缪子与介子探矿技术

刘先生的地质 新浪博客

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第一部分  认识粒子（缪子与介子）

    这是一个深奥的问题，以两张图说明。

    一、原子的构成

    二、粒子的关系

 

（图为本人整理，如有不妥，请指教）

第二部分  介子探矿技术 

【按】据MiningWeekly报道，来自加拿大温哥华市的CRM层析成像技术公司（CRM Geotomography Technologies）开发了一种新技术，能够利用宇宙射线介子来发现深部隐藏矿床。但到底是什么？要点是什么？

1、介子具有强穿透性。

2、介子在不同密度的物质中速度不同。

3、介子探矿是一种物探方法，主要测量岩石的密度差异，类似于重力测量。

4、具有测深的功能，建立三维模型。

 

一、什么是介子

介子的静态质量介于轻子和重子之间，质量为电子的264.3倍，所以取名为介子，介子的自旋量子数为零，参与强相互作用。介子包括π介子，η介子和κ介子。介子和重子都归属于强子。

介子不属于基本粒子，都不能稳定存在，经历一定平均寿命后即转变为别种基本粒子。

介子在宇宙射线中非常丰富。高能量介子运行速度与光速相近，理论上不受磁场或大气层中温压变化的影响。因此，无论从空间上还是时间上，到达地球表面的介子流近乎一致。

二、介子的特性

（1）具有强穿透性

由于介子能量强大，与其它带电粒子相比，其在物质中的穿透力更强。其能量衰减速度取决于穿透的物质数量，其次就是其穿透的媒介的原子性质。

（2）介子有不同密度的物质中速度不同

介子在高密度物质面前更容易受阻。因此，通过测量介子沿某个方向穿透深部物体的速度，就可以直接测量从地表到某个深度范围内物质的平均密度。

三、介子探矿原理

根据介子性质和传播特性，开发出了一种精密工具（介子探测仪），通过探测每个方向的介子流，可以确定深部矿床。如果能计算沿每个方向部署的探测器意外出现的介子数量，然后与预计数目对比，就可以确定探测器覆盖范围内密度异常的位置。不仅仅如此，还可以测量密度。

因为密度是一种非常重要的地球物理属性，可以揭示许多非常有价值的地质信息，比如矿床。

该技术在棕地和绿地矿产勘探方面有明显的优势。任何与周边物质存在密度差异的地质构造都能够采用这项技术。

这些信息可以结合地质背景，以及其他地球物理和地质数据，比如重力测量和钻探岩芯样品分析结果等来进行地质解释。

CRM公司首席执行官（CEO）唐•弗尔塞斯（Don Furseth）向记者解释说，介子探测器与电子计算机断层扫描原理非常相似，通过多个二维X射线图像可以建立一个物体的三维（3D）模型。这项技术将把多个探测器的信息集成，建立地表之下地质结构的三维模型。

四、找矿应用

目前型号的介子探测仪长两米，宽1米，高1.5米，适合于在有开拓面的条件下使用，能在恶劣和不可预料矿山环境下使用。

今年底，CRM公司将开发出一种更精度更高的下一代介子探测器。

CRM公司在孔内探测仪的研发方面取得重大进展。孔内探测仪的一个重要功能是能够对地下不同深度的矿床进行成像，为解决三维建模提供有力工具。孔内探测仪的一个重要优点是几乎在任何地方都可以部署，无论棕地还是绿地勘探。

棕地工作目前主要是寻找现有矿山附近的矿床，估算其规模、位置和形状；确定更好的钻探靶区；帮助矿山地质师对地质模型进行优化。

弗尔塞斯透露，CRM公司已经在几种类型矿床的现有矿山成功获取了介子层析成像。例如，在火山块状硫化物（VMS）矿床、密西西比河谷型（MVT）铅锌矿床、加拿大不列颠哥伦比亚省的迈拉弗尔斯（Myra Falls）矿山，以及泰克资源公司在美国华盛顿州的彭德奥瑞勒（Pend Oreille）矿山。

五、介子探测仪其它应用

（1）地震预测

新华网莫斯科电（记者贺颖骏）：俄罗斯科学院列别杰夫物理研究所的科学家提出了预测地震的新方法，通过监测由宇宙射线引起的地下声波来判断地层活动情况，这个理论已经在实验中得到初步验证。

列别杰夫物理研究所空间辐射研究室主任弗拉基米尔?里亚博夫近日对媒体解释了新方法的原理：宇宙射线中含有一种穿透性极强的μ介子，它可以穿透地下较深的地方，被穿过的地下介质会释放能量、引起振荡并发出声波。这种声波能反映地震发源地的形成情况，振幅越大说明地层活动越剧烈。

这一理论已得到初步验证。2011年日本福岛大地震发生前后，安放在哈萨克斯坦高山科研站的传感器记录了地底传来的异常声学信号。研究人员认为，声波振幅在长期监测中的异常变化，可以作为预测地震的指标。

地震预测一直是个世界性的难题，现在还没有特别有效的方法。里亚博夫表示，目前广泛使用的地震预测方法准确性不高，如果上述方法能够被进一步验证和完善，可以增添一种帮助预测地震的新工具。

（2）采矿

介子探测仪在块断崩落法采矿中能够发挥关键的作用。

但是，弗尔塞斯指出，这种方法安全隐患场景是在覆盖层崩塌过程中产生的空气间隙中使用时。在矿山范围内可突然崩塌，而产生强烈和极度危险的空气爆炸。典型案例是在1999年11月25日，澳大利亚的诺斯帕克斯（Northparkes）矿山的一个总容积在400万立方米的空气间隙突然崩溃，导致多人死亡。

由于存在大的密度差异和堆积扩大，可以利用介子层析成像技术在短时间内找到空气间隙，为块段崩落采矿提供安全保障。

六、结语

1、目前介子探矿还不是很成熟，是一种新的物探方法（间接找矿方法），相当于新的密度测量。

2、期望能研发出一种测量不同岩石、不同矿物、不同元素谱系（类似于光谱测量）的测深方法。 

参考文献：

1、国土资源部网站，加拿大发明介子探矿技术，2018年03月08日

2、新华网莫斯科电（记者贺颖骏），俄科学家提出预测地震新法，2012-12-23

 

第三部分缪子探矿技术

——[转载]看穿大地的“眼睛”

 

 (2016-02-10 18:32:56)

（http://wipac.wisc.edu/deco）

 

原文网址：http://www.360doc.cn/article/2283188_311762368.html

 

DECO is a citizen science project that enables users around the world to detect cosmic rays and other energetic particles with their cell phones and tablets. The recorded events are automatically uploaded to a central database. In addition to detecting particle events, users can analyze the data produced by their own or other users’ phones.

[德科是一个公民科学项目，可以让世界各地的用户用手机和平板电脑探测宇宙射线和其他高能粒子。记录的事件自动上传到中央数据库。除了检测粒子事件外，用户还可以分析自己或其他用户的手机所产生的数据。]

 

一、前言

《西游记》第七回中，孙悟空在太上老君的炼丹炉中炼出一双“火眼金睛”，这双神奇的眼睛不仅能看穿妖精原形，还能够隔板看物，在第46回，悟空就凭这个本领狠狠戏弄了车迟国的国师。如今，随着科学与技术的发展，现实中这样隔物看物的“火眼金睛”已相当普及，比如，在地铁与机场里随处可见的X——光安检系统。今天要介绍的，却是能够看穿大地的“火眼金睛”——利用缪子的断层成像技术。

图1    火山示意图

 

二、什么是缪子？

世间的可见物质都可以一层层地拆分下去：宏观结构、微观结构、分子结构，直到原子结构。原子是由原子核与核外电子构成，原子核又是由质子与中子构成，质子与中子统称为核子。核子本身也有结构，它们由更基本的粒子构成。

标准模型是现代粒子物理学的核心，它可以用来解释我们这个宇宙由哪些最基本的粒子构成，即费米子与玻色子。费米子是组成物质的基本粒子，而玻色子则负责在物质之间传递各种相互作用的力。光子是最常见的玻色子，它传递电磁相互作用；在夸克之间传递强相互作用的是胶子；在夸克、轻子之间传递弱相互作用的是W与Z玻色子；而在所有物质之间传递引力相互作用的是希格斯子，也称引力子。标准模型预言的所有基本粒子目前都已经找到。费米子主要包括夸克与轻子，核子是由六种夸克中的上夸克与下夸克组合而成，围绕原子核旋转的电子属于轻子。在轻子家族中，电子属于第一代，第二代叫缪子（muon，即μ－子），第三代叫陶子（tauon，即τ－子），电子、缪子和陶子还分别拥有各自对应的中微子。目前还没有发现任何轻子具有内部结构，轻子与物质之间主要是电磁与弱相互作用。

1936年，缪子被发现，并被称为缪介子。后来经研究发现，它没有强相互作用，基本性质属于轻子，而介子是由夸克构成，并具有强相互作用，故称其为缪介子是错误的。缪子的基本性质与电子类似，但它的质量约为电子的200倍，像一个加重的电子，故可用缪子取代电子，形成一种类似原子的结构，这种结构称为缪原子。这种奇异的原子结构已经超出目前的化学元素周期表。比起位于化学元素周期表中的电子原子，缪原子具有更小的库仑位垒，故而具有一些特殊用途，例如，用来产生室温下的冷聚变。

缪子因为质量大，受磁场的加速与偏转比电子要慢，也不容易发出轫致辐射，这使得它在物质中的穿透比电子更深。通常放射性衰变、核裂变，甚至核聚变都无法产生缪子，地球上的缪子主要来自宇宙射线，即太空中的高能粒子流，主要成分是由恒星抛射出来的质子。这些高能质子与外层大气分子发生碰撞，生成了派介子（pion，或 pi-meson，π－介子），派介子再衰变成缪子和中微子，产生的缪子几乎以光速冲向地面，可以穿透很深的地层。四川锦屏山地下实验室是目前世界上最深的地下实验室，其岩层厚度约2700米，在那里仍然可以探测到来自宇宙射线的缪子。

 

图2   宇宙射线缪子的生成示意图

 

缪子很不稳定，其静止寿命为2．2微秒，这个寿命相对大多数高能粒子已经是“长寿”的了。但是，缪子通常在地面万米以上的高空产生，以光速飞行2.2微秒只能运动约660米，那为什么还能在地下2千米处被测量到呢？这是因为相对论的钟慢效应。2.2微秒是在缪子自身静止参照系中的时间，当它以接近光速运动时，在地面看来，它的寿命很长，长到足够穿透数千米深的地层。缪子通常会通过弱相互作用衰变为一个电子、一个反电子中微子和一个缪子中微子。

三、什么是断层成像？

在物理学上，任何射线或能量波经物体表面反射或者穿透物体之后被探测到，均可成像。最常见的就是可见光成像，其它广泛用于成像的还有红外线、电子、超声波、X－光等。随着核物理与粒子物理学发展，人们对基本粒子的认识越来越透彻，探测技术越来越先进，利用常见粒子的成像技术也随之成熟，中子照相、伽玛照相等已有广泛应用。

断层成像（tomography），也被称为计算机辅助断层成像（Computer Aided Tomography），通常简写作CAT或CT。CT需要使用X-光、超声波、地震波或者电磁波作为相应的能量波，能量波在物质中会被反射、衰减或吸收，在适当位置对通过物质的能量波进行探测，根据能量波的变化并通过软件可以计算出被探测物体的形状或成分等。能量波可以使用专门设备产生，如X-光机或超声波，也可以利用天然射线，如缪子束。

随着计算机技术的发展，断层成像已在各方面得到了充分应用，比如X－光片与CT已是非常普遍的医疗诊断工具。 将断层成像技术应用于地质研究，在英文中该技术叫geotomography，此处译为“地质断层成像”，由词根geo－（代表地理的、地层的）和tomography（断层成像）构成。地质断层成像通常经分散在地表或地面以下不同位置的发射装置来发射能量波，再于恰当位置对能量波进行探测，通过软件技术对地层结构进行成像。

图3   德国图宾根大学所做的GPR地质断层成像示意图

 

地质断层成像最常用的手段是地面穿透雷达，即GPR技术。它通过雷达天线向地面发射高频电磁波（通常在40到1500兆赫），再在其他位置利用雷达接收器接收反射的电磁波。缓慢在地表移动发射天线，可以得到连续的地表层成像。GPR的探测深度与地层情况有关，在干燥的砂砾型地表，探测深度可接近8米，但很少能够超过10米。德国图宾根大学的研究人员曾利用地面穿透雷达技术尝试进行地质断层成像。这项技术可对河谷内的沉积结构与水文特征进行高精度成像，是水文地质研究的利器。

缪子能够穿透千米深的地层，这个距离把地面穿透雷达能达到的深度甩得很远。如果把缪子作为穿透射线，可以研究更深范围的地层，听上去是个不错的主意。

四、缪子探测与缪子成像

缪子穿透物质时会发生电离与放射性过程，其中放射性过程包括轫致辐射、直接产生正负电子对和光核相互作用。电离是缪子穿透物质的主要能量损失方式。对缪子的探测相对比较容易，由于它没有强相互作用，探测精度很高，本底也很小。

缪子的探测分为两个过程：首先是粒子鉴别，即把缪子与其它粒子区别开来；然后是缪子的具体参数，比如能量与位置等。由于宇宙射线缪子通常能量很高，很少有粒子象缪子那样能够穿过大体积的吸收体而只损失很少的能量，依据这个特点，可以很容易地识别缪子。常见的缪子探测器有闪烁体、气体电离室等。通常闪烁体探测器只作为缪子计数器，即记录有多少个缪子通过。对缪子详细参数的探测常使用气体电离室探测器，比如漂移管、阴极条状腔室（CSC：cathode strip chambers）等，它们可用于测量缪子位置与能量。

图4   利用缪子断层成像做货厢扫描的原理示意

 

宇宙射线产生的缪子和阳光一样，是天然的射线源。随着缪子探测技术的成熟，利用这个天然射线源进行成像也是很自然的选择。缪子成像技术虽然说不上很新，但应用并不广泛，其中比较有特色的有：

1955年，E．P．George等人利用缪子成像测量了隧道上的覆盖物，这是缪子成像应用的最早案例。

1970年，L．W． Alvarez等人利用缪子测量了位于埃及开罗西南处约20公里的吉萨第二大金字塔卡夫拉，确认了其中并不象其它金字塔那样存在额外的墓室。

2010年，日本东京地震研究所发表了利用缪子成像对浅间活火山进行轴向成像的结果，可以看到火山内部的详细结构。

在德克萨斯大学奥斯汀分校还有一个玛雅缪子研究组，他们利用缪子成像来研究玛雅金字塔遗迹，获得了其覆盖层的三维图像。

由于缪子与高原子序数的核相互作用明显，很容易用于识别较重的燃料核素，因此，将缪子成像技术用在核反应堆上，对运行中反应堆的内部结构尤其是其中的燃料棒进行监视，也就顺理成章了。今年，日本与美国分别发表了相关研究的论文。

图5   缪子断层成像的应用实例

分别为（从左到右，从上到下）：测量隧道覆盖物（1955）、测量埃及金字塔（1970）、玛雅遗迹研究、测量火山结构（2010）

 

对金字塔、火山进行的成像属于地质断层成像。由于缪子能够穿透很深的地层，利用缪子进行地质断层成像，即便是很深的地层，对于缪子成像探测器也像半透明的玻璃一样，可以“看”得很清楚。

五、缪子地质断层成像在探矿中的应用

由于矿石的密度通常比普通岩石要大，能否利用缪子地质断层成像获得一个矿区详细的矿石储量与分布呢？答案是肯定的。但能够对多大范围的矿区进行成像，采用哪种探测器成本更低廉，哪种分析方法更高效，这些非常具体的技术细节决定了这种技术的实用性。

科学研究一般是利用已知去认识未知。对于缪子地质断层成像应用于矿区勘探，我们已经知道的是缪子性质、探测方法、可参考的一般成像方法，未知的是需要哪种探测器、哪种分析算法，以及采用某种方案最终能够达到什么效果。要知道未知的参数，就需要进行反复的实验测量、核实和提高精度。

由于核物理与粒子物理的实验设备昂贵，过程复杂，实验的实施通常都相当不易。但物理学在定量方面是其它学科难以比拟的，也这使得物理研究能在实施实验之前进行非常充分的计算。在计算机尚未充分发展以前，研究人员会利用已知数据与规律做初步计算，比如利用缪子在物质穿越过程中的能量损失公式来计算所需要的探测器厚度与可能响应等。

计算机技术的进步，不仅让计算速度更快，也改善了物理学研究的实验过程。以赌城蒙特卡罗所命名的数学方法发展于二十世纪四十年代，它的突出特点是可以将一些过于复杂的计算简化成符合一定规则的随机过程，从而让一些看似无法解决的计算变为可能，在计算机性能极大提高的情况下，又使得许多计算变得高效。现代核物理与粒子物理研究，在实验前通常会利用蒙特卡罗方法对方案进行非常仔细的模拟计算，利用计算机排除不合理或无效的方案，挑选出合理的、效率最高的方案。在实施具体的缪子断层成像实验之前，实验人员会把整个实验方案设计编制成计算机程序，利用专门的蒙特卡罗方法仿照真实情况对整个实验进行模拟，从而在进行实际测量前对其结果能有准确的预估。

对缪子断层成像探矿的模拟，可预先假设地层状态与矿区分布，将整个假设的情形在程序中进行描述；然后把地面缪子束流的分布情况作为参数输入到程序中，利用蒙特卡罗方法模拟这些缪子在地层中的输运过程；再把探测器放置到模拟程序中，计算它能够探测到的缪子。这样模拟得到的是对观测数据的预测情形。

在实际成像中，实验者需要通过观测的数据反推出实际的三维岩层与矿区结构。利用观测数据进行反向推导的过程在实验数据分析中也称为反演过程。反演算法可以在模拟程序中进行验证，但最终还是需要通过实验来检验算法的有效性。

实验方案、探测器测量系统与反演算法构成了缪子断层成像探矿的核心。

图6    加拿大AAPS实验测量所反演出来的矿床结构

 

加拿大AAPS与TRIUMF实验室首次将缪子断层成像应用在矿区勘探上, 他们可以对数公里范围内几百米深的矿区进行成像。 悟空的“火眼金睛”神奇无比，但科学拥有比神话更奇妙的眼睛，在这眼睛下，隔物看物只能算是小儿科了。物理学上的粒子探测器就是这种神奇的“眼睛”之一，它上天入地，几乎能够探知到我们周围所有的空间。缪子断层成像是粒子探测器在研究及民用方向的拓展，看穿金字塔、火山与地层是这种“神奇之眼”的神威初展，其未来的作用不可估量。

图7   解译图

 

注解

目前，许多中文科普文章或百科类网站上仍然将缪子称为缪介子，比如百度百科中关于π介子的介绍，这是错误的。

这是一个新的领域，geotomography目前还没有恰当的中文译名，本文翻译为“地质断层成像”尚属首次。

Ground-Penetrating Radar, 参见美国环境保护署（EPA）对Ground-Penetrating Radar概念的介绍，它属于“无损探测”（NDT: Nondestructive Testing）技术的一种。