Phương pháp phóng xạ và ứng dụng trong giải bài toán vật lý thpt

- Nghiên cứu tìm hiểu một số 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 trên một tài

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NGUYỄN THỊ VÂN ANH

Phương pháp phóng xạ và ứng dụng trong giải bài toán Vật lý THPT

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Hà Nội, 2020

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Võ Thanh Quỳnh, Bộ môn Vật lý Địa cầu – Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn em, thầy đã quan tâm, giúp đỡ, tận tình chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp này Em không những được thầy giúp đỡ về mặt chuyên môn, mà trong quá trình làm việc, em còn học hỏi được tinh thần làm việc khoa học và đầy tính trách nhiệm, nghiêm túc từ thầy, từ đó em đã tích lũy được nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu

Và em cũng xin gửi lời cảm ơn trân thành nhất tới các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Địa cầu – Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN, đã giúp đỡ em trong thời gian học tập và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp tại bộ môn

Em xin cảm ơn các thầy cô Trường Đại học Giáo dục đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành một cách tốt nhất khóa luận tốt nghiệp này

Cuối cùng cho phép em bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã quan tâm, động viên em trong suốt thời gian em học tập, làm việc và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2020

Sinh viên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ PHÓNG XẠ 4

1.1 Cơ sở vật lý của phương pháp thăm dò phóng xạ .4

1.1.1 Hiện tượng phóng xạ 4

1.1.2 Quy luật phân rã phóng xạ - Dãy phóng xạ 6

1.2 Cơ sở địa chất của phương pháp phóng xạ .9

1.2.1 Sự phân bố các nguyên tố phóng xạ trong đất đá, nước và không khí 9

1.2.2.Các tiền đề giải quyết các nhiệm vụ địa chất không phóng xạ 10

1.3 Máy thăm dò phóng xạ 11

1.3.1 Bộ phận ghi nhận bức xạ 11

1.3.2 Bộ phận khuếch đại ghi 13

1.3.3 Các loại máy thăm dò phóng xạ 14

1.4 Các phương pháp đo phóng xạ 14

1.4.1 Phương pháp đo mẫu phóng xạ 14

1.4.2 Các phương pháp gamma tổng 14

1.4.3 Phương pháp phổ gamma 16

1.4.4 Phương pháp gamma và phổ gamma công trình 18

1.4.5 Phương pháp đo khí phóng xạ 18

1.4.6 Phương pháp thủy địa hóa phóng xạ 20

1.4.7 Phương pháp detector vết anpha 21

1.5 Ứng dụng của phương pháp phóng xạ 22

1.5.1 Đo vẽ bản đồ địa chất 22

1.5.2 Tìm kiếm các mỏ phóng xạ 22

1.5.3 Tìm kiếm các mỏ không phóng xạ 23

1.5.4 Phục vụ nghiên cứu địa chất môi trường 23

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÀI LIỆU PHÓNG XẠ 24

TRONG DỰ BÁO TRIỂN VỌNG KHOÁNG SẢN 24

2.1 Các phương pháp xử lí phân tích tài liệu phóng xạ 24

2.1.1 Các phương pháp xử lí phân tích tài liệu phóng xạ trên thế giới 24

2.1.2 Các phương pháp xử lí phân tích tài liệu phóng xạ ở Việt Nam 29

2.2 Phương pháp tần suất – nhận dạng trong phân tích tài liệu phóng xạ hàng không 30

2.2.1 Phương pháp phân tích tần suất 30

2.2.2 Nội dung phương pháp Tần Suất – Nhận dạng 32

2.3 Phân tích thử nghiệm phương pháp tần suất – nhận dạng 33

2.3.1 Vị trí địa lí và đặc điểm của khu vực nghiên cứu 33

2.3.2 Tài liệu thu thập về khu vực nghiên cứu 34

2.3.3 Kết quả phân tích thử nghiệm 35

Chương 3: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHÓNG XẠ GIẢI BÀI TOÁN

VẬT LÝ THPT 44

3.1 Các phương pháp xác định tuổi tuyệt đối bằng đồng vị phóng xạ 44

3.2.1 Cơ sở khoa học của phương pháp 53

3.2.2 Các phương pháp đo cacbon đồng vị phóng xạ 56

3.3 Ứng dụng giải bài toán Vật lí THPT 60

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

MỞ ĐẦU

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

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 địa nhiệt, địa chất môi trường, …

Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của kĩ 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 lí thăm dò Phương pháp thăm dò phóng xạ ngày nay bao gồm hai lĩnh vực: phương pháp phóng xạ tự nhiên và phương pháp phóng xạ nhân tạo 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 kê – nhận dạng được áp dụng rộng rãi và có hiệu quả hơn cả

Từ thực tế trên, em lựa chọn khóa luận với đề tài: “Phương pháp phóng xạ

và ứng dụng trong giải bài toán Vật lý THPT” với những mục tiêu và nhiệm vụ chính như:

- Nghiên cứu tìm hiểu cơ sở lí thuyết và khả năng áp dụng thực tế của

phương pháp thăm dò phóng xạ trong nghiên cứu địa vật lí

- Nghiên cứu tìm hiểu một số 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 trên một tài liệu phóng xạ hàng không thực

tế góp phần làm rõ ý nghĩa và khả năng áp dụng của phương pháp

- Áp dụng phương pháp phóng xạ (Cacbon phóng xạ) giải các bài toán Vật

lý, 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 phân tích tài liệu phóng xạ trong dự báo triển vọng khoáng sản

- Chương 3: Ứng dụng phương pháp phóng xạ giải bài toán Vật lý THPT

- Kết luận

Dù đã rất cố gắng song do điều kiện thời gian và trình độ nên khóa luận không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được những lời nhận xét, góp ý từ phía thầy cô và các bạn

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2020

Sinh viên

Nguyễn Thị Vân Anh

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG

Hình 2.1: Vị trí khu vực lựa chọn nghiên cứu thử nghiệm

Hình 2.2: Đồ thị tỉ trọng thông tin các tính chất của đối tượng mẫu

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

Bảng 2.2: Khoảng giá trị đặc trưng của đối tượng mẫu

Bảng 2.3: Ma trận thông tin của đối tượng mẫu

Bảng 2.4: Tỉ trọng thông tin trên đối tượng mẫu

Bảng 2.5: Tỉ trọng thông tin trên đối tượng trên đối tượng mẫu sau khi sắp xếp Bảng 2.6: Tỉ lệ phần trăm tổng thông tin với m tính chất

Bảng 2.7: Kết quả phân tích chỉ số đồng dạng của 3 đối tượng theo phương pháp tần suất – nhận dạng

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 𝛼, 𝛽, 𝛾

Các nguyên tố có hạt nhân không ổn định thường xảy ra quá trình biến đổi hạt nhân để trở thành hạt nhân nguyên tử của các nguyên tố khác Quá trình hạt nhân bị biến đổi như vậy có kèm theo sự phát ra các bức xạ phóng xạ

Những nguyên tố có hạt nhân không bền vững, tự phân rã và biến đổi trạng thái năng lượng như vậy gọi là các nguyên tố phóng xạ

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

- Sự phân rã anpha (𝛼): Quá trình phóng xạ thường xảy ra với các nguyên tố có số Z từ 58 (Ce) trở nên để tạo ra các hạt có số Z thấp hơn và một số nguyên tố Khi có sự phân rã 𝛼, hạt nhân nguyên tử phát ra hạt 𝛼 gồm 2 proton và 2 nơtron, số thứ tự nguyên tử giảm đi

2 và trọng lượng nguyên tử giảm đi 4 đơn vị Hạt 𝛼 chính là hạt nhân của nguyên tử Heli (24𝐻𝑒)

Tốc độ chuyển động của hạt 𝛼 nằm trong khoảng (1,42 ÷ 2,05).109cm/s Một gam Radi nguyên chất phát ra 3,68.1010 hạt 𝛼 trong một

giây Năng lượng một hạt 𝛼 khi tách khỏi hạt nhân rất lớn (khoảng

8 ÷ 10 MeV) Khi đi ra khỏi hạt nhân, hạt 𝛼 đi vào không khí làm ion hóa chất khí và chiếm 2 điện tử tự do tạo thành Heli trung hòa Đặc điểm của các hạt 𝛼 là khả năng ion hóa rất mạnh, vì vậy tốc độ giảm rất nhanh và khả năng đâm xuyên yếu Trong không khí, chúng chỉ đi qua được 3 ÷ 10 cm và một tờ giấy mỏng cũng không ngăn được tia 𝛼 Trong đất đá, tia 𝛼 không vượt qua được lớp rất mỏng vài chục micron

- Sự phân rã beta (𝛽): sự phân rã hạt nhân phát ra tia 𝛽 xảy ra khi trong hạt nhân có sự biến đổi từ nơtron thành proton hoặc ngược lại Khi chuyển từ nơtron thành proton thì phát ra điện tử (𝑒−) và khi chuyển từ proton thì phát ra hạt pozitron (𝑒+)

Phân rã electron (𝛽−): số thứ tự của nguyên tố khi đó tăng 1 đơn vị còn khối lượng trên thực tế không đổi vì khối lượng của electron rất bé

Phân rã pozitron (𝛽+): số thứ tự của nguyên tố giảm đi một đơn vị Nói chung, khi phân rã 𝛽 thì điện tích của hạt nhân tăng hoặc giảm

1 đơn vị, còn khối lượng thì không thay đổi Chùm các hạt điện tử

và pozitron gọi là tia 𝛽 Năng lượng hạt 𝛽 thay đổi trong phạm vi rộng, tốc độ chuyển động xấp xỉ tốc độ ánh sáng

Tia 𝛽 cũng có khả năng ion hóa chất khí song kém hơn so với tia 𝛼,

do đó mà khả năng đâm xuyên lớn hơn Trong không khí, tia 𝛽 có thể đi qua 1,2 m, còn trong đất đá thường chúng không xuyên qua được 1 cm

- Bức xạ gamma (𝛾): khi hạt nhân chuyển từ mức năng lượng không

ra bức xạ gamma (𝛾) Bức xạ 𝛾 là bức xạ điện tử tần số cao, chúng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt, không mang điện và không có khối lượng khí đứng yên Năng lượng của bức xạ 𝛾 thay đổi tùy thuộc vào hạt nhân của các nguyên tố khác nhau (từ 0,05 ÷ 3 MeV) Căn cứ vào sự khác nhau về năng lượng của bức xạ 𝛾 mà có thể dùng phương pháp phổ gamma để xác định các nguyên tố khác nhau

Bức xạ 𝛾 có khả năng ion hóa 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 Quy luật phân rã phóng xạ - Dãy phóng xạ

1.1.2.1 Quy luật phân rã 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 lí bên ngoài (nhiệt độ, áp suất, …) Trong quá trình phân rã phóng xạ, số lượng nguyên tử của nguyên

tố giảm dần theo một quy luật nhất định Số nguyên tử bị phân rã dN trong khoảng thời gian từ t đến t + dt tỉ lệ với số nguyên tử N có ở thời điểm t, với khoảng thời gian phân rã dt

Dạng vi phân của định luật phân rã phóng xạ được xác định là:

dN = - 𝜆𝑁𝑑𝑡 Trong đó dấu (-) thể hiện sự giảm dần số nguyên tử của nguyên tố

Viết phương trình dưới dạng tích phân ta có:

∫ 𝑑𝑁

𝑁

𝑁

𝑁0 = - ∫ 𝜆𝑑𝑡0𝑡Trong đó 𝑁0 và N là số nguyên tử có ở thời điểm ban đầu t = 0 và ở thời điểm t

Sau khi lấy tích phân ta có:

Để đặc trưng cho quá trình phân rã phóng xạ, người ta còn đưa vào khái niệm chu kì bán rã T và thời gian sống trung bình của nguyên tử 𝜏 Thời gian sống trung bình của nguyên tử 𝜏 là đại lượng tỉ lệ nghịch với hằng số phân rã λ 𝜏 = 1

𝜆 Chu kì bán rã T là khoảng thời gian để số nguyên tử của một nguyên tố giảm đi còn một nửa Gọi 𝑁0 và 𝑁𝑇 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 kì bán rã T rất khác nhau, ví dụ: 21284𝑃𝑜

có chu kì bán rã T = 2,09.10−7 giây, 23290𝑇ℎ có T = 1,4.1010 năm

Uran, 𝑈238 khi phân rã 𝛼 trở thành 𝑇ℎ234 , chất này bị phân rã 𝛽 trở thành 𝑃𝑎234 Qua nhiều lần phân rã biến thành chất đồng vị của Radi, đó

là một loại nguyên tố rất quan trọng trong thăm dò phóng xạ 𝑅𝑎226 phân

rã 𝛼 biến thành Radon 𝑅𝑛222, đây là chất khí trơ Rn tiếp tục các biến đổi cho đến hạt nhân bền vững của chì 𝑃𝑏206

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

- Các nguyên tố đứng đầu mỗi dãy là các nguyên tố nặng có chu kì bán rã (T) rất lớn khoảng 108 đến 1010 năm Trong quá trình phân rã các nguyên tố sau có khối lượng nhỏ dần

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

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

Trong mỗi dãy phóng xạ đều có sự biến đổi phát ra tia 𝛼 và 𝛽 liên tiếp làm cho khối lượng A của nguyên tử và các đồng vị trong cùng một dãy thay đổi theo quy luật A = 4n + c, trong đó n là số nguyên, c = 2 với dãy Uran, c = 3 với dãy Actini và c = 0 với dãy Thori Ngoài các nguyên

tố phóng xạ trong các dãy phóng xạ nêu trên, còn có những đồng vị

phóng xạ không nằm trong dãy như Kali (𝐾40)….[7]

1.2 Cơ sở địa chất của phương pháp phóng xạ

1.2.1 Sự phân bố 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

đá, không khí, nước

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 nào có tuổi tuyệt đối cao 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 xạ 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 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

- Trong quá trình phân hủy và vận chuyển của các nguyên tố phóng

xạ, một lượng đáng kể tích tụ trong các lớp đất trống Nồng độ các nguyên tố phóng xạ trong lớp đất trồng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: bản chất đá gốc bị phong hóa, tính chất nứt nẻ, hình dạng địa hình, điều kiện tự nhiên và khí hậu Trong lớp đất trồng ở khu vực gần các mở Uran, Thori, Kali, … thường phát hiện vành phân tán phóng xạ

- Trong nước nói chung có hàm lượng phóng xạ thấp Đối với các loại nước trên mặt như nước biển, hồ, sông (trừ các sông chảy qua mỏ phóng xạ) có tính phóng xạ yếu Nước trên mặt có độ phóng xạ 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 để 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 phóng

xạ còn được sử dụng để giải quyết các nhiệm vụ địa chất không phóng xạ Các tiền đề địa chất gồm có:

- Nhiều mỏ chứa khoáng sản có ích liên quan cộng sinh với mở phóng xạ

- Dưới tác động của các hoạt động kiến tạo, một số mỏ khoáng nằm trong đới dập vỡ có thể có bất thường phóng xạ do sự lan truyền của khí phóng xạ

- 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 phần vật chất của đất đá[7]

1.3 Máy thăm dò phóng xạ

Để đo cường độ phóng xạ, 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 phòng thí nghiệm, đo trong giếng khoan, đặt trên ô tô, máy bay hoặc xách tay

Nguyên tắc chung cấu tạo của máy phóng xạ gồm bộ phận ghi nhận bức xạ và bộ phận khuếch đại ghi Bộ phận ghi nhận bức xạ có nhiệm vụ thu nhập các bức xạ phóng xạ và biến đổi chúng thành tín hiệu điện Bộ phận 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 đếm 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 đếm 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

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 thế giữa 2 điện cực khoảng 1000 vol Khi có bức xạ 𝛽 hoặc 𝛾 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 cường độ bức xạ Ống đếm Geiger – Muller dùng để ghi bức xạ 𝛽 hoặc 𝛾 Khi đo bức xạ 𝛽 hiệu suất

có thể đạt 70%, hiệu suất ghi bức xạ 𝛾 là 1 – 2%

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

Tinh thể phát quang có khả năng phát sáng dưới tác dụng của bức xạ gamma Khi tia phóng xạ đập vào mặt tinh thể phát quang (chất nhấp nháy) thì các phần tử của chất phát quang bị ion hoặc kích thích để phát sáng Ánh sáng này đập vào katot của nhân quang điện làm bật ra các điện 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 anốt của nhân quang điện tạo nên một xung điện Bức xạ đến càng 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 làm bằng các chất khác nhau Để đo cường độ bức xạ gamma, thường dùng tinh thể Iotnatri (NaI), hiệu suất ghi của nó tương đối cao (70 ÷ 80%), 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 nêu, 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 ảnh 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 tỉ lệ với năng lượng bức xạ Ngoài ra còn sử dụng bộ lọc để có thể thu nhận được các xung trong phạm vi một 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 tỉ lệ với cường độ bức xạ trong một thời gian xác định Kết quả ghi số có thể dùng tinh thể lỏng hiện số[7]

1.3.3 Các loại máy thăm dò phóng xạ

Dựa vào đặc điểm các loại bức xạ, có thể phân chia ra các máy đo bức xạ gamma (𝛾), anpha (𝛼) hoặc beta (𝛽) Dựa vào phương thức ghi có thể phân chia ra 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 phân chia loại 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 (đo tích phân) hoặc máy đo phổ (một kênh, nhiều kênh, …) Tùy vào nhiệm vụ cần giải quyết mà có thể sử dụng các máy phóng xạ đo trên mặt đất, trên máy bay, trong giếng khoan

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)[7]

1.4 Các phương pháp đo phóng xạ

Trong thăm dò phóng xạ, có thể nghiên cứu tính phóng xạ tự nhiên của đất đá hoặc các hiện tượng phóng xạ nhân tạo

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[7]

1.4.2 Các phương pháp gamma tổng

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

- Phương pháp đo gamma hàng không: phương pháp này được tiến hành bằng các máy đo có độ nhạy cao và quán tính nhỏ đặt trên máy bay Cường độ bức xạ gamma (𝛾) 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 thấp (50 ÷ 100 m) và tốc độ chậm

- 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 gamma (𝛾) mặt đất chỉ được áp dụng có kết quả tốt ở những vùng đá lộ hoặc có lớp phủ mỏng (< 1m), nếu lớp phủ dày hơn thì chỉ đo ở các vết lộ, sông suối, thung lũng, …

Cường độ bức xạ gamma thu nhận được 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 (𝛾) ở phần trên của lát cắt, vì vậy diện tích bề mặt có ảnh hưởng lớn đến kết quả đo Khi khảo sát ở tỉ lệ trung bình, quá trình đo gamma được tiến hành theo lộ trình địa chất, ven sông suối hoặc đường mòn, ở tỉ lệ cần đo theo điểm trên mạng lưới đo đã được xác định Khi đo, khoảng cách giữa phóng xạ kế và mặt đất không qua 5 cm Ở vùng có triển vọng mỏ phóng

xạ có thể đo trong hố đào có chiều sâu 0,3 – 3 m Các điểm đo kiểm tra chiếm 5 – 10% tổng số các điểm đo

Việc bố trí mạng lưới tuyến và điểm đo cần dựa vào đặc điểm cấu tạo địa chất, thường các tuyến trục được bố trí theo phương cấu tạo địa chất và đường phương của thân quặng, các tuyến ngang bố trí vuông góc Kết quả đo đạc được biểu diễn dưới dạng bản 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), màu xanh lá mạ, xanh đậm, xanh da trời (hàm lượng trung bình), màu nâu, tím, hồng (hàm lượng cao), màu đỏ (hàm lượng rất cao)[7]

1.4.3 Phương pháp phổ gamma

Phương pháp gamma chỉ ghi được tổng bức xạ gamma của các nguyên tố mà không tách riêng được hàm lượng của các loại Uran, Thori, Kali, do đó việc xác định thành phần hóa học, hàm lượng và các chỉ tiêu địa hóa có khó khăn Để giải quyết vấn đề này cần dùng 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 do 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

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 được chọn gọi là “cửa sổ” năng lượng Trong đó phổ gamma thường chọn 3 cửa sổ và đặt tên tương ứng với các nguyên tố trội nhất trong khoảng năng lượng đó

Tất nhiên trong mỗi “cửa 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 không, biển, mặt đất,…Khi khảo sát địa chất tỉ lệ trung bình và tỉ 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 Tỉ 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 đạc được biểu diễn bằng các đồ thị, các sơ đồ, bản đồ đẳng trị hàm lượng nguyên tố Uran, Thori, Kali Bất thường Uran được thể hiện bằng màu đỏ, Thori màu xanh và Kali màu vàng Trên các sơ đồ và bản đồ cần thể hiện các yếu tố địa chất như ranh giới, thành phần các đá, đứt gãy, vành phân tán địa hóa, … Bất thường phổ gamma được chia thành 3 loại: bất thường mạnh (biên độ lớn hơn 3 lần giá trị phông trung bình), trung bình (biên độ bằng 2 – 3 lần giá trị phông trung bình) và yếu (biên độ xấp xỉ phông)[7]

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 chứa một cửa sổ nhỏ ở vị trí trung tâm nhằm tránh các bức xạ xung quanh ảnh hưởng đến kết quả đó

Các công trình khai đào (hào, lò, giếng) trong tìm kiếm thăm dò khoảng sản cũng như các công trình dân dụng như rãnh đặt ống uống, đường hầm, … đều cần đo cường độ gamma ở thành hay ở đáy như đo gamma trên mặt đất (không có màn chắn)

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, nóc vách của các gương lò có thân quặng cắt qua Đo theo mạng lưới ô vuông

có kích thước (0,5 x 0,25 m) Sau khi phát hiện được bất thường cần khảo sát trên một tuyến chi tiết cắt qua phần bất thường Khoảng cách các điểm trên tuyến là 10 – 20 cm Các kết quả đo được xây dựng thành biểu đồ dùng để xác định bề dày và hàm lượng quặng[7]

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 20 m); 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 được quặng phóng xạ ở sâu hơn, trong điều kiện thuận lợi có thể có độ sâu nghiên cứu tới 10 m, 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 (trong dãy Uran – Radi) và Thoron (trong dãy Thori) Khả năng đâm xuyên của 𝛼 rất yếu nhưng khả năng ion hóa và lan truyền đáng kể Radon có chu kì bán

rã 3,8 ngày và có thể lan truyền cách xa đối tượng hàng chục mét, trong điều kiện thuận lợi (có đới phá hủy, đứt gãy, …) có thể lan truyền xa hơn Khí Thoron có chu kì bán hủy 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 ÷ 1 m cho ống hút khí vào trong 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 được biểu diễn dưới dạng

Các máy đo khí phóng xạ thường dùng là RADON – 82, PGA – 01P (CHLCB Nga), RDA – 200 (Canada) và RADON (Việt Nam)

Phương pháp khí phóng xạ được dùng trong các giai đoạn tìm kiếm

dò ở các tỉ lệ trung bình và tỉ lệ lớn theo các mạng lưới như phương pháp gamma mặt đất[7]

1.4.6 Phương pháp thủy địa hóa phóng xạ

Trong tự nhiên, cả nước ngầm lẫn nước trên mặt đều có thể chứa Uran với hàm lượng khác nhau từ 10−8 đến n10−12g/l Các nguồn nước ngầm chảy qua các vùng có quặng phóng xạ có hàm lượng khá cao có thể đến 10−5 - 10−3g/l

Phương pháp thủy địa hóa phóng xạ xác định hàm lượng phóng xạ (Uran, Radi, Radon, …) trong nước ngầm và theo dõi ngược dòng đến nơi có giàu quặng phóng xạ Chúng có thể được sử dụng để phát hiện các quặng phóng xạ ở những khoảng cách khá xa theo vành phân tán thủy địa hóa phóng xạ

Việc nghiên cứu thủy địa phóng xạ gồm chọn mẫu nước, xác định hàm lượng nguyên tố phóng xạ trong chúng và giải thích kết quả nhận được Trong các vùng tìm kiếm cần lấy mẫu nước ở các nguồn khác nhau như sông suối, giếng, lỗ khoan, đới vỡ vụn, … Do hàm lượng các nguyên

tố phóng xạ thay đổi theo mùa trong năm nên cần chọn các mẫu nước ở trong cùng một mùa và theo dõi sự thay đổi của chúng theo thời gian Các mẫu nước cần được xác định hàm lượng Uran, Radon Khi phát hiện vùng

có hàm lượng Uran, Radon lớn thì phân tích cả hàm lượng Radi vì thường Radi bị phân hủy khá nhanh

Để xác định bất thường phóng xạ cần xác định hàm lượng bình thường của Uran, gọi là “phông thủy địa hóa tự nhiên” Phông tự nhiên

này thay đổi ở các vùng khác nhau và ở các điều kiện khác nhau Sau khi phát hiện bất thường phóng xạ cần tìm hiểu nguyên nhân và điều kiện xuất hiện của chúng[7]

1.4.7 Phương pháp detector vết anpha

Phương pháp detector vết anpha dùng các detector chất dẻo ghi bức

xạ 𝛼 để xác định nồng độ khí phóng xạ trong điều tra khảo sát địa chất, thăm dò khoáng sản và nghiên cứu môi trường

Lĩnh vực và điều kiện áp dụng của phương pháp này tương tự như phương pháp khí phóng xạ song chúng có các ưu điểm là các detector vết được chôn sâu trong hố và đo tích lũy trong khoảng 20 ngày nên độ nhạy,

độ chính xác cao và loại trừ nhiều loại nhiễu Do detector vết phải chôn trong thời gian dài nên năng suất thấp vì vậy thường chỉ tiến hành khi đã

đo gamma tổng hoặc dùng trên vùng có lớp phủ dày

Thiết bị đo detector gồm cốc nhựa, detector chất dẻo, một ít hóa chất để xử lí và kính hiển vi để đếm vết Các detector vết thường sử dụng hiện nay là CR – 39 (Mỹ) và LR – 115 (Pháp)

Các kết quả đo detector vết được biểu diễn dưới 2 dạng là 1 bản đồ mật độ vết (số vết/mm.ngày) hoặc nồng độ khí phóng xạ và bản đồ đẳng mật độ vết hoặc đẳng nồng độ khí phóng xạ Trên các bản đồ cần thể hiện các yếu tố địa chất như ranh giới, thành phần đá, đứt gãy, vị trí các điểm lấy mẫu, hào lò, …

Phương pháp detector vết được dùng ở các giai đoạn tìm kiếm thăm

dò ở các tỉ lệ trung bình và tỉ lệ lớn (1:25.000, 1:10.000, 1:2.000) theo mạng lưới Khi nghiên cứu cấu trúc địa chất, khoảng cách tuyến tùy theo

tỉ lệ khảo sát còn khoảng cách giữa các điểm là 50 m Khi tìm kiếm quặng

khoảng cách giữa các điểm là 5, 10, 20 m, tùy theo tỉ lệ và mức độ phức tạp của cấu tạo địa chất[7]

1.5 Ứng dụng của phương pháp phóng xạ

Để giải quyết các nhiệm vụ địa chất khác nhau như đo vẽ bản đồ địa chất, tìm kiếm các mỏ phóng xạ và không phóng xạ, nghiên cứu địa chất môi trường…

1.5.1 Đo vẽ bản đồ địa chất

Có thể sử dụng phương pháp phóng xạ trong đo vẽ bản đồ địa chất như phân chia ranh giới tiếp xúc của loại đá, phân chia địa tầng, xác định các đứt gãy, phá hủy, … Điều kiện thuận lợi để áp dụng phương pháp 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 phóng xạ dùng cho đo vẽ bản đồ địa chất như phương pháp phổ gamma, phương đo khí phóng xạ… cần có độ chính xác cao để phát hiện các bất thường nhỏ[7]

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 công sinh Các loại mỏ này bao gồm:

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

Các mỏ trầm tích chứa vanadi và molipden, than, diệp thạch cháy, pecmatit chứa 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 môi trường

Phương pháp phóng xạ được sử dụng để xác định các tham số vật lí 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 phục vụ việc kiểm soát ô nhiễm phóng xạ đối với môi trường đang rất được quan tâm[7]

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÀI LIỆU PHÓNG XẠ

TRONG DỰ BÁO TRIỂN VỌNG KHOÁNG SẢN 2.1 Các phương pháp xử lí phân tích tài liệu phóng xạ

Tìm kiếm và dự báo triển vọng khoáng sản là mục đích chính của phương pháp phóng xạ Trong đó, phương pháp phổ gamma hàng không đóng vai trò chủ đạo Trong mục này sẽ trình bày khái quát, vắn tắt một

số phương pháp phân tích tài liệu phóng xạ máy bay trên thế giới và ở Việt Nam Trong rất nhiều phương pháp khác nhau, phương pháp thống

kê nhận dạng được sử dụng phổ biến, rộng rãi, và có hiệu quả hơn với các phương pháp khác

2.1.1 Các phương pháp xử lí phân tích tài liệu phóng xạ trên thế giới

2.1.1.1 Các phương pháp thống kê nhận dạng

Các phương pháp nhận dạng không những được ứng dụng rất có hiệu quả trong phân tích các số liệu địa chất mà còn được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác Về nguyên lý, việc tìm kiếm các đối tượng tương tự (đồng dạng) với các đối tượng mẫu đã biết thông qua các chủng loại thông tin thu được trong quá trình nghiên cứu, khảo sát, đều có thể xếp vào lớp các bài toán nhận dạng Các phương pháp phân tích nhận dạng đặc biệt có hiệu quả khi tiến hành trên các cơ sở dữ liệu có các chủng loại thông tin đa dạng, phong phú và tin cậy Hiện nay có rất nhiều thuật toán nhận dạng hiện đại, được tự động hóa bằng các hệ phần mềm mạnh, được áp dụng có hiệu quả trong phân tích tài liệu phổ gamma hàng không ở nhiều nước trên thế giới Đề cập đến hướng nghiên cứu này

có rất nhiều công trình đã được công bố, theo đó các phương pháp nhận dạng có thể chia thành 2 nhóm: nhóm các phương pháp nhận dạng theo

đối tượng chuẩn và nhóm các phương pháp nhận dạng không có đối tượng chuẩn[6]

a Các phương pháp nhận dạng theo đối tượng chuẩn

Trong các phương pháp phân tích nhận dạng có đối tượng chuẩn thì việc quan trọng nhất là chọn đối tượng chuẩn, tiếp đến là chọn tập hợp các dấu hiệu dùng để phản ánh và nhận dạng các đối tượng Tùy thuộc vào các mục đích nghiên cứu khác nhau mà việc lựa chọn các đối tượng chuẩn sẽ khác nhau Với mục đích nhận biết và khoanh định ranh giới các thành tạo địa chất, đối tượng chuẩn được lựa chọn là các “diện tích

chuẩn” trên đó phân bố các thành tạo địa chất đặc trưng tin cậy đã biết Với mục đích tìm kiếm và dự báo triển vọng khoáng sản, đối tượng chuẩn được chọn là các diện tích chuẩn, đã biết về triển vọng khoáng sản (các đối tượng quặng và không quặng)

- Đối tượng quặng chuẩn được hiểu là một biểu hiện quặng bất kỳ

mà các đặc tính địa chất – khoáng sản đã biết, nghĩa là đã có các dấu hiệu tin tưởng về một loại khoáng sản nào đó

- Đối tượng không quặng chuẩn là các đối tượng mà bằng các công việc tìm kiếm chi tiết trên mặt đất đã khẳng định là chúng không có biểu hiện quặng hóa

Phần lớn các thuật toán nhận dạng trên cơ sở mô hình thống kê đối tượng chuẩn trong phân tích tài liệu phổ gamma thường sử dụng các thông số như: Tỉ số sự thật L(x) và tổng lượng thông tin J(1:2,x)[6]

b Các phương pháp nhận dạng không có đối tượng chuẩn theo nguyên lí

tự điều chỉnh

Trong điều kiện khi diện tích khảo sát chưa được nghiên cứu kỹ và

phương pháp nhận dạng không có mẫu theo nguyên lý tự điều chỉnh để phát hiện và khoanh định các diện tích dị thường dựa trên một số dấu hiệu

đã được chọn trước theo nguyên tắc: xác suất nhỏ, tương quan yếu và có tính trội của một nguyên tố nào đó

Người ta đặc biệt quan tâm đến các diện tích dị thường (có khả năng liên quan với các khoáng sản) được khoanh định theo các dấu hiệu nêu trên khi có các đặc điểm như:

- Loại thường gặp trong các lớp đất đá khác nhau nhưng rất giống nhau

- Loại không điển hình cho lớp đất đá của nó hoặc trên toàn vùng Các phương pháp nhận dạng không có mẫu theo nguyên lý tự điều chỉnh để đánh giá triển vọng khoáng sản nói chung đạt hiệu quả không cao, thường chỉ có thể tham gia vào việc phát hiện và khoanh định các diện tích, dự báo là có thể có liên quan với khoáng sản[6]

2.1.1.2 Các phương pháp thống kê thực nghiệm

Các phương pháp thống kê thực nghiệm được thiết lập trên cơ sở các quan niệm lý thuyết, những kinh nghiệm thực tế, sự tự điều chỉnh để tìm kiếm lời giải đúng trong quá trình phân tích Bằng mô hình toán học

và thông qua chúng có thể phân chia các lớp dấu hiệu đối với các dị

thường quặng và không quặng Các thông số (được biểu diễn qua các biểu thức toán học) thường được sử dụng đó là:

- Các thông số Dominal

Quá trình phân bố lại các nguyên tố phóng xạ nhất thiết sẽ làm cho

ít nhất một nguyên tố được trội lên, và các thông số Dominal phản ánh đặc tính đó, chúng được biểu diễn theo công thức:

𝐷𝐾 = (𝑞𝜎 - 𝑞𝜎 )𝑒(1−𝑥)2

- Các hàm xác suất thống kê phản ánh xác suất bắt gặp của các đặc tính phóng xạ nào đó (theo nguyên tắc xác suất nhỏ) Về nguyên tắc, xác suất bắt gặp các dị thường sẽ là rất nhỏ so với toàn diện tích khảo sát Do vậy nếu lựa chọn được các dấu hiệu phản ánh thích hợp thì thông qua chúng theo nguyên tắc xác suất nhỏ người ta cũng có thể khoanh định các diện tích có đặc tính phân bố không bình thường của các trường phóng xạ

Trong các đá không biến đổi của vỏ trái đất các tỉ số này thường khá

ổn định và chỉ thay đổi trong các dải khá hẹp Ở những đới đá biến đổi, giá trị của các tỉ số này sẽ vượt ra khỏi các dải đó, do vậy thông qua các

Các phương pháp thống kê thực nghiệm, thông qua các thông số nói trên được áp dụng khá rộng rãi và có hiệu quả trong phân tích tài liệu phổ gamma hàng không, đặc biệt là trong việc phát hiện và khoanh định các đới biến đổi có thể liên quan với khoáng sản[6]

Hầu hết các phương pháp nói trên ( bao gồm các phương pháp tách trường, các phương pháp nhận dạng, các phương pháp thống kê thực nghiệm v.v…) nói chung đều xử lý trên các số liệu liên tục theo tuyến hoặc theo diện, nghĩa là phân tích trên các bản đồ trường (cường độ bức

xạ gamma, hàm lượng các nguyên tố phóng xạ U, Th, K)

Trên các điểm dị thường đơn (Bản đồ phân bố các dị thường phổ gamma hàng không) thường chỉ có một số phương pháp thống kê thực nghiệm đơn giản Thông qua các tham số đặc trưng riêng trên các điểm dị thường như: ∆J, T(1/2), ∆Th/ ∆U, ∆U/ ∆K, J i , F v.v…, người ta xác lập mối quan hệ giữa các đặc điểm địa chất – khoáng sản với các đặc điểm xạ

- địa hóa tương ứng, từ đó làm cơ sở cho việc dự báo về triển vọng

khoáng sản của chúng

Tham gia đánh giá về mức độ triển vọng khoáng sản đối với các dị

thường đơn, ngoài một số tham số như: F, T(1/2)… người ta còn sử dụng

tham số tích phân xác suất nhiều thành phần:

Trong đó: - x, y, z là các hàm lượng U, Th, K đã được chuẩn hóa

B: là diện phân bố của dị thường được xác định theo kênh tổng

Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ tin học, các phương pháp xử lý và phân tích số liệu hiện đại ngày càng được ứng dụng rộng rãi thay thế các phương pháp thủ công, trực quan, định tính Phần lớn các thuật toán trình bày ở trên đều đã được tự động hóa với các hệ phần mềm mạnh, chuyên dụng Đáng chú ý là Bộ chương trình phân tích phổ - thống kê COSCAD do GS.VS Ni-Ki-Tin đề xuất xây dựng và hệ phần mềm mạnh ERMAPPER[6]

2.1.2 Các phương pháp xử lí phân tích tài liệu phóng xạ ở Việt Nam

Công tác phân tích tài liệu phóng xạ hàng không ở nước ta trong những năm gần đây cũng đã có được những bước tiến đáng kể Trong tổ hợp các phương pháp phân tích tài liệu đang được sử dụng trong các đề

án bay đo ngoài một số phương pháp định tính với các thuật toán tương đối đơn giản thì một số phương pháp phân tích hiện đại như: Dominal, tương quan, nhận dạng v.v cũng đã được đưa vào áp dụng

Thông qua các đề tài nghiên cứu, một số tập thể tác giả cũng đã tiến hành những nghiên cứu, phân tích thử nghiệm trên các tài liệu thực tế bằng nhiều phương pháp khác nhau, đặc biệt là nhóm các phương pháp thống kê - nhận dạng và đã thu được những kết quả tốt Đóng góp vào hướng nghiên cứu này có thể kể đến các công trình của các tác giả như: PGS.TSKH Tăng Mười, TS Nguyễn Tài Thinh, GS.TS Lê Khánh Phồn,

B

PGS.TS Võ Thanh Quỳnh, TS Vũ Thu Hương, TS Nguyễn Thế Hùng,

TS Nguyễn Tuấn Phong và của nhiều nhà khoa học khác

Trong các công trình trên các tác giả đã sử dụng một số phần mềm được xây dựng trong nước, đồng thời khai thác một số phương pháp trong

hệ chương trình phân tích phổ - thống kê COSCAD và hệ chương trình ERMAPPER

Tuy nhiên, những nghiên cứu theo hướng này thường mới chỉ thu được kết quả tốt với mục đích nghiên cứu cấu trúc, phục vụ công tác lập bản đồ; còn với mục đích tìm kiếm và dự báo triển vọng khoáng sản thì các kết quả thu được còn hạn chế Nhìn chung các kết quả nghiên cứu đạt được nói trên vẫn còn manh mún, thông qua việc áp dụng, phát triển, hoàn thiện một số phương pháp nhận dạng riêng lẻ; chưa có được một phương pháp hệ phân tích các tài liệu phóng xạ hàng không hoàn chỉnh trong giải đoán địa chất, tìm kiếm và dự báo triển vọng khoáng sản[6]

2.2 Phương pháp tần suất – nhận dạng trong phân tích tài liệu phóng

xạ hàng không

2.2.1 Phương pháp phân tích tần suất

Phương pháp phân tích tần suất với việc sử dụng tần suất trung bình của sự xuất hiện đồng thời các tính chất do Griffiths và Vinni đưa ra có nội dung tóm tắt như sau:

Giả sử có một ma trận thông tin các đối tượng nghiên cứu: