断裂岩体中几何控制的伽马射线输运：不连续面产状与充填成分耦合效应

《Scientific Reports》：Geometry-controlled gamma-ray transport in fractured rock masses: coupled effects of discontinuity orientation and infill composition

　　

摘要

由于大多数以往研究将岩石视为均质介质，忽略了不连续面的结构作用，岩石中伽马射线衰减的可靠预测仍然具有挑战性。然而，在断裂岩体系统中，节理方向和充填物成分可以显著改变有效光子路径，并产生方向依赖的衰减行为。本研究通过整合实验和数值方法对节理岩体中伽马射线衰减进行调查，弥补了这一研究空白。选取了五种代表性岩石类型——花岗岩、磁铁矿、角闪石、石灰华和盐岩——以涵盖广泛的密度和矿物成分范围。在全方位谱范围内引入了人工不连续面，倾角以5°为增量从0°系统变化至90°。实验测量采用单能¹³⁷Cs伽马源（0.662 MeV）与盖革-缪勒探测器相结合，以测定透射光子强度。此外，还引入了不同的充填材料，包括低密度填充物（黏土和石灰）和高原子序数材料（氧化铁、氧化铅和金属铅），以评估其对衰减行为的影响。与此同时，利用MCNPX程序进行了光子输运模拟，以重现实验配置并将分析扩展至超出实验室限制的范围。结果表明，衰减在整个角度范围内受不连续面几何特征与充填物成分的耦合作用控制。倾角变化改变了光子输运几何结构，导致方向依赖的衰减行为。高密度和高Z材料表现出更强的衰减能力，而低密度材料则表现出对几何效应较低敏感度。充填材料显著影响衰减效果，以铅基填充物产生的增强效应最为显著。实验结果与数值结果之间的高度一致性证实了该建模框架的可靠性。总体而言，断裂岩体系统中的伽马射线衰减受材料-几何耦合作用的控制，而非仅由岩石固有性质决定，这凸显了在辐射屏蔽设计中纳入不连续面方向和充填特征的重要性。