BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN NĂNG LƢỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
PHAN SƠN HẢI
NGHIÊN CỨU TƢƠNG QUAN TỶ SỐ CÁC
ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ MÔI TRƢỜNG VÀ ỨNG
DỤNG TRONG BÀI TOÁN ĐÁNH GIÁ
NGUỒN GỐC TRẦM TÍCH
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
ĐÀ LẠT - 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
VIỆN NĂNG LƢỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
PHAN SƠN HẢI
NGHIÊN CỨU TƢƠNG QUAN TỶ SỐ CÁC
ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ MÔI TRƢỜNG VÀ ỨNG
DỤNG TRONG BÀI TOÁN ĐÁNH GIÁ
NGUỒN GỐC TRẦM TÍCH
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
Mã số: 62440501
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1.
GS. TS. PHẠM DUY HIỂN
2.
PGS. TS. VƢƠNG HỮU TẤN
ĐÀ LẠT - 2013
i1
. Luận án cũng đã sử dụng một số thông tin từ
nhiều nguồn số liệu khác nhau, các thông tin đều được trích dẫn rõ nguồn gốc.
i2
:
.
h
.
.
.
.
!
Phan Sơn Hải
i3
BẢNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Bq
: Becquerel - Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ (1 Bq = 1 phân rã/1 giây)
Bq/kg
: Becquerel/ kilôgam - Đơn vị đo hoạt độ riêng
Ci
: Curie - Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ (1 Ci = 3,7 x 1010 Bq)
cm
:Xentimét - Đơn vị đo độ dài
cps
: Counts per second - Số đếm trong 1 giây
d
: Day - Ngày
dpm
: Disintegrations per minute - Số phân rã trong 1 phút
eV
: Electron volt - Đơn vị đo năng lượng (1 eV = 1,602176 x 10-19 J)
g
: Gam - Đơn vị đo khối lượng
GS
: Giáo sư
IAEA
: International Atomic Energy Agency - Cơ quan Năng lượng Nguyên
tử Quốc tế
keV
: Kiloelectron volt - Đơn vị đo năng lượng (1 keV = 103 eV)
kg
: Kilôgam - Đơn vị đo khối lượng
ksec
: Kilosecond - Đơn vị đo thời gian (1 ksec = 103 s)
L
: Lít - Đơn vị đo thể tích
m
: Mét - Đơn vị đo độ dài
MeV
: Megaelectron volt - Đơn vị đo năng lượng (1 MeV = 106 eV)
mi
: minute - Phút
mm
: milimét - Đơn vị đo độ dài
PGS
: Phó Giáo sư
pH
: Độ pH
ppb
: Parts per billion - Phần tỷ (1 ppb = 10-9)
ppm
: Parts per million - Phần triệu (1 ppm = 10-6)
r
: Hệ số tương quan giữa hai đại lượng ngẫu nhiên
σ
: Độ lệch chuẩn
s
: Second - Giây
SE
: Sai số chuẩn của trung bình mẫu
T1/2
: Chu kỳ bán rã của hạt nhân phóng xạ (T1/2 = ln2/λ)
y
: Year - Năm
α
4
: Hạt alpha - Hạt nhân 2 He
i4
β
: Hạt beta
λ
: Hằng số phân rã phóng xạ (s-1)
μg/L
: Microgam/lít
μs
: Microsecond - Micro giây
ρ
: Mật độ (g/cm3)
x
: Trung bình của tập hợp mẫu
%
: Phần trăm
: Bức xạ gamma
<
: Nhỏ hơn
>
: Lớn hơn
i5
MỤC LỤC
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan
1.1. Các đồng vị phóng xạ môi trường
1.1.1. Hoạt độ phóng xạ và sự cân bằng vĩnh cửu
1.1.2. Hàm lượng khối lượng và hàm lượng phóng xạ
1.2. Sơ lược về địa hoá của các actinit
1.2.1. Tính chất của các actinit
1.2.2. Sự liên kết địa hóa
1.2.3. Ảnh hưởng của sự phong hóa
1.2.4. Các chu trình địa hóa
1.2.4.1. Sự linh động và vận chuyển trong chất lỏng
1.2.4.2. Sự linh động và vận chuyển trong pha keo
1.2.4.3. Sự linh động và vận chuyển trong chất hạt
1.2.4.4 Sự linh động và vận chuyển trong pha khí
1.2.5. Các quá trình kết lắng trong môi trường gần bề mặt
1.2.5.1. Kết tủa sinh học và vô cơ
1.2.5.2. Sự hấp phụ
1.2.5.3. Trầm tích
1.3. Sự mất cân bằng phóng xạ
1.3.1. Sự tách phân đoạn các đồng vị urani
1.3.2. Sự tách phân đoạn các actinit khác và con cháu của chúng
1.3.2.1. Các đồng vị thori
1.3.2.2. Các đồng vị protactini
1.3.2.3. Các đồng vị radi
1.3.2.4. Các đồng vị radon
1.3.3. Sự mất cân bằng phóng xạ trong đất
1.3.3.1. Giai đoạn chớm phong hóa
1.3.3.2. Sự mất cân bằng trong đất
1.3.4. Sự mất cân bằng phóng xạ trong trầm tích
1.3.4.1. Trầm tích sông
1.3.4.2. Trầm tích biển
1.4. Chu trình xói mòn trong tự nhiên
1.5. Phân tích đồng vị phóng xạ môi trường tại Việt Nam
1.5.1. Phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường trên phổ kế gamma
1.5.2. Phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường trên phổ kế anpha
1.6. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án trên thế giới
1.7. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án tại Việt Nam
1
6
6
6
7
9
9
9
10
11
11
11
12
12
12
12
13
13
13
13
14
14
14
14
15
15
15
15
16
16
16
17
18
18
22
22
23
i6
Chương 2: Các giả thuyết và phương pháp nghiên cứu
2.1. Các giả thuyết đưa ra
2.2. Phương pháp kiểm định giả thuyết
2.3. Các phương pháp phân tích
2.3.1. Phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường
2.3.1.1. Phân tích đồng vị phóng xạ trên hệ phổ kế gamma
2.3.1.2. Phân tích các đồng vị thori trên hệ phổ kế anpha
2.3.2. Phân tích nguyên tố bằng huỳnh quang tia X (XRF)
2.3.3. Phân tích cỡ hạt
2.4. Đối tượng và phương pháp thu góp mẫu
2.4.1. Đối tượng nghiên cứu
2.4.2. Vị trí nghiên cứu và phương pháp thu góp mẫu
2.4.2.1. Vị trí nghiên cứu
2.4.2.2. Thu góp mẫu
2.4.3. Xử lý mẫu và phân tích
2.5. Phương pháp xử lý số liệu
Chương 3: Kết quả và thảo luận
3.1. Phương pháp phân tích
3.1.1. Phương pháp phân tích đồng vị phóng xạ trên phổ kế gamma
3.1.2. Phương pháp phân tích các đồng vị thori bằng phổ kế anpha
3.2. Phân bố 137Cs trong đất và trầm tích
3.2.1. Phân bố 137Cs theo độ sâu
3.2.2. Hàm lượng 137Cs trong trầm tích và trong đất gốc
3.2.3. Tóm tắt kết quả khảo sát
3.3. Phân bố các đồng vị dãy urani và thori trong đất và trầm tích
3.3.1. Các đồng vị phóng xạ dãy urani và thori trong đất bề mặt
3.3.1.1. Phân bố hàm lượng các đồng vị phóng xạ theo độ sâu
3.3.1.2 Phân bố hàm lượng các đồng vị phóng xạ theo không gian
3.3.1.3. Tóm tắt kết quả khảo sát
3.3.2. Các đồng vị phóng xạ dãy urani và thori trong trầm tích
3.3.2.1. Các đồng vị phóng xạ trong trầm tích và trong đất gốc
3.3.2.2. Hàm lượng các đồng vị phóng xạ theo độ sâu lớp trầm tích
3.3.2.3. Tóm tắt kết quả khảo sát
3.3.3. Phân bố các đồng vị phóng xạ theo cấp hạt
3.3.3.1. Phân bố các đồng vị phóng xạ theo cấp hạt trong đất bề mặt
3.3.3.2. Phân bố các đồng vị phóng xạ theo cấp hạt trong trầm tích
3.3.3.3. Tóm tắt kết quả khảo sát
Chương 4: Các ứng dụng điển hình
25
25
25
26
26
26
33
39
39
39
39
40
40
43
47
48
49
49
49
60
64
65
67
69
69
69
69
73
90
92
93
96
101
102
102
106
109
111
i7
4.1. Nghiên cứu nguồn gốc trầm tích từ lưu vực hồ Xuân Hương
4.1.1. Vị trí nghiên cứu và thu góp mẫu
4.1.2. Xử lý mẫu và phân tích
4.1.3. Kết quả và thảo luận
4.1.3.1. Sự cân bằng phóng xạ
4.1.3.2. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, giữa 230Th và 232Th
4.1.3.3. Đánh giá nguồn gốc trầm tích tại hồ lắng
4.2. Nghiên cứu nguồn gốc trầm tích hồ Thác Mơ
4.2.1. Vị trí nghiên cứu
4.2.2. Thu góp mẫu
4.2.2.1. Thu góp mẫu đất lưu vực
4.2.2.2. Thu góp mẫu trầm tích hồ
4.2.3. Phân tích mẫu
4.2.4. Kết quả và thảo luận
4.2.4.1. Kết quả phân tích
4.2.4.2. Sự cân bằng phóng xạ
4.2.4.3. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, giữa 230Th và 232Th
4.2.4.4. Tỷ số 226Ra/232Th và 230Th/232Th đối với các vùng
4.2.4.5. Đánh giá nguồn gốc không gian của trầm tích hồ
4.2.4.6. Thông tin về nguồn gốc trầm tích từ các nguyên tố vết
4.2.4.7. Nhận biết nguồn gốc trầm tích dựa vào 137Cs
Kết luận
Khuyến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục A: Hàm lượng các nuclit phóng xạ trong các lớp đất theo profin
Phụ lục B: Hàm lượng 137Cs trong các lớp đất đối với một số dạng
sử dụng đất khác nhau
Phụ lục C: Hàm lượng các nuclit phóng xạ quan tâm trong đất bề mặt
tại 11 vị trí nghiên cứu
Phụ lục D: Hàm lượng các nuclit phóng xạ quan tâm trong trầm tích
tại các vị trí nghiên cứu
Phụ lục E: Thành phần cấp hạt của các mẫu đất và trầm tích
Phụ lục F: Hàm lượng các nuclit phóng xạ theo cấp hạt
Phụ lục G: Hàm lượng các nuclit phóng xạ trong mẫu trầm tích
lưu vực hồ Xuân Hương
Phụ lục H: Hàm lượng các nuclít phóng xạ trong đất lưu vực
và trầm tích hồ Thác Mơ
Phụ lục I: Hàm lượng một số nguyên tố trong trầm tích hồ Thác Mơ
111
111
112
112
113
113
116
118
118
119
119
121
122
122
122
122
123
126
130
134
135
137
139
141
A-1 A-3
B-1 B-2
C-1 C-7
D-1 D-3
E-1
F-1 F-3
G-1 G-2
H-1 H-5
I-1 I-2
i8
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Dãi hàm lượng trung bình của urani, thori và tỷ số Th/U
trong các loại đá khác nhau
10
Bảng 1.2. Các nhóm chính trong dãy urani, thori và các vạch gamma
quan tâm
19
Bảng 2.1. Đặc trưng phông của hệ phổ kế gamma HPGe30/19
27
Bảng 2.2. Phông gamma khi đo mẫu nhựa Reversol P-9509 NW
28
Bảng 2.3. Số liệu phân rã alpha của các đồng vị thori
34
Bảng 2.4. Khái quát về vị trí nghiên cứu và số mẫu thu góp
46
Bảng 3.1. Thay đổi số đếm theo bề dày mẫu đối với vạch 46 keV
50
Bảng 3.2. Thay đổi số đếm theo bề dày mẫu đối với vạch 63 keV
50
Bảng 3.3. Thay đổi tốc độ đếm theo thời gian nhốt radon đối với
mẫu chuẩn đất IAEA-312
52
Bảng 3.4. Giới hạn phát hiện với độ tin cậy 95% đối với các đồng vị
phóng xạ trong mẫu đất và trầm tích, thời gian đo 24 giờ
56
Bảng 3.5. Kết quả phân tích các mẫu chuẩn so sánh
57
Bảng 3.6. Kết quả phân tích so sánh quốc tế do IAEA tổ chức
57
Bảng 3.7. Đặc trưng thống kê của δ230(%) và δ232(%)
62
Bảng 3.8. Đặc trưng thống kê của δ232(%) với số mẫu n = 97
64
Bảng 3.9. Đặc trưng thống kê của hoạt độ
137
Cs trong các lớp đất
66
Bảng 3.10a. Các thông số thống kê về đồng vị phóng xạ của profin ESP1
70
Bảng 3.10b. Các thông số thống kê về đồng vị phóng xạ của profin ESP2
70
Bảng 3.10c. Các thông số thống kê về đồng vị phóng xạ của profin ESP3
71
Bảng 3.10d. Các thông số thống kê về đồng vị phóng xạ của profin FSP1
72
Bảng 3.10e. Các thông số thống kê về đồng vị phóng xạ của profin FSP2
72
Bảng 3.11. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại vị trí A
74
Bảng 3.12. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại vị trí B
75
Bảng 3.13. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại vị trí C
76
Bảng 3.14. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại vị trí D
78
Bảng 3.15. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại vị trí E
79
Bảng 3.16a. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại vị trí F1
81
Bảng 3.16b. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại vị trí F2
82
i9
Bảng 3.17a. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại vị trí G1
83
Bảng 3.17b. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại vị trí G2
84
Bảng 3.18. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại vị trí H
85
Bảng 3.19. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại vị trí I
87
Bảng 3.20. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại vị trí K
88
Bảng 3.21. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại vị trí L
89
Bảng 3.22. Giá trị trung bình tỷ số 226Ra/232Th và 230Th/232Th
tại các vùng khảo sát
91
Bảng 3.23. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại C
93
Bảng 3.24. Đặc trưng thống kê của tỷ số
trong đất và trầm tích
226
232
Ra/ Th,
230
232
Th/ Th
94
Bảng 3.25. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ tại E
95
Bảng 3.26. Đặc trưng thống kê của tỷ số 226Ra/232Th, 230Th/232Th
trong đất và trầm tích
95
Bảng 3.27. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ trong các
lớp trầm tích của profin FTP1
96
Bảng 3.28a. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ
trong các lớp trầm tích của profin GTP1
98
Bảng 3.28b. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ
trong các lớp trầm tích của profin GTP2
98
Bảng 3.28c. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ
trong các lớp trầm tích của profin GTP3
99
Bảng 3.29. Các thông số thống kê chính về đồng vị phóng xạ
trong các lớp trầm tích của profin HTP1
100
Bảng 3.30. Thống kê về hàm lượng đồng vị phóng xạ trong các
cấp hạt và trong mẫu tổng của ES11
103
Bảng 3.31. Thống kê về hàm lượng đồng vị phóng xạ trong các
cấp hạt và trong mẫu tổng của ES12
105
Bảng 3.32. Thống kê về hàm lượng đồng vị phóng xạ trong các
cấp hạt và trong mẫu tổng của ET7
107
Bảng 3.33. Thống kê về hàm lượng đồng vị phóng xạ trong các
cấp hạt và trong mẫu tổng của MT1
108
Bảng 4.1. Các đồng vị và tỷ số đồng vị quan tâm trong mẫu trầm tích
114
Bảng 4.2. Các tham số sử dụng trong đánh giá giả thiết thống kê H0: μ1 = μ2
116
i10
Bảng 4.3 Phần trầm tích đến hồ lắng từ tiểu lưu vực X-1 và X-2
theo 226Ra/232Th
117
Bảng 4.4 Phần trầm tích đến hồ lắng từ tiểu lưu vực X-1 và X-2
theo 230Th/232Th
117
Bảng 4.5. Các vùng lấy mẫu và số mẫu trầm tích tương ứng
121
Bảng 4.6. Đặc trưng thống kê của tỷ số 226Ra/232Th và 230Th/ 232Th
đối với các vùng lấy mẫu
126
Bảng 4.7. Các tham số sử dụng trong đánh giá giả thiết thống kê H0: μ1 = μ2
130
Bảng 4.8 Phần trầm tích đóng góp của vùng A và B vào vùng C
theo 230Th/232Th
131
Bảng 4.9. Các tham số sử dụng trong đánh giá giả thiết thống kê H0: μ1 = μ2
132
Bảng 4.10. Các tham số sử dụng trong đánh giá giả thiết thống kê H0: μ1 = μ2
133
Bảng 4.11 Phần trầm tích đóng góp của vùng C và E vào vùng K
theo 230Th/232Th
134
Bảng 4.12. Đặc trưng thống kê hàm lượng 137Cs (Bq/kg)
trong đất bề mặt lưu vực hồ
135
Bảng 4.13 Phần đóng góp của các loại đất canh tác đến trầm tích hồ
136
i11
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Dãy phóng xạ urani
Hình 1.2. Dãy phóng xạ thori
Hình 1.3. Sơ đồ biểu diễn sự liên kết giữa đá, đất và trầm tích
trong chu trình xói mòn
Hình 2.1. Hình học đo và các đại lượng được dùng trong tích phân
Hình 2.2. Phổ α của thori với đồng vị đánh dấu 229Th và không có 229Th
Hình 2.3. Các vùng lấy mẫu nghiên cứu
Hình 2.4. Mô hình nghiên cứu và sơ đồ lấy mẫu tại vị trí C
Hình 2.5. Mô hình nghiên cứu và sơ đồ lấy mẫu đất tại vị trí E
Hình 2.6. Điểm lấy mẫu đất tại vị trí G
Hình 3.1. Sự thay đổi tỷ số hiệu suất đếm theo bề dày mẫu đối với
các vạch gamma 46 keV và 63 keV
Hình 3.2. Thay đổi hiệu suất ghi tương đối theo bề dày mẫu đối
với vạch 46 keV và 63 keV
Hình 3.3. Mẫu được gia công theo dạng đĩa mỏng (a) và hình giếng (b)
Hình 3.4. Tỷ số số đếm đo được và số đếm kỳ vọng tại các đỉnh gamma
đặc trưng của 214Pb và 214Bi đối với mẫu IAEA 312
Hình 3.5. Thay đổi tốc độ đếm tương đối tại các đỉnh gamma đặc trưng
của 214Pb và 214Bi theo thời gian nhốt radon của mẫu đất
Hình 3.6. Thay đổi tốc độ đếm tại các đỉnh gamma đặc trưng của 214Pb
và 214Bi theo thời gian của 2 kỹ thuật nhốt radon khác nhau
Hình 3.7. Mật độ của 565 mẫu trầm tích gia công theo dạng đĩa
và 208 mẫu hình giếng
Hình 3.8. Mật độ của 406 mẫu đất gia công theo cách truyền thống
Hình 3.9. Phông gamma của hệ đo theo thời gian
Hình 3.10. Phông gamma của hệ đo theo thời gian
Hình 3.11. Kết quả phân tích định kỳ mẫu chuẩn uran, thori, 137Cs và 40K
Hình 3.12. Quan hệ hàm lượng phóng xạ 230Th và 232Th được xác định
theo 2 đồng vị chuẩn 229Th và 228Th
Hình 3.13. Thăng giáng của các độ lệch δ230(%) và δ232(%) theo
giá trị trung bình
Hình 3.14. Quan hệ hàm lượng 232Th xác định theo phương pháp γ và α
Hình 3.15. Thăng giáng của độ lệch δ232(%) theo giá trị trung bình
Hình 3.16. Phân bố của 137Cs theo độ sâu đất tại vị trí không xáo trộn
8
8
18
29
36
42
44
44
45
49
51
51
52
53
54
54
55
58
59
60
61
62
63
63
65
i12
Hình 3.17. Hoạt độ 137Cs trong 2 lớp đất tại các vị trí nghiên cứu
Hình 3.18. Hàm lượng trung bình của 137Cs theo độ sâu đối
với 3 dạng sử dụng đất
Hình 3.19. Phân bố 137Cs tại các vị trí lấy mẫu trên lưu vực phải và trái
Hình 3.20. Phân bố 137Cs theo độ sâu trầm tích
Hình 3.21. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, 228Ra và 228Th, 238U và 232Th
theo vị trí mẫu tại A
Hình 3.22. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, 228Ra và 228Th, 238U và 232Th
theo vị trí mẫu tại B
Hình 3.23. Quan hệ giữa các cặp đồng vị phóng xạ theo vị trí mẫu tại C
Hình 3.24. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, 228Ra và 228Th, 238U và 232Th
theo vị trí mẫu tại D
Hình 3.25. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, 228Ra và 228Th, 238U và 232Th
theo vị trí mẫu tại E
Hình 3.26. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, 228Ra và 228Th, 238U và 232Th
theo vị trí mẫu tại F
Hình 3.27. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, 228Ra và 228Th, 238U và 232Th
theo vị trí mẫu tại G
Hình 3.28. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, 228Ra và 228Th, 238U và 232Th
theo vị trí mẫu tại H
Hình 3.29. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, 228Ra và 228Th, 238U và 232Th
theo vị trí mẫu tại I
Hình 3.30. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, 228Ra và 228Th, 238U và 232Th
theo vị trí mẫu tại K
Hình 3.31. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, 228Ra và 228Th, 238U và 232Th
theo vị trí mẫu tại L
Hình 3.32. Phân bố hàm lượng phóng xạ theo độ sâu trầm tích
Hình 3.33. Quan hệ 226Ra và 232Th, 228Ra và 228Th, 238U và 232Th
theo độ sâu trầm tích
Hình 3.34. Quan hệ 226Ra và 232Th, 228Ra và 228Th theo độ sâu trầm tích
Hình 3.35. Quan hệ 226Ra và 238U, 226Ra và 232Th, 228Ra và 228Th
theo độ sâu trầm tích
Hình 3.36. Thay đổi hàm lượng một số đồng vị theo các cấp hạt đất
Hình 3.37. Quan hệ 226Ra và 232Th, 230Th và 232Th, 228Ra và 228Th
theo kích thước hạt
Hình 3.38. Quan hệ 226Ra và 232Th, 230Th và 232Th, 228Ra và 228Th
theo kích thước hạt
66
67
67
68
75
76
77
79
80
83
85
86
87
89
90
96
97
99
101
102
104
105
i13
Hình 3.39. Thay đổi hàm lượng một số đồng vị phóng xạ theo các
cấp hạt trầm tích
Hình 3.40. Quan hệ 226Ra và 232Th, 230Th và 232Th, 228Ra và 228Th
theo kích thước hạt
Hình 3.41. Quan hệ 226Ra và 232Th, 230Th và 232Th, 228Ra và 228Th
theo kích thước hạt
Hình 4.1 Sơ đồ lấy mẫu trầm tích trên lưu vực hồ Xuân Hương
Hình 4.2 Hoạt độ phóng xạ của các đồng vị mẹ và các đồng vị con tương
ứng đối với 24 mẫu trầm tích trong lưu vực hồ Xuân Hương
Hình 4.3. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, 230Th và 232Th theo
vị trí mẫu trong lưu vực
Hình 4.4. Tỷ số 226Ra/232Th và 230Th/232Th trong mẫu trầm tích
vùng X-1 và X-2
Hình 4.5. Các vị trí lấy mẫu trầm tích hồ Thác Mơ (TM1 ÷ TM105)
và vị trí lấy mẫu đất trong lưu vực (TMD1 ÷ TMD8)
Hình 4.6. Sơ đồ dòng chảy các nhánh sông và các vùng lấy mẫu trầm tích
Hình 4.7 Hoạt độ phóng xạ của các đồng vị mẹ và các đồng vị con
tương ứng đối với 105 mẫu trầm tích hồ Thác Mơ
Hình 4.8. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th theo vị trí mẫu tại các vùng khảo sát
Hình 4.9. Quan hệ giữa 230Th và 232Th theo vị trí mẫu tại các vùng khảo sát
Hình 4.10. Tỷ số 226Ra/232Th tại các vị trí lấy mẫu trầm tích
Hình 4.11. Tỷ số 230Th/232Th tại các vị trí lấy mẫu trầm tích
Hình 4.12. Quan hệ giữa các cặp nguyên tố vết trong trầm tích
tại A, B, C và D
Hình 4.13. Quan hệ giữa các cặp nguyên tố vết trong trầm tích
tại vùng G, H, và F
106
107
109
112
113
114
115
120
121
123
124
125
128
129
134
135
MỞ ĐẦU
Nguồn gốc trầm tích là một thông số quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu địa
chất và môi trường. Thông tin này giúp chúng ta hiểu biết về diễn biến các quá trình
trong quá khứ, trên cơ sở đó có thể dự báo xu thế trong tương lai. Do đó, bài toán
nhận biết nguồn gốc trầm tích luôn được quan tâm từ nhiều góc độ khác nhau. Đối
với nước ta, nhu cầu nhận biết nguồn gốc trầm tích tại các hồ chứa nước, vùng cửa
sông và vùng ven biển đang ngày càng bức thiết.
Đối với các hồ chứa mà đặc biệt là hồ thuỷ điện, ngoài thông số tốc độ bồi lắng
trầm tích cần phải được xác định sau từng khoảng thời gian để đánh giá tuổi thọ hồ
và an toàn đập, nguồn gốc trầm tích gây bồi lấp hồ là một thông tin quan trọng cần
có trong kế hoạch xây dựng giải pháp công trình và phi công trình nhằm giảm thiểu
bồi lắng, duy trì tuổi thọ thiết kế của nhà máy.
Đối với các vùng cửa sông - nơi đang tồn tại các kênh dẫn tàu, cơ chế và nguồn
gốc trầm tích gây bồi lấp luồng tàu là một đề tài đang được quan tâm của nhiều nhà
chuyên môn cũng như các nhà quản lý. Luồng tàu vào cảng Hải Phòng trên cửa
Nam Triệu và luồng tàu cảng Cần Thơ trên cửa Định An là những ví dụ điển hình
về mức độ bồi lấp nghiêm trọng của trầm tích. Tại các vùng này, độ sâu của luồng
tàu thường không duy trì được lâu sau nạo vét, trung bình chỉ sau khoảng hai đến ba
tháng là bị trả về độ sâu tự nhiên. Nguồn gốc trầm tích là một cơ sở khoa học quan
trọng để có thể lý giải về tính hợp lý của luồng tàu hiện tại, cũng như về các biện
pháp công trình bảo vệ luồng.
Đối với vùng ven biển nước ta, sự biến đổi khí hậu toàn cầu đang làm thay đổi
quy luật bồi/ xói đã được hình thành trong quá khứ. Nhiều vùng ngập mặn đang bị
xói lở nghiêm trọng trong thời gian gần đây (Cửa Sông Dinh - Bình Thuận, Gành
Hào - Bạc Liêu, v.v...). Để dự báo được xu thế biến đổi của đường bờ biển trong
tương lai, rất cần nhiều thông tin phải được thu thập, trong đó nguồn gốc trầm tích
là một thông tin không thể thiếu được.
Trên thế giới, các đặc trưng của trầm tích như khoáng vật học, màu sắc, từ tính,
thành phần nguyên tố hoá học đã được nghiên cứu khá sớm và áp dụng thành công
tại nhiều vùng để nhận biết nguồn gốc trầm tích [24,25,28,34,36,89 92]. Tuy thế,
người ta nhận thấy không có bất kỳ một đặc trưng nào có thể chỉ thị nguồn gốc trầm
1
tích cho mọi vùng địa chất. Vì vậy, công việc tìm kiếm các chất chỉ thị mới để
nghiên cứu nguồn gốc trầm tích vẫn luôn luôn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa
học.
Nghiên cứu sử dụng các đồng vị phóng xạ môi trường làm chất chỉ thị cho
nguồn gốc trầm tích là một hướng mới trong thời gian gần đây. Các công trình công
bố phần lớn được thực hiện tại các nước có nền khoa học tiên tiến như Mỹ, Anh,
Úc. Các đồng vị phóng xạ rơi lắng như 7Be,
137
Cs,
210
Pb được nghiên cứu sử dụng
để nhận biết tầng đất xuất xứ của trầm tích và cơ chế xói mòn lưu vực
[31,33,43,47,75,81,85,86]. Các đồng vị phóng xạ dãy urani và thori được nghiên
cứu để ứng dụng trong khảo sát đánh giá nguồn gốc không gian của trầm tích
[60,64,65,71,72,79,88,93,94].
Tại Việt Nam, đồng vị phóng xạ môi trường chủ yếu được sử dụng để nghiên
cứu xói mòn đất và tốc độ tích luỹ trầm tích [5,6,7,12,14,16 18,39]. Các công trình
nghiên cứu liên quan đến nguồn gốc trầm tích khá ít, việc sử dụng đồng vị phóng xạ
để nghiên cứu nguồn gốc trầm tích còn rất hạn chế. Trong những năm qua, đồng vị
phóng xạ nhân tạo đã được sử dụng để nghiên cứu cơ chế và nguồn gốc gây bồi lấp
các luồng tàu trong vùng cửa sông [13,27,37]. Các chỉ thị phóng xạ nhân tạo loại
này chỉ cho chúng ta hình ảnh di chuyển bùn cát đáy trong một vùng hẹp vài km2 và
trong khoảng thời gian vài tháng. Việc sử dụng các đồng vị phóng xạ môi trường để
nghiên cứu nguồn gốc trầm tích đối với một vùng không gian rộng và trong khoảng
thời gian dài chưa được tiến hành ở nước ta.
Trong bối cảnh như thế, đề tài luận án được đặt ra nhằm mục tiêu:
•
Cải tiến, phát triển thêm công cụ phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường
có độ chính xác và ổn định cao, đáp ứng yêu cầu của bài toán nghiên cứu
nguồn gốc trầm tích sử dụng đồng vị phóng xạ tự nhiên;
•
Khảo sát, nghiên cứu quy luật phân bố hàm lượng, tỷ số đồng vị của các
đồng vị phóng xạ môi trường trong đất bề mặt và trong trầm tích, trong mối
quan hệ xói mòn - trầm tích, đối với các loại đất phổ biến trong vùng đất dốc
ở Tây Nguyên và Đông Nam Bộ; từ đó, xây dựng phương pháp ứng dụng
đồng vị phóng xạ môi trường để nghiên cứu nguồn gốc trầm tích tại Việt
Nam.
2
Để đạt được mục tiêu trên, luận án cần giải quyết các nội dung sau:
1. Cải tiến phương pháp phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường trên phổ kế
gamma nhằm nâng cao độ chính xác và độ ổn định theo thời gian.
2. Phát triển phương pháp phân tích các đồng vị thori trên hệ phổ kế anpha.
3. Khảo sát sự phân bố hàm lượng đồng vị
137
Cs: (i) Trong đất bề mặt đối với
các loại hình sử dụng đất phổ biến trong vùng Tây Nguyên và Đông Nam Bộ;
(ii) Trong trầm tích và trong đất gốc đối với các dạng sử dụng đất khác nhau.
4. Khảo sát sự phân bố hàm lượng và tỷ số các đồng vị phóng xạ dãy urani và
thori: (i) Trong đất bề mặt theo độ sâu và theo vị trí không gian; (ii) Trong trầm tích
theo độ sâu và theo không gian; (iii) Trong trầm tích và trong đất gốc.
5. Khảo sát sự phân bố hàm lượng và tỷ số đồng vị phóng xạ trong các cấp hạt
khác nhau của đất và trầm tích nhằm đánh giá ảnh hưởng của quá trình phân tách
cấp hạt trong tự nhiên.
6. Xây dựng phương pháp sử dụng các đặc trưng phóng xạ (đồng vị và tỷ số
đồng vị) để nghiên cứu nguồn gốc trầm tích; tiến hành thử nghiệm trên một số lưu
vực có quy mô diện tích khác nhau nhằm minh chứng cho khả năng của phương
pháp và ý nghĩa thực tiễn của luận án.
Ý nghĩa khoa học:
1. Xây dựng được phương pháp phân tích các đồng vị phóng xạ dãy urani, thori
trên phổ kế gamma và anpha có đủ độ nhạy, độ tin cậy và ổn định để phát hiện sự
thay đổi tinh tế về hàm lượng của chúng trong môi trường đất và trầm tích.
2. Xây dựng được đặc trưng phân bố của đồng vị
137
Cs theo độ sâu lớp đất bề
mặt, theo các loại hình sử dụng đất điển hình ở Việt Nam; từ đó đã xây dựng được
luận cứ khoa học cho việc sử dụng chỉ thị phóng xạ
137
Cs trong nghiên cứu nguồn
gốc trầm tích.
3. Đã thu thập được bộ số liệu về mức hàm lượng của các đồng vị phóng xạ
chính thuộc dãy urani, thori (238U,
230
Th,
226
Ra,
232
Th,
228
Th,
228
Ra) trong 560 mẫu
đất bề mặt và trầm tích đối với 11 vùng, với 7 loại đất phổ biến ở Tây Nguyên và
Đông Nam Bộ. Số liệu thu được là nguồn tham khảo tốt cho các nghiên cứu tiếp
theo liên quan đến lĩnh vực này.
3
4. Đã phát hiện tính ổn định khá cao của tỷ số
230
Th/232Th trong nhiều vùng đất
dưới tác động của các quá trình tự nhiên như phong hóa, xói mòn rửa trôi và kết
lắng trầm tích; từ đó đã xây dựng được luận cứ khoa học cho việc sử dụng tỷ số
230
Th/232Th trong nghiên cứu nguồn gốc trầm tích tại các vùng lưu vực nước ta.
5. Đã phát hiện và chứng minh tính ổn định của tỷ số
226
Ra/232Th trong một số
loại đất dưới tác động của các quá trình tự nhiên như phong hóa, xói mòn rửa trôi và
kết lắng trầm tích; từ đó đã xây dựng được luận cứ khoa học về khả năng sử dụng tỷ
số 226Ra/232Th trong nghiên cứu nguồn gốc trầm tích tại nước ta.
6. Đã phát hiện có sự tương quan giữa
tại các vùng đất có tỷ số
226
quy luật tương quan giữa
226
226
Ra và
232
Th với hệ số tương quan cao
232
Ra/ Th thay đổi. Điều này mở ra khả năng ứng dụng
Ra và 232Th để nghiên cứu nguồn gốc trầm tích tại một
số vùng đặc trưng trong nước.
7. Đã xây dựng và chứng minh cho luận cứ khoa học: trong một số nền địa chất,
có thể sử dụng tỷ số 226Ra/232Th và 230Th/232Th trên đối tượng mẫu trầm tích tổng để
nghiên cứu nguồn gốc trầm tích, thay vì đối tượng mẫu cấp hạt thành phần như
nhiều công trình đã tiến hành trên thế giới. Việc thu thập mẫu trầm tích tổng thường
dễ dàng và ít tốn kém hơn thu thập mẫu theo các cấp hạt.
Ý nghĩa thực tiễn:
1. Luận án đã chứng minh được khả năng sử dụng đồng vị 137Cs (chỉ thị đơn), tỷ
số
226
Ra/232Th và
230
Th/232Th (chỉ thị kép) để nghiên cứu nguồn gốc trầm tích tại
Việt Nam. Các chỉ thị phóng xạ này góp phần giải quyết một số bài toán liên quan
đến quá trình xói mòn, bồi lắng đang đặt ra tại nước ta.
2. Các chỉ thị phóng xạ nêu trên đã được ứng dụng để nghiên cứu nguồn gốc
trầm tích tại một phần lưu vực hồ Xuân Hương và hồ thuỷ điện Thác Mơ. Kết quả
nghiên cứu đã giúp các nhà quản lý và khai thác công trình hiểu biết về nguồn gốc
trầm tích, góp phần định hướng các giải pháp khả thi nhằm giảm thiểu bồi lắng, kéo
dài tuổi thọ của hồ.
Những đóng góp mới của luận án:
1. Cải tiến phương pháp phân tích các đồng vị phóng xạ dãy urani, thori trên
phổ kế gamma nhằm giải quyết các vấn đề: làm cho các đồng vị radon cân bằng
phóng xạ với các đồng vị mẹ; giảm thiểu tối đa các ảnh hưởng khác như mật độ
4
mẫu, hiệu ứng tự hấp thụ đến kết quả phân tích.
2. Xây dựng được phương pháp phân tích các đồng vị thori trên phổ kế anpha,
đặc biệt là phương pháp không cần dùng đồng vị vết nhân tạo 229Th làm nội chuẩn.
3. Minh chứng được khả năng chỉ thị nguồn gốc trầm tích của đồng vị 137Cs đối
với các vùng lưu vực trong nước ta; từ đó đã xây dựng được phương pháp đánh giá
nguồn gốc trầm tích bằng đồng vị 137Cs.
4. Phát hiện quy luật tương quan giữa 226Ra và 232Th theo vị trí trong đất bề mặt
và trong trầm tích đối với các vùng khảo sát; đồng thời cũng phát hiện tính không
đổi của tỷ số 226Ra/232Th theo vị trí không gian và tính bảo toàn của tỷ số này trong
quá trình chuyển hoá đất - trầm tích đối với một số nền địa chất cụ thể; từ đó minh
chứng khả năng chỉ thị nguồn trầm tích của tỷ số 226Ra/232Th đối với các vùng này.
5. Phát hiện quy luật tương quan giữa
trầm tích và tính bảo toàn tỷ số
230
230
Th và
232
Th trong đất bề mặt, trong
Th/232Th trong quá trình chuyển hoá đất - trầm
tích đối với các nền địa chất cụ thể ở Việt Nam; từ đó minh chứng khả năng chỉ thị
nguồn trầm tích của tỷ số 230Th/232Th đối với các vùng này.
6. Xây dựng được phương pháp sử dụng tỷ số
230
Th/232Th và tỷ số
226
Ra/232Th
để nghiên cứu nguồn gốc không gian của trầm tích tại các vùng lưu vực ở Việt
Nam.
7. Đã áp dụng phương pháp mới để nghiên cứu nguồn gốc trầm tích tại hồ
Xuân Hương (lưu vực nhỏ) và hồ thuỷ điện Thác Mơ (lưu vực lớn); từ đó đưa ra
thông tin về nguồn gốc trầm tích gây bồi lắng các hồ này, làm cơ sở khoa học để
quản lý và khai thác hồ tốt hơn trong tương lai. Các kết quả nghiên cứu này, cùng
với các kết quả nghiên cứu ở nhiều nước khác, đã làm phong phú thêm khả năng chỉ
thị nguồn trầm tích của các đồng vị phóng xạ môi trường trên các loại nền địa chất
khác nhau trên thế giới.
Cấu trúc luận án
Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương chính và kết luận, cụ thể như sau:
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Các giả thuyết và phương pháp nghiên cứu
- Chương 3: Kết quả và thảo luận
- Chương 4: Các ứng dụng điển hình
5
- Xem thêm -