Phương pháp phóng xạ trong địa vật lý và ứng dụng giải bài tập vật lý sơ cấp

MỞ ĐẦU Hiện tượng phóng xạ do Becquerel phát hiện vào năm 1896, đầu thế kỷ XX đã được đưa vào áp dụng trong các nghiên cứu địa chất và đã phát huy tác dụng to lớn trong điều tra thăm dò

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NGUYỄN THỊ HẬU

PHƯƠNG PHÁP PHÓNG XẠ TRONG NGHIÊN CỨU ĐỊA VẬT

LÝ VÀ ỨNG DỤNG GIẢI BÀI TOÁN VẬT LÝ SƠ CẤP

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Hà Nội – 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

PHƯƠNG PHÁP PHÓNG XẠ TRONG NGHIÊN CỨU ĐỊA VẬT

LÝ VÀ ỨNG DỤNG GIẢI BÀI TOÁN VẬT LÝ SƠ CẤP

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học : PGS - TS Võ Thanh Quỳnh

Sinh viên thực hiện khóa luận: Nguyễn Thị Hậu

Hà Nội – 2018

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS – TS Võ Thanh Quỳnh, bộ môn Vật lý Địa cầu – khoa Vật lý – trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Với những tình cảm chân thành, em cũng xin được cảm ơn sự quan tâm của các thầy cô giáo trong bộ môn Vật lý Địa cầu đã giúp đỡ em trong thời gian học tập và hoàn thành khóa luận tại bộ môn Em cũng xin cảm ơn trường Đại học Giáo dục đã tạo mọi điều kiện, hoàn cảnh thuận lợi để em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã chia sẻ, động viên em trong suốt thời gian em học tập và hoàn thành khóa luận này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2018 Sinh viên

Nguyễn Thị Hậu

Hình 2.7: Các đối tượng tiến hành phân tích thử nghiệm

Bảng 2.1 Tổng hợp 15 tính chất thu thập và tính toán được của khu vực

Bảng 2.2 Kết quả xác định khoảng giá trị đặc trưng 15 tính chất của đối

tượng mẫu (đối tượng 3)

Bảng 2.3 Kết quả phân tích hệ số đồng dạng cho 8 đối tượng với đối tượng 3 (mẫu)

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ PHÓNG XẠ 3

1.1 Cơ sở vật lý của phương pháp thăm dò phóng xạ 3

1.1.1 Hiện tượng phóng xạ 3

1.1.2 Định luật cơ bản của quá trình phóng xạ 4

1.1.3 Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên – Các họ phóng xạ tự nhiên 5

1.2 Cơ sở địa chất của phương pháp phóng xạ 6

1.2.1 Sự phân bố của các nguyên tố phóng xạ trong đất đá, nước và không khí 6

1.2.2 Các tiền đề giải quyết các nhiệm vụ địa chất không phóng xạ 7

1.3 Máy thăm dò phóng xạ 8

1.3.1 Bộ phận ghi nhận bức xạ 8

1.3.2 Bộ phận khuếch đại ghi 10

1.3.3 Các loại máy thăm dò phóng xạ 10

1.4 Các phương pháp đo phóng xạ 11

1.4.1 Phương pháp đo mẫu phóng xạ 11

1.4.2 Các phương pháp gamma tổng 11

1.4.3 Phương pháp phổ gamma 12

1.4.4 Phương pháp gamma và phổ gamma công trình 14

1.4.5 Phương pháp đo khí phóng xạ 15

1.5 Ứng dụng của phương pháp thăm dò phóng xạ 16

1.5.1 Đo vẽ bản đồ địa chất 16

1.5.2 Tìm kiếm các mỏ phóng xạ 16

1.5.3 Tìm kiếm các mỏ không phóng xạ 17

1.5.4 Phục vụ nghiên cứu địa chất công trình, địa chất thủy văn, địa chất môi trường 17

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP TẦN SUẤT – NHẬN DẠNG TRONG

PHÂN TÍCH TÀI LIỆU ĐỊA VẬT LÝ 18

2.1 Nội dung của phương pháp phân tích tần suất 18

2.2 Xây dựng nội dung phương pháp Tần suất – Nhận dạng 20

2.2.1 Phương pháp xây dựng ma trận thông tin đối tượng mẫu 20

2.2.2 Phương pháp đánh giá lựa chọn tổ hợp thông tin 21

2.2.3 Phương pháp phân tích đối sánh, xác định các đối tượng đồng dạng 21

2.3 Phân tích thử nghiệm phương pháp tần suất – nhận dạng 22

2.3.1 Tài liệu thu thập về khu vực 22

2.3.2 Phân tích thử nghiệm phương pháp tần suất – nhận dạng 25

Chương 3: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÓNG XẠ TRONG GIẢI BÀI TOÁN VẬT LÝ SƠ CẤP 30

3.1 Phương pháp đồng vị cacbon 30

3.1.1 Cơ sở khoa học của phương pháp 30

3.1.2 Các phương pháp đo cacbon đồng vị phóng xạ 33

3.2 Ứng dụng giải các bài toán Vật lý sơ cấp 35

KẾT LUẬN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

MỞ ĐẦU

Hiện tượng phóng xạ do Becquerel phát hiện vào năm 1896, đầu thế kỷ

XX đã được đưa vào áp dụng trong các nghiên cứu địa chất và đã phát huy tác dụng to lớn trong điều tra thăm dò các mỏ khoáng sản cũng như xác định tuổi địa chất của mẫu vật và nghiên cứu nguồn địa nhiệt, nghiên cứu môi trường… Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của kỹ thuật hạt nhân, thăm dò phóng xạ ngày càng được sử dụng nhiều để giải quyết các nhiệm vụ địa chất quan trọng và ngày càng được mọi người quan tâm

Thăm dò phóng xạ là một phân ngành của khoa học địa vật lý thăm dò Phương pháp thăm dò phóng xạ ngày nay bao gồm hai lĩnh vực phương pháp phóng xa tự nhiên và phương pháp phóng xạ nhân tạo Phương pháp thăm dò phóng xạ giúp thu thập một lượng lớn thông tin về đối tượng cần nghiên cứu

Có nhiều phương pháp khác nhau đang được sử dụng trong phân tích tổ hợp

số liệu Địa Vật lý , trong đó nhóm các phương pháp thống kế - nhận dạng được áp dụng rộng rãi và có hiệu quả nhiều hơn cả

Từ những yêu cầu thực tế trên, em lựa chọn khóa luận với đề tài: “ Phương pháp phóng xạ trong địa vật lý và ứng dụng giải bài tập Vật lý sơ cấp” với những mục tiêu và nhiệm vụ chính như sau:

- Nghiên cứu tìm hiểu về phương pháp thăm dò phóng xạ

- Nghiên cứu tìm hiểu thuật toán phân tích đối sánh, xác định đối tượng đồng dạng trong “Phương pháp tần suất – nhận dạng”, trên cơ sở tiến hành phân tích thử nghiệm một tài liệu thực tế nhằm làm rõ ý nghĩa thực tiễn

và khả năng áp dụng của phương pháp

- Áp dụng phương pháp phóng xạ giải các bài toán Vật lý sơ cấp, phục vụ cho việc giảng dạy Vật lý Trung học phổ thông

Từ cơ sở của những mục tiêu và nhiệm vụ trên, khóa luận được trình bày có cấu trúc như sau:

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan về phương pháp thăm dò phóng xạ

- Chương 2: Phương pháp tần suất - nhận dạng trong phân tích tài

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ PHÓNG XẠ 1.1 Cơ sở vật lý của phương pháp thăm dò phóng xạ

1.1.1 Hiện tượng phóng xạ

Quá trình phóng xạ là quá trình phân rã hạt nhân nguyên tử một cách

tự phát, hạt nhân nguyên tử có sự thay đổi về thành phần, cấu tạo và trạng thái năng lượng để biến thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác Trong quá trình phân rã kèm theo sự phát ra các hạt hoặc các bức xạ [3]

Hiện tượng phóng xạ là sự phát xạ tự phát của các hạt hoặc tia gamma của các hạt nhân nguyên tố không bền vững hoặc sự tự phát tia X sau khi bắt giữ điện tử quỹ đạo, hoặc là quá trình tách vỡ tự phát[7]

Căn cứ vào các loại hạt được hạt nhân phát ra hay bị hạt nhân hấp thụ vào, có thể chia quá trình biến đổi hạt nhân thành các dạng phân rã anpha ( , beta ( , bức xạ gamma (

- Sự phân rã anpha : Khi có sự phân rã, hạt nhân nguyên tử phát ra hạt gồm 2 proton và 2 notron, số thứ tự nguyên tử giảm đi 2 và trọng lượng nguyên tử giảm đi 4 đơn vị Hạt chính là hạt nhân của nguyên tử Heli

Phân rã alpha có thể biểu diễn theo sơ đồ:

Phân rã pôzitron là phân rã mà trong hạt nhân xảy ra quá trình proton biến đổi thành notron với sự phát xạ electron dương, mang tên pozitron, vì vậy số thứ tự của nguyên tố gỉảm đi một đơn vị

Trong phân rã β đồng thời với việc phát xạ electron hoặc pozitron có kèm theo phát xa nơtrinô, thêm vào đó năng lượng tổng cộng của electron và nơtrinô được phát xạ là như nhau đối với phát xạ β đã cho

Phân rã β có thể biểu diễn sơ đồ:

+ e + ̌ Trong đó v và ̌ là nơtrinô và phản hạt của nó

- Bức xạ gamma: Khi hạt nhân chuyển từ mức năng lượng không

ổn định trở về trạng thái năng lượng thấp hơn, ổn định hơn thì phát ra bức xạ gamma Bức xạ γ là bức xạ điện tử tần số cao, chúng vừa có tính sóng, vừa có tính hạt, không mang điện Năng lượng của bức xạ thay đổi tùy thuộc vào hạt nhân của các nguyên tố khác nhau Căn cứ vào sự khác nhau về năng lượng của bức xạ mà có thể dùng phổ gamma để xác định các nguyên tố khác nhau

Bức xạ γ có khả năng ion hóa kém nhưng khả năng đâm xuyên lớn, chúng có thể đâm xuyên qua lớp không khí hàng trăm mét và lớp đất đá dày không quá 1m[7]

1.1.2 Định luật cơ bản của quá trình phóng xạ

Phân rã phóng xạ là quá trình tự phân rã của hạt nhân nguyên tử nên quy luật phân rã phóng xạ không phụ thuộc vào các điều kiện khách quan như điều kiện hóa học hay vật lý bên ngoài (nhiệt độ, áp suất…).[3]

Trong quá trình phân rã phóng xạ, số lượng nguyên tử của nguyên tố giảm dần theo một quy luật nhất định và tuân theo công thức:

N =

Quy luật phân rã phóng xạ phụ thuộc vào hằng số λ Hằng số này của các nguyên tố khác nhau là khác nhau, đặc trưng cho xác suất phân rã một nguyên tử của nguyên tố trong một đơn vị thời gian và gọi là hằng số phân rã phóng xạ Hằng số phân rã càng lớn thì tốc độ phân rã càng nhanh và ngược lại

Để đặc trưng cho quá trình phân rã phóng xạ, người ta còn đưa ra khái niệm chu kỳ bán rã T và thời gian sống trung bình của nguyên tử

Thời gian sống trung bình của nguyên tử là đại lượng tỷ lệ nghịch với hằng số phân rã λ: =

Chu kỳ bán rã T là khoảng thời gian để số nguyên tử của một nguyên tố giảm đi chỉ còn một nửa Gọi và là số hạt nhân nguyên tử của nguyên

tố có ở thời điểm ban đầu t = 0 và ở thời điểm t = T Ta có

= =

= = Các chất khác nhau có chu kỳ bán rã T rất khác nhau[7]

1.1.3 Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên – Các họ phóng xạ tự nhiên

Các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên có khối lượng lớn phân rã liên tiếp tạo thành các dãy nguyên tố phóng xạ

Trong tự nhiên có 3 dãy phóng xạ, các dãy này bắt đầu bởi các nguyên

tố , ,

Sự phân rã của 3 dãy phóng xạ này có những tính chất chung:

- Các nguyên tố đứng đầu mỗi dãy là các nguyên tố nặng có chu

kỳ bán rã T rất lớn khoảng đến năm Trong quá trình phân rã các nguyên tố sau có khối lượng nhỏ dần

- Ở khoảng giữ mỗi dãy đều có đồng vị phóng xạ ở dạng khí như Radon (Rn), Actinon (An) và Thoron ( Tn) Các khí phóng xạ này còn có tên gọi là khí eman Quá trình thoát khí ra khỏi quặng gọi là quá trình eman

- Cuối mỗi dãy này là những chất bền vững không phóng xạ, đó là những đồng vị của chì[7]

1.2 Cơ sở địa chất của phương pháp phóng xạ

1.2.1 Sự phân bố của các nguyên tố phóng xạ trong đất đá, nước và không khí

Các nguyên tố phóng xạ phân bố rộng rãi trong tự nhiên thường là Uran, Thori, Kali, Radon… chúng thường tồn tại trong môi trường đất đám, nước, không khí

- Trong đá macma, hàm lượng các nguyên tố phóng xạ tăng dần theo tính axit, các đá mafic và siêu mafic có tính phóng xạ yếu Các nguyên tố Uran, Thori có phổ biến trong đá macma dạng xâm tán

Các thể xâm nhập nhỏ và trẻ có tính phóng xạ cao, ở các vùng tiếp xúc, đai cơ, những đới biến đổi nhiệt dịch, đới cà nát, đứt gãy…thường nồng độ các nguyên tố phóng xạ cao

Tính phóng xạ của đá macma phụ thuộc chủ yếu vào thành phần thạch học của đá Cùng một loại đá thì loại đá nào có tuổi tuyệt đối cao thì hàm lượng phóng xạ càng nhỏ Đá macma axit có hàm lượng nguyên tố phóng xạ lớn và thay đổi trong phạm vi rộng

- Trong đất đá trầm tích, hàm lượng các nguyên tố phóng xạ thay đổi trong một phạm vi rộng Đá phiến sét, sét có tính phóng xạ cao hơn cả Các loại trầm tích thủy hóa, cacbonat, than, cát, thạch anh… có tính phóng xạ yếu Cát kết có hàm lượng phóng xa thay đổi trong phạm vi rộng

- Tính phóng xạ trong đá biến chất và quy luật phân bố của chúng cho đến nay chưa được nghiên cứu đầy đủ Nói chung quy luật phân bố của

các nguyên tố phóng xạ trong đá biến chất khá phức tạp, phụ thuộc vào mức

độ biến chất, thành phần đất đá trước khi biến chất

- Trong quá trình phân hủy và vận chuyển của các nguyên tố phóng xạ, một lượng đáng kể tích tụ trong các lớp đất trồng Nồng độ của các nguyên tố phóng xạ trong lớp đất trồng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Trong lớp đất trồng ở khu vực gần các mỏ Uran, Thori, Kali… thường phát hiện vành phân tán phóng xạ

- Trong nước nói chung thường có hàm lượng phóng xạ thấp Đối với các loại nước như nước biển, sông, hồ (trừ các sông chảy qua mỏ phóng xạ) có tính phóng xạ yếu, nhỏ hơn hàng ngàn lần so với đất đá

Những mạch nước ngầm chảy qua các mỏ phóng xạ thường có nồng độ phóng xạ cao hơn hẳn những vùng xung quanh tạo nên vành phân tán thủy phóng xạ Việc nghiên cứu vành phân tán này có ý nghĩa quan trọng giúp chúng ta phát hiện thân quặng gốc ở dưới sâu Hàm lượng cao của nguyên tố phóng xạ trong nước là một trong những tiền đề giúp chúng ta tìm kiếm quặng phóng xạ[7]

1.2.2 Các tiền đề giải quyết các nhiệm vụ địa chất không phóng xạ

Ngoài việc tìm kiếm thăm dò các mỏ phóng xạ, phương pháp thăm dò phóng xạ còn được sử dụng để giải quyết các nhiệm vụ địa chất không phóng

- Các thể địa chất có hàm lượng phóng xạ khác nhau, xác định hàm lượng phóng xạ của chúng có cơ sở để vẽ bản đồ địa chất

- Có thể xác định tuổi địa chất của đất đá trên cơ sở hàm lượng các nguyên tố phóng xạ biến đổi theo thời gian, tuổi đất đá càng cao thì hàm lượng các nguyên tố phóng xạ càng thấp

- Sử dụng tương tác bức xạ phóng xạ với hạt nhân các nguyên tố tạo đá để xác định thành phần vật chất của đất đá.[7]

1.3 Máy thăm dò phóng xạ

Để đo cường độ phóng xạ, người ta thường sử dụng các loại máy phóng

xạ có nhiệm vụ phát hiện các tia phóng xạ và đo được cường độ của chúng Tùy thuộc vào điều kiện làm việc mà có thể sử dụng các máy phóng xạ khác nhau như: máy đo tham số trong phóng thí nghiệm, đo trong giếng khoan, đặt trên ô tô, máy bay hoặc xách tay

Nguyên tắc chung cấu tạo của máy phóng xạ bao gồm bộ phận ghi nhận bức xạ và bộ phân khuếch đạ ghi Bộ phận ghi nhận bức xạ (còn gọi là

bộ phận phát hiện) có nhiệm vụ thu nhận các bức xạ phóng xạ và biến đổi chúng thành tín hiệu điện Bộ phấn khuếch đại ghi có nhiệm vụ khuếch đại , lọc tín hiệu từ đó xác định loại, số lượng và năng lượng của bức xạ.[7]

1.3.1 Bộ phận ghi nhận bức xạ

Các dụng cụ ghi bức xạ thường được chế tạo dựa vào hiện tượng ion hóa chất khí (buồng ion hóa, ống đệm chứa khí ) hoặc dựa vào hiện tượng nhấp nháy (ống đếm nhấp nháy)

- Ống đếm chứa khí Geiger Muller: Nguyên tắc hoạt động của loại ống chứa khí này dựa vào hiện tượng ion hóa chất khí Ống đếm chứa khí có mặt trong phủ một lớp mỏng chất dẫn điện và được nối với cực âm của nguồn điện (katot), ở giữa của ống là một sợi dây kim loại được nối với cực dương của nguồn điện (anot)

Trong ống chứa khí Acgon và hơi rượu hoặc halogen có áp suất thấp Hiệu điện thế giữa hai điện cực tầm 1000V Khi có bức xạ β hoặc γ đâm xuyên qua ống làm bật điện tử từ mặt kim loại ra, các điện tử này làm ion hóa chất khí chứa trong ống và chất khí trở nên dẫn điện Nhờ có điện thế giữa các điện cực mà điện tử tạo nên các xung dòng Khi bức xạ tăng lên thì tạo thành các xung liên tiếp Sau khi khuếch đại xung bằng bộ khuếch đại và ghi được chúng thì có thể xác định được cường độ bức xạ Ống đếm Geiger Muller dùng để ghi bức xạ β hoặc γ

- Ống đếm nhấp nháy: ống đếm nhấp nháy gồm một tinh thể phát quang và nhân quang điện

Tinh thể phát quang có thể phát sáng dưới tác dụng của bức xạ gamma Khi tia phóng xạ đập vào mặt tinh thể phát quang thì các phần tử của chất phát quang bị ion hóa hoặc kích thích để phát sáng Ánh sáng này đập vào katot của nhân quang điện làm bật ra các điên tử, các điện tử này được hút về điện cực mang điện thế dương Do các điện cực được bố trí có điện thế cao dần , nên dòng điện tử thứ cấp phát ra tăng theo cấp số nhân và cuối cùng dòng điện tử đập vào anot của nhân quang điện tạo nên một xung điện Bức

xạ đến cành nhiều thì số xung trong một đơn vị thời gian càng lớn, tức là bức

xạ càng mạnh thì tốc độ đếm càng cao Tùy thuộc vào mục đích sử dụng của ống đếm mà tinh thể này được làm từ các chất khác nhau Để đo cường độ bức xạ này người ta thường sử dụng tinh thể Iotnatri, hiệu suất ghi của nó tương đối cao, nếu để đo cường độ tia β thì dùng các chất hữu cơ đặc biệt

Ngoài các loại ống đếm chứa khí, ống đếm nhấp nháy như đã trình bày

ở trên, trong thăm dò phóng xạ người ta còn sử dụng các dụng cụ phát hiện sử dụng các chất bán dẫn (Detecter bán dẫn), chất điện môi (Detecter vết)

- Detecter bán dẫn là dụng cụ phát hiện sử dụng chất bán dẫn, khác với buồng ion hóa là giữa các điện cực không dùng chất khí mà dùng

chất bán dẫn Do năng lượng tiêu hao trong chất bán dẫn nhỏ hơn so với chất khí nên có độ phân giải năng lượng cao hơn

- Detecter vết là dụng cụ phát hiện sử dụng chất điện môi(chất dẻo, thủy tinh, mica…) cho phép xác định các vết trên chất điện môi khi có hạt α hoặc các bức xạ khác đi qua Khi chất điện môi có vết do bức xạ gây ra được ngâm trong dung dịch axit hoặc kiềm mạnh thì các vết bị ăn mòn và đường kính các vết có thể rộng cỡ micromet Bằng kính hiển vi quang học có thể quan sát được số lượng các vết phản ánh cường độ bức xạ Đây là cơ sở của phương pháp đo vết phóng xạ[7]

1.3.2 Bộ phận khuếch đại ghi

Các tín hiệu điện nhận được từ bộ phận phát hiện do các bức xạ gây ra thường rất yếu nên cần khuếch đại lên để tạo thành các xung với biên độ đủ lớn, giá trị biên độ các xung tỷ lệ với năng lượng bức xạ Ngoài ra còn sử dụng bộ lọc để có thể thu nhận được các xung trong phạm vi mộ khoảng điện

áp nhất định

Tín hiệu sau khi khuếch đại và chọn lọc được đưa đến bộ đếm xung Số lượng xung ghi được tỷ lệ với cường độ bức xạ trong một thời gian nhất định Kết qủa ghi số có thể dùng tinh thể lỏng hiện số.[7]

1.3.3 Các loại máy thăm dò phóng xạ

Hiện này có rất nhiều thiết bị thăm dò phóng xạ Có thể phân loại các loại máy này theo đặc điểm của loại bức xạ, phương thức đo, loại dụng cụ phát hiện, loại bộ lọc

Dựa vào đặc điểm của loại bức xạ người ta chia thành máy đo bức xạ gamma, anpha hoặc bêta Dựa vào phương thức đo có loại máy ghi số xung (có độ chính xác cao) hoặc máy đo tốc độ đếm phóng xạ (độ chính xác thấp hơn) Dựa vào sự khác nhau của dụng cụ phát hiện có thể chia thành máy phóng xạ dùng ống đếm Geiger Muller, ống đếm nhấp nháy, dùng chất bán dẫn Dựa vào các bộ lọc mà phân chia loại máy phóng xạ đo bức xạ tổng cộng

hoặc máy đo bức xạ phổ Tùy vào nhiệm vụ giải quyết mà có thể sử dụng máy phóng xạ đo trên mặt đất, trên máy bay hay trong giếng khoan[7]

Các loại máy đo gamma thường dùng ở nước ta hiện nay là CRP 68-01, CRP 88-H (Nga), máy đo phổ gamma đơn kênh GAD-1 và 4 kênh GAD-6,GAD-12 (Canada)

1.4 Các phương pháp đo phóng xạ

1.4.1 Phương pháp đo mẫu phóng xạ

Đây là phương pháp trong phòng thí nghiệm nhằm xác định hàm lượng các nguyên tố phóng xạ trong các mẫu đất đá và quặng Nguyên tắc chung của phương pháp này là so sánh độ phóng xạ của các mẫu quặng, mẫu đá, mẫu nước với mẫu chuẩn đã biết trước hàm lượng

1.4.2 Các phương pháp gamma tổng

Phương pháp đo bức xạ gamma tự nhiên của đất đá được áp dụng phổ biến trong thăm dò phóng xạ, chúng có thể tiến hành trên áy bay, trên mặt đất hoặc trong giếng khoan

- Phương pháp đo gamma hàng không: Phương pháp này thường được tiến hành bằng các máy đo có độ nhạy cao và quán tính nhỏ đặt trên máy bay Cường độ bức xạ gamma thu được trên máy bay phụ thuộc vào thành phần và hàm lượng các yếu tố phóng xạ, bề dày lớp phủ, chiều cao bay

và dạng địa hình Chiều cao bay càng lớn thì cường độ bức xạ thu được càng nhỏ vì vậy cần dùng máy bay bay thấp và tốc độ chậm Các tuyến bay được

bố trí thẳng góc với phương của đối tượng khảo sát Trong khi bay cường độ phóng xạ được ghi một cách tự động và liên tục Trong quá trình phân tích tài liệu cần hiệu chỉnh kết quả đo đạc về mặt đất, thành lập bản đồ và xác định các vùng có bất thường để tiến hành kiểm tra bằng phương pháp trên mặt đất

- Phương pháp gamma mặt đất: Phương pháp này được sử dụng để

đo bức xạ tổng của đá, đất hoặc quặng phục vụ khảo sát lập bản đồ địa chất, thăm dò khoáng sản có ích và nghiên cứu môi trường Phương pháp này chỉ

được áp dụng có kết quả tốt ở những vùng đá lộ hoặc có lớp phủ mỏng, nếu lớp phủ dày hơn thì chỉ đo ở các vết lộ, sông suối, thung lũng,

Cường độ bức xạ gamma thu nhận được không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố phóng xạ của đất đá mà còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác như hình dạng địa hình, sự hấp thụ của môi trường Do sự hấp thụ của môi trường nên chỉ ghi được các bức xạ gamma ở phần trên của lát cắt, vì vậy diện tích bề mặt có ảnh hưởng lớn đến kết quả đo

Ở vùng có lớp phủ Đệ tứ dày, việc đo cường độ bức xạ gamma có khó khăn hơn Nếu đá gốc dưới lớp phủ có tính phóng xạ thì khí phóng xạ sẽ di chuyển lên trên và khuếch tán vào trong lớp phủ tạo nên các vành phân tán trong lớp đất trồng trọt và một phần thoát ra không khí

Khi khảo sát ở tỷ lệ trung bình, quá trình đo gamma hàng được tiến hành theo lộ trình địa chất, ven sông suối hoặc đường mòn, ở tỷ lệ lớn cần đo theo điểm trên mạng lưới đo đã được xác định Khi đó, khoảng cách giữa phóng xạ kế và mặt đất không quá 5cm Ở vùng có triển vọng mỏ phóng xạ có thể đotrong hố đào và khoan nông, lỗ được đục bằng xà beng hay khoan tay

có chiều sâu 0,3-3m

Kết quả đo đạc được biểu diễn đưới dạng bản đồ đồ thị cường độ gamma theo mạng lưới tuyến hay lộ trình địa chất, bản đồ đẳng trị gamma Gam màu biểu diễn hàm lượng phóng xạ thay đổi từ màu vàng gạch (hàm lượng thấp) cho đến màu xanh lá mạ, xanh đậm, xanh da trời (hàm lượng trung bình), màu nâu, hồng, tím (hàm lượng cao), màu đỏ (hàm lượng rất cao)

1.4.3 Phương pháp phổ gamma

Phương pháp phổ gamma đo bức xạ gamma tự nhiên theo các mức năng lượng khác nhau để xác định hàm lượng U,Th,K có trong đất đá và quặng phục vụ điều tra địa chất, thăm dò khoáng sản và khảo sát môi trường

Các nguyên tố phóng xạ khác nhau có mức năng lượng bức xạ gamma khác nhau đặc trưng cho nguyên tố đó Thí dụ mức năng lượng bức xạ gamma chủ yếu của K là 1,45 MeV, Th là 2,62 MeV, U là 1,76 MeV…

Khi đo phổ gamma cần chọn các khoảng năng lượng thích hợp mà trong khoảng đó bức xạ gamma của nguyên tố cần xác định trội hơn cả Khoảng năng lượng đó được gọi là “cửa sổ” năng lượng Trong đo phổ gamma thường chọn 3 cửa sổ và đặt tên tương ứng với các nguyên tố trội nhất trong khoảng năng lượng đó:

+ Cửa sổ Kali: 0,35 -1,55 MeV

+ Cửa sổ Uran: 1,65 – 1,85 MeV

+ Cửa sổ Thori: 2,40 – 2,80 MeV

Tất nhiên trong mỗi của sổ ngoài nguyên tố đặc trưng có mức năng lượng trội hơn cả còn có sự tham gia của các nguyên tố khác nhưng mức độ

ít hơn

Phương pháp phổ gamma có thể tiến hành trên biển, mặt đất, trên không Khi khảo sát địa chất tỷ lệ trung bình và tỷ lệ lớn người ta thường áp dụng phương pháp phổ gamma mặt đất để phân tầng đất đá theo giá trị cường

độ và hàm lượng các nguyên tố phóng xạ , tìm kiếm thăm dò các mỏ phóng

xạ, các mỏ có cộng sinh hoặc đồng hành của các nguyên tố phóng xạ, phát hiện các đới dập vỡ, đứt gãy…

Khi đo phổ gamma thường dùng các loại máy đo đơn kênh GAD-1 và

4 kênh GAD_6, GAD-12 (Canada)

Căn cứ vào nhiệm vụ và đặc điểm cấu trúc địa chất mà có thể đo phổ gamma theo lộ trình, đo chi tiết theo diện tích, theo tuyến hoặc trong các hố đào ở vùng triển vọng có lớp phủ dày Tỷ lệ và mật độ mạng lưới quan sát tương tự như phương pháp gamma tổng tuy nhiên khoảng cách các điểm đo

thường dày hơn Kết quả đo thường được biểu diễn bằng các đồ thi, các sơ

đồ, bản đồ đẳng trị các hàm lượng nguyên tố U, Th,K, Bất thường Uran được thể hiện bằng màu đỏ, Thori màu xanh và Kali màu vàng Trên các sơ đồ và bản đồ thể hiện các yếu tố địa chất như ranh giới, thành phần các đá, đứt gãy Bất thường phổ gamma thường được chia thành 3 loại: bất thường mạnh, trung bình và yếu

1.4.4 Phương pháp gamma và phổ gamma công trình

Phương pháp gamma và phổ gamma công trình là đo gamma và phổ gamma với màn chắn thích hợp trong các vỉa lộ hoặc các công trình khai đào

để xác định bề dày và hàm lượng các nguyên tố phóng xạ Màn chắn được làm bằng chì để bọc đầu dò, chỉ chừa một cửa sổ nhỏ ở vị trí trung tâm nhằm tránh các bức xạ xung quanh ảnh hưởng đến kết quả đo

Các công trình khai đào trong tìm kiếm thăm dò khoáng sản cũng như trong các công trình dân dụng như rãnh đặt ống nước, đường hầm… đều cần

đo cường độ gamma ở thành hay ở đáy như đo gamma trên mặt đất Trong tìm kiếm, thăm dò đánh giá trữ lượng quặng Uran, Thori… có thể đo theo trục công trình với khoảng cách điểm đo từ 1 – 5m hoặc đo theo tiết diện công trình với số điểm đo trên mỗi tiết diện khoảng 6- 8 điểm, khoảng cách giữa các điểm đo 0,5 – 0,6 m

Phương pháp gamma và phổ gamma công trình chỉ khảo sát các quặng phóng xạ và các quặng cộng phóng xạ ở giai đoạn tìm kiếm đánh giá và thăm

dò Các máy và thiết bị được sử dụng tương tự như trên mặt đất Diện tích khảo sát là bề mặt vết lộ, đáy và vách của hào, giếng… Đo theo mạng lưới ô vuông có kích thước (0,25m) Sau khi phát hiện được điểm bất thường cần khảo sát trên một tuyến chi tiết cắt qua phần bất thường Khoảng cách của các điểm trên tuyến là 10-20cm Các kết quả đo được xây dựng thành biểu đồ dùng để xác định bề dày và hàm lượng quặng

1.4.5 Phương pháp đo khí phóng xạ

Phương pháp đo khí phóng xạ (còn gọi là phương pháp eman) là phương pháp đo tức thời nồng độ các chất khí phóng xạ như Radon (Rn), Actinon (An), Thoron (Tr) trong các lớp đất nhằm phục vụ điều tra địa chất, tìm kiếm khoáng sản và nghiên cứu môi trường…

Phương pháp này được sử dụng để tìm kiếm các thân quặng Uran, Thori và các khoáng sản có ích khác có cộng sinh hoặc đồng hành của các nguyên tố phóng xạ nằm dưới lớp phủ (không dày quá 20m): phát hiện các đứt gãy, ranh giới đất đá Phương pháp đo khí phóng xạ có ưu điểm so với phương pháp đo gamma là có thể phát hiện quặng phóng xạ ở sâu hơn, trong điều kiện thuận lợi có thể có độ sâu nghiên cứu tới 10m, nhược điểm của chúng là cần các dụng cụ phức tạp và phải hút khí

Đối tượng đo khí phóng xạ là đo bức xạ α của Radon và Thoron Khả năng đâm xuyên của α rất yếu nhưng khả năng oxi hóa và lan truyền đáng kể Radon có chu kỳ bán rã 3,8 ngày và có thể lan truyền cách xa đối tượng hàng chục mét, trong điều kiện thuận lợi có thể lan truyền xa hơn Khí Thoron có chu kỳ bán rã 54,5 s nên thường không đi xa khỏi đối tượng nghiên cứu

Tại mỗi điểm đo, dùng khoan tay hoặc xà beng khoan lỗ sâu khoảng 0,5-1m, cho ống hút khí vào lỗ, khí dưới đất được bơm hút lên và đưa vào buồng ion hóa Dùng máy đo khí phóng xạ để đo nồng độ khí phóng xạ tại điểm quan sát

Muốn đo nồng độ khí Thoron thì phải tiến hành đo ngay sau khi mới hút khí vào buồng ion hóa Cũng có thể nghiên cứu cả Rn và Tn bằng cách đo nồng độ phóng xạ ở những thời điểm khác nhau

Nồng độ của khí Radon trong lớp đất màu khoảng từ 5-50 Bq/l, nồng

độ tổng cộng của Radon và Thoron thì có thể đạt tới 10 – 150 Bq/l Trên

những vùng có vành phân tán phóng xạ hoặc trên thân quặng thì nồng độ chất khí phóng xạ có thể thay đổi từ vài trăm đến hàng vạn Bq/l

Trên cơ sở kết quả đo cần tính nồng độ khí phóng xạ, tính phông, sai số

đo và xác định dị thường Các kết quả đo được biểu diễn dưới dạng các bản

đồ đồ thị theo các tuyến, bản đồ đẳng trị hàm lượng khí phóng xạ… Các máy

đo khí phóng xạ thường dùng là RADON-82, PGA-01P, RDA-200 (Canada)…

Phương pháp khí phóng xạ được dùng trong các giai đoạn tìm kiếm thăm dò ở các tỷ lệ trung bình và tỷ lệ lớn theo các mạng lưới như phương pháp gamma mặt đất[7]

1.5 Ứng dụng của phương pháp thăm dò phóng xạ

1.5.1 Đo vẽ bản đồ địa chất

Có thể sử dụng phương pháp thăm dò phóng xạ trong đo vẽ bản đồ địa chất như phân chia ranh giới tiếp xúc các loại đá, phân chia địa tầng, xác định các đới đứt gãy, phá hủy… Điều kiện thuận lợi để áp dụng phương pháp thăm

dò phóng xạ là khi bề dày lớp phủ Đệ tứ mỏng hoặc không có lớp phủ Chúng được áp dụng có hiệu quả nhất ở các vùng có phát triển đá macma

Các phương pháp thăm dò phóng xạ dùng cho đo vẽ bản đồ địa chất như phương pháp phổ gamma, phương pháp đo khí phóng xạ… cần có độ chính xác cao để phát hiện các bất thường nhỏ[7]

1.5.2 Tìm kiếm các mỏ phóng xạ

Phương pháp thăm dò phóng xạ giữ vai trò chủ đạo trong mọi giai đoạn

từ tìm kiếm sơ bộ cho đến phát hiện vùng có triển vọng đến thăm dò tỉ mỉ mỏ phóng xạ trong thực tê, người ta thường sử dụng các phương pháp như đo gamma tổng, đo khí phóng xạ, detrctơ vết, phổ gamma [7]

Ở nước ta, hiện nay, việc phát hiện mỏ Uran ở Quảng Nam, Bình Dương đã khẳng định vai trò của phương pháp thăm dò phóng xạ trong tìm kiếm quặng phóng xạ

1.5.3 Tìm kiếm các mỏ không phóng xạ

Phương pháp phóng xạ không chỉ được áp dụng để tìm kiếm các mỏ phóng xạ mà còn được quan tâm tìm kiếm các mỏ không phóng xạ có các nguyên tố phóng xạ cộng sinh Các loại mỏ này có thể bao gồm:

- Các loại mỏ đất hiếm liên quan đến đá kiềm, cacbonat, sa khoáng titan có monazit và ziẻcon Trong các loại này thường chứa một lượng khá lớn các nguyên tố phóng xạ

- Các mỏ trầm tích chứa vândi và molipden, photphorit, than, diệp thạch chay, pecmatit chứa các nguyên tố hiếm

- Các mỏ đa kim và các thể nội sinh của molipden, wolfram…

Ở nước ta đã áp dụng các phương pháp phóng xạ tìm kiếm mỏ đồng Sin quyền, mỏ đất hiếm Nậm xe, sa khoáng ven biển,…[7]

1.5.4 Phục vụ nghiên cứu địa chất công trình, địa chất thủy văn, địa chất môi trường

Phương pháp phóng xạ được sử dụng để xác định các tham số vật lý như độ ẩm, mật độ, …đất đá trong điều kiện tự nhiên, phát hiện các đới phá hủy, sụt lún, nghiên cứu đặc điểm trầm tích mặt, vị trí mực nước ngầm, hướng

và động thái nước ngầm Việc áp dụng phương pháp phóng xạ với mục đích phục vụ việc kiểm soát ô nhiễm phóng xạ đối với môi trường đang rất được quan tâm[7]