NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC ĐIỂM DỊ THƯỜNG PHÓNG XẠ ĐỐI VỚI QUẶNG URANI TRONG CÁT KẾT VÙNG TRŨNG NÔNG SƠN

LÊ KHÁNH PHỒN
Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội

Tóm tắt: Các nghiên cứu mô hình hoá và tính toán lý thuyết đã làm sáng tỏ các đặc điểm và đưa ra cơ sở khoa học liên kết các dị thường phóng xạ. Áp dụng kết quả nghiên cứu đã khoanh nối được các dị thường phóng xạ gamma mặt đất (có độ sâu nghiên cứu ~60 cm), với các dị thường gamma lỗ choòng (có độ sâu nghiên cứu ~1 m) và các dị thường khí  phóng xạ (có độ sâu nghiên cứu 3-5 m đến hàng chục mét), truy đuổi được thân quặng urani trong cát kết, nằm dưới tầng đất phủ từ 1-3 m và lớn hơn.  

Vùng trũng Nông Sơn có các mỏ urani trữ lượng lớn trong cát kết như Khe Hoa - Khe Cao, Pà Lừa, An Điềm, Ngọc Kinh - Sườn Giữa. Các thân quặng có hàm lượng U₃O₈ từ 0,03 đến 0,8%; bề dày 1-6 m, trữ lượng dự báo trong từng mỏ tới hàng chục nghìn tấn U₃O₈.

Trữ lượng lớn về quặng urani đáp ứng nhu cầu của đất nước về nguồn nhiên liệu năng lượng hạt nhân trong tương lai.

Nghiên cứu các đặc điểm dị thường phóng xạ nhằm làm sáng tỏ cơ sở lý luận và thực tiễn của việc áp dụng có hiệu quả các phương pháp phóng xạ trong tìm kiếm, thăm dò quặng là nhiệm vụ cấp thiết đối với vùng công tác. Đó cũng là những vấn đề được đặt ra và thảo luận trong bài báo này.

I. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC ĐIỂM DỊ THƯỜNG PHÓNG XẠ ĐỐI VỚI QUẶNG URANI TRONG CÁT KẾT

Để nghiên cứu các đặc điểm dị thường phóng xạ đối với quặng urani trong cát kết vùng trũng Nông Sơn, chúng tôi đã dùng phương pháp mô hình hoá và phương pháp lý thuyết.

1. Mô hình quặng urani trong cát kết vùng trũng Nông Sơn

Trên cơ sở lập bảng tổng hợp so sánh các đặc điểm quặng hoá của các vùng Khe Hoa- Khe Cao, Pà Lừa, An Điềm, Đông Nam Bến Giằng về cấu trúc, kiến tạo, thành phần vật chất, thành phần khoáng vật, vị trí, đặc điểm tầng sản phẩm, quy mô kích thước, hàm lượng thân quặng, chiều dày đất phủ, đặc điểm trường gamma mặt đất…, chúng tôi xin đưa ra một số đặc điểm chung đại diện cho loại hình mỏ urani trong cát kết vùng trũng Nông Sơn.

Các thân quặng urani trong cát kết vùng công tác nằm trong đá trầm tích có tuổi Trias muộn phủ trên móng có tuổi cổ hơn. Đá chứa quặng có màu xám, thành phần chủ yếu là cát kết arkos. Các khoáng vật quặng chủ yếu là nasturan và các khoáng vật thứ sinh khác. Thân quặng thường có dạng lớp hoặc giả lớp với hàm lượng biến đổi trong phạm vi rộng, từ 0,01 đến >1% U₃O₈, trung bình từ 0,03 đến 0,8% U₃O₈, bề dày từ 0,5 đến 20 m, trung bình 1-2 m. Thân quặng thường có chiều dài tương đối lớn, diện lộ ra trên mặt đất có chiều dài từ 5 đến 30 m, trung bình 4 m. Chiều dày đất phủ trên các thân quặng từ vài chục cm đến 3 m, trung bình 0,7 m.

Trường bức xạ gamma mặt đất trên các vùng mỏ có các đặc điểm chung như sau: phông bức xạ gamma của đất đá vây quanh quặng có giá trị 20 mR/h; dị thường tối thiểu có giá trị 30 mR/h: diện tích khống chế bởi đường Ig ≥ 30 mR/h tạo thành dải uốn lượn theo nền địa hình, bao quanh diện lộ của tập đá chứa quặng. Đường đẳng trị Ig = 50 mR/h phù hợp với ranh giới thân quặng lộ.

2. Tính các trường bức xạ trên mô hình thân quặng urani

Để làm sáng tỏ cơ sở áp dụng các phương pháp phóng xạ tìm kiếm thăm dò quặng urani và xác định các tham số định lượng, như chiều dày, hàm lượng thân quặng, chúng tôi đã lập trình tính toán giá trị cường độ gamma, nồng độ khí phóng xạ rađon trên mô hình thân quặng urani trong cát kết đã được đưa ra ở trên.

a. Cường độ bức xạ gamma trên mô hình thân quặng urani

Trong trường hợp khi vỉa quặng urani cắm thẳng đứng có chiều dày 1 m và kéo dài vô hạn, hàm lượng urani trong vỉa quặng là q_u = 0,05%, mật độ quặng và đá vây quanh là r = 2,6 g.cm³ (các tham số được lấy theo giá trị trung bình của mô hình thân quặng urani trong cát kết của vùng công tác đã đưa ra ở trên), thì khi tiến hành quan sát dọc tuyến cắt vuông góc với phương kéo dài của vỉa quặng, cường độ bức xạ gamma có thể tính bằng công thức sau:

trong đó K: hằng số bức xạ g, đối với quặng urani

K = 3,15.10³ mR/h. cm²/g

Q_u: Hàm lượng urani g/g đá

m : Hệ số làm yếu bức xạ g

Tại ranh giới vỉa (x = 0) thì

          

Khi chiều dày vỉa l ® ¥ thì          

 

     

 

Hình 1. Đồ thị cường độ Ig  trên vỉa quặng urani

Kết quả tính toán được đưa ra ở Bảng 1 và Hình 1.

Bảng 1. Giá trị cường độ bức xạ gamma của vỉa quặng urani có chiều dày l = 1 m,
hàm lượng quặng  q_u = 0,05%

Bảng 1 cho thấy là cường độ gamma tại ranh giới vỉa (x = 0) bằng nửa giá trị cực đại cường độ gamma tại tâm vỉa (x = 50 cm). Khi điểm đo nằm phía ngoài vỉa cách ranh giới x = 50 cm thì trường bức xạ gamma của vỉa bị đất đá bao quanh hấp thụ hết nên không còn tới được máy thu, kể cả trường hợp vỉa quặng có hàm lượng urani lớn.

b. Cường độ bức xạ gamma trên vỉa quặng bị phủ

Giả sử thân quặng phóng xạ bị phủ bởi trầm tích ngoại lai không phóng xạ có chiều dày h, hệ số hấp thụ tia g là m₂

Trường hợp thân quặng có kích thước lớn (bề rộng và bề dày bão hoà theo tia gamma) phép đo được thực hiện trên mặt đất thì:

I =  I¥ F (m₂h)                                       (3)

Công thức (3) dùng để đánh giá độ sâu nghiên cứu của phương pháp gamma. Trường hợp vỉa quặng có hàm lượng q_u = 0,05%, lớp bồi tích có r = 2g/cm³; m₂/r = 0,032 ® m₂ = 0,064 (cm²/g) ta có :

Khi h = 0 (chiều dày đất phủ bằng 0) I = 250 mR/h.

h = 0,1 m® I = 250 F (0,64) = 250. 0,3 = 75 mR/h.

h = 0,2 m® I = 250 F (1,28) = 250. 0,1 = 25 mR/h.

h = 0,4 m® I = 250 F (2,56) = 250. 0,02 = 5 mR/h.

h = 0,6 m® I = 250 F (3,84) = 250. 0,003 = 0,7 mR/h.

Từ kết quả tính toán trên ta nhận thấy lớp đất phủ có chiều dày ~ 60 cm hấp thụ gần hết bức xạ gamma của vỉa quặng có hàm lượng q_u = 0,05%.

c. Dị thường nồng độ khí phóng xạ

Các khí phóng xạ Rn và Tn lan truyền trong môi trường địa chất được đặc trưng bởi hệ số khuếch tán và tốc độ đối lưu. Do sự khuếch tán và đối lưu mà các khí phóng xạ có thể đi xa khỏi vật thể phóng xạ. Quãng đường đi được phụ thuộc vào tính chất của môi trường (hệ số khuếch tán D, tốc độ đối lưu V) và vào thời gian sống trung bình (hoặc chu kỳ bán rã T của chúng)

Độ sâu h của phương pháp khí phóng xạ có thể đánh giá theo công thức dưới đây:

 

               

trong đó q_o, q_amin: Tương ứng là nồng độ khí phóng xạ tại mặt ranh giới thân quặng và nồng độ dị thường tối thiểu các đại lượng này có thể xác định được một cách tin cậy

l : Hằng số phân rã khí phóng xạ; V: Tốc độ đối lưu

D_k -  D/K_lh: Hệ số khuếch tán biểu kiến -  (K_lh – hệ số lỗ rỗng)

Nếu lấy giá trị D_K = 5.10^-3 cm²/s ; V_max = 60 cm/ngày thì đối với đo vẽ rađon h_max = 15 m, đối với thoron h_max = 4 cm.

II. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VÀ LIÊN KẾT CÁC DỊ THƯỜNG PHÓNG XẠ

Từ mô hình thực tế các thân quặng urani trong cát kết vùng Trũng Nông Sơn và các tính toán lý thuyết ở trên, có thể đưa ra các nhận xét sau:

1) Trường bức xạ gamma bị hấp thụ mạnh và suy giảm rất nhanh trong môi trường vật chất xung quanh: tia gamma bị hấp thụ gần hết trong lớp phủ bở rời có chiều dày ~60 cm và không xuyên qua được lớp đá bao quanh thân quặng có chiều dày ~50 cm. Bởi vậy phương pháp gamma mặt đất (độ sâu nghiên cứu chỉ vào khoảng 60 cm) chỉ có thể phát hiện đầu lộ vỉa quặng mà không có khả năng truy đuổi thân quặng nằm dưới tầng đất phủ có chiều dày > 60 cm. Mặt khác, khoảng cách các điểm đo gamma trên thực địa đều lớn hơn khả năng đâm xuyên của tia gamma trong đất đá (trong tìm kiếm bước đo tối thiểu là 5 m, trong thăm dò bước đo tối thiểu là 1 m (xem Quy phạm Kỹ thuật thăm dò phóng xạ [1]), nên giá trị cường độ gamma chỉ phụ thuộc vào hàm lượng các chất phóng xạ tại vị trí điểm đo mà không phụ thuộc vào hàm lượng của chúng tại các điểm xung quanh. Hay nói cách khác, giá trị cường độ gamma tại các điểm quan sát mang đặc trưng ngẫu nhiên không phụ thuộc nhau. Đối với các trường vật lý mang đặc trưng ngẫu nhiên như: trường bức xạ gamma nói riêng hay trường bức xạ phóng xạ nói chung, phương pháp xử lý tài liệu đúng đắn nhất là phương pháp toán học xác suất thống kê, tương tự các phương pháp xử lý tài liệu đối với phương pháp địa hoá.

Theo phương pháp xử lý thống kê, trong trường hợp các tham số của trường phóng xạ tuân theo luật phân phối chuẩn, dị thường phóng xạ Xdt được xác định theo công thức sau:

X_dt ≥ X_F + 3s                            (5)

trong đó: X_F - giá trị phông của trường phóng xạ

s - độ phân tán hay còn gọi là độ lệch quân phương của đại lượng nghiên cứu.

2) Để phát hiện và truy đuổi các thân quặng phóng xạ nằm dưới tầng đất phủ (chiều dày đất phủ trung bình 0,7 m, có chỗ dày 3 m và lớn hơn) như ở vùng trũng Nông Sơn, cần phải áp dụng các phương pháp phóng xạ có chiều sâu nghiên cứu khác nhau: phương pháp gamma mặt đất để phát hiện đầu lộ vỉa quặng và khoanh nối diện lộ của thân quặng; phương pháp gamma lỗ choòng (độ sâu lỗ choòng 80 ¸ 100 cm) để phát hiện và truy đuổi thân quặng nằm dưới tầng đất phủ có chiều dày ~1 m; phương pháp khí phóng xạ để phát hiện và truy đuổi các thân quặng nằm dưới tầng đất phủ có chiều dày 1¸3 m và lớn hơn. Từ đó nảy sinh vấn đề làm thế nào để liên kết được các dị thường phóng xạ có thứ nguyên khác nhau. Ví dụ làm thế nào liên kết được dị thường gamma mặt đất (có thứ nguyên là mR/h) với dị thường khí phóng xạ (có thứ nguyên là Bq/l) cho dù chúng đều do cùng một thân quặng gây ra.

3) Trong các trường hợp trên, việc xác định các dị thường phóng xạ theo công thức (5) sẽ gặp khó khăn. Có thể dùng phép biến đổi trường như sau:

Tại mỗi điểm quan sát xác định tham số:

Đại lượng D không có thứ nguyên và có độ lớn bằng bội số của độ phân tán s. Bằng phép biến đổi này sẽ nhận được các bậc dị thường tương tự như đối với các dị thường địa hoá: dị thường bậc 1 khi  1£ D£ 2; dị thường bậc 2 khi 2£ D£ 3; dị thường bậc 3 khi D>3. Khi đó tất cả các dị thường của các phương pháp phóng xạ khác nhau đều không có thứ nguyên, nên có thể liên kết chúng theo giá trị bậc của dị thường.

III. ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Sau đây chúng tôi xin đưa ra ví dụ thực tế áp dụng kết quả nghiên cứu liên kết các dị thường phóng xạ phát hiện và truy đuổi thân quặng urani bị phủ trên tuyến 85 vùng trũng Nông Sơn (Hình 2 và 3).

Trên vùng công tác đã tiến hành các phương pháp gamma mặt đất, gamma lỗ choòng (độ sâu lỗ choòng 80 cm) và phương pháp khí phóng xạ.

Trên Hình 2 chỉ rõ, tại các đầu lộ vỉa, hàm lượng urani tăng cao q_u đạt tới giá trị 30¸60 ppm, gấp 3¸6 lần so với giá trị hàm lượng phông trung bình trong đất phủ (q^ph_u~10 ppm). Tại các đầu lộ vỉa xác định được các dị thường gamma bậc 3 (xác định theo công thức 6). Như vậy phương pháp gamma mặt đất chỉ giúp phát hiện được các đầu lộ vỉa của thân quặng.

Hình 2. Mặt cắt địa chất phóng xạ tuyến 85 vùng trũng Nông Sơn:
Phương pháp gamma mặt đất chỉ có thể phát hiện đầu lộ vỉa quặng

Hình 3. Liên kết các dị thường phóng xạ, truy đuổi thân quặng urani tại tuyến 85 trũng Nông Sơn

Các đặc điểm tương tự của trường phóng xạ cũng quan sát thấy trên tuyến khảo sát I-I’ (Hình 3). Trên tuyến này đã xác định được dị thường gamma mặt đất bậc 3 tại điểm A’ (hình chiếu của đầu lộ vỉa quặng A).

Trên tuyến II-II’ đi qua điểm B của mặt cắt có độ dày đất phủ tới thân quặng ~1 m, tuy không phát hiện được dị thường gamma mặt đất, nhưng đã phát hiện được dị thường gamma lỗ choòng bậc 3 (xác định theo công thức 6) tại điểm B’ (hình chiếu của B).

Trên tuyến III-III’ đi qua điểm C có độ dày đất phủ ~3 m, tại C’ đã xác định được các dị thường phóng xạ bậc 3 và dị thường khí phóng xạ bậc 3.

Như vậy tại các điểm A’, B’, C’ đều xác định được các dị thường phóng xạ bậc 3. Nối chúng theo nguyên tắc đã nêu tại mục II ta được dị thường bậc 3: A’.B’.C’ trùng với hướng cắm thực tế của thân quặng urani của vùng công tác.

KẾT LUẬN

1. Các thân quặng urani trong cát kết vùng trũng Nông Sơn thường có dạng lớp hoặc giả lớp, hàm lượng trung bình từ 0,03 đến 0,8% U₃O₈, bề dày từ 0,5 đến 20 m trung bình 1- 2 m. Chiều dày đất phủ trên các thân quặng từ vài chục cm đến 3 m, trung bình 0,7 m.

2. Do ảnh hưởng của đất phủ, chiều sâu nghiên cứu của phương pháp gamma mặt đất chỉ đạt khoảng 60 cm, chiều sâu nghiên cứu của phương pháp khí phóng xạ từ 3-5 đến hàng chục m.

3. Áp dụng phương pháp biến đổi tham số trường phóng xạ đã khoanh nối được các dị thường phóng xạ, của các phương pháp có độ sâu nghiên cứu khác nhau (phương pháp gamma mặt đất, gamma lỗ choòng, khí phóng xạ). Nhờ vậy đã truy đuổi được thân quặng urani cắm sâu dưới tầng đất phủ tới 3 m và lớn hơn.

Công trình được hoàn thành có sự hỗ trợ kinh phí của Đề tài nghiên cứu cơ bản cấp Nhà nước mã số 730303. Nguồn tư liệu là kết quả nghiên cứu của đề tài và thu thập từ Lưu trữ Cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam.

VĂN LIỆU

1. Bộ Công nghiệp, 1998. Quy phạm kỹ thuật thăm dò phóng xạ. Hà Nội.

2. Lê Khánh Phồn, 2004. Thăm dò phóng xạ. Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội.

3. Nguyễn Văn Nam, 2000. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả áp dụng các phương pháp phóng xạ tìm kiếm quặng urani trong cát kết khu vực Sườn Giữa. Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Mỏ - Địa chất. Hà Nội.

4. Novikov G.F., 1989. Thăm dò phóng xạ. Nxb Nedra, Leningrad (tiếng Nga).