Giáo trình địa vật lý giếng khoan part 5 pptx

109
Khi dòng điện ngoài chấm dứt, các ion trao đổi lại tái phân bổ trên màng sét và
sinh ra gradien nồng độ làm xuất hiện thế phân cực kích thích. Vậy có thể nói rằng trị
số phân cực giảm khi tăng nồng độ ion của chất điện phân. Các đá cát sét bo hoà nớc
thì sẽ có hiệu ứng thấp.
Trong tự nhiên ta có thể gặp các trờng hợp môi trờng có tất cả các điều kiện
bề mặt tiếp xúc giữa các bộ phận dẫn điện ion, điện tử và cách điện (các đá lục nguyên
và cacbonat có chứa pyrit dới dạng xâm tán, bo hoà nớc khoáng hoá cao), dòng
dẫn trong môi trờng, vì vậy đồng thời có tất cả hiệu ứng dẫn ion và dẫn điện điện tử.
Trong điều kiện đó, hiệu ứng toàn phần sẽ là tổng của các thế điện hình thành từ
các hiện tợng vừa nêu trên.
4.2.2. Đo thế điện phân cực kích thích trong giếng khoan
1. Sơ đồ nguyên tắc
Hình vẽ 4.13 là sơ đồ nguyên tắc đo thế điện phân cực kích thích

U
PP
trong
giếng khoan.
Trong sơ đồ đo
U
PP
sử dụng một hệ điện cực A
1
MA
2
. Các điện cực phát A
1
và
A

2
nối thông nhau, điện cực M đặt chính giữa để tránh bị kích thích khi phát dòng I
PP
.
Điện cực B đặt cách xa hệ A
1
MA
2
một khoảng cách đủ lớn để tránh nhiễu cảm ứng khi
đo. Nhờ bộ chuyển mạch P, mạch đo thế
U
PP
và mạch phát AB làm việc theo chế độ
luân chuyển (mạch này mở, mạch kia đóng) còn mạch đo điện trở R
a
thì làm việc đồng
H
ình 4.13. Sơ đồ đo U
P
P


U
PP
R
a
m
A
CP
Cm Cc Rh

B
A
2
M
A
1
N
P
E

110
bộ với mạch AB. Với sơ đồ ở hình 4.13 ta đồng thời đo thế phân cực kích thích

U
PP
và
điện trở suất biểu kiến R
a
.
Cờng độ dòng phát kích thích đợc duy trì ổn định và đủ lớn để ảnh hởng của
thế tự phân cực SP là không đáng kể.
2. Các đờng cong đo ghi thế

U
PP

Nghiên cứu thế điện phân cực kích thích trong giếng khoan ngời ta có thể chọn
một trong các quan hệ phụ thuộc hàm số của giá trị đo

U

PP
với cờng độ dòng phát I,
thời gian trễ tính từ thời điểm kết thúc dòng phát hoặc mật độ dòng (j) hay chọn cả ba
tham số trên cho phù hợp với đối tợng nghiên cứu.

U
PP
= f(I)
U
PP
= f() (4.25)

U
PP
=

(j)
Việc lựa chọn một trong các tham số hay chọn cả ba tham số phụ thuộc vào đối
tợng nghiên cứu.
Các quá trình phân cực trên bề mặt tiếp xúc giữa các thành phần dẫn điện điện
tử và dẫn điện ion gặp ở các đối tợng nghiên cứu là đới quặng hoá (sulfua, oxit), vỉa
than biến chất cao (antraxit).
Quá trình phân cực kích thích trên ranh giới tiếp xúc giữa phần dẫn điện ion và
phần không dẫn điện hay gặp ở các loại đá chứa cacbonat và đá móng nứt nẻ không có
quặng hoá kim loại.
3) Thế phân cực kích thích
Cùng môt giá trị dòng phát kích thích không đổi khi tiến hành đo phân cực kích
thích nhng trờng điện kích thích thay đổi theo điện trở suất của môi trờng. Thế
phân cực kích thích thì phụ thuộc vào cờng độ của trờng kích thích nên số đo
U

PP

chịu ảnh hởng của điện trở suất của vỉa nghiên cứu. Vì thế trong các đá có điện trở
cao, các đờng cong đo thế phân cực, về mặt định tính có dạng tơng tự nh đờng
cong đo điện trở suất biểu kiến và rõ ràng nh vậy không cho thêm thông tin gì trong
phân tích địa chất.
Các ảnh hởng của điện trở suất có thể bị hạn chế đi rất nhiều nếu ta đo giá trị
hệ số tơng đối
1
của thế phân cực kích thích

PP
sau đây:
)26.4(
a
R
PP
PP
U
U


=


Trong đó:


1. Hệ số tơng đối

PP
còn có tên gọi khác là: hệ số phân cực kích thích

111

U
PP
- thế điện phân cực kích thích.

U
Ra
- thế điện giữa hai điện cực thu M và N khi có dòng phát trong môi
trờng. Đại lợng này tơng ứng với tín hiệu đo điện trở suất biểu kiến.
Hệ số phân cực kích thích tơng đối

PP
sẽ không còn chịu ảnh hởng do sự
thay đổi điện trở của môi trờng xung quanh giếng khoan. Vì thế, nó thuận tiện hơn
thế phân cực kích thích khi nghiên cứu lát cắt giếng khoan thăm dò các đới quặng hoá.
Khi gặp các đới quặng hoá, trên đờng cong

PP
có dị thờng lớn hơn đờng cong U
PP

rất nhiều vì ở đó, giá trị

U
Ra
rất nhỏ.

4. Phạm vi ứng dụng của phơng pháp phân cực kích thích
Phơng pháp thế điện phân cực kích thích là một trong các phơng pháp nghiên
cứu các giếng khoan tìm kiếm thăm dò các quặng rắn và than. Kết quả đo phân cực
kích thích đặc biệt có hiệu quả cao ở các trờng hợp nghiên cứu quặng sulfua đa kim
và than biến chất cao. Các đới quặng hoá hay gặp trong đá xâm nhập và đá biến chất là
các đá có điện trở suất cao nên có thể ảnh hởng đến kết quả đo

U
PP
. Trong trờng
hợp đới quặng giàu hoặc xâm tán thì biện pháp đo hệ số

PP
sẽ có kết quả rõ ràng hơn.
Còn một lĩnh vực khá hấp dẫn khi áp dụng phơng pháp phân cực kích thích để
giải quyết các bài toán tìm kiếm nớc dới đất và về nguyên tắc có thể dựa vào kết quả
đo phân cực kích thích để xác định độ thấm của tầng chứa nớc.


112
Chơng 5
Các phơng pháp phóng xạ hạt nhân

Các phơng pháp phóng xạ hạt nhân có cơ sở vật lý - địa chất dựa trên các hiện
tợng phóng xạ tự nhiên và kích thích nhân tạo trong các lớp đất đá ở thành giếng
khoan.
Các phơng pháp phóng xạ hạt nhân đợc sử dụng để nghiên cứu lát cắt địa chất
không chỉ ở các giếng khoan trần (cha chống ống) mà ở các giếng khoan đ chống
ống. Đây là u điểm nổi bật của phơng pháp này.
5.1. Cơ sở vật lý - địa chất

5.1.1. Cờng độ phóng xạ tự nhiên trong đá
a. Các nguyên tố đồng vị phóng xạ tự nhiên
Các đá ở vỏ quả đất có chứa các nguyên tố đồng vị không bền vững, chúng luôn
bức xạ ra các tia
, và . Rất nhiều trong số các nguyên tố đồng vị phóng xạ đó có
hàm lợng rất thấp trong đất đá nên trong thực tế phần đóng góp của chúng vào cờng
độ bức xạ tự nhiên là không đáng kể. Cờng độ bức xạ gamma tự nhiên mà ta có thể đo
đợc chủ yếu là phần đóng góp của các nguyên tố trong các dẫy phóng xạ Uran
(
U
238
92
, U
235
92
),Thori ( Th
232
90
) và đồng vị phóng xạ của Kali ( K
40
19
), ngoài ra còn một lợng
nhỏ khác nh Rubi (
Rb
87
57
) và các nguyên tố đất hiếm khác ( La
138
57
, Lu

176
71
).
Các đồng vị phóng xạ này có đời sống rất dài bức xạ phần chủ yếu các tia
gamma tự nhiên (Bảng 5.1)
Bảng 5.1

K Th U
Hàm lợng tơng đối trong vỏ quả đất
(Số Clarke)
2,35%

12 ppm

3 ppm
Hoạt tính tơng đối của đơn vị trọng
lợng của nguyên tố
1 1300 3600
Chu kỳ bán r (năm) 1,3.10
9
1,4.10
10

4,4.10
9
(
238
U)
7,1.10
8

(
235
U)
Kali khi phân r có 11% số phân r bắn ra gamma để biến thành argon
40
Ar là
nguyên tố bền vững. Vì thế Kali chỉ có một phổ năng lợng gamma đơn 1,46MeV. Các
quá trình phân r phức tạp hơn gặp ở các nguyên tố Uran và Thori hợp thành dy đồng
vị. Một số nguyên tố trong các dy này có bức xạ ra tia gamma tự nhiên (chi tiết xem
giáo trình thăm dò phóng xạ).
Trong điều kiện giếng khoan, các tia phóng xạ
và có khả năng đâm xuyên
kém nên dễ dàng bị hấp thụ hoàn toàn chỉ còn lại tia

.

113
Tia gamma có bản chất là bức xạ sóng điện tử (foton) có thể ở dạng riêng rẽ (tia

bắn ra từ đồng vị
40
K) hoặc phát xạ cùng với các tia

và

. Tia gamma có khả năng
đâm xuyên lớn nên hay đợc đo vẽ trong giếng khoan. Trong môi trờng đất đá, tia


có thể bị khúc xạ, phản xạ và nhiễu xạ. Năng lợng của chúng thay đổi trong khoảng

rộng 0,0019 - 9MeV.
b) Hoạt tính phóng xạ tự nhiên của các đá
Hoạt tính phóng xạ của các đá phụ thuộc vào thành phần khoáng vật và nguồn
gốc của đá.
Các đá xâm nhập phân biệt nhau theo mức độ bức xạ gamma tự nhiên. Các đá
có thành phần axit (granit, granodiorit,) có cờng độ phóng xạ cao hơn cả vì có chứa
Kali và các nguyên tố trong dy U, Th. Feldspat và Mica là các khoáng vật có mặt
nhiều trong đá macma chứa nhiều K, trong đó có thể có tới 0,02% là đồng vị
40
K.
Các đá bazơ và siêu bazơ có độ phóng xạ gamma tự nhiên thấp nhất.
Các đá trầm tích là sản phẩm phong hoá từ đá macma có độ phóng xạ tự nhiên
khác nhau. Nếu sản phẩm bào mòn phong hoá từ đá axit, các đồng vị phóng xạ có độ
linh động cao sẽ tích tụ ở những nơi nhất định. Thạch anh- một trong những khoáng vật
chính của đá axit sẽ kết tinh ở dạng sạch và kết thành đá cát có độ phóng xạ tự nhiên
thấp. Feldspat và mica là các khoáng vật có chứa nhiều K nên dễ bị hấp phụ bởi các
khoáng vật sét, vì vậy mà sét thờng có độ phóng xạ cao.
Cờng độ phóng xạ tự nhiên cao ở các lớp sét cũng còn vì các nguyên nhân
khác nữa. Trong quá trình lắng đọng, sét hấp phụ các ion của các nguyên tố đồng vị
phóng xạ có trong các xác động vật cấp thấp. Các sét bị bitum hoá, có thể chứa tới
0,01% Uran hay Thori. Cờng độ phóng xạ trong trờng hợp này là do sự tích tụ các đồng
vị phóng xạ của các dy Uran và Thori khi có các chất keo sinh ra từ vật chất hữu cơ.
Các đá cacbonat (vôi, dolomit,) có độ phóng xạ thấp nhất. ở các đới xảy ra
quá trình dolomit hoá do tác động của nớc dới đất ta thấy có sự tăng nhẹ độ phóng
xạ tự nhiên do có một lợng nhỏ các đồng vị phóng xạ có sẵn trong nớc.
Các đá cát kết và cacbonat có số đo độ phóng xạ tự nhiên tăng dần theo hàm
lợng sét chứa trong đá.
Dị thờng phóng xạ tự nhiên có thể cao trong trờng hợp trong đá có hàm lợng
các chất phóng xạ nh cát chứa monazit và đá vôi chứa Uran. Biên độ của dị thờng
thậm chí lớn hơn cả khi cát kết chứa glauconit.

Than và các lớp đá thuỷ hoá (thạch cao, anhydrit, muối mỏ) có độ phóng xạ tự
nhiên thấp nhất. Chỉ khi các đá thuỷ hoá có kèm theo các muối Kali (Sinvin, carnalit,
kaimit, langbeinit, polyhalit) thì mới có độ phóng xạ tự nhiên cao.
Trong một số trờng hợp, các mạch nớc dới sâu có nồng độ khoáng hoà tan
có tính phóng xạ đa lên các lớp gần mặt đất và ở đó xuất hiện dị thờng phóng xạ
(trong thực tế đ gặp trờng hợp hoạt độ phóng xạ tới 10
-8
gRatd/lit).

114
c) Đơn vị đo độ phóng xạ
Các đơn vị đo độ phóng xạ tự nhiên hay dùng trong Địa vật lý giếng khoan đợc
trình bày trong bảng 5.2. Trong đó đơn vị

API là đơn vị đợc dùng phổ biến
Bảng 5.2
Đơn vị Ký hiệu Định nghĩa, nội dung
Các thứ nguyên thờng
dùng
Curie Ci
Là đơn vị đo hoạt độ phóng
xạ, lợng chất phóng xạ có
thể bức xạ tia gamma
3.7.10
10
phân r trong 1
giây, tơng đơng với hoạt
độ phóng xạ của 1g chất Ra
mCi = 3,7.10
7

ph.r/s
àCi = 3,7.10
4
ph.r/s
Gram Ratđ/gđđ gRa tđ/g
Lợng các chất phóng xạ
bất kỳ có trong 1g đất đá có
thể tạo ra cờng độ phóng
xạ bằng 1g Ra
ààRa td/g = 10
-12
gR td/g
Microgram Ra
tđ/tấn đđ
àgRa tđ/tấn đđ
Lợng các chất phóng xạ
đo bằng àg trong 1 tấn đất
đá có thể bức xạ

tơng
đơng với 1 àg chất Radi
1
à
gRa tđ/t = 2.8g U/T hay
5.7g Th/T
Roentgen/giờ R/h
Là đơn vị suất liều chiếu.
Bức xạ Gamma hay
Rơnghen của một liều chiếu
có khả năng tạo ra trong

1cm
3
không khí khô ở điều
kiện tiêu chuẩn (
0
C,
760mmHg) một số iôn có
tổng điện tích bằng 1 đơn vị
điện tích trong 1 giờ.
à
R/h = 10
-6
R/h (gamma)

API, GAPI

API (GAPI)
1/200 của độ lệch giữa các
đờng cong Gamma trong
môi trờng không có phóng
xạ và môi trờng có độ
phóng xạ cao chứa
0,0024%Th; 0,0013U và
4%K bao quanh giếng
khoan chống ống đờng
kính 5
1/2
inch

115
5.1.2. Cờng độ phóng xạ nhân tạo hay kích thích
Trong địa vật lý có một số các phơng pháp hạt nhân nghiên cứu môi trờng
qua độ phóng xạ nhân tạo bằng cách chiếu xạ (bắn phá) các hạt nhân trong trong môi
trờng bằng các hạt gia tốc.
Sự bắn phá các hạt nhân bền vững bằng các hạt gia tốc (
, , p, d) và bằng
nơtron hoặc bằng phát xạ gamma có thể diễn ra các hiện tợng sau:
- Phản ứng hạt nhân dạng A(p, q) B hấp thụ. Trong đó A là hạt nhân bị bắn phá
bằng hạt p và bị hấp thụ, còn B là hạt nhân tạo thành và phát xạ hạt năng lợng q.
Ví dụ phản ứng phôton - nơtron:
9
Be(, n)
8
Be có năng lợng E
n
= 1,67 MeV.
- Khuyếch tán của các hạt dùng để bắn phá phụ thuộc vào tỷ số khối lợng của
hạt nhân/khối lợng hạt bắn phá và góc tạo giữa hớng ban đầu và sau tơng tác. Ví dụ
nơtron va chạm với các hạt nhân bị mất dần năng lợng và chuyển động lệch hớng.
Để giảm năng lợng của một nơtron từ 2MeV đến 0,025eV thì nơtron cần va
chạm với hạt nhân của nguyên tố cacbon 114 lần, còn nếu va chạm với hydro thì chỉ
cần 18 lần thôi. Năng lợng càng thấp thì hiện tợng khuyếch tán nơtron trong môi
trờng càng rõ ràng.
ở
trạng thái nhiệt (E
n


0,025 eV) thì nơtron lan toả trong môi

trờng theo định luật khuyếch tán.
Trong các giếng khoan thăm dò tìm kiếm các khoáng sản khác nhau (dầu, than,
quặng, đá quý,) ngời ta thờng dùng biện pháp chiếu xạ (bắn phá) các lớp đất đá
bằng các tia gamma hay chùm hạt nơtron để quan sát và đo vẽ các hiệu ứng do các va
chạm của chúng với môi trờng nghiên cứu. Vì vậy, ở đây ta chỉ giới hạn xét tơng tác
của hai phép chiếu xạ vừa nêu.
Tơng tác của các tia gamma với môi trờng

Khi chiếu xạ môi trờng nghiên cứu bằng chùm tia gamma thì ta sẽ gặp các
tơng tác giữa gamma với môi trờng gây ra ba hiệu ứng quan trọng sau đây:
a) Hiệu ứng quang điện
:
Trong hiệu ứng này phôtôn lợng tử gamma tới va chạm
không đàn hồi với nguyên tử mà nó gặp trên đờng đi. khi va chạm nguyên tử bị giật lùi
một chút còn lợng tử gamma bị mất một phần năng lợng. Phần năng lợng ấy làm
nguyên tử chuyển sang một trạng thái kích thích và nguyên tử sẽ mất trạng trạng thái
kích thích bằng cách phát ra một electron quỹ đạo (thờng là electron ở vành k) (hình
5.1) có thể biểu diễn năng lợng học toàn phần bằng phơng trình quang điện sau:
T = h

-

e (5.1)
Trong đó:
T là động năng của electron phát ra gọi là quang điện tử.
h
là năng lợng của lợng tử gamma tới.


e là năng lợng liên kết của quang electron.

116
Xung lợng biểu thị ở hình 5.1 đợc
bảo toàn theo cách toàn bộ phần nguyên tử
còn lại bị giật lùi.
Hy chú ý xác suất để quá trình hấp
thụ quang điện xảy ra và vì cần thiết đa
thêm các định nghĩa về số hạng a

cm
2
là
tiết diện trên mỗi nguyên tử đối với hiệu
ứng quang điện. Số hạng a
thay đổi rất rõ
rệt theo năng lợng của lợng tử gamma tới,
cũng nh nguyên tử số Z của chất hấp thụ.
Thực nghiệm đ chứng minh rằng a
gần nh tỷ lệ với Z và giảm tỷ lệ nghịch
với h
:
)2.5(
4
const
h
Z
a ==

Trong nghiên cứu thực tế ngời ta còn dùngmột số hệ số tắt dần tuyến tính,
tơng đơng với xác suất trên mỗi xentimet để tơng tác xảy ra. Hệ số này bằng tích
của tiết diện a

với N là số nguyên tử trong mỗi cm
3
. Hệ số tắt dần tuyến tính

đối với
hiệu ứng quang điện là:
'21
)2.5()()( cmaNcm







=

3
cm
tử nNguyê

Với các biểu thức trên, ta có thể tìm sự biến thiên của

trong khoảng giữa hai
chất hấp phụ khác nhau đối với lợng tử gamma có cùng năng lợng:
4

2
1
12
21
21








=
Z
Z
A
A




Với

- mật độ; A - nguyên tử lợng.
Ví dụ: Mật độ của chì và nhôm:

Pb
= 11,4(g/cm
3

);
Al
= 2,7(g/cm
3
).
Số nguyên tử Z của chúng: 82 ; 13
Trọng lợng nguyên tử của chúng: 207,2 ; 27.
Thay các giá trị trên vào biểu thức cuối cùng, ta nhận đợc:
872
13
82
207*7,2
27*4,11
4
=






=
Al
Pb



e
-
quan

g
electron
N
g
u
y
ên t
ử
Photon tới
h

H
ình 5.1. Biểu diễn sơ lợc quá trình
q
uan
g
điện


117
Ta bảo: Cơ hội để một lợng tử gamma đi qua một xentimet chì có va chạm
quang điện lớn hơn khoảng 872 lần so với khi đi qua một xentimet nhôm. Kể cả khi lấy
trên gam làm cơ sở thì vì ở cùng bềdày số gam chì nhiều hơn 4 lần số gam nhôm nên
chì vẫn hiệu quả hơn 210 lần nhôm trong việc gây ra các tơng tác quang điện.
b) Hiệu ứng Compton: Hiệu ứng Compton là va chạm đàn hồi giữa lợng tử
gamma với một electron tự do. Lợng tử gamma va chạm với một electron và tơng tác
tạo ra một electron năng lợng lớn và một photon bị tán xạ (Hình5.2).
Lợng tử gamma tới có
năng lợng h

bị một electron làm
tán xạ. Kết quả ta có một photon
lợng tử gamma bớc sóng dài
hơn h


và một electron compton
động năng. Hệ số tắt dần tuyến
tính

đối với quá trình Compton
chỉ phụ thuộc vào số electron bị va
chạm. Ta có thể viết:
)3.5(.Z.N
e
=

Trong đó:
N là số nguyên tử/cm
3
.
Z là số electron trên một nguyên tử (nguyên tử số).


e
là tiết diện của mỗi electron đối với quá trình Compton.
Giá trị

e
không phụ thuộc vào Z và giảm chậm theo năng lợng của lợng tử

gamma.
Ta biểu diễn biến thiên của
trong khoảng giữa hai chất hấp thụ có Z khác nhau:
)4.5(**
1
2
2
1
2
1
21
A
A
Z
Z



=

Trong đó:

là mật độ (đôi khi là tỷ trọng), g/cm
3
.
A là trọng lợng nguyên tử.
Một cách gần đúng thô sơ, tỷ số A/Z của hầu hết các hạt nhân nguyên tử ở vỏ
Trái đất (trừ hạt nhân hydro) là một số gần nh không đổi. Nếu bỏ qua biến thiên bé
của tỷ số A/Z ở (5.4) thì hầu nh hệ số tắt dần tuyến tính sẽ tỷ lệ nghịch với mật độ
khối (tỷ trọng). Điều đó có nghĩa là xác suất của va chạm Compton chỉ phụ thuộc vào

số gam chất hấp thụ mà không phụ thuộc vào nguyên tử số Z của nó. Nh vậy, lợng tử
H
ình 5.2. Biễu diễn quá trình tán xạ Compton


118
gamma có xác suất va chạm Compton đi qua một gam chì gần giống khi đi qua một
gam nhôm. Điều đó khác hẳn với tơng tác hấp thụ quang điện.
c) Hiệu ứng tạo cặp: Tơng tác quan trọng thứ ba của các lợng tử gamma với
vật chất là quá trình tạo cặp. Khi tơng tác, gamma có năng lợng cao (> 10MeV) thì
có tơng tác thẳng với các hạt nhân nguyên tử. Trong trờng hạt nhân lợng tử gamma
bị hấp thụ hoàn toàn làm bắn ra một cặp hạt tích điện trái dấu electron-pozitron (Hình
5.3). Năng lợng của quá trình sẽ là:
)5.5(
2
C
o
m2TTh +
+
+

=


ở đây: T
-
và T
+
lần lợt là động năng của electron và pozitron.
2m

0
C
2
là năng lợng cần thiết sinh ra một electron đứng yên.
Cả hai hạt tích điện e
-
và e
+
đều sinh ra từ năng lợng do lợng tử gamma cung
cấp cho nên quá trình chỉ đợc phép
về mặt năng lợng nếu h
> 2m
0
C
2

(tức là > 1,02MeV).
Tiết diện trên mỗi nguyên tử
đối với quá trình tạo cặp a
K
tăng tỷ lệ
với Z
2
và với loga của năng lợng h.
Hệ số tắt dần tuyến tính K là N
a
K và
ta có thể viết biến thiên trong khoảng
giữa các chất hấp thụ có Z khác nhau:
)6.5(*

2
2
1
1
2
2
1
21








=
Z
Z
A
A
KK



Xác suất của một tơng tác tạo cặp tăng chậm theo năng lợng của tia gamma
tới và tăng tuyến tính với Z
2
.
d) Hệ số hấp thụ toàn phần: Trong thực tế, cả ba quá trình quang điện, Compton

và tạo cặp đồng thời có thể xảy ra và gây ra ba hiệu ứng tơng ứng. Vì vậy, ta cần đánh
giá tác động đồng thời của cả ba quá trình ấy.
Hy hình dung trong một mô hình đơn giản: Một chùm hẹp tia gamma không
đơn năng đi xuyên qua một tấm chắn hấp thụ có bề dày x. Hy tính xác suất đối với
các quá trình riêng lẻ hay tổng hợp chúng nh thế nào để thu đợc biểu thức cho hiệu
ứng toàn phần.
Xác suất của tơng tác quang điện trên đoạn đờng đâm xuyên dx là
dx. Vậy
có thể nói rằng xác suất không tơng tác quang điện ở khoảng cách x sẽ là e
-

x
. Cũng
nh vậy ta có xác suất không có va chạm Compton là e
-

x
tơng tự không có sinh cặp là
e
-kx
. Xác suất để tia gamma không có bất kỳ loại tơng tác nào bằng tích của ba xác
suất nói trên:
H
ình 5.3. Biểu diễn quá trình tạo cặp
trong trờng hạt nhân


119
()
)7.5(e

x
x
à++
==
k-
egammatia của sót sốngsuất Xác

ở đây:
à = (k++)/cm
Đại lợng
à
gọi là hệ số hấp thụ tia gamma của môi trờng vật chất (có tác giả
gọi là hệ số tắt dần).
Hệ số hấp thụ
à là xác suất để lợng tử gamma có một tơng tác với mỗi
xentimet trên đờng đi. Nh vậy,
àdx là xác suất của một tơng tác khi đi qua qung
đờng dx của chất hấp thụ.
Từ (5.7) ta biểu thị cờng độ chùm tia gamma I xuyên qua chất hấp thụ nh sau:
)8.5(
0
x
eII
à

=

Trong đó, I
0
là cờng độ chùm tia gamma khi mới bắt đầu chạm vào tấm chắn

(x=0). Hình 5.4 cho ta thấy tầm quan trọng (tính trội) tơng đối của ba loại tơng tác
của tia gamma trong miền năng lợng của nó.
ở
đây, Z của chất hấp thụ đợc biểu thị
nh một hàm loga của h
. Các giá trị Z và h trên đờng biên = và = k ứng với
các trờng hợp hai hiệu ứng lân cận đúng bằng nhau.
Trên hình 5.4 cho thấy
ở vùng năng lợng từ 0,5 đến
5MeV của tia gamma, hiệu
ứng compton là trội hơn đối
với môi trờng hấp thụ.
ở

miền năng lợng < 0,5MeV
thì hiệu ứng quang điện trội
hơn, nhất là đối với các
nguyên tố có số Z cao
(nguyên tố nặng). ở miền
năng lợng cao > 5MeV thì
tính trội thuộc về quá trình
tạo cặp.
5.1.3. Mật độ electron và mật độ khối
Mật độ electron là số electron trong một xentimet khối. Đối với đa số các nguyên
tố có mặt trong các khoáng vật tạo đá ở vỏ Quả đất thì tỷ số giữa số electron của một
nguyên tử (nguyên tử số Z) và khối lợng nguyên tử A của chính nó là một số gần nh
không đổi xung quanh giá trị 0,5. Bảng 5.3 sau đây sẽ thể hiện điều nhận xét trên.
Theo kết quả ở bảng 5.3 cho thấy, mật độ electron tỷ lệ với mật độkhối. Với một
độ chính xác không nhỏ, mối quan hệ tỷ lệ đó đợc xác định:
)9.5(*

0







=
A
Z
Nn
e

H
ình 5.4. Tầm quan trọng tơng đối của ba loại
tơng tác chính của tia



120
Bảng 5.3
Nguyên tố
Ký
hiệu
Khối lợng
n.tử (A)
Tỷ số
Z/A
Nguyên

tố
Ký hiệu
Khối lợng
n.tử (A)
Tỷ số
Z/A
Oxy O 16.0 0.500 Kali K 39.102 0.487
Nitơ N 14.007 0.500 Natri Na 23.00 0.479
Cacbon C 12.011 0.499 Clore Cl 35.45 0.479
Canxit Ca 40.011 0.499 Sắt Fe 55.55 0.466
Lu huỳnh S 32.06 0.499 Nhôm Al 26.98 0.482
Silic Si 28.08 0.498 Barit Ba 137.34 0.407
Magiê Mg 24.312 0.495
Trong đó:
N
0
là số Avogadro [N
0
= 6.03.10
23
(mol.gr)
-1
]

là mật độ khối.
n
e
là mật độ electron (độ dày đặc electron).
Trong nghiên cứu ngời ta hay dùng một đại lợng khác gọi là chỉ số mật độ
electron

e
:
)10.5(*2
2
0







==
A
Z
N
n
e
e

Trong phơng trình (5.10),

đợc xác định nh là mật độkhối thực của môi
trờng đơn chất.
Đối với đá là hợp chất phân tử, chỉ số mật độ electron đợc tính:
)11.5(*
.
2

=

t
e
Wmol
Z

ở đây:
Z là tổng các nguyên tử số của các nguyên tố tạo nên phân tử (bằng số
electron trong phân tử).
Mol.W
t
là trọng lợng phân tử.
Tơng tác của nơtron với môi trờng vật chất


121
Về đại thể, nơtron tơng tác với các hạt nhân trong môi trờng ở hai dạng: tán
xạ (khuyếch tán) và hấp thụ (bắt giữ), tuỳ thuộc vào năng lợng của hạt nhân bia.
Theo năng lợng của các nơtron, ngời ta chia chúng thành các nhóm sau:
- Nơtron nhanh, E
n

> 10KeV.
- Nơtron trung gian, E
n
= 100eV-100KeV.
- Nơtron trên nhiệt, E
n
= 0,025 eV-100 eV.
- Nơtron nhiệt, E
n
0,025eV.
Sự tán xạ đa đến kết quả làm giảm năng lợng và thay đổi hớng đi của các
nơtron, còn hấp thụ là quá trình trong đó nơtron bị hạt nhân bắt giữ để tạo thành một
hạt nhân phức hợp có cùng số Z và khối lợng thì tăng thêm 1 đơn vị (A+1).
Nói chung, các nơtron đều có thể bị bắt giữ bởi các hạt nhân ở mọi cấp năng
lợng, nhng xác suất để nơtron nhanh bị bắt giữ nhỏ hơn rất nhiều so với nơtron trên
nhiệt và nơtron nhiệt.
Trong Địa vật lý giếng khoan thờng dùng các nguồn phát ra nơtron có năng
lợng cao nh nhóm nơtron nhanh. Chúng có thể bị bắt giữ rất dễ dàng khi mức năng
lợng chỉ còn khoảng 0,025eV sau quá trình bị làm chậm. Thông thờng hạt nhân bắt
giữ một nơtron thì tạo thành hạt nhân mới. Các hạt nhân phức hợp này thờng ở trạng
thái kích thích và chúng sẽ mất kích thích bằng cách phát xạ lợng tử gamma. Phổ
năng lợng của tia gamma phát xạ trong trờng hợp này rất đặc trng cho các hạt nhân
phức hợp vừa đợc tạo thành. Dựa vào đặc trng này ta có thể nhận biết sự có mặt của
một số nguyên tố trong môi trờng nghiên cứu.
Có thể kể đến một số ví dụ về phản ứng bắt giữ kèm theo phát xạ lợng tử
gamma sau đây:

++ HnH
2
1

1
0
1
1

++ Co
60
27
n
1
0
Co
59
27


++ AlnAl
28
13
1
0
27
13


++ NanNa
24
11
1
0

23
11

Những tơng tác bắt giữ loại này là cơ sở của phơng pháp nghiên cứu lát cắt
giếng khoan: Phơng pháp nơtron - gamma hay dùng trong tổ hợp cùng với phơng
pháp cờng độ bức xạ gamma tự nhiên.
Tán xạ là dạng tơng tác quan trọng của nơtron trong môi trờng vật chất. Sau
mỗi va chạm với hạt nhân, các nơtron mất bớt năng lợng và chuyển động lệch hớng
so với hớng ban đầu. Do chuyển động lệch hớng sau mỗi lần va chạm nên nơtron
khuyếch tán lan toả và chuyển động chậm hơn trong môi trờng.
Các va chạm làm chậm (hm) nơtron có hai hình thức: Va chạm đàn hồi và va
chạm không đàn hồi.

122
+ Va chạm đàn hồi hay cũng gọi là tán xạ đàn hồi là kiểu va chạm không gây
phát xạ mà chỉ đơn giản nh sạ va chạm của hai quả bi-a. Nếu nơtron là quả bi-a thứ
nhất và hạt nhân là quả bi-a thứ hai thì cân bằng năng lợng sau các va chạm có thể
xác định đợc từ sự bảo toàn động năng của xung lợng. Có thể biểu thị sự cân bằng
năng lợng sau mỗi va chạm bằng những hệ thức đơn giản.
Năng lợng E của nơtron sau va chạm đợc tính theo năng lợng E
0
của chính
nó trớc lúc va chạm và góc tán xạ

:
()
)12.5(
0
E
2

1M
1cosM2
2
M
E
+
++
=

Trong đó: M là khối lợng của hạt nhân bi-a.
Khi

=

thì E trở nên rất nhỏ:
)13.5(
1
1
00
2
min
EE
M
M
E

=

+

=

Năng lợng tiêu hao đợc tính nh sau:
(
)
)14.5(1
0min0max
EEEE


=

=

Nếu hạt nhân bia là hydro (M=1) thì ta có:
)15.5(0
1
1
2
=

+

=
M
M


Khi đó
E = E
0
, nghĩa là nơtron sẽ mất toàn bộ năng lợng mỗi khi va chạm với
hydro.
Trong khi đó có thể tính đợc, nếu va chạm với Oxy và Silic thì nơtron chỉ mất
11và 6% năng lợng E
0
. Điều này cho thấy hydro là hạt nhân có tiết diện tán xạ đàn
hồi lớn nhất trong số các nguyên tố thờng gặp. Nh vậy, nơtron không có cơ hội để đi
xa trong môi trờng giàu hydro nh: dầu, nớc, dung dịch khoan.
+ Va chạm không đàn hồi:
Va chạm hay tán xạ không đàn hồi là loại phản ứng ngỡng. Năng lợng
ngỡng E
ng
giảm cùng với sự tăng khối lợng hạt nhân M (từ n.10
2
KeV đối với các hạt
nhân nhẹ và 10
2
đối với các hạt nhân nặng). Vì vậy, tán xạ không đàn hồi chủ yếu xảy
ra đối với các nơtron nhanh và đặc biệt với hạt nhân nặng.

Lý thuyết cũng chứng minh tiết diện tán xạ không đàn hồi phụ thuộc vào năng
lợng của nơtron (E
n
).

123
Khi tăng năng lợng của nơtron, chiều dài bớc sóng nơtron trở thành rất nhỏ bé
so với kích thớc hạt nhân và tiết diện tơng tác sẽ xấp xỉ bằng diện tích hình học của
hạt nhân (
R
2
), (R là bán kính hạt nhận).
Lấy chiều dài bớc sóng nơtron là

thì bán kính hiệu dụng của mỗi va chạm sẽ
là (R+
). Khi đó, tiết diện tán xạ toàn phần
tx
đợc tính:
(
)
).(R
tx
1652
2

+=

Trong phơng trình (5.16) có nhân với hệ số 2 vì ở đây có tính đến cả hiện
tợng tán xạ nhiễu xạ.

- Thực nghiệm đ chứng minh trong miền năng lợng của nơtron từ 2 đến 4
MeV, giá trị tiết diện va chạm không đàn hồi của mọi hạt nhân, trừ các hạt nhân có số
nuclon lạ, đều tăng dần theo khối lợng theo luật A
2/3
.
- Trong vùng năng lợng 1 MeV tiết diện va chạm không đàn hồi lại thay đổi
mạnh từ nhóm hạt nhân này đến nhóm hạt nhân khác. Sự phụ thuộc giản đơn giữ

tx

với khối lợng chỉ còn rất ít. Trong khi đó, với các hạt nhân có số nuclon d thừa thì lại
có tiết diện va chạm không đàn hồi nhỏ nhất.
Đối với các nơtron có năng lợng cao (1,4 MeV) có tới 90% các nhóm nơtron
tán xạ có phân bố góc thực tế không phân biệt với môi trờng đẳng hớng. Nếu không
tính đến các tơng tác trực tiếp thì quá trình tán xạ không đàn hồi của nơtron trong môi
trờng bất kỳ đều có phân bố góc tán xạ đẳng hớng. Nhận xát này rất quan trọng
trong môi trờng bất đồng nhất ở giếng khoan.
- Hấp thụ bắt giữ nơtron là đặc điểm của nhiều hạt nhân. Khả năng đó thể hiện
nh là có một lực hút giữa nơtron và một hạt nhân bất kỳ mà nó đến gần. Một hạt nhân
bia bất kỳ có một xác suất nhất định để bắt giữ nơtron nằm trong tầm tác dụng của lực
hạt nhân. Xác suất bắt đợc một nơtron tỷ lệ với khoảng thời gian mà nơtron nằm trong
tầm tác dụng của lực hạt nhân. Điều này trên thực tế thờng xuyên xảy ra. Xác suất
chiếm giữ đợc một nơtron của một nguyên tố nào đó tỷ lệ với tiết diện để nguyên tố
này có thể còn bắt giữ đợc nơtron trong miền năng lợng nhiệt và phụ thuộc vào mật
độ dày đặc của nguyên tố đó trong môi trờng nghiên cứu. Vì thế trong nghiên cứu
ngời ta đồng nhất thuật ngữ xác suất chiếm giữ với tiết diện hấp thụ nơtron của môi
trờng đất đá.
Tiết diện hấp thụ nơtron của nhiều hạt nhân giảm tỷ lệ nghịch với tốc độ của
nơtron theo luật 1/v. Nh vậy, xác suất để một nuclit bất kỳ bắt giữ đợc một nơtron
nhiệt bao giờ cũng lớn hơn đối với bầt kỳ một nơtron nhanh.

Đối với đa số hạt nhân, nhất là các hạt nhân nặng, còn có sự hấp thụ cộng
hởng. Các cộng hởng này xuất hiện mỗi khi hạt nhân phức hợp đợc tạo thành ở mức
năng lợng kích thích nó. Nhờ có hấp thụ cộng hởng ở mức năng lợng này mà một
số nucleit có tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt lớn một cách lạ thờng.
Mỗi phản ứng hạt nhân đều có một khả năng chắc chắn nhấn định để phản ứng
đó có thể xảy ra gọi là xác suất để có phản ứng. Xác suất này đợc định nghĩa nh tiết

124
diện ngang của hạt nhân. Biểu diễn vật lý tiết diện ngang của hạt nhân là diện tích tiết
diện ngang của mỗi hạt nhân bia đợc bắn phá bởi các nơtron. Vì vậy, ở đây không
nhất thiết bằng tiết diện của hạt nhân bởi xác suất của phản ứng hạt nhân là hàm số phụ
thuộc vào năng lợng của hạt nhân dùng để bắn phá.
Khi bắn phá môi trờng nghiên cứu bằng các nơtron tiết diện toàn phần

t
của
mỗi hạt nhân có thể biểu diễn bằng tổng các tiết diện sau đây:




++= )17.5(
copnonelelt

Trong đó:

el
là tiết diện tán xạ đàn hồi.

nonel
là tiết diện tán xạ không đàn hồi.


cop
là tiết diện bắt giữ.
Tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt là một trong các tham số đo ghi trong các phơng
pháp Địa vật lý hạt nhân nghiên cứu lát cắt giếng khoan.
Các quá trình khuyếch tán (làm chậm) và bắt giữ nơtron trong môi trờng vật
chất là cơ sở vật lý của các phơng pháp nơtron giếng khoan. Sự khác biệt về khả năng
làm chậm và bắt giữ nơtron của các đá khác nhau trong lát cắt giếng khoan cho ta khả
năng nghiên cứu cấu trúc và thành phần của chúng bằng các phơng pháp nơtron.
Các dạng tơng tác khác của nơtron và gamma với môi trờng vật chất đợc
nghiên cứu tỷ mỉ đa lại những khả năng lớn của các phơng pháp Địa vật lý hạt nhân
(phơng pháp gamma - nơtron, kích hoạt phóng xạ, nơtron xung,) trong nghiên cứu
các giếng khoan thăm dò các khoáng sản có ích khác nhau: dầu khí, quặng kim loại,
than, nớc dới đất,
5.2. Đặc điểm của các phép đo phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong giếng
khoan
Trong bất cứ hệ đo phóng xạ nào cũng có một cảm biến phóng xạ gòi là
detector. Mỗi detector dùng trong phép đo bức xạ gamma tự nhiên nói riêng và trong
các phép đo Địa vật lý hạt nhân nói chung có suất đếm khác nhau. Một tham số quan
trọng thể hiện đặc tính của mỗi detector là khoảng thời gian nghỉ giữa hai xung tín hiệu
ở đầu ra của hệ đếm. Khoảng thời gian đó gọi là thời gian chết. Bình thờng mỗi
xung tín hiệu chỉ kéo dài khoảng 2
à
s nhng thời gian chết giữa hai xung có khi tới
hàng chục
às.
Thời gian chết của hệ đếm (đo) phụ thuộc vào trở kháng thuần và trở kháng cảm

của cáp. Chẳng hạn ta có các xung âm tạo từ nguồn 125 - 120 volt lên đầu cáp có điện
trở 200
và điện dung 14 àF, khi đó thế tới hạn cần khoảng thời gian nạp đủ là T = RC
= 200*14.10
-6


28
à
s. Trong khi đó, xung ban đầu chỉ có 2
à
s.

125
Sai số có thể gặp trong đo ghi tốc độ đếm xung (xung/s) càng lớn khi thời gian
chết càng dài. Xác suất gặp sai số do hiện tợng này đợc tính:

n
N
N
P
=

=
.
Trong đó:
N là số xung thất thoát trong thời gian chết [xung/s].
N là cờng độ bức xạ thực [xung/s].

là thời gian chết [s].
n = N -

N là cờng độ bức xạ đo đợc [xung/s].
Từ đó ta có:


n
n
Nn
N
nN
N
N

==

=

1
và

Nh vậy, theo lý thuyết giá trị đo đợc càng gần giá tị thực khi
càng nhỏ hoặc
chính n cũng nhỏ.
Trong thực tế còn phải tính đến đặc điểm thống kê của hiện tợng phóng xạ. Số
lần phân r của một lợng chất phóng xạ nào đó trong một đơn vị thời gian bao giờ
cũng là số thay đổi xung quanh một giá trị trung bình N tơng ứng và có phân bố
chuẩn gause (Hình 5.5).
Nếu khoảng thời gian quan sát T càng dài thì giá trị trung bình tính đợc càng

gần với giá trị N.
Trong tính toán lấy mod của phân bố là
giới hạn để có ít nhất 50% số lần phân r rơi
vào khoảng
()
2
1
2
67,0
NT
N

gọi là giới hạn gặp sai
số.
Với T là hằng số thời gian của hệ đo, N
là giá trị trung bình đặc trng cho cờng độ
phóng xạ tại điểm đo trong lát cắt. Rõ ràng N
càng lơn, T càng dài, sai số càng ít. Các máy
đo hiện tại có hằng số thời gian T = 1
ữ 6 giây.
N thờng gặp trong các phép đo thực tế thay
đổi trong khoảng 10
ữ 10
3
xung/s.
5.3. Các phơng pháp đo phóng xạ nghiên cứu giếng khoan
Các phơng pháp đo phóng xạ hạt nhân trong giếng khoan phổ biến hay gặp
trong thực tế xản suất bao gồm:
- Phơng pháp đo gamma tự nhiên, GR.
Giá tr

ị
trun
g
bình
Giới h
ạ
n sai s
ố
Xun
g
/
g
iâ
y
H
ình 5.5. Sự phân bố số đo xung
quanh một giá trị trung bình


126
- Phơng pháp đo phổ gamma tự nhiên: SGT, SGR.
- Phơng pháp đo gamma tán xạ: G-G, FDC, LDT.
- Phơng pháp đồng vị phóng xạ gamma.
- Các phơng pháp nơtron với nhiều biến thể:
+ Phơng pháp nơtron - gamma: N-G.
+ Phơng pháp nơtron - nơtron: N-N; CNT.
+ Phơng pháp xung nơtron.
+ Phơng pháp tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt.
+ Phơng pháp kích hoạt phóng xạ.
- Phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân: NML.

5.3.1. Phơng pháp đo bức xạ gamma tự nhiên (GR)
Phơng pháp đo bức xạ gamma tự nhiên (GR) gọi khác: Carota gamma, nghĩa là
đo vẽ cờng độ bức xạ gamma tự nhiên ở trục giếng khoan để nghiên cứu lát cắt địa
chất ở thành giếng khoan. Nh ta đ biết giữa các đá, đặc biệt là đá trầm tích rất khác
nhau về cờng độ phóng xạ gamma tự nhiên nên ta có thể nghiên cứu bản chất, nguồn
gốc địa tầng của đá theo tham số này.
a) Sơ đồ đo bức xạ gamma tự nhiên
Khi đo sự thay đổi cờng độ bức
xạ theo chiều sâu giếng khoan có thể bố
trí sơ đồ đo nh hình 5.6.
Trong máy giếng 1 có detector D,
thờng là ống đếm Geiger-Muller, tiếp
đếm các lợng tử gamma. Sau khi lọt vào
ống đếm, các lợng tử gamma tạo thành
các tín hiệu là xung điện ở đầu ra của
mạch tích phân. Tín hiệu đợc khuyếch
đại và lọc rồi đa qua cáp lên khối điều
chế tín hiệu 2 ở mặt đất. Đầu ra của khối
2 là tín hiệu dới dạng hiệu điện thế. Bộ
ghi 3 sẽ ghi tín hiệu điện tơng ứng với
cờng độ bức xạ gamma ở chiều sâu
điểm đo của máy giếng (điểm gữa của
detectơ D).
Máy giếng 1 đợc kéo lên từ từ đồng thời bộ ghi 3 ghi đợc sự biến đổi cờng
độ bức xạ gamma theo chiều sâu. Kết quả đo GR có thể dễ dàng biểu diễn trên biểu đồ
tơng tự : I

= f(h) Hình 5.7.
5 2
3

1 - Máy giếng
2 - Detectơ
3 - Bộ ghi
4 - Bộ điều chế tín
hiệu
5 - Nguồn nuôi
D
1
4
H
ình 5.6. Sơ đồ nguyên tắc đo GR

127
Cờng độ bức xạ gamma tự nhiên biểu
thị hoạt tính phóng xạ của các đá trong lát cắt
giếng khoan và cũng là thể hiện hàm lợng của
đồng vị phóng xạ của các lớp đá đó.
b) Các yếu tố ảnh hởng lên kết quả đo GR
Đờng cong đo ghi cờng độ bức xạ
gamma tự nhiên trong giếng khoan phụ thuộc
vào nhiều yếu tố, trớc hết phải kể đến:
- Các lớp đất đá trong lát cắt giếng
khoan chứa các nguyên tố đồng vị phóng xạ,
trong đó quan trọng nhất là U, Th và K.
- Đặc tính kỹ thuật của các detector
dùng trong phép đo, chiều dày vỉa và vị trí
tơng đối của detector trong giếng khoan so
với các lớp đất đá.
- Đờng kính thực của giếng khoan,
mật độ và loại dung dịch khoan.

- Số lớp ống chống, chiều dày của ống
chống và lớp ximăng.
- Mật độ của các lớp đất đá ở thành
giếng khoan.
- Tốc độ kéo cáp khi đo ghi.
Tất cả các yếu tố trên đây đồng thời ảnh hởng lên giá trị đo gamma tự nhiên.
Trong phân tích kết quả đo GR cần phải xác định xem những yếu tố nào ảnh hởng
nhất lên phép đo trong trờng hợp cụ thể và đa ra phép hiệu chỉnh tơng ứng.
Giá trị đo cờng độ bức xạ gamma phụ thuộc trực tiếp vào quá trình suy giảm
tia gamma bị hấp phụ trong môi trờng nghiên cứu. Sự suy giảm đó tuân theo quy luật
hm mũ:
)18.5(
x
e
o
GR
x
GR
à

=

Trong đó GR
x
và GR
o
là cờng độ bức xạ gamma trớc và sau khi xuyên qua
đoạn đờng x trong môi trờng nghiên cứu có hệ số hấp thụ
à(cm
-1

).
Giá trị hệ số hấp thụ
à
phụ thuộc vào năng lợng của tia gamma và mật độ khối
của môi trờng.
Bảng 5.3 là hệ số hấp thụ
à
các tia gamma trong các môi trờng khác nhau.

H
ình 5.7. Một thí dụ đờng cong đo v
ẽ

G
ammRay và phổ Gamma tự nhiên


128
Bảng 5.3
Hệ số hấp thụ (cm
-1
) trong
Năng lợng tia
gamma (MeV)
Nớc Đá rắn chắc Sắt thép Chì
0.2 0.137 0.32 1.13 11.8
1.0 0.071 0.15 0.47 0.79
5.0 0.03 0.07 0.25 0.49
Các giá trị hệ số
à

trong các môi trờng đối với các tia gamma có năng lợng
khác nhau dùng để tính hiệu chỉnh suy giảm tia gamma trong dung dịch do đờng kính
giếng thay đổi trong ống chống và trong vành ximăng xung quanh giếng khoan.
Ví dụ, phép đo với máy giếng đặt định tâm (Hình 5.6), do đờng kính giếng
thay đổi, đoạn đờng
()
o
ddx =
2
1
là hành trình các tia gamma từ đất đá ở thành giếng
đi qua dung dịch để đến detector. Nếu mật độ dung dịch

= 1,2(g/cm
3
), có hệ số hấp
thụ
à = f()= 0,01(cm
-1
), từ (5.18) ta tính đợc hệ số hiệu chỉnh đờng kính:
)19.5(10).(5,0ln
2
0

=

dd
Grx
Gro

Các hiệu chỉnh khác đối với ống chống, vành ximăng cũng có cách tính tơng tự.
c) Phạm vi ứng dụng:
Phơng pháp đo gamma tự nhiên trong giếng khoan (GR) đợc sử dụng để phân
chia địa tầng của các lớp trong lát cắt, sử dụng để liên kết chúng ở quy mô khu vực và
địa phơng.
Do cờng độ phóng xạ càng cao khi hàm lợng sét trong đá càng nhiều nên
đờng cong GR cho dấu hiệu tốt để phân biệt các lớp đá sét (tầng sinh, tầng chắn) và
đá chứa ít sét hoặc không chứa sét (tầng thấm chứa dầu khí), phát hiện các vỉa than
trong tập đá acgilit than
Nhìn chung, các phép đo gamma trong giếng khoan không bị ảnh hởng bởi độ
khoáng hoá và phép đo có thể thực hiện đợc trong dung dịch gốc dầu. Vì tia gamma
có khả năng đâm xuyên cao, thậm chí có thể đi qua thành ống chống bằng thép có
chiều dày 15mm, nên phơng pháp GR có thể đo trong các giếng khoan đ chống ống.
Đây là u điểm nổi trội nhất của phơng pháp gamma so với các phơng pháp đo Địa
vật lý giếng khoan khác.
Cờng độ bức xạ gamma của các đá chứa lục nguyên và cacbonat, không chứa
khoáng vật phóng xạ, tỷ lệ với hàm lợng khoáng vật sét trong đá là cơ sở để ta xác
định hàm lợng sét trong đá chứa theo kết quả đo GR. Hàm lợng sét V
S
tính theo thể
tích trong đá chứa có quan hệ hàm số với tham số
J

khá chặt chẽ:

129
)20.5)(
minmax
min
Sh
Vf
GRGR
GRGR
J =


=


Trong đó:
GR là giá trị cờng độ bức xạ gamma đo đợc tại điểm quan sát.
GR
max
, GR
min
lần lợt là cờng độ bức xạ gamma tại vỉa sét và vải cát sạch.
Trong trờng hợp lát cắt không có vỉa đá cát sạch, có thể sử dụng các giá trị
GR
max
, GR
min
là các giá trị đo đợc ở hai vỉa đá có độ sét biết trớc. Khi đó phơng
pháp xác định độ sét theo (5.20) gọi là phơng pháp hai vỉa (tầng) chuẩn.
Quan hệ hàm số giữa tham số

J

và độ sét V
Sh
thờng đợc xác định bằng thực
nghiệm. Trong thực tế, ta gặp một số phơng trình thực nghiệm của các tác giả khác
nhau:
Quan hệ tuyến tính:

JV
Sh

=

Clavier
(
)
2
7,038,37,1 +=

JV
Sh

Steiber
(
)

JJV
Sh

=
5,15,0

Tuy nhiên, vì sự có mặt của các khoáng vật sét là một chỉ thị của môi trờng
trầm tích nên quan hệ hàm số
(
)
Sh
VfJ
=


là rất phức tạp và khác nhau giữa vùng này
và vùng khác. Cách đúng đắn nhất vẫn là thay vì sử dụng các công thức thực nghiệm có
sẵn bằng việc xây dựng quan hệ thực nghiệm giữa các tham số đó cho từng vùng cụ
thể, thậm chí cho từng phân vị địa tầng khác nhau.
Một ứng dụng quan trọng khác của phơng pháp GR là trong nghiên cứu các
giếng khoan thăm dò tìm kiếm các quặng phóng xạ. Cờng độ bức xạ gamma tự nhiên
GR có quan hệ trực tiếp với hàm lợng các quặng phóng xạ trong các lớp đất đá ở
thành giếng khoan. Vì vậy, dựa vào dáng điệu đờng cong GR và biên độ dị thờng
trên đờng cong đó ta dễ dàng phát hiện các đới quặng hoá và tính toán hàm lợng các
khoáng vật quặng phóng xạ trong đối tợng nghiên cứu.
Khi nghiên cứu các mỏ muối, đờng cong đo GR đợc sử dụng để xác định
chiều dày các lớp muối và xác định hàm lợng muối KCl trong mỏ muối.
5.3.2. Phơng pháp đo phổ gamma tự nhiên- SGR, NGS
5.3.2.1. Cơ sở vật lý - địa chất
Khi tiến hành đo GR ta đo cờng độ bức xạ tia gamma phát xạ từ những đồng vị
phóng xạ của các nguyên tố đồng vị trong ba dy Urani, Thori và Kali.

Các tia gamma phát xạ từ các đồng vị của ba dy vừa nêu đều dới dạng xung
năng lợng rời rạc (Hình 5.8).

130
Hình 5.8 mô phỏng phổ năng lợng các tia gamma của các dy K, Th và Urani.
Từ mỗi dy ta có thể chọn
đợc phổ năng lợng đặc trng cho
dy đó, không lẫn lộn với các dy
khác.
Dy
40
K chỉ có duy nhất một
phổ đơn năng E

= 1,46MeV khi bắn
ra tia gamma để trở thành đồng vị
40
Ar bền vững.
Trong dy
232
Thori có nhiều
đồng vị phát xạ gamma có năng lợng
khác nhau, trong số đó đồng vị
Thallium
208
Tl phát xạ gamma có phổ
năng lợng E

= 2,62MeV cao nhất
trong dy.

Tơng tự chọn phổ E

=
1,76MeV phát xạ từ đồng vị Bismuth
214
B là phổ đặc trng cho dy
238
Urani.
Ta có nhận xét: Các phổ năng lợng của tia gamma chọn đặc trng cho ba dy
phóng xạ tự nhiên đều có năng lợng E

> 1,20MeV, lớn hơn vùng năng lợng mà tia
gamma dễ bị tán xạ Compton trong môi trờng
đất đá.
ở
vùng năng lợng cao nh vậy các lợng
tử gamma tơng tác với môi trờng rất dễ sinh
hiệu ứng tạo cặp trong thành hệ và trong tinh thể
của detector.
Quan sát phổ ở dạng liên tục (Hình 5.9)
dễ dàng chính xác hơn ở dạng rời rạc và phù hợp
với điều kiện đo ở giếng khoan hơn. Sở dĩ nh
thế là vì:
a) Kích thớc hạn chế của detector (tính
kém hiệu quả).
b) Thể tích vùng nghiên cứu (vùng có
phần đóng góp quan trọng các tia gamma tán xạ).
c) Khoảng thời gian kéo dài của phép đo
(phụ thuộc tốc độ kéo cáp). Kết quả sẽ có một
khoảng rộng hơn phổ đo đến mức làm cho một

nửa số pic có thể bị là bằng hoàn toàn (Hình 5.9).
Biên độ tơng đối của ba phổ nói trên sẽ tỷ lệ thuận với hàm lợng các đồng vị
của các dy phóng xạ tự nhiên K, Th và U trong các thành hệ. Sự phụ thuộc này khá
K
Dãy Th
Dãy U
Năn
g
l
ợ
n
g
tia Gamma MeV
Xác suất phát xạ đo đ ợc
H
ình 5.8. Phổ bức xạ Gamma của các
nguyên tố phóng xạ

Số đếm tơng đối
Năn
g
lợn
g
tia Gamma MeV
Phông tán
xạ Compton
H
ình 5.9. Phổ liên tục của K, Th
và U ghi đợc bằng tinh thể NaI

131
chặt chẽ đủ để có thể tính hàm lợng của Th, Ur và K có trong thành hệ dựa vào sự suy
giảm mạnh phổ toàn phần ở sau mỗi phổ đặc trng của mỗi dy.
Khi tính hàm lợng Th, U và K theo phép phân tích phân bổ năng lợng toàn
phần, phải chia năng lợng toàn phần ra làm hai vùng.
a) Vùng năng lợng cao có ba pic chính đặc trng cho ba dy phóng xạ Th (2,26
MeV), U(1,76MeV) và K(1,46MeV).
b) Vùng năng lợng thấp, năng lợng của các tia gamma trong thành hệ là sản phẩm
của quá trình tán xạ Compton bao gồm các phát xạ năng lợng thấp từ hai dy U và Th.
Trong tự nhiên gặp các đá có tính phóng xạ khác nhau, có chứa các đồng vị U,
Th và K ở mức độ khác nhau.
- Sét và diệp thạch sét là những khoáng vật và đá chứa một hàm lợng nhất định
các đồng vị K, U và Th. Ngoài ra, chúng còn có thể chứa một lợng đáng kể phosphat
hay một chất hữu cơ giàu Urani và các loại khoáng vật có phóng xạ (feldspat, mica, các
loại khoáng vật nặng có chứa U và Th. Bảng 5.4)
- Muối Kali, KCl trong các thành tạo trầm tích bốc hơi.
- Các lớp mỏng bitum và alumit hoá KAl
3
[(OH)
6
/(SO
4
)
2
].
Bảng 5.4
Tên khoáng
vật
Th (ppm) U (ppm)
Tên khoáng

vật
Th (ppm) U (ppm)
Allanit 500
20.000
30-70 Monazit (25-20).10
4
500-3000
Apatit 20-150 5-150 Sphen 100-600 100-700
Epidot 50-500 20-50 Xenotim Rất thấp 500-3,5.10
4

Magnetit 0.3-20 1-30 Zircon 50-4000 100-6000
- Phosphat [PO
4
]
3-

- Một số đá cát ackose, bùn, cát kết cuội kết chứa nhiều khoáng vật nh: feldspat,
mica hoặc các khoáng vật chứa K, U và Th nh zircon, monazit, alamit, xenotin,
- Một số đá cacbonat có nguồn gốc từ biển có chứa K và U hoặc giàu vật chất
hữu cơ hay phosphat.
- Một số vỉa than hấp phụ và tích tụ U có liên quan đến các đá giàu U.
- Các đá macma axit và bazơ nh: granit, syenit, rhyolit.

132
5.3.2.2. Các thiết bị máy giếng đo phổ gamma
Trong sản xuất sử dụng các Zond đo phổ gamma khác nhau. Mỗi loại có những
đặc điểm riêng chi tiết nhng có điểm chung về nguyên tắc.
Zond đo có nhiều cửa sổ, mỗi cửa
sổ đo các tia gamma có vùng năng lợng

nhật định, tơng đơng với phổ năng
lợng đặc trng của từng nhóm nguyên
tố K, U và Th.
Hng Dresser Atlas dùng thiết bị
đo có ba cửa sổ W
3
, W
4
và W
5
để đo phổ
năng lợng đặc trng của K, Th và U
(Hình 5.10). Tuy vậy, giới hạn đo phổ
năng lợng của từng cửa sổ đ không thể
sạch hoàn toàn. Ví dụ cửa sổ W
3

không phải chỉ tơng ứng với K mà còn
cả với U và Th.
Nghĩa là ta có thể lập hệ phơng trình:
232
Th = m
13
W
3
+ m
14
W
4
+ m

15
W
5

238
U = m
23
W
3
+ m
24
W
4
+ m
25
W
5
(5.21)
40
K = m
33
W
3
+ m
34
W
4
+ m
35
W

5
Trong đó: m
ij
là các yếu tố của thành phần gọi là ma trận đo hay chính là phần
đóng góp bức xạ gamma của nguyên tố thứ i trong cửa sổ thứ j. Các thành phần ma trận
đo m
ij
đợc xác định trên mô hình mẫu chuẩn.
Hệ phơng trình (5.21) cho phép xác định hàm lợng các nguyên tố K, U và Th
dựa vào sổ đọc trên các cửa sổ W
3
, W
4
và W
5
.
Công ty Schlumberger sử dụng máy phổ có 5 cửa sổ, trong đó các cửa sổ W
1
và
W
2
đo gamma toàn phần năng lợng thấp (Hình 5.11).
Dựa vào các số đo vùng năng lợng thấp (W
1
và W
2
) có thể lọc các thăng giáng
của các đờng cong K và U.
Sơ đồ nguyên tắc đo phổ gamma tự nhiên (NGS) theo Schlumberger đợc trình
bày trong hình 5.12.

Số kênh
Năn
g
l
ợ
n
g
tia Gamma MeV
H
ình 5.10. Các cửa sổ đo năng lợng
đặc trng K và Th


133
Trong sơ đồ sử dụng detector nhân quang điện, với tinh thể cảm xạ là NaI(Tl) 1.
Qua detector các tia gamma có năng lợng E khác nhau sẽ tạo thế đầu ra khác
nhau tơng ứng. Tín hiệu đợc khuyếch đại bởi bộ amplifier 2 rồi chuyển vào cửa sổ
có định cỡ V tơng ứng nhờ mạch ổn định (Stabilization) 3. Tín hiệu ở các cửa sổ đợc
đa tới bộ m hoá truyền tải (Transmission Encoder) 4 bằng kỹ thuật điều biến tần số,
rồi đa lên mặt đất qua đờng cáp 5. Trên mặt đất, khối giải m (Transmission
Decoder) 6 tách các tín hiệu theo m riêng của kênh tơng ứng rồi đa vào ngăn tích
phân có hằng số thời gian chọn trớc (4sec) 7. Các số liệu thô này một mặt đợc ghi lại
bởi khối (TTR) 8, một mặt đợc đa vào khối tính toán (computer) 9 hàm lợng của
các nguyên tố K, U, Th và GR. Các giá trị này đợc ghi trên băng hoặc phim ảnh nhờ
một bộ ghi (camera) 10.
Cũng nh các máy móc thiết bị đo Địa vật lý hạt nhân khác, máy đo NGS cũng

cần phải chuẩn khắc độ. Trong trờng hợp này, chuẩn máy thực chất là xác định các
H
ình 5.11. Đờng cong tơng ứng U, Th và K (Detectơ dùng tinh thể NaI)
Năng lợng thấp
Hiệu suất đếm cao
Năng lợng cao
Hiệu suất đếm thấp
Xác suất phát xạ đo đợc
Mã hoá
truyền
Bộ giải
mã
Trên mặt đất
Tron
g

g
iến
g
khoan
H
ình 5.12. Sơ đồ nguyên tắc của Zond đo phổ phóng xạ Gamma

1
2
3
4
5
5
6

7
89
10