Thăm dò phóng xạ và địa vật lý hạt nhân

Bài viết với một số nội dung: cơ sở thăm dò phóng xạ và địa vật lý hạt nhân; tương tác của bức xạ với vật chất; cơ sở của các phương pháp địa vật lý hạt nhân; phương pháp phổ Gamma hàng không; thăm dò phóng xạ; cơ sở của các phương pháp thăm dò phóng xạ; các phương pháp đo khí phóng xạ; ứng dụng các phương pháp thăm dò phóng xạ và địa vật lý hạt nhân...

720 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHAT S a tin d e r c c , K u rt s., C e n g iz E., a n d N o r m a n A , 2007 In tr o d u c - tion to this special section: CSEM The Leaditĩg Edge: 323-325 S p ic h a k V V (E d ito r) , 0 E le c tr o m g n e tic s o u n d i n g o f th e Z h d a n o v M S., 2010 E le c tr o m a g n e tic g e o p h y s ic s : N o t e s f r o m th e p a s t a n d th e r o a d a h e a d Geophysics 75/5: A -7 A 6 Zhdanov M s., 2009 G e o p h y s ic a l E le c tr o m a g n e tic T h e o r y a n d E a r t h 's in te r io r M e th o d s in G e o c h e m is tr y a n d G e o p h y s ic s M e th o d s V o lu m e 40: 380 pgs Elsevier V o lu m e 43: 831 Elsevier S te v e n c , 10 T e n y e a r s o f m a r in e C S E M fo r h y d r o c a r b o n e x p lo r a tio n Geophysics Vol 75, N o 5: A -7 A T h a k u r N.R and R ajput s., 2011 E xploration o f gas hydrates: M e th o d s in G e o c h e m is tr y KoMapoB B A, 1980 3^eKTpopa3Be4Ka and M eTO AO M G e o p h y s ic s , B b i3 B a H H O Ì! riO/iflpM33LỊMM " H e p a " c rp /ĩeHUHỉpad yieHMHrpa4CK(X' OTAeyieHMe ÍĨKỹoBCKMM KD B., PeHap4 M B., 1991 3/ieKTpopa3Be4Ka Geophysical techniques Spritĩger 293 pgs Yaramanci u , M iille r-P e tke M , 2009 SNM R - A un iq u e tool fo r hydrogeophysics The Leading Edge 28/10:1240-1247 Bbicuiee Oõpcuoeanue /ĩeuum padcK oe crp M om deA eH ue " H e p a 36 ockổku Thăm dò phóng xạ địa vật lý hạt nhân L ê K h n h P h n K h o a D ầ u k h í, T r n g Đ i h ọ c M ỏ Đ ịa c h ấ t, H N ộ i N g u y ề n Đ ìn h C h â u T r n g Đ i h ọ c K h o a h ọ c v C ô n g n g h ệ A G H , K k o v v ( B a L a n ) Giới thiệu H iện tượng p h ón g xạ đ ợc Becquerel phát vào năm 1896 m ang lại nhiều ứ n g d ụ n g quan trọng n hiểu lĩnh vực, đ ó có Đ ịa chất học Từ đầu th ế kỷ 20 tính chất p h ó n g xạ bắt đẩu đưực ứ n g d ụ n g n gh iên cứu địa chất phát h u y tác d ụ n g to lớn đ iểu tra thăm d ò m ỏ urani, m ỏ khoán g sản khác cộn g sinh v i chất p h ó n g xạ, xác đ ịnh tuổi địa chất thành hệ đât đá n gh iên cứu n gu ồn địa nhiệt, n gh iên cứu m ôi trường, v v N g y nhờ phát triển kỹ thuật hạt nhân, n g tác thăm d ò p h ón g xạ địa vật lý hạt nhân đ ợc áp d ụ n g có hiệu đ ê giải q uyết h àng loạt nhiệm vụ n gh iên cứu địa chât - Tìm kiếm m ỏ p hón g xạ urani, thori kali - Tìm kiếm quặng khơng p hón g xạ có quan hệ cộng sinh khơng cộng sinh với khoáng vật giàu n gu yên tố p hón g xạ - Phục vụ cho cơng tác vẽ đ ổ địa chât - Phục vụ cho cơng tác địa chất th văn, địa chất cơng trình, địa chât m ôi trường - Phục vụ cho công tác thăm lượng dầu khí dò đánh giá trử - Phục vụ cho cơng tác thăm d ò đánh giá trừ lượng than - Xác định thành phần hàm lượng n guyên tố p hón g xạ khơng p hón g xạ mẫu thơ nhường, đá, khống thạch, v v - Xác định tuổi địa chất tuyệt đối - Xác định tham số mật độ, đ ộ ầm, đ ộ rỗng m ẫu đá - D ự báo đ ộ n g đất, v v Cơ sờ thăm dò phóng xạ địa vật lý hạt nhân P hóng xạ tượng tự phân rã hạt nhân n gu yên tử hay thay đôi trạng thái lư ợn g phát xạ xạ alpha beta có thê kèm theo xạ điện từ tia gam m a hay tia X M ột n guyên tố có nhiều đ ồng vị, n ng đ ổ n g vị có tính chất p hón g xạ gọi đ vị p hón g xạ Sự phân rã p hón g xạ m ang tính chất ngẫu nhiên, xảy theo m ột xác suất định gọi s ố p hân rã ký hiệu X H ằng s ố đặc trưng cho đ ổ n g vị phóng xạ khơng phụ thuộc vào đ iểu kiện ngoại cảnh Đ ơn vị X nghịch đảo thời gian (1/giây, 1/phút, 1/giờ, 1/ngày, v.v ) C hu kỳ bán rà với ký hiệu T 1/2 khoảng thời gian cẩn thiết đê lư ợn g đ ổn g vị p hóng xạ giảm m ột nửa d o phân rã p hón g xạ Sự liên quan chu kỳ bán rã SỐ phân rã đư ợc biểu thị công thức: Ti/2 = In2/A Tùy thuộc vào nguồn gốc, đ ổn g vị p hón g xạ đ ợc chia thành đ v ị p hón g xạ tự nhiên, đ ổn g vị nhân tạo đ vị p hóng xạ có n guổn gốc vũ trụ Các đ ổn g vị p hóng xạ tự nhiên chủ yếu ba dãy p hóng xạ, dãy urani đ ứ n g đầu đ ổn g vị 238u (T 1/2 = 4,5 X 109 năm); dãy artino - urani đứng đẩu vị 235u (T1/2= 7,1 X 108năm) dãy thori đứ ng đầu đ vị 232Th (T 1/2 = 1,4 X 10u,năm) Đặc điếm dày p hóng xạ tự n hiên ĐỊA VẬT LỶ môi d ày đểu có đ ổn g vị có phân rã alpha (a), có đ ổ n g vị có phân rã p kết thúc d ãy đ ổn g vị chì vừng Trong m ỗi dãy đểu có đ ồng vị th ế khí, đ ổn g vị thê khí đểu khí tro ch ú ng bị phân rã alpha M ột s ố đ ổn g vị phân rã phát hạt alpha hạt beta có thê phát tia gam m a Tương tác bửc xạ với vật chất Bức xạ p hón g xạ có th ế hạt m ang điện, tia gam m a, tia X hay neutron; m ỗi loại xạ tương tác với vật chất nhừng hình thức khác Đối với hạt m ang đ iện n hư hạt nhân nặng m ang điện, alpha, proton hay beta tương tác với vật châ't, ch ú ng chủ yêu gây ion hóa Khi tương tác với vật chất, xạ điện từ có thê tương tác với đ iện từ với hạt nhân n gu yên tử Có nhiều d ạng tương tác, n hư n g thăm d ò p hóng xạ địa vật lý hạt nhân, ba loại tương tác quan tâm hiệu ứng quang điện, tán xạ C om pton hiệu ứng tạo cặp Tương tác neutron với vật chất phụ thuộc râ't nhiểu vào lư ợng neutron Vì neutron hạt khơng m ang đ iện nên khơng chịu tương tác C oulom b hàng rào điện tử d ễ dàng tương tác với hạt nhân n gu yên tử C ó nhiều dạng tương tác giừa neutron với vật chất, n hưng địa vật lý hạt nhân tương tác chủ yếu sau quan tâm va chạm k hông đàn hổi, va chạm đàn hổi, bắt giừ 721 lượng vị phóng xạ tự nhiên, đặc biệt hàm lượng hay nhiều vị n h ữ ^ u , ^ u , ^ u , ^ThT Ra, ^ R a , ^ R a , ^ R iC ^ R n , 210 Pb, 210Po hay đối tượng nghiên cứu đá, nước, khơng khí, v v đ ể phục vụ m ục đích địa chất đưa như: tìm kiếm thăm dò quặng phóng xạ, đât khống sản có hàm lượng urani thori cao, vẽ đ ổ địa chất, xác định tuổi đá, nhiệm vụ khác có liên quan đến nguyên tố phóng xạ Cơ sờ phương pháp địa vật lý hạt nhân Các phư ơng pháp địa vật lý hạt nhân dựa vào việc nghiên cứu trường p hóng xạ thứ cấp sinh chiếu lu ồn g phóng xạ sơ cấp vào đ ối tượng nghiên cứu Thông thường Địa vật lý hạt nhân, xạ sơ câp thứ cấp thường tia gam m a hay neutron Sự phân b ố xạ thứ cấp môi trường phụ thuộc vào thông s ố vật lý, địa chất thành phẩn hóa học mơi trường Trong Địa vật lý hạt nhân chủ yếu sử d ụn g n guồn phát xạ gam m a 137 Cs, ^C o, 133 Ba, n guổn phát neutron Po-Be, Am-Be, 252Cf m áy phát neutron Trong Đ ịa vật lý hạt nhân có phư ơng pháp địa chất thủy văn đ ổn g vị (ĐCTVĐV) Các phư ơng pháp ĐCTVĐV áp d ụn g rộng rãi Đ ịa chất thủy văn dầu khí Thăm dò phóng xạ Có nhiều p hư ơn g pháp thăm d ò p hón g xạ, sau đ ây m tả tóm tắt phư ơng pháp thăm d ò phóng phát xạ phàn ứ n g hạt nhân xạ p hố d ụn g V iệt N am th ế giới Máy móc thiết bị Phương pháp phổ gamma hàng không N gu y ên tắc tâ't đầu dò xạ p hón g xạ dựa sở tương tác xạ với vật chất Tùy thuộc vào chất đầu dò, người ta chia đầu dò thành hai loại: loại thụ đ ộn g loại tích cực Loại thụ đ ộ n g n n g đầu dò mà có tác đ ộng xạ p hón g xạ đ ể lại vết đầu dò, vết đ ọc sau đẩu d ò xử lý p h n g pháp thích hợp Đ ầu dò nhiệt quang, đầu d ò vết, phim đ ều thuộc loại đầu d ò thụ động Loại đầu d ò tích cực loại ốn g đếm cần có n guồn đ iện ni n hư ốn g đếm chứa khí, ốn g đếm nhấp nháy, ốn g đếm bán dẫn Khi xạ p hón g xạ tương tác với đầu d ò sinh điện tử ion tia sáng, điện tử, ion hay tia sáng ch u yển thành tín hiệu xu ng điện ghi m áy đếm tương ứng Đ o v ẽ p hổ gam m a hàng không p hư ơn g pháp d ù n g m áy p h ố gam m a với ốn g đ ếm nhâp nháy có kích thước lớn, thơng thường n gư ời ta d ù n g nhiều tinh t h ể Nal(Tl), kích thước m ỗi tinh t h ể lOcm X lOcm X 40cm gh ép lại, th ể tích tống cộng tới 50dm có th ể Khi đ o vẽ, tiến hành bay đ ộ cao từ 40m tới 130m đ ế phát nhanh dị thường p hón g xạ chất n guồn gây dị thường, cho p hép địa phư ơng hố d iện tích triển vọ n g đê khảo sát m ặt đất H iện p hư ơng pháp đư ợc d ù n g đ ể v ê đổ địa chất - địa hố tìm kiếm khống sản phi p hóng xạ (TR, Ta, Nb, p, M o, Au, Al, Sn, v.v ) có quan hệ cộng sinh quan hệ không gian với đới phân b ố dị thường U(Ra), Th K Các m áy thu xạ p hón g xạ thường bao gồm đẩu dò xạ , khuếch đại ghi Cơ sở phương pháp thảm dò phóng xạ H àm lượng nguyên tố phóng xạ tự nhiên phụ thuộc vào loại đá, điểu kiện địa chất Tâ't phương pháp phóng xạ dựa vào việc xác định hàm Phương pháp gamma mặt đất (phương pháp gamma đường bộ) Trong phương pháp m áy đo xạ gam m a xách tay dùng đ ể đo xạ gam m a đất đá, quặng, phát dị thường phóng xạ, xác định hàm lư ợng nguyên tố phóng xạ giải vâh đ ề địa chất hữu quan Các phương pháp gam m a mặt 722 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT đất phân thành phương pháp gam ma tổng phương pháp phô gam ma Phương pháp gam m a tồng phương pháp đo cường đ ộ xạ gam m a phát từ đ vị phóng xạ tự nhiên mà khơng đê ý đến lượng xạ gam m a ghi (năng lư ợng xạ gam m a ghi thường từ 50keV đến 3MeV) Dựa vào lượng hiệu suất phát tia gam m a vị ba dãy p hón g xạ tự nhiên đ vị ^K, người ta xác định m ức lượng tia gam m a phát đặc trưng cho m ỗi dãy phóng xạ N h tia gam m a có lượng l,46M eV đặc trưng cho ^K, tia gam m a có lượng l,76M eV đặc trưng cho d ãy urani tia gam m a có lượng 2,61 MeV đặc trưng cho dãy thori Phương pháp phổ gam m a mặt đất phương pháp đo cường độ xạ gam m a m ức lượng khác Chính th ế mà ta có thê xác định châ't n guồn gây trường xạ gam m a d o urani, thori hay kali ba gây Thông tin sè phục vụ trực tiếp cho điểu tra địa chất, tìm kiếm thăm dò khống sản nghiên cứu m trường Phương pháp gamma phổ gam m a công trinh Phương pháp gam m a p h ổ gam m a cơng trình đ o gam m a p h ổ gam m a via lộ g trình khai đào Phương pháp n ày d ù n g đ ể xác định trực tiếp hình dạng kích thước thân quặng via lộ b ể d ày hàm lư ợng n g u y ên tố p hón g xạ vật thê hay thân quặng gây dị thường p hón g xạ Các phương pháp đo khí phóng xạ Có hai kỹ thuật đo khí p hóng xạ kỹ thuật đ o tức thời kỹ thuật đo tích lũy Kỹ thuật đo tức thòi có tên gọi phương pháp khí p hóng xạ kỹ thuật đ o tích lũy gồm phương pháp đ o vết alpha phương pháp than hoạt tính Sau vài nét v ề phương pháp k ể P h n g p h p k h í p h ó n g x (p h n g p h p e m a n ) Phương pháp khí p hóng xạ phương pháp đo tức thời nồng độ khí phóng xạ đâ't (tại h ố sâu từ 60cm đến 80cm m áy đ o khí phóng xạ nhằm m ục đích phát thân quặng urani, thori đất phủ, xác định đới cấu tạo đói dập vờ, vạch ranh giới tiếp xúc đá Đ ộ sâu khảo sát phương pháp khí p hón g xạ từ vài m ét đến hàng chục mét Các m áy d ùn g phô biến Việt N am m áy RAD-7 (Mỹ), AB-5 (Canada) hay AlphaGuard (Đức) P h n g p h p đ o tích lũ y Phương pháp đo vết Phương pháp đ o vết p hư ơn g pháp đ o tích lũy n ồn g độ khí p hón g xạ, đẩu thu làm nhựa tử chất d ẻo đặc biệt Khi hạt nhân khí rađon (thoron) phân rã sê phát hạt alpha, hạt tư ơng tác với m iếng nhựa đ ế lại vết tích, sau xừ lý, ta đếm vết m iếng nhựa, sờ đỏ có thê xác định n ồng độ khí p h ó n g xạ Vì p hư ơng pháp có giá thành cao, thòi gian đo dài phư ơng pháp đ o vết tiến hành nhừ ng trường hợp cẩn thiết Phương pháp than hoạt tính Phương pháp than hoạt tính gồm có đầu thu thỏi than hoạt tính đê trần khoảng khơng khí có rađon Các nguyên tủ’ khí radon bị than hoạt tính hâp thụ, sau dùng d u n g dịch hừu ca (toluene, xáng) đ ể tách n guyên tử radon khỏi thòi than trộn dung dịch với chất nhấp nháy thê lỏng đo m áy đếm nhâp nháy Bằng cường độ xạ đ o đường cong chuẩn ta xác định hàm lượng radon k hơng khí Phương pháp thường dùng đê đo radon khơng khí phòng, nơi ở, làm việc, v.v Địa vật lý hạt nhản Các phư ơng pháp địa vật lý hạt nhân chủ yếu d ù n g n gu ồn phát tia gam m a neutron Các n guồn đ ổn g vị gam m a thường d ù n g 137Cs phát tia gam m a đơn với lư ợn g 660keV n guồn cobalt ^ C o phát tia gam m a có n ăng lư ợ n g 1.117keV 1.333keV Các n guồn phát neutron dựa vào phản ứng alpha neutron Tùy thuộc vào phương pháp sản sinh neutron, nguồn chia thành loại đ vị m áy phát neutron Các nguồn đ ồn g v ị thường dạng bột hỗn hợp nguyên tố berili m ột đ ổn g vị phát tia alpha radi, poloni, hay americi N gồi n guồn có n guổn califom i ( ^ C í), đ vị có hai dạng phân rã, phân rã alpha với xác suât 0,97 phân tách với xác suất 0,03, phân tách phát neutron Máy phát neutron dựa vào phản ứng (d,n) Các ion deutri gia tốc đ ập vào bia triti bắn neutron, hạt neutron phát tù’ máy phát có lượng 14MeV Sau giới thiệu tóm tắt phương pháp địa vật lý hạt nhân Phương pháp gamma - gamma mật độ Phương pháp gam m a - gam m a m ật đ ộ dựa vào tương tác C om pton xạ gam m a với vật chất Khi chiếu vào đối tượng n gh iên cứu (m ôi trường địa chất) chùm xạ gam m a có lượng 500keV thu xạ tán xạ gam m a có lư ợng 200keV C ường đ ộ xạ gam m a tán xạ ghi đư ợc phụ thuộc chủ y ếu o s ố điện tử m ột đơn vị thê tích, s ố đ iện tử lại phụ thuộc vào m ật độ mơi trường nên có th ể đo đư ọc mật độ m ôi trường nghiên cứu Thiết bị phư ơng pháp gam m a - gam m a mật độ gổm có n guồn phát xạ gam m a ố n g thu xạ ĐỊA VẬT LỶ gam m a Giửa n guồn ống thu có vật chắn chì đ ể ngăn b ứ c xạ gam m a thắng từ n guồn đến Ống thu N g u ổ n phát nguồn 137Cs hay ^Co Phương pháp gamma - gamma chọn lọc Khác với p hư ơn g pháp gam m a - gam m a mật độ, phương pháp gam m a - gam m a chọn lọc lại dựa vào hiệu ứ n g hâ'p thụ quang điện xảy xạ gam m a tương tác với vật chất Trong phương pháp gam m a - gam m a chọn lọc ta cũ n g phát xạ gam m a n hư n g chúng có n ăng lượng thấp thu xạ gam m a tán xạ N h n g cường độ xạ gam m a tán xạ lại phụ thuộc chủ yếu vào s ố z m ôi trường, s ố z lại tỷ lệ với hàm lư ợng n gu yên tố nặng n hư sắt, chì, v v có m ôi trường nghiên cứu N g u n gam m a d ùn g phương pháp gam m a - gam m a chọn lọc thường n guổn có lượng k hơng cao Trong Đ ịa vật lý hạt nhân, chủ yêu d ùn g n gu ồn 137 Cs Phương pháp phân tích huỳnh quang Tương tự p hư ơng pháp gam m a - gam m a chọn lọc, p hư ơng pháp phân tích huỳn h quang dựa vào hiệu ứng hấp thụ quang điện xạ gam m a hay tia X tương tác với vật chất N gu n phát xạ gam m a hay tia X có ỉượng thấp thường lOOkeV, xạ thu xạ đặc trưng phát n guyên tử n gu n tố mơi trường bị kích thích N ăng lư ợng đặc trưng phụ 723 sôn g neutron N eutron phát từ m áy phát có n ăng lượng 14MeV, neutron di ch u yên m ôi trường sè bị va chạm không đàn hổi, sau lại va chạm đàn hồi cuối bị hâp thụ bời hạt nhân K hoảng thời gian kê từ neutron phát đến bị hấp thụ phụ thuộc vào độ chứa nước hàm lư ợn g n gu yên tó có tiết d iện đ ộn g hấp thụ cao chlor, bor, v v p hư ơng pháp neutron - xu ng đư ợc sử d ụng rộng rãi thăm dò dầu khí Phương pháp kích hoạt neutron P hư ng pháp n ày chủ y ếu đ ợ c sử d ụ n g p h ò n g thí nghiệm P hư ơng pháp kích hoạt neutron dự a v việc đưa n g u y ên tố phân tích thành đ ổn g v ị p h ó n g xạ nhân tạo bang cách chiếu m âu phân tích chùm neu tron nhiệt ghi xạ (th n g xạ gam m a) đ ổ n g vị đư ợc thành tạo phát N goài nhữ ng p hư ơng pháp trên, địa vật lý hạt nhân d ùn g nhữ ng phư ơng pháp khác như: p hư ơn g pháp hấp thụ neutron cộng hường, phương pháp M ossbauer, n hữ n g phư ơng pháp chưa phát triển m ạnh mè ứng dụng phương pháp thăm dò phóng xạ địa vật lý hạt nhân Thăm dò mỏ quặng urani, thori khoáng sàn cộng sinh đồng hành với chất phóng xạ thuộc vào số z nguyên tố bị kích thích tuân theo đ ịnh luật M osley (năng lượng xạ đặc trưng X tỷ lệ vớ i bình p hư ơn g số z n gu yên tố bị kích thích phát ra) N gu ồn gam m a thường sử d ụ n g p hư ơng pháp h uỳn h quang thường n gu ổn cadim i ( 109 Cd) phát xạ gam m a có lư ợng 88,03keV Phương pháp neutron - neutron (n - n) Cơ sở phương pháp dựa vào trình làm chậm neutron nhanh, di chuyển m ôi trường, neutron va đập với nguyên tử môi trường mât dần lượng trở thành neutron nhiệt Đ ộ mát lượng lớn neutron va đập vói hạt nhân nguyên tố hydro (vì khối lượng hydro khối lượng neutron) N guổn phát neutron thường dùng n guồn Pu - Be hay A m - Be Phương pháp neutron - gamma (n - y) Cơ sở p hư ơn g pháp tương tự p hư ơn g pháp n - n, khác phát neutron nhanh ghi xạ gam m a Phương pháp neutron - xung Cơ sở p hư ơng pháp neutron - xung dựa vào việc phát xung neutron đo thời gian Phương pháp gam m a hàng không phương pháp có hiệu kinh tế cho việc thiết k ế mạng lưới tìm kiếm khống sản vẽ đ ổ địa chất, khoanh vù ng dị thường phóng xạ định hướng cho cơng tác tìm kiếm thăm dò Phương pháp gam m a đường dùng đ ể xác định trực tiếp ranh giới vỉa khoanh dị thường phóng xạ Phương pháp p hổ gam m a đường xác định trực tiếp hàm lượng urani, thori kali lớp đất đá hào, lò vết lộ địa chất P hư ơng pháp đo n ồn g độ khí radon hay thoron khí đất có hiệu cao thăm d ò thân quặng urani thori, đặc biệt n hữ n g trường hợp thân q uặng có lớp phủ dày mà phư ơng pháp gam m a đ ờng khơng có hiệu V iệc đ o nồng đ ộ radon khí đất g iú p cho việc xác định đới đứt gãy, đới v ỡ vụ n bô su ng cho công tác n ghiên cứu cấu tạo địa chất v ù n g n ghiên cứu Sự thay đổi hàm lượng khí radon khí đất có th ể có liên quan đến đ ộn g đất Trong Địa vật lý lỗ khoan, p hư ơng pháp gam m a tự nhiên d ù n g đ ể xác định lớp đất-đá khoan Đ ôi với cơng tác tìm kiếm thăm dò khống sản p hón g xạ, p hư ơn g pháp phơ gam m a tự nhiên d ù n g đ ể xác định hàm lượng urani, thori kali lớp đâ't đá quặng p hóng xạ 724 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT Thăm dò khai thác dầu khí biểu thị cơng thức: N c(t)/N (t) = (ex* - l ) = P hương pháp gam m a tự nhiên dùng đ ể xác định m ặt cắt địa chất lỗ khoan, sở xác định ló p chứa dầu khí Phương pháp gam m a - gam m a m ật đ ộ kết hợp với p hư ơng pháp neutron - neutron d ù n g đ ể xác định mật độ, độ rỗng thành hệ chứa dầu Trong tìm kiếm dầu khí n guồn gam m a th n g d ùng n gu ồn 60Co hay 137 Cs Các n guồn n eutron thường 252Cf Pu-Be hay Po-Be P h n g pháp neutron - xu ng phục vụ cho việc xác đ ịn h ranh giới dầu - khí, dầu - nước Thời gian sống neutron phụ thuộc vào hàm lượng hydro n gu yên tố có tiết diện đ ộn g hấp thụ neutron n han h (như chlo, bor) neutron nhiệt cao có m trường nghiên cứu Trong m ỏ dầu khí thời gian sốn g neutron dài thành hệ chứa khí, trung bình thành hệ chứa dầu ngắn thành hệ chứa nước Trong phương pháp neutron x u n g phải dùng m áy phát neutron (e (in2 /Ti/2 )t _ Thăm dò khai thác than Phương pháp gam m a tự nhiên xác định vị trí, bể d ày via than vỉa đá vây quanh Bằng p hư ơn g pháp phổ gamrna tự nhiên ta có th ể xác địrih đ ộ tro than, tổ hợp phương pháp gam m a tự nhiên, gam ma mật độ ta xác định độ tro, độ ẩm qua đ ó xác định nhiệt than Trong Ống đ o mật độ, nguồn 137Cs nguồn ^ C o với Ống đo BGO thường dùng Thăm dò khai thác khống sản kim loại Trong thăm dò khai thác khoáng sản kim loại p hư ơn g pháp gam m a - gam m a chọn lọc, phư ơng p h áp gam m a hâp thụ p hư ơn g pháp phân tích h u ỳn h quang sử d ụn g m ột cách rộng rãi đ ê xác đ ịn h hàm lượng kim loại chì, sắt, đ n g đới chứa quặng m ẫu quặng Phương pháp kích hoạt dùng đê xác định thành phần hóa học mẫu đá, đặc biệt việc xác định hàm lượng nickel có phương pháp bắt giừ neutron - gamma có hiệu lực Trong thăm dò mangan hai phương pháp bắt giữ neutron - gamma kích hoạt neutron đểu có hiệu quà ứ ng dụng địa vật lý hạt nhân lĩnh vực khác ứ n g d ụ n g tro ng x c đ ịn h tu ổ i tu y ệ t đ ố i b ằ n g p h n g p h p p h ó n g xạ V iệc xác định tuối tuyệt đối th ế địa chất b ằng phương pháp p hóng xạ dựa vào quy luật cùa phân rã p hón g xạ tỳ s ố giửa s ố lượng đ v ị m ẹ (có tính p hón g xạ) s ố lượng đ ổn g vị (thường đ vị sinh phân rã trực tiếp đ ồn g vị m ẹ hay d o phân rã đ n g vị có dãy đ ổn g vị mẹ) Tỷ s ố ), đ ó t tuối th ể n g h iên cứu, Nc(t), Nm(t) s ố lư ợng (số hạt nhân) đ ổ n g vị đ ổ n g vị m ẹ thời gian t, X, Ti/2 h ằn g s ố phân rã chu kỳ bán rã đ ổ n g vị mẹ Đ iều kiện áp d ụn g p hư ơn g pháp xác đ ịn h tuổi tu y ệt đối p hư ơn g pháp p hón g xạ là: 1) Sự thay đối v ề s ố lượng tất đ ổn g vị d ãy p h ó n g xạ th ể địa chất d o phân rã p hón g xạ gây m khơng bị tác đ ộn g cùa bât trình địa chất nào; 2) SỐ lư ợn g đ vị d ãy th ể địa chất thời đ iểm (lúc thành tạo) đ ều đư ợc biết; 3) H ằng s ố bán rã cùa tất đ ổ n g vị k hông bị thay đổi suốt thời gian địa chất Có n hiều p hư ơng pháp xác định tuổi tuyệt đối, việc áp d ụn g p hư ơng pháp tùy thu ộc vào tuối đối tư ợng địa châ't điểu kiện p h òn g thí nghiệm H iệu p h n g pháp tốt tuổi đ ối tư ợng nghiên cứu khoảng từ dư ới m ột đến bốn lần Ti/2 đ ổn g vị mẹ Ví dụ đ ê xác đ ịnh tuổi đá có tuổi m ột tỷ năm p hư ơng pháp có hiệu urani - chì ( ^ u - Pb), kaliargon (40K - Ar) hay rubidi - stronti (87Rb - 87 Sr) Các đ ổn g vị m ẹ nhóm p hón g xạ nói đ ều có Ti /2 tỷ năm Đ ối v i n hữ n g đ ối tượng có chứa chất hữu có tuối k hôn g 0 năm p hư ơng pháp 14C (Ti/2 = 5.700 năm ) đư ợc xử dụng Đ ổn g vị 14c vói hạt proton đ ợ c tạo phản ú ng hạt nhân neutron v i nitro 14N có k g khí, sau thành tạo 14c lại kê't hợp với oxy tạo thành I4CƠ cũ n g n hư phân tử CƠ khác hấp thụ trình trao đổi sinh vật thực vật Sau th ể chết lư ợng hạt nhân 14c giảm d ẩn theo quy luật phân rã p h ón g xạ Bằng cách so sánh s ố lượng hạt nhân 14c với s ố lư ợ n g 14c có k hơng khí ta có th ế tính tuối đối tư ợ n g có chứa chất hữu ứ n g d ụ n g tro n g đ ịa c h ắ t th ủ y v ă n Trong địa chất thủy văn đ ổn g v ị tri ti (ký hiệu (T1/2 = 12,32 năm) thường đư ợc quan tâm Đ ổn g vị với đ vị 12c đ ợc tạo m ột phần phản ứng hạt nhân neutron với 14 N , m ột phẩn phản ứ ng neutron với Li H àm lượng trung bình tri ti nước m ưa đất liền 10 UT, nư ớc m ưa đại d ơng chi ƯT N hư vậy, cách xác định hàm lượng 3H nư óc ta xác định n guồn nước nước lục địa hay nước đại d n g nước pha trộn UT đơn vị đ ế biểu d iễn hàm lượng triti có nước đ ợc tính từ tỷ s ố s ố hạt nhân nguyên tử triti (3 H) với s ố n gu yên tử hydro (!H) có nước H àm lư ợng triti mẫu nước 1UT m ẫu nước đ o có 10 18 n gun tử hydro (JH) có m ột n g u y ên tử triti (3 H) H) ĐỊA VẬT LỶ UT tương đ n g với hoạt tính m ột lít nước, bang 0,12 Bq với giả thiết m âu nước chi có phân tử nước mà khơng có vị phóng xạ khác ngồi triti M ột n h n g p hư ơn g pháp xác định vận tốc nước d ới đât p hư ơn g pháp đ ổ n g vị p hóng xạ Trong p hư ơn g p háp này, n hữ n g d un g dịch chứa đ ổn g vị p h ón g xạ nhân tạo có đời sống ngắn 1311 (Ti/2 = 8,02 ngày) hay 35s (Ti/2 = 87 ngày) thường sử d ụng D u n g dịch có chứa đ vị p hóng xạ thả vào lơ khoan sau đ ó đ o hàm lượng châ't p h ón g xạ nước lỗ khoan khác Bằng việc xác đ ịnh khoảng cách lỗ khoan nổng đ ộ đ o đ ợc chất p hón g xạ nước theo thời gian lỗ khoan quan sát, ta có thê tính vận tốc chảy nước đất 725 - Liều hiệu dụng - m ột liều tương đương, tác động với m ôi quan độ n guy hiểm lại khác Đ ê đánh giá đ ộ n guy hiểm người ta đưa khái niệm liều hiệu dụng He: He = IVVt.Ht, Wt trọng số ca quan T thế, H t - Liều tương đương mà quan T nhận Đơn vị liều hiệu d ụng Sv - Liều gánh tích liều hiệu d ụ n g m ột thời gian đ ịnh (x), thể sốn g có th ể bị chiếu n gu ồn (chủ yếu n gu ồn gam m a) cũ n g có th ể bị tác đ ộn g n guồn bên th ể có thức ăn, nước u ống k hơng khí Vì vậy, ta có liều chiếu trong, tính sau: t+T h e, = \ H c m t ứ n g d ụ n g tro n g x â y d ự n g Xác đ ịnh hàm lư ợng n gu yên tố p hón g xạ n gu yên vật liệu xây d ự n g hạn ch ế liều lư ợ n g p hón g xạ có hại cho người vật Xác định n ồn g đ ộ khí radon khí đất phục vụ cho việc d ự đ ốn tiềm khí radon nhà Ớ nước Châu  u có luật p g tránh tác hại radon gây ra, cách hạn c h ế nồng độ radon k g khí Vì trước xây cơng trình cho n gư ời h ay làm việc, phải xác định n ồng đ ộ khí radon khí đâ't d ù n g biện pháp p g trừ khí radon k hơng khí nhà P hương p háp gam m a - gam m a mật đ ộ d ùn g kiểm tra cơng trình xây dự ng n hư kiểm tra m óng sân bay, chân cầu, v v An tồn phóng xạ Một số khái niệm an tồn phóng xạ Khi xạ p h ón g xạ tương tác với vật chất chúng bị lượng làm cho n guyên tử bị ion hóa gây ảnh h ờng đến t ế bào sống Đ ể biểu thị m ức đ ộ tư ơng tác xạ với đánh giá đ ộ n g u y h iểm làm việc với xạ p hón g xạ, khái n iệm v ể liều lượng xạ p h ón g xạ đư ợc xác lập Trong an tồn p hón g xạ, ta có loại liều lượng như: liều chiếu, liều hấp thụ, liều tương đương, liều hiệu d ụ n g liều gánh - Liều chiêu (X) tổng điện tích ion củng dấu sinh k hơng khí khơ tương tác với xạ p h ón g xạ (đại lượng thường d ự n g cho xạ điện tử) Đ ơn vị liều chiếu c /k g - Liều hẩp thụ (D) lượng xạ bị hấp thụ tương tác với vật chất Đơn vị liều hấp thụ Gy (grey) Gy liều lượng hấp thụ lj/kg - Liều tương đương (H) đại lượng tích liều hấp thụ D với trọng s ố xạ W r, (H = D.VVr), đ a n vị liều tương đ n g siv (Sievert, ký hiệu Sv) - Liều hiệu dụng tống cộng tổng liều chiếu ngồi (Hn) liều chiếu (Ht); ta có Hx = Hn + Ht Ht = Hp+Hd; đó: Hp - liều chiếu qua đ ờng hô hấp Hd liều chiếu qua đ n g tiêu hóa Đ ơn vị liều gánh liều hiệu d ụ n g tống cộng thường Sv/năm Một số định mức an tồn phóng xạ P hơng xạ tự nhiên n hữ n g xạ ion hóa g ồm xạ v ũ trụ xạ chât p hóng xạ tự nhiên (có lớp đât đá b ể mặt Trái Đất, lớp khí gần mặt đất, thực phẩm , nư ớc uống, th ể người) Liều lượng trung binh d o p hôn g xạ tự nhiên gây Trái Đâ't 2,43m Sv/năm Theo ủ y ban an toàn xạ quốc t ế ICRP liều xạ tự n hiên thời tử 10 m Sv/năm trở lên bắt đẩu cẩn có can thiệp làm giảm Tuy nhiên, m ột s ố trường hợp liều xạ tự nhiên thời khoảng gần 10 m Sv/năm ta có th ể xem xét n g u y ên nhân gây m ức liều tự n hiên cao đ ể tìm cách khắc phục Trong trường hợp có n guồn p hón g xạ d o hoạt đ ộ n g ngư gây theo 'T iêu chuẩn an tồn Q uốc t ế bản" IAEA Tiêu chuẩn an toàn xạ V iệt N am , giới hạn liều hiệu d ụ n g nhân viên có tiếp xúc với xạ 20m Sv/năm dân chúng liều hiệu d ụn g lm S v /n ă m k hông k ể p hôn g xạ tự nhiên Hệ phương pháp nghiên cứu mơi trường phóng xạ H ệ p hư ơn g pháp nghiên cứu m ôi trường p hón g xạ phải đảm bảo đủ đ ể xác định đư ợc giá trị tổng liều tương đ n g xạ - Xác định liều chiếu ngoài: p hư ơn g pháp đ o suâ't liều tương đương, đ o suất liều xạ gam m a hay gọi đ o cư ờng đ ộ xạ gam m a - Xác định liều chiếu chất phóng xạ xâm nhập qua đường hơ hâ'p: đo nồng độ khí phóng xạ 726 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT khơng khí phương pháp khí phóng xạ, phương pháp đo vết alpha IA E A , 1996 I n te r n a tio n a l b a s ic s a íe ty s t a n d a r d s f o r p r o te c tio n a g a i n s t io n iz in g r a d i a t i o n a n d fo r th e s a íe ty o f r a d i a t i o n Xác định liều chiếu chât phóng xạ s o u r c e s V ie n n a 37 p g s I n te r n a tio n a l A to m ic E n e rg y A to m ic , 1999 N u c le a r G e o p h y s ic s xâm nhập qua đường tiêu hóa: thu thập phân tích a n d its a p p lic a ti o n s Technical Reports Series p g s hàm lượng n guyên tố p hóng xạ mẫu nước ăn, m ẫu thực phẩm L ê K h n h P h n , 2011 P h ó n g xạ m ỏ v p h ó n g x m ô i tr n g Đại học M ó Địa Chất ấn hành H N ộ i 56 tr Tài liệu tham khảo L ê K h n h P h n , 2004 T h ă m d ò p h ó n g x N X B Giao thông Vặn Q u y p h m k ỹ th u ậ t th ă m d ò p h ó n g xạ, 1998 Bộ cơng nghiệp, L u ậ t n ả n g lư ợ n g n g u y ê n tử L u ậ t s ố /2 0 /Q H 30 tr 1998 H N ộ i 100 tr., C z u b e k J a n , 1975 G e o f iz y k a J d r o w a [ tr o n g S to s o w a n e j (F a jk le w ic z tải H N ộ i 288 tr z ) ] W yd Z a r y s G e o fiz y k i Geoỉogiczne: 654-731 H obhkob r o , 1989 P a4M O M eT p P ad M O M eT p n M ecK aíỉ p a B e K a Heờpa ÁeHUHrpaA- 406 c rp W a r s z a w a [ tiế n g B a la n ] Thăm dò trọng lực T ơn T íc h Á i K h o a V ậ t lý, Trường Đ i học K hoa học T ự nhiên (Đ H Ọ G H N ) Giới thiệu Thăm dò trọng lực m ột n hừng phư ơng pháp địa vật lý ứng d ụng, nhằm nghiên cứu cấu tạo địa chất phần Trái Đất, tìm kiếm thăm dò khống sản Phương pháp dựa vào việc nghiên cứu trường hấp dẫn d o khối đất đá gây cách đ o thay đổi (biến thiên) V iệc đ o đạc thường tiến hành mặt đất mặt biển, khơng gian Có thể phân chia lịch sử phát triển phương pháp trọng lực thành hai giai đoạn lớn Giai đoạn thứ từ trước sau Đại chiến th ế giới lần thứ nhất, giai đoạn đặt sở cho vấn đê' lý thuyết vê' phép đ o trọng lực Giai đoạn thứ hai từ sau Đại chiến th ế giới lẩn thứ nay, giai đoạn áp dụng rộng rãi phương pháp trọng lực phát triển chi tiết lý thuyết thực nghiệm m ôn Ớ Việt N am n n g năm 30 th ế kỷ trước, m ột s ố nhà địa vật lý người Pháp với d ụng cụ lắc tiến hành đ o trọng lực m ột số điểm Từ sau 1954, nhà địa vật lý V iệt N am bắt đẩu sử dụng rộng rãi p hư ơn g pháp trọng lực Trên Miền Bắc, đ ổ trọng lực 1:500.000 thành lập đ ổ trọng lực với tỳ lệ thành lập cho toàn lãnh thổ Các đ với tỳ lệ lớn thành lập cho m ột sơ vù n g có triến vọn g tìm kiếm dầu khí m ột s ố khoáng sàn khác Phương pháp trọng lực đ ang trì phát triến nghiệp nghiên cứu dẩu khí khống sản nước ta Trọng lực Trái Đắt Trọng lực Trái Đất Tại m ỗi điếm mặt đât, trọng lực g lực tổng hợp hai lực: lực hấp dẫn Nevvton F lực ly tâm c Trái Đất quay xung quanh trục gây [H l] Lực hấp dẫn tác dụng lên m ột đ a n vị khối lượng cường đ ộ trường hâp dẫn có giá trị gia tốc truyền cho đ ơn vị khối lư ợn g Trục quay Trái đất Ỷ X Hình Định nghĩa trọng lực Trong hệ SI, gia tốc đ o m /s2, nhiên thăm d ò trọng lực, ngư ời ta d ù n g đ n vị cm /s2 Đơn vị đặt tên Gal đê tư n g nhớ đến công lao nhà bác học ngư ời Italia G alileo Galilei  ... pháp địa vật lý hạt nhân Các phư ơng pháp địa vật lý hạt nhân dựa vào việc nghiên cứu trường p hóng xạ thứ cấp sinh chiếu lu ồn g phóng xạ sơ cấp vào đ ối tượng nghiên cứu Thông thường Địa vật lý. .. triển m ạnh mè ứng dụng phương pháp thăm dò phóng xạ địa vật lý hạt nhân Thăm dò mỏ quặng urani, thori khống sàn cộng sinh đồng hành với chất phóng xạ thuộc vào số z nguyên tố bị kích thích tuân... lý hạt nhân, xạ sơ câp thứ cấp thường tia gam m a hay neutron Sự phân b ố xạ thứ cấp môi trường phụ thuộc vào thông s ố vật lý, địa chất thành phẩn hóa học mơi trường Trong Địa vật lý hạt nhân