Phương pháp đánh dấu bằng CARBON phóng xạ

Phương pháp đánh dấu bằng CARBON phóng xạ

GVHD: Ts HUỲNH QUANG LINH

I Giới thiệu khái quát về

đồng vị phóng xạ

• Các loại đồng vị thường sử dụng

trong nghiên cứu thuỷ văn

• Sự hình thành và tồn tại

Các loại đồng vị thường sử dụng trong nghiên cứu thuỷ văn

T cho nước trẻ với khoảng tuổi tới 100 năm và 14C dùng để tính tuổi của nước từ 1000 đến 40.000 năm

Hình: đường cong phân rã của 14 C

(chu kỳ bán rã: 5730 năm)

Nguồn gốc hình thành và quá trình tồn tại

Quá trình hình thành nhân tạo làm

Trữ lượng cân bằng của triti có nguồn gốc tự nhiên trong khí quyển vào khoảng

1,3 TBq ⇔ 3,6 kg hạt nhân triti

Lượng triti đưa vào khí quyển do các vụ thử

vũ khí hạt nhân nóng vào khoảng

7,4 x 105TBq/Mt

(1 Mt ⇔ 1 triệu tấn thuốc nổ thông thường).

(1 TU 1 TU ⇔ 1 nguyên tử triti trong 1018 nguyên tử 1H hay1 TU = 3,2 x 10-3 mCi/m3 = 118,4 Bq /m3 )

Hình 11.2: 14C trong cây ở Đức và Venezuela

100 pcm, đạt được đỉnh vào năm 1964

Ghi chú: pmc – percent modern carbonpmc – percent modern carbon

II Phương pháp dùng đồng vị

phóng xạ trong thuỷ văn (thuỷ văn đồng vị)

• Phương pháp tiến hành

• Ghi nhận kết quả và kiểm tra

• Ý nghĩa thực tiễn của phương pháp

Việc đo triti thường được sử dụng phương pháp đo gián tiếp sản phẩm phân huỷ của triti là 3He bằng khối phổ kế

Ghi nhận kết quả

Ý nghĩa kết quả thu nhận được

• < 1 TU: nước cận đại,bổ cấp trước năm 1952.

• 1 - 2 TU: hỗn hợp giữa nước cận đại và thành phần bổ cấp mới

• 2 - 8 TU: nước hiện đại (< 5-10 năm)

• 10-20 TU và lớn hơn: tồn dư của triti do bom hạt nhân

Quá trình kiểm tra

• Nếu phối hợp cả phép đo triti lẫn phép đo 3He thì ta

có được một công cụ đắc lực để đánh giá thời gian

cư trú của nước ngầm và tốc độ bổ cấp cùng các đặc trưng dòng chảy và chế độ khuếch tán trong các tầng ngầm nông

(tỉ số 3He/ 3H sẽ là số đo của tuổi biểu kiến của nước tức là thời gian đã trôi qua kể từ lúc khối nước mất tiếp xúc với khí quyển)

• Phối hợp độ lệch phần nghìn của tỉ số 13C : 12C trong mẫu thử

Vd: Đa số các loại đá cacbonat ở biển có

δ 13C = -2 đến 0 ‰ Hầu hết thực vật có giá trị khoảng -23

Ý nghĩa thực tiễn của phương pháp

• Nghiên cứu, điều tra và đánh giá tiềm năng nước dưới đất.

• Thăm dò và khai thác an toàn tài nguyên

nước.

• Bảo vệ, chống ô nhiễm môi trường nước.

• Đánh giá tác động do các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và đô thị hoá lên môi

trường nước.

• Khảo sát đánh giá hiện trạng các công trình thủy (đê, đập, hồ chứa…)

III Các dữ liệu thực nghiệm

Ứng dụng 14C nghiên cứu dòng chảy

Gradient giảm và tuổi của nước

ngầm trong một vài trường hợp

• Kiểm tra tính liên tục của dòng chảy trong tầng nước

ngầm.

• Tính toán vận tốc dòng chảy trong tầng nước ngầm.

Nghiên cứu giếng phun ở bờ biển phía

nam Nam Phi

• Từ khu vực giếng phun, lượng C14 giảm theo

hàm liên tục

Hình 1: Sự phụ thuộc tuổi của C 14 (giả sử nồng độ ban đầu là 85 pmc) trong mẫu nước giếng phun vào khoảng cách từ phần trồi lên mặt đất.

Nghiên cứu giếng phun ở bờ biển phía

nam Nam Phi

• Ta có thể tính được vận tốc trung bình của dòng nước trong đất (groundwater) trong các giếng phun bằng cách chọn 2 điểm trên đồ thị đường thẳng, ví dụ điểm 2 km-

4000 năm và điểm 18 km-28000 năm.

• Kết quả này rất nhỏ thể hiện rằng dòng chảy bị ngắt

quãng (lack) cục bộ trong cả hệ thống.

year

m /

66.0

10004000

Nghiên cứu giếng phun ở bờ biển phía

nam Nam Phi

• Các thông số cần thiết khác cho việc khảo sát:

• Mức cột nước đo áp

• Nhiệt độ

• Thành phần hóa học của nước khảo sát

• Thành phần hóa học của đồng vị( δ D, δ 18 O, tritium)

Khảo sát lưu vực Paris (dài khoảng 400 km)

• Kết quả khảo sát do Evin và Vuillaume thực hiện (1970) thể hiện bảng 1 (loại giếng phun, bản chất của nguồn nước, lớp địa tầng của mẫu nước được lấy).

Bảng 1: Kết quả khảo sát lưu vực Paris

Bảng 1: Kết quả khảo sát lưu vực Paris

Hình 2: Bản đồ các địa điểm được khảo sát

Hình 3: Bản đồ mức cột nước đo áp trong giếng phun ở tầng Albian

Hình 4: Sơ đồ tính tuối 14 C quanh lưu vực Paris (giả sử giá trị C 14 ban đầu là

80 pmc) Ký hiệu 1T: 40pmc; 2T: 20pmc; 3T: 10 pmc; 4T: 5 pmc; 5T: 2.5 pmc

Khảo sát lưu vực Paris (dài khoảng 400 km)

• Các đặc trưng của những giếng phun được tái hiện lại trong quá trình xử lý các dữ liệu thủy văn

(hydrological) và thủy hóa học (hydrochemical) thu được

• Các dữ liệu về đường bao mức cột nước đo áp

(hình 3) được lấy từ tất cả các giếng trong khu vực nghiên cứu, không kể đến vị trí địa tầng của mẫu

nước lấy dữ liệu

• Các giếng được nghiên cứu nằm trong vùng xung quanh cách Paris khoảng vài km

• Kết quả cuối cùng có thể vẽ được là tuổi của dòng nước hướng về phần trung tâm của giếng phun loại Albian Điều rất cần được lưu ý là nên khảo sát

nhiều giếng hơn đề có thể phát hiện được sai số

Khảo sát lưu vực Paris (dài khoảng 400 km)

• Giá trị 14 C trong mẫu nước thiên nhiên ở trong tầm từ 66-96 pmc (trung bình 80 pmc), ta thấy giá trị này tương đối cao.

• Sau khi tích tụ được, tương tác ngay lập tức với đất và

đá carbonate làm giảm nồng độ 14 C xuống còn khoảng 60% giá trị nồng độ tích tụ được.

Khảo sát lưu vực Watrak Shedi (phía

đông Ấn Độ)

Hình 5: bản đồ mặt nước ngầm của một phần lưu vực Watrak Shedi

(rộng 500 km 2 ) ở phía đông Ấn Độ.

• Nửa trên của lưu vực được cho rằng hoạt động như một

bề mặt hút nước, cung cấp dòng chảy xuống nửa dưới của lưu vực.

Mạch nước chứa 14 C có giá trị ban đầu 80 pmc khoảng 2000 tuổi

Mạch nước chứa 14 C khoảng 6000 tuổi nằm ở phía dưới cách mạch đã nói ở trên 24 km

• Ta có vận tốc trung bình của dòng chảy:

year

m /

6 2000

6000

24000

=

−

IV Một số ứng dụng đã triển

khai ở Việt Nam

• Điều tra đánh giá nước dưới đất: nguồn gốc thành tạo, cơ chế bổ cấp, hướng và tốc độ bổ cấp, quan hệ giữa các bồn chứa…

• Xác định các thông số động học của nước ngầm và nước mặt: lưu lượng, hướng dòng chảy, độ rỗng

hiệu dụng, vận tốc thấm…

• Mô hình hóa hệ thống nước dưới đất phục vụ mục đích quản lý và khai thác an toàn các nguồn nước

• Điều tra hiện trạng, xác định cơ chế ô nhiễm nước nưới đất Tính toán dự báo lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường nước.

• Xác định khả năng mặn hoá các nguồn nước ngầm

• Đánh giá hiện trạng rò rỉ đê đập, bồi lắng lòng hồ, công trình thủy điện

• Thực hiện các dịch vụ khảo sát địa chất thủy văn, địa chất công trình, địa vật lý

• Xác định niên đại tuyệt đối của các mẫu vật bằng phương pháp Carbon phóng xạ

• Các dịch vụ phân tích chất lượng nước

Kết quả khảo sát tuổi của các lớp nước ngầm tại một số khu vực ở

Việt Nam:

hệ rõ rệt với nước khí tượng hiện đại (nước mưa, nước sông), (có sự hiện diện đáng kể của tritium).

+ Các tầng sâu hơn có sự hiện diện của nước ngầm

cổ (khoảng 2500  13000 năm) nhưng có biểu hiện của sự hòa trộn giữa nước hiện đại và nưốc cổ

• Khu vực Tây Nam Bộ: tuổi của nước trong khoảng Khu vực Tây Nam Bộ

1500  15000 năm Trong các tầng sâu hơn là khoảng 2000 đến 35000 năm

( Tuy nhiên gần sông Tiền và sông Hậu ở khu vực sát biên giới với Campuchia, nước ngầm có mối quan hệ với nước hiện đại (nước sông) Tuổi của nước dao động từ 1000 đến khoảng 4000 năm )

Về mặt thuỷ điện

• Kết quả từ quá trình khảo sát thấm qua các đập thủy điện là cơ sở để Nhà nước quyết định cho phép nâng mức nước của đập thủy điện Hoà Bình từ 115 lên 117 m!