Thạc Sĩ Nghiên cứu tương quan tỷ số các đồng vị phóng xạ môi trường và ứng dụng trong bài toán đánh giá nguồ

Luận án tiến sĩ năm 2013
Đề tài: Nghiên cứu tương quan tỷ số các đồng vị phóng xạ môi trường và ứng dụng trong bài toán đánh giá nguồn gốc trầm tích




MỤC LỤC
Mở đầu 1
Chương 1: Tổng quan 6
1.1. Các đồng vị phóng xạ môi trường 6
1.1.1. Hoạt độ phóng xạ và sự cân bằng vĩnh cửu 6
1.1.2. Hàm lượng khối lượng và hàm lượng phóng xạ 7
1.2. Sơ lược về địa hoá của các actinit 9
1.2.1. Tính chất của các actinit 9
1.2.2. Sự liên kết địa hóa 9
1.2.3. Ảnh hưởng của sự phong hóa 10
1.2.4. Các chu trình địa hóa 11
1.2.4.1. Sự linh động và vận chuyển trong chất lỏng 11
1.2.4.2. Sự linh động và vận chuyển trong pha keo 11
1.2.4.3. Sự linh động và vận chuyển trong chất hạt 12
1.2.4.4 Sự linh động và vận chuyển trong pha khí 12
1.2.5. Các quá trình kết lắng trong môi trường gần bề mặt 12
1.2.5.1. Kết tủa sinh học và vô cơ 12
1.2.5.2. Sự hấp phụ 13
1.2.5.3. Trầm tích 13
1.3. Sự mất cân bằng phóng xạ 13
1.3.1. Sự tách phân đoạn các đồng vị urani 13
1.3.2. Sự tách phân đoạn các actinit khác và con cháu của chúng 14
1.3.2.1. Các đồng vị thori 14
1.3.2.2. Các đồng vị protactini 14
1.3.2.3. Các đồng vị radi 14
1.3.2.4. Các đồng vị radon 15
1.3.3. Sự mất cân bằng phóng xạ trong đất 15
1.3.3.1. Giai đoạn chớm phong hóa 15
1.3.3.2. Sự mất cân bằng trong đất 15
1.3.4. Sự mất cân bằng phóng xạ trong trầm tích 16
1.3.4.1. Trầm tích sông 16
1.3.4.2. Trầm tích biển 16
1.4. Chu trình xói mòn trong tự nhiên 17
1.5. Phân tích đồng vị phóng xạ môi trường tại Việt Nam 18
1.5.1. Phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường trên phổ kế gamma 18
1.5.2. Phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường trên phổ kế anpha 22
1.6. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án trên thế giới 22
1.7. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án tại Việt Nam 23
Chương 2: Các giả thuyết và phương pháp nghiên cứu 25
2.1. Các giả thuyết đưa ra 25
2.2. Phương pháp kiểm định giả thuyết 25
2.3. Các phương pháp phân tích 26
2.3.1. Phân tích các đồng vị phóng xạ môi trường 26
2.3.1.1. Phân tích đồng vị phóng xạ trên hệ phổ kế gamma 26
2.3.1.2. Phân tích các đồng vị thori trên hệ phổ kế anpha 33
2.3.2. Phân tích nguyên tố bằng huỳnh quang tia X (XRF) 39
2.3.3. Phân tích cỡ hạt 39
2.4. Đối tượng và phương pháp thu góp mẫu 39
2.4.1. Đối tượng nghiên cứu 39
2.4.2. Vị trí nghiên cứu và phương pháp thu góp mẫu 40
2.4.2.1. Vị trí nghiên cứu 40
2.4.2.2. Thu góp mẫu 43
2.4.3. Xử lý mẫu và phân tích 47
2.5. Phương pháp xử lý số liệu 48
Chương 3: Kết quả và thảo luận 49
3.1. Phương pháp phân tích 49
3.1.1. Phương pháp phân tích đồng vị phóng xạ trên phổ kế gamma 49
3.1.2. Phương pháp phân tích các đồng vị thori bằng phổ kế anpha 60
3.2. Phân bố 137Cs trong đất và trầm tích 64
3.2.1. Phân bố 137Cs theo độ sâu 65
3.2.2. Hàm lượng 137Cs trong trầm tích và trong đất gốc 67
3.2.3. Tóm tắt kết quả khảo sát 69
3.3. Phân bố các đồng vị dãy urani và thori trong đất và trầm tích 69
3.3.1. Các đồng vị phóng xạ dãy urani và thori trong đất bề mặt 69
3.3.1.1. Phân bố hàm lượng các đồng vị phóng xạ theo độ sâu 69
3.3.1.2 Phân bố hàm lượng các đồng vị phóng xạ theo không gian 73
3.3.1.3. Tóm tắt kết quả khảo sát 90
3.3.2. Các đồng vị phóng xạ dãy urani và thori trong trầm tích 92
3.3.2.1. Các đồng vị phóng xạ trong trầm tích và trong đất gốc 93
3.3.2.2. Hàm lượng các đồng vị phóng xạ theo độ sâu lớp trầm tích 96
3.3.2.3. Tóm tắt kết quả khảo sát 101
3.3.3. Phân bố các đồng vị phóng xạ theo cấp hạt 102
3.3.3.1. Phân bố các đồng vị phóng xạ theo cấp hạt trong đất bề mặt 102
3.3.3.2. Phân bố các đồng vị phóng xạ theo cấp hạt trong trầm tích 106
3.3.3.3. Tóm tắt kết quả khảo sát 109
Chương 4: Các ứng dụng điển hình 111
4.1. Nghiên cứu nguồn gốc trầm tích từ lưu vực hồ Xuân Hương 111
4.1.1. Vị trí nghiên cứu và thu góp mẫu 111
4.1.2. Xử lý mẫu và phân tích 112
4.1.3. Kết quả và thảo luận 112
4.1.3.1. Sự cân bằng phóng xạ 113
4.1.3.2. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, giữa 230Th và 232Th 113
4.1.3.3. Đánh giá nguồn gốc trầm tích tại hồ lắng 116
4.2. Nghiên cứu nguồn gốc trầm tích hồ Thác Mơ 118
4.2.1. Vị trí nghiên cứu 118
4.2.2. Thu góp mẫu 119
4.2.2.1. Thu góp mẫu đất lưu vực 119
4.2.2.2. Thu góp mẫu trầm tích hồ 121
4.2.3. Phân tích mẫu 122
4.2.4. Kết quả và thảo luận 122
4.2.4.1. Kết quả phân tích 122
4.2.4.2. Sự cân bằng phóng xạ 122
4.2.4.3. Quan hệ giữa 226Ra và 232Th, giữa 230Th và 232Th 123
4.2.4.4. Tỷ số 226Ra/232Th và 230Th/232Th đối với các vùng 126
4.2.4.5. Đánh giá nguồn gốc không gian của trầm tích hồ 130
4.2.4.6. Thông tin về nguồn gốc trầm tích từ các nguyên tố vết 134
4.2.4.7. Nhận biết nguồn gốc trầm tích dựa vào 137Cs 135
Kết luận 137
Khuyến nghị 139
Tài liệu tham khảo 141
Phụ lục A: Hàm lượng các nuclit phóng xạ trong các lớp đất theo profin A-1 A-3
Phụ lục B: Hàm lượng 137Cs trong các lớp đất đối với một số dạng
sử dụng đất khác nhau B-1 B-2
Phụ lục C: Hàm lượng các nuclit phóng xạ quan tâm trong đất bề mặt
tại 11 vị trí nghiên cứu C-1 C-7
Phụ lục D: Hàm lượng các nuclit phóng xạ quan tâm trong trầm tích
tại các vị trí nghiên cứu D-1 D-3
Phụ lục E: Thành phần cấp hạt của các mẫu đất và trầm tích E-1
Phụ lục F: Hàm lượng các nuclit phóng xạ theo cấp hạt F-1 F-3
Phụ lục G: Hàm lượng các nuclit phóng xạ trong mẫu trầm tích
lưu vực hồ Xuân Hương G-1 G-2
Phụ lục H: Hàm lượng các nuclít phóng xạ trong đất lưu vực
và trầm tích hồ Thác Mơ H-1 H-5
Phụ lục I: Hàm lượng một số nguyên tố trong trầm tích hồ Thác Mơ I-1 I-2




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 c ơ 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
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 như7Be, 137Cs, 210Pb 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:
ã 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;
ã 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.
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 137Cs: (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 137Cs 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 137Cs 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, 230Th, 226Ra, 232Th, 228Th, 228Ra) 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.
4. Đã phát hiện tính ổn định khá cao của tỷ số 230Th/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 230Th/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 226Ra/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 226Ra và 232Th với hệ số tương quan cao tại các vùng đất có tỷ số 226Ra/232Th thay đổi. Điều này mở ra khả năng ứng dụng quy luật tương quan giữa 226Ra 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 226Ra/232Th và 230Th/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 5 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/232
Th 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 230Th và 232Th trong đất bề mặt, trong trầm tích và tính bảo toàn tỷ số 230Th/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 230Th/232Th và tỷ số 226Ra/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