中子活化分析示踪天然泥沙运动的方法

摘要

一种利用中子活化分析技术示踪天然泥沙运动以及河口、海岸演变过程的方法，区别于现有的需外加示踪元素的中子活化分析法，包括取样，对样品进行处理，送核反应堆照射，用r-能谱仪分析样品，通过对测得数据比较分析，得出该区域泥沙运动情况的结果。本方法没有放射性污染，简化工序，大大降低试验经费，可示踪元素多，精度高，可用于港口、航道、海湾等大范围区域分析示踪泥沙运动。

说明书

本发明将中子活化分析技术应用于示踪天然泥沙运动，属于中子活化分析法在水利科学领域的应用。

泥沙运动是水利科学领域研究的主要课题之一。在规划河口整治、疏浚入海航道、选择沿海港址、建筑防波堤等工程中，有关泥沙的来源、运移、回淤、去向等问题特别重要。泥沙运动这个问题本身是很复杂的，长期以来世界各国的水利工作者进行了大量的理论和实验研究，取得了许多有价值的成果，除各种比例尺的模型试验外，各种原体泥沙运动的观察方法亦极为重要。模型试验有时还不能完全解决实际工程中碰到的泥沙问题。观测原体泥沙运动的方法有重矿物示踪法、萤光示踪法、放射性示踪法等。重矿物示踪法是传统的方法，要取底质样品中0.1-0.05mm粒径的砂，在重液中进行沉淀分离，然后取比重大的重矿物在显微镜下进行矿物品种鉴定，整个过程都是人工操作，显微镜下的鉴定在很大程度上依赖于观察者的经验。萤光示踪是将涂有萤光物质的泥沙投放示踪区域中，然后取样在显微镜下数萤光颗粒的个数，这种手工计数的工作是很艰苦的，而且误差较大，不适于进行大规模的萤光示踪分析。放射性示踪可以分为天然放射性示踪和人工放射性示踪。天然放射性示踪需要一定的天然条件，即被测区域里要有可以作为示踪物的天然放射性元素。用天然放射性示踪可以估测泥沙来源及其漂移方向。美国在加利福尼亚海湾，日本在仙台湾都曾做过这种试验。人工放射性示踪是将放射性同位素标记在天然泥沙上，投放到示踪区域中，然后用射线探测器对区域中的泥沙进行检测。这种方法的优点是可在现场直接测量。但是，这种方法的放射性剂量难于控制，剂量小了，测不到，剂量大了会造成环境污染和对人体的伤害，因而它的使用范围受到限制。自从1954年英国首次试验成功这种方法以来，至1975年，世界各国共做现场试验140多次，其中50年代占27%，60年代占67%，70年代只占6%，有明显的下降趋势。为了克服人工放射性示踪法的致使弱点，70年代以来，各国开始研究用中子活化分析技术示踪泥沙运动。

中子活化分析是一种核技术，它的基础是核反应，就是用具有一定能量和流强的中子轰击样品，然后测定由核反应生成的放射性元素衰变时放出的缓发辐射或者直接测量核反应中放出的瞬发辐射，从而实现元素的定性分析和定量分析。中子活化分析至今已有50多年历史，起初只是作为原子能技术发展过程中的一种副产品，现在已成为一种痕量分析甚至常量分析的重要手段，广泛用于工农业和科学技术的各个领域。

现有的中子活化分析示踪泥沙运动的方法，需要外加一种示踪元素进行活化分析。它的大致过程如下：分析需示踪区域泥样，选择一种样品中不含有或含量极微的且易被活化的元素，以此作为示踪元素标记到泥沙上，再把标记过的泥沙与天然泥沙按一定比例混合，投放到示踪区域，以后每隔一定时间定点取样，所取样品经过适当处理后送入核反应堆照射，活化后，用r-能谱仪分析样品，从而实现示踪元素的定性和定量分析。目前世界上只有少数国家做过上述的活化分析试验，例如美国陆军工程兵团和斯坦福研究所1974年在旧金山湾进行的疏浚泥沙运动的示踪试验研究，取得较好的结果。这种中子活化分析示踪法主要优点是没有放射性污染，不会对人体造成伤害，比人工放射性示踪法优越，取得的资料可靠实用。但是，这种方法技术复杂，而且费用昂贵，因为作为可示踪的元素，一般都是地球上含量极微的稀有元素，价钱十分昂贵。这也正是这种方法很先进，所得结果很好，而世界上使用的人还不太多的原因所在。

本发明的目的是提供一种简单、实用、经济、有效的中子活化分析示踪天然泥沙运动以及河口、海岸演变过程的方法。

本发明的要点是，不外加示踪元素，对天然泥沙进行中子活化分析示踪。其主要步骤是：在欲示踪区域选点取样、制样，将样品送入核反应堆照射，使样品中子活化，然后用r-能谱仪分析样品中各种元素的含量，对测得数据进一步比较、分析，得出该区域泥沙运动情况的结果。

下面通过一个实施例详细叙述本发明方法的具体步骤。

为了弄清汕头港外拦江沙航道的泥沙来源，用本发明方法进行示踪分析。分析时对用其它方法分析的结果一无所知。在拦江沙航道和新津溪河口约60平方公里区域内选择七个点，用取样器取三个底沙样和四个悬沙样，底沙样来自海底浅层泥沙，悬沙样为海水中悬浮泥沙，这七个取样点的分布如图1所示，底一、悬二取自拦江沙航道两个点，底二、悬三取自新津溪河口的待狎金浅滩两个点，底三取自待狎金浅滩东一个点，悬一、悬四取自妈屿和娘礁的点。将这些样品装入铝罐，送入核反应堆照射，取出中子活化后的样品，用4096多道能谱仪进行测试和数据处理，得到这七个样品中各种元素含量值如表1所示。

从表1中看到，每个样品中含有24种元素。我们先分析底沙样数据，将三个底沙样中元素分为三组，第一组含量100PPm以上，第二组含量10-100PPm，第三组含量10PPm以下，然后对每组的三个样品中元素含量依次进行相互比较，比值列于下列表2、表3、表4。

^＊1.71是用9、10、11、18的底二/底三得的平均值

^＊1.54是用17、19、20、22、24的底二/底三得的平均值

由表2、表3、表4可知，底二（待狎金浅滩）中23种元素，除锑（Sb）以外，有22种元素的含量比底一（拦江沙航道）中的高，而且三组含量平均高1.6倍，底三（待狎金浅滩东侧点）中除了镍（Ni）、铪（Hf）、锑（Sb）三种元素以外，其余的也都比底一中的含量高，3组含量平均高1.48倍。底三中23种元素有12种含量比底二中的高，3组平均高1.14倍，有11种元素含量比底二中的低，平均低0.75倍。因此，从总的趋势看，尤其是从中等含量及低含量组来看，底三中元素含量比底二低。

对悬沙样数据进行分析，将4个样品中的24种元素互相进行比较，比值列于表5。

由表5分析可得出，悬二（拦江沙航道）处的悬沙是由悬一（妈屿）处和悬四（娘礁）处过来的，妈屿方向来的悬沙向东扩散，娘礁方向的悬沙向西扩散，一部分向拦江沙航道方向，一部分向待狎金浅滩方向。

综合以上数据分析结果，得出的结论是：底沙从新津溪河口出来后，先向东南，然后再与待狎金浅滩的底沙一起向南移动，进入拦江沙航道，拦江沙航道的悬沙来自妈屿方向和娘礁方向。

对同一区域，本发明方法分析结果与重矿物示踪法分析结果基本一致。重矿物示踪法在采集100个底质样品分析的基础上，选择19个点的底沙样进行分析，结果如表6所示。

由此可见，重矿物分析，26种矿物仅有8种能作示踪分析，其中有几种还不太明显，而中子活化分析，有20-22种元素可作示踪分析，且选点少，仪器自动测量，分析数据准确可靠。

由实施例可以看出，本发明方法的优点是不需外加示踪元素，简化工序，大大降低试验经费，分析和测量由仪器自动进行，可示踪元素多，精度高。本发明方法可用于港口、航道、海湾等大范围区域分析示踪泥沙运动，并可为河口、海岸工程建设提供一些有关河口、海岸历史演变过程的数据。