LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ Địa chất Học “Nghiên cứu các biểu hiện hoạt động của đới đứt gãy Sông Chảy ở rìa đông nam hồThác Bà bằng phương pháp detector vết hạt nhân”
Nguyên lý của phương pháp detector vết hạt nhân
a Sự hình thành vận chuyển khí radon trong khí đất
Các đá luôn chứa hàm lượng nhất định các đồng vị phóng xạ như urani, thori, radi Thông thường, hàm lượng các nguyên tố này ở dưới sâu cao hơn nhiều lần so với trên mặt đất Trong quá trình phân rã, chúng tạo ra các nguyên tố dạng khí (còn gọi là khí eman) bao gồm radon ( 222 Rn), thoron
( 210 Rn) và actinon ( 220 Rn); trong đó 222 Rn là tồn tại lâu nhất với chu kỳ bán rã là 3,86 ngày (Hình 3.1), bởi vậy trong nghiên cứu ứng dụng người ta thường sử dụng 222 Rn
Hình 3.1 Dãy phân rã phóng xạ tự nhiên của 238 U, trong đó có 222 Rn
Các khí eman được sinh ra, một phần được đi vào các lỗ hổng và khe nứt các đá; chúng khuyếch tán và lan truyền từ đối tượng eman hóa theo hướng nồng độ và áp suất giảm Một phần các khí phóng xạ thoát vào khí quyển
Nồng độ khí eman trong không gian lỗ hổng phụ thuộc vào nồng độ các nguyên tố phóng xạ trong các đá (nguồn eman hóa), vào cường độ thoát khí eman, vào mật độ lỗ hổng của đá, vào môi trường xung quanh và được xác định bởi hệ số eman hóa [6]
Hệ số eman hóa là tỷ số giữa lượng eman được thoát ra từ đối tượng eman hóa với tổng lượng eman tạo ra trong cùng một khoảng thời gian, trong cùng một thể tích Hệ số này có thể thay đổi trong giới hạn rộng tùy thuộc vào từng loại đá Để nghiên cứu về sự khuếch tán khí eman trong môi trường địa chất ta hãy xét bài toán về sự phân bố eman trong lớp eman hóa vô hạn và trong các trầm tích phủ theo mô hình tấm phẳng
Giả sử, ta có lớp eman hóa vô hạn (các đá dưới sâu) có chiều dày H có các tham số sau: mật độ 1 , hệ số khuyếch tán D 1 , độ lỗ hổng 1 Lớp phủ có chiều dày h, mật độ 2 , hệ số khuyếch tán D 1 , độ lỗ hổng 2
Hệ số khuyếch tán D là tham số chính của quá trình khuyếch tán Ý nghĩa vật lý của nó được rút ra từ định luật thứ nhất của Fick dx dt
DS dC dm trong đó: dm: khối lượng vật chất khuyếch tán trong thời gian dt qua diện tích S vuông góc với hương trục x dx dC : gradien nồng độ theo hướng trục x
Khi S = 1cm 2 ; dx dC = 1 thì dt
Vậy hệ số khuyếch tán tính bằng khối lượng vật chất đi qua diện tích 1cm 2 trong 1 giây khi gradien nồng độ bằng 1 Đơn vị là cm 3 /s
Trên đây là sự phân bố eman trong lớp eman hóa vô hạn và trong lớp phủ
Gọi Q là dòng eman do khuyếch tán và đối lưu theo hướng trục x (từ dưới lên) Ta có dạng vi phân cân bằng lượng eman trong lớp dx như sau:
N: nồng độ eman trong lỗ rỗng đo được trong đá có độ xốp , Bq/cm 3 a 0 : Lượng eman tự do thoát vào đá, Bq
: hằng số phân rã của eman
Dòng eman do khuyếch tán và đối lưu theo hướng trục x
Dx: hệ số khuyếch tán eman theo hướng x
Vx: tốc độ đối lưu theo hướng x x
: gradien nồng độ eman theo hướng x
Từ trên ta có: x Sdx
Biến đổi biểu thức ta có:
Trường hợp khuyếch tán đứng: 0
Giải phương trình ta được:
Trong đó C 1 và C 2 là các hằng số
Nghiệm nhận được khi giải phương trình trong điều kiện giới hạn N 1 =
N 2 (cân bằng nồng độ lỗ rỗng) x
Bài toán trên đây mô tả sự lan truyền khí eman trong trường hợp đơn giản (lớp eman hóa vô hạn, trường hợp khuyếch tán dừng)
Ta có thể coi các đá dưới sâu là lớp eman hóa vô hạn Trong thực tế quá trình khuyếch tán là không dừng N 0 và tốc độ đối lưu v 0 thì bài toán trở nên phức tạp hơn, việc giải các phương trình vi phân để diễn tả quá trình khuếch tán di chuyển khí eman sẽ khó khăn hơn b Mối liên quan giữa đứt gãy hoạt động và sự thoát khí radon
Nhiều công trình nghiên cứu xác định mối liên quan giữa hoạt động đứt gãy với sự thoát các khí có nguồn gốc dưới sâu đã được tiến hành từ giữa những năm 1960 ở các nước phát triển như Nhật Bản, Mỹ, Liên Xô (cũ) và Trung Quốc Đến nay, việc nghiên cứu này được triển khai và đạt được những thành tựu khả quan ở các nước phát triển như Đức, Pháp, Italia, Canada… Các kết quả nghiên cứu đều khẳng định: hầu hết các đới phá hủy kiến tạo, các đứt gãy đang hoạt động tạo nên sự di chuyển các dung dịch khí trong vỏ Trái Đất, đẩy nhanh các phản ứng giữa dung dịch khí với các đá và làm tăng độ eman hóa Các khe nứt kiến tạo còn mở lối cho các khí thoát ra ngoài khí quyển theo con đường ngắn nhất
Theo King (1984) cho rằng dị thường các khí có nguồn gốc dưới sâu là một thông số đặc trưng của các đứt gãy đang hoạt động
Người ta tiến hành đo độ eman hóa của radon đồng thời với độ hoạt động của các khe nứt vi mô trong khối granit chứa urani (Holub và Brady,
1981) Kết quả cho thấy ban đầu nồng độ radon giảm liên quan tới sự đóng khép các khe nứt vi mô trong đá Sau đó độ eman hóa tăng lên đáng kể cùng với độ mở của khe nứt Sự tăng cao này được quan sát lặp đi lặp lại tới một mức cao đột xuất khi xuất hiện đứt gãy
Clement (1974) đã giả thiết rằng radon di chuyển bẳng cách khuếch tán phân tử tuân theo định luật Fick và theo dòng tuân theo định luật Darcy thì nồng độ radon phải rất thấp trong khí đất và có thể cho rằng nồng độ C là hàm của chiều sâu z theo phương trình sau:
: Hằng số phân rã của radon
D : Hệ số khuyếch tán phân tử của radon trong đất v : Tốc độ đối lưu của khí đất trên mặt (khối lượng khí đối lưu trên một đơn vị thời gian theo 1 đơn vị diện tích hình học)
Từ phương trình trên, có thể thấy rằng nồng độ radon trên mặt là không đáng kể và tăng nhanh theo chiều sâu
Các phương pháp nghiên cứu
Phương pháp tổng hợp tài liệu (Phương pháp kế thừa)
Học viên đã tiến hành thu thập các tài liệu, bài báo về địa chất, địa mạo có liên quan tới vùng nghiên cứu và hoạt động kiến tạo của đới đứt gãy Sông Hồng – Sông Chảy đã công bố Các tài liệu này được phân tích, kế thừa một cách có chọn lọc để làm sáng tỏ cấu trúc địa chất vùng và biểu hiện hoạt động của đới đứt gãy Sông Chảy ở rìa đông nam hồ Thác Bà.
Phương pháp địa chất, địa mạo
Phương pháp này rất quan trọng trong nghiên cứu hoạt động hiện đại của các đứt gãy Đây là phương pháp đo vẽ chi tiết các biến dạng địa mạo kiến trúc và các trầm tích trẻ, tìm các minh chứng khẳng định tính chất hoạt động của các phá hủy đứt gãy Đồng thời trên cơ sở các chỉ tiêu địa mạo, có thể xác định vùng ảnh hưởng động lực đứt gãy Nghiên cứu các quy luật phân bố, sự biến dạng của các dạng địa hình, sự biến dạng về cấu trúc, địa tầng, trầm tích trẻ, cho phép xác định các quy luật phát triển của các quá trình nội sinh, uốn nếp, chuyển động kiến tạo Đặc biệt, có thể xác định được sự hoạt động của các đứt gãy hiện đại Bằng chỉ tiêu địa mạo, cho phép xác định đới động lực đứt gãy
Trên cơ sở đó, học viên đã tiến hành khảo sát địa chất, địa mạo theo các tuyến lộ trình vạch sẵn Tại mỗi điểm khảo sát học viên đã mô tả, đo vẽ các cấu tạo địa chất (khe nứt, đứt gãy, nếp uốn), mô tả địa mạo xung quanh, thu thập mẫu và chụp ảnh Trong vùng nghiên cứu và lân cận học viên đã thu thập được 44 thế nằm mặt khe nứt và 35 vết xước mặt trượt (Phụ lục).
PHƯƠNG PHÁP DETECTOR VẾT HẠT NHÂN
Các phương pháp xác định hàm lượng radon trong khí đất
Phương pháp đo Rn trong khí đất là xác định hàm lượng Rn thông qua việc xác định lượng hạt α (sản phẩm của quá trình phân rã 222 Rn→ 218 Po)
Có 3 phương pháp đo hàm lượng radon được dùng phổ biến hiện nay: eman kế, detector vết hạt nhân và phổ kế bức xạ alpha (gọi tắt là phổ kế alpha) Phương pháp phổ kế alpha thường dùng trong quan trắc hàm lượng Rn liên tục trong nước ngầm
Phương pháp eman kế (chẳng hạn RADON hoặc LUK4E) dùng để đo hàm lượng Rn trực tiếp trong thời gian dưới 10 phút Phương pháp này sử dụng detector dạng nhấp nháy (alpha scintillation detectors) được phủ bằng sunfua kẽm được hoạt hóa bạc ZnS(Ag) rất nhạy với các hạt phóng xạ thực hiện chức năng ghi nhận các hạt α bắn ra Các tín hiệu xung từ buồng đo eman được chuyển tới bộ phận xử lý và cho kết quả hàm lượng Rn thông quan hệ thống đồng hồ hoặc bảng số điện tử Tuy nhiên, phương pháp eman kế là đo tức thời (2 - 4 phút), phụ thuộc khá nhiều vào các điều kiện ngoại cảnh vào thời điểm đo như thời tiết, nhiệt độ hoặc hoạt động của nước ngầm, v.v… Mặt khác buồng detector phủ bằng ZnS rất dễ bị oxy hóa trong điều kiện nhiệt đới ẩm (như ở nước ta) làm giảm độ nhạy ghi hạt anpha, hạm chế độ chính xác của phương pháp
Phương detector vết hạt nhân sử dụng phim bằng chất dẻo polyme chẳng hạn như phim LR-115 hoặc CR-39 có ưu điểm vượt trội trong việc ghi các bức xạ alpha Các ưu điểm chính của loại detector này là có giá rẻ, chỉ nhạy cảm với hạt alpha, không bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, nhiệt độ, đốt nóng và ánh sáng vừa phải Hơn nữa các thiết bị này thụ động không cần cung cấp điện Tính ưu việt của phương pháp detector vết hạt nhân so với phương pháp eman kế còn thể hiện ở phương thức tiến hành, đo Rn bằng phương pháp detector vết hạt nhân là đo tích lũy, lấy giá trị trung bình và mang tính thống kê cho một thời gian dài (5 - 7 ngày), tránh được những nhược điểm mà phương pháp eman kế mắc phải
Chính vì vậy, phương pháp detector vết hạt nhân đã được học viên chọn làm phương pháp cơ bản để nghiên cứu các biểu hiện hoạt động đới đứt gãy Sông Chảy khu vực rìa đông nam hồ Thác Bà.
Xác đinh hàm lượng radon bằng phương pháp detector vết hạt nhân
4.2.1 Công tác thực địa a Lựa chọn tuyến đo
Các tuyến đo được lựa chọn sao cho chúng cắt ngang đường phương của các đứt gãy dự kiến hoặc cần khảo sát Khoảng cách giữa các tuyến detector vết phụ thuộc vào tỷ lệ bản đồ khu vực và nhiệm vụ nghiên cứu Theo kinh nghiệm của các nước, ở tỷ lệ 1:25.000 các tuyến được bố trí cách nhau khoảng 250m; còn ở tỷ lệ 1:10.000 và 1:5.000 thì khoảng cách giữa các tuyến tương ứng là 100m hoặc nhỏ hơn nữa Khoảng cách giữa các điểm trên tuyến được lựa chọn trong khoảng 25-30m, khoảng cách này đã được xác định dựa theo khả năng di chuyển của Rn khí đất Theo I Barnet và nnk
(2008) phần lớn các mẫu đo Rn cao nằm trong khoảng cách