NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN ĐỒNG VỊ CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ CÓ ỨNG DỤNG TRONG ĐỊA CHẤT BẰNG ICPMS

Sự khám phá ra hiện tượng phóng xạ mở ra một kỷ nguyên mới trong lịch sử phát triển của nhân loại. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống con người cũng như trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Thành phần đồng vị của một số nguyên tố không phải là cố định, chúng có thể thay đổi do các quá trình hạt nhân, sinh học, hoá học, địa hoá học hay vật lý học nên việc phân tích thành phần các đồng vị cần thiết cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng khác nhau, trong đó có nghiên cứu xác định tuổi của đá, khoáng vật và lịch sử các quá trình biến đổi địa chất. Nghiên cứu xác định tuổi địa chất thường sử dụng thành phần đồng vị của các nguyên tố urani, thori, chì (phương pháp UThPb, phương pháp chì thường), rubidi, stronti (phương pháp RbSr),…Ngoài ra các tỷ số đồng vị 87Sr86Sr, 176Hf177Hf cũng là các tham số rất quan trọng, phục vụ cho nghiên cứu trong các lĩnh vực địa chất, địa hoá,...

Trang 1

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

-

LÊ HỒNG MINH

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN ĐỒNG VỊ CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ CÓ ỨNG DỤNG

TRONG ĐỊA CHẤT BẰNG ICP-MS

Chuyên ngành: HOÁ PHÂN TÍCH

Mã số: 62 44 29 01

LUẬN ÁN TIẾN SỸ HOÁ HỌC

Người hướng dẫn khoa học:

PGS TS HUỲNH VĂN TRUNG

TS NGUYỄN XUÂN CHIẾN

HÀ NỘI – 2012

Trang 2

Tôi xin được chân thành cảm ơn các cấp lãnh đạo Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, Viện Công nghệ xạ hiếm, Trung tâm Phân tích, Trung tâm đào tạo Hạt nhân đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp tại Trung tâm Phân tích nói riêng và Viện Công nghệ xạ hiếm nói chung đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp

đỡ tôi hoàn thành luận án này

LÊ HỒNG MINH

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận

án là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào và sử dụng để bảo vệ một học

vị nào Luận án đã sử dụng một số thông tin từ nhiều nguồn số liệu khác nhau, các thông tin đều được trích dẫn rõ nguồn gốc

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

LÊ HỒNG MINH

Trang 4

1.1.2 Định luật thống kê về phân rã phóng xạ

1.1.3 Các phương pháp tuổi đồng vị ứng dụng trong địa chất

1.1.3.1 Phương pháp Urani/Thori-Chì (U/Th-Pb) và phương pháp

Chì (Pb) thường

1.1.3.2 Phương pháp Rubidi-Stronti (Rb-Sr)

1.1.3.3 Phương pháp Tỷ số đồng vị Hafni (Hf)

1.2 Các phương pháp phân tích đồng vị

1.2.1 Các phương pháp phân tích hạt nhân

1.2.1.1 Phương pháp đo phổ alpha

1.2.1.2 Phương pháp đo phổ beta

1.2.1.3 Phương pháp đo phổ gamma

1.2.1.4 Phương pháp kích hoạt hạt nhân

1.2.2 Các phương pháp phân tích phổ khối

1.2.2.1 Nguyên tắc của phương pháp phân tích phổ khối

1.2.2.2 Một số phương pháp phân tích phổ khối thông dụng nhất

1.2.2.3 Phương pháp phân tích phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS)

1.3 Các phương pháp xử lý mẫu, phân huỷ mẫu và tách các nguyên tố

Trang

iv viii

xi xiv

Trang 5

cần quan tâm khỏi nền mẫu

1.3.1 Lấy mẫu, xử lý mẫu và các phương pháp phân hủy mẫu

1.3.2 Tách các nguyên tố cần quan tâm khỏi nền mẫu và các nguyên

tố ảnh hưởng

1.3.2.1 Tách U, Th, Pb

1.3.2.2 Tách Rb, Sr

1.3.2.3 Tách Hf

1.4 Tình hình nghiên cứu phân tích thành phần đồng vị các nguyên tố có

ứng dụng trong địa chất trên thế giới và ở Việt Nam

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu đo khi xác định

các đồng vị

2.3.1.1 Khảo sát sự phụ thuộc cường độ tín hiệu của phép đo vào

các tham số hoạt động plasma

2.3.1.2 Lựa chọn axit dùng làm môi trường dung dịch mẫu đo và

khảo sát nồng độ axit tối ưu

2.3.1.3 Giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng các đồng vị

2.3.1.4 Khoảng tuyến tính của phép đo các đồng vị

2.3.2 Nghiên cứu phân huỷ mẫu

2.3.3 Nghiên cứu tách các nguyên tố cần quan tâm khỏi nền mẫu và

các nguyên tố ảnh hưởng

2.3.4 Thiết lập phương pháp phân tích và ứng dụng phân tích mẫu

thực tế

2.3.4.1.Đánh giá độ chính xác của phương pháp phân tích

2.3.4.2 Đánh giá hiệu suất thu hồi

2.4 Thiết bị, dụng cụ, vật liệu và hoá chất

Trang 6

2.4.2.1 Dụng cụ

2.4.2.2 Vật liệu và hoá chất

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Kết quả nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu đo khi xác

định đồng vị các nguyên tố

3.1.1 Khảo sát và lựa chọn các tham số tối ưu của máy đo

3.1.1.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của RFP

3.1.1.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của CGFR

3.1.1.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của SDe

3.1.1.4 Lựa chọn các tham số tối ưu cho chế độ làm việc của plasma

3.1.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit của dung dịch mẫu

3.1.3 Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng các đồng vị

3.1.4 Khoảng tuyến tính của phép đo các đồng vị

3.1.5 Đánh giá độ chính xác của phép đo xác định các đồng vị

3.2 Kết quả nghiên cứu điều kiện phân huỷ các mẫu khoáng vật là đối

tượng xácđịnh tuổi địa chất

3.2.1 Chế tạo dụng cụ phân huỷ mẫu (bom teflon)

3.2.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp axit

3.2.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ

3.3 Kết quả nghiên cứu tách các nguyên tố cần quan tâm khỏi nền mẫu

và các nguyên tố ảnh hưởng bằng sắc ký trao đổi ion

3.3.1 Tách các nguyên tố U, Th, Pb

3.3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của nền mẫu đến việc xác định các đồng

vị U, Th, Pb bằng phương pháp ICP-MS

3.3.1.2 Tách U, Th và Pb trong môi trường axit HCl và HNO3

3.3.1.3 Tách U, Th và Pb trong môi trường axit HBr và HNO3

3.3.2 Tách các nguyên tố Rb và Sr

3.3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nền mẫu đến việc xác định các

đồng vị Rb, Sr bằng phương pháp ICP-MS

3.3.2.2 Tách Rb, Sr trong môi trường axit HCl

3.3.2.3 Tách Rb, Sr trong môi trường axit HNO3

Trang 7

3.3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của nền mẫu đến việc xác định các

đồng vị Hf bằng phương pháp ICP-MS

3.3.3.2 Tách Hf với nhựa trao đổi anion

3.3.3.3 Tách Hf với nhựa trao đổi cation

3.4 Thiết lập phương pháp phân tích và ứng dụng phân tích mẫu thực tế

3.4.1 Phân tích thành phần đồng vị U, Th, Pb trong đơn khoáng zircon

3.4.1.1 Tóm tắt quy trình phân tích thành phần đồng vị U, Th, Pb

trong đơn khoáng zircon

3.4.1.2 Đánh giá phương pháp phân tích thành phần đồng vị

U, Th, Pb trong đơn khoáng zircon

3.4.1.3 Xác định thành phần đồng vị U, Th, Pb trong mẫu đơn

khoáng zircon Thừa Thiên Huế

3.4.2 Phân tích thành phần đồng vị Rb, Sr trong mẫu địa chất

3.4.2.1 Tóm tắt quy trình phân tích thành phần đồng vị Rb, Sr trong

mẫu địa chất

3.4.2.2 Đánh giá phương pháp phân tích thành phần đồng vị Rb, Sr

3.4.2.3 Phân tích thành phần đồng vị Rb, Sr trong một số mẫu

khoáng vật

3.4.3 Xác định tỷ số đồng vị 176Hf/177Hf trong đơn khoáng zircon

3.4.3.1 Tóm tắt quy trình phân tích thành phần đồng vị Hf

trong đơn khoáng zircon

3.4.3.2 Đánh giá phương pháp phân tích thành phần đồng vị Hf

Trang 8

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CGFR Carier Gas Flow Rate Lưu lượng khí mang mẫu

Activativation Analysis

Kích hoạt nơtron hóa học

CRM Certified Reference Material Mẫu chuẩn có chứng chỉ

D2ENPA Di(2-Ethylhexyl) Phosphoric

Acid

Axit Di(2-etylhecxyl) photphoric

Cyclohexane Tetra-Acetic acid

Axit trans 1,2-diamino cyclohecxan tetraaxetic

EDTA Ethylenediaminetetraacetic acid Axit Etilendiamin tetraaxetic

FNAA Fast Neutron Activativation

Analysis

Kích hoạt nơtron nhanh

ICP-AES Inductively Coupled Plasma

Atomic Emission Spectrometry

Quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng

ICP-MS Inductively Coupled Plasma

Mass Spectrometry

Phổ khối plasma cảm ứng

Trang 9

ICP-QMS Inductively Coupled

Plasma-Quadrupole Mass Spectrometry

Phổ khối tứ cực plasma cảm ứng

LA-ICP-MS Lazer Ablation Inductively

Coupled Plasma Mass Spectrometry

Phổ khối plasma cảm ứng laze

LIMS Lazer Ionization Mass

LOD Limit of Determination Giới hạn phát hiện

LOQ Limit of Quantitation Giới hạn định lượng

LREE Light Rare Earth Element Nguyên tố đất hiếm nhẹ

LSC Liquid Scintilation counter Đếm nhấp nháy lỏng

MC-ICP-MS Multi Collector ICP-MS Phổ khối plasma cảm ứng, thu

nhiều lần NAA Neutron Activativation Analysis Kích hoạt nơtron

PAA Photon Activativation Analysis Kích hoạt photon

PFE Polyfluoroethylene

PGNAA Prompt Gamma Neutron

Activativation Analysis

Kích hoạt nơtron gamma tức thời

r Correlation coefficient Hệ số tương quan

Trang 10

RFP Radio Frequency Power Công suất cao tần

RIMS Resonance Ionization Mass

RSD Relative Standard Deviation Độ lệch chuẩn tương đối

SHRIMP Sensitive High Resolution Ion

SIMS Secondary Ion Mass

SNMS Secondary Neutral Mass

Spectrometry

Phổ khối trung hoà thứ cấp

SRM Standard Reference Material Mẫu chuẩn

SSMS Spark Source Mass

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TIMS Thermal Ionization Mass

TNAA Thermal Neutron Activativation

Analysis

Kích hoạt nơtron nhiệt

λ2 Decay Constant of 232Th Hằng số phân rã của 232Th

λ5 Decay Constant of 235U Hằng số phân rã của 235U

λ8 Decay Constant of 238U Hằng số phân rã của 238U

Trang 11

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 1.1 Độ chính xác của các phương pháp phân tích phổ khối 25

2 Bảng 2.1 Các tham số hoạt động plasma được thay đổi 49

3 Bảng 3.1 Các tham số chính của máy để thiết lập đường chuẩn các

đồng vị

74

4 Bảng 3.2 Nồng độ các đồng vị U, Th, Pb để thiết lập đường chuẩn (ppb) 75

5 Bảng 3.3 Nồng độ các đồng vị Rb, Sr để thiết lập đường chuẩn (ppb) 76

6 Bảng 3.4 Nồng độ các đồng vị Hf để thiết lập đường chuẩn (ppb) 76

7 Bảng 3.5 Phương trình đường chuẩn xác định các đồng vị 77

8 Bảng 3.6 Xác định các đồng vị U, Th, Pb trong dung dịch chuẩn

kiểm tra

77

9 Bảng 3.7 Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng các đồng vị 78

10 Bảng 3.8 Thành phần hỗn hợp axit dùng để phân hủy đơn khoáng

12 Bảng 3.10 Tương quan hàm lượng của các nguyên tố nền mẫu với

các nguyên tố U, Th, Pb trong một mẫu khoáng vật zircon (số lần lớn

hơn)

85

13 Bảng 3.11 Tương quan hàm lượng của các nguyên tố nền mẫu với

các đồng vị cần quan tâm trong cùng mẫu khoáng vật zircon (số lần

lớn hơn)

85

Trang 12

14 Bảng 3.12 Giới hạn ảnh hưởng của các nguyên tố nền mẫu đến việc

16 Bảng 3.14 Lượng các nguyên tố trong hỗn hợp dung dịch sau khi

nạp cột và dung dịch rửa cột trong môi trường axit HCl 3,0M

(dung dịch A)

91

nạp cột và dung dịch rửa cột trong môi trường axit HNO3 7,0M

(dung dịch B)

93

nạp cột và dung dịch rửa cột trong môi trường axit HBr 0,5M

(dung dịch C)

97

(dung dịch D)

98

20 Bảng 3.18 Kết quả phân tích bán định lượng một mẫu khoáng vật biotite 102

21 Bảng 3.19 Kết quả phân tích bán định lượng một mẫu khoáng vật

23 Bảng 3.21 Tương quan hàm lượng của các nguyên tố nền mẫu

với các nguyên tố Rb, Sr trong một số khoáng vật (số lần lớn hơn)

104

24 Bảng 3.22 Tương quan hàm lượng của các nguyên tố nền mẫu

với các đồng vị cần quan tâm trong một số khoáng vật (số lần lớn hơn)

105

25 Bảng 3.23 Giới hạn ảnh hưởng của các nguyên tố nền mẫu đến việc

xác định các đồng vị Rb, Sr bằng ICP-MS

106

Trang 13

110

116

28 Bảng 3.26 Tương quan hàm lượng Zr với các đồng vị Hf trong mẫu

zircon (số lần lớn hơn)

120

124

30 Bảng 3.28 Kết quả phân tích mẫu Plesovice Zircon 134

31 Bảng 3.29 Kết quả phân tích mẫu thêm các đồng vị U, Th, Pb 135

32 Bảng 3.30 Kết qủa phân tích mẫu zircon Thừa Thiên Huế 136

33 Bảng 3.31 Tuổi khoáng vật Plesovice Zircon và Zircon Thừa Thiên Huế 137

35 Bảng 3.33 Kết quả phân tích mẫu thêm các đồng vị Rb, Sr 139

36 Bảng 3.34 Kết quả phân tích một số mẫu khoáng vật 140

37 Bảng 3.35 Kết quả phân tích thành phần đồng vị Hf trong mẫu

Plesovice Zircon - Tách Hf bằng nhựa trao đổi anion

142

Plesovice Zircon - Tách Hf bằng nhựa trao đổi cation

142

39 Bảng 3.37 Kết quả phân tích mẫu thêm các đồng vị Hf 143

zircon Thừa Thiên Huế

143

Trang 15

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

4 Hình 3.1 Sự phụ thuộc của cường độ tín hiệu phép đo vào RFP

Trang 16

15 Hình 3.12 Sự phụ thuộc của cường độ tín hiệu phép đo vào RFP

khi các tham số còn lại ở giá trị tối ưu

66

16 Hình 3.13 Sự phụ thuộc của cường độ tín hiệu phép đo vào CGFR

67

17 Hình 3.14 Sự phụ thuộc của cường độ tín hiệu phép đo vào SDe

67

18 Hình 3.15 Sự phụ thuộc của cường độ tín hiệu phép đo vào PR

68

19 Hình 3.16 Sự hình thành các mảnh oxit (U, Th) phụ thuộc vào RFP

69

20 Hình 3.17 Sự hình thành các mảnh oxit (Pb) phụ thuộc vào RFP

69

21 Hình 3.18 Sự hình thành các mảnh oxit (U, Th) phụ thuộc vào CGFR

70

22 Hình 3.19 Sự hình thành các mảnh oxit (Pb) phụ thuộc vào CGFR

70

23 Hình 3.20 Sự hình thành các mảnh oxit (U, Th) phụ thuộc vào SDe

71

24 Hình 3.21 Sự hình thành các mảnh oxit (Pb) phụ thuộc vào SDe

71

25 Hình 3.22 Sự hình thành các mảnh oxit (U, Th) phụ thuộc vào PR

68

26 Hình 3.23 Sự hình thành các mảnh oxit (Pb) phụ thuộc vào PR

Trang 17

29 Hình 3.26 Hàm lượng U trong mẫu phụ thuộc tỷ lệ hỗn hợp axit và

thời gian

82

30 Hình 3.27 Hàm lượng U trong mẫu phụ thuộc nhiệt độ và thời gian 83

36 Hình 3.33 Đường cong rửa giải Pb với 3 dung môi khác nhau 95

38 Hình 3.35 Đường cong rửa giải Pb và Se với HCl 6,0M 97

39 Hình 3.36 Sơ đồ tách U, Th, Pb trong đơn khoáng zircon

(môi trường dung dịch mẫu ban đầu là HCl 3,0M)

99

40 Hình 3.37 Sơ đồ tách U, Th, Pb trong đơn khoáng zircon

(môi trường dung dịch mẫu ban đầu là HNO3 7,0M)

100

41 Hình 3.38 Sơ đồ tách U, Th, Pb

(môi trường dung dịch mẫu ban đầu là HBr 0,5M)

101

42 Hình 3.39 Đường cong rửa giải Rb và Sr với HCl 1,5M 107

46 Hình 3.43 Đường cong rửa giải các nguyên tố với HCl 2,5M 111

47 Hình 3.44 Đường cong rửa giải Mg và Rb với HCl 1,5M 112

48 Hình 3.45 Đường cong rửa giải Ca và Sr với HCl 3,0M 112

Trang 18

53 Hình 3.50 Đường cong rửa giải các nguyên tố với HCl 2,0M 116

54 Hình 3.51 Đường cong rửa giải Mg và Rb với HCl 1,5M 117

55 Hình 3.52 Đường cong rửa giải Ca và Sr với HCl 3,0M 118

56 Hình 3.53 Sơ đồ tách sắc ký Rb, Sr bằng nhựa trao đổi cation

Bio-Rad AG50W-X8, 200-400 mesh

119

57 Hình 3.54 Đường cong rửa giải Hf và Zr với H2SO4 1,3M 121

61 Hình 3.58 Đường cong rửa giải Lu và Yb với HCl 9,0M 125

62 Hình 3.59 Sơ đồ tách sắc ký Hf bằng nhựa trao đổi anion

Bio-Rad AG1-X8, 200-400 mesh trong môi trường HCl và H2SO4

126

67 Hình 3.64 Đường cong rửa giải Lu và Yb với HCl 6,0M 131

68 Hình 3.65 Sơ đồ tách sắc ký Hf bằng nhựa trao đổi cation

Bio-Rad AG50W-X8, 200-400 mesh trong môi trường H2SO4

132

Trang 19

MỞ ĐẦU

Sự khám phá ra hiện tượng phóng xạ mở ra một kỷ nguyên mới trong lịch sử phát triển của nhân loại Các đồng vị phóng xạ tự nhiên được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống con người cũng như trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học Thành phần đồng vị của một số nguyên tố không phải là cố định, chúng

có thể thay đổi do các quá trình hạt nhân, sinh học, hoá học, địa hoá học hay vật lý học nên việc phân tích thành phần các đồng vị cần thiết cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng khác nhau, trong đó có nghiên cứu xác định tuổi của đá, khoáng vật và lịch sử các quá trình biến đổi địa chất Nghiên cứu xác định tuổi địa chất thường sử dụng thành phần đồng vị của các nguyên tố urani, thori, chì (phương pháp U/Th-Pb, phương pháp chì thường), rubidi, stronti (phương pháp Rb-Sr),…Ngoài ra các tỷ số đồng vị 87Sr/86Sr, 176Hf/177Hf cũng là các tham số rất quan trọng, phục vụ cho nghiên cứu trong các lĩnh vực địa chất, địa hoá,

Trong những năm qua, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu xây dựng phương pháp phân tích thành phần đồng vị các nguyên tố có ứng dụng trong xác định tuổi địa chất, sử dụng các loại thiết bị phân tích phổ khối khác nhau Ở Việt Nam, cho đến nay mới chỉ có một số ít công trình nghiên cứu loại này, tập trung vào nghiên cứu xác định các đồng vị U, Pb, Rb, Sr trong một số khoáng vật và

đá, sử dụng thiết bị phân tích phổ khối ion hóa nhiệt Nhu cầu phân tích thành phần đồng vị một số nguyên tố để có dữ liệu tính tuổi các mẫu địa chất ở nước ta rất lớn, song hiện nay các nhà nghiên cứu địa chất hầu như đều phải gửi mẫu đi phân tích ở nước ngoài với chi phí cao

Phương pháp phân tích phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) - một phương pháp phân tích đồng thời đa nguyên tố được sử dụng ngày càng nhiều để xác định hàm lượng cũng như tỷ số của các đồng vị vì nó có tính chọn lọc và độ nhạy cao trong khoảng hàm lượng siêu vết Máy phổ khối tứ cực plasma cảm ứng (Q-ICP-MS) cho phép phân tích nhanh và trực tiếp các đồng vị trong dung dịch hoặc trong mẫu rắn sau khi mẫu được phân huỷ, chuyển vào dung dịch

Hiện nay, một số phòng thí nghiệm phân tích ở Việt Nam đã được trang bị loại máy phân tích ICP-MS Trung tâm Phân tích, Viện Công nghệ xạ hiếm, Viện Năng

Trang 20

lượng nguyên tử Việt Nam đã được trang bị và đưa vào sử dụng máy ICP-MS Agilent 7500a Tuy nhiên, các nghiên cứu trong lĩnh vực phân tích liên quan đến phương pháp ICP-MS tại Viện Công nghệ xạ hiếm nói riêng hay các phòng thí nghiệm khác ở Việt Nam nói chung mới đề cập đến việc xác định hàm lượng vết và siêu vết các nguyên tố trong các đối tượng mẫu địa chất, sinh học, môi trường mà chưa có một công trình nghiên cứu nào về xác định thành phần đồng vị các nguyên

tố bằng ICP-MS

Mục tiêu của luận án là thiết lập được các phương pháp phân tích thành phần

đồng vị của các nguyên tố urani, thori, chì, rubidi, stronti, hafni trong mẫu địa chất bằng ICP-MS, bước đầu áp dụng chúng vào phân tích một số mẫu khoáng vật thực tế

Nội dung của luận án bao gồm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu đo

ICP-MS và tìm các điều kiện tối ưu để phân tích thành phần đồng vị các nguyên tố

U, Th, Pb, Rb, Sr và Hf đạt độ nhạy cao và độ chọn lọc thích hợp; nghiên cứu phân huỷ mẫu; nghiên cứu tách các nguyên tố cần quan tâm khỏi nền mẫu và các nguyên

tố ảnh hưởng bằng sắc ký trao đổi ion; thiết lập các phương pháp phân tích, ứng dụng phân tích thành phần đồng vị U, Th, Pb, Rb, Sr và Hf trong một số mẫu khoáng vật

Bố cục của luận án

Luận án gồm có các phần chính như sau:

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

- Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Trang 21

luận án ở Việt Nam và trên thế giới Phần Đối tượng và phương pháp nghiên cứu nêu đối tượng nghiên cứu, nguyên liệu nghiên cứu, các phương pháp nghiên cứu, các thiết

bị và hoá chất sử dụng Phần Kết quả nghiên cứu và thảo luận trình bày kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu đo ICP-MS khi xác định thành phần đồng vị của một số nguyên tố, kết quả nghiên cứu phân huỷ các mẫu khoáng vật là đối tượng xác định tuổi địa chất, kết quả nghiên cứu tách các nguyên tố cần quan tâm khỏi nền mẫu và các nguyên tố ảnh hưởng khác bằng sắc ký trao đổi ion, cuối cùng là thiết lập phương pháp phân tích và ứng dụng phân tích mẫu thực tế Phần Kết luận nêu các kết quả chính đạt được của luận án

Đóng góp mới của luận án trong lĩnh vực phân tích thành phần đồng vị một

số nguyên tố bằng ICP-MS:

+ Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu đo ICP-MS khi xác định thành phần đồng vị của một số nguyên tố, là các nghiên cứu đầu tiên có hệ thống ở nước ta + Chế tạo được bộ dụng cụ phân huỷ mẫu chịu axit, chịu được nhiệt độ và áp suất cao Nghiên cứu phân huỷ đơn khoáng zircon, tìm được tỷ lệ hỗn hợp axit, nhiệt độ, thời gian phân huỷ mẫu thích hợp

+ Nghiên cứu ứng dụng sắc ký trao đổi ion để tách các nguyên tố U, Th, Pb,

Rb, Sr và Hf khỏi các nguyên tố nền và các nguyên tố ảnh hưởng đến việc xác định các đồng vị của chúng bằng phương pháp ICP-MS:

- Tách đồng thời hệ ba nguyên tố U, Th, Pb với cùng một loại nhựa trao đổi anion Bio-Rad AG1-X8, 200-400 mesh, trên cùng một cột sắc ký Từ các kết quả nghiên cứu đã đề xuất ba sơ đồ tách U, Th, Pb

- Tách Rb, Sr bằng nhựa trao đổi cation Bio-Rad AG50W-X8, 200-400 mesh Lần đầu tiên nghiên cứu và đề xuất dùng các dung dịch axit HCl có nồng độ khác nhau để giải hấp từng nguyên tố

- Tách Hf bằng cả hai loại nhựa trao đổi anion Bio-Rad AG1-X8, 200-400 mesh và nhựa trao đổi cation Bio-Rad AG50W-X8, 200-400 mesh Việc sử dụng dung dịch H2SO4 có nồng độ khác nhau để rửa và rửa giải riêng biệt Zr và Hf chưa

Trang 22

từng được công bố trong công trình nào Đã nghiên cứu tách Hf khỏi Lu và Yb trong môi trường axit H2SO4

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học của luận án: Lần đầu tiên ở Việt Nam, phương pháp phân

tích thành phần đồng vị các nguyên tố U, Th, Pb, Rb, Sr, Hf trong mẫu địa chất bằng ICP-MS sau khi tách loại các chất ảnh hưởng đi kèm trong nền mẫu bằng sắc

ký trao đổi ion được nghiên cứu một cách hệ thống Các điều kiện hoạt động của máy ICP-MS cũng như các ảnh hưởng hóa học đến tín hiệu đo khi xác định thành phần đồng vị một số nguyên tố đã được nghiên cứu tối ưu hoá Đã tìm được các điều kiện thích hợp để phân huỷ đơn khoáng zircon, loại khoáng vật khó phân huỷ bằng phương pháp axit Kết quả nghiên cứu tách các nguyên tố U, Th, Pb, Rb, Sr,

Hf khỏi nền mẫu và các nguyên tố ảnh hưởng đến việc xác định các đồng vị của chúng bằng hai loại nhựa trao đổi anion và cation là những đóng góp mới trong

nghiên cứu ứng dụng phương pháp tách bằng sắc ký trao đổi ion

Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Các quy trình phân tích được đề xuất có khả

năng ứng dụng to lớn trong phân tích phục vụ nghiên cứu địa chất, địa hoá Các kết quả nghiên cứu của luận án này có thể ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực khác

như phân tích môi trường, nhiên vật liệu hạt nhân,…

Trang 23

Chương 1 TỔNG QUAN

Ngành nghiên cứu Khoa học Trái đất và Vũ trụ luôn quan tâm tìm hiểu lịch sử hình thành và tiến hoá của hành tinh trái đất trong mối quan hệ thời gian chặt chẽ với hệ mặt trời [4] Nghiên cứu tuổi địa chất là chuyên ngành có nhiệm vụ xác định tuổi của đá, khoáng vật và các hoá thạch để có một kết luận chính xác về lịch sử địa

chất của trái đất [48] Các kết quả nghiên cứu về tuổi địa chất phục vụ nhiều mục

tiêu khác nhau trong đó có vấn đề điều tra khoáng sản, nghiên cứu các di sản địa chất, góp phần nâng cao giá trị văn hoá du lịch, [9] Xác định chính xác điều kiện

và thời gian thành tạo của các phân vị địa chất khác nhau bằng các phương pháp tiên tiến và có độ tin cậy cao luôn là vấn đề thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên

cứu khoa học địa chất [16, 44]

Trước thế kỷ 20, việc xác định niên đại địa chất chủ yếu là phương pháp xác định tuổi tương đối Nó dựa trên cơ sở liên hệ, so sánh và sắp xếp theo trình tự phát triển của thế giới hữu cơ có cấu tạo từ đơn giản đến phức tạp còn để lại di tích trong lớp đá trầm tích ở khắp nơi trên trái đất Bảng địa niên biểu chỉ cho khái niệm tương đối về thời gian thành tạo các đá [16]

Xác định tuổi tuyệt đối là xác định số năm cụ thể từ khi đá, khoáng vật được thành tạo cho tới nay Trước khi máy phổ khối đầu tiên ra đời, việc xác định tuổi tuyệt đối trong địa chất học chủ yếu dùng phương pháp phân tích hoá học các loại

đá hoặc khoáng vật (còn gọi là phương pháp phân tích hoá tổng) Từ hàm lượng tuyệt đối của một số nguyên tố liên quan tính ra tuổi trung bình - tuổi hoá học của mẫu Việc phát minh ra phương pháp phân tích phổ khối giúp phát hiện ra hơn 200 đồng vị của các nguyên tố hoá học Phương pháp ứng dụng một số thành phần đồng

vị để xác định tuổi tuyệt đối trong địa chất học, còn gọi là phương pháp tuổi đồng vị

đã dần thay thế phương pháp phân tích hoá tổng [16, 44, 48, 88]

Phương pháp tuổi đồng vị dựa trên nguyên tắc của sự phân rã phóng xạ Tất cả các nguyên tố phóng xạ đều phân rã Các nguyên tố gốc (hay nguyên tố mẹ) phát ra các bức xạ và các hạt và hình thành các nguyên tố con bền vững Trong quá trình phân rã, các đồng vị phân chia thành các sản phẩm con theo một chu kỳ bán rã đặc

Trang 24

trưng Bằng cách xác định các đồng vị mẹ và con trong mẫu, khi biết chu kỳ bán rã của đồng vị mẹ có thể tính được tuổi của mẫu [44, 48]

Hiện tượng phóng xạ được khám phá vào năm 1896 bởi nhà vật lý người Pháp Henri Becquerel Ông phát hiện ra rằng các hợp chất của urani có khả năng tự phát ra những tia không nhìn thấy được, có thể xuyên qua những vật mà tia sáng thường không đi qua được gọi là các tia phóng xạ Năm 1903, Rutherford và Soddi đã công

bố các quan niệm rõ ràng về bản chất của hiện tượng phóng xạ, đó là quá trình các nguyên tử của một nguyên tố phóng xạ tự biến đổi thành các nguyên tử của nguyên tố khác kèm theo sự phát ra các tia phóng xạ [6] Năm 1905, Rutherford và Bertram Boltwood dựa trên nguyên tắc của sự phân rã phóng xạ đã tính toán tuổi của các đá

và khoáng vật Rutherford đã xác định tuổi của các khoáng vật uraninite bằng cách đo lượng heli đã được tích luỹ và lượng urani còn lại trong khoáng vật Năm 1907, Bertram Boltwood tính tuổi của mẫu uraninite dựa vào kết quả đo tỷ số U/Pb Tất cả các nghiên cứu này được thực hiện trước khi người ta biết đến các đồng vị và trước khi tốc độ phân rã được biết một cách chính xác Năm 1911, Holmes đã nghiên cứu

áp dụng các phép đo urani và chì trên khoáng vật để xác định niên đại địa chất và phương pháp xác định tuổi tuyệt đối (tuổi đồng vị) chính thức ra đời từ đó [44]

Việc sử dụng phương pháp xác định thành phần đồng vị của các nguyên tố để tính tuổi địa chất đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được trong quá trình nghiên cứu lịch sử phát triển vũ trụ nói chung cũng như trái đất nói riêng, nghiên cứu động học các quá trình diễn ra trong lòng quả đất, phục vụ nghiên cứu sinh khoáng và tìm kiếm mỏ [48]

1.1 Phân rã phóng xạ và ứng dụng trong xác định tuổi địa chất

1.1.1 Sự phân rã của các đồng vị phóng xạ

Phân rã phóng xạ là hiện tượng các đồng vị phóng xạ phát ra các hạt để biến thành các đồng vị khác (phân rã anpha, beta) hoặc chuyển về trạng thái có năng lượng thấp hơn (phân rã gamma) [6]

Trong phân rã anpha (α), hạt nhân phát ra một hạt α, cũng chính là hạt nhân heli, hạt nhân mẹ sẽ mất hai proton và hai nơtron, nguyên tử số hay điện tích Z của

Trang 25

nó giảm đi hai đơn vị và số khối giảm đi bốn đơn vị Lúc đó hạt nhân mẹ (P) và hạt nhân con (D) sẽ tương ứng với các nguyên tố hoá học khác nhau

Trong quá trình phân rã beta (β), điện tích Z của hạt nhân thay đổi nhưng số nucleon không thay đổi Trong các trường hợp hạt nhân phát ra một electron (phân rã

β-), một pozitron (phân rã β+), hay nhận một electron ở lớp trong vỏ nguyên tử (bắt electron), đều xảy ra quá trình một proton biến thành một nơtron hay ngược lại Trong mỗi quá trình này đều có một hạt phụ - nơtrino (ν) xuất hiện trong số các sản phẩm của sự phân rã Nơtrino có điện tích bằng không, khối lượng nghỉ bằng không, spin bằng 1/2, có vận tốc bằng vận tốc ánh sáng trong chân không (cũng như vận tốc của tất cả các hạt không có khối lượng nghỉ khác) Các hạt phản nơtrino được phát ra trong quá trình phân rã β-, còn các hạt nơtrino được phát ra trong quá trình phân rã β+ Trong quá trình phân rã gamma (γ), một hạt nhân ở trạng thái kích thích sẽ chuyển về trạng thái năng lượng thấp hơn, đồng thời phát ra một photon Dòng photon này được gọi là tia γ, có năng lượng gián đoạn Khác với các photon phát ra trong các chuyển dời năng lượng khác của nguyên tử, khi năng lượng của chúng chỉ khoảng một vài eV, năng lượng của các photon trong phân rã γ có thể từ hàng chục KeV đến vài MeV Trong quá trình phân rã γ, điện tích và số nguyên tử của hạt nhân không thay đổi vì các photon γ không có điện tích và có khối lượng nghỉ bằng không Quá trình bắt electron (bắt K) xảy ra khi một electron ở lớp trong của vỏ nguyên tử (thường là lớp K) bị hạt nhân bắt, không phát xạ các hạt mang điện Chỉ

có một nơtrino được phát ra, tiếp đó các photon tia X được phát ra khi các electron

ở lớp ngoài của vỏ nguyên tử chuyển về các mức năng lượng bị trống Trong quá trình bắt electron, một proton biến thành một nơtron Các tia X phát ra là thuộc hạt nhân con chứ không phải thuộc hạt nhân mẹ

Quá trình nội chuyển (internal conversion) xảy ra khi hạt nhân ở trạng thái kích thích, thường do phân rã βcủa hạt nhân mẹ Hạt nhân thường chuyển về trạng thái bền bằng cách phát ra photon γ Tuy nhiên, ở một số trạng thái kích thích nào

đó, sự phát ra tia γ bị cấm và thay thế vào đó là quá trình nội chuyển Ở đây, năng lượng kích thích Eex của hạt nhân được chuyển trực tiếp cho một trong những

Trang 26

electron của nguyên tử Electron này có năng lượng Ee- = Eex - Eb , trong đó Eb là năng lượng liên kết của nó trong lớp vỏ electron ban đầu

Quá trình phát electron Auger xảy ra khi nguyên tử ở trạng thái kích thích (như trường hợp bắt electron) có một chỗ trống ở lớp electron phía trong Chỗ trống này thường được lấp đầy bởi các electron từ lớp bên ngoài kèm theo việc phát ra photon tia X đặc trưng Năng lượng kích thích của nguyên tử được truyền trực tiếp cho một trong những electron ở lớp ngoài làm cho nó bật ra khỏi nguyên tử Electron này được gọi là electron Auger có năng lượng bằng hiệu số giữa năng lượng kích thích ban đầu của nguyên tử và năng lượng liên kết của electron trong lớp vỏ trước khi nó thoát ra

Phân hạch tự phát là quá trình một hạt nhân nặng (như 235U, 238U) tự vỡ thành

hai hạt nhân có khối lượng khác nhau kèm theo sự phát ra các nơtron

1.1.2 Định luật thống kê về phân rã phóng xạ

Giả sử một đồng vị phóng xạ ban đầu có N0 hạt nhân mẹ không bền, phân rã thành N*D hạt nhân con bền Số lượng hạt nhân mẹ tự phân rã trong một đơn vị thời gian tỷ lệ với số lượng hạt nhân mẹ N còn lại [6]

- dN/dt = λN (1.1.1)

Ở đây - dN/dt là hoạt độ phóng xạ hay tốc độ phân rã (số phân rã trong một đơn vị thời gian), dấu (-) thể hiện N giảm dần theo thời gian, N là số hạt nhân mẹ còn lại tại thời điểm t λ là hằng số phân rã phóng xạ (phụ thuộc vào quá trình phân

rã nhất định và bản chất của hạt nhân mẹ, không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất) Cũng có thể viết: ln (N/No) = - λt hay N = Noe-λt (1.1.2) Phương trình trên không cho giá trị xác định mà là phương trình có tính chất thống kê, cho biết số hạt nhân mẹ N hy vọng còn tồn tại ở thời điểm t

Số hạt nhân con N*D được tạo thành do quá trình phân rã phóng xạ:

N*D = No – N = N(e λt - 1) (1.1.3)

Trang 27

Trong thực tế, các mẫu địa chất tại thời điểm ban đầu (t = 0) thường có một số nhất định các hạt nhân con NDo nhưng đó không phải là sản phẩm của quá trình phân rã phóng xạ của các hạt nhân mẹ

ND = NDo + N*D = NDo + N(e λt - 1) (1.1.4) Biểu thức trên được gọi là phương trình tính tuổi địa chất, là cơ sở của địa niên đại hạt nhân

Hằng số phân rã của một đồng vị phóng xạ được xác định qua chu kỳ bán rã của

nó (T1/2 - khoảng thời gian cần thiết để số hạt nhân mẹ giảm đi một nửa, N = No/2)

T1/2 =

λ

2ln

= λ

693,0

(1.1.5)

1.1.3 Các phương pháp tuổi đồng vị ứng dụng trong địa chất

Các đồng vị phóng xạ có khả năng tự phân rã, trong quá trình đó các tia phóng

xạ tác dụng lên môi trường vật chất xung quanh Có thể chia các phương pháp tuổi đồng vị xác định niên đại địa chất thành hai nhóm [44, 85] như sau:

Nhóm phương pháp thứ nhất tính thời gian dựa vào các hiện tượng là kết quả của tác dụng của các tia phóng xạ Tia phóng xạ có tác dụng hoá học là tia α, có thể xuyên qua vật thể rắn Nếu quan sát một số khoáng vật như mica, zircon dưới kính hiển vi, có thể thấy các vòng tròn phát sáng yếu (các quầng sáng hay vòng sáng) Nghiên cứu tác dụng của tia α lên các khoáng vật này, có thể biết được sự phụ thuộc của cường độ phát sáng của các quầng sáng vào thời gian chiếu tia Các phương pháp tính tuổi dựa trên đặc tính này phụ thuộc nhiều vào các yếu tố bên ngoài nên độ chính xác không cao và thực tế cũng ít được sử dụng

Nhóm phương pháp thứ hai tính thời gian dựa vào bản thân quá trình phân rã Các đồng vị gốc (hay đồng vị mẹ) phát ra các bức xạ và các hạt và hình thành các đồng vị con bền vững Trong quá trình phân rã, các đồng vị phân chia thành các sản phẩm con theo một chu kỳ bán rã đặc trưng Bằng cách đo các đồng vị mẹ và con trong mẫu, khi biết chu kỳ bán rã của đồng vị mẹ có thể xác định được tuổi của mẫu Các điều kiện tiên quyết khi chọn mẫu phân tích bằng phương pháp này là: đồng vị con không có mặt hoặc có không đáng kể trong đá hay khoáng vật vào thời

Trang 28

điểm mà đá hay khoáng vật đó được hình thành; hệ đồng vị luôn tồn tại ở trạng thái kín kể từ khi đá hoặc khoáng vật được kết tinh đến thời điểm lấy mẫu phân tích; thành phần đồng vị mẹ không được thay đổi do quá trình phân dị hoặc các quá trình biến đổi về sau gây ra; hằng số phân rã (λ) của đồng vị mẹ phải được biết chính xác; việc xác định hàm lượng của đồng vị mẹ và con phải đảm bảo độ chính xác cao Việc lựa chọn mẫu vật thích hợp để tính tuổi cũng còn phụ thuộc vào chính tuổi của chúng và phương pháp tính tuổi nào được áp dụng Với các đồng vị có thời gian sống rất dài, mẫu để tính tuổi phải có tuổi đủ già để mẫu có thể chứa đủ lượng đồng

vị con được sinh ra Ngược lại, với các đồng vị có thời gian sống ngắn, mẫu phải có tuổi đủ trẻ để có thể còn đủ lượng đồng vị mẹ tồn tại trong mẫu

Những chuỗi phân rã chứa các đồng vị của các nguyên tố có mặt trong các khoáng silicat thông thường như: 87Rb → 87Sr, 147Sm → 143Nd, U/Th → Pb, 187Re

→ 187Os, 176Lu → 176Hf , 40K→ 40Ar có ứng dụng nhiều nhất trong việc xác định niên đại địa chất [48] Ngoài ra, các tỷ số đồng vị 87Sr/86Sr hay 176Hf/177Hf cũng là những dữ liệu quan trọng phục vụ cho các nghiên cứu về nguồn gốc trong lĩnh vực địa chất Ở đây, chúng tôi chỉ trình bày cơ sở nguyên lý của một số phương pháp xác định tuổi, nguồn gốc thường được sử dụng và cũng là nội dung nghiên cứu của

đề tài luận án này là phương pháp Urani/Thori-Chì, phương pháp Rubiđi-Stronti, phương pháp Tỷ số đồng vị Hafni

1.1.3.1 Phương pháp Urani/Thori-Chì (U/Th-Pb) và phương pháp Chì (Pb) thường

Tính phóng xạ của U và Th được ứng dụng để tính tuổi của các khoáng vật chứa các nguyên tố này và đã có một số hướng nghiên cứu khác nhau Đó là các phương pháp phân tích hoá học Pb-U, Th; phương pháp Alpha-Pb; phương pháp U-

He và hai phương pháp hiện nay vẫn được ứng dụng, đó là phương pháp đồng vị U/Th-Pb và phương pháp Pb thường Sau này, một số phương pháp khác còn được

bổ sung thêm Ba phương pháp đầu nay đã không còn được dùng vì chúng dựa trên các giả thuyết không đáng tin cậy Chẳng hạn, phương pháp phân tích hoá học Pb-

U, Th dựa trên giả thuyết tất cả Pb có trong khoáng vật chứa U là có tính phóng xạ, hàm lượng của chúng tăng dần theo thời gian [48]

Trang 29

Phương pháp đồng vị U/Th-Pb được dùng để xác định tuổi các mẫu có niên đại ở trong khoảng từ một triệu năm tuổi đến kỷ Precambrian [96] Phương pháp này được ứng dụng trong một số lĩnh vực như: xác định tuổi của đá núi lửa; tuổi biến chất; nguồn gốc của trầm tích dưới tác động của gió (nghiên cứu khí hậu cổ); nguồn gốc của đá trầm tích hay sau trầm tích (nghiên cứu kiến tạo địa chất); tuổi các mỏ quặng; tuổi các trầm tích, khoáng hoá và cổ sinh Ngoài ra nó còn được ứng dụng trong lĩnh vực thời nhiệt Nói chung, phương pháp này có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu địa chất [44, 48]

Trong tự nhiên tồn tại bốn họ phóng xạ: urani (238U), actiniurani (235U), thori (232Th) và neptuni (237Np) cùng phân rã alpha tạo thành các đồng vị bền tương ứng

238 / 206

U

Pb t

λ (1.1.9)

Trang 30

235 / 207

U

Pb t

232 / 208

Th

Pb t

λ (1.1.11) Chia hai vế tương ứng của biểu thức (1.3.2) cho (1.3.1) ta có:

( )

188

,137

Pb

λ

λ (1.1.12)

Cặp đồng vị U-Pb có thể cho ba kết quả tính tuổi dựa trên các tỷ số 206Pb/238U,

207Pb/235U và 207Pb/206Pb, trong đó có hai giá trị tuổi độc lập với nhau Cặp đồng vị Th-Pb cho kết quả tuổi dựa trên tỷ số 208Pb/232Th

Từ các biểu thức (1.1.9), (1.1.10), (1.1.11) cho thấy, để tính tuổi của mẫu cần xác định các tỷ số đồng vị 206Pb/238U, 207Pb/235U và 208Pb/232Th trong mẫu Phương pháp tính tuổi của mẫu dựa trên việc xác định ba tỷ số đồng vị nói trên được gọi là phương pháp U/Th-Pb Biểu thức (1.1.12) cho thấy, để tính tuổi của mẫu có thể chỉ cần xác định tỷ số đồng vị 207Pb/206Pb Phương pháp tính tuổi của mẫu dựa trên việc xác định tỷ số đồng vị 207Pb/206Pb được gọi là phương pháp Pb thường [48] Tỷ số

207Pb/206Pb cũng như hàm lượng các đồng vị 206Pb, 207Pb, 208Pb, 235U, 238U, 232Th đều có thể xác định trực tiếp bằng ICP-MS

Có thể xếp U và Th vào nhóm đất hiếm thuộc dãy actinid [6] Cả U và Th đều

có hoá trị +4 nhưng trong điều kiện oxy hoá trên bề mặt trái đất, U có hoá trị +6

U+4 có bán kính ion 0,89 Å trong khi U+6 có bán kính ion 0,73 Å Th+4 có bán kính ion 0,94 Å Tuy bán kính ion của chúng lớn nhưng lại có hoá trị cao so với các nguyên tố tạo đá nên cả U và Th đều là những nguyên tố không tương thích Trong các điều kiện địa chất nói chung, Th là nguyên tố tương đối ỳ còn U linh động hơn Các hợp chất của U+4 không tan trong nước, nhưng trong điều kiện oxy hoá chuyển thành U+6 nằm ở dạng UO2+2 lại rất dễ tan trong nước và trở nên rất linh động U,

Th có thể tham gia tạo nên khoáng vật trong đá trầm tích như uranite và thorite nhưng hiếm gặp Trong các đá macma và đá biến chất, U và Th không tham gia hình thành các khoáng vật tạo đá chính mà chỉ phân tán trong các khoáng vật phụ

Trang 31

như zircon (ZrSiO4), baddeleyite (ZrO2), monazite [(La,Ce,Th)P04], apatite [Ca10(PO4)6(OH, F,Cl, Br)2], titanite (CaTiSiO5),…[44]

Pb là nguyên tố dễ bay hơi nên nồng độ của chúng trên bề mặt trái đất thấp hơn trong các thiên thạch Pb tập trung trong nhân trái đất nhiều hơn trên bề mặt trái đất Nó cũng là nguyên tố ưa lưu huỳnh Pb có thể tồn tại ở hai dạng hoá trị: Pb+2 và

Pb+4 Pb+2 có bán kính ion 1,19Å Galen là khoáng vật của Pb trong vỏ trái đất

Chỉ có một vài loại khoáng vật thích hợp cho việc xác định tuổi tuyệt đối bằng phương pháp U/Th-Pb Khoáng vật đó phải ngăn giữ được đồng vị Pb phóng xạ và phải tương đối phổ biến Một số loại khoáng vật thoả mãn tốt các điều kiện trên là zircon, baddeleyite, titanite hay monazite, [48]

Monazite thường được tìm thấy trong trong các loại đá dạng granite và đá sau trầm tích cấp độ cao, chứa hàm lượng U, Th lớn và hàm lượng Pb ban đầu thấp nên thích hợp cho xác định tuổi bằng phương pháp U/Th-Pb Với đá núi lửa, monazite

có thể thay thế cho zircon Monazite cũng rất thích hợp cho việc tính tuổi các loại

đá biến chất [19]

Titanite (sphene) thường có trong đá núi lửa axit hay đá núi lửa trung tính, chứa hàm lượng U và Th thấp hơn so với zircon và hàm lượng Pb thường có thể cao Nó thường được dùng để xác định tuổi đá dạng granite, đôi khi cả đá núi lửa bazơ

Apatite là khoáng vật thông thường khá phổ biến nhưng thường là hệ hở, đặc biệt trong quá trình biến đổi ở nhiệt độ thấp hơn

Ngoài ra còn một số loại khoáng vật khác như xenotime, allanite, uraninite và thorite cũng có thể dùng để tính tuổi bằng phương pháp U/Th-Pb Phương pháp xác định tuổi U/Th-Pb trong đá tổng được dùng như phần bổ xung, tham khảo cho phương pháp Pb thường trong đá tổng [85]

Zircon thường hay được dùng nhất cho phương pháp tuổi đồng vị U/Th-Pb [56] Trong khoáng zircon, nguyên tử Zr có thể bị thay thế bởi các nguyên tử U và Th

r Zr4 + =0,80Å , r U4 + =0,89Å , r Th4 + =0,94Å

Trang 32

Lúc mới hình thành, zircon loại bỏ Pb vì r Pb2 + =1,19Å Trong quá trình phân rã phóng xạ, Pb bị giữ lại trong zircon không bị thoát ra ngoài trừ các trường hợp đặc biệt Zircon khá bền vững về mặt cơ học và hoá học với các tác động phong hoá Phương pháp Zircon U-Pb là một trong những phương pháp tuổi đồng vị ra đời sớm nhất và có ứng dụng nhiều nhất Phương pháp Zircon U-Pb đã chứng tỏ là phương pháp tin cậy để thu được các thông tin có độ chính xác cao về tuổi địa chất trên nhiều loại đá khác nhau [112] Zircon là loại khoáng vật phân bố rộng rãi, với hàm lượng U trong khoảng từ vài trăm đến vài ngàn ppm [49] Ngược lại, hàm lượng U rất nghèo trong các khoáng vật chính tạo đá, chỉ vài ppm hoặc ít hơn Ở zircon có ba điểm ưu việt, thứ nhất là hàm lượng Pb thông thường (Pb không phóng xạ) có thể bỏ qua do lượng rất ít của nó trong cấu trúc tinh thể suốt quá trình tinh thể hoá Như vậy, sai số do hàm lượng Pb thông thường khi tính tuổi bằng phương pháp U-Pb là rất nhỏ Thứ hai, tinh thể zircon không bị tái kết tinh hay chịu tác động của các bức xạ, sẽ giữ được U và Pb phóng xạ trong cấu trúc tinh thể của nó vì tốc độ khuyếch tán rất nhỏ của chúng trong zircon Cách tính tuổi zircon U-Pb ít chịu ảnh hưởng bởi các sự kiện địa chất sau khi kết tinh Cuối cùng, hệ U-Pb có hai hạt nhân không bền là 238U (99,27 %) và 235U (0,72 %), phân rã ra một loạt các sản phẩm trung gian và cuối cùng là các đồng vị con bền 206Pb và 207Pb tương ứng Hai cách tính tuổi U-Pb cho phép nội kiểm mức độ kín của hệ với U và Pb [31, 56] Với đá macma hay đá biến chất, nên chọn các khoáng vật phụ, đặc biệt là ziron làm đối tượng phân tích tuổi đồng vị [16]

1.1.3.2 Phương pháp Rubidi-Stronti (Rb-Sr)

Phương pháp tuổi đồng vị Rb-Sr thường được ứng dụng để tính tuổi của đá núi lửa và cả đá trầm tích [31, 48, 56] Tỷ số đồng vị 87Sr/86Sr được coi là tham số tin cậy cho việc xác định nguồn gốc [17, 39, 57, 58] Ngành nghiên cứu địa tầng học sử dụng kết quả đo thành phần đồng vị của Sr trong các hoá thạch biển và dựa vào sự thay đổi thành phần đồng vị của Sr trong nước biển theo thời gian để tính toán tuổi của hoá thạch cũng như giải thích mối quan hệ giữa các lớp đá trầm tích tạo nên vỏ trái đất [35, 40] Phương pháp này cũng được dùng để xác định tuổi của các quá trình địa chất như đôlômit hoá [21, 22, 38]

Trang 33

Trong tự nhiên, Rb có hai đồng vị là 85Rb (72,15%) và 87Rb (27,85%), trong

đó 87Rb là đồng vị phóng xạ và biến đổi về 87Sr do phân rã β Sr tồn tại dưới 4 dạng đồng vị: 88Sr (82,58 %); 87Sr (7,04 %); 86Sr (9,86 %); 84Sr (0,56 %) [44]

Rb→87Sr+β−

38

87

37 T1/2 = 48,8.109 năm Theo định luật phân rã phóng xạ, phương trình xác định tuổi địa chất bằng phương pháp Rb-Sr như sau:

1 87

87

Rb

Sr

λ (1.1.14) Phương trình trên không tính đến Sr ban đầu Trừ một vài trường hợp đặc biệt còn nói chung, Sr có mặt trong hầu hết các loại đá và khoáng vật Giả thiết rằng tại thời điểm ban đầu (t0), tất cả các khoáng vật của đá có thành phần đồng vị Sr như nhau Khi đó phương trình (1.1.13) được viết đầy đủ như sau:

87Sr = 87Sr0 + 87Rb(eλt-1) (1.1.15)Chia hai vế của biểu thức (1.1.15) cho 86Sr (đồng vị bền không sinh ra do phóng xạ, 86Sr0 = 86Sr), ta có:

8786 ( 1 )

0 86

87 86

87

− +

Sr Sr

)(

!2

)(1

3 2

++

)(

!2

)(

1+λt>> λt 2 + λt 3 +

(1.1.18) Như vậy, biểu thức (1.1.16) có thể được viết dưới dạng:

Trang 34

t

Sr

Rb Sr

Sr Sr

0 86

87 86

Sr Sr

Sr t

86 87

0 86

87 86

87

1

λ (1.1.20)

Để tính tuổi đá và khoáng vật cần xác định các tỷ số 87Sr/86Sr, 87Rb/86Sr Tỷ số đồng vị 87Sr/86Sr được xác định trực tiếp bằng ICP-MS Tỷ số 87Rb/86Sr có được từ hai kết quả định lượng 87Rb và 86Sr riêng biệt Chúng cũng được xác định trực tiếp bằng ICP-MS

Rb và Sr là những nguyên tố vết của trái đất, hàm lượng của chúng ở cấp g/tấn (ppm) Rb là một kim loại kiềm, có hoá trị +1 Như những nguyên tố kiềm khác, nó rất dễ hoà tan trong nước hay trong chất lưu chứa nước Rb có bán kính ion khá lớn (1,48 Å) nên nó là nguyên tố không tương thích, không đi vào thành phần các khoáng vật tạo đá Rb có khả năng được lưu giữ lại đến thời điểm cuối của quá trình tạo đá macma trong vỏ trái đất hay trong manti bị làm nghèo Tuy nhiên, do bán kính ion của Rb tương đương với bán kính ion của K (1,33 Å), do đó Rb có thể thay thế K trong tất cả các khoáng vật chứa K như biotite [K(Fe,Mg)3(AlSi3O10)(OH,F)2], muscovite [KAl2(AlSi3O10)(OH,F)2], K-feldspar (KAlSi3O8) và một số khoáng vật sét [39]

Trong tự nhiên, Sr thuộc nhóm kim loại kiềm thổ, có hoá trị +2, có bán kính ion bằng 1,13 Å và thường thay thế đồng hình cho Ca có bán kính ion 0,99 Å trong quá trình tạo đá của vỏ trái đất (trong đá macma và đá biến chất cao) Sr có mặt trong nhiều loại khoáng vật như plagioclase (albite - NaAlSi3O8, anorthite - CaAl2Si2O8), apatite [Ca5(PO4)3(OH,F,Cl)], aragonite (CaCO3) [56]

Tổng hàm lượng các đồng vị Sr trong đá hoặc khoáng vật bị biến đổi theo thời gian do hàm lượng 87Sr luôn được tăng trưởng do sự phân rã tự nhiên của 87Rb Trong quá trình kết tinh macma, Sr có xu thế tập trung vào khoáng vật plagioclase còn Rb

Trang 35

lại được làm giàu trong các khoáng vật muscovite, biotite và K-feldspar Do vậy đối với tổ hợp đá phân dị (differentiation) thì tỷ số Rb/Sr tăng cùng với sự tăng của hệ số phân dị Thông thường, các đá thuộc pha phân dị muộn có tỷ số Rb/Sr = 10 [9]

Khi phương pháp tuổi đồng vị Rb-Sr mới ra đời, nó thường được áp dụng để xác định tuổi của loại khoáng vật giàu Rb như lepidolite, với mặc định tỷ số

87Sr/86Sr ban đầu bằng 0,712 Tuổi của mẫu tính theo cách này được gọi là tuổi mô hình (model ages) do tỷ số ban đầu không phải được xác định trực tiếp mà được chấp nhận một giá trị cho trước Cách tính tuổi này không phù hợp khi áp dụng với các khoáng vật có tỷ số Rb/Sr thấp hơn như muscovite, biotite, K-felspar,…

Phương pháp dựng đường đẳng thời khắc phục được các nhược điểm của phương pháp tuổi mô hình khi nó thiết lập mối tương quan giữa giá trị 87Rb/86Sr (trục hoành) và 87Sr/86Sr (trục tung) được một đường thẳng gọi là đường đẳng thời Xây dựng đồ thị giữa tỷ số 87Rb/86Sr với tỷ số 87Sr/86Sr của một số khoáng vật khác nhau từ cùng một macma sẽ thu được đường đẳng thời Đường đẳng thời này cắt trục tung tại điểm có giá trị bằng tỷ số (87Sr/86Sr)0

Tuổi các loại đá được tính bằng phương pháp dựng đường đẳng thời Có thể tính tuổi các khoáng vật chứa Rb như mica (muscovite, biotite, flogopite, lepidolite), K-felspar (orthoclase, microline) và một số khoáng vật sét theo phương pháp này [50, 85] Các loại khoáng vật trên thường không chứa nhiều Sr tại thời điểm chúng được hình thành

nó là sản phẩm phân rã của một đồng vị của lutexi (176Lu - phân rã β với chu kỳ bán

rã 3,57.1010 năm) Tỷ số 176Hf/177Hf được dùng như chất đánh dấu tự nhiên của các quá trình xáo trộn giữa các nguồn khác nhau Đầu những năm 1990, cùng với sự phát triển mạnh của các phương pháp phân tích phổ khối ( trong đó có ICP-MS), số

Trang 36

các công trình nghiên cứu liên quan đến tỷ số đồng vị của Hf tăng mạnh Cuối những năm 1990, với sự cải tiến nhiều quy trình tách hoá học, các loại mẫu được sử dụng để đo tỷ số đồng vị của Hf được mở rộng nhiều [68]

Hf thuộc nhóm IVa trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học, cùng với zirconi (Zr) và titan (Ti) Hf có số thứ tự 72, khối lượng nguyên tử 178 và

có một trạng thái hoá trị (+4) Hf có 5 đồng vị tự nhiên (176Hf, 177Hf, 178Hf, 179Hf và

180

Hf), trong đó 180Hf chiếm 35,44%, tiếp theo là 178Hf và 177Hf chiếm tương ứng 27,30% và 18,60% Các tính chất hoá học của Zr và Hf rất giống nhau, cả ở trạng thái kim loại cũng như hợp chất của chúng vì bán kính nguyên tử cũng như bán kính ion của chúng rất gần nhau (bán kính nguyên tử: Zr = 1,45Å, Hf = 1,44Å; bán kính ion: Zr4+ = 0,74Å, Hf4+ = 0,75Å) Hf thay thế Zr trong mạng tinh thể Tất cả các khoáng vật có Zr đều có Hf và hầu như không thấy khoáng vật chỉ có riêng Hf Hàm lượng Hf trong các khoáng vật hiếm khi vượt quá hàm lượng của Zr, ngoại trừ một vài dạng nào đó của khoáng thortveitite [(Sc,Y)2Si2O7] Zircon [(Zr,Hf)SiO4] và baddeleyite [(Zr,Hf)02] là nguồn chứa Hf quan trọng nhất và hàm lượng Hf thường chiếm tới 2% Hf thường tồn tại ở dạng ion Hf4+ trong các oxit hay silicat [11, 44] Nói chung, các đá núi lửa và đá biến chất chứa hàm lượng Hf rất nhỏ Các đá siêu mafic thường chứa hàm lượng Hf nhỏ hơn 1 ppm Các đá mafic thường chứa hàm lượng Hf tới 2 ppm Kimberlite, carbonatite và dung nham giàu kim loại kiềm thường chứa hơn 8 ppm Các loại đá granite có xu hướng chứa hàm lượng Hf cao nhất Trong hầu hết các loại đá vỏ trái đất, zircon là khoáng vật chính chứa Hf Nhiều công trình nghiên cứu gần đây, ngoài việc dùng zircon để nghiên cứu tuổi đồng vị U-Pb còn nghiên cứu thành phần đồng vị của Hf để hiểu rõ hơn các quá trình biến đổi, phát triển vỏ lục địa [85]

1.2 Các phương pháp phân tích đồng vị

Để phân tích các đồng vị có thể sử dụng các phương pháp phân tích hạt nhân hay các phương pháp phân tích phổ khối

Trang 37

1.2.1 Các phương pháp phân tích hạt nhân

Các phương pháp phân tích hạt nhân xác định các đồng vị phóng xạ dựa trên đặc tính phóng xạ của chúng Với các đồng vị bền, không có tính phóng xạ thì chúng được kích hoạt lên thành các đồng vị phóng xạ (phương pháp kích hoạt hạt nhân).Trong các phương pháp này, người ta đo tốc độ phân rã của đồng vị cần quan tâm (số phân rã trong một đơn vị thời gian - A), tính toán thống kê số nguyên tử của đồng vị (N) dựa vào chu kỳ bán huỷ của nó (T1/2):

2 / 1

/2ln

/

T

A A

N = λ = (1.2.1)

Các đồng vị phóng xạ không bền, chúng chuyển về trạng thái bền bằng cách phân rã phóng xạ với tốc độ phân rã đặc trưng Như phần trên (1.1.1) đã trình bày các đồng vị phóng xạ phân rã theo một số dạng khác nhau: phân rã α, phân rã β, bắt K, nội chuyển, phân rã γ, tự phân hạch [2, 6] Các đồng vị phát ra

α được phân tích bằng đo phổ α Các đồng vị phân rã β phát ra electron (β-) và positron (β+), đồng thời cũng phát ra nơtrino và phản nơtrino Bức xạ β có phân

bố năng lượng liên tục, từ 0 đến năng lượng phân rã cực đại Các đồng vị phát ra

β- được xác định bằng máy đếm β như ống đếm Geige-Muller (GM) hay đếm nhấp nháy lỏng (LSC) Các đồng vị phát ra β+ có thể xác định được bằng đo phổ

γ vì phân rã β+ kèm theo việc phát ra hai photon huỷ có năng lượng 511 keV Bắt

K (EC) có thể coi như quá trình ngược với phân rã β+ nhưng phổ electron tách biệt rõ vì electron bị bắt có năng lượng xác định EC luôn kèm theo việc phát ra tia X và (hoặc) electron Auger Các đồng vị phóng xạ có phân rã EC được xác định bằng cách đo tia X đặc trưng của chúng bằng phổ kế tia X hay đo các electron Auger bằng đếm nhấp nháy lỏng Các hạt nhân được hình thành do các đồng vị phân rã α hay β có thể chuyển về trạng thái bền bằng cách phát ra tia γ đặc trưng Các đồng vị phóng xạ phát ra tia γ được xác định bằng đo phổ γ Một đồng vị phóng xạ có thể có nhiều hơn một quá trình phân rã, khi đó nó có thể được phân tích bằng một số phương pháp phân tích hạt nhân khác nhau Chẳng hạn, đồng vị 129I phát ra tia β nhưng đồng thời cũng phát ra tia γ có năng lượng 39,6 keV, nó có thể được xác định bằng đếm β hay đo phổ γ

Trang 38

1.2.1.1 Phương pháp đo phổ alpha

Có thể sử dụng một số loại detector khác nhau để xác định các đồng vị phát ra

α như buồng ion hoá lưới Frisch, ống đếm tỷ lệ, detector nhấp nháy lỏng và plastic, detector bán dẫn Buồng ion hoá có hiệu suất đếm cao nhưng độ phân giải năng lượng thấp Buồng ion hoá lưới Frisch chỉ dùng để đo tổng hoạt độ α Ống đếm tỷ

lệ cũng như đếm nhấp nháy lỏng có ưu điểm là đồng vị phát α có thể đặt bên trong ống đếm nên đạt được hiệu suất đếm 4π Tuy nhiên, độ phân giải năng lượng của chúng đều thấp Detector bán dẫn thường được dùng để xác định các đồng vị phát tia α trong mẫu môi trường hay mẫu thải, nhất là khi cần thông tin về phổ Hai loại detector cản bề mặt (surface barrier) và detector bán dẫn silicon cấy ion (ion-implanted) hay được dùng trong hệ phổ kế alpha vì chúng có hiệu suất đếm khá tốt

và độ phân giải năng lượng cao Mặc dù detector bán dẫn có độ phân giải cao nhưng

sự khác biệt rất nhỏ về năng lượng hạt α từ các đồng vị phát α khác nhau gây khó khăn trong việc tách các đỉnh phổ Đó là trường hợp của hai đồng vị 241Am và 238Pu hay trường hợp của 237Np, 233U, 234U và 230Th Do vậy, cần thiết phải tách hoá học các đồng vị khỏi nền mẫu phức tạp Thêm vào đó, khả năng tự hấp thụ của hạt α trong mẫu không chỉ làm giảm hiệu suất đếm mà còn làm giảm độ phân giải phổ α

Vì thế, trong phép đo phổ α cần phải chuẩn bị mẫu rất mỏng Điều này thực hiện được bằng cách điện phân trên đĩa thép Cũng có thể chuẩn bị mẫu bằng cách bay hơi, cộng kết, kết tủa tĩnh điện, nhưng độ phân giải phổ α phụ thuộc rất nhiều vào

độ dày của mẫu Phương pháp đo phổ α có giới hạn phát hiện rất nhỏ Đối với những đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán huỷ nhỏ hơn một triệu năm, phương pháp đo phổ α có giới hạn phát hiện nhỏ hơn 1 ppt

Phương pháp đo phổ α có nhược điểm là thời gian phân tích kéo dài do phải tách hoá học cũng như thời gian đếm rất lâu (từ 1 đến 30 ngày) Tuy nhiên, giá thành thiết bị và chi phí vận hành tương đối thấp

1.2.1.2 Phương pháp đo phổ beta

Các đồng vị phóng xạ phát ra bức xạ β hay electron được xác định bằng detector ion hoá như buồng ion hoá, detector GM hay LSC Ống đếm GM thường

Trang 39

được dùng để xác định các đồng vị phát ra eletron năng lượng cao LSC có ưu điểm

là xác định được các đồng vị phát ra eletron năng lượng thấp LSC được dùng để xác định các đồng vị phát ra tia β có năng lượng từ thấp đến cao Do phổ β - phổ năng lượng của các electron phát ra trong phân rã β là phổ liên tục nên không thể định danh được từng đồng vị riêng biệt đơn thuần bằng cách đo phổ β Như vậy, để xác định một đồng vị cần phải tách nó ra khỏi các đồng vị khác trước khi đo phổ beta Sự hấp thụ của electron trong vật chất không lớn như hạt α song để giảm khả năng tự hấp thụ của electron trong mẫu cũng như tăng hiệu suất đếm, việc chuẩn bị mẫu cho ống đếm GM cũng cần tiến hành như chuẩn bị mẫu để đo phổ alpha LSC được dùng để xác định các đồng vị phát eletron năng lượng thấp như 3H, 14C, 129I, and 241Pu LSC còn được dùng để xác định các đồng vị phân rã bằng cách phát ra các electron chuyển đổi với tỷ lệ cao hay bằng cách bắt electron như 41Ca và 55Fe Tuy nhiên, LSC có nhược điểm là giới hạn phát hiện của nó cao hơn so với ống đếm

GM, hiệu ứng quench ở LSC đòi hỏi phải hiệu chỉnh để có kết quả đo chính xác

1.2.1.3 Phương pháp đo phổ gamma

Nhiều đồng vị phóng xạ phân rã α và β đồng thời cũng phát ra tia γ nên chúng cũng được xác định bằng phương pháp đo phổ gamma Nhiều loại detector có thể sử dụng trong phép đo phổ gamma như detector nhấp nháy dùng NaI, CsF và ZnS làm chất nhấp nháy, ống đếm, detector bán dẫn Ge tinh khiết, CdTe và GaAs Từ những năm 70 của thế kỷ trước, các loại detector Si(Li) và Ge(Li) được dùng chủ yếu trong hệ phổ kế gamma vì chúng có độ phân giải cao Những năm sau đó, detector

Ge siêu tinh khiết (HpGe) được dùng rộng rãi vì có thể giữ ở nhiệt độ phòng, việc bảo dưỡng đơn giản hơn trước

Detector NaI(Tl) thích hợp cho phép đo bức xạ γ có năng lượng từ vài trăm Kev đến 2,0 MeV Detector Si(Li) và detector Ge loại nhỏ thường được dùng để đo các tia γ năng lượng thấp và tia X (<100keV) với độ phân giải năng lượng 0,15 keV

ở 5,9 keV trong khi detector Ge loại lớn thường được dùng để đo các tia γ năng lượng cao (>25keV) và thường có độ phân giải năng lượng hơn 2 keV ở 1332 keV Các loại detector HPGe có cấu tạo và kích thước khác nhau, thích hợp cho phép đo bức xạ gamma có năng lượng từ 60 KeV đến 3,0MeV Detector nhấp nháy có hiệu

Trang 40

suất cao nhất trong các loại detector chất rắn Các detector bán dẫn thông dụng hiện nay có hiệu suất tương đối khoảng 10 - 20% Độ tuyến tính theo năng lượng của detector bán dẫn tốt hơn so với detector nhấp nháy Do vậy, sử dụng detector bán dẫn xác định năng lượng của bức xạ γ trong dải năng lượng rộng sẽ cho kết quả chính xác hơn

Do là bức xạ điện từ, tia γ có thể đi xuyên qua vật chất với quãng đường dài

mà không bị hấp thụ đáng kể, nhất là với tia γ năng lượng cao Mẫu thường không cần xử lý trước khi đo nên phép phân tích đo phổ γ thường nhanh và không phức tạp, tránh được sự ảnh hưởng của tạp chất đưa vào khi xử lý mẫu Các đồng vị phóng xạ phát ra các tia γ có năng lượng thích hợp thường được xác định bằng đo phổ γ như 60Co, 65Zn, 54Mn, 94Nb, 106Ru, 133Ba, 134Cs, 137Cs, 144Ce,

152Eu, 154Eu và 241Am Hiệu suất đếm của phép đo phổ gamma thường thấp (<10

%) phụ thuộc vào năng lượng tia γ, khoảng cách từ mẫu đến detector, kích thước tinh thể Ge hay Si Tốc độ đếm phông của phép đo phổ γ thường cao, phụ thuộc vào mức độ che chắn detector và hoạt độ của mẫu Giới hạn phát hiện của phép

đo phổ γ (>50 mBq) cao hơn vài bậc so với đếm β và đo phổ α Do phép đo phổ

α có giới hạn phát hiện rất thấp nên lượng vết các đồng vị phát ra tia α thường chỉ được xác định bằng đo phổ α trừ trường hợp 241Am có thể xác định bằng đo phổ γ khi hàm lượng của nó không quá thấp

1.2.1.4 Phương pháp kích hoạt hạt nhân

Nguyên lý của phương pháp phân tích kích hoạt hạt nhân là biến các đồng vị bền thành những đồng vị phóng xạ thông qua các phản ứng hạt nhân Trên cơ sở đo năng lượng của các tia bức xạ và chu kỳ bán rã của các đồng vị phóng xạ nói trên có thể nhận diện được các nguyên tố đã tham gia phản ứng Hàm lượng của chúng được xác định dựa vào cường độ của các tia bức xạ

Phân tích kích hoạt có thể thực hiện với tất cả các loại phản ứng hạt nhân tạo thành đồng vị phóng xạ Trong thực tế chủ yếu sử dụng các phản ứng hạt nhân gây bởi nơtron và photon, một số ít trường hợp cũng sử dụng các phản ứng hạt nhân xảy ra với các hạt mang điện Chính vì vậy, trong một số trường hợp phương pháp phân tích kích hoạt còn được gọi theo tên của bức xạ kích hoạt như

Định dạng
Số trang	177
Dung lượng	1,31 MB