1.3.1 Sự tách phân đoạn các đồng vị urani
Các đồng vị mẹ của 2 dãy phóng xạ urani (238U và 235U) có đặc trưng hóa học tương đương và tỷ số phổ cập đồng vị trong các vật liệu tự nhiên 238U/235U = 137,5.
Thông thường sự tách phân đoạn các đồng vị nặng trong các quá trình hóa học là có thể bỏ qua đối với môi trường tự nhiên. Tuy nhiên, người ta quan sát thấy có sự tách phân đoạn của các đồng vị 238U và 234U trong đá. Sau đó, người ta cũng thấy rằng
234U trong nước biển vượt trội hơn một ít so với 238U. Sự mất cân bằng giữa 238U và
234U trong nước tự nhiên và trong trầm tích đã được chứng minh là một quy luật tất
yếu và tỷ số hoạt độ 234U/238U trong nước nằm trong khoảng 0,5 và 40 [35]. Các quá trình sau đây dẫn đến sự tách phân đoạn các đồng vị urani:
- Chiết từ các vị trí sai hỏng do phóng xạ [35]:
Đồng vị 238U phân rã anpha gây ra sai hỏng mạng tinh thể xung quanh nguyên tử mẹ. Nguyên tử 234U tạo ra thường bị dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu do hiệu ứng giật lùi và do đó dễ bị lôi đi bởi các chất lỏng ăn mòn (nước mưa, nước ngầm, các chất lỏng thủy nhiệt, v.v...) [35].
- Sự ôxy hoá:
Một hiệu ứng khác được cho là đẩy mạnh sự chiết 234U ra khỏi vị trí sai hỏng là quá trình oxy hóa trong khi phân rã phóng xạ. Do mất các electron qũy đạo khi phát ra các hạt alpha và beta, hoặc do thay đổi mức năng lượng giữa trạng thái ban đầu và trạng thái sau dịch chuyển, trạng thái oxy hóa U4+ có thể chuyển thành U6+. Ion uranyl được tạo thành có khả năng tan tốt hơn ion uranous trước đó [35].
- Sự giật lùi khi phát anpha:
Như đã đề cập đến ở trên, mạng tinh thể có thể bị phá hỏng bởi phân rã phóng xạ và giật lùi của hạt nhân. Khi các hạt nhân 238U nằm gần bề mặt khoáng vật, sự phát hạt anpha của 238U có thể làm cho hạt nhân con 234Th bắn vào môi trường xung quanh hạt khoáng do hiện tượng giật lùi [35].
1.3.2 Sự tách phân đoạn các actinit khác và con cháu của chúng 1.3.2.1 Các đồng vị thori
Như đã nêu ở trên, các đồng vị 238U và 234U bị tách phân đoạn trong các quá trình tự nhiên vì hiệu ứng giật lùi khi phát anpha và vì sự khác biệt trạng thái oxy hóa và liên kết. Các hiệu ứng này cũng tương tự đối với sự tách phân đoạn các đồng vị thori [35].
1.3.2.2 Các đồng vị protactini
Chỉ có đồng vị 231Pa là có ý nghĩa trong quá trình làm mất cân bằng phóng xạ, còn đồng vị 234Pa có thời gian sống quá ngắn (T1/2 = 1,18 phút) nên sự di cư của nó không đáng kể. Đồng vị 231Pa nhanh chóng bị lấy đi khỏi nước trước khi rã thành
227Ac vì sự thủy phân và hấp phụ trên bề mặt các hạt trong nước [35].
1.3.2.3 Các đồng vị radi
Chỉ có 226Ra (T1/2 = 1600 năm) và 228Ra (T1/2 = 5,75 năm) là có ý nghĩa quan trọng trong quá trình mất cân bằng phóng xạ vì chúng có thời gian sống dài. 226Ra
thường vượt trội hơn mẹ của nó 230Th trong hầu hết nước tự nhiên do radi có tính tan lớn hơn thori, dẫn đến sự khuếch tán của radi từ trầm tích vào nước. Trong đất và trầm tích, 226Ra thường vượt trội hơn 230Th và 238U do sự kết tủa qua trao đổi ion trên sét và hưu cơ trong quá trình nước thấm qua đất, hoặc do sự chiết lọc có ưu tiên của 238U từ đất hoặc đá mẹ. 228Ra (sinh ra từ 232Th) có thời gian sống ngắn hơn nhưng cũng giống như 226Ra, nồng độ của nó trong nước tự nhiên lớn hơn đồng vị mẹ [66,53].
1.3.2.4 Các đồng vị radon
Độ linh động lớn của các đồng vị radon là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến mất cân bằng phóng xạ trong dãy urani và thori. Sự khuếch tán của khí hay hòa tan trong nước là kiểu di chuyển chính của radon [53].
1.3.3 Sự mất cân bằng phóng xạ trong đất
Khi đá phân hủy gần mặt đất, các thành phần nguyên tố của chúng di chuyển theo 3 con đường thông qua chu trình phong hóa và xói mòn: (i) hoà tan; (ii) phản ứng và hình thành các khoáng thủy phân (như sét chẳng hạn); và (iii) lưu lại trong các khoáng bền không phản ứng. Sự tích lũy 2 dạng sau cùng của khoáng không tan được biết đến như là regolit hoặc đất. Khoáng sau cùng cũng tạo thành trầm tích trong sông suối. Trong quá trình phân hủy và tái tạo thành trầm tích, có nhiều công đoạn dễ dẫn đến mất cân bằng phóng xạ trong dãy urani [74].
1.3.3.1 Giai đoạn chớm phong hóa
Các nghiên cứu chứng tỏ rằng, đá núi lửa chưa bị phong hóa thường thể hiện tình trạng mất cân bằng phóng xạ giữa các đồng vị sống dài trong dãy urani. Điều này được giải thích rằng: trên một thang thời gian 100 nghìn năm urani dễ dịch chuyển qua các lỗ trống và kẽ nứt cỡ micromet hơn là thori. Nền đá xét về tổng thể là ở trong trạng thái cân bằng phóng xạ, nhưng các mẫu đơn lẻ có thể ở trong trạng thái mất cân bằng phóng xạ. Tuy nhiên trong một vài trường hợp, đá - như một hệ tổng thể, sẽ có hàm lượng phóng xạ 230Th vượt trội hơn 238U, mà điều này chứng tỏ rằng urani bị chiết khỏi pha rắn và đi vào hệ thống nước ngầm nhanh hơn tốc độ phân rã 230Th [74].
1.3.3.2 Sự mất cân bằng trong đất
Trong các loại đất mà tại đó chiết lọc do nước đóng vai trò quan trọng, nguyên nhân chính dẫn đến mất cân bằng phóng xạ là do urani bị mất nhiều hơn thori và các
đồng vị ít linh động khác. Trong các loại đất oxy hóa thì radi cũng ít linh động.
Dưới các điều kiện khử, như các vùng đầm lầy, urani ít linh động hơn radi và mất cân bằng cũng sẽ diễn ra. Các tác nhân hóa học là hết sức quan trọng trong việc gây ra sự mất cân bằng phóng xạ trong các dãy phóng xạ tự nhiên [74].
Trong các loại đất mà sự chiết lọc diễn ra không mạnh, sự mất mát các thành phần linh động sẽ không chiếm ưu thế và các yếu tố khác như mất do hiệu ứng giật lùi của hạt nhân khi phát hạt anpha có thể trở nên có ý nghĩa. Khi đó, tỷ số hoạt độ
234U/238U sẽ lệch khỏi 1 ở một mức độ nào đó ở trong cả pha rắn lẫn pha nước. Sự thiếu hụt con cháu phía sau trong dãy phóng xạ có thể đáng kể hơn các đồng vị kể trên vì sự phân rã anpha liên tiếp của các đồng vị này [42,74].
Urani có xu hướng tích lũy trong đất ở một mức độ nào đó vì bị hấp phụ trên bề mặt sét, cũng như sự tập trung của nó trong các khoáng bền còn lại sau quá trình phong hóa. Tuy nhiên, vì khả năng tan tốt của nó trong nước ngầm oxy hóa, một phần lớn urani trở nên linh động và bị rửa trôi dưới dạng các ion phức hòa tan. Độ linh động tương đối trong dãy urani sắp xếp theo thứ tự sau: 234U > 238U > 230Th. Cả hai đồng vị urani có độ linh động hóa học lớn hơn thori và 234U linh động hơn 238U vì hiệu ứng giật lùi [42].
Thori ít tan có xu hướng tích lũy trong regolit cùng với các nguyên tố bền và các nguyên tố thủy phân có độ phổ cập lớn hơn như titan và sắt [54,74].
1.3.4 Sự mất cân bằng phóng xạ trong trầm tích 1.3.4.1 Trầm tích sông
Các tính toán cân bằng khối lượng chứng tỏ rằng, hầu hết urani vận chuyển từ sông ra biển dưới dạng chất hạt chứ không phải dạng dung dịch. Các nghiên cứu chứng tỏ rằng, tỷ số hoạt độ và hàm lượng của các nguyên tố dãy urani trong trầm tích sông phản ánh bản chất có trong đất: tỷ số 230Th/234U có giá trị trung bình trong khoảng 1,2 - 1,6 và 234U/238U nằm trong khoảng 0,85 - 1,0. Phù sa sông thường có tỷ số hoạt độ urani tương tự với nước sông vì có sự trao đổi và cân bằng. Các nghiên cứu cũng chứng tỏ rằng có sự tương quan giữa 230Th và 232Th trong phù sa của sông. Điều này khẳng định rằng hai đồng vị thori thể hiện giống nhau trong quá trình phong hóa [54,74].
1.3.4.2 Trầm tích biển a) Các đồng vị urani
Trong nước biển, sự khử urani từ U6+ về U4+ là cơ chế chính để urani bị lôi khỏi dung dịch. Với hàm lượng trung bình của urani trong nước biển khoảng 3,3 g/l và thời gian lưu của nó 3 x 105 năm, giá trị trung bình thông lượng rơi lắng urani trên đáy biển là 1,5 x 1010 g/năm, tức là khoảng 1,05 x 1013 nguyên tử/cm2/năm. Nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ rằng, trầm tích không tạo thành hệ kín đối với urani. Sự thiếu hụt 234U dọc theo độ sâu trầm tích được giải thích là do 234U di chuyển từ trầm tích vào nước. Khi 238U phân rã anpha thì 234Th bị giật lùi và rơi vào các bọng nước trong tinh thể, dẫn đến đồng vị con của nó là 234U sẽ đi vào môi trường nước [48,67].
b) Các đồng vị thori và 231Pa
Các đồng vị trong nhóm này dễ phản ứng với các hạt và vì vậy có thời gian lưu rất ngắn trong nước biển. Không giống như urani, các đồng vị thori đi vào trầm tích biển theo một số con đường địa hóa khác nhau. 232Th chủ yếu lắng xuống đáy như là một phần liên kết của các vật vụn đến từ lục địa. Đối với các đồng vị khác của thori và 231Pa, nguồn gốc chính của chúng trong trầm tích là do phân rã phóng xạ.
234Th (T1/2 = 24,1 ngày), 230Th (T1/2 = 75.200 năm) và 231Pa (T1/2 = 34.300 năm) được sinh ra do phân rã của 238U, 234U và 235U trong nước biển. Các đồng vị này được coi là không linh động trong trầm tích. Phân bố của chúng theo độ sâu trầm tích được quyết định bởi quá trình trầm tích và quá trình phân bố lại trầm tích như nén chặt, xói mòn, xáo trộn sinh học, v.v... [48].
c) Các đồng vị radi
Trong 4 đồng vị rađi, chỉ có 2 đồng vị được để ý tới là 226Ra (T1/2 = 1600 năm) và 228Ra (T1/2 = 5,57 năm). Hàm lượng trung bình 226Ra trong đại dương là khoảng 0,2 dpm/l. Bởi vì đồng vị 230Th gần như bị lấy cạn kiệt khỏi cột nước, 226Ra phải được lấy từ trầm tích do phân rã của 230Th. 228Ra được sinh ra từ 232Th trong trầm tích và khuếch tán vào nước biển. Các con sông cũng là một nguồn cung cấp 228Ra quan trọng [48,53].