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) , 2 0 0 6 . 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: 7 5 A 4 9 -7 5 A 6 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 . , 2 0 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: 7 5 A 6 7 -7 5 A 8 1 .

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 4 p a " . 3 9 2 c rp . /ĩeHUHỉpad. yieHMHrpa4CK(X'

OTAeyieHMe.
ÍĨKyõoBCKMM 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 ờ p a 36 0

ockổku

Thăm dò phóng xạ và địa vật lý hạt nhân
L ê K h á n h P h ồ n . K h o a D ầ u k h í,
T r ư ờ n g Đ ạ i h ọ c M ỏ Đ ịa c h ấ t, H à N ộ i
N g u y ề n Đ ìn h C h â u . T r ư ờ n g Đ ạ i h ọ c K h o a h ọ c v à C ô n g n g h ệ A G H , K ra k o v v ( B a L a n ).

Giới thiệu
H iện tượng p h ón g xạ đã đ ư ợc Becquerel phát
hiện vào năm 1896 và đã m ang lại nhiều ứ n g d ụ n g
quan trọng trong n hiểu lĩnh vực, trong 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 trong n gh iên cứu địa chất và
đã phát h u y tác d ụ n g to lớn trong đ iểu tra thăm d ò
m ỏ urani, các m ỏ khoán g sản khác cộn g sinh v ớ i
các chất p h ó n g xạ, trong xác đ ịnh tuổi địa chất của
các thành hệ đât đá và trong n gh iên cứu các n gu ồn
địa nhiệt, n gh iên cứu m ôi trường, v .v ... N g à y nay
nhờ sự phát triển của kỹ thuật hạt nhân, cô n g tác
thăm d ò p h ón g xạ và địa vật lý hạt nhân đ ư ợc áp
d ụ n g có hiệu quả đ ê giải q uyết h àng loạt nhiệm vụ
của n gh iên cứu địa chât.
- Tìm kiếm các m ỏ p hón g xạ urani, thori và kali.
- Tìm kiếm các quặng không p hón g xạ có quan hệ
cộng sinh hoặc không cộng sinh với các khoáng vật
giàu các n gu yên tố p hón g xạ.
- Phục vụ cho công tác vẽ bản đ ổ địa chât.
- Phục vụ cho công tác địa chất thuý văn, địa chất

công trình, địa chât m ôi trường.
- Phục vụ cho công tác thăm
lượng dầu khí.

dò

và đánh giá trử

- Phục vụ cho công tác thăm d ò và đánh giá trừ
lượng than.
- Xác định thành phần và hàm lượng các n guyên
tố p hón g xạ và không p hón g xạ của các mẫu thô
nhường, đá, khoáng thạch, v .v ...
- Xác định tuổi địa chất tuyệt đối.

- Xác định các tham số mật độ, đ ộ ầm, đ ộ rỗng
của các m ẫu đá.
- D ự báo đ ộ n g đất, v .v ...

Cơ sờ thăm dò phóng xạ và địa vật lý hạt nhân
P hóng xạ là hiện tượng tự phân rã của hạt nhân
n gu yên tử hay thay đôi trạng thái năng lư ợn g của nó
và phát xạ bức xạ alpha hoặc beta và có thê kèm theo
bức xạ điện từ như tia gam m a hay tia X. M ột n guyên
tố có thể có nhiều đ ồng vị, n hừ ng đ ổ n g vị có tính
chất p hón g xạ gọi là đ ổng vị p hón g xạ. Sự phân rã
p hón g xạ m ang tính chất ngẫu nhiên, nó xảy ra theo
m ột xác suất nhất định gọi là hằng s ố p hân rã và ký
hiệu là X. H ằng s ố này đặc trưng cho đ ổ n g vị phóng
xạ và không phụ thuộc vào bất kỳ đ iểu kiện ngoại

cảnh nào. Đ ơn vị của X là nghịch đảo của thời gian
(1/giây, 1/phút, 1/giờ, 1/ngày, v.v...). C hu kỳ bán rà
với ký hiệu T 1/2 là khoảng thời gian cẩn thiết đê
lư ợn g đ ổn g vị p hóng xạ giảm đi m ột nửa d o phân rã
p hón g xạ. Sự liên quan giữa chu kỳ bán rã và hằng
SỐ phân rã đư ợc biểu thị bằng công thức: Ti/2 = In2/A..
Tùy thuộc vào nguồn gốc, các đ ổn g vị p hón g xạ
đ ư ợc chia thành các đ ổng v ị p hón g xạ tự nhiên,
đ ổn g vị nhân tạo và đ ổng vị p hóng xạ có n guổn gốc
vũ trụ. Các đ ổn g vị p hóng xạ tự nhiên chủ yếu ở
trong ba dãy p hóng xạ, đó là dãy urani đ ứ n g đầu là
đ ổn g vị 238u (T 1/2 = 4,5 X 109 năm); dãy artino - urani

đứng đẩu là đổng vị 235u (T1/2= 7,1 X 108năm) và dãy
thori đứ ng đầu là đ ổng vị 232Th (T 1/2 = 1,4 X 10u,năm).
Đặc điếm của các dày p hóng xạ tự n hiên là trong


ĐỊA VẬT LỶ

môi d ày đểu có các đ ổn g vị có phân rã alpha (a), có
các đ ổ n g vị có phân rã p và kết thúc của mỗi d ãy là
các đ ổn g vị chì bển vừng. Trong m ỗi dãy đểu có
đ ồng vị ờ th ế khí, các đ ổn g vị ờ thê khí đểu là các khí
tro và ch ú ng bị phân rã alpha. M ột s ố đ ổn g vị khi
phân rã phát ra hạt alpha hoặc hạt beta và có thê
phát ra tia gam m a.
Tương tác của bửc xạ với vật chất

Bức xạ p hón g xạ có th ế là các hạt m ang điện, tia

gam m a, tia X hay neutron; m ỗi loại bức xạ tương tác
với vật chất dưới nhừng hình thức khác nhau. Đối
với các hạt m ang đ iện n hư hạt nhân nặng m ang
điện, alpha, proton hay beta khi tương tác với vật
châ't, ch ú ng chủ yêu gây ra ion hóa. Khi tương tác
với vật chất, các bức xạ điện từ có thê tương tác với
các đ iện từ hoặc với hạt nhân của n gu yên tử. Có
nhiều d ạng tương tác, n hư n g trong thăm d ò p hóng
xạ và địa vật lý hạt nhân, ba loại tương tác chính
được quan tâm là hiệu ứng quang điện, tán xạ
C om pton và hiệu ứng tạo cặp.
Tương tác của neutron với vật chất phụ thuộc râ't
nhiểu vào năng lư ợng của neutron. Vì neutron là hạt
không m ang đ iện nên nó không chịu tương tác
C oulom b của hàng rào điện tử và 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 trong địa vật lý hạt
nhân các tương tác chủ yếu sau đây được quan tâm va chạm k hông đàn hổi, va chạm đàn hổi, bắt giừ

721

lượng của các đổng vị phóng xạ tự nhiên, đặc biệt là
hàm lượng của một hay nhiều đổng vị n h ữ ^ u , ^ u ,
^ u , ^ThT
Ra, ^ R a , ^ R a , ^ R iC ^ R n , 210 Pb, 210Po
hay
trong các đối tượng nghiên cứu như đá, nước,
không khí, v .v ... đ ể phục vụ các m ục đích địa chất đưa
ra như: tìm kiếm thăm dò quặng phóng xạ, đât hiếm
và các khoáng sản có hàm lượng urani và thori cao, vẽ

bản đ ổ địa chất, xác định tuổi đá, hoặc các nhiệm vụ
khác có liên quan đến các nguyên tố phóng xạ.
Cơ sờ của các 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 ra khi
chiếu lu ồn g phóng xạ sơ cấp vào đ ối tượng nghiên
cứu. Thông thường trong Địa vật lý hạt nhân, các
bức xạ sơ câp và thứ cấp thường là tia gam m a hay
neutron. Sự phân b ố các bức xạ thứ cấp trong môi
trường phụ thuộc vào các thông s ố vật lý, địa chất và
thành phẩn hóa học của môi trường. Trong Địa vật
lý hạt nhân chủ yếu sử d ụn g các n guồn phát ra bức
xạ gam m a là 137 Cs, ^C o, 133 Ba, còn các n guổn phát
neutron là Po-Be, Am-Be, 252Cf hoặc các m áy phát
neutron. Trong Đ ịa vật lý hạt nhân còn có các
phư ơng pháp địa chất thủy văn đ ổn g vị (ĐCTVĐV).
Các phư ơng pháp ĐCTVĐV được áp d ụn g rất rộng
rãi trong Đ ịa chất thủy văn và dầu khí.

Thăm dò phóng xạ
Có nhiều p hư ơn g pháp thăm d ò p hón g xạ, sau
đ ây m ô tả tóm tắt các phư ơng pháp thăm d ò phóng

phát xạ và phàn ứ n g hạt nhân.

xạ p hố d ụn g ờ V iệt N am và trên th ế giới.

Máy móc thiết bị

Phương pháp phổ gamma hàng không

N gu y ên tắc của tâ't cả các đầu dò bức xạ p hón g xạ
đều dựa trên cơ sở tương tác của bức xạ với vật chất.
Tùy thuộc vào bản chất của các đầu dò, người ta chia
các đầu dò thành hai loại: loại thụ đ ộn g và loại tích
cực. Loại thụ đ ộ n g là n hừ n g đầu dò mà khi có tác
đ ộng của bức xạ p hón g xạ thì đ ể lại các vết ở đầu dò,
các vết này đ ọc được sau khi đẩu d ò được xử lý bằng
các p h ư ơ 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 là các loại ốn g đếm cần có
n guồn đ iện nuôi n hư ốn g đếm chứa khí, ốn g đếm
nhấp nháy, ốn g đếm bán dẫn. Khi bức xạ p hón g xạ
tương tác với các đầu d ò này thì sinh ra các điện tử
và ion hoặc các tia sáng, các điện tử, ion hay tia sáng
được ch u yển thành các tín hiệu xu ng điện và được
ghi bằng các m áy đếm tương ứng.

Đ o v ẽ p hổ gam m a hàng không là 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, thông 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 3
hoặc có th ể hơn. Khi đ o vẽ, tiến hành bay ở đ ộ cao từ
40m tới 130m đ ế phát hiện nhanh các dị thường
p hón g xạ và bản chất của n guồn gây ra dị thường,
cho p hép địa phư ơng hoá các d iện tích triển vọ n g đê
khảo sát m ặt đất. H iện nay p hư ơng pháp này cũng
đư ợc d ù n g đ ể v ê bản đổ địa chất - địa hoá và tìm

kiếm các khoáng sản phi p hóng xạ (TR, Ta, Nb, p,
M o, Au, Al, Sn, v.v...) có quan hệ cộng sinh hoặc
quan hệ không gian với các đới phân b ố dị thường
của U(Ra), Th và K.

Các m áy thu bức xạ p hón g xạ thường bao gồm
đẩu dò bức xạ , bộ khuếch đại và bộ ghi.
Cơ sở của các phương pháp thảm dò phóng xạ

H àm lượng các nguyên tố phóng xạ tự nhiên phụ
thuộc vào loại đá, điểu kiện địa chất. Tâ't cả các
phương pháp phóng xạ dựa vào việc xác định hàm

Phương

pháp

gamma

mặt

đất

(phương

pháp

gamma đường bộ)

Trong phương pháp này m áy đo bức xạ gam m a

xách tay được dùng đ ể đo bức xạ gam m a của đất đá,
quặng, phát hiện dị thường phóng xạ, xác định hàm
lư ợng các nguyên tố phóng xạ và giải quyết các vâh
đ ề địa chất hữu quan. Các phương pháp gam m a mặt


722

BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT

đất được phân thành phương pháp gam ma tổng và
phương pháp phô gam ma.
Phương pháp gam m a tồng là phương pháp đo
cường đ ộ bức xạ gam m a phát ra từ các đ ổng vị phóng
xạ tự nhiên mà không đê ý đến năng lượng của các
bức xạ gam m a ghi được (năng lư ợng bức xạ gam m a
ghi được thường từ trên 50keV đến 3MeV).
Dựa vào năng lượng và hiệu suất phát tia gam m a
của các đổng vị trong ba dãy p hón g xạ tự nhiên và
của đ ổng vị ^K, người ta đã xác định được các m ức
năng lượng của các tia gam m a phát ra đặc trưng cho
m ỗi dãy phóng xạ. N h ư tia gam m a có năng lượng
l,46M eV đặc trưng cho ^K, tia gam m a có năng lượng
l,76M eV đặc trưng cho d ãy urani còn tia gam m a có
năng lượng 2,61 MeV đặc trưng cho dãy thori.
Phương pháp phổ gam m a mặt đất là phương pháp đo
cường độ bức xạ gam m a ở các m ức năng lượng khác
nhau. Chính vì th ế mà ta có thê xác định bản châ't của
n guồn gây ra trường bức xạ gam m a là d o urani, thori
hay kali hoặc cả ba gây ra. Thông tin này sè phục vụ

trực tiếp cho điểu tra địa chất, tìm kiếm thăm dò
khoáng sản và nghiên cứu m ôi trường.
Phương pháp gamma và phổ gam m a công trinh

Phương pháp gam m a và p h ổ gam m a công trình
là đ o gam m a và p h ổ gam m a trên các via lộ hoặc
côn g trình khai đào. Phương pháp n ày được d ù n g đ ể
xác định trực tiếp hình dạng và kích thước thân
quặng ở các via lộ b ể d ày và hàm lư ợng các n g u y ên
tố p hón g xạ của vật thê hay thân quặng gây ra dị
thường p hón g xạ.
Các phương pháp đo khí phóng xạ

Có hai kỹ thuật đo khí p hóng xạ là kỹ thuật đ o tức
thời và kỹ thuật đo tích lũy. Kỹ thuật đo tức thòi có
tên gọi là phương pháp khí p hóng xạ còn các kỹ thuật
đ o tích lũy gồm phương pháp đ o vết alpha và
phương pháp than hoạt tính.
Sau đây là vài nét cơ bản v ề các phương pháp đã
k ể ở trên.
P h ư ơ n g p h á p k h í p h ó n g x ạ (p h ư ơ n g p h á p e m a n )

Phương pháp khí p hóng xạ là phương pháp đo
tức thời nồng độ khí phóng xạ trong đâ't (tại các h ố
sâu từ 60cm đến 80cm bằng m áy đ o khí phóng xạ
nhằm m ục đích phát hiện các thân quặng urani, thori
dưới đất phủ, xác định các đới cấu tạo hoặc các đói
dập vờ, vạch ra ranh giới tiếp xúc của các đá. Đ ộ sâu
khảo sát của phương pháp khí p hón g xạ từ vài m ét
đến hàng chục mét. Các m áy d ùn g phô biến ở Việt

N am là m áy RAD-7 (Mỹ), AB-5 (Canada) hay AlphaGuard (Đức).
P h ư ơ n g p h á p đ o tích lũ y

Phương pháp đo vết
Phương pháp đ o vết là p hư ơn g pháp đ o tích lũy
n ồn g độ khí p hón g xạ, đẩu thu làm bằng nhựa tử

chất d ẻo đặc biệt. Khi hạt nhân của khí rađon
(thoron) phân rã sê phát ra hạt alpha, hạt này tư ơng
tác với m iếng nhựa đ ế lại ở đó vết tích, sau khi xừ lý,
ta đếm được các vết trên m iếng nhựa, trên cơ sờ đỏ
có thê xác định n ồng độ khí p h ó n g xạ. Vì p hư ơng
pháp này có giá thành cao, thòi gian đo dài do vậy
phư ơng pháp đ o vết chỉ tiến hành trong nhừ ng
trường hợp cẩn thiết.

Phương pháp than hoạt tính
Phương pháp than hoạt tính gồm có đầu thu là
một thỏi than hoạt tính được đê trần trong khoảng
không khí có rađon. Các nguyên tủ’ khí radon bị than
hoạt tính hâp thụ, sau đó dùng các d u n g dịch hừu ca
(toluene, xáng) đ ể tách các n guyên tử radon ra khỏi
thòi than và trộn dung dịch đó với chất nhấp nháy ở
thê lỏng và đo bằng m áy đếm nhâp nháy. Bằng cường
độ bức xạ đ o được và đường cong chuẩn ta có thế xác
định được hàm lượng radon trong k hông khí. Phương
pháp này thường dùng đê đo radon trong không khí
trong phòng, và các 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 các n gu ồn phát tia gam m a và neutron. Các
n guồn đ ổn g vị gam m a thường d ù n g 137Cs phát tia
gam m a đơn năng với năng lư ợn g 660keV và n guồn
cobalt ^ C o phát tia gam m a có n ăng lư ợ n g 1.117keV
và 1.333keV.
Các n guồn phát neutron dựa vào phản ứng alpha neutron. Tùy thuộc vào phương pháp sản sinh ra
neutron, các nguồn được chia thành các loại đ ổng vị
và m áy phát neutron. Các nguồn đ ồn g v ị thường ở
dạng bột hỗn hợp của nguyên tố berili và m ột đ ổn g vị
phát tia alpha như radi, poloni, hay americi. N goài các
n guồn trên còn có n guổn califom i ( ^ C í), là đ ổng vị
có hai dạng phân rã, phân rã alpha với xác suât 0,97
và phân tách với xác suất 0,03, khi phân tách thì phát
ra neutron. Máy phát neutron dựa vào phản ứng
(d,n). Các ion deutri được gia tốc đ ập vào bia triti và
bắn ra neutron, các hạt neutron phát ra tù’ máy phát
có năng lượng 14MeV. Sau đây giới thiệu tóm tắt các
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
sự tương tác C om pton của bức xạ gam m a với vật
chất. Khi chiếu vào đối tượng n gh iên cứu (m ôi
trường địa chất) chùm bức xạ gam m a có năng lượng
trên 500keV và thu được các bức xạ tán xạ gam m a có
năng lư ợng trên 200keV. C ường đ ộ bức xạ gam m a
tán xạ ghi đư ợc phụ thuộc chủ y ếu và o s ố điện tử
trong m ột đơn vị thê tích, s ố đ iện tử này lại phụ
thuộc vào m ật độ của môi trường nên có th ể đo đư ọc

mật độ của m ôi trường nghiên cứu. Thiết bị chính
trong phư ơng pháp gam m a - gam m a mật độ gổm có
n guồn phát bức xạ gam m a và ố n g thu bức xạ


ĐỊA VẬT LỶ

gam m a. Giửa n guồn và ống thu có vật chắn bằng chì
đ ể ngăn các b ứ c xạ gam m a đi thắng từ n guồn đến
Ống thu. N g u ổ n phát là 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 ra khi bức 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 bức xạ
gam m a n hư n g chúng có n ăng lượng thấp và thu bức
xạ gam m a tán xạ. N h ư n g cường độ bức xạ gam m a
tán xạ lại phụ thuộc chủ yếu vào s ố z của m ôi
trường, s ố z lại tỷ lệ với hàm lư ợng các n gu yên tố
nặng n hư sắt, chì, v .v ... có trong m ôi trường nghiên
cứu. N g u ồ n gam m a được d ùn g trong phương pháp
gam m a - gam m a chọn lọc thường là n guổn có năng
lượng k hông 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 như p hư ơng pháp gam m a - gam m a
chọn lọc, p hư ơng pháp phân tích huỳn h quang cũng

dựa vào hiệu ứng hấp thụ quang điện khi bức xạ
gam m a hay tia X tương tác với vật chất. N gu ồ n phát
bức xạ gam m a hay tia X có năng ỉượng thấp thường
dưới lOOkeV, bức xạ thu được là bức xạ đặc trưng
phát ra khi các n guyên tử của các n gu yên tố trong
môi trường bị kích thích. N ăng lư ợng đặc trưng phụ

723

sôn g của neutron. N eutron phát ra từ m áy phát có
n ăng lượng 14MeV, khi neutron di ch u yên trong m ôi
trường sè bị va chạm không đàn hổi, sau đó lại va
chạm đàn hồi và cuối cùng bị hâp thụ bời các hạt
nhân. K hoảng thời gian kê từ khi neutron phát ra
đến khi bị hấp thụ phụ thuộc vào độ chứa nước và
hàm lư ợn g các n gu yên tó có tiết d iện đ ộn g hấp thụ
cao như chlor, bor, v .v ... vì vậy p hư ơng pháp
neutron - xu ng đư ợc sử d ụng rộng rãi trong thăm dò
dầu khí.
Phương pháp kích hoạt neutron

P hư ơ ng pháp n ày chủ y ếu đ ư ợ c sử d ụ n g trong
p h ò n g thí nghiệm . P hư ơng pháp kích hoạt neutron
dự a v ào 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 bằng chùm neu tron nhiệt và ghi bức xạ
(th ư ờ n g là bức xạ gam m a) do đ ổ n g vị đư ợc thành
tạo phát ra.
N goài nhữ ng p hư ơng pháp trên, trong địa vật lý
hạt nhân còn 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 này hiện nay
chưa phát triển m ạnh mè.

ứng dụng các phương pháp thăm dò phóng xạ
và địa vật lý hạt nhân
Thăm dò các mỏ quặng urani, thori và các khoáng
sàn cộng sinh đồng hành với các chất phóng xạ

thuộc vào số z của nguyên tố bị kích thích và tuân
theo đ ịnh luật M osley (năng lượng của bức xạ đặc
trưng X tỷ lệ vớ i bình p hư ơn g của số z của n gu yên
tố bị kích thích phát ra). N gu ồn gam m a thường được
sử d ụ n g trong p hư ơng pháp h uỳn h quang thường là
n gu ổn cadim i ( 109 Cd) phát ra bức xạ gam m a có năng
lư ợng 88,03keV.
Phương pháp neutron - neutron (n - n)

Cơ sở của phương pháp này dựa vào quá trình làm
chậm neutron nhanh, khi di chuyển trong m ôi trường,
neutron va đập với các nguyên tử của môi trường sẽ
mât dần năng lượng và trở thành neutron nhiệt. Đ ộ
mất mát năng lượng lớn nhất khi neutron va đập vói
các hạt nhân của nguyên tố hydro (vì khối lượng của
hydro bằng khối lượng của neutron). N guổn phát
neutron thường dùng là n guồn Pu - Be hay A m - Be.
Phương pháp neutron - gamma (n - y)
Cơ sở của p hư ơn g pháp này cũng tương tự như
p hư ơn g pháp n - n, chỉ khác là phát neutron nhanh
và ghi bức xạ gam m a.

Phương pháp neutron - xung

Cơ sở của p hư ơng pháp neutron - xung là dựa
vào việc phát ra các xung neutron và đo thời gian

Phương pháp gam m a hàng không là phương
pháp rất có hiệu quả và kinh tế cho việc thiết k ế mạng
lưới tìm kiếm khoáng sản và vẽ bản đ ổ địa chất,
khoanh các vù ng dị thường phóng xạ và định hướng
cho các công tác tìm kiếm thăm dò tiếp theo. Phương
pháp gam m a đường bộ dùng đ ể xác định trực tiếp
ranh giới các vỉa và khoanh những dị thường phóng
xạ. Phương pháp p hổ gam m a đường bộ xác định trực
tiếp hàm lượng urani, thori và kali của các lớp đất đá
trong hào, lò và các vết lộ địa chất.
P hư ơng pháp đo n ồn g độ khí radon hay thoron
trong khí đất có hiệu quả cao trong thăm d ò các thân
quặng urani và thori, đặc biệt trong n hữ n g trường
hợp thân q uặng có lớp phủ dày mà phư ơng pháp
gam m a đ ư ờng bộ không có hiệu quả. V iệc đ o nồng
đ ộ radon trong khí đất còn g iú p cho việc xác định
các đới đứt gãy, các đới v ỡ vụ n bô su ng cho công tác
n ghiên cứu cấu tạo địa chất của v ù n g n ghiên cứu. Sự
thay đổi hàm lượng khí radon trong khí đất còn 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 các lớp đất-đá đã được
khoan. Đ ôi với công tác tìm kiếm thăm dò khoáng
sản p hón g xạ, p hư ơn g pháp phô gam m a tự nhiên
d ù n g đ ể xác định hàm lượng urani, thori và kali của

các lớp đâ't đá và quặng p hóng xạ.


724

BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT

Thăm dò và khai thác dầu khí

được biểu thị bằng công 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, trên cơ sở đó xác định các
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 của các thành hệ
chứa dầu. Trong tìm kiếm dầu khí các n guồn gam m a
th ư ờ n g d ùng là n gu ồn 60Co hay 137 Cs. Các n guồn
n eutron thường là 252Cf hoặc Pu-Be hay Po-Be.
P h ư ơ n g pháp neutron - xu ng phục vụ cho việc xác
đ ịn h ranh giới dầu - khí, dầu - nước. Thời gian sống
của neutron phụ thuộc vào hàm lượng hydro và của
các n gu yên tố có tiết diện đ ộn g hấp thụ neutron
n han h (như chlo, bor) và neutron nhiệt cao có trong
m ôi trường nghiên cứu. Trong m ỏ dầu khí thì thời
gian sốn g của neutron dài nhất ở các thành hệ chứa
khí, trung bình ở thành hệ chứa dầu và ngắn nhất ở
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 và khai thác than

Phương pháp gam m a tự nhiên xác định vị trí, bể
d ày các via than và các vỉa đá vây quanh. Bằng
p hư ơn g pháp phổ gamrna tự nhiên ta có th ể xác địrih
đ ộ tro của than, tổ hợp các phương pháp gam m a tự
nhiên, gam ma mật độ ta có thể xác định độ tro, độ ẩm
và qua đ ó xác định được nhiệt năng của than. Trong
các Ống đ o mật độ, nguồn 137Cs hoặc nguồn ^ C o với
Ống đo BGO thường được dùng.
Thăm dò và khai thác khoáng sản kim loại

Trong thăm dò và khai thác khoáng sản kim loại
các p hư ơn g pháp gam m a - gam m a chọn lọc, phư ơng
p h áp gam m a hâp thụ và p hư ơn g pháp phân tích
h u ỳn h quang được sử d ụn g m ột cách rộng rãi đ ê xác
đ ịn h hàm lượng các kim loại như chì, sắt, đ ồ n g ở các
đới chứa quặng và các m ẫu quặng.
Phương pháp kích hoạt dùng đê xác định thành
phần hóa học của mẫu đá, đặc biệt trong việc xác định
hàm lượng nickel thì chỉ có phương pháp bắt giừ
neutron - gamma là có hiệu lực. Trong thăm dò mangan
cả hai phương pháp bắt giữ neutron - gamma và kích
hoạt neutron đểu có hiệu quà.
ứ ng dụng địa vật lý hạt nhân trong các lĩnh vực khác
ứ n g d ụ n g tro ng x á c đ ịn h tu ổ i tu y ệ t đ ố i b ằ n g p h ư ơ n g
p h á p p h ó n g xạ

V iệc xác định tuối tuyệt đối của các th ế địa chất
b ằng phương pháp p hóng xạ dựa vào quy luật cùa
sự phân rã p hón g xạ và tỳ s ố giửa s ố lượng của đ ổng
v ị m ẹ (có tính p hón g xạ) và s ố lượng của đ ổn g vị con
(thường là đ ổng vị bển được sinh ra do sự phân rã
trực tiếp của đ ồn g vị m ẹ hay d o sự phân rã của các
đ ồ n g vị con có trong dãy của đ ổn g vị mẹ). Tỷ s ố này

1

), trong đ ó t là tuối của th ể n g h iên cứu,

Nc(t), Nm(t) là s ố lư ợng (số hạt nhân) của đ ổ n g vị con
và đ ổ n g vị m ẹ ở thời gian t, X, và Ti/2 là h ằn g s ố phân
rã và chu kỳ bán rã của đ ổ n g vị mẹ. Đ iều kiện áp
d ụn g các p hư ơn g pháp xác đ ịn h tuổi tu y ệt đối bằng
các p hư ơn g pháp p hón g xạ là: 1). Sự thay đối v ề s ố
lượng của tất cả các đ ổn g vị của d ãy p h ó n g xạ trong
th ể địa chất chỉ d o sự phân rã p hón g xạ gây ra m à
không bị tác đ ộn g cùa bât cứ quá trình địa chất nào;
2). SỐ lư ợn g của các đ ổng vị của d ãy trong th ể địa
chất ở thời đ iểm đầu tiên (lúc thành tạo) đ ều đư ợc
biết; 3). H ằng s ố bán rã cùa tất cả các đ ổ n g vị k hông
bị thay đổi trong 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 nào tùy thu ộc vào tuối
của đối tư ợng địa châ't và các điểu kiện của p h òn g
thí nghiệm . H iệu quả của p h ư ơ n g pháp tốt nhất khi
tuổi của đ ối tư ợng nghiên cứu khoảng từ dư ới m ột
đến bốn lần Ti/2 của đ ổn g vị mẹ. Ví dụ đ ê xác đ ịnh

tuổi của đá có tuổi trên m ột tỷ năm thì các p hư ơng
pháp có hiệu quả là urani - chì ( ^ u - 2 0 6 Pb), kaliargon (40K - 4 0 Ar) hay rubidi - stronti (87Rb - 87 Sr).
Các đ ổn g vị m ẹ của các nhóm p hón g xạ nói trên đ ều
có Ti /2 trên 4 tỷ năm. Đ ối v ớ i n hữ n g đ ối tượng có
chứa các chất hữu cơ có tuối k hôn g quá 2 0 . 0 0 0 năm
thì p hư ơng pháp 14C (Ti/2 = 5.700 năm ) đư ợc xử
dụng. Đ ổn g vị 14c cùng vói hạt proton đ ư ợ c tạo ra
do phản ú ng hạt nhân của neutron v ớ i nitro 14N có
trong k hôn g khí, sau khi thành tạo thì 14c lại kê't hợp
với oxy tạo thành I4CƠ 2 và cũ n g n hư các phân tử của
các CƠ 2 khác được hấp thụ bởi các quá trình trao đổi
của các sinh vật và thực vật. Sau khi các cơ th ể này
chết đi thì lư ợng các hạt nhân 14c giảm d ẩn theo quy
luật phân rã p h ón g xạ. Bằng cách so sánh giữa s ố
lượng hạt nhân 14c với s ố lư ợ n g 14c có trong k hông
khí ta có th ế tính được tuối của đối tư ợ n g có chứa
chất hữu cơ đó.
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
này cùng với đ ổng vị 12c đ ư ợc tạo ra m ột phần do
phản ứng hạt nhân của neutron với 14 N , m ột phẩn do
phản ứ ng neutron với 6 Li. H àm lượng trung bình của
tri ti trong nước m ưa ở đất liền là 10 UT, nư ớc m ưa ở
đại d ư ơng chi là 1 ƯT. N hư vậy, bằng cách xác định
hàm lượng 3H trong nư óc ta có thế xác định được
n guồn nước là nước lục địa hay nước đại d ư ơ n g hoặc
nước pha trộn. UT là đơn vị đ ế biểu d iễn hàm lượng
của triti có trong nước và đ ư ợc tính từ tỷ s ố giữa s ố

hạt nhân của nguyên tử triti (3 H) với s ố n gu yên tử
hydro (!H) có trong nước. H àm lư ợng của triti trong
mẫu nước là 1UT khi trong m ẫu nước đ o cứ có 10 18
n guyên tử hydro (JH) thì có m ột n g u y ên tử triti (3 H).
3 H)


ĐỊA VẬT LỶ

1 UT tương đ ư ơ n g với hoạt tính của m ột lít nước,
bang 0,12 Bq với giả thiết là trong m âu nước đó chi có
các phân tử nước mà không có những đổng vị phóng
xạ khác ngoài triti.
M ột trong n h ừ n g p hư ơn g pháp xác định vận tốc
nước d ư ới đât là 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 các
đ ổn g vị p h ón g xạ nhân tạo có đời sống ngắn như
1311 (Ti/2 = 8,02 ngày) hay 35s (Ti/2 = 87 ngày) thường
được sử d ụng. D u n g dịch có chứa các đ ổng vị p hóng
xạ được thả vào lô khoan và sau đ ó đ o hàm lượng
các châ't p h ón g xạ trong nước ờ các lỗ khoan khác.
Bằng việc xác đ ịnh khoảng cách giữa các lỗ khoan và
nổng đ ộ đ o đ ư ợc của chất p hón g xạ trong nước theo
thời gian ở các lỗ khoan quan sát, ta có thê tính được
vận tốc chảy của nước dưới đất.

725

- Liều hiệu dụng - cùng m ột liều tương đương,
nhưng khi tác động với m ôi cơ quan của cơ thế thì độ

n guy hiểm lại khác nhau. Đ ê đánh giá được đ ộ n guy
hiểm người ta đưa ra khái niệm liều hiệu dụng

He: He = IVVt.Ht, trong đó Wt là trọng số của ca quan
T trong cơ thế, H t - Liều tương đương mà cơ quan T
nhận được. Đơn vị của liều hiệu d ụng cũng là Sv.
- Liều gánh là sự tích liều hiệu d ụ n g trong m ột
thời gian nhất đ ịnh (x), cơ thể sốn g có th ể bị chiếu do
các n gu ồn ở ngoài (chủ yếu là n gu ồn gam m a) và
cũ n g có th ể bị tác đ ộn g của n guồn bên trong cơ th ể
có trong thức ăn, nước u ống và trong k hông khí. Vì
vậy, ta có liều chiếu trong, được tính như 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 các n gu yên tố p hón g xạ
trong các n gu yên vật liệu xây d ự n g có thế hạn ch ế
được liều lư ợ n g p hón g xạ có hại cho người và vật.
Xác định n ồn g đ ộ khí radon trong khí đất phục vụ
cho việc d ự đ oán tiềm năng khí radon trong nhà ở. Ớ
các nước Châu  u đã có luật p hòn g tránh tác hại do
radon gây ra, bằng cách hạn c h ế nồng độ radon
trong k hôn g khí. Vì vậy trước khi xây các công trình
cho n gư ời ở h ay làm việc, phải xác định n ồng đ ộ khí
radon trong khí đâ't và d ù n g các biện pháp p hòn g
trừ khí radon trong k hông khí nhà ở.

P hương p háp gam m a - gam m a mật đ ộ còn được
d ùn g trong kiểm tra công trình xây dự ng n hư kiểm
tra nền m óng sân bay, chân cầu, v .v ...

An toàn phóng xạ
Một số khái niệm cơ bản trong an toàn phóng xạ

Khi bức xạ p h ón g xạ tương tác với vật chất thì
chúng bị mất năng lượng làm cho các n guyên tử bị
ion hóa gây ảnh h ư ờng đến các t ế bào sống. Đ ể biểu
thị m ức đ ộ tư ơng tác của bức xạ với cơ thế và đánh
giá đ ộ n g u y h iểm khi làm việc với bức xạ p hón g xạ,
khái n iệm v ể liều lượng bức xạ p h ón g xạ đư ợc xác
lập. Trong an toàn p hón g xạ, ta có các loại liều lượng
như: liều chiếu, liều hấp thụ, liều tương đương, liều
hiệu d ụ n g và liều gánh.
- Liều chiêu (X) là tổng điện tích của các ion củng
dấu sinh ra trong k hông khí khô khi tương tác với
bức xạ p h ón g xạ (đại lượng này thường d ự n g cho
các bức xạ điện tử). Đ ơn vị của liều chiếu là c /k g .
- Liều hẩp thụ (D) là năng lượng của bức xạ bị hấp
thụ khi tương tác với vật chất. Đơn vị của liều hấp thụ
là Gy (grey). Gy là liều lượng hấp thụ bằng lj/kg.
- Liều tương đương (H) là đại lượng bằng tích của
liều hấp thụ D với trọng s ố bức xạ W r, (H = D.VVr),
đ a n vị của liều tương đ ư ơ n g là siv ơ (Sievert, ký hiệu
là Sv).

- Liều hiệu dụng tống cộng là tổng của liều chiếu
ngoài (Hn) và liều chiếu trong (Ht); ta có Hx = Hn + Ht

và Ht = Hp+Hd; trong đó: Hp - liều chiếu trong qua
đ ư ờng hô hấp và Hd là liều chiếu trong qua đ ư ờ n g
tiêu hóa. Đ ơn vị của liều gánh và liều hiệu d ụ n g
tống cộng thường là Sv/năm .
Một số định mức về an toàn phóng xạ

P hông bức xạ tự nhiên là n hữ n g bức xạ ion hóa
g ồm bức xạ v ũ trụ và bức xạ của các chât p hóng xạ
tự nhiên (có ở lớp đât đá trên b ể mặt của Trái Đất, ờ
lớp khí quyển gần mặt đất, trong thực phẩm , nư ớc
uống, trong cơ th ể con người). Liều lượng trung binh
d o p hôn g bức xạ tự nhiên gây ra trên Trái Đâ't là
2,43m Sv/năm . Theo ủ y ban an toàn bức xạ quốc t ế
ICRP nếu liều bức xạ tự n hiên hiện thời tử 10
m Sv/năm trở lên thì bắt đẩu cẩn có các can thiệp làm
giảm . Tuy nhiên, trong m ột s ố trường hợp nếu liều
bức xạ tự nhiên hiện thời khoảng gần 10 m Sv/năm ta có th ể xem xét n g u y ên nhân gây ra m ức liều tự
n hiên cao như vậy đ ể tìm cách khắc phục.
Trong trường hợp có n guồn p hón g xạ d o hoạt
đ ộ n g của con ngư ơi gây ra thì theo 'T iêu chuẩn an
toàn Q uốc t ế cơ bản" của IAEA và Tiêu chuẩn an
toàn bức xạ của V iệt N am , giới hạn liều hiệu d ụ n g
đối với nhân viên có tiếp xúc với bức xạ là
20m Sv/năm còn đối với dân chúng liều hiệu d ụn g là
lm S v /n ă m k hông k ể p hôn g bức xạ tự nhiên.
Hệ phương pháp nghiên cứu môi 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 ư ơ n g bức xạ.

- Xác định liều chiếu ngoài: p hư ơn g pháp đ o suâ't
liều tương đương, đ o suất liều bức xạ gam m a hay
còn gọi là đ o cư ờng đ ộ bức xạ gam m a.
- Xác định liều chiếu trong do các chất phóng xạ
xâm nhập qua đường hô hâ'p: đo nồng độ khí phóng xạ


726

BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT

trong không khí bằng 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 trong do các chât phóng xạ s o u r c e s . V ie n n a . 37 9 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 và phân tích
a n d its a p p lic a ti o n s . Technical Reports Series. 3 9 3 p g s .
hàm lượng các n guyên tố p hóng xạ trong các mẫu
nước ăn, các m ẫu thực phẩm.
L ê K h á n h P h ồ n , 2011. P h ó n g xạ m ỏ v à p h ó n g x ạ m ô i tr ư ờ n g . Đại
học M ó Địa Chất ấn hành. H à N ộ i. 56 tr.

Tài liệu tham khảo

L ê K h á n h P h ồ n , 2004. T h ă m d ò p h ó n g x ạ . N X B Giao thông Vặn

Q u y p h ạ m k ỹ th u ậ t th ă m d ò p h ó n g xạ, 1998. Bộ công 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 1 8 /2 0 0 8 /Q H 1 2 . 30 tr.

1998. H à N ộ i. 100 tr.,
C z u b e k J a n , 1975. G e o f iz y k a J ạ 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 à 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 3 B e 4 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 ôn T íc h Á i. K h o a V ậ t lý,
Trường Đ ạ i học K hoa học T ự nhiên (Đ H Ọ G H N ).

Giới thiệu
Thăm dò trọng lực là m ột trong n hừng phư ơng
pháp địa vật lý ứng d ụng, nhằm nghiên cứu cấu tạo
địa chất các phần trên của Trái Đất, tìm kiếm và
thăm dò các khoáng sản. Phương pháp này dựa vào
việc nghiên cứu trường hấp dẫn d o các khối đất đá
gây ra bằng cách đ o các thay đổi (biến thiên) của nó.
V iệc đ o đạc thường được tiến hành trên mặt đất
hoặc trên mặt biển, trong không gian.
Có thể phân chia lịch sử phát triển phương pháp
trọng lực thành hai giai đoạn lớn. Giai đoạn thứ nhất
từ trước cho đến sau Đại chiến th ế giới lần thứ nhất, là
giai đoạn đặt cơ sở cho các vấn đê' lý thuyết vê' phép
đ o trọng lực. Giai đoạn thứ hai từ sau Đại chiến th ế
giới lẩn thứ nhất cho đến nay, là giai đoạn áp dụng
rộng rãi phương pháp trọng lực và phát triển chi tiết
lý thuyết và thực nghiệm của bộ m ôn này.
Ớ Việt N am trong n hừ n g năm 30 của th ế kỷ
trước, m ột s ố nhà địa vật lý người Pháp với các d ụng
cụ con lắc đã tiến hành đ o trọng lực tại m ột số điểm .
Từ sau 1954, các nhà địa vật lý V iệt N am đã bắt đẩu
sử dụng rộng rãi p hư ơn g pháp trọng lực. Trên Miền
Bắc, bản đ ổ trọng lực 1:500.000 đã được thành lập và
hiện nay bản đ ổ trọng lực với tỳ lệ này đã được

thành lập cho toàn bộ lãnh thổ. Các bản đ ồ với tỳ lệ
lớn hơn đã được thành lập cho m ột sô vù n g có triến
vọn g tìm kiếm dầu khí và m ột s ố khoáng sàn khác.
Phương pháp trọng lực đ ang được duy trì và phát
triến trong sự nghiệp nghiên cứu dẩu khí và các
khoáng sản ở nước ta.

Trọng lực của Trái Đắt
Trọng lực của Trái Đất
Tại m ỗi điếm trên mặt đât, trọng lực g là lực tổng
hợp của hai lực: lực hấp dẫn Nevvton F và lực ly tâm

c do Trái Đất quay

xung quanh trục của nó gây ra

[H .l]. Lực hấp dẫn tác dụng lên m ột đ a n vị khối
lượng chính là cường đ ộ của trường hâp dẫn và có giá
trị bằng gia tốc truyền cho đ ơn vị khối lư ợn g đó.

Trục quay của Trái đất

Ỷ
X

Hình 1. Định nghĩa trọng lực.

Trong hệ SI, gia tốc được đ o bằng m /s2, tuy nhiên
trong thăm d ò trọng lực, ngư ời ta d ù n g đ ơ n vị cm /s2.
Đơn vị này được đặt tên là Gal đê tư ờ n g nhớ đến

công lao của nhà bác học ngư ời Italia G alileo Galilei.