Nghiên cứu áp dụng một số phương pháp mới trong phân tích tài liệu phổ gamma hàng không

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Tạ Quang Hân

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP MỚI
TRONG PHÂN TÍCH TÀI LIỆU PHỔ GAMMA HÀNG KHƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Tạ Quang Hân

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP MỚI
TRONG PHÂN TÍCH TÀI LIỆU PHỔ GAMMA HÀNG KHƠNG

Chun ngành: Vật lý địa cầu
Mã số: 8440130.06

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. VÕ THANH QUỲNH

Hà Nội – 2020


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian dài nghiên cứu, cố gắng học tập và làm việc một cách
nghiêm túc, tôi đã hoàn thành cuốn luận văn tốt nghiệp này. Trước khi trình bày nội
dung chính của cuốn luận văn, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến những người đã giúp
đỡ, bên cạnh tôi suốt thời gian qua.
Trước tiên, với tấm lịng biết ơn sâu sắc nhất tơi xin chân thành cảm ơn
PGS.TS. Võ Thanh Quỳnh, là người thầy trực tiếp hướng dẫn tôi, đã quan tâm và
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp này. Không chỉ
được giúp đỡ về chuyên môn mà tơi cịn được học hỏi tinh thần làm việc khoa học
và đầy trách nhiệm của thầy. Cũng từ đây tơi tích lũy được rất nhiều kiến thức và
kinh nghiệm quý báu.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới ThS Nguyễn Viết Đạt người đã tận tình giúp đỡ
tơi trong suốt q trình làm luận văn. Và tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cô
trong bộ môn Vật lý địa cầu - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc
gia Hà Nội đã giúp đỡ và cho tơi nhiều lời khun, cũng như những đóng góp q
báu trong q trình học tập và nghiên cứu để tơi hồn thành luận văn này.
Cám ơn bạn bè đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ tơi, đặc biệt là những người
thân đã luôn bên cạnh động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi và là chỗ dựa tinh
thần vững chắc trong những lúc tơi khó khăn nhất.
Dù đã rất cố gắng nhưng vì thời gian nghiên cứu và viết luận văn có hạn, vì
kiến thức của bản thân cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi những sai sót. Kính mong
được thầy cơ và các bạn quan tâm xem xét và đóng góp ý kiến để luận văn của tơi
được hồn hiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2020
Học viên

Tạ Quang Hân


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHỔ GAMMA HÀNG
KHÔNG. .....................................................................................................................3
1.1. Giới thiệu về lịch sử phát triển của phương pháp phổ Gamma hàng không. ...3
1.2. Cơ sở Vật lý - Địa chất của phương pháp.........................................................5
1.2.1. Cơ sở Vật lý. ...............................................................................................5
1.2.2. Cơ sở Địa chất. ...........................................................................................9
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới. .........................................11
1.3.1. Các phương pháp phân tích tài liệu địa vật lý máy bay trên thế giới. ......11
1.3.2. Các phương pháp phân tích tài liệu địa vật lý máy bay ở Việt Nam. ......16
1.4. Khả năng giải quyết các nhiệm vụ địa chất. ...................................................17
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU TÌM HIỀU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP MỚI ÁP
DỤNG TRONG PHÂN TÍCH TÀI LIỆU PHỔ GAMMA HÀNG KHƠNG. .........19
2.1. Các phương pháp xử lý phân tích tài liệu phổ Gamma hàng khơng. .............19
2.1.1. Các thuật tốn nhận dạng có mẫu chuẩn. .................................................19
2.1.2. Các thuật tốn nhận dạng khơng có mẫu chuẩn. ......................................23
2.2. Một số phương pháp áp dụng trong phân tích tài liệu phổ Gamma hàng
khơng. ....................................................................................................................25
2.2.1. Phương pháp hệ số tương quan. ...............................................................25
2.2.2. Phương pháp tần suất - nhận dạng. ..........................................................36
CHƯƠNG III: ÁP DỤNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP MỚI TIẾN HÀNH PHÂN
TÍCH THỬ NGHIỆM TÀI LIỆU PHỔ GAMMA HÀNG KHÔNG. ......................42
3.1. Giới thiệu đối tượng và khu vực nghiên cứu thử nghiệm. ..............................42
3.1.1. Vị trí địa lý và đặc điểm của khu vực nghiên cứu. ...................................42
3.1.2. Đối tượng nghiên cứu ...............................................................................43
3.1.3. Tài liệu địa vật lý máy bay về khu vực nghiên cứu .................................45

3.2. Phân tích thử nghiệm một số phương pháp. ...................................................46
3.2.1. Phân tích thử nghiệm theo phương pháp phân tích hệ số tương quan. ....46
3.2.2. Phân tích thử nghiệm theo phương pháp tần suất - nhận dạng. ...............50


3.2.3. Nhận xét kết quả thử nghiệm của hai phương pháp phân tích tài liệu hệ số
tương quan và tần suất nhận dạng. .....................................................................57
KẾT LUẬN ...............................................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................59


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Đồ thị phân tán thể hiện mối quan hệ giữa hai biến X, Y

25

Hình 2.2. Sơ đồ các bước thực hiện chương trình

41

Hình 3.1. Sơ đồ vị trí khu vực lựa chọn nghiên cứu thử nghiệm

43

Hình 3.2. Sơ đồ vị trí của các đối tượng thử nghiệm

45

Hình 3.3. Sơ đồ các bước thực hiện chương trình

47

Hình 3.4. Đồ thị tỷ trọng thơng tin các tính chất của đối tượng mẫu

54


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Hàm lượng trung bình của U, Th, K trong các đá magma

9

(Theo A.P. Vinogradov)
Bảng 2.1: Các đặc điểm của hệ số tương quan R

27

Bảng 2.2: Các mức mã hóa theo T(1/2)

29

Bảng 2.3: Các mức mã hóa theo ΔJ

30

Bảng 2.4: Các mức mã hóa theo cường độ bức xạ tương đối

30

Bảng 2.5: Các mức mã hóa theo Tỉ số ΔTh/ΔU

31

Bảng 2.6: Các mức mã hóa theo Tỉ số ΔU/ΔK

31

Bảng 2.7: Các mức mã hóa theo chỉ số nhiều thành phần

32

Bảng 2.8: Các nhóm bản chất phóng xạ của dị thường phổ gama

32

Bảng 3.1: Hệ số tương quan của đối tượng mẫu và các đối tượng so sánh

49

Bảng 3.2. Khoảng giá trị đặc trưng của đối tượng mẫu

51

Bảng 3.3. Ma trận thông tin trên đối tượng mẫu

52

Bảng 3.4. Kết quả tính tỷ trọng thơng tin trên đối tượng mẫu

54

Bảng 3.5. Kết quả tính tỷ trọng thơng tin trên đối tượng mẫu sau khi sắp xếp 55
Bảng 3.6. Tỉ lệ phần trăm tổng thơng tin với m tính chất

55

Bảng 3.7. Kết quả phân tích chỉ số đồng dạng của 7 đối tượng theo phương

56

pháp phân tích tần suất - nhận dạng


MỞ ĐẦU
Các phương pháp địa vật lý dựa trên việc nghiên cứu các trường vật lý khác
nhau được truyền trong lớp vỏ trái đất. Các trường địa vật lý quan trọng nhất là
trường trọng lực, trường từ, điện từ, địa chấn và phóng xạ. Các giá trị quan sát của
các trường này phụ thuộc, trước tiên vào các tính chất vật lý của đất đá. Cách tiếp
cận thông thường để phân tích tài liệu địa vật lý bao gồm xây dựng các mơ hình địa
chất khác nhau và so sánh dữ liệu địa vật lý lý thuyết được tính tốn cho các mơ
hình này với dữ liệu quan sát được. Trong đó phân tích tài liệu phổ Gamma hàng
khơng hết sức quan trọng trong cơng tác xử lý phân tích tổ hợp số liệu địa vật lý.
Hiện nay trong công tác phân tích tài liệu phổ Gamma hàng khơng người ta sử dụng
rất nhiều loại phương pháp khác nhau trong đó nhóm các phương pháp thống kê
nhận dạng được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả hơn cả. Tuy nhiên khi áp dụng
các phương pháp trên trong nghiên cứu và phân tích tài liệu phổ Gamma hàng
khơng ở nước ta, vẫn đang gặp phải một số hạn chế cần được nghiên cứu và khắc
phục. Nguyên nhân là do khối lượng tài liệu cũng như số lượng các chủng loại
thông tin rất lớn, trong khi đó số lượng các tham số đầu vào của các chương trình
phân tích hiện có thường bị giới hạn. Việc sử dụng các tổ hợp thơng tin khác nhau

để tiến hành phân tích cho các kết quả khác nhau. Để giải quyết được vấn đề trên
trong những năm gần đây công tác xử lý và phân tích tài liệu địa vật lý hàng khơng
ở nước ta đã có những bước tiến đáng kể. Nhiều tác giả đã tiến hành những nghiên
cứu, phân tích thử nghiệm trên các tài liệu thực tế bằng các phương pháp khác nhau
và thu được kết quả tốt, trong đó nhóm các phương pháp thống kê - nhận dạng đóng
vai trị đặc biệt quan trọng và có hiệu quả hơn cả. Đóng góp vào hướng nghiên cứu
này có thể kể đến các cơng trình của các tác giả: TS. Nguyễn Tài Thinh, GS. Lê
Khánh Phồn, PGS. Võ Thanh Quỳnh, TS. Nguyễn Thế Hùng, TS. Nguyễn Tuấn
Phong và nhiều nhà khoa học khác. Trong các cơng trình nghiên cứu của mình, bên
cạnh việc nghiên cứu, phát triển và đưa vào áp dụng các phương pháp phân tích
hiện đại trên Thế giới, các nhà địa vật lý Việt Nam cũng đã đề xuất, xây dựng và
đưa vào áp dụng có hiệu quả nhiều phương pháp phân tích mới như: phương pháp

1


phân tích thành phần chính, phương pháp Domian, phương pháp hệ số tương quan,
các phương pháp nhận dạng trong đó đáng chú ý là hai phương pháp nhận dạng
mới: phương pháp tần suất nhận dạng, và phương pháp khoảng cách tần suất nhận
dạng. Đáng chú ý là nhóm đã hồn thiện hai phương pháp phân tích tài liệu phổ
gamma hàng không là: Phương pháp tần suất - nhận dạng và phương pháp Khoảng
cách - tần suất - nhận dạng do PGS. Võ Thanh Quỳnh cùng cộng sự đề xuất, xây
dựng và đưa vào áp dụng thử nghiệm bước đầu trên một số diện tích bay đo cho kết
quả tốt. Giải quyết được nhiều khó khăn trong phân tích tài liệu phổ Gamma hàng
khơng. Từ đó áp dụng dự báo và tìm kiếm khống sản trên nhiều vùng nghiên cứu
cho kết quả chính xác. Với các kết quả trên đề tài luận văn: Nghiên cứu áp dụng
một số phương pháp mới trong phân tích tài liệu phổ Gamma hàng khơng được
học viên lựa chọn với các nhiệm vụ chính như sau:
- Tìm hiểu nghiên cứu một số phương pháp, thuật tốn trong phân tích tài liệu phổ
Gamma hàng khơng.

- Áp dụng các phương pháp hệ số tương quan và phương pháp tần suất theo thuật
tốn Griffitrhs-Vinni từ đó có thể rút những nhận xét, kết luận về khả năng ứng
dụng của từng phương pháp.
Bố cục luận văn gồm:
- Mở đầu.
- Chương 1: Tổng quan về phương pháp phổ Gamma hàng không.
- Chương 2: Nghiên cứu tìm hiểu một số phương pháp mới áp dụng trong phân tích
tài liệu phổ Gamma hàng không.
- Chương 3: Áp dụng một số phương pháp mới tiến hành phân tích thử nghiệm tài
liệu phổ Gamma hàng không.
- Kết luận.

2


CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHỔ GAMMA HÀNG KHÔNG.
1.1. Giới thiệu về lịch sử phát triển của phương pháp phổ Gamma hàng không.
Phương pháp phổ gamma hàng không là một phương pháp thăm dị phóng
xạ được sử dụng với mục đích chính là tìm kiếm trực tiếp quặng Uran và các loại
khống sản có ích khác liên quan tới các nguyên tố phóng xạ. Xác định hàm lượng
của các ngun tố phóng xạ tự nhiên Uran, Thơri và Kali thông qua các số liệu đo
cường độ bức xạ gamma trên các vạch phổ năng lượng đặc trưng của từng nguyên
tố. Phương pháp phổ gamma hàng không khác với các phương pháp phổ gamma
khác chủ yếu là ở chỗ cường độ bức xạ của đối tượng ở một khoảng cách xa hơn,
với detector của phổ kế đặt trên máy bay trong quá trình đo vẽ. Do sự khác nhau về
khoảng cách nghiên cứu đối tượng mà đặc tính phản ánh của các trường ghi được
cũng khác nhau, kéo theo một số điểm khác nhau về phương pháp xử lý và phân
tích tài liệu. Phương pháp thăm dị phóng xạ có lịch sử phát triển khá sớm, dựa trên
những thành tựu của vật lý hạt nhân. Ngay từ những năm đầu của thế kỷ này người

ta đã nghiên cứu các cơ sở vật lý, địa chất để ứng dụng hiện tượng phóng xạ trong
tìm kiếm các khống sản phóng xạ cũng như các khống sản khác liên quan với
phóng xạ. Từ những năm 20, các phương pháp thăm dị phóng xạ đã được đưa vào
giảng dạy tại các trường đại học mỏ thuộc Liên Xô trước đây và vào đầu năm 1930,
bộ mơn thăm dị phóng xạ đầu tiên đã được thành lập tại trường Địa chất thăm dò
Mosscov dưới sự lãnh đạo của giáo sư V.I. Baranov. Vào những năm 40 khi Uran
trở thành một trong những khống sản có ích phục vụ trong công nghiệp điện và vũ
khí quốc phịng thì các phương pháp thăm dị phóng xạ càng được đẩy mạnh, thúc
đẩy nhanh việc nghiên cứu các phương pháp tìm kiếm và hồn thiện các thiết bị đo
ghi.
Tuy nhiên, từ những năm 50 trở về trước, trong thăm dị phóng xạ dùng tia
gamma chỉ có phương pháp đo gamma tổng, ghi toàn bộ bức xạ trong dải năng
lượng rất rộng, cỡ từ 20Kev÷3Mev, mà khơng đo được phổ bức xạ của từng

3


nguyên tố riêng biệt. Vào những năm 60, nhờ có các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực
điện tử và đặc biệt là việc sử dụng các Detector nhấp nháy để ghi phổ năng lượng
của bức xạ gamma, phương pháp phóng xạ đã có bước phát triển nhảy vọt với các
phương pháp: phổ gamma mặt đất, phổ gamma trong lỗ khoan, phổ gamma hàng
không lần lượt ra đời và phát triển. Việc áp dụng các phương pháp phổ gamma
trong địa chất thăm dò đã mang lại những hiệu quả to lớn và làm thay đổi căn bản
phương pháp hệ tìm kiếm các khống sản có ích liên quan đến phóng xạ bằng
phương pháp thăm dị phóng xạ. Vào những năm 70, phương pháp phổ gamma
hàng không trong tổ hợp công nghệ các phương pháp địa vật lý hàng không (các tổ
hợp từ - phổ gamma, từ - phổ gamma điện) được áp dụng mạnh mẽ ở nhiều nước
trên thế giới, trong đó có các nước thuộc Liên Xơ trước đây. Phương pháp phổ
gamma hàng không cho phép khảo sát nhanh trên một diện tích rộng với hiệu quả
kinh tế cao và có thể tiến hành trên những điều kiện địa hình phức tạp, giao thơng

kém phát triển. Do khả năng và hiệu quả của phương pháp trong việc tham gia giải
quyết nhiều nhiệm vụ địa chất quan trọng, nên mặc dù ra đời muộn phương pháp
phổ gamma hàng không đã có được những bước phát triển mạnh mẽ.
Hiện nay phương pháp phổ gamma hàng không đang được ứng dụng rộng
rãi ở nhiều nước trên thế giới không chỉ với mục đích tìm kiếm khống sản mà cịn
phục vụ có hiệu quả cơng tác đo vẽ bản đồ địa chất. Ngồi ra, phương pháp phổ
gamma hàng khơng cịn là một cơng cụ hữu hiệu trong việc tham gia kiểm sốt mơi
trường sinh thái.
Ở nước ta, phương pháp thăm dị phóng xạ bắt đầu được áp dụng trong
nghiên cứu địa chất từ năm 1955 phục vụ công tác đo vẽ bản đồ địa chất và tìm
kiếm khống sản ở các tỷ lệ từ 1:500.000 đến 1:50.000. Phương pháp phổ 5 gamma
hàng không mới chỉ thực sự được bắt đầu và đẩy mạnh trong khoảng 20 năm trở lại
đây, tập trung chủ yếu ở khu vực miền trung lãnh thổ. Phương pháp phổ gamma
hàng không trong tổ hợp các phương pháp bay đo địa vật lý được tiến hành ở nước
ta trong thời gian qua đã có những đóng góp đáng kể trong nhiệm vụ điều tra nghiên

4


cứu địa chất, đặc biệt là trong việc tìm kiếm các khống sản có ích. Do hiệu quả
kinh tế và địa chất cao nên hiện nay công tác địa vật lý này đang được đánh giá cao
và được nhà nước đầu tư phát triển.
1.2. Cơ sở Vật lý - Địa chất của phương pháp.
1.2.1. Cơ sở Vật lý.
Phương pháp phổ gamma có cơ sở Vật lý dựa trên đặc tính phóng xạ của các
nguyên tố phóng xạ. Như chúng ta đã biết, các hạt nhân phóng xạ trong q trình
phân rã phát ra các hạt  ,  hoặc bức xạ  . Bức xạ  phát ra trong quá trình hạt
nhân chuyển từ trạng thái khơng ổn định về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn
(ổn định hoặc ổn định tạm thời). Bức xạ gama là bức xạ điện từ tần số cao mang
lưỡng tính sóng hạt, khơng mang điện. Năng lượng của bức xạ  thay đổi tùy thuộc

vào hạt nhân của các nguyên tố khác nhau (do sự khác nhau của các trạng thái năng
lượng ổn định hoặc ổn định tạm thời). Căn cứ vào sự khác nhau về mức năng lượng
ta có thể xác định được hàm lượng của các nguyên tố khác nhau bằng phương pháp
phổ  .
Bức xạ  có khă năng ion hóa kém nhưng có khă năng đâm xuyên lớn,
chúng có thể đâm xun qua lớp khơng khí dày hàng trăm mét và lớp đất đá dày
hàng mét.
Phương pháp phổ  đo bức xạ  tự nhiên theo các mức năng lượng khác
nahu để xác định hàm lượng của các nguyên tố U, Th, K có trong đối tượng địa
chất. Khi đo phổ  cần chọn các khoảng năng lượng thích hợp mà trong khoảng đó
bức xạ  của các nguyên tố trội hơn cả. Khoảng năng lượng được chọn gọi là “ cửa
sổ “ năng lượng. Trong đo phổ  thường có một kênh tổng và 3 cửa sổ được đặt tên
tương ứng với nguyên tố trội nhất trong khoảng năng lượng đó là:
- Cửa sổ K: E  1,35  1,55MeV
- Cửa sổ U: E  1,55  1,85MeV

5


- Cửa sổ Th: E  2, 4  2,80MeV
Tất nhiên trong mỗi cửa sổ ngoài nguyên tố đặc trưng có mức năng lượng
trội hơn cả cịn có sự tham gia của các nguyên tố khác nhưng mức độ ít hơn.
1. Hiện tượng phóng xạ.
Hiện tượng phóng xạ do Becquerel phát hiện vào năm 1896, đầu thế kỷ XX
đã được đưa vào áp dụng trong trong các nghiên cứu địa chất và phát huy tác dụng
to lớn trong điều tra thăm dị mỏ Urani, các mỏ khống sản có ích khác. Hiện tượng
phóng xạ là sự phát xạ tự phát các loại hạt hoặc tia gamma của các hạt nhân nguyên
tố không bền vững hoặc sự phát xạ tia X sau khi bắt giữ điện tử quỹ đạo, hoặc là
quá trình tách vỡ tự phát.
Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng tự phát, không phụ thuộc vào các yếu tố

bên ngồi, khơng điều khiển được và mang tính ngẫu nhiên. Có phương trình tổng
qt sau:
 ,  ,
X 
Y

Trong đó:

X là hạt nhân phóng xạ gọi là hạt nhân mẹ
Y là hạt nhân sinh ra gọi là hạt nhân con
 ,  ,  là các phân rã.

Từ hơn một trăm nguyên tố cấu tạo nên vạn vật, con người đã phát hiện hơn
1400 loại hạt nhân nguyên tố, trong đó có hơn 200 loại là các hạt nhân bền, hơn
1000 loại là hạt nhân ngun tố khơng bền. Cịn trong các hạt nhân khơng bền chỉ
có hơn 60 loại là các hạt nhân nguyên tố phóng xạ tự nhiên, chủ yếu là các nguyên
tố có Z > 83. Theo nguồn gốc có thể chia làm hai loại chính:
- Các chất phóng xạ có từ khi hình thành nên trái đất, được gọi là các chất phóng xạ
nguyên thủy.
- Các chất phóng xạ được hình thành do tương tác của tia vũ trụ với vật chất của trái
đất.

6


Các chất phóng xạ được hình thành do con người tạo ra gọi là chất phóng xạ nhân
tạo.
2. Các dạng phân rã phóng xạ.
a) Phân rã alpha.
Phân rã alpha (  ) là phân rã phóng xạ trong đó hạt nhân tự phân rã và phát

xạ hạt alpha ( 24 hoặc 24 He ) hạt nhân mới được tạo thành có số thứ tự Z giảm đi 2
và khối lượng giảm đi 4.
X

Sơ đồ phân rã alpha:

A
Z

Ví dụ :

210
84

Y  24

A 4
Z 2

Po 

206
82

Pb  24  E

E là năng lượng một phân rã tỏa ra
b) Phân rã bêta
Phân rã bêta (  ) có hai loại phân rã bêta: Phân rã electron và phân rã
pôzitron.

Phân rã (   ) electron là phân rã mà trong hạt nhân xảy ra sự biến đổi nơtron
thành proton, kết quả là phát xạ electron nhanh (hạt   ). Số thứ tự của ngun tố
khi đó tăng thêm 1 đơn vị cịn khối lượng trên thực tế khơng đổi vì khối lượng của
electron rất bé.
Phân rã (   ) pôzitron là phân rã mà trong hạt nhân xảy ra quá trình proton
biến thành nơtron với sự phát xạ electron dương (hạt   ) mang tên pơzitron, vì vậy
số thứ tự của nguyên tố giảm đi một đơn vị.
Trong phân rã  đồng thời với việc phát xạ electron hoặc pôzitron có kèm
theo phát xạ nơtrinơ, thêm vào đó năng lượng tổng cộng của electron (pôzitron) và
nơtrinô được phát xạ là như nhau đối với phát xạ  đã cho.
Phân rã  có thể biểu diễn theo sơ đồ:

7


A
Z

X  Z A1Y  e 

Th  234
91 Pa  e  E 

Ví dụ

234
90

A
Z

X  Z A1Y  e 

Trong đó  và  là nơtrinơ và phản hạt của nó.
c) Phân rã gamma (γ ): là phân rã trong đó hạt nhân bị kích thích giải phóng một
photon năng lượng cao gọi là γ tia. Không giống như các chế độ phân rã phóng xạ
khác, số lượng proton và neutron trong hạt nhân của nguyên tử không bị thay đổi.
Thay vào đó, mức năng lượng của nguyên tử được hạ xuống một mức đến trạng thái
ổn định. Bản chất tia gamma là sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn cả tia X, khả
năng đâm xuyên rất mạnh. Trong các phân rã alpha và beta luôn đi kèm gamma.
3. Định luật phóng xạ.
Sự phân rã phóng xạ của từng hạt nhân riêng lẻ trong nguồn phóng xạ là một
hiện tượng ngẫu nhiên và số lượng hạt nhân phóng xạ giảm theo thời gian. Do vậy
số hạt nhân phân rã phóng xạ dN trong khoảng thời gian t đến t+dt phải tỷ lệ với
thời gian dt và với số hạt nhân chưa phân rã N(t) ở thời điểm t: dN ~ N(t).dt
Để thay dấu tỷ lệ bằng dấu bằng ta phải nhân vế phải với một hằng số
dN= -  N(t).dt

(1.1)

Dấu trừ là do dN ngược dấu với Ndt. Từ cơng thức (1.1) trên ta có :
dN
  N (t)
dt



(1.2)

dN / dt

có thứ nguyên là s-1 (1.3)
N (t)

 là hằng số phân rã đặc trưng cho vận tốc phân rã phóng xạ của nguồn hay

đặc trưng cho xác suất phân rã phóng xạ của từng nguyên tố hoặc từng đồng vị
phóng xạ.

8


Lấy tích phân 2 về biểu thức (1.2) ta được:
N (t)  N0e t

(1.4)

Trong đó N0 là số hạt tạo thời điểm t = 0. Cơng thức (1.4) cịn được viết lại
là:
N (t)  N 0 2t /T

Với  

(1.5)

ln 2 0.693

, T là chu kỳ bán rã phụ thuộc chất phóng xạ.
T
T

1.2.2. Cơ sở Địa chất.
Cơ sở địa chất để ứng dụng phương pháp phổ gamma hàng không là dựa vào
sự khác nhau về hoạt độ phóng xạ của các loại đất đá. Các đá có nguồn gốc và
thành phần thạch học khác nhau thường có hàm lượng các nguyên tố phóng xạ khác
nhau. Nguồn sinh ra các nguyên tố phóng xạ trong vỏ trái đất là các đá có nguồn
gốc magma, trong đó hàm lượng các nguyên tố phóng xạ tỷ lệ với hàm lượng các
nguyên tố SiO2.
Bảng 1.1. Hàm lượng trung bình của U, Th, K trong các đá
magma
(Theo A.P. Vinogradov)
Loại đá

CU (104 %)

CTh (104 %)

CK (104 %)

CTh / CU

Axit

3,50

18,00

3,34

5,10

Trung tính

1,80

7,00

2,31

3,90

Bazo

0,50

5,00

0,88

3,70

Siêu bazo

0,003

0,005

0,03

3,70

9


Hàm lượng các nguyên tố phóng xạ trong các đá có nguồn gốc trầm tích
thường thay đổi lớn hơn và ít có mối liên hệ tuyến tính như là hoạt độ phóng xạ của
các đá nguyên sinh. Các nguyên tố phóng xạ có trong các đá trầm tích tn theo các
quy luật di chuyển của các nguyên tố đó. Quá trình vận chuyển và lắng đọng trong
trầm tích của các nguyên tố phóng xạ dẫn tới sự làm giàu hoặc ít đi của các nguyên
tố này.
Trong tìm kiếm quặng phương pháp phổ gamma hàng khơng về ngun tắc,
có thể xem là một phương pháp xạ địa hóa, tìm kiếm khống sản dựa vào các
nguyên tố phóng xạ đi kèm hoặc tìm kiếm trực tiếp các quặng phóng xạ. Tùy thuộc
vào từng loại hình khống sản cùng với cấc điều kiện sinh thành mà các đối tượng
địa chất có chứa khống sản có hàm lượng các nguyên tố phóng xạ đặc trưng tương
ứng với các đặc trưng về đặc tính phóng xạ khác biệt với mơi trường xung quanh.
Vì vậy, phương pháp phổ gamma khơng chỉ là một phương pháp tìm kiếm trực tiếp
quặng phóng xạ (chủ yếu là Uran) mà còn là một phương pháp hiệu quả để phát
hiện và đánh giá triển vọng của một số loại khoáng sản có ích khác liên quan tới các
ngun tố phóng xạ như Au, Ag, Mo, W, Sn, Ta, Nb, Be, Tr, Zn, Hg, bocxit,
Phosphorit…
Trong địa chất và trong vật lý phóng xạ, hàm lượng các nguyên tố phóng xạ
trong đất đá, trong khơng khí và trong nước được biểu diễn bằng các đơn vị sau:
- Hàm lượng Kali: % K (phần trăm của Kali)
- Hàm lượng Urani: ppmU (một phần triệu của Urani)
- Hàm lượng Thori: ppmTh (một phần triệu của Thori)
Hệ số chuyển đổi hàm lượng các nguyên tố phóng xạ sang hoạt độ phóng xạ riêng:
- 1% Kali trong đất đá = 313 Bq/Kg của 40K
- 1 ppm Urani trong đất đá = 12,35 Bq/kg của 238U và 226Ra
- 1 ppm Thori trong đất đá = 4,06 Bq/kg của 232Th.

10


1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới.
Tìm kiếm và dự báo triển vọng khống sản là mục đích chính của cơng tác
địa vật lý máy bay tỉ lệ lớn (1:25.000 và 1:50.000), trong đó phương pháp phổ
gamma hàng khơng đóng vai trị chủ đạo. Trong mục này sẽ học viên sẽ trình bày
khái quát các phương pháp phân tích tài liệu địa vật lý máy bay trên thế giới. Thực
trạng của cơng tác phân tích tài liệu địa vật lý máy bay, đặc biệt là đối với tài liệu
phổ gamma hàng khơng trong tìm kiếm và dự báo triển vọng khoáng sản ở Việt
Nam.
1.3.1. Các phương pháp phân tích tài liệu địa vật lý máy bay trên thế giới.
Hiện nay trên thế giới, trong công tác phân tích tài liệu địa vật lý máy bay để
giải thích địa chất và dự báo triển vọng khống sản người ta sử dụng rất nhiều
phương pháp khác nhau, trong đó có các phương pháp thơng kê - nhận dạng được
áp dụng rộng rãi có hiêu quả hơn cả, và có thể chia chúng thành các nhóm phương
pháp chính sau:
1. Các phương pháp tách trường.
Sử dụng các phương pháp tách trường để phân chia các dị thường là nội
dung quan trọng trong phân tích tài liệu phổ gamma hàng khơng, nhằm khoanh định
và dự đoán về diện phân bố của các đối tượng địa chất gây dị thường. Dị thường
phổ gamma là một phần địa phương của vỏ trái đất được khác biệt bởi sự không
đồng nhất về địa chất và địa hóa, mà ở đó các trường phóng xạ ghi được cao hơn
mức phông, hoặc mối tương quan giữa các thành phần trường bị phá vỡ. Diện phân
bố của các dị thường này nói chung lớn hơn so với các dị thường điểm nó tương
ứng với diện phân bố của các đối tượng địa chất gây dị thường.
Các phương pháp tách trường là những phương pháp quen thuộc, được sử
dụng rất rộng rãi và có hiệu quả trong phân tích các tài liệu địa vật lý nói chung.
Trong phân tích tài liệu phổ gamma hàng khơng, do đặc tính phân bố ngẫu nhiên
của các trường phóng xạ người ta thường sử dụng rỗng rãi hơn cả là các phương

11


pháp như: trung bình trượt, trung bình entropi, lọc phi tuyến, lọc tuyến tính,
gradien.
Vấn đề quan trọng khi sử dụng các phương pháp tách trường để phân chia dị
thường phổ gamma hàng khơng là lựa chọn bán kính trung bình (kích thước cửa sổ
chạy) sao cho phù hợp với kích thước của đối tượng gây dị thường. Diện tích của
cửa sổ chạy thường được chọn lớn hơn 2-3 lần diện tích của dị thường.
Những nghiên cứu theo hướng này được đề cập đến trong các cơng trình của
Diordienco, của Ni-Ki-Tin và nhiều cơng trình của các tác giả khác.
2. Các phương pháp thống kê nhận dạng.
Các phương pháp nhận dạng khơng những được ứng dụng rất có hiệu quả
trong phân tích các số liệu địa chất, địa vật lý mà còn được áp dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác. Về nguyên lý, việc tìm kiếm các đối tượng tương
tự (đồng dạng) với các đối tượng mẫu đã biết thông qua các chủng loại thông tin thu
được trong q trình nghiên cứu, khảo sát, đều có thể xếp vào lớp các bài toán nhận
dạng. Các phương pháp phân tích nhận dạng đặc biệt có hiệu quả khi tiến hành trên
các cơ sở dữ liệu có các chủng loại thông tin đa dạng, phong phú và tin cậy. Hiện
nay có rất nhiều thuật tốn nhận dạng hiện đại, được tự động hóa bằng các hệ phần
mềm mạnh, được áp dụng có hiệu quả trong phân tích tài liệu phổ gamma hàng
không ở nhiều nước trên thế giới. Đề cập đến hướng nghiên cứu này có rất nhiều
cơng trình đã được cơng bố, theo đó các phương pháp nhận dạng có thể chia thành 2
nhóm: nhóm các phương pháp nhận dạng theo đối tượng chuẩn và nhóm các
phương pháp nhận dạng khơng có đối tượng chuẩn.
a. Các phương pháp nhận dạng theo đối tượng chuẩn.
Trong các phương pháp phân tích nhận dạng có đối tượng chuẩn thì việc
quan trọng nhất là chọn đối tượng chuẩn, tiếp đến là chọn tập hợp các dấu hiệu
dùng để phản ánh và nhận dạng các đối tượng. Tùy thuộc vào các mục đích nghiên

cứu khác nhau mà việc lựa chọn các đối tượng chuẩn sẽ khác nhau. Với mục đích
nhận biết và khoanh định ranh giới các thành tạo địa chất, đối tượng chuẩn được lựa

12


chọn là các “diện tích chuẩn” trên đó phân bố các thành tạo địa chất đặc trưng tin
cậy đã biết. Với mục đích tìm kiếm và dự báo triển vọng khống sản, đối tượng
chuẩn được chọn là các diện tích chuẩn đã biết về triển vọng khoáng sản (các đối
tượng quặng và không quặng).
- Đối tượng quặng chuẩn được hiểu là một biểu hiện quặng bất kỳ mà các
đặc tính địa chất - khoáng sản đã biết, nghĩa là đã có các dấu hiệu tin tưởng về một
loại khống sản nào đó.
- Đối tượng khơng quặng chuẩn là các đối tượng mà bằng các cơng việc tìm
kiếm chi tiết trên mặt đất đã khẳng định là chúng khơng có biểu hiện quặng hóa.
Phần lớn các thuật tốn nhận dạng trên cơ sở mơ hình thống kê đối tượng
chuẩn trong phân tích tài liệu phổ gamma thường sử dụng các thơng số như: Tỉ số
sự thật L(x) và tổng lượng thông tin J(1:2,x).
b. Các phương pháp nhận dạng khơng có đối tượng chuẩn theo nguyên lý tự
điều chỉnh.
Trong điều kiện khi diện tích khảo sát chưa được nghiên cứu kỹ và khơng có
được các đối tượng chuẩn tin cậy người ta có thể sử dụng các phương pháp nhận
dạng khơng có mẫu theo nguyên lý tự điều chỉnh để phát hiện và khoanh định các
diện tích trường dị thường dựa trên một số dấu hiệu đã được chọn trước theo
nguyên tắc: xác suất nhỏ, tương quan yếu và có tính trội của một nguyên tố nào đó
Người ta đặc biệt quan tâm đến các diện tích dị thường (có khả năng liên
quan với các khoáng sản) được khoanh định theo các dấu hiệu nên trên khi có các
đặc điểm như:
- Loại thường gặp trong các lớp đất đá khác nhau nhưng rất giống nhau.
- Loại khơng điển hình cho lớp đất đá của nó hoặc trên tồn vùng.

Các phương pháp nhận dạng khơng có mẫu theo ngun lý tự điều chỉnh để
đánh giá triển vọng khống sản nói chung đạt hiệu quả khơng cao, thường chỉ có thể

13


tham gia vào việc phát hiện và khoanh định các diện tích, dự báo là có thể có liên
quan với khoáng sản.
3. Các phương pháp thống kê thực nghiệm.
Các phương pháp thông kê thực nghiệm được thiết lập trên cơ sở các quan
niệm lý thuyết, những kinh nghiệm thực tế, sự tự điều chỉnh để tìm kiếm lời giải
đúng trong q trình phân tích. Bằng mơ hình tốn học và thơng qua chúng có thể
phân chia các lớp dấu hiệu đối với các dị thường quặng và không quặng. Các thơng
số (được biểu diễn qua các biểu thức tốn học) thường được sử dụng đó là:
- Các thơng số Dominal.
Q trình phân bố lại các ngun tố phóng xạ nhất thiết sẽ làm cho ít nhất
một nguyên tố được trội lên, và các thơng số Dominal phản ánh đặc tính đó, chúng
được biểu diễn theo cơng thức:
K

DTh
 (q K  qTh
)e (1 x ) / 2

(1.6)

Trong đó:
q
K  (q K  q K ) /  K

(1.7)

 K - là độ lệch chuẩn của qK
U
Biểu thức của DTh
cũng được tính tương tự.

- Các hàm tương quan.
Các hàm tương quan (trong đó có các hệ số tương quan bậc 1 Rij) phản ánh
mức độ quan hệ về đặc điểm phân bố của các trường phóng xạ U, Th, K. Q trình
phân bố lại các nguyên tố phóng xạ sẽ làm cho mối tương quan bình thường trước
đó giữa chúng bị phá vỡ, do vậy các hàm tương quan cũng là một dấu hiệu phản ánh
đặc điểm phân bố cảu các trường phóng xạ.
- Các hàm xác suất thống kê phản ánh xác suất bắt gặp của các đặc tính
phóng xạ nào đó (theo nguyên tắc xác suất nhỏ). Về nguyên tắc, xác suất bắt gặp

14


các dị thường sẽ là rất nhỏ so với toàn diện tích khảo sát. Do vậy nếu lựa chọn được
các dấu hiệu phản ánh thích hợp thì thơng qua chúng theo nguyên tắc xác suất nhỏ
người ta cũng có thể khoanh định các diện tích có đặc tính phân bố khơng bình
thường của các trường phóng xạ.
- Các tỉ số hàm lượng các nguyên tố.
Người ta cũng thường sử dụng các tỉ số hàm lượng như: qTh/qU, qTh/qK,
(qU.qK)/qTh, (qU + qK)/ qTh làm các dấu hiệu để tìm hiểu về đặc điểm phân bố của các
trường phóng xạ.
Trong các đá không biến đổi của vỏ trái đất các tỉ số này thường khá ổn định
và chỉ thay đổi trong các dải khá hẹp. Ở những đới đá biến đổi, giá trị của các tỉ số
này sẽ vượt ra khỏi các dải đó, do vậy thơng qua các dấu hiệu này cũng có thể

khoanh định và dự báo các đới đá biến đổi.
Các phương pháp thống kê thực nghiệm, thông qua các thơng số nói trên
được áp dụng khá rỗng rãi và có hiệu quả trong phân tích tài liệu phổ gamma hàng
không, đặc biệt là trong việc phát hiện và khoanh định các đới biến đổi có thể liên
quan với khống sản.
4. Các phương pháp khác.
Ngồi một số phương pháp phân tích mang tính chuyên dụng thường được
áp dụng trong phân tích tài liệu phổ gamma hàng khơng như đã trình bày ở trên,
trong thực tế người ta cịn sử dụng rất nhiều phương pháp phân tích khác theo
hướng khai thác và sử dụng triệt để thông tin như các phương pháp đạo hàm,
phương pháp phân tích các thành phần chính, các phương pháp phân tích bản đồ
bóng, các phương pháp chồng chập thơng tin.
Hầu hết các phương pháp nói trên (bao gồm các phương pháp tách trường,
các phương pháp nhận dạng, các phương pháp thống kê thực nghiệm v.v…) nói
chung đều xử lý trên các số liệu liên tục theo tuyến hoặc theo diện, nghĩa là phân

15


tích trên các bản đồ trường (cường độ bức xạ gamma, hàm lượng các nguyên tố
phóng xạ U, Th, K).
Trên các điểm dị thường đơn (Bản đồ phân bố các dị thường phổ gamma
hàng khơng) thường chỉ có một số phương pháp thống kê thực nghiệm đơn giản.
Thông qua các tham số đặc trưng riêng trên các điểm dị thường như: ∆J, T(1/2),
∆Th/ ∆U, ∆U/ ∆K, Ji, F…, người ta xác lập mối quan hệ giữa các đặc điểm địa chất
- khoáng sản với các đặc điểm xạ - địa hóa tương ứng, từ đó làm cơ sở cho việc dự
báo về triển vọng khoáng sản của chúng.
Tham gia đánh giá về mức độ triển vọng khoáng sản đối với các dị thường
đơn, ngoài một số tham số như: F, T(1/2)… người ta cịn sử dụng tham số tích phân
xác suất nhiều thành phần.: [4].

P 

1
( 2 ) 3

 e

 x x 2
y y 2
zz 2 
(
) (
) (
) 
Sy
Sz


 Sx


dxdydz

(1.8)

B

Trong đó: x, y , z là các hàm lượng U, Th, K đã được chuẩn hóa.
B: là diện phân bố của dị thường được xác định theo kênh tổng.
Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ tin học, các phương pháp

xử lý và phân tích số liệu hiện đại ngày càng được ứng dụng rỗng rãi thay thế các
phương pháp thủ cơng, trực quan, định tính. Phần lớn các thuật tốn trình bày ở trên
đều đã được tự động hóa với các hệ phần mềm mạnh chun dụng. Đáng chú ý là
Bộ chương trình phân tích phổ - thống kê COSCAD do GS.VS. Ni-Ki-Tin đề xuất
xây dựng và hệ phần mềm mạnh ERMAPPER.
1.3.2. Các phương pháp phân tích tài liệu địa vật lý máy bay ở Việt Nam.
Cơng tác phân tích tài liệu địa vật lý hàng không ở nước ta trong những năm
gần đây cũng đã có được những bước tiến đáng kể. Trong tổ hợp các phương pháp
phân tích tài liệu đang được sử dụng trong các đề án bay đo ngoài một số phương
pháp định tính với các thuật tốn tương đối đơn giản căn cứ trực tiếp vào đặc điểm

16


hình thái của các bản đồ trường thì một số phương pháp phân tích hiện đại như:
Dominal, tương quan, nhận dạng .v.v..cũng đã được đưa vào áp dụng.
Thông qua các đề tài nghiên cứu, một số tập thể tác giả cũng đã tiến hành
những nghiên cứu, phân tích thử nghiệm trên các tài liệu thực tế bằng nhiều phương
pháp khác nhau, đặc biệt là nhóm các phương pháp thống kê - nhận dạng và đã thu
được những kết quả tốt. Đóng góp vào hướng nghiên cứu này có thể kể đến các
cơng trình của các tác giả như: PGS.TSKH.Tăng Mười, TS.Nguyễn Tài Thinh,
GS.TS.Lê Khánh Phồn, PGS.TS.Võ Thanh Quỳnh, TS.Vũ Thu Hương, TS.Nguyển
Thế Hùng, TS. Nguyển Tuấn Phong và của nhiều nhà khoa học khác.
Trong các cơng trì trên các tác giả đã xử dụng một số phần mềm được xây
dựng trong nước, đồng thời khai thác một số phương pháp trong hệ chương trình
phân tích phổ - thống kê COSCAD và hệ chương trình ERMAPPER.
Tuy nhiên những nghiên cứu theo hướng này thường mới chỉ thu được kết
quả tốt với mục đích nghiên cứu cấu trúc, phục vụ cơng tác lập bản đồ cịn với mục
đích tìm kiếm và dự báo triển vọng khống sản thì các kết quả thu được cịn hạn
chế. Nhìn chung các kết quả nghiên cứu đạt được nói trên vẫn cịn manh mún, thơng

qua việc áp dụng, phát triển, hoàn thiện một số phương pháp nhận dạng riêng lẻ
chưa có được một Phương pháp hệ phân tích các tài liệu địa vật lý hàng khơng hồn
chỉnh trong giải đốn địa chất, tìm kiếm và dự báo triển vọng khoáng sản.
1.4. Khả năng giải quyết các nhiệm vụ địa chất.
Ứng dụng các phương pháp thăm dò phóng xạ và địa vật lý hạt nhân có thể
xác định được tuổi của địa chất, áp dụng trong khảo cổ để phát hiện các tầng văn
hóa cổ, các cơng trình văn hóa cổ bị vùi lấp, các cổ vật …và một số công tác địa vật
lý dưới đây:
Địa vật lý hàng không sử dụng máy đo phổ Gamma, cho phép xâc định hàm
lượng các nguyên tố U, Th, K liên quan đến bản chất dị thường phóng xạ. Ở Việt
Nam, các vùng có tiềm năng khống sản như Hịa Bình, Thanh Hóa, Quảng Nam Đà Nẵng…đã và đang tiến hành các phương pháp này ở tỷ lệ 1:50.000 và 1:25.000

17


nhằm phục vụ cho công tác đo vẽ bản đồ địa chất khoanh các vùng dị thường phóng
xạ và định hướng cho các cơng tác tìm kiếm thăm dị tiếp theo.
Phương pháp thăm dị phóng xạ có thể giúp tìm kiếm trực tiếp các quặng
phóng xạ. Tìm kiếm được các khoáng sản kim quý hiếm như: Vàng, Coban, Titan,
Niken…
Phương pháp thăm dị phóng xạ và địa vật lý hạt nhân cịn có thể tìm kiếm
gián tiếp các mỏ quặng khống sản Urani, Thori và các khoáng sản cộng sinh đồng
hành với các chất phóng xạ.
Phương pháp gamma hàng khơng là phương pháp rất có hiệu quả và kinh tế
trong việc phục vụ công tác điều tra địa chất thủy văn, địa chất cơng trình, địa chất
mơi trường…

18