近日，俄罗斯科学家成功研制出一种利用μ子测定探井中物体密度的装置，这一创新技术有望在未来大幅降低地质勘探和钻井作业的成本。
地质勘探工作一直以来都是一项成本高、风险大的任务。为了获取可靠的地质信息，通常需要提取岩石样本(岩心)，但这一过程不仅费用高昂，而且并不能保证一定能发现丰富的矿藏。目前，每米钻井的成本在1.2至2.5万卢布之间，并且价格仍在持续上涨。因此，寻找降低成本的地球物理和地球化学方法成为了行业内的迫切需求。
μ子断层扫描技术便是其中一种最新的技术手段。该技术利用μ子流来获取地质信息，虽然这一想法早已提出，但直到几年前才在加拿大的铀矿床中进行了成功试验。
在俄罗斯，Elkon矿冶厂(MMC)与特罗伊茨克的一家科学研究所合作，于2023-2024年在单一行业专题计划框架内完成了该技术的第一阶段研发工作。科学家们制造出了一个由四个模块组成的μ子断层扫描仪功能样品。
该模块是一个长2.4米、直径89毫米的不锈钢管，内置位置敏感探测器，包括闪烁光纤、硅光电倍增管(SiPM)、电子控制和信号读取系统，以及一个电子罗盘。这些设备能够记录μ子在穿过不同密度物质时释放的能量，并通过光子发射和探测器重建μ子的轨迹。
该装置能够在不同深度的井中安装一个或多个模块，它们彼此独立工作。当μ子遇到光纤时，会释放能量并发射光子，这些光子由硅光电倍增管记录。随后，探测器会重建所有已注册的μ子轨迹，并将其传输至移动计算站进行进一步处理。
据该项目的科学主任亚历山大·戈卢别夫介绍，μ子射线照相术的物理原理是基于电磁过程导致深处的μ子通量减弱。由于库仑与介质原子的电子相互作用，带电粒子在穿过物质时会损失能量，这一过程与物质的有效原子电荷和有效原子量之比成正比。因此，穿过电荷数较高的物质会导致更大的减弱，从而改变该区域的μ子通量强度。
通过收集和分析来自多个投影的数据，科学家们能够利用软件重建三维密度分布图。这一结果可以可视化不同密度的物体，并确定每个基本单元中岩体的平均密度。可视化可以在三维和二维上以切片的形式实现，为地质学家提供了更为直观和准确的地质信息。
在测试阶段，该研究所使用冲击发生器对断层扫描仪样本进行了测试，并在四天内构建了密度分布的角度直方图。测试结果显示，该装置确定平均密度的准确率优于5%。换句话说，如果质量厚度的差异超过5%，设备就能够准确记录该差异。
此外，科学家们还在数字孪生模型上测试了μ子断层扫描仪的功能。该模型以地质图数据为基础，确定了铀矿层在围岩中的位置。测试结果表明，该装置能够准确地对测试物体的形状和密度进行三维重建。
客户对测试结果表示非常满意，并计划于2025-2026年在Elkon金矿和铀矿床进行现场测试。现场测试的目标是确认μ子断层扫描数据与通过传统方法获得的信息相匹配，并获得俄罗斯国家能源局的批准，以便国家资源委员会(GKZ)接受介子断层扫描数据。
据特罗伊茨克科学家称，他们的装置有望显著降低钻井成本。例如，在通常的1平方公里区域内，按照100×100米的网络钻探需要钻100口井。而通过μ子断层扫描技术扫描地下情况后，井的数量可以减少到10个左右。
