1. 核酸含量的測定方法及原理都有哪些
核酸檢測的主要原理其實是反轉錄和聚合酶鏈式擴增反應。也叫做RT-PCR。目前對新型冠狀病毒進行的核酸檢測也主要採用此種方式。簡單來說就是採取患者鼻咽拭子、痰和其他下呼吸道分泌物、血液、糞便,檢測人員通過。核酸提取試劑盒提取患者標本里邊兒的核酸,然後把提取到的核酸放進檢測試劑中進行復制擴增。然後再根據檢測結果進行判斷如果是陰性代表沒有感染,如果是陽性代表有感染。目前對新型冠狀病毒核酸檢測會存在假陰性的可能,所以可以選擇多次測量。如果連續兩次核酸檢測為陰性,同時沒有臨床症狀可以排除感染,並且對已經感染了新型冠狀病毒肺炎的患者,如果連續兩次檢測核酸為陰性,注意間隔時間必須大於一天,同時臨床症狀緩解,影像學好轉也可以解除隔離。
2. 檢測核酸純度方法
最近重新研讀了分子克隆第三版,有一個有趣的小發現,好像過去沒聽人說過。一般測核酸濃度都是用260nm的光吸收值來決定,同時用260/280的比值來判斷有無蛋白質污染。理想的比值是1.8~2.0左右。分子克隆第三版專門提到這種判斷核酸純度的辦法是不可靠的。原因在於蛋白質在260nm的消光系數比核酸小很多,即使有相當多的蛋白質污染,這個比值還是接近於理想的比值。另外,260/280比值尤其不能用於評判寡聚核甘酸的純度,因為嘌呤的消光系數比嘧啶大好多,寡聚核甘酸嘌呤嘧啶組成很可能不平均,所以很可能出現很純的樣品260/280比值卻比較小的情況。
你所說的『消光系數『,是否就是吸光值的意思?如果你用連續波長測過核酸的吸光度時,就會發現,OD260,恰好是核酸吸光值最大的時候,從200-750,是一條曲線,260時是波峰,而280時,剛好是曲線下降到一半左右時的吸光值。而恰好280又是蛋白質的最佳吸收值。如果純的核酸,那曲線就是標準的,260/280就是1.8-2.0之間,如果混有蛋白質,多肽,酚之類的雜質,那280時的吸收峰就變高了,曲線隨之發生變形,而260時的吸收峰不變。就如你所說的「原因在 於蛋白質在260nm的消光系數比核酸小很多」,因此260的吸收峰幾乎不變。但280時卻不一樣。這時相反,核酸的消化系數比蛋白質小的多,因此,一旦有污染,280上升很快。因此260/280在有污染的情況下就會變小。所以,用260/280的方法,還是比較可靠的。當然更可靠的,就是用200-750的波長,連續掃描。直接觀察核酸的整條曲線,那比光靠260,280兩個吸收值,肯定要准確很多。其實平時在我們檢測時,我們也會檢測230,320,兩個值。至於這兩值的作用,我稍後再說。其實有230,260,280,320,這四個點。基本上也能確定下這條曲線的該一段的形狀了。
A 260 / A 280 的比值,用於評估樣品的純度,因為蛋白的吸收峰是 280 nm。純凈的樣品,比值大於 1.8(DNA)或者 2.0(RNA)。如果比值低於 1.8 或者2.0,表示存在蛋白質或者酚類物質的影響。A 230 表示樣品中存在一些污染物,如碳水化合物,多肽,苯酚等,較純凈的核酸 A 260 / A 230 的比值大於 2.0。A 320 檢測溶液的混濁度和其他干擾因子。純樣品,A 320 一般是 0。(320差不多也就是那條曲線剛下降到0的時候)。所以,當我們檢測260/280後,如果比值在1.8-2.0之間時,我們可以說其純度可以,那OD260的值就有效。否則,OD260的值判為無效。你說的嘌噙與嘧啶的吸光值,確實沒錯。但一般情況下,我們測的都是基因組、tRNA,mRNA、cDNA,所以其CG含量都比較均勻。都適用於這種方法。然而,在測某些CG含量明顯不均勻的情況下,比如人工合成的寡核苷酸、引物,在CG含量過大或者過小的情況下,我們就不能用260/280的方法了。不過一般自已合成的引物,都能保證純度的,買來的引物,或者托公司合成的寡核苷酸,也不需要我們用OD值方法重新測一下。因為產品包裝上寫著多少個OD,序列長度,都非常詳細,純度也是有保證的。
當OD 260/ OD280值=1.8說明所提的DNA質粒的純度比較高,所含的RNA或蛋白質污染很少,當 OD 260/ OD280值>1.8,說明有RNA污染,當OD 260/ OD280值<1.8時,說明所提的DNA中有蛋白質或者是抽提時用的苯酚未除凈,樓主所體的質粒DNA的260/280在2.0左右,說明有一定的RNA污染,在提質粒DNA中,一般是在提完質粒後,加入TE溶液時加入一定量的RNA酶。抽提1.5ml大腸桿菌過夜菌液時,最後加入20ul的TE溶液時加入1.5ul濃度為10mg/ml的RNA酶,一般就可以完全去除質粒中所含的RNA污染
有關RNA的吸光度說明如下:260nm、320nm、230nm、280nm下的吸光度分別代表了核酸、背景(溶液渾濁度)、鹽濃度和蛋白質等有機物的吸光度值。OD260/OD280(R)體現了RNA中的蛋白質等有機物的污染程度,質量較好的RNA的R值應在1.8~2.0之間,當R<1.8時,溶液中的蛋白質等有機物的污染比較明顯;當R>2.2時,說明RNA已經被水解成了單核苷酸。在對核酸進行吸光度檢測時,需要注意稀釋液應使用TEBuffer。
3. 放射性污染的監測方法
9.3.2.1 核事故污染的監測
核事故往往造成的污染范圍很大,而且給人民生命和國民經濟帶來巨大的損失,引起全世界的關注。針對核事故的地球物理監測工作大體上可分為兩大部分:一是在核事故發生後開始的大區域快速監測工作,及時了解逐日的污染擴散范圍和方向並採取相應的防範對策;二是對所有核設施的長年監測工作,以便一旦發生事故時,能夠了解原有的放射性背景以及追蹤事故後污染逐步消除的過程。
(1)切爾諾貝利核事故監測
早在核電站建成之前,蘇聯的烏克蘭科學院從20世紀60年代初期就通過在基輔的監測站對基輔周圍地區(包括切爾諾貝利地區)進行長期放射性環境監測。監測的參數包括γ輻射背景值(用輻射儀測量)、散落物的放射性活度測量(用面積40cm×40cm的平底盤採集,盤底鋪一張浸泡過甘油的濾紙,採集持續兩周,採集的樣品放在瓷坩堝內在電熱爐中加溫到500℃灰化,然後測定其β輻射強度)、土壤放射性污染檢測(在地表下5cm深處用正方形取樣器10cm×10cm取樣,樣品風干、磨碎、過篩後,測定其β輻射強度)。
事故發生前,γ輻射劑量率為10~12μR/h(背景值),1986年4月26日發生事故後,4月30日升高到5mR/h,比背景值高約500倍。在隨後幾天內γ輻射值變化強烈,與放射性物質的繼續泄漏和天氣變化有關。5月9日在反應堆再次爆炸後,γ輻射也再次出現高峰。1986年底,γ輻射降低到50μR/h,1992年(監測經過公布前)再次降低為16~18μR/h,接近事故前的背景值。
土壤中的β放射性活度(按土壤質量計)在事故前為550~740Bq/kg,事故後升高到29600Bq/kg。事故前放射性90Sr的質量活度為3.7~22.2Bq/kg,事故後升高了10倍。
為了了解污染的區域分布,瑞典地質調查所動用了兩架地球物理專用飛機,在150m的高度上進行了航空γ能譜測量,1986年5月1~6日的測量結果如圖9.12所示。在Gavle附近發現明顯的高值。後幾天的調查重點移向瑞典南部,以了解是否可以允許奶牛吃該地春天新生的牧草。5月5~8日在瑞典其他地區用100km線距的東西向測線覆蓋,發現污染區不斷向瑞典-挪威邊界的方向擴大。從5月9日~6月9日整個瑞典用50km線距的航空測量覆蓋,在一些異常區測線加密到2km。蘇聯在1986年4月28日以後,在國內面積為527400km的區域內進行過比例尺為1∶10萬、1∶20萬、1∶50萬的航空γ能譜測量,以監測放射性污染彌散的區域。
圖9.12瑞典航空γ射線照射量率等值線圖 (照射量率單位為μR/h)
(2)追蹤核動力衛星
由於衛星在進入大氣層後解體成多個碎片,因此監測工作要在降落軌道周圍廣闊地區內進行,主要依靠航空γ能譜測量,發現異常後再進行地面檢查。
蘇聯的用核反應堆作動力的宇宙-954衛星1977年底~1978年初在加拿大西北部隕落。1978年初加拿大國防部和美國能源部合作,追蹤衛星隕落的碎片在加拿大的散落位置。首先根據計算機預測的衛星隕落軌道,劃出一條長800km、寬50km隕落區域,由大奴湖東端至哈德遜灣附近的貝克爾湖,並將其分為14段。用4架C-130Heracles(大力神)飛機,以1.853km的線距、500m的離地高度作了航空γ能譜測量。加拿大地質調查所的能譜系統首先在大奴湖東端冰上的一號地段探測到放射源,到1月31日對全區作了普查,發現所有放射性碎片落在一個10km寬的帶內,在該帶內又以500m線距和250m離地高度作了詳查。鑒於大力神飛機的飛行高度不可能再進一步降低,還採用了一套直升機探測系統,在9號地段的冰上發現許多弱的放射源,它們都是在大力神的飛行高度上所不能發現的,後來對這些小片的分析表明它們是反應堆芯的一部分。此後,直升機系統又在沿大奴湖南岸一帶發現了更多的放射性碎片(圖9.13),這些碎片隨北風飄向預訂軌道的南側。到3月底又在大奴湖的冰上作了一次系統的直升機γ能譜測量,數據分析進一步證明反應堆芯在進入大氣層後已全部解體。同年夏天,加拿大原子能監控管理局做了進一步的監測和清理工作,以保證清除所有的有害物質,共回收約3500枚碎片,最遠的在衛星軌道以南480km。
9.3.2.2礦山探采和選冶污染的監測
除了鈾礦床外,許多有色金屬、貴金屬、稀有金屬、稀土元素和磷礦床等也都伴生有大量放射性元素,對這些礦床的勘探、開采、選礦和冶煉都會導致放射性污染。為了清除這些污染,了解清除的效果,都需要進行監測。
(1)尾礦場地的污染與監測
在地質勘探階段,礦床雖未交給工業部門開采,但是在勘探過程中使用了水平巷道、豎井和淺井等工程,使礦區受到天然放射性元素的污染。在礦床開采過程中,礦石和廢石的堆放與運輸造成更大面積的污染,選冶過程中產生的尾礦和爐渣也是不可忽視的污染源。
圖9.13大奴湖地區由宇宙-954衛星放射性碎片引起的γ射線總計數的分布
1979~1980年美國能源部在鹽湖谷作了航空放射性測量,以便劃定尾礦場地范圍,並指導地面調查。測量系統安裝在直升機上,探測器由20個NaI晶體組成,每個體積645.7cm3,航高46m,線距76m。根據測量數據繪出了照射量率等值線圖,如圖9.14(a)所示和高於背景值的226Ra含量分布范圍圖,如圖9.14(b)所示。背景照射量率變化於430~645fA/kg(1μR/h=71.667fA/kg)之間。尾礦堆的照射量率最高超過1×105fA/kg。在尾礦堆以北有兩個照射量率偏高的突出部分,西面的一個據認為是由尾礦受風吹動造成的,東面的一個沿鐵路分布,可能由測量時正在運輸的放射性物質或由沿鐵路運輸散落的礦石或尾礦引起。沿鐵路的其他輻射異常據推測也是由散落物引起的。
利用此次航空放射性測量數據,鹽湖城衛生局和猶他州衛生廳劃定出14個此前未知的放射性異常區,地面檢查發現9個地點屬於鈾選礦廠的尾礦、1個是鈾礦石、3個是放射性爐渣,還有1個是儲存的選礦設備。在20世紀80年代初查出的這些污染地段都得到了清理。
(2)採煤和燃煤的污染及監測
許多重要的採煤區在採煤過程中形成大面積的放射性污染。例如,德國的魯爾礦區發現,由煤礦抽向地面的水中226Ra含量所導致的活度濃度達13kBq/m3,流入地下坑道中的水達63kBq/m3。魯爾區所有煤礦每年抽出的水含226Ra導致的總活度共37GBq。在地面上放射性污染的分布在很大程度上與水的化學成分有關,共有兩類含鐳的水,A類含硫酸鹽甚少或不含硫酸鹽,但含Ba2+離子;B類水含大量硫酸鹽,但不含Ba2+離子。在B類水中鐳不沉澱,而A類水中的鐳,當其與硫酸鹽混合後,鐳與鋇同時沉澱,形成放射性沉積物。很多煤礦已採煤百年以上,在礦山廢水流經之處形成很厚的沉積層,質量活度達150kBq/kg,並導致土壤和植物的污染,土壤質量活度由0.2~31kBq/kg,在水道兩側的新鮮植物中含226Ra,其質量活度達1kBq/kg。
目前世界上許多發展中國家都以煤作為主要能源,因此粉煤灰成為一種量大面積的放射性污染源。據聯合國原子輻射效應科學委員會(UNSCEAR)的統計,一個每天燒煤10t的熱電廠,向大氣釋放的238U放射性活度達1850kBq,一個1000MW的熱電廠每年排放粉煤灰5×105t,其中1.4×105t排入大氣。調查表明,在熱電廠周圍由於粉煤灰放射性引起的癌症死亡率比在核電站周圍高30倍。
圖9.14鹽湖谷航空放射性測量
(3)石油開采及運輸中的放射性污染和監測
石油開發過程中的放射性污染主要來自放射性測井。在測井中使用的放射性物質主要有中子源、同位素等,如鎇鈹(241Am-Be)中子源,137Cs,226Ra,131Ba,131I,113Sn,113In伽馬源等。測井過程中的放射性污染主要是因操作不當造成的,如:由於操作不慎,配置的活化液濺入外環境;在開瓶分裝、稀釋及攪拌過程中,有131I氣溶膠逸出,造成空氣污染;在向注水井注入131I活化液時,由於操作不當,造成井場周圍的表面污染;測井過程中玷污井管和井下工具等。
在石油化工生產中,承壓設備(如鍋爐爐管、液化氣球罐、液化氣槽車、承壓容器、管線等)的探傷、液位控制、液位測量、密度測定、物料劑量、化學成分分析及醫療中的透視、拍片、疾病治療等,廣泛地採用了放射技術。在料位、液面、密度、物料劑量、化學成分分析方面的放射性同位素源的劑量、活度一般是幾個毫居里(mCi),很少超過1000mCi。不過,在正常工作情況下,不論是從事工業探傷的人員還是同位素儀表操作人員,身體健康均不會受到放射性損傷。
油田上放射性污染面積大的地方,甚至可以在1∶50萬的航空γ能譜測量中反映出來,污染物以鐳及其衰變產物為主,鈾、釷含量不超過土壤的背景值。該企業用路線汽車能譜測量在斯塔夫羅波爾邊區測過的40個油氣田,其地表全被放射性廢料污染,發現300多個污染地段,γ射線照射量率為60~3000μR/h,其中大部分在100~1000μR/h范圍內。
(4)磷肥的放射性污染及監測
在天然環境中磷和鈾之間有著穩定的共生關系,磷肥的原料———磷礦石含有偏高的鈾,磷肥的副產品中則含有較多的鈾衰變產物,這些都會給磷肥廠周圍的環境造成放射性污染。
在西班牙西南部奧迭爾河和廷托河匯合入海處附近有一個大型磷酸廠,用於製造磷酸鹽肥料,其原料為磷灰岩,含有大量鈾系放射性核素。在西班牙生產磷酸的方法是用硫酸來處理原岩,在此過程中形成硫酸鈣沉澱(CaSO4·2H2O),稱為磷石膏,這種副產物或者直接排入奧迭爾河,或者堆在廠房周圍。因此,需要估算該廠每年排入周圍環境的核素數量。此外,還測定了西班牙西南部幾種商品肥料的放射性元素含量,以估計其對農田的放射生態影響。
所有的調查工作均基於測定固體和液體樣的U同位素、226Ra和210Po及40K的含量。知道每年產出的磷石膏量及其中U,226Ra,210Po的質量活度平均值,得出工廠附近每年排出的U同位素總活度約0.6TBq,210Po總活度為1.8TBq,226Ra總活度為1.8TBq,各種放射性核素總量的80%存留在磷石膏堆中,其他直接排入奧迭爾河,存放的磷石膏也逐漸被水溶解流入河中。到達廷托河的水238U活度濃度為40Bq/L,226Ra為0.9Bq/L,210Po為9Bq/L。為研究河流的污染,還取了水系沉積物樣,樣品濕重數千克,烘乾、磨碎、混合後在高純鍺探測器上測量,探測器覆蓋10cm厚的鉛屏,內有2mm的銅襯,以便測得較低的質量活度。
磷肥廠的環境放射性污染在我國亦有發現。核工業總公司在上海市郊進行航空γ能譜測量時,曾發現10×10-6的鈾異常,是背景值的45倍,經查是由化肥廠的磷礦粉引起的。
9.3.2.3建築材料的放射性污染及監測
除了房屋地基的岩石、土壤會逸出氡外,建築材料中也可能含有某些放射性元素,因此也可能成為放射性污染源。當建築材料中鐳的質量活度高於37Bq/kg時,會成為室內空氣中氡的重要來源。有些地方用工業廢料作為製造建築材料的原料,可能將工業廢料中的放射性污染物帶入室內。例如利用粉煤灰或煤渣製造建築材料曾被認為是廢物利用的好辦法,但是當煤的放射性元素含量偏高時,會導致嚴重的後果。我國核工業總公司曾經對石煤渣所建房屋的室內吸收劑量率做過調查,發現石煤渣磚房屋的γ輻射吸收劑量率比對照組的房屋高出3~9倍。我國用白雲鄂博尾礦、礦渣做原料製造水泥的工廠,用其生產的水泥建造的房屋時室內氡的濃度比對照組高出4~6倍。而美國對常用建築材料放射性的調查結果表明,木材輻射出的氡最少,混凝土最多。
我國居民住宅多用磚作建築材料,其中放射性40K質量活度最高為148Bq/kg,Ra為37~185Bq/kg,釷為37~185Bq/kg。對於天然建築材料,建材行業標准(JC518-93)將其分三類,見表9.4。
表9.4我國天然建築材料核輻射分級標准
俄羅斯勘探地球物理研究所提出用以下參數對建築材料的輻射室內居民輻射劑量進行監測。
9.3.2.4 核廢料處理場地的選址和勘察
各國根據自己的條件來選擇適於儲存核廢料的地質體,但迄今研究得最多的是兩種:鹽體和深成結晶岩體。鹽體被認為是儲存核廢料得最好地質介質,其優點是未經破壞的鹽層乾燥,鹽體中產生的裂隙易於癒合,鹽比其他岩石更易吸收核廢料釋放的熱,鹽屏蔽射線的能力強,鹽的抗壓強度大,而且一般位於地震活動少的地區。而另外一些國家,因為各自的地質條件,主要研究利用深成結晶岩儲存核廢料。如加拿大和瑞典等國家,大部分領土屬於前寒武紀地質,它們研究的對象包括片麻岩、花崗岩、輝長岩等。這些岩體能否儲存核廢料主要取決於其中地下水的活動情況。由於結晶岩中地下水的唯一通道是裂隙,所以圈定裂隙帶並研究其含水性是重要的任務。在具體選擇儲存場地時考慮以下幾個條件:地勢平坦、因而水力梯度小,主要裂隙帶不要穿過場地,小裂隙帶應盡可能少,要避開可能有礦的地點。
其他研究的地質體還有粘土、玄武岩、凝灰岩、頁岩、砂岩、石膏,碳酸鹽也是可以考慮的目標。一般來說,碳酸鹽岩是不適合的,但由不透水岩石包圍的碳酸鹽岩透鏡體是值得研究的。除了陸地上的地質體外,對海底岩石的研究也已經開始。
(1)鹽體選址勘察中的地球物理工作
A.鹽體普查
為了儲存核廢料,首先要了解鹽層的深度、厚度和構造,圈出適合儲存的鹽體,一般傾向於把核廢料儲存在鹽丘里。
重力測量。重力法對鹽丘能進行有效的勘察。鹽的密度穩定,為2.1×103kg/m3,往往低於圍岩(2.2×103~2.4×103kg/m3),在鹽丘上可測到n×10~n×100g.u.的重力低。當鹽丘上部有厚層石膏時,由於石膏密度大,結果形成弱重力低背景上的重力高。當鹽丘為緻密火成岩環繞(火成岩在鹽丘形成過程中侵入)時,則在重力低的邊緣出現環狀重力高。鹽丘表面起伏可用高精度重力和地震測量綜合研究。當鹽丘地區的重力場非常復雜時(重力場為鹽上、鹽下層位、鹽層和基底的綜合反映),採用最小化法進行解釋:首先根據地質-地球物理資料提出模型,然後自動選擇與觀測重力異常最吻合的模型曲線,使兩者偏差的平方和等於最小值。
電法測量。鹽比圍岩電阻率高,是電性基準層,以往鹽層構造用直流電測深研究,近年來則愈來愈多地採用大地電流法和磁大地電流法。採用大地電流法確定鹽體埋藏深度時,利用大地電流平均場強與鹽層深度之間的統計關系,因此要掌握少量鑽探和地震資料。平均場強的高值區對應於鹽丘和鹽垣,這樣圈出的局部構造很多已被地震或鑽探所證實。
地震測量。在構造比較簡單的沉積岩區地震反射和折射法探測鹽層起伏是很有效的。例如丹麥為儲存核廢料選擇的莫爾斯鹽丘,其位置和形態就是根據反射面的分布確定的。在某些情況下地面地震法只能確定鹽丘頂部平緩部分的位置。而側壁的形態和位置難以確定,這可以採用井中地震。
總之,在選址時,為了研究鹽層構造,一般先利用重力和電法,兩者結合起來能更詳細地確定鹽層構造在平面上的大小和形態。根據重力和電法結果布置地震測網,通過地震法可准確確定鹽體深度,而利用井中地震則可准確確定鹽體側壁的位置和形態。
B.研究鹽體的內部結構
為了確定鹽體是否適應於儲存核廢料,必須研究鹽體內部結構,即其所含雜質(夾層)數量、含水性和裂隙發育程度。
確定雜質(夾層)的數量。鹽的相對純度是影響其能否儲存核廢料的一個重要因素,雜質的出現會使鹽層的抗壓強度減小,屏蔽射線的能力降低。鹽體所含雜質包括泥質組分、石膏等,泥質組分有的形成單獨的夾層,有的與鹽混在一起,形成泥鹽。美國得克薩斯州的帕洛杜羅盆地用天然γ測井和密度γ-γ測井評價了中上二疊系鹽層的純度。γ射線強度與泥質含量有關,因為泥質組分中的釷量較高。γ-γ測井求得的密度則與石膏的百分含量之間存在著線性相關關系。計算了每個鑽孔每個鹽層的γ強度平均值。不到30ft的夾層,其γ強度與鹽層一起平均,當夾層厚於30ft時,就把鹽層作為兩個單獨的層處理,據此編制了不同旋迴的γ射線強度的等值線圖,它實質上就是泥質含量分布圖,從中可以選擇泥質含量最低的地區作為儲存核廢料的地點。
在美國鹽谷地區還曾利用垂直地震剖面法,根據波速的不同劃分鹽中的夾層。而在丹麥的莫爾斯鹽丘則用井中重力研究了鹽內的夾層。
研究含水性。鹽體含水對建立核廢料是一個潛在的危險,它使部分鹽溶解成為鹵水,減小鹽的機械強度並腐蝕廢料容器。測量鹽體的含水量可以採用中子測井,以255Cf為中子源。試驗表明,在釋放的γ射線譜線上氫本身的峰很弱,不能用作評價含水量的尺度,但可利用快中子與Na和Cl原子核的相互作用,以下列參數衡量含水量:Na中子非彈性散射峰與Cl中子俘獲峰的比值。非彈性散射是指Na的原子核吸收一個中子並放出一個中子和γ射線,γ射線峰的位置在138keV;中子俘獲是指Cl的原子核俘獲一個中子並放出γ射線,其峰的位置在789keV。上述比值與水的含量呈正比。美國曾利用瞬變電磁法來確定鹵水的位置,在實際探測時發現,鹵水的位置與瞬變電磁法一維反演的低阻層位置相當吻合。
了解裂隙發育程度。為了保證核廢料庫的安全,必須了解鹽層的裂隙發育程度。主要方法為井中電法(特別是無線電波法)和聲波測井。鹽的電阻率高,電磁波傳播的損耗小,無線電波法的探測距離大,夾層或裂隙的電阻率或介電常數與鹽不同,這些都是應用無線電波法的有利條件。無線電波法包括透視和反射法,透視法測孔間信號的衰減,而反射法的發射和接收天線位於同一孔內,測電磁脈沖的走時和反射層的特徵。均勻的鹽不會產生明顯反射,裂隙增多則反射亦增多。無裂隙的鹽電阻率高、衰減小,多裂隙的鹽則電阻率低、衰減大。因此,衰減小、反射少的鹽體更適於儲存核廢料。
用聲波測井確定裂隙帶的位置時可以利用不同的參數,如反射波幅度、聲波速度和區間時間。
(2)深成結晶岩體選址和勘察中的地球物理工作
核廢料擬儲存於花崗岩深成結晶岩體500~1000m深度上類似於礦山的處理洞穴中。在深成結晶岩體的選址和勘察過程中,地球物理工作分為三個階段,即場地篩選、場地評價和洞穴開挖過程中的勘察。
A.場地篩選
首先開展區域普查來篩選幾個地區,作為候選的處理場地,每個地區的面積可達上千平方千米。在篩選過程中,了解深成岩體的形態和深度、周圍地質環境、主要不連續面的位置和走向,蓋層的特徵、岩石的完整性等都是很重要的。由於場地篩選是區域性調查,涉及面積很大,所以要選用快速普查性的地球物理方法,尤其是航空地球物理方法。航空磁測曾被用來確定深成岩體的邊界以及岩體中的岩石與構造界面,一般與航空磁測同時開展的航空γ能譜測量也可用於劃分花崗岩體的邊界,花崗岩體鈾的含量可達8×10-6,而圍岩往往低於2×10-6。航空電磁法用來填繪裂隙帶在近地表的投影以及覆蓋層的特徵。湖區的裂隙帶則可採用船載聲吶設備圈定。岩石的完整性可以通過測量岩石的整體電阻率來評價,採用的方法有大地電磁法(MT)、音頻大地電磁法(AMT)、瞬變電磁法(TEM)和直流電阻率法等。
地面重力法曾被用來確定深成岩體的形態和深度及其地質環境。圖9.15顯示一條南北向跨過岩基的39km長的重力剖面,圖上包括實測和模型重力曲線以及根據當地常見岩石單元作出的解釋剖面。與岩基有關的100g.u.的重力低非常明顯,疊加在重力低上的局部重力高很可能是由高密度的包裹體引起。
B.場地評價
場地評價是在經過篩選的較小區域內進行更詳細的調查,每個區域的面積可達100km2,總的目標是圈定主要裂隙帶,確定其幾何形態,進行岩性填圖並了解覆蓋層的特徵。
應用高解析度地震反射法了解裂隙帶的深部情況以及發現深埋的裂隙帶。可以探測到寬於地震波主波長1/8的目標,例如在P波速度約5500m/s的花崗岩中,若採用150Hz左右的工作頻率,就可以探測到5m寬的裂隙帶。但是要求探測離地表1000m以內的反射體意味著有用的反射包含在地震記錄的第1s內,然而對高解析度地震常用的炮檢距來說,在這一時間段內也有地滾波到達,為了減小地滾波的影響,需要採用頻率濾波、f-k濾波、減小炸葯量以保留信號的高頻成分,並且選擇適當的檢波器距使地滾波在疊加時盡量減小。
目前還提出了三種應用地球物理方法估算裂隙的水壓滲透性的途徑:一是利用裂隙空間的電導率;二是利用裂隙內聲波能量的損耗;三是利用地震波通過時鑽孔對裂隙壓縮的響應。
對於准備開挖的場地來說,層析方法的作用更大,因為在這樣的地點鑽孔的數目要控制在最低限度,以防在岩體中形成新的地下水通道。
C.開挖階段的勘察工作
開挖儲存核廢料洞穴的工作開始以後,需要了解洞穴周圍岩體的水文地質條件和地質力學條件。由於本階段研究的目標減小,所以要採用高解析度,因而是高頻的地球物理方法。雷達、超聲波和聲輻射方法都曾得到有效的應用。
圖9.15跨過岩基的一條南北向重力剖面圖和二維重力模型(右側為北)
利用超聲波可以確定開挖破壞帶的厚度。利用聲輻射測量可以監測開挖的安全性,聲輻射參數的變化可以用來預測可能產生的岩爆並確定其位置。此外,聲輻射測量還用於追蹤向裂隙帶內灌漿的進程,這時在裂隙帶附近的一系列鑽孔內放置加速度計,在灌漿過程中記錄的聲輻射強度是同灌漿的進展相關的。
總之,在深成結晶岩地區核廢料處理場地選址和勘察工作中,地球物理方法既能快速而經濟地做到對大片區域的地質構造進行全面的了解,又能對候選場地進行詳細評價和勘察。表9.5將各個階段的地球物理工作加以總結。但在各個階段的工作中,除地球物理方法外,還應綜合應用其他方法,尤其是水文地質、地球化學、地質和岩石力學方法等。由於地球物理方法在解釋上的多解性,還應通過鑽探來驗證。
表9.5深成結晶岩區核廢料地質處理中的地球物理工作