一种基于物联网的装置与方法，用于在砂岩型铀矿床勘探中实现对扩散型土壤氡的长期同步监测

《Radiation Measurements》：An IoT-based Device and Method for Long-Term Synchronous Observation of Diffusive Soil Radon in Sandstone-hosted Uranium Deposit Exploration

　　•为砂岩型铀矿勘探，研制出一种低功耗、微型化的基于物联网的氡气远程监测装置及其完整的测量方法。在两条勘探线上的实地验证表明，长期测量的土壤氡浓度与通过钻孔伽马能谱分析推断出的深部隐伏铀矿体的空间分布相吻合。研究还系统分析了影响土壤氡测量的关键因素，为深部隐伏砂岩型铀矿勘探提供了新方法。

引言
铀矿地质勘探的重点正逐渐转向深部隐伏铀矿床，尤其是大型及超大型铀矿床的勘探潜力。由于砂岩型铀矿床通常呈隐伏状态、分布范围广、埋藏深度相对较浅，且适合进行原位浸出开采，因此已成为全球铀矿勘探的主要目标之一（Niu等人，2025；Q. Wang等人，2022）。

在砂岩型铀矿床的勘探中，地面伽马射线能谱法被广泛运用，因为它能够快速识别地表放射性异常。然而，其有效性会受到覆盖层厚度、地表岩性变化以及地形起伏等因素的显著限制，导致其在探测深部隐伏矿体时的灵敏度大幅下降。虽然钻孔勘探可以提供直接的地质证据，但成本高昂且耗时较长，因此不适合大规模应用。氡气（222Rn）是238U衰变系列中的放射性惰性气体，半衰期为3.825天，具有很强的迁移能力。它可以通过扩散、对流、泵送、传输、应力-应变效应以及集群迁移等过程，从地下沿着构造带或断层迁移到地表，在地质构造和放射性矿化带正上方形成氡气异常（Beltrán-Torres等人，2023；Sahu等人，2016；Moussa和El Arabi，2003）。因此，作为放射性地球物理勘探中常用的方法，土壤氡气测量能够有效反映调查区域的放射性特征，以及地质构造的存在、宽度、填充物质以及覆盖层的性质。近年来，该方法被广泛应用于深部铀矿体的寻找，被视为探测深部隐伏铀矿化的重要技术手段（Zhang等人，2025；Guo等人，2024；Wei等人，2019；Zhang等人，2018；Kai等人，2015；Liang等人，2015）。

尽管如此，传统的土壤氡气测量方法仍存在若干局限性。以检测218Po为代表的瞬时RaA测量法虽然效率较高，但由于受采样程序、土壤扰动、湿度以及静电吸附效率等因素的影响，其重复性和稳定性一般较差（Wen等人，2020；Ruckerbauer和Winkler，2001）。而传统的综合氡气测量方法，包括活性炭法、CR-39示踪管法和α杯积累法，虽能在一定程度上减轻短期气象干扰，但却极易受到温度和湿度条件、吸附-解吸过程以及采样时间的影响，导致数据时效性较差，无法满足当前对连续高分辨率监测的需求（Gang等人，2020；Yang等人，2018；Zhang等人，2018；Meng等人，2017；Rahman和Ghauri，2010）。此外，现有的连续氡气监测技术，如基于半导体α能谱的RAD7以及基于电离室法的AlphaGUARD PQ2000，在野外测量时容易因高浓度污染而出现记忆效应。它们的仪器尺寸、供电要求以及对湿度的敏感度也限制了其大规模野外应用（Wang等人，2026；Lopez等人，2023；Zhihui等人，2017）。

在更广泛的科研背景下，许多国家已经开始建立区域性的长期土壤氡气监测网络，以提高对地壳活动、深层地质过程以及环境健康风险的监测能力。欧洲的IRON网络是目前规模最大、运行时间最长的土壤氡气监测系统，已连续运行十余年。通过26个长期监测站，该网络揭示了土壤氡气变化与地下地壳活动之间的耦合特征（Cannelli等人，2018）。随后，ArtEmis项目在多个欧洲国家部署了低成本土壤氡气监测阵列，并提出利用泉水中的氡气测量作为浅层土壤监测的替代方法，以提高数据的稳定性（Tallini等人，2025）。近年来，中国也开展了基于物联网技术的多点土壤氡气监测的探索性研究，实现了多深度探针协同工作、基于云端的 数据传输以及长期稳定运行，能够满足铀矿开采区复杂环境下的连续观测需求（Ding等人，2025）。赵某利用中国地震局提供的氡气监测仪器测试平台以及中国地震试验场的仙水河断层带天然试验场，对一种新型的原位在线土壤氡气监测仪器进行了室内测试和野外应用（Zhao等人，2024）。此外，基于Si-PIN探测器、ZigBee自组织网络以及低功耗节点设计的分布式监测系统也被应用于空间氡气梯度的地球物理监测中（Xie等人，2025）。尽管这些网络系统大大提升了氡气监测技术水平，但它们通常采用固定且长期不变的部署方式，难以在砂岩型铀矿区开展大范围、多剖面、多阶段的勘探工作。

与监测网络的发展同步，新的氡气检测技术也在迅速成熟。国际上出现了多种技术路线，包括低成本电离室传感器（Studni?ka等人，2019）、高灵敏度Si-PIN检测系统（Xie等人，2025）、具有多参数优化功能的静电收集探测器（Dong等人，2025），以及基于光电二极管的低功耗物联网氡气监测节点（Jafari和Silva，2025）。这些技术各有优势，比如低功耗、微型化以及易于集成，但也存在局限性，如灵敏度受限、易受温度和湿度影响、结构复杂或成本相对较高。在各种技术路线中，基于ZnS(Ag)闪烁体的α检测技术因其高灵敏度、不受湿度影响、结构简单，且非常适合集成化和低功耗设计，有望成为构建长期野外土壤氡气监测系统的理想技术途径。

基于上述背景，本研究针对砂岩型铀矿床勘探，开发了一种基于ZnS(Ag)闪烁体的氡气远程监测装置。该装置具有低功耗、网络化运行、高密度部署能力以及自动操作功能，本研究还探讨了其在勘探隐伏砂岩型铀矿床中的应用潜力。该系统体积小巧，部署灵活，能够实现长期、低维护的连续观测，有助于准确检测由深部隐伏矿体产生的微弱氡气异常。通过将氡气时间序列数据与地质、地球物理及放射性测量信息相结合，本研究为砂岩型铀矿床的异常识别和成矿预测提供了一种新的技术路径和方法框架。

研究区域地质背景
本研究选取的实验区域位于松辽盆地南部的海力金铀矿床区。松辽盆地是中国东北地区最大的中生代-新生代含油盆地，是一个形成于克拉通基底之上的大型断陷-坳陷型大陆沉积盆地。其构造-沉积演化特征表现为“下伏断裂、上覆沉降”的构造格局。

仪器描述
本研究团队自主研发了一种用于长期同步观测土壤氡气扩散的装置。该装置基于物联网技术，专为砂岩型铀矿床勘探而设计。整个系统由氡气远程监测装置、扩散型氡气积累筒、积累筒的密封盖、大气温湿度压力传感器、土壤温湿度传感器、便携式电源、数据传输天线以及云端平台组成。

野外部署与安装流程
长期土壤氡气监测的野外部署流程如图5所示。首先，勘探队抵达指定观测点后，会使用地面伽马射线能谱仪对该地点的γ射线能谱信息进行采集。完成伽马测量后，会使用小型汽油动力钻机在观测点钻探一口井。井的深度和直径均经过精心设计，以满足相关要求。

表面污染对土壤氡气测量的影响
在实际野外应用中，土壤氡气浓度不仅受深层地质条件影响，还可能受到地表人类活动以及地表放射性物质积累的影响。在铀矿勘探区域，岩心、矿石及相关材料的地表储存可能会成为重要的地表放射性污染源，从而干扰土壤氡气测量结果（Wu等人，2023；Krivitskiy等人，2022）。

结论
本研究开发并应用了所设计的氡气远程监测装置，用于砂岩型铀矿床的勘探。随后在海力金铀矿区及其周边地区开展了野外试验，以评估该装置在探测深部隐伏砂岩型铀矿床方面的实际应用效果。主要研究结果如下：
1. 能有效反映深部铀矿化情况：在排除了初始安装带来的干扰因素后，长期连续的土壤氡气数据能够较好地反映深部铀矿化情况。

作者贡献声明
肖坤：写作——审阅与编辑、验证、监督。卢志勇：写作——审阅与编辑、验证、监督。黄晓：写作——审阅与编辑、验证、监督。宁洪涛：写作——审阅与编辑、验证、监督。李鸿星：写作——审阅与编辑、监督、项目管理、方法学。毛宏进：写作——审阅与编辑、方法学、调研、数据整理。杨亚新：写作——审阅与编辑、监督。

未引用参考文献
Nooreddin Jafari and Silva, 1; Jun et al., 2023; Wang et al., 2022.

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

数据可用性
数据将应要求提供。

资金支持
本研究得到了“深地探测与矿产资源勘查”国家重点专项（项目编号2025ZD1008503）、国家自然科学基金（项目编号42504141）、华东理工大学博士启动基金（项目编号DHBK2019086），以及中国核工业集团第243地质队授权的在生产中的研究项目“基于物联网的同步土壤氡气观测技术及其在矿产勘探中的应用”的资助。

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了“深地探测与矿产资源勘查”国家重点专项（项目编号2025ZD1008503）、国家自然科学基金（项目编号42504141）、华东理工大学博士启动基金（项目编号DHBK2019086），以及中国核工业集团第243地质队授权的在生产中的研究项目“基于物联网的同步土壤氡气观测技术及其在矿产勘探中的应用”的支持。

孟张|杨亚新|罗启斌|李鸿星|毛宏进|黄晓|宁洪涛|肖坤|卢志勇