Phương pháp phóng xạ trong địa vật lý và ứng dụng giải bài tập vật lý sơ cấp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NGUYỄN THỊ HẬU

PHƢƠNG PHÁP PHÓNG XẠ TRONG NGHIÊN CỨU ĐỊA VẬT
LÝ VÀ ỨNG DỤNG GIẢI BÀI TỐN VẬT LÝ SƠ CẤP

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Hà Nội – 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

PHƢƠNG PHÁP PHÓNG XẠ TRONG NGHIÊN CỨU ĐỊA VẬT
LÝ VÀ ỨNG DỤNG GIẢI BÀI TỐN VẬT LÝ SƠ CẤP

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : PGS - TS Võ Thanh Quỳnh
Sinh viên thực hiện khóa luận: Nguyễn Thị Hậu

Hà Nội – 2018


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS – TS Võ

Thanh Quỳnh, bộ môn Vật lý Địa cầu – khoa Vật lý – trường Đại học Khoa
học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo
điều kiện cho em hồn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Với những tình cảm chân thành, em cũng xin được cảm ơn sự quan tâm
của các thầy cô giáo trong bộ môn Vật lý Địa cầu đã giúp đỡ em trong thời
gian học tập và hoàn thành khóa luận tại bộ mơn. Em cũng xin cảm ơn trường
Đại học Giáo dục đã tạo mọi điều kiện, hoàn cảnh thuận lợi để em hồn thành
khóa luận tốt nghiệp này.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã chia sẻ,
động viên em trong suốt thời gian em học tập và hồn thành khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 5 năm 2018
Sinh viên
Nguyễn Thị Hậu


DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG
Hình 2.1: Vị trí khu vực nghiên cứu (nguồn google map)
Hình 2.2: Bản đồ hàm lượng Uran
Hình 2.3: Bản đồ hàm lượng Thori
Hình 2.4: Bản đồ hàm lượng Kali.
Hình 2.5: Bản đồ hàm lượng kênh tổng
Hình 2.6: Kết quả nhận dạng theo đối tượng mẫu số 57 theo đề án bay đo cho
khu vực nghiên cứu.
Hình 2.7: Các đối tượng tiến hành phân tích thử nghiệm
Bảng 2.1. Tổng hợp 15 tính chất thu thập và tính toán được của khu vực
Bảng 2.2. Kết quả xác định khoảng giá trị đặc trưng 15 tính chất của đối
tượng mẫu (đối tượng 3)
Bảng 2.3. Kết quả phân tích hệ số đồng dạng cho 8 đối tượng với đối tượng 3
(mẫu).

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP THĂM DỊ PHĨNG XẠ
........................................................................................................................... 3
1.1. Cơ sở vật lý của phƣơng pháp thăm dị phóng xạ ........................... 3
1.1.1. Hiện tượng phóng xạ ......................................................................... 3
1.1.2. Định luật cơ bản của q trình phóng xạ ......................................... 4
1.1.3. Các ngun tố phóng xạ tự nhiên – Các họ phóng xạ tự nhiên ........ 5
1.2. Cơ sở địa chất của phƣơng pháp phóng xạ ...................................... 6
1.2.1. Sự phân bố của các nguyên tố phóng xạ trong đất đá, nước và
khơng khí ..................................................................................................... 6
1.2.2. Các tiền đề giải quyết các nhiệm vụ địa chất khơng phóng xạ ......... 7
1.3. Máy thăm dị phóng xạ....................................................................... 8
1.3.1. Bộ phận ghi nhận bức xạ ................................................................... 8
1.3.2 Bộ phận khuếch đại ghi ................................................................... 10
1.3.3. Các loại máy thăm dị phóng xạ ...................................................... 10
1.4. Các phƣơng pháp đo phóng xạ........................................................ 11
1.4.1. Phương pháp đo mẫu phóng xạ ...................................................... 11
1.4.2. Các phương pháp gamma tổng ....................................................... 11
1.4.3. Phương pháp phổ gamma ............................................................... 12
1.4.4. Phương pháp gamma và phổ gamma công trình ............................ 14
1.4.5. Phương pháp đo khí phóng xạ......................................................... 15
1.5. Ứng dụng của phƣơng pháp thăm dị phóng xạ ............................... 16
1.5.1. Đo vẽ bản đồ địa chất...................................................................... 16
1.5.2. Tìm kiếm các mỏ phóng xạ .............................................................. 16
1.5.3. Tìm kiếm các mỏ khơng phóng xạ ................................................... 17
1.5.4. Phục vụ nghiên cứu địa chất cơng trình, địa chất thủy văn, địa chất

mơi trường ................................................................................................. 17


Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP TẦN SUẤT – NHẬN DẠNG TRONG
PHÂN TÍCH TÀI LIỆU ĐỊA VẬT LÝ ....................................................... 18
2.1. Nội dung của phƣơng pháp phân tích tần suất ................................ 18
2.2. Xây dựng nội dung phƣơng pháp Tần suất – Nhận dạng ............... 20
2.2.1. Phương pháp xây dựng ma trận thông tin đối tượng mẫu ............. 20
2.2.2. Phương pháp đánh giá lựa chọn tổ hợp thông tin .......................... 21
2.2.3. Phương pháp phân tích đối sánh, xác định các đối tượng đồng dạng
................................................................................................................... 21
2.3. Phân tích thử nghiệm phƣơng pháp tần suất – nhận dạng ............ 22
2.3.1. Tài liệu thu thập về khu vực ............................................................ 22
2.3.2. Phân tích thử nghiệm phương pháp tần suất – nhận dạng ............. 25
Chƣơng 3: ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP PHĨNG XẠ TRONG GIẢI
BÀI TỐN VẬT LÝ SƠ CẤP ..................................................................... 30
3.1. Phƣơng pháp đồng vị cacbon ............................................................. 30
3.1.1. Cơ sở khoa học của phương pháp ................................................... 30
3.1.2. Các phương pháp đo cacbon đồng vị phóng xạ .............................. 33
3.2. Ứng dụng giải các bài toán Vật lý sơ cấp .......................................... 35
KẾT LUẬN .................................................................................................... 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 41


MỞ ĐẦU
Hiện tượng phóng xạ do Becquerel phát hiện vào năm 1896, đầu thế kỷ
XX đã được đưa vào áp dụng trong các nghiên cứu địa chất và đã phát huy tác
dụng to lớn trong điều tra thăm dò các mỏ khoáng sản cũng như xác định tuổi
địa chất của mẫu vật và nghiên cứu nguồn địa nhiệt, nghiên cứu môi trường…
Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của kỹ thuật hạt nhân, thăm dị

phóng xạ ngày càng được sử dụng nhiều để giải quyết các nhiệm vụ địa chất
quan trọng và ngày càng được mọi người quan tâm .
Thăm dị phóng xạ là một phân ngành của khoa học địa vật lý thăm dò.
Phương pháp thăm dò phóng xạ ngày nay bao gồm hai lĩnh vực phương pháp
phóng xa tự nhiên và phương pháp phóng xạ nhân tạo. Phương pháp thăm dị
phóng xạ giúp thu thập một lượng lớn thơng tin về đối tượng cần nghiên cứu.
Có nhiều phương pháp khác nhau đang được sử dụng trong phân tích tổ hợp
số liệu Địa Vật lý , trong đó nhóm các phương pháp thống kế - nhận dạng
được áp dụng rộng rãi và có hiệu quả nhiều hơn cả.
Từ những yêu cầu thực tế trên, em lựa chọn khóa luận với đề tài: “
Phương pháp phóng xạ trong địa vật lý và ứng dụng giải bài tập Vật lý sơ
cấp” với những mục tiêu và nhiệm vụ chính như sau:
-

Nghiên cứu tìm hiểu về phương pháp thăm dị phóng xạ.

-

Nghiên cứu tìm hiểu thuật tốn phân tích đối sánh, xác định đối

tượng đồng dạng trong “Phương pháp tần suất – nhận dạng”, trên cơ sở tiến
hành phân tích thử nghiệm một tài liệu thực tế nhằm làm rõ ý nghĩa thực tiễn
và khả năng áp dụng của phương pháp.
-

Áp dụng phương pháp phóng xạ giải các bài tốn Vật lý sơ cấp,

phục vụ cho việc giảng dạy Vật lý Trung học phổ thông.

1

Từ cơ sở của những mục tiêu và nhiệm vụ trên, khóa luận được trình
bày có cấu trúc như sau:
-

Mở đầu.

-

Chƣơng 1: Tổng quan về phương pháp thăm dị phóng xạ.

-

Chƣơng 2: Phương pháp tần suất - nhận dạng trong phân tích tài

liệu địa vật lý.
-

Chƣơng 3: Ứng dụng phương pháp phóng xạ trong giải các bài

tốn Vật lý sơ cấp.
Do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm còn ít nên khóa luận khơng
tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung từ thầy cô
và các bạn.

2


Chƣơng 1

TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP THĂM DỊ PHĨNG XẠ
1.1.

Cơ sở vật lý của phƣơng pháp thăm dị phóng xạ

1.1.1. Hiện tượng phóng xạ
Q trình phóng xạ là q trình phân rã hạt nhân nguyên tử một cách
tự phát, hạt nhân nguyên tử có sự thay đổi về thành phần, cấu tạo và trạng thái
năng lượng để biến thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác. Trong quá
trình phân rã kèm theo sự phát ra các hạt

hoặc các bức xạ

[3].

Hiện tượng phóng xạ là sự phát xạ tự phát của các hạt hoặc tia gamma
của các hạt nhân nguyên tố không bền vững hoặc sự tự phát tia X sau khi bắt
giữ điện tử quỹ đạo, hoặc là quá trình tách vỡ tự phát[7].
Căn cứ vào các loại hạt được hạt nhân phát ra hay bị hạt nhân hấp thụ
vào, có thể chia q trình biến đổi hạt nhân thành các dạng phân rã anpha (
beta (

,

, bức xạ gamma ( .
-

Sự phân rã anpha

: Khi có sự phân rã, hạt nhân nguyên tử

phát ra hạt gồm 2 proton và 2 notron, số thứ tự nguyên tử giảm đi 2 và trọng
lượng nguyên tử giảm đi 4 đơn vị. Hạt

chính là hạt nhân của ngun tử

Heli.
Phân rã alpha có thể biểu diễn theo sơ đồ:
+
-

Sự phân rã beta ( ): chia thành 2 loại phân rã là phân rã electron

và phân rã pôzitron.
Phân rã electron (β-) là phân rã mà trong hạt nhân xảy ra sự biến đổi
notron thành proton , kết quả là phát xạ electron nhanh (hạt β-). Số thứ tự của
nguyên tố khi đó tăng 1 đơn vị cịn khối lượng trên thực tế khơng đổi vì khối
lượng của electron rất bé.

3


Phân rã pôzitron là phân rã mà trong hạt nhân xảy ra quá trình proton
biến đổi thành notron với sự phát xạ electron dương, mang tên pozitron, vì
vậy số thứ tự của nguyên tố gỉảm đi một đơn vị.
Trong phân rã β đồng thời với việc phát xạ electron hoặc pozitron có
kèm theo phát xa nơtrinơ, thêm vào đó năng lượng tổng cộng của electron và
nơtrinô được phát xạ là như nhau đối với phát xạ β đã cho.
Phân rã β có thể biểu diễn sơ đồ:
+ e-- + ̌

Trong đó v và ̌ là nơtrinơ và phản hạt của nó.
-

Bức xạ gamma: Khi hạt nhân chuyển từ mức năng lượng không

ổn định trở về trạng thái năng lượng thấp hơn, ổn định hơn thì phát ra bức xạ
gamma. Bức xạ γ là bức xạ điện tử tần số cao, chúng vừa có tính sóng, vừa có
tính hạt, khơng mang điện. Năng lượng của bức xạ thay đổi tùy thuộc vào hạt
nhân của các nguyên tố khác nhau. Căn cứ vào sự khác nhau về năng lượng
của bức xạ mà có thể dùng phổ gamma để xác định các nguyên tố khác nhau.
Bức xạ γ có khả năng ion hóa kém nhưng khả năng đâm xuyên lớn,
chúng có thể đâm xun qua lớp khơng khí hàng trăm mét và lớp đất đá dày
không quá 1m[7].
1.1.2. Định luật cơ bản của q trình phóng xạ
Phân rã phóng xạ là q trình tự phân rã của hạt nhân nguyên tử nên
quy luật phân rã phóng xạ khơng phụ thuộc vào các điều kiện khách quan như
điều kiện hóa học hay vật lý bên ngồi (nhiệt độ, áp suất…).[3]
Trong q trình phân rã phóng xạ, số lượng nguyên tử của nguyên tố
giảm dần theo một quy luật nhất định và tuân theo công thức:
N=

4


Quy luật phân rã phóng xạ phụ thuộc vào hằng số λ. Hằng số này của
các nguyên tố khác nhau là khác nhau, đặc trưng cho xác suất phân rã một
nguyên tử của nguyên tố trong một đơn vị thời gian và gọi là hằng số phân rã
phóng xạ. Hằng số phân rã càng lớn thì tốc độ phân rã càng nhanh và ngược
lại.
Để đặc trưng cho quá trình phân rã phóng xạ, người ta cịn đưa ra khái

niệm chu kỳ bán rã T và thời gian sống trung bình của nguyên tử .
Thời gian sống trung bình của nguyên tử là đại lượng tỷ lệ nghịch với
hằng số phân rã λ: = .
Chu kỳ bán rã T là khoảng thời gian để số nguyên tử của một nguyên tố
giảm đi chỉ còn một nửa. Gọi

và

là số hạt nhân nguyên tử của nguyên

tố có ở thời điểm ban đầu t = 0 và ở thời điểm t = T. Ta có
=
=

=
=

Các chất khác nhau có chu kỳ bán rã T rất khác nhau[7].
1.1.3. Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên – Các họ phóng xạ tự nhiên
Các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên có khối lượng lớn phân rã liên
tiếp tạo thành các dãy nguyên tố phóng xạ.
Trong tự nhiên có 3 dãy phóng xạ, các dãy này bắt đầu bởi các nguyên
tố

,

,

.

Sự phân rã của 3 dãy phóng xạ này có những tính chất chung:
-

Các ngun tố đứng đầu mỗi dãy là các nguyên tố nặng có chu

kỳ bán rã T rất lớn khoảng

đến

năm. Trong quá trình phân rã các

nguyên tố sau có khối lượng nhỏ dần.

5


-

Ở khoảng giữ mỗi dãy đều có đồng vị phóng xạ ở dạng khí như

Radon (Rn), Actinon (An) và Thoron ( Tn). Các khí phóng xạ này cịn có tên
gọi là khí eman. Q trình thốt khí ra khỏi quặng gọi là quá trình eman.
-

Cuối mỗi dãy này là những chất bền vững khơng phóng xạ, đó là

những đồng vị của chì[7].
1.2.

Cơ sở địa chất của phƣơng pháp phóng xạ

1.2.1. Sự phân bố của các nguyên tố phóng xạ trong đất đá, nước và
khơng khí
Các ngun tố phóng xạ phân bố rộng rãi trong tự nhiên thường là
Uran, Thori, Kali, Radon… chúng thường tồn tại trong môi trường đất đám,
nước, khơng khí.
-

Trong đá macma, hàm lượng các ngun tố phóng xạ tăng dần

theo tính axit, các đá mafic và siêu mafic có tính phóng xạ yếu. Các ngun tố
Uran, Thori có phổ biến trong đá macma dạng xâm tán.
Các thể xâm nhập nhỏ và trẻ có tính phóng xạ cao, ở các vùng tiếp xúc,
đai cơ, những đới biến đổi nhiệt dịch, đới cà nát, đứt gãy…thường nồng độ
các nguyên tố phóng xạ cao.
Tính phóng xạ của đá macma phụ thuộc chủ yếu vào thành phần thạch
học của đá. Cùng một loại đá thì loại đá nào có tuổi tuyệt đối cao thì hàm
lượng phóng xạ càng nhỏ. Đá macma axit có hàm lượng nguyên tố phóng xạ
lớn và thay đổi trong phạm vi rộng.
-

Trong đất đá trầm tích, hàm lượng các nguyên tố phóng xạ thay

đổi trong một phạm vi rộng. Đá phiến sét, sét có tính phóng xạ cao hơn cả.
Các loại trầm tích thủy hóa, cacbonat, than, cát, thạch anh… có tính phóng xạ
yếu. Cát kết có hàm lượng phóng xa thay đổi trong phạm vi rộng.
-

Tính phóng xạ trong đá biến chất và quy luật phân bố của chúng

cho đến nay chưa được nghiên cứu đầy đủ. Nói chung quy luật phân bố của

6


các nguyên tố phóng xạ trong đá biến chất khá phức tạp, phụ thuộc vào mức
độ biến chất, thành phần đất đá trước khi biến chất.
-

Trong quá trình phân hủy và vận chuyển của các nguyên tố

phóng xạ, một lượng đáng kể tích tụ trong các lớp đất trồng. Nồng độ của các
nguyên tố phóng xạ trong lớp đất trồng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau.
Trong lớp đất trồng ở khu vực gần các mỏ Uran, Thori, Kali… thường phát
hiện vành phân tán phóng xạ.
-

Trong nước nói chung thường có hàm lượng phóng xạ thấp. Đối

với các loại nước như nước biển, sông, hồ (trừ các sông chảy qua mỏ phóng
xạ) có tính phóng xạ yếu, nhỏ hơn hàng ngàn lần so với đất đá.
Những mạch nước ngầm chảy qua các mỏ phóng xạ thường có nồng độ
phóng xạ cao hơn hẳn những vùng xung quanh tạo nên vành phân tán thủy
phóng xạ. Việc nghiên cứu vành phân tán này có ý nghĩa quan trọng giúp
chúng ta phát hiện thân quặng gốc ở dưới sâu. Hàm lượng cao của nguyên tố
phóng xạ trong nước là một trong những tiền đề giúp chúng ta tìm kiếm
quặng phóng xạ[7].
1.2.2. Các tiền đề giải quyết các nhiệm vụ địa chất không phóng xạ
Ngồi việc tìm kiếm thăm dị các mỏ phóng xạ, phương pháp thăm dị
phóng xạ cịn được sử dụng để giải quyết các nhiệm vụ địa chất khơng phóng

xạ. Các tiền đề địa chất gồm có:
-

Nhiều mỏ chứa khống sản có ích liên quan cộng sinh với mỏ

phóng xạ.
-

Dưới tác động của các hoạt động kiến tạo, một số mỏ khống

nằm trong đới đập vỡ có thể có bất thường phóng xạ do sự lan truyền của khí
phóng xạ.
-

Các thể địa chất có hàm lượng phóng xạ khác nhau, xác định

hàm lượng phóng xạ của chúng có cơ sở để vẽ bản đồ địa chất.

7


-

Có thể xác định tuổi địa chất của đất đá trên cơ sở hàm lượng các

nguyên tố phóng xạ biến đổi theo thời gian, tuổi đất đá càng cao thì hàm
lượng các nguyên tố phóng xạ càng thấp.
-

Sử dụng tương tác bức xạ phóng xạ với hạt nhân các nguyên tố

tạo đá để xác định thành phần vật chất của đất đá.[7]
1.3.

Máy thăm dị phóng xạ

Để đo cường độ phóng xạ, người ta thường sử dụng các loại máy phóng
xạ có nhiệm vụ phát hiện các tia phóng xạ và đo được cường độ của chúng.
Tùy thuộc vào điều kiện làm việc mà có thể sử dụng các máy phóng xạ khác
nhau như: máy đo tham số trong phóng thí nghiệm, đo trong giếng khoan, đặt
trên ô tô, máy bay hoặc xách tay.
Nguyên tắc chung cấu tạo của máy phóng xạ bao gồm bộ phận ghi
nhận bức xạ và bộ phân khuếch đạ ghi. Bộ phận ghi nhận bức xạ (cịn gọi là
bộ phận phát hiện) có nhiệm vụ thu nhận các bức xạ phóng xạ và biến đổi
chúng thành tín hiệu điện. Bộ phấn khuếch đại ghi có nhiệm vụ khuếch đại ,
lọc tín hiệu từ đó xác định loại, số lượng và năng lượng của bức xạ.[7]
1.3.1. Bộ phận ghi nhận bức xạ
Các dụng cụ ghi bức xạ thường được chế tạo dựa vào hiện tượng ion
hóa chất khí (buồng ion hóa, ống đệm chứa khí ) hoặc dựa vào hiện tượng
nhấp nháy (ống đếm nhấp nháy).
-

Ống đếm chứa khí Geiger Muller: Nguyên tắc hoạt động của loại

ống chứa khí này dựa vào hiện tượng ion hóa chất khí. Ống đếm chứa khí có
mặt trong phủ một lớp mỏng chất dẫn điện và được nối với cực âm của nguồn
điện (katot), ở giữa của ống là một sợi dây kim loại được nối với cực dương
của nguồn điện (anot).

8

Trong ống chứa khí Acgon và hơi rượu hoặc halogen có áp suất thấp.
Hiệu điện thế giữa hai điện cực tầm 1000V. Khi có bức xạ β hoặc γ đâm
xuyên qua ống làm bật điện tử từ mặt kim loại ra, các điện tử này làm ion hóa
chất khí chứa trong ống và chất khí trở nên dẫn điện. Nhờ có điện thế giữa các
điện cực mà điện tử tạo nên các xung dịng. Khi bức xạ tăng lên thì tạo thành
các xung liên tiếp. Sau khi khuếch đại xung bằng bộ khuếch đại và ghi được
chúng thì có thể xác định được cường độ bức xạ. Ống đếm Geiger Muller
dùng để ghi bức xạ β hoặc γ.
-

Ống đếm nhấp nháy: ống đếm nhấp nháy gồm một tinh thể phát

quang và nhân quang điện.
Tinh thể phát quang có thể phát sáng dưới tác dụng của bức xạ gamma.
Khi tia phóng xạ đập vào mặt tinh thể phát quang thì các phần tử của chất
phát quang bị ion hóa hoặc kích thích để phát sáng. Ánh sáng này đập vào
katot của nhân quang điện làm bật ra các điên tử, các điện tử này được hút về
điện cực mang điện thế dương. Do các điện cực được bố trí có điện thế cao
dần , nên dòng điện tử thứ cấp phát ra tăng theo cấp số nhân và cuối cùng
dòng điện tử đập vào anot của nhân quang điện tạo nên một xung điện. Bức
xạ đến cành nhiều thì số xung trong một đơn vị thời gian càng lớn, tức là bức
xạ càng mạnh thì tốc độ đếm càng cao. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng của
ống đếm mà tinh thể này được làm từ các chất khác nhau. Để đo cường độ
bức xạ này người ta thường sử dụng tinh thể Iotnatri, hiệu suất ghi của nó
tương đối cao, nếu để đo cường độ tia β thì dùng các chất hữu cơ đặc biệt.
Ngoài các loại ống đếm chứa khí, ống đếm nhấp nháy như đã trình bày
ở trên, trong thăm dị phóng xạ người ta cịn sử dụng các dụng cụ phát hiện sử
dụng các chất bán dẫn (Detecter bán dẫn), chất điện môi (Detecter vết).

-

Detecter bán dẫn là dụng cụ phát hiện sử dụng chất bán dẫn,

khác với buồng ion hóa là giữa các điện cực khơng dùng chất khí mà dùng

9


chất bán dẫn. Do năng lượng tiêu hao trong chất bán dẫn nhỏ hơn so với chất
khí nên có độ phân giải năng lượng cao hơn.
-

Detecter vết là dụng cụ phát hiện sử dụng chất điện môi(chất

dẻo, thủy tinh, mica…) cho phép xác định các vết trên chất điện môi khi có
hạt α hoặc các bức xạ khác đi qua. Khi chất điện mơi có vết do bức xạ gây ra
được ngâm trong dung dịch axit hoặc kiềm mạnh thì các vết bị ăn mịn và
đường kính các vết có thể rộng cỡ micromet. Bằng kính hiển vi quang học có
thể quan sát được số lượng các vết phản ánh cường độ bức xạ. Đây là cơ sở
của phương pháp đo vết phóng xạ[7].
1.3.2 Bộ phận khuếch đại ghi
Các tín hiệu điện nhận được từ bộ phận phát hiện do các bức xạ gây ra
thường rất yếu nên cần khuếch đại lên để tạo thành các xung với biên độ đủ
lớn, giá trị biên độ các xung tỷ lệ với năng lượng bức xạ. Ngồi ra cịn sử
dụng bộ lọc để có thể thu nhận được các xung trong phạm vi mộ khoảng điện
áp nhất định.
Tín hiệu sau khi khuếch đại và chọn lọc được đưa đến bộ đếm xung. Số
lượng xung ghi được tỷ lệ với cường độ bức xạ trong một thời gian nhất định.
Kết qủa ghi số có thể dùng tinh thể lỏng hiện số.[7]

1.3.3. Các loại máy thăm dị phóng xạ
Hiện này có rất nhiều thiết bị thăm dị phóng xạ. Có thể phân loại các
loại máy này theo đặc điểm của loại bức xạ, phương thức đo, loại dụng cụ
phát hiện, loại bộ lọc.
Dựa vào đặc điểm của loại bức xạ người ta chia thành máy đo bức xạ
gamma, anpha hoặc bêta. Dựa vào phương thức đo có loại máy ghi số xung
(có độ chính xác cao) hoặc máy đo tốc độ đếm phóng xạ (độ chính xác thấp
hơn). Dựa vào sự khác nhau của dụng cụ phát hiện có thể chia thành máy
phóng xạ dùng ống đếm Geiger Muller, ống đếm nhấp nháy, dùng chất bán
dẫn. Dựa vào các bộ lọc mà phân chia loại máy phóng xạ đo bức xạ tổng cộng

10


hoặc máy đo bức xạ phổ. Tùy vào nhiệm vụ giải quyết mà có thể sử dụng máy
phóng xạ đo trên mặt đất, trên máy bay hay trong giếng khoan[7].
Các loại máy đo gamma thường dùng ở nước ta hiện nay là CRP 68-01,
CRP 88-H (Nga), máy đo phổ gamma đơn kênh GAD-1 và 4 kênh GAD6,GAD-12 (Canada).
1.4.

Các phƣơng pháp đo phóng xạ

1.4.1. Phương pháp đo mẫu phóng xạ
Đây là phương pháp trong phịng thí nghiệm nhằm xác định hàm lượng
các nguyên tố phóng xạ trong các mẫu đất đá và quặng. Nguyên tắc chung của
phương pháp này là so sánh độ phóng xạ của các mẫu quặng, mẫu đá, mẫu
nước với mẫu chuẩn đã biết trước hàm lượng.
1.4.2. Các phương pháp gamma tổng
Phương pháp đo bức xạ gamma tự nhiên của đất đá được áp dụng phổ
biến trong thăm dị phóng xạ, chúng có thể tiến hành trên áy bay, trên mặt đất

hoặc trong giếng khoan.
-

Phương pháp đo gamma hàng không: Phương pháp này thường

được tiến hành bằng các máy đo có độ nhạy cao và qn tính nhỏ đặt trên
máy bay. Cường độ bức xạ gamma thu được trên máy bay phụ thuộc vào
thành phần và hàm lượng các yếu tố phóng xạ, bề dày lớp phủ, chiều cao bay
và dạng địa hình.. Chiều cao bay càng lớn thì cường độ bức xạ thu được càng
nhỏ vì vậy cần dùng máy bay bay thấp và tốc độ chậm. Các tuyến bay được
bố trí thẳng góc với phương của đối tượng khảo sát. Trong khi bay cường độ
phóng xạ được ghi một cách tự động và liên tục. Trong q trình phân tích tài
liệu cần hiệu chỉnh kết quả đo đạc về mặt đất, thành lập bản đồ và xác định
các vùng có bất thường để tiến hành kiểm tra bằng phương pháp trên mặt đất.
-

Phương pháp gamma mặt đất: Phương pháp này được sử dụng để

đo bức xạ tổng của đá, đất hoặc quặng phục vụ khảo sát lập bản đồ địa chất,
thăm dị khống sản có ích và nghiên cứu môi trường. Phương pháp này chỉ

11


được áp dụng có kết quả tốt ở những vùng đá lộ hoặc có lớp phủ mỏng, nếu
lớp phủ dày hơn thì chỉ đo ở các vết lộ, sơng suối, thung lũng,..
Cường độ bức xạ gamma thu nhận được không chỉ phụ thuộc vào hàm
lượng nguyên tố phóng xạ của đất đá mà còn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố
khác như hình dạng địa hình, sự hấp thụ của môi trường. Do sự hấp thụ của
môi trường nên chỉ ghi được các bức xạ gamma ở phần trên của lát cắt, vì vậy

diện tích bề mặt có ảnh hưởng lớn đến kết quả đo.
Ở vùng có lớp phủ Đệ tứ dày, việc đo cường độ bức xạ gamma có khó
khăn hơn. Nếu đá gốc dưới lớp phủ có tính phóng xạ thì khí phóng xạ sẽ di
chuyển lên trên và khuếch tán vào trong lớp phủ tạo nên các vành phân tán
trong lớp đất trồng trọt và một phần thốt ra khơng khí.
Khi khảo sát ở tỷ lệ trung bình, quá trình đo gamma hàng được tiến
hành theo lộ trình địa chất, ven sơng suối hoặc đường mịn, ở tỷ lệ lớn cần đo
theo điểm trên mạng lưới đo đã được xác định. Khi đó, khoảng cách giữa
phóng xạ kế và mặt đất khơng q 5cm. Ở vùng có triển vọng mỏ phóng xạ có
thể đotrong hố đào và khoan nông, lỗ được đục bằng xà beng hay khoan tay
có chiều sâu 0,3-3m.
Kết quả đo đạc được biểu diễn đưới dạng bản đồ đồ thị cường độ
gamma theo mạng lưới tuyến hay lộ trình địa chất, bản đồ đẳng trị gamma.
Gam màu biểu diễn hàm lượng phóng xạ thay đổi từ màu vàng gạch (hàm
lượng thấp) cho đến màu xanh lá mạ, xanh đậm, xanh da trời (hàm lượng
trung bình), màu nâu, hồng, tím (hàm lượng cao), màu đỏ (hàm lượng rất
cao).
1.4.3. Phương pháp phổ gamma
Phương pháp phổ gamma đo bức xạ gamma tự nhiên theo các mức
năng lượng khác nhau để xác định hàm lượng U,Th,K có trong đất đá và
quặng phục vụ điều tra địa chất, thăm dị khống sản và khảo sát mơi trường.

12


Các nguyên tố phóng xạ khác nhau có mức năng lượng bức xạ gamma
khác nhau đặc trưng cho nguyên tố đó. Thí dụ mức năng lượng bức xạ
gamma chủ yếu của K là 1,45 MeV, Th là 2,62 MeV, U là 1,76 MeV…
Khi đo phổ gamma cần chọn các khoảng năng lượng thích hợp mà
trong khoảng đó bức xạ gamma của nguyên tố cần xác định trội hơn cả.

Khoảng năng lượng đó được gọi là “cửa sổ” năng lượng. Trong đo phổ
gamma thường chọn 3 cửa sổ và đặt tên tương ứng với các nguyên tố trội
nhất trong khoảng năng lượng đó:
+ Cửa sổ Kali: 0,35 -1,55 MeV.
+ Cửa sổ Uran: 1,65 – 1,85 MeV.
+ Cửa sổ Thori: 2,40 – 2,80 MeV.
Tất nhiên trong mỗi của 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.
Phương pháp phổ gamma có thể tiến hành trên biển, mặt đất, trên
không.. Khi khảo sát địa chất tỷ lệ trung bình và tỷ lệ lớn người ta thường áp
dụng phương pháp phổ gamma mặt đất để phân tầng đất đá theo giá trị cường
độ và hàm lượng các ngun tố phóng xạ , tìm kiếm thăm dị các mỏ phóng
xạ, các mỏ có cộng sinh hoặc đồng hành của các nguyên tố phóng xạ, phát
hiện các đới dập vỡ, đứt gãy…
Khi đo phổ gamma thường dùng các loại máy đo đơn kênh GAD-1 và
4 kênh GAD_6, GAD-12 (Canada).
Căn cứ vào nhiệm vụ và đặc điểm cấu trúc địa chất mà có thể đo phổ
gamma theo lộ trình, đo chi tiết theo diện tích, theo tuyến hoặc trong các hố
đào ở vùng triển vọng có lớp phủ dày. Tỷ lệ và mật độ mạng lưới quan sát
tương tự như phương pháp gamma tổng tuy nhiên khoảng cách các điểm đo

13


thường dày hơn. Kết quả đo thường được biểu diễn bằng các đồ thi, các sơ
đồ, bản đồ đẳng trị các hàm lượng nguyên tố U, Th,K, Bất thường Uran được
thể hiện bằng màu đỏ, Thori màu xanh và Kali màu vàng. Trên các sơ đồ và
bản đồ thể hiện các yếu tố địa chất như ranh giới, thành phần các đá, đứt gãy
.. Bất thường phổ gamma thường được chia thành 3 loại: bất thường mạnh,

trung bình và yếu.
1.4.4. Phương pháp gamma và phổ gamma cơng trình
Phương pháp gamma và phổ gamma cơng trình là đo gamma và phổ
gamma với màn chắn thích hợp trong các vỉa lộ hoặc các cơng trình khai đào
để xác định bề dày và hàm lượng các nguyên tố phóng xạ. Màn chắn được
làm bằng chì để bọc đầu dị, chỉ chừa một cửa sổ nhỏ ở vị trí trung tâm nhằm
tránh các bức xạ xung quanh ảnh hưởng đến kết quả đo.
Các công trình khai đào trong tìm kiếm thăm dị khống sản cũng như
trong các cơng trình dân dụng như rãnh đặt ống nước, đường hầm… đều cần
đo cường độ gamma ở thành hay ở đáy như đo gamma trên mặt đất. Trong
tìm kiếm, thăm dị đánh giá trữ lượng quặng Uran, Thori… có thể đo theo
trục cơng trình với khoảng cách điểm đo từ 1 – 5m hoặc đo theo tiết diện
cơng trình với số điểm đo trên mỗi tiết diện khoảng 6- 8 điểm, khoảng cách
giữa các điểm đo 0,5 – 0,6 m.
Phương pháp gamma và phổ gamma cơng trình chỉ khảo sát các quặng
phóng xạ và các quặng cộng phóng xạ ở giai đoạn tìm kiếm đánh giá và thăm
dò. Các máy và thiết bị được sử dụng tương tự như trên mặt đất. Diện tích
khảo sát là bề mặt vết lộ, đáy và vách của hào, giếng… Đo theo mạng lưới ơ
vng có kích thước (0,25m) Sau khi phát hiện được điểm bất thường cần
khảo sát trên một tuyến chi tiết cắt qua phần bất thường. Khoảng cách của
các điểm trên tuyến là 10-20cm. Các kết quả đo được xây dựng thành biểu đồ
dùng để xác định bề dày và hàm lượng quặng.

14


1.4.5. Phương pháp đo khí phóng xạ
Phương pháp đo khí phóng xạ (cịn gọi là phương pháp eman) là
phương pháp đo tức thời nồng độ các chất khí phóng xạ như Radon (Rn),
Actinon (An), Thoron (Tr) trong các lớp đất nhằm phục vụ điều tra địa chất,

tìm kiếm khống sản và nghiên cứu môi trường…
Phương pháp này được sử dụng để tìm kiếm các thân quặng Uran,
Thori và các khống sản có ích khác có cộng sinh hoặc đồng hành của các
ngun tố phóng xạ nằm dưới lớp phủ (khơng dày quá 20m): phát hiện các
đứt gãy, ranh giới đất đá. Phương pháp đo khí phóng xạ có ưu điểm so với
phương pháp đo gamma là có thể phát hiện quặng phóng xạ ở sâu hơn, trong
điều kiện thuận lợi có thể có độ sâu nghiên cứu tới 10m, nhược điểm của
chúng là cần các dụng cụ phức tạp và phải hút khí.
Đối tượng đo khí phóng xạ là đo bức xạ α của Radon và Thoron. Khả
năng đâm xuyên của α rất yếu nhưng khả năng oxi hóa và lan truyền đáng kể.
Radon có chu kỳ bán rã 3,8 ngày và có thể lan truyền cách xa đối tượng hàng
chục mét, trong điều kiện thuận lợi có thể lan truyền xa hơn. Khí Thoron có
chu kỳ bán rã 54,5 s nên thường không đi xa khỏi đối tượng nghiên cứu.
Tại mỗi điểm đo, dùng khoan tay hoặc xà beng khoan lỗ sâu khoảng
0,5-1m, cho ống hút khí vào lỗ, khí dưới đất được bơm hút lên và đưa vào
buồng ion hóa. Dùng máy đo khí phóng xạ để đo nồng độ khí phóng xạ tại
điểm quan sát.
Muốn đo nồng độ khí Thoron thì phải tiến hành đo ngay sau khi mới
hút khí vào buồng ion hóa. Cũng có thể nghiên cứu cả Rn và Tn bằng cách đo
nồng độ phóng xạ ở những thời điểm khác nhau.
Nồng độ của khí Radon trong lớp đất màu khoảng từ 5-50 Bq/l, nồng
độ tổng cộng của Radon và Thoron thì có thể đạt tới 10 – 150 Bq/l. Trên

15


những vùng có vành phân tán phóng xạ hoặc trên thân quặng thì nồng độ chất
khí phóng xạ có thể thay đổi từ vài trăm đến hàng vạn Bq/l.
Trên cơ sở kết quả đo cần tính nồng độ khí phóng xạ, tính phơng, sai số
đo và xác định dị thường. Các kết quả đo được biểu diễn dưới dạng các bản

đồ đồ thị theo các tuyến, bản đồ đẳng trị hàm lượng khí phóng xạ… Các máy
đo khí phóng xạ thường dùng là RADON-82, PGA-01P, RDA-200
(Canada)…
Phương pháp khí phóng xạ được dùng trong các giai đoạn tìm kiếm
thăm dị ở các tỷ lệ trung bình và tỷ lệ lớn theo các mạng lưới như phương
pháp gamma mặt đất[7].
1.5. Ứng dụng của phƣơng pháp thăm dị phóng xạ
1.5.1. Đo vẽ bản đồ địa chất
Có thể sử dụng phương pháp thăm dị phóng xạ trong đo vẽ bản đồ địa
chất như phân chia ranh giới tiếp xúc các loại đá, phân chia địa tầng, xác định
các đới đứt gãy, phá hủy… Điều kiện thuận lợi để áp dụng phương pháp thăm
dị phóng xạ là khi bề dày lớp phủ Đệ tứ mỏng hoặc khơng có lớp phủ. Chúng
được áp dụng có hiệu quả nhất ở các vùng có phát triển đá macma.
Các phương pháp thăm dị phóng xạ dùng cho đo vẽ bản đồ địa chất
như phương pháp phổ gamma, phương pháp đo khí phóng xạ… cần có độ
chính xác cao để phát hiện các bất thường nhỏ[7].
1.5.2. Tìm kiếm các mỏ phóng xạ
Phương pháp thăm dị phóng xạ giữ vai trị chủ đạo trong mọi giai đoạn
từ tìm kiếm sơ bộ cho đến phát hiện vùng có triển vọng đến thăm dị tỉ mỉ mỏ
phóng xạ. trong thực tê, người ta thường sử dụng các phương pháp như đo
gamma tổng, đo khí phóng xạ, detrctơ vết, phổ gamma..[7]

16


Ở nước ta, hiện nay, việc phát hiện mỏ Uran ở Quảng Nam, Bình
Dương đã khẳng định vai trị của phương pháp thăm dị phóng xạ trong tìm
kiếm quặng phóng xạ.
1.5.3. Tìm kiếm các mỏ khơng phóng xạ
Phương pháp phóng xạ khơng chỉ được áp dụng để tìm kiếm các mỏ

phóng xạ mà cịn được quan tâm tìm kiếm các mỏ khơng phóng xạ có các
ngun tố phóng xạ cộng sinh. Các loại mỏ này có thể bao gồm:
-

Các loại mỏ đất hiếm liên quan đến đá kiềm, cacbonat, sa khống

titan có monazit và ziẻcon. Trong các loại này thường chứa một lượng khá
lớn các nguyên tố phóng xạ.
-

Các mỏ trầm tích chứa vândi và molipden, photphorit, than, diệp

thạch chay, pecmatit chứa các nguyên tố hiếm.
-

Các mỏ đa kim và các thể nội sinh của molipden, wolfram…

Ở nước ta đã áp dụng các phương pháp phóng xạ tìm kiếm mỏ đồng
Sin quyền, mỏ đất hiếm Nậm xe, sa khoáng ven biển,…[7].
1.5.4. Phục vụ nghiên cứu địa chất cơng trình, địa chất thủy văn, địa
chất mơi trường
Phương pháp phóng xạ được sử dụng để xác định các tham số vật lý
như độ ẩm, mật độ, …đất đá trong điều kiện tự nhiên, phát hiện các đới phá
hủy, sụt lún, nghiên cứu đặc điểm trầm tích mặt, vị trí mực nước ngầm, hướng
và động thái nước ngầm. Việc áp dụng phương pháp phóng xạ với mục đích
phục vụ việc kiểm sốt ơ nhiễm phóng xạ đối với mơi trường đang rất được
quan tâm[7].

17

Chƣơng 2
PHƢƠNG PHÁP TẦN SUẤT – NHẬN DẠNG TRONG PHÂN
TÍCH TÀI LIỆU ĐỊA VẬT LÝ
Phương pháp tần suất – nhận dạng là một phương pháp phân tích nhận
dạng mới trong xử lý – phân tích tài liệu Địa vật lý do PGS-TS Võ Thanh
Quỳnh đề xuất năm 2007 và nhóm tác giả Võ Thanh Quỳnh, Nguyễn Xuân
Bình, Nguyễn Đức Vinh hoàn thiện năm 2011[4,6].
Năm 2007, PGS-TS Võ Thanh Quỳnh trong bài báo “Một cách tiếp cận
mới giải quyết bài toán nhận dạng trong xử lý và phân tích tài liệu địa vật lý”
đã trình bày việc đề xuất và xây dựng một phương pháp nhận dạng mới, được
xây dựng trên cơ sở ứng dụng phương pháp phân tích tần suất trong lớp bài
tốn đánh giá lựa chọn thơng tin[4].
Phương pháp tần suất – nhận dạng được xây dựng trên cơ sở ứng dụng
phương pháp phân tích tần suất theo thuật toán Griffiths Vinni trong lớp bài
toán đánh giá và lựa chọn thơng tin vào việc giải quyết bài tốn nhận dạng
trong địa vật lý. Phương pháp này đã được áp dụng thử nghiệm có hiệu quả
trong xử lý và phân tích tài liệu phổ gamma hàng khơng, phục vụ tìm kiếm và
dự báo triển vọng khoáng sản.
Nội dung phương pháp tần suất – nhận dạng sau khi được hoàn thiện có
thể tóm tắt như sau:
2.1. Nội dung của phƣơng pháp phân tích tần suất
Phương pháp phân tích tần suất với việc sử dụng tần suất trung bình
của sự xuất hiện đồng thời các tính chất do Griffiths và Vinni đưa ra có nội
dung tóm tắt như sau:
Giả sử ta có một ma trận thông tin các đối tượng nghiên cứu:

18