NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM NGUỒN GỐC CÔNG CỤ ĐÁ TỪ CÁC DI TÍCH KHẢO CỔ HỌC TIỀN SỬ Ở LÂM ĐỒNG - Full 10 điểm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
CẤP TRƯỜNG
Đề tài:

NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM NGUỒN GỐC CÔNG
CỤ ĐÁ TỪ CÁC DI TÍCH KHẢO CỔ HỌC TIỀN SỬ
Ở LÂM ĐỒNG

Chủ nhiệm đề tài: TRẦN NGỌC DIỆU QUỲNH

Lâm Đồng - 2014


MỤC LỤC
Trang
THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ................................................... 3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...................................................................... 6
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1–TỔNG QUAN ........................................................................................ 9
1.1. Nghiên cứu nguồn gốc trong khảo cổ .......................................................... 9
1.1.1. Nguyên lý nguồn gốc .................................................................. 9
1.1.2. Sơ lược về đá ............................................................................. 10
1.1.3. Ứng dụng các kỹ thuật phân tích hạt nhân khảo cổ học ............. 12
1.2. Lý thuyết về phương pháp phân tích kích hoạt neutron............................... 13
1.2.1. Giới thiệu ................................................................................. 13
1.2.2. Nguyên tắc của phân tích kích hoạt neutron ............................. 14
1.2.3. Phân tích kích hoạt neutron dùng lị phản ứng .......................... 14

1.2.4. Những phương pháp chuẩn hóa NAA ..................................... 17
1.2.4.1. Phương pháp tuyệt đối .......................................................... 17
1.2.4.2. Phương pháp tương đối ......................................................... 18
1.2.4.3. Phương pháp chuẩn đơn ........................................................ 18
1.2.4.4. Phương pháp chuẩn hóa k-zero (k0) ...................................... 19
1.3. Phương pháp xử lý thống kê đa biến........................................................... 19
1.3.1. Giới thiệu ................................................................................... 19
1.3.2. Phương pháp phân tích thành phần chính PCA (Principal
Component Analysis) .................................................................................................. 20
1.3.3. Phương pháp phân tích nhóm CA (Cluster Analysis) ................ 23
1.3.4. Các bước cơ bản trong xử lý thống kê đa biến số liệu thực
nghiệm .............................................................................................................. 24
1.3.5. Chương trình xử lý thống kê đa biến ........................................ 25
1.4. Vài nét về lịch sử nghiên cứu khảo cổ học tiền sử Tây Nguyên ................. 26
1.5. Khu vực nghiên cứu .................................................................................. 29
CHƯƠNG 2 – THỰC NGHIỆM .............................................................................. 31
2.1. Thu thập mẫu ........................................................................................................ 31
2.2. Xây dựng quy trình phân tích mẫu ........................................................................ 31
2.2.1. Chuẩn bị mẫu phân tích ............................................................................... 31
2.2.2. Chuẩn bị mẫu chuẩn, lá dị ........................................................................... 31
2.2.3. Chiếu và đo mẫu .......................................................................................... 31
2.3. Xử lý phổ gamma và tính tốn kết quả ................................................................ 33
2.4. Đánh giá quy trình phân tích ................................................................................. 34
Trang 1


CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN ............................................................ 38
3.1. Tóm tắt kết quả phân tích ...................................................................................... 38
3.2. Kết quả xử lý thống kê .......................................................................................... 44
3.3. Kết quả phân loại đá tại ba khu vực Lâm Đồng, Đắc Nông và Gia Lai .................. 47

KẾT LUẬN ................................................................................................................ 49
CÁC CƠNG TRÌNH DỰ KIẾN ĐĂNG TẢI ............................................................ 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 52
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 55

Trang 2


THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Họ và tên

Đơn vị công tác và lĩnh vực chuyên môn

Trần Ngọc Diệu Quỳnh

Khoa Vật lý, ĐHĐL; Vật lý hạt nhân

Đoàn Trọng Thứ

Khoa Vật lý, ĐHĐL; Vật lý hạt nhân

Lê Xuân Hưng

Khoa Lịch sử, ĐHĐL; Khảo cổ học

Trần Quang Thiện

Trung tâm Phân tích, Viện Nghiên cứu hạt
nhân; Vật lý hạt nhân

Hồ Văn Doanh

Trung tâm Phân tích, Viện Nghiên cứu hạt
nhân; Vật lý hạt nhân

Cao Đơng Vũ

Trung tâm Phân tích, Viện Nghiên cứu hạt
nhân; Vật lý hạt nhân.

Trang 3


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
CA

Tiếng Anh
Cluster Analysis

Tiếng Việt
Phân tích nhóm

FA

Factor Analysis

Phân tích nhân tố

CDA

Canonical Discriminant Analysis

Phân tích biệt số chính tắc

HPGe

High Purity Germanium

Đầu dị bán dẫn Ge siêu tinh khiết

IAEA

International Agency Atomic Energy

Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc
tế

INAA

Instrumental Neutron Activation
Analysis

Phân tích kích hoạt neutron
dụng cụ

k0-NAA

k-zero Standardization Method
ofNeutron Activation Analysis

Phương pháp chuẩn hóa k-zero trong
phân tích kích hoạt neutron

LOD

Limit of Detection

Giới hạn phát hiện

NAA

Neutron Activation Analysis

Phân tích kích hoạt neutron

NIST

National Institute of Standards
and Technology

Viện Chuẩn và Cơng nghệ
Quốc gia Hoa Kỳ

PCA

Principal Component Analysis

Phân tích thành phần chính

PC

Principal Component

Thành phần chính

SPSS

Statistical Package for Social
Sciences

Chương trình xử lý thống kê
dùng trong khoa học xã hội(USA)

SRM

Standard Reference Materials

Chất chuẩn tham khảo

UNESCO

United Nations Scientific and
Organization Educational
Cultural

Tổ chức Khoa học, Giáo dục
và Văn hóa Liên Hiệp Quốc

XRFA

X-Ray Fluorescence Analysis

Phân tích huỳnh quang tia X

Trang 4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1 – Thông tin lấy mẫu tại các khu vực nghiên cứu .......................................... 31
Bảng 2.2 – Các chế độ chiếu, rã, đo cua mẫu đá khảo cổ ............................................ 32
Bảng 2.3 – Giá trị hàm lượng (ppm) và sai số phân tích của 23 nguyên tố trong mẫu
chuẩn NIST 1633B (Coal Fly Ash) ............................................................................. 35
Bảng 2.4 – Giá trị hàm lượng (ppm) và sai số phân tích của 20 nguyên tố trong mẫu
chuẩn NIST 278 (Obsidian Rock) ............................................................................... 35
Bảng 2.5 – Giá trị hàm lượng (ppm) và sai số phân tích của 20 nguyên tố trong mẫu
chuẩn NIST 2711a (Montana II Soil) .......................................................................... 36
Bảng 2.6 - Giới hạn phát hiện trung bình của 24 nguyên tố trong các mẫu di vật đá
theo quy trình phân tích .............................................................................................. 37
Bảng 3.1 – Bảng tóm tắt kết quả phân tích của nhóm đá nguyên liệu ........................... 38
Bảng 3.2 – Bảng tóm tắt kết quả phân tích của nhóm đá Thơn 4 .................................. 38
Bảng 3.3 – Bảng tóm tắt kết quả phân tích của nhóm đá Phúc Hưng ............................ 39
Bảng 3.4 – Bảng tóm tắt kết quả phân tích của nhóm đá Hồn Kiếm ........................... 40
Bảng 3.5 – Bảng tóm tắt kết quả phân tích của nhóm đá Gan Thi ................................ 40
Bảng 3.6 – Bảng tóm tắt kết quả phân tích của nhóm đá Lâm Đồng............................. 41
Bảng 3.7 – Bảng tóm tắt kết quả phân tích của nhóm đá Đắc Nơng ............................. 42
Bảng 3.8 – Bảng tóm tắt kết quả phân tích của nhóm đá Gia Lai ................................. 42
Bảng 3.9 – Tỉ lệ trung bình hàm lượng các mẫu đá giữa các khu vực nghiên cứu ........ 43

Trang 5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 - Hai cách tiếp cận để xác định nguồn gốc (H. Neff, 2000) .............................. 9
Hình 1.2 - Biểu đồ (Na2O+K2O) - SiO2 của Le Maitre (1989) dùng để phân loại các
loại đá núi lửa. ............................................................................................................. 10
Hình 1.3 – Giản đồ Th-Co theo A. R. HASTIE (2007)................................................. 11
Hình 1.4 - Sơ đồ biểu diễn quá trình phản ứng bắt neutron trong NAA ........................ 14
Hình 1.5 - Phân bố phổ thơng lượng nơtrơn lị phản ứng ............................................. 15
Hình 1.6 - Giao diện của chương trình MURRAP ........................................................ 26
Hình 2.1 - Giao diện chương trình k0-DALAT ............................................................ 33
Hình 3.1 – Kết quả xử lý CA đối với các mẫu đá thu thập tại Lâm Đồng ..................... 45
Hình 3.2 – Kết quả xử lý PCA đối với các mẫu đá thu thập tại Lâm Đồng ................... 46
Hình 3.3 – Kết quả xử lý PCA đối với các mẫu đá thu thập tại Lâm Đồng, Đắc Nông
và Gia Lai .................................................................................................................... 46
Hình 3.4 – Kết quả phân loại đá tại ba khu vực Gia Lai, Đắc Nông và Lâm Đồng theo
giản đồ Th-Co ............................................................................................................. 47

Trang 6


MỞ ĐẦU
Trước 1975, trên đất Tây Nguyên nói chung và trên địa bàn tỉnh Lâm Đồng nói
riêng, vấn đề nghiên cứu các văn hóa cổ chưa được quan tâm, hầu như khơng có phát
hiện và nghiên cứu khảo cổ nào. Sau 1975, khi miền Nam hồn tồn được giải phóng,
trên đất Tây Nguyên nói chung và Lâm Đồng nói riêng đã có rất nhiều phát hiện, khai
quật khảo cổ mới. Ở Lâm Đồng từ năm 2005 đến nay đã phát hiện được 10 di tích
cơng xưởng chế tác cơng cụ đá ở Huyện Lâm Hà-Tỉnh Lâm Đồng. Trong đó 7 di tích

được đào thám sát là Thơn Bốn 1, Thơn Bốn 2 (Trần Văn Bảo 2007: 36), Thôn Bốn 3,
Thôn Bốn 4, Thôn Bốn 5, Gan Thi 1, Gan Thi 2 (Lê Xuân Hưng 2010); 3 di tích được
khai quật là Thơn Bốn (Trần Văn Bảo 2007: 31-42), Hồn Kiếm (Bùi Chí Hồng
2010a: 35-49) và Phúc Hưng (Bùi Chí Hồng 2010b). Đây là nguồn tư liệu quan trọng
cho việc nhận thức giai đoạn tiền sử ở Lâm Đồng nói chung và vấn đề cơng xưởng chế
tác cơng cụ đá nói riêng. Tuy nhiên, các di tích khảo cổ học tiền sử ở Lâm Đồng mới
được nghiên cứu và công bố sơ bộ, còn rất nhiều câu hỏi mà các nhà khảo cổ học đang
cố gắng tìm lời giải đáp.
Đề tài: “Nghiên cứu thử nghiệm nguồn gốc công cụ đá từ các di tích khảo cổ học
tiền sử ở Lâm Đồng” được đặt ra nhằm:
- Xuất phát từ thực trạng nghiên cứu khảo cổ học tiền – sơ sử, nghiên cứu nguồn
gốc cơng cụ đá từ các di tích khảo cổ học tiền sử ở Lâm Đồng có giá trị đặc biệt quan
trọng đóng góp vào q trình nghiên cứu lịch sử văn hóa ở Lâm Đồng nói riêng và
Tây Nguyên nói chung.
- Qua những kết quả về nguồn gốc các cơng cụ đá sẽ góp phần minh chứng cho
q trình chế tác đá với kĩ thuật chế tạo ra các sản phẩm. Từ đó, sẽ cho thấy sự ảnh
hưởng, giao lưu trao đổi sản phẩm đồ đá giữa các khu vực văn hóa và những vùng
miền khác nhau. Tất cả những điều trên đã và đang đưa ra những nhận thức mới về
khảo cổ học ở Lâm Đồng.
- Nghiên cứu nguồn gốc cơng cụ đá từ các di tích khảo cổ học tiền sử ở Huyện
Lâm Hà - Lâm Đồng chính là góp một phần vào nhận thức thành tựu hoạt động thủ

Trang 7


công chế tạo công cụ lao động của cư dân tiền – sơ sử, con đường giao lưu của các cư
dân tiền – sơ sử Lâm Đồng.
- Tìm hiểu bức tranh tồn cảnh về q khứ xa xưa, góp phần khơi phục lại diện
mạo của nền văn hóa cổ trên mảnh đất Lâm Đồng, cũng như có sự so sánh, nhận xét
mối quan hệ giữa các di tích khảo cổ học tiền-sơ sử ở Lâm Đồng và khu vực Tây

Nguyên sẽ hé dần diện mạo nền văn hóa cổ một cách tồn diện nhất, góp phần nhận
thức, bảo vệ, phát huy di sản khảo cổ học trong tương lai.
Với những ứng dụng thành cơng của các kỹ thuật phân tích trong nghiên cứu
nguồn gốc các vật liệu khảo cổ (đồ gốm, đồ đá, đồ đồng,…) trong nhiều năm qua trên
thế giới và ở Việt Nam, chúng tôi mong muốn thông qua đề tài nghiên cứu này ứng
dụng phương pháp phân tích kích hoạt neutron trên lị phản ứng và các kỹ thuật xử lý
thống kê để nghiên cứu thử nghiệm nguồn gốc của các công cụ đá thời tiền sử ở Lâm
Đồng. Cơng việc này góp phần bổ sung nguồn tư liệu cho việc nghiên cứu lịch sử ở
Lâm Đồng nói riêng và Tây Ngun nói chung.
Ngồi ra, qua đề tài sẽ tạo tiền đề cho việc áp dụng quy trình nghiên cứu nguồn
gốc di vật khảo cổ đất nung đã được xây dựng thành công tại Viện Nghiên cứu hạt
nhân trên đối tượng di vật đá phục vụ cho nghiên cứu khảo cổ học trong nước trong
tương lai.
Với những mục tiêu như trên, đề tài được Trường Đại học Đà Lạt cho phép thực
hiện trong thời gian 1 năm từ tháng 12-2013 đến tháng 12-2014 với tổng kinh phí là
15 triệu đồng.

Trang 8


CHƯƠNG I – TỔNG QUAN
1.1. Nghiên cứu nguồn gốc trong khảo cổ
1.1.1. Nguyên lý nguồn gốc (Provenance postulate)
Xác định nguồn gốc dựa trên thành phần hóa học của các nguyên tố có trong mẫu
vật đã được biết đến từ thập kỷ 70 của thế kỷ XX. Weigand và các cộng sự của ông
được xem là những người tiên phong trong nỗ lực phân tích thành phần hóa học trong
mẫu vật để tìm hiểu nguồn gốc của nó và được ơng phát biểu thành nguyên lý như
sau: “Tồn tại những sự khác biệt trong thành phần giữa các nguồn nguyên liệu tự
nhiên khác nhau mà nó vượt quá sự khác biệt giữa các thành phần quan sát được trong
cùng một nguồn nguyên liệu”. Ngày nay, phát biểu này được xem như là “Nguyên lý

nguồn gốc” của các nhà khảo cổ.
Nó được hiểu rằng, đồ tạo tác được tạo ra từ một nguồn ngun liệu thơ nào đó,
có thể được xác định một cách thành cơng thơng qua việc phân tích thành phần hóa
học của chúng, miễn là sự khác biệt giữa các nguồn khác nhau phải đủ lớn so với sự
khác biệt giữa chúng trong cùng một nguồn.

Hình 1.1 - Hai cách tiếp cận để xác định nguồn gốc (H. Neff, 2000)
Trang 9


Từ nguyên lý của Weigand (1977), vào năm 2000, H. Neff đã đưa ra hai cách tiếp
cận trong nghiên cứu nguồn gốc cho hai nhóm đối tượng chính trong khảo cổ học đó
là các cổ vật được làm từ các dạng đá (nhóm I) và các cổ vật được làm từ đất sét, đồ
đất nung, gốm sứ (nhóm II).
Theo H. Neff, việc xác định nguồn gốc có thể theo một trong hai hướng riêng biệt
được chỉ ra cụ thể trong Hình 1.1. Nếu các nguồn được định vị và nhận diện một cách
rõ ràng thì nguồn gốc của các cổ vật chưa biết được so sánh với các nhóm đã biết
nguồn gốc (cách tiếp cận thứ nhất - nhóm I). Ví dụ như trong trường hợp cổ vật được
làm từ các vật liệu lấy từ các mỏ khoáng núi lửa, nguyên liệu thô từ các nguồn này
được phân lập và dễ dàng được nhận diện. Mặt khác, nếu nguồn được phân bố rộng,
đặc biệt đúng trong trường hợp các nguyên liệu thô là đất sét dùng trong sản xuất các
loại gốm sứ, việc lấy mẫu và phân lập các nguồn khả dĩ là rất khó (hay khơng thực tế),
sử dụng cách tiếp cận thứ II – nhóm II).
1.1.2 Sơ lược về đá
Đá là tổ hợp có quy luật của các loại khống vật có thể là một thể địa chất có lịch
sử hình thành riêng biệt. Cách phân loại tổng quát nhất dựa trên nguồn gốc thành tạo
gồm đá magma, đá trầm tích và đá biến chất. Thiên thạch được xem là một nhóm đá
riêng có nguồn gốc từ vũ trụ.
Đá magma hình thành khi dung nham đơng nguội trên bề mặt hoặc kết tinh ở dưới
sâu. Các loại đá mácma chiếm khoảng 95% tồn bộ phần phía trên của lớp vỏ Trái

Đất, nhưng chúng phân bố phổ biến hơn ở bên dưới lớp đá trầm tích và đá biến chất
tương đối mỏng nhưng phân bố rộng. Có nhiều cách để phân loại các đá magma,
nhưng chủ yếu dựa trên: Thành phần khống vật của đá (thạch học).

Hình 1.2 - Biểu đồ (Na2O+K2O) - SiO2 của Le Maitre (1989) dùng để phân loại
các loại đá núi lửa.
Dựa vào thành phần hố học, có thể sử dụng biểu đồ (Na2O+K2O) - SiO2 (còn gọi
là biểu đồ TAS) của Le Maitre (1989) (Hình 1.2), được xây dựng trên cơ sở 24.000 đá
núi lửa tươi hoặc ít biến đổi (vì khi biến đổi tổng lượng kiềm thay đổi khá nhiều).
Trang 10


Trên biểu đồ này chỉ ra các trường đá núi lửa khác nhau với các tên đá được thừa nhận
phổ biến. Tuy vậy, một số trường, nếu khơng có các thơng số bổ sung thì khơng thể
định danh được tên đá. Ví dụ, trường bazanit và tefrit hoặc trachyt và trachydacit.

Hình 1.3 - Giản đồ Th-Co theo A. R. HASTIE (2007)
Nhiều giản đồ đồ thông thường khác cũng được sử dụng để phân loại đá núi lửa
sử dụng các nguyên tố động. Giản đồ K2O-SiO2 trong địa chất được sử dụng để phân
loại đá vòng cung núi lửa (Basalt 45–52% SiO2, Andesite 52–63% SiO2, Dacites 63–
69% SiO2 và Rhyolites >69% SiO2,…) và chuỗi đá núi lửa (tholeiitic, calc-alkaline,
high-K calc-alkaline và shoshonite theo hàm lượng K2O), đặc biệt nhạy với những tác
động của sự thay đổi. A. R. HASTIE (2007) là người đề xuất bằng cách sử dụng
nguyên tố Th làm thay thế cho K2O và Co thay cho SiO2 đã xây dựng một sơ đồ hình
học tương tự mà thực hiện nhiệm vụ phân loại nhưng mạnh mẽ hơn cho các loại đá.
* Các ký hiệu của HASTIE dùng để phân loại một số loại đá magma
B: Basalt: là loại đá magma màu xám hay màu đen, hình thành do mác ma phun
trào ra ngoài miệng núi lửa rồi nguội đi. Đá Basalt thường có kiến trúc vi tinh, ẩn tinh,
thủy tinh hoặc pocfia do sự nguội nhanh của dung nham trên mặt của Trái Đất. Basalt
thường có cấu tạo đặc sít, dịng chảy, cấu tạo lỗ hổng (vesicular) hoặc dạng xỉ núi lửa

chứa bọt (frothy scoria). Đá balsalt khi chưa chịu sự bào mịn của thời tiết có màu xám
hoặc đen.
Từ balsalt đơi khi cịn dùng để chỉ loại đá núi lửa khơng bị phun ra ngồi, nằm
trong lớp đất nơng, có thành phần balsalt điển hình.
BA/A: basaltic-andesite and andesite: là một loại đá magma phun trào có thành
phần trung tính, với kiến trúc ẩn tinh đến ban tinh. Về tổng thể, nó là loại đá trung
Trang 11


gian giữa balsalt và dacite. Thành phần khoáng vật đặc trưng gồm plagiocla với
pyroxen hoặc hornblend. Magnetit, zircon, apatit, ilmenit, biotit, và granat là các
khoáng vật phụ thường gặp. Fenspat kiềm có thể có mặt với số lượng nhỏ.
D/R: dacite and rhyolite (indicates that latites and trachytes also fall in the
D/R fields) ;
Dacite là một loại đá magma phun trào hay đá núi lửa. Nó có kiến trúc ẩn tinh
hoặc ban tinh và là một loại đá trung tính có thành phần trung gian giữa andesit và
rhyolit. Dacite có thành phần chủ yếu là felspar plagioclase với biotit, hornblend, và
pyroxen (augit và/hoặc enstatit). Nó có các hạt thạch anh ở dạng giống như ban tinh
tròn cạnh, bị gặm mòn, hoặc ở trong nền của khối đá.
Rhyolit là một loại đá magma phun trào có thành phần axit (giàu điơxít silic)
(>69% SiO2). Nó có thể có nhiều kiến trúc từ thủy tinh, ẩn tinh đến ban tinh. Các
khống vật chính thường bao gồm thạch anh, fenspat và plagiocla kiềm, cịn các
khống vật phụ phổ biến như biotit và hornblend.
CA: calc-alkaline là một trong hai loại magma chính trong đá núi lửa, loại khác
là tholeiitic .
Các loại đá khác nhau trong loạt calc-alkaline bao gồm các loại đá núi lửa như
basalt, andesite, dacite, rhyolite và một số họ đá xâm nhập (gabro, diorite,
granodiorite và granite).
IAT: Island Arc Tholeiite; là nhóm magma tholeiitic được phân loại là
subalkaline (chúng chứa ít natri hơn một số loại đá basalt khác) và được phân biệt với

đá calc-alkaline magma bởi trạng thái khử oxy hóa của magma chúng kết tinh. Khi
magma mẹ của basalt kết tinh, chúng ưu tiên kết tinh các hình thức giàu magiê và ít
sắt của các khoáng chất silicat olivin và pyroxen.
H-K and SHO: high-K calc-alkaline and shoshonite: là nhóm đá magma có
hàm lượng K cao. Đá Shoshonitic có xu hướng được liên kết với calc-alkaline vịng
cung núi lửa trong q trình di chuyển, nhưng shoshonite thường giàu K, trẻ hơn và
nằm sâu hơn.
Theo kích thước tinh thể, đá magma có thể phân loại thành pecmatit (hạt rất lớn),
hiển tinh (chỉ có hạt lớn hay phanerit), ban tinh (một số hạt lớn trên nền là các hạt nhỏ
hay pocfia), vi tinh (chỉ có hạt nhỏ hay aphanit), thủy tinh (khơng có hạt).
1.1.3. Ứng dụng các kỹ thuật phân tích hạt nhân trong khảo cổ học
Ý niệm về phản ứng hạt nhân có thể được dùng cho phân tích định lượng được
Georg Hevesy và Hidle Levy đưa ra năm 1936. Họ đã phát hiện thấy nhiều nguyên tố
đất hiếm trở nên có hoạt độ phóng xạ cao sau khi được chiếu bởi neutron, hoạt độ này
được phát ra từ nhiều nguyên tố khác nhau và giảm dần theo các tham số thời gian
khác nhau (T1/2). Từ phát hiện này, họ đã nhận ra về tiềm năng của việc nhận diện sự
có mặt của những nguyên tố trong mẫu vật là hỗn hợp của nhiều nguyên tố thông qua
việc đo các bức xạ khác nhau và chu kỳ bán hủy của những nguyên tố phóng xạ.

Trang 12


Một trong những cách để xác định nguyên tố có trong các mẫu vật là phương pháp
NAA. Tiềm năng ứng dụng của phương pháp NAA lần đầu tiên đã được Robert
Oppenheimer thừa nhận như một công cụ nghiên cứu của khảo cổ học vào năm 1954,
ông đã đề nghị Dodson và Sayre tại phịng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ Brookhaven
sử dụng phương pháp NAA như một cách khả dĩ để xác định nguồn gốc của các mảnh
gốm khảo cổ. Cũng trong thời gian này, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Oxford
cũng bắt đầu tiến hành những thực nghiệm với NAA trên các đối tượng gốm và tiền
cổ.

Những ứng dụng ban đầu đã gặp phải trở ngại bởi độ phân giải kém của các hệ đo
phổ gamma, nhưng sự ra đời của đầu dò (detector) Ge[Li] vào đầu những năm 1960
đã mang lại những cải tiến đáng kể về độ phân giải cho các hệ đo phổ, điều này đã tạo
ra một làn sóng cho ứng dụng NAA trong ngành khảo cổ học. Bài báo cáo của Sayre
(1965) về phân tích thủy tinh cổ là báo cáo đầu tiên về việc sử dụng và những lợi thế
của đầu dò Ge[Li] trong NAA.
Năm 1969, Perlman và Asaro đã đưa ra một mơ tả về phương pháp chuẩn hóa so
sánh trong NAA để áp dụng trong xác định nguồn gốc tại phịng thí nghiệm Lawrence
Berkeley Laboratory (LBL). Từ đó NAA được các nhà khảo cổ sử dụng nhiều hơn
trong khoảng thời gian từ năm 1970 đến năm 1980 để xác định nguồn gốc cho các đối
tượng như: gốm cổ, khoáng núi lửa (obsidian), đá trầm tích (chert) và các dạng
nguyên liệu khác. Từ những năm 1990 cho đến nay, NAA được xem như một công cụ
trong nghiên cứu nguồn gốc của khảo cổ học, được sử dụng ở mức cao và ngày càng
rộng rãi.
1.2. Lý thuyết về phương pháp phân tích kích hoạt neutron
1.2.1. Giới thiệu
Phân tích kích hoạt neutron (NAA) là một kỹ thuật phân tích có độ nhạy cao đáp
ứng được cả hai yêu cầu định tính và định lượng của phân tích đa nguyên tố trong
nhiều loại mẫu khác nhau. NAA được giới thiệu từ năm 1936 bởi Georg von Hevesy
và Hilde Levi. Cho đến nay phân tích kích hoạt là phương pháp phân tích hàm lượng
các nguyên tố trong mẫu chính xác và tiện lợi nhất, trong đó neutron được dùng để
kích hoạt hạt nhân trong mẫu .
Mỗi hạt nhân trong mẫu đều có một xác suất bắt neutron xác định. Xác suất này
có thứ nguyên được mơ tả bằng đơn vị diện tích và được gọi là tiết diện bắt neutron
(σ). Thông lượng neutron được biểu diễn bởi số neutron đi qua một đơn vị diện tích
trong một đơn vị thời gian (n.cm-1.s-1). Các hạt nhân có cùng số proton nhưng khác số
neutron là đồng vị của nhau, có nghĩa là cùng thuộc một nguyên tố. Tỉ số hạt nhân
giữa các đồng vị của một nguyên tố nào đó có số neutron cụ thể là độ phổ cập đồng vị
(θ). Khi neutron có năng lượng thấp tương tác với hạt nhân bia qua quá trình tán xạ
không đàn hồi, một hạt nhân hợp phần trung gian ở trạng thái kích thích được tạo ra.

Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần chính là năng lượng liên kết của neutron
với hạt nhân. Hầu hết các hạt nhân hợp phần đều có khuynh hướng trở về trạng thái
Trang 13


cân bằng bằng cách phát ra tia gamma tức thời đặc trưng. Trong nhiều trường hợp,
trạng thái cân bằng mới này lại tạo ra một hạt nhân phóng xạ phân rã bằng cách phát
một hoặc nhiều gamma trễ đặc trưng nhưng ở một tốc độ chậm hơn nhiều so với quá
trình phát tia gamma tức thời ở trên. Tia gamma phát ra với một xác suất riêng được
gọi là cường độ gamma tuyệt đối (γ). Các tia gamma có thể được phát hiện bằng
detector bán dẫn có độ phân giải năng lượng cao. Trong phổ gamma nhận được, năng
lượng của đỉnh hấp thụ tồn phần xác định sự có mặt của nguyên tố trong mẫu (định
tính) và diện tích của đỉnh cho phép xác định hàm lượng của nguyên tố đó (định
lượng) .
1.2.2. Ngun tắc của phân tích kích hoạt neutron
Cơ sở của phân tích kích hoạt neutron là phản ứng của các neutron với hạt nhân
nguyên tử. Quan trọng nhất trong NAA là phản ứng bắt neutron (n,γ), trong đó hạt
nhân X (hạt nhân bia) hấp thụ một neutron, sản phẩm tạo ra là một hạt nhân phóng xạ
với cùng số nguyên tử Z nhưng có số khối A tăng lên một đơn vị và phát ra tia gamma
đặc trưng (hình 1.3), q trình này được mơ tả bởi phản ứng:
A
Z

X + 01n → ( A+Z1X ) * →

X +γ

A+1
Z

A: số khối của nguyên tố bia.
Z: số điện tích của hạt nhân bia.
Ký hiệu (*) trong quá trình trên biểu diễn hạt nhân hợp phần ở giai đoạn trung
gian.

Hình 1.4 - Sơ đồ biểu diễn quá trình phản ứng bắt neutron trong NAA
1.2.3. Phân tích kích hoạt neutron dùng lị phản ứng
Mặc dù có nhiều loại nguồn neutron (lị phản ứng, máy gia tốc, nguồn đồng
vị,v.v…) được sử dụng trong kỹ thuật NAA, nhưng các lò phản ứng hạt nhân với dịng
neutron có thơng lượng cao từ sự phân hạch của uranium cho độ nhạy có thể cao nhất
Trang 14


với hầu hết các nguyên tố. Các loại lò phản ứng khác nhau và những vị trí khác nhau
trong một lị phản ứng có thể thay đổi đáng kể phân bố năng lượng và thơng lượng
neutron.
Neutron sinh ra trong lị phản ứng có năng lượng trong khoảng từ 0 đến 20 MeV.
Trong khoảng năng lượng này, tính chất tương tác của neutron với vật chất khác nhau
trong các miền năng lượng khác nhau. Do đó, người ta chia phổ neutron thành ba
vùng năng lượng tương ứng trong mỗi vùng năng lượng là mỗi loại neutron có các đặc
điểm khác nhau. Cụ thể là:
- Neutron nhiệt: có năng lượng trong khoảng 0 < En < 0.5eV, mật độ neutron
nhiệt tuân theo phân bố Maxwell-Boltzmann:
Mật độ nơtrôn nhiệt phụ thuộc vào năng lượng theo qui luật Maxwell –
Boltzmann.
2π n
−E
kT
n( E ) =

(π kT ) 2
3

e

E

∞

Với: n = ∫ n( E ) dE là mật độ neutron toàn phần
0

k là hằng số Boltzmann. k = 8,61× 10-5 eV/K.
Ở T = 293,6 K thì v = 2200 m/sec. Năng lượng nơtrôn nhiệt ET = 0,0253 eV

Hình 1.5 - Phân bố phổ thơng lượng nơtrơn lị phản ứng
- Neutron trên nhiệt: có năng lượng trong khoảng từ 0,5eV < En < 0,5MeV.
Tiết diện của neutron trên nhiệt tương tác với vật chất có dạng cộng hưởng. Do
đó, vùng này cịn được gọi là vùng cộng hưởng. Phân bố thông lượng netron trên nhiệt
được mô tả một cách lý tưởng theo quy luật 1/E. Nhưng trong thực tế dạng 1/E đươc
Trang 15


thay bởi 1/E1+α, với α là hệ số không phụ thuộc năng lượng biểu diễn độ lệch phổ khỏi
quy luật 1/E và có giá trị nằm trong khoảng [-1,1].
- Neutron nhanh: có năng lượng En > 0,5MeV, cực đại ở 0,7MeV, được mơ tả
bởi phân bố Watt. Sau q trình làm chậm, neutron nhanh chuyển thành neutron trên
nhiệt và neutron nhiệt. Tuy nhiên, quá trình phân hạch vẫn tiếp diễn nên vẫn tồn tại
một số neutron nhanh đồng thời với hai loại kia.
Khi kết hợp việc kích hoạt trên lị phản ứng với việc đo phổ gamma sau khi chiếu

bằng hệ phổ kế gamma dùng detector bán dẫn, ta có mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng
(R) và số đếm ghi được (Np) của đỉnh gamma quan tâm như sau:
R=

N p / tc
S .D.C.N .γ .ε p

Trong đó:
θw
N=

M

N A : số hạt nhân

NA: số Avogadro (NA ≈ 6,023 × 1023 mol-1)
Np: diện tích đỉnh gamma
S = 1- exp(-λti): hệ số bão hòa, hiệu chỉnh thời gian chiếu, λ = ln2/T1/2 với T1/2 là
chu kì bán hủy
ti: thời gian chiếu.
D = exp(-λtd): hệ số phân rã, hiệu chỉnh thời gian phân rã.
td : thời gian rã.
C = [1-exp(-λtm)]/( λtm): hệ số đo, hiệu chỉnh thời gian đo.
tm: thời gian đo.
w: khối lượng nguyên tố được chiếu xạ (g), w = ρ.W với ρ là hàm lượng nguyên
tố quan tâm trong mẫu (g/g), W là khối lượng mẫu (g).
θ: đổ phổ cập đồng vị (%).
M: khối lượng nguyên tử của nguyên tố bia (g/mol).
γ: xác suất phát tia gamma cần đo.
εp: hiệu suất ghi đỉnh (%).

Thay N vào ta có:
N p / tm
R=

SDCw
N Aθ ε p γ / M

Khi đặt hạt nhân trong trường neutron, tốc độ phản ứng được tính bởi công thức:
∞
∞
R = ∫ φ (v).σ (v) dν = ∫ φ ( E ).σ ( E ) dE
0
0

Trong đó:
σ(v): tiết diện phản ứng (n,γ) ở vận tốc neutron v, (cm2).
Trang 16


σ(E): tiết diện phản ứng (n,γ) ở năng lượng neutron E, (cm2).
φ (v): thông lượng neutron ở vận tốc v; φ (v) = n(v).v
với n(v): mật độ neutron ở vận tốc neutron v.
φ (E): thông lượng neutron ở năng lượng E.
Theo quy ước Hogdahl tốc độ phản ứng R có thể được viết như sau:
R = Gth .φth .σ 0 + Ge .φ e . I 0 (α )
Trong đó:
φth : thông lượng neutron nhiệt, (n.cm-2.s-1).
φe : thông luợng neutron trên nhiệt, (n.cm-2.s-1).
σ 0 : tiết diện neutron nhiệt.
∞ σ ( E )dE

I 0 (α ) = ∫
(1eV )α : tích phân cộng hưởng của phân bố thơng lượng neutron
1+α
E
ECd

trên nhiệt không tuân theo quy luật 1/E, (cm2).
Gth và Ge lần lượt là hệ số hiệu chỉnh tự che chắn neutron nhiệt và trên nhiệt.
Kết hợp phương trình trên ta có:
N p / tm N A θ γ
=
[Gthϕthσ 0 + Geϕe I 0 (α )]ε p
SDCw

M

Tốc độ đếm riêng hay hoạt độ riêng được định nghĩa:
N p / tm
A =
sp S .D.C.w

Hay phương trình kích hoạt theo tốc độ đếm riêng:
N θγ
A = A [Gthϕthσ 0 + Geϕ e I 0 (α )]ε p
sp

M

Hay là phương trình kích hoạt cho một lượng nguyên tố (g) như sau:
w=(

N p / tm
SDC

).

1
1
M
.
.
θ γ N A [Gthϕthσ 0 + Geϕe I 0 (α )] ε p

1.2.4. Những phương pháp chuẩn hóa NAA
Chuẩn hóa NAA là làm cho quy trình thực nghiệm phù hợp với phương thức tính
tốn đã chọn của NAA. Có 4 phương pháp chuẩn hóa NAA: tuyệt đối, tương đối,
chuẩn đơn và k-zero .
1.2.4.1. Phương pháp tuyệt đối
Hàm lượng nguyên tố ρ (g/g) thu được bằng cách chiếu kèm mẫu với một monitor
chuẩn (ký hiệu *) :
(

N p / tm

*
)
M θ *γ * [G * .ϕ .σ * + Ge* .φe .I 0* (α )] ε p
⋅
ρ = SDCW* ⋅ * ⋅ th th 0
( Asp )

M θγ [Gthϕthσ 0 + Geφe I 0 (α )] ε p

Trang 17


Trong thực tế, người ta dùng thông số Q0 = I0/σ0 để tính hàm lượng vì Q0 được
tính từ thực nghiệm chính xác hơn I0 và σ0. Thế Q0 vào và biến đổi phương trình ta có
phương trình cơ bản của phương pháp tuyệt đối:
(

N p / tm

*
)
M θ *γ *σ 0* [Gth* . f + Ge* .Q0* (α )] ε p
⋅
⋅
.
ρ = SDCW
Asp*
M *θγ σ 0 [Gth . f + Ge .Q0 (α )] ε p

Trong đó:
φ
f = th : là tỉ số thông lượng netron nhiệt trên thông lượng neutron trên nhiệt.
φe
Q0 (α ) =

Q0 − 0.429
0.429

+ α
(1eV )α với Q0 = I 0 / σ 0
α
Er
ECd (2α + 1)

ECd: năng lượng cắt Cd ( ECd = 0,55 eV) .
Er : năng lượng cộng hưởng hiệu dụng (eV).
α: độ lệch khỏi quy luật 1/E của neutron trên nhiệt, phân bố gần đúng theo 1/E1+α
Các số liệu hạt nhân (M, θ, σ0 và γ) trong phương trình cơ bản của phương pháp
tuyệt đối được lấy từ tài liệu. Tuy nhiên vì các thơng số này được xác định bằng các
phương pháp độc lập do đó độ khơng chính xác của các thông số này – đặc biệt là của
σ0 và γ sẽ đóng góp vào khi tính hàm lượng bằng cơng thức trên dẫn đến sai số tính
tốn lớn. Đây chính là nhược điểm cơ bản của phương pháp tuyệt đối.
1.2.4.2. Phương pháp tương đối
Trong phương pháp chuẩn hóa tương đối, mẫu cần phân tích được chiếu cùng với
mẫu chuẩn hay mẫu tham khảo chứa một lượng đã biết của nguyên tố quan tâm. Mẫu
tham khảo hay mẫu chuẩn được chiếu và đo dưới cùng một điều kiện như mẫu phân
tích. Do đó, các giá trị như: tiết diện bắt neutron, thông lượng, hiệu suất ghi, thời gian
chiếu,… bị triệt tiêu. Dựa vào tỉ số giữa hai phương trình kích hoạt của mẫu và mẫu
chuẩn, hàm lượng được tính bằng phương pháp tương đối như sau:
 N p / tm
 DCW

ρ =



x

 N p / tm

 DCw



s

Trong đó “x” chỉ mẫu phân tích, “s” chỉ mẫu chuẩn.
Có thể nói đây là phương pháp cho kết quả chính xác nhất trong các phương pháp
chuẩn hóa của NAA. Nhược điểm của phương pháp này là trong một số trường hợp
khơng tìm được mẫu chuẩn có thành phần và cấp hàm lượng tương đồng (matrix) với
mẫu phân tích.
1.2.4.3. Phương pháp chuẩn đơn
Chiếu mẫu cùng với một monitor dùng làm chuẩn. Phương pháp này dựa trên việc
gộp các thông số hạt nhân, điều kiện chiếu và đo lại thành hệ số k:
M *θγ σ 0 Gth . f + Ge .Q0 (α ) ε p
k=
⋅ *
⋅ *
*
*
M θ *γ *σ * Gth . f + Ge .Q0 (α ) ε p
0

Trang 18


Hệ số k của từng nguyên tố được đo bằng thực nghiệm và được lập thành bảng.
Từ đó hàm lượng của ngun tố quan tâm được tính theo cơng thức:

(

N p / tm

)

1
ρ = SDCW
⋅
*
Asp

k

Ưu điểm của phương pháp này là thuận tiện cho việc phân tích đa nguyên tố. Tuy
nhiên vì hệ số k phụ thuộc vào các thơng số của thiết bị chiếu và hệ đo, do đó nhược
điểm của phương pháp chuẩn đơn là không linh hoạt mỗi khi thay đổi điều kiện chiếu
hoặc hệ đo thì phải xác định lại tập hợp hệ số k, đây là công việc mất rất nhiều thời
gian.
1.2.4.4. Phương pháp chuẩn hóa k-zero (k0)
Các phương pháp chuẩn hóa thơng thường có một số nhược điểm cần khắc phục,
người ta đã nghiên cứu đưa ra một phương pháp mới là phương pháp chuẩn hóa k0
trong NAA (k0-NAA) để khắc phục một số nhược điểm của các phương pháp đã trình
bày ở trên, phương pháp này thỏa các yêu cầu sau: (i) đơn giản trong thực nghiệm; (ii)
độ chính xác cao; (iii) linh hoạt khi thay đổi điều kiện chiếu và đo; (iv) thích hợp với
việc tự động hóa (máy tính hóa). Phương pháp này được phát triển như là phương
pháp chuẩn hóa tuyệt đối, trong đó dữ liệu hạt nhân khơng tin cậy được thay bởi hằng
số hạt nhân tổ hợp được xác định chính xác bằng thực nghiệm được gọi là hệ số kzero (k0), hay như là phương pháp chuẩn đơn được làm cho linh hoạt khi thay đổi vị
trí chiếu và hệ đo .
Xuất phát từ hệ số k của phương pháp chuẩn đơn, người ta định nghĩa hệ số k0 sao

cho độc lập với điều kiện chiếu và đo:
M γ θ σ
k0,c ( s) =

m s s 0, s

M γ θ σ
s m m 0, m

Trong đó “a” chỉ nguyên tố cần phân tích, “m” chỉ nguyên tố làm monitor (phổ
biến là Au).
Hệ số k0 được đo bằng thực nghiệm và lập thành bảng. Chiếu mẫu cùng lúc với lá
dò (monitor), ta thu được hàm lượng nguyên tố cần phân tích:
ρ=

 Np / t m 


 SDCW a
Asp ,m

⋅

G ⋅ f + Ge,m ⋅ Q0, m (α ) ε p ,m
1
⋅ th,m
⋅
k0,m (a ) Gth ,a ⋅ f + Ge,a ⋅ Q0,a (α ) ε p ,a

Với những ưu điểm của phương pháp k0, các phịng thí nghiệm NAA của cơ quan

năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) và Tổ chức Châu Âu (EEC) đã khuyến cáo
dùng k0 – INAA như một phương pháp chuẩn trong nhiều đối tượng nghiên cứu. Với
vai trò này, phương pháp k0 – INAA ngày càng được nghiên cứu, phát triển và hoàn
thiện.
1.3. Phương pháp xử lý thống kê đa biến
1.3.1. Giới thiệu
Trang 19