密度和孔隙度都可以事先测定；但求出的扩散系数与岩土的原产状有一定差别，直接应用有一定困难。
（一）野外现场测定扩散系数
根据（6-1-20）对均匀岩层（土壤）中氡浓度随深度（h）变化的计算，当只考虑扩散作用时，可以得到下列关系式：
核辐射场与放射性勘查
式中：N为均匀岩层中深度为h时的氡浓度值；N∞为h→∞时的氡浓度值；λ为氡的衰变常数；D为扩散系数。
根据（6-3-16）式，每给一个D值，可以计算一条N/N∞=f（h）的关系曲线，于是得到图6-3-11所示的一组理论曲线（量板）。
图6-3-11 计算扩散系数的量板
野外测量时，选一块介质均匀的土壤层，打孔测量氡浓度。可以在一个孔内，在不同深度（h）测量氡的浓度（N），直到测出N∞。也可以在附近打不同深度的测孔，分别测量氡的浓度。可以得到一条N/N∞=f（h）的曲线，并将其与图6-3-11中的曲线进行对照（图6-3-11中的虚线①，②）。用内插法求出实测土壤层的扩散系数值。第①条虚线的D=2.2×10-2cm2/s，第②条虚线D=0.3×10-2cm2/s。
这一方法的主要缺点是必须测出N∞，作为相对单位。一般要测量3～5 m深。
为了克服上述缺点，提出一种只在两个深度上（h1和h2）测量氡浓度（N1，N2），来确定扩散系数的方法。
根据（6-1-20）式，在两个深度上进行氡测量，可得：
核辐射场与放射性勘查
式中：b=。两式相除得：
核辐射场与放射性勘查
为了确定b值，将（6-3-18）式中和展成级数，近似取前四项，整理后得：
核辐射场与放射性勘查
式中：A=；B=。
核辐射场与放射性勘查
由于这一方法取数较少，如果土壤中Ra分布均匀，结果较好。如果分布不均，可能引起误差较大。
（二）实验模型测量扩散系数方法
制备一个直径1 m，高2～2.5 m的圆筒，底部装30 cm厚经过粉碎的铀矿石作为氡气源，上面装入待测扩散系数的砂土（图6-3-12（a））。等待氡积累达到平衡后，进行不同深度取气测量氡浓度。得到N/N∞=f（x）关系曲线，如图6-3-12（b）中虚线。
根据（6-1-12）式铀矿层上覆土壤层中氡浓度分布的计算理论。当上覆土壤层不厚时，土壤层垂直方向氡浓度的分布理*式为
图6-3-12 测扩散系数的模型
核辐射场与放射性勘查
式中：x为（坐标原点设在铀矿石层表面）垂直距离，如图6-3-12（a）所示；N0为x=0时的氡浓度。
根据（6-3-20）式，每给定不同的扩散系数（D），可计算出一组N/N∞=f（x）的关系曲线，如图6-3-12（b）所示。
将上述模型上测得的N/N∞=f（x）与图6-3-12（b）进行比较，通过内插法求出模型中介质的扩散系数值。也就是：
核辐射场与放射性勘查
由（6-1-20）式可知扩散系数直接决定了氡在岩石或土壤中的迁移和分布。土壤（岩石）的颗粒度、孔隙度和湿度不同，其扩散系数差别很大。表6-3-7所列的扩散系数为上述两种方法的实测结果。
表6-3-7 实测的土壤（岩石）扩散系数
在土壤中射气场分布的理论计算重要参数是扩散系数，实际测定比较复杂。而且受湿度影响较大，同是亚粘土，在不同地区不同季节测量结果也有较大差别。
