Trong bài viết này, các nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật đồng vị sử dụng các đồng vị của hydro (1 H, 2 H, 3 H) và oxy (16O, 17O, 18O) nghiên cứu nước ngầm sẽ được trao đổi. Để minh họa cho nguyên tắc này, một số ví dụ liên quan đến nguồn gốc nước ngầm khu vực Hà Nội cũng được trình bày.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN VAI TRỊ CỦA ĐỒNG VỊ MƠI TRƯỜNG TRONG NGHIÊN CỨU TÀI NGUYÊN NƯỚC NGẦM Quản lý khai thác nước ngầm cách hợp lý phục vụ cho sản xuất đời sống vấn đề sống nhiều quốc gia giới Tuy nước ta nằm vùng nhiệt đới gió mùa, lượng mưa hàng năm cao, chịu áp lực khơng nhỏ để có đủ nguồn nước phục vụ phát triển kinh tế-xã hội trước thách thức biến đổi khí hậu ngày khắc liệt Trong thời gian qua, kỹ thuật hạt nhân nói chung, kỹ thuật đồng vị nói riêng góp phần đáng kể phục vụ cho việc quan lý khai thác bền vững nguồn nước ngầm Để cung cấp thơng tin vai trò kỹ thuật đồng vị nghiên cứu mơi trường nói chung tài nguyên nước ngầm nói riêng, sở kết thu nhận thời gian qua, số vấn đề đề cập viết này, “Vai trò đồng vị môi trường nghiên cứu tài nguyên nước ngầm”; “Kỹ thuật đồng vị đánh giá nguồn gốc ô nhiễm nguồn nước”; “Vai trò đồng vị mơi trường truy xuất nguồn gốc địa lý, chất lượng nông sản” Trong viết này, nguyên tắc kỹ thuật đồng vị sử dụng đồng vị hydro (1H, 2H, 3H) oxy (16O, 17O, 18O) nghiên cứu nước ngầm trao đổi Để minh họa cho nguyên tắc này, số ví dụ liên quan đến nguồn gốc nước ngầm khu vực Hà Nội trình bày ĐỒNG VỊ MƠI TRƯỜNG nhận xạ đồng vị phóng xạ phân rã Các đồng vị môi trường, đồng vị bền phóng xạ có khí thủy với nồng độ khác Các đồng vị môi trường sử dụng phổ biến nghiên cứu tài nguyên nước đồng vị hydro (2H D 3H) oxy (18O) có phân tử nước H2O Các đồng vị 2H 18O đồng vị bền đồng vị 3H đồng vị phóng xạ Trong mơi trường, ngun tử oxy có đồng vị bền nguyên tử hydro có đồng vị bền với tỷ lệ khác Hình Minh họa đồng vị bền nhau, điều minh họa hình hydro oxy tỷ lệ chúng tự nhiên 16 Các đồng vị nằm phân tử nước ( O H đồng vị phổ biến hay gọi ký hiệu sau: 1H1H16O, 1H2H16O, đồng vị nhẹ, đồng vị lại đồng vị 1 18 H H O, 1H2H18O Các đồng vị bền thường phổ biến hay gọi đồng vị nặng) xác định máy khối phổ kế tỷ số đồng vị (IR1.1 Đồng vị bền MS), kết phân tích tỷ số đồng vị phổ Các đồng vị bền hydro oxy có biến đồng vị phổ biến Các đồng vị phóng phân tử nước H2O, xạ thường xác định thiết bị ghi Số 59 - Tháng 06/2019 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN đồng vị sử dụng phổ biến để nghiên cứu môi trường nước Sự thay đổi tỷ số đồng vị 2H/1H 18O/16O phân tỷ nước tự nhiên trình thay đổi pha nước khí khác lượng liên kết hóa học đồng vị khác khối lượng Ví dụ, chênh lệch khối lượng 2H 1H 2: tương tự 18O 16O 1,1: Các tỷ lệ đồng vị bền (tỷ số đồng vị nặng/đồng vị nhẹ) thủy văn quy ước theo độ lệch phần triệu (‰) sử dụng ký hiệu δ (delta): δ= RS − RStd 1000 (‰) RStd (1) nước lại khí ngày nghèo đồng vị 2H 18O Do đó, mưa liên tiếp xuất phát từ khối nước ban đầu ngày nghèo đồng vị nặng Ngoài ra, mức độ ngưng tụ khối nước phụ thuộc vào nhiệt độ, nên hình thành mối liên hệ thành phần đồng vị nước mưa nhiệt độ hình thành mưa đó: nhiệt độ hình thành mưa giảm giá trị δ nước mưa giảm Sự phụ thuộc vào nhiệt độ tạo biến đổi thành phần đồng vị theo mùa nước mưa (nước mưa mùa hè nghèo đồng vị nặng so với mưa mùa đồng) Ngồi có hiệu ứng vĩ độ (nước mưa vĩ độ cao nghèo đồng vị nặng so với nước mưa vĩ độ thấp) hiệu ứng độ cao (đồng vị nặng nước mưa nghèo độ cao tăng lên) Hình biểu diễn thay đổi thành phần đồng vị hydro oxy chu trình thủy văn Trong đó, R tỷ lệ nồng độ đồng vị ( H/ H, 18O/16O) mẫu cần đo mẫu chuẩn Mẫu chuẩn hay sử dụng cho đồng vị hydro oxy mẫu VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water) với tỷ số đồng vị 2H/1H phần đồng vị 2H 18O, chúng 18O/16O tương ứng 155,76±0,05·10-6 lại có mối liên hệ với khăng khít, 2005,20±0,45·10-6 mối quan hệ cho phép sử dụng đồng vị Hầu hết ứng dụng đồng vị bền hydro oxy để đánh giá trình thủy hydro oxy nghiên cứu nước ngầm văn khác để biến đổi khí sử dụng thay đổi tỷ lệ đồng vị hậu khứ và nguồn nước lượng mưa khí quyển, nghĩa đầu vào hệ cổ (xem Hình 3) thống thủy văn nghiên cứu Những biến thiên tỷ lệ đồng vị bền kết loạt Hình Sự thay đổi thành phần đồng vị trình vật lý, quan trọng trình 18 bay ngưng tụ Trong trình bay hơi, H O chu trình thủy văn (ảnh gốc phân tử nước nhẹ 1H1H16O dễ bay Hoefs 1997 and Coplen et al [1]) phân tử nước nặng (1H2H16O H218O) Do đó, nước bay từ đại dương đồng vị 18O bị nghèo cỡ 10‰ đồng vị 2H bị nghèo cỡ từ 80 đến 120‰ so với nước đại dương Khi nước khí trải qua q trình bị làm lạnh ngưng tụ liên tiếp để tạo đám mây mưa, phân tử nước nặng dễ dàng ngưng tụ, kết phần Số 59 - Tháng 06/2019 Những hiệu ứng làm thay đổi thành phần đồng vị 2H 18O, chúng lại có mối liên hệ với khăng khít, mối quan hệ cho phép sử dụng đồng vị hydro oxy để đánh giá trình thủy văn khác để biến đổi khí hậu khứ và nguồn nước cổ (xem Hình 3) THƠNG TIN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ HẠT NHÂN nghĩa thành phần đồng vị nước mưa khác với thành phần đồng vị nước mưa có mối liên hệ giá trị delta (δ) nhiệt độ Hình Mối liên hệ thành phần đồng vị H O q trình thủy văn 18 Trong khn khổ mạng lưới quan trắc đồng vị nước mưa phạm vi toàn cầu (GNIP), người ta thiết lập mối liên hệ δ2H δ18O gọi đường nước khí tượng tồn cầu (Global Meteoric Water LineGMWL) biểu diễn biểu thức sau: δ2H = 8·δ18O + 10 (2) Nước mưa xuống bề mặt trái đất trải qua trình bay thành phần đồng vị khơng tuân theo phương trình (2) Quá trình bay làm giàu đồng vị nặng (2H, 18O) nước, khơng theo tỷ lệ giống nhau, nên có mối liên hệ đường nước bay hình Khi nước mưa thấm vào đất để bổ cấp cho nước ngầm hòa trộn tầng khơng bão hòa, thay đổi thành phần đồng vị theo mùa khơng rõ rệt nước mưa Trong hầu hết tầng chứa nước, thành phần đồng vị nước ngầm không thay đổi trừ có trao đổi với oxy đá (CaCO3) tầng trữ nước Quá trình trao đổi thường xuất hệ thống địa nhiệt nhiệt độ cao Thành phần đồng vị nước ngầm có liên quan trực tiếp với thành phần đồng vị nước mưa khu vực bổ cấp cho tầng chứa nước thời điểm bổ cấp Nước ngầm có tuổi cao điều kiện khí hậu vùng bổ cấp thời điểm bổ cấp cho nước ngầm khác xa với điều kiện khí hậu Điều có Nước ngầm bổ cấp trình thấm từ nước mặt sông, hồ Nếu phần lớn lượng nước bổ cấp từ trình thấm từ nước mặt thành phần đồng vị nước ngầm phản ánh thành phần đồng vị trung bình nước sơng hồ thay thành phần đồng vị nước mưa khu vực Sơng ngòi thu thập nước bắt nguồn từ nước mưa khu vực hoàn toàn khác, ví dụ vùng núi cao Khi đó, đồng vị nặng nước sông nghèo so với nước mưa đồng hiệu ứng độ cao Trong trường hợp nước hồ ao có bay hơi, có q trình làm giàu đồng vị nặng nước hồ ao Nếu nước ngầm có mối liên hệ với nước hồ ao thơng qua q trình thấm, thành phần đồng vị nước ngầm phản ánh trình làm giàu đồng vị nặng giống nước hồ ao Khi mối liên hệ thành phần đồng vị 2H 18O không theo quy luật biểu thức (2) mà theo đường nước bay hình 1.2 Đồng vị phóng xạ tritium Triti (3H), đồng vị phóng xạ hydro, phát xạ beta có lượng thấp (Emax = 18 keV) Hàm lượng triti nước biểu thị đơn vị triti (TU) TU tương đương với nguyên tử 3H 1018 nguyên tử 1H, tương đương với 0,118 Bq 3,193 pCi/1 lít nước Chu kỳ bán rã triti 12,43 năm Nồng độ triti nước tự nhiên nói chung thấp Do đó, nghiên cứu thủy văn, việc làm giàu triti phương pháp điện phân thường thực trước đo hoạt độ cách sử dụng phương pháp nhấp nháy lỏng máy đếm tỷ lệ Số 59 - Tháng 06/2019 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Triti nước mưa có hai nguồn gốc thời gian lưu trú nước ngầm, từ ước tự nhiên nhân tạo Nguồn gốc tự nhiên triti tính thơng số liên quan hệ thống nước kết tương tác neutron có nguồn gốc từ ngầm, đặc biệt tốc độ bổ cấp tia vũ trụ với hạt nhân nguyên tử nitơ khí theo phản ứng sau: N7 + 1no → 3H1 + 12C6 (3) 14 Triti tạo từ phản ứng nhanh chóng bị oxy hóa tạo thành nước dạng HTO vào chu trình thủy văn tồn cầu Hàm lượng triti có nguồn gốc tự nhiên lượng mưa có giá trị khoảng từ đến TU Triti có nguồn gốc nhân tạo kết vụ thử vũ khí nhiệt hạch từ năm 1952 đến 1962 có phần đóng góp nhỏ từ sở hạt nhân công nghiệp Hàm lượng triti đưa vào nước mưa từ vụ thử vũ khí hạt nhân năm cuối 50 đến đầu năm 60 tăng gấp cỡ bậc bắc bán cầu so với hàm lượng triti có nguồn gốc tự nhiên (cỡ TU) cỡ bậc nam bán cầu Mạng quan trắc đồng vị nước mưa IAEA WMO phạm vi tồn cầu cơng bố số liệu hàm lượng triti nước mưa trạm quan trắc mạng lưới Hình trình bày hàm lượng triti nước mưa quan trắc thời gian dài hai trạm: Bắc bán cầu, trạm lại Nam bán cầu Từ kết ước tính hàm lượng triti nước mưa hầu hết điểm cần quan tâm Thơng tin chi tiết số quan trắc tìm thấy trang web: http://www.iaea.org/programs/ ri/gnip/gnipmain.htmlm Việc phát dị thường hàm lượng triti nước ngầm tầng nông tương tự hàm lượng nước mưa có nguồn gốc từ vụ thử vũ khí hạt nhân vào cuối năm 50 đầu năm 60 “dấu vân tay” cho thành phần bổ cấp nước thời kỳ đại nước ngầm Việc đánh giá định lượng từ liệu triti tầng chứa nước nông cho phép xác định phân bố Số 59 - Tháng 06/2019 Hình Hàm lượng triti nước mưa quan trắc trạm Ottawa (Canada) trạm Kaitoke (New Zealand) Hiện nay, hàm lượng triti nước mưa đạt đến giá trị nguồn gốc tự nhiên, khiến cho việc sử dụng số liệu triti trở nên khó khăn Tuy nhiên, mặt tương đối, nước ngầm có chứa đồng vị triti, khẳng định nước ngầm có tuổi đại (