近日，俄羅斯科學家成功研制出一種利用μ子測定探井中物體密度的裝置，這一創(chuàng)新技術(shù)有望在未來大幅降低地質(zhì)勘探和鉆井作業(yè)的成本。

地質(zhì)勘探工作一直以來都是一項成本高、風險大的任務。為了獲取可靠的地質(zhì)信息，通常需要提取巖石樣本(巖心)，但這一過程不僅費用高昂，而且并不能保證一定能發(fā)現(xiàn)豐富的礦藏。目前，每米鉆井的成本在1.2至2.5萬盧布之間，并且價格仍在持續(xù)上漲。因此，尋找降低成本的地球物理和地球化學方法成為了行業(yè)內(nèi)的迫切需求。

μ子斷層掃描技術(shù)便是其中一種最新的技術(shù)手段。該技術(shù)利用μ子流來獲取地質(zhì)信息，雖然這一想法早已提出，但直到幾年前才在加拿大的鈾礦床中進行了成功試驗。

在俄羅斯，Elkon礦冶廠(MMC)與特羅伊茨克的一家科學研究所合作，于2023-2024年在單一行業(yè)專題計劃框架內(nèi)完成了該技術(shù)的第一階段研發(fā)工作。科學家們制造出了一個由四個模塊組成的μ子斷層掃描儀功能樣品。

該模塊是一個長2.4米、直徑89毫米的不銹鋼管，內(nèi)置位置敏感探測器，包括閃爍光纖、硅光電倍增管(SiPM)、電子控制和信號讀取系統(tǒng)，以及一個電子羅盤。這些設備能夠記錄μ子在穿過不同密度物質(zhì)時釋放的能量，并通過光子發(fā)射和探測器重建μ子的軌跡。

該裝置能夠在不同深度的井中安裝一個或多個模塊，它們彼此獨立工作。當μ子遇到光纖時，會釋放能量并發(fā)射光子，這些光子由硅光電倍增管記錄。隨后，探測器會重建所有已注冊的μ子軌跡，并將其傳輸至移動計算站進行進一步處理。

據(jù)該項目的科學主任亞歷山大·戈盧別夫介紹，μ子射線照相術(shù)的物理原理是基于電磁過程導致深處的μ子通量減弱。由于庫侖與介質(zhì)原子的電子相互作用，帶電粒子在穿過物質(zhì)時會損失能量，這一過程與物質(zhì)的有效原子電荷和有效原子量之比成正比。因此，穿過電荷數(shù)較高的物質(zhì)會導致更大的減弱，從而改變該區(qū)域的μ子通量強度。

通過收集和分析來自多個投影的數(shù)據(jù)，科學家們能夠利用軟件重建三維密度分布圖。這一結(jié)果可以可視化不同密度的物體，并確定每個基本單元中巖體的平均密度。可視化可以在三維和二維上以切片的形式實現(xiàn)，為地質(zhì)學家提供了更為直觀和準確的地質(zhì)信息。

在測試階段，該研究所使用沖擊發(fā)生器對斷層掃描儀樣本進行了測試，并在四天內(nèi)構(gòu)建了密度分布的角度直方圖。測試結(jié)果顯示，該裝置確定平均密度的準確率優(yōu)于5%。換句話說，如果質(zhì)量厚度的差異超過5%，設備就能夠準確記錄該差異。

此外，科學家們還在數(shù)字孿生模型上測試了μ子斷層掃描儀的功能。該模型以地質(zhì)圖數(shù)據(jù)為基礎，確定了鈾礦層在圍巖中的位置。測試結(jié)果表明，該裝置能夠準確地對測試物體的形狀和密度進行三維重建。

客戶對測試結(jié)果表示非常滿意，并計劃于2025-2026年在Elkon金礦和鈾礦床進行現(xiàn)場測試。現(xiàn)場測試的目標是確認μ子斷層掃描數(shù)據(jù)與通過傳統(tǒng)方法獲得的信息相匹配，并獲得俄羅斯國家能源局的批準，以便國家資源委員會(GKZ)接受介子斷層掃描數(shù)據(jù)。

據(jù)特羅伊茨克科學家稱，他們的裝置有望顯著降低鉆井成本。例如，在通常的1平方公里區(qū)域內(nèi)，按照100×100米的網(wǎng)絡鉆探需要鉆100口井。而通過μ子斷層掃描技術(shù)掃描地下情況后，井的數(shù)量可以減少到10個左右。