NGHIÊN CỨU LUẬN GIẢI ĐẶC TRƯNG TRƯỜNG
PHỔ GAMMA PHỤC VỤ DỰ BÁO TRIỂN VỌNG SA KHOÁNG ĐỚI BIỂN VEN BỜ VIỆT
LÊ KHÁNH PHỒN1, NGUYỄN VĂN DŨNG1,
NGÔ THANH THUỶ2,
VŨ BÁ DŨNG2, NGUYỄN VĂN NAM3,
VŨ VĂN BÍCH3
1Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội.
2Liên đoàn Địa chất Biển, 125, Trung Kính, Trung Hòa, Cầu Giấy, Hà Nội.
3Liên đoàn Địa chất Xạ-Hiếm, Xuân Phương, Từ Liêm, Hà Nội.
Tóm tắt: Các kết quả nghiên
cứu về tác động của phong hóa bóc mòn và các yếu tố khác đối với thành phần vật
chất và quy luật phân bố hàm lượng các nguyên tố phóng xạ trong trầm tích tầng
mặt đã làm sáng tỏ các đặc trưng trường phổ gamma đới biển ven bờ Việt
Áp dụng kết
quả nghiên cứu tại vùng X đã xác định được dải dị thường phổ gamma trước cửa
sông có bản chất hỗn hợp Th-U với xu thế tăng mạnh hàm lượng Th và không chứa
kali, có triển vọng đối với sự tích tụ sa khoáng biển titan.
I. MỞ ĐẦU
Công tác khảo sát phổ gamma
đáy biển trong các năm từ 1991 đến 2000 đã phục vụ hiệu quả đề án “Điều tra địa
chất và tìm kiếm khoáng sản rắn biển nông ven bờ Việt Nam tỷ lệ 1:500.000” do
TSKH. Nguyễn Biểu chủ trì. Tập thể các nhà khoa học của Liên đoàn Địa chất
Biển, Liên đoàn Vật lý Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Viện Năng lượng
Nguyên tử Việt Nam, Liên đoàn Địa chất Xạ-Hiếm đã xác định được các dị thường
phổ gamma, quy luật phân bố hàm lượng các nguyên tố U, Th, K trong các trầm
tích tầng mặt đới biển ven bờ.
Trong bài báo này, chúng
tôi đưa ra kết quả nghiên cứu, luận giải đặc trưng trường phổ gamma phục vụ dự báo
triển vọng sa khoáng đới biển ven bờ nước ta.
II. BẢN CHẤT VÀ ĐẶC TRƯNG TRƯỜNG PHỔ GAMMA
Phương
pháp phổ gamma là phương pháp 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 trong các thân khoáng.
Năng
lượng bức xạ gamma của các nguyên tố phóng xạ có giá trị xác định, đặc trưng cho
chúng. Cho nên nếu đo cường độ bức xạ gamma tại các “cửa sổ năng lượng” tương
ứng với năng lượng đặc trưng của các nguyên tố phóng xạ cần xác định, người ta
có thể xác định hàm lượng của chúng tại vị trí khảo sát hoặc của mẫu vật cần
nghiên cứu.
1
Do
bức xạ gamma có khả năng đâm xuyên không lớn nên độ sâu nghiên cứu của các phương
pháp gamma nói chung và của phương pháp phổ gamma nói riêng không quá 1m, tương
đương với độ sâu nghiên cứu của phương pháp địa hoá.
Từ đó suy ra bản chất trường
phổ bức xạ gamma đo được phản ánh sự phân bố hàm lượng của các nguyên tố phóng
xạ U, Th, K của lớp đất đá sát bề mặt tại điểm quan sát. Đối với phương pháp
phổ gamma đáy biển thì trường phổ bức xạ gamma đo được phản ánh quy luật phân
bố hàm lượng U, Th, K của các thành tạo trầm tích tầng mặt vùng nghiên cứu.
Các trầm tích tầng mặt đáy
biển ven bờ được thành tạo từ nguồn vật liệu do sông ven biển cung cấp và chịu
các yếu tố tác động phong hoá bóc mòn các vùng châu thổ, môi trường địa hoá,
dòng chảy, …
Bởi vậy muốn làm sáng tỏ
và luận giải đặc trưng trường phổ bức xạ gamma, trước hết cần nghiên cứu các yếu
tố ảnh hưởng sự phân bố thành phần trầm tích tầng mặt và xác định mối liên quan
của chúng.
III. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ PHÂN BỐ THÀNH PHẦN
TRẦM TÍCH TẦNG MẶT
1. Ảnh hưởng của tác động phong hoá bóc mòn
Để làm sáng tỏ các yếu tố
ảnh hưởng đến sự phân bố thành phần trầm tích tầng mặt đới biển ven bờ, chúng
tôi đã nghiên cứu các yếu tố tác động đến nguồn cung cấp vật liệu và môi trường
tích tụ lắng đọng.
Do đó, đề tài đã tiến hành
nghiên cứu tác dụng phong hoá bóc mòn châu thổ, thành phần các nguyên tố chủ
yếu và vi lượng trong vật liệu mà các sông cung cấp ra biển.
Trong các năm 2005-2006,
nhóm tác giả phối hợp với các nhà khoa học Trung Quốc tiến hành khảo sát thu thập
hàng trăm mẫu bùn cát trầm tích tầng mặt các sông ven biển và biển ven bờ từ
sông Hồng đến sông Mêkông. Thành phần các nguyên tố chủ yếu (SiO2,
TiO2, Al2O3, Fe2O3, MnO,
MgO, CaO, Na2O, K2O, P2O5) trong mẫu
được xác định bằng phương pháp phổ huỳnh quang tia X trên thiết bị ARL9800XP
của Trường Đại học Nam Kinh, còn thành phần các nguyên tố vi lượng (Ba, Rb, Sr,
Zr, Zn, Pb) được xác định bằng phương pháp khối phổ trên thiết bị hiện đại
ICP-MS của Trường Đại học Đồng Tế Thượng Hải, Trung Quốc.
Tính chất hoạt động của nguyên
tố trong quá trình phong hoá được thể hiện trong thành phần hoá học của các sản
phẩm phong hoá của châu thổ các con sông. Vì Al được lưu lại trong vật chất tàn
dư của phong hoá, là nguyên tố hoạt động yếu nhất trong các nguyên tố chủ yếu,
nên người ta dùng “tỷ số nguyên tố” so với Al để biểu thị tính hoạt động của
nguyên tố cần nghiên cứu. Công thức “tỷ số nguyên tố” của nguyên tố X nào đó
trong trầm tích của sông được được viết như sau:
Tỷ
số nguyên tố X = [X/Al2O3 (sông)] / [X/Al2O3
(UCC)] (1)
trong đó: UCC là thành phần
hàm lượng nguyên tố bình quân của vỏ Trái đất.
Tỷ số này phản ánh mức độ làm
giàu trong quá trình phong hoá của nguyên tố X: nếu tỷ số lớn hơn 1 thì nó được
làm giàu lên trong quá trình phong hoá, nếu nhỏ hơn 1 thì nó bị làm nghèo đi,
còn nếu bằng 1 chứng tỏ nó không bị biến đổi.
Hình 1 biểu diễn “tỷ số nguyên
tố” trầm tích tầng mặt các sông Hồng, Mêkông (Việt Nam) và Châu Giang (Trung
Quốc). Nó cho ta thấy hàm lượng SiO2 trầm tích tầng mặt sông Mêkông
hầu như không bị biến đổi so với hàm lượng trung bình của nó trong vỏ Trái đất.
Trong khi đó hàm lượng SiO2 của trầm tích sông Hồng và Châu Giang bị
làm nghèo chút ít. Hàm lượng Al2O3 của trầm tích cả 3 con
sông đều không bị biến đổi. Điều đó chứng tỏ thành phần vật liệu cung cấp ra
biển của sông Hồng và Châu Giang có tỷ lệ phù sa bùn sét so với cát cao hơn
chút ít so với Mêkông. Hàm lượng TiO2, Fe2O3 trong
tất cả các sông đều được làm giàu lên. Đó là vì TiO2 có tính hoạt
động kém trong quá trình phong hoá, dễ được làm giàu trong vật liệu trầm tích.
Sự làm giàu Fe2O3 có hai nguyên nhân: nguyên nhân thứ
nhất do nó ít linh hoạt trong quá trình phong hoá; nguyên nhân thứ hai do có
khả năng trong lưu vực sông có tồn tại khoáng vật nặng (ví dụ như mỏ sắt-titan).
Điều vừa mô tả bên trên chứng tỏ các con sông ven biển chính là nguồn cung cấp
vật liệu tạo thành các mỏ sa khoáng titan của đới biển ven bờ. Cần lưu ý Ti và
Fe đều được làm giàu lên trong quá trình phong hoá. Hàm lượng của chúng có tỷ
lệ thuận với nhau trong vật liệu trầm tích.
Đối với Na2O và
K2O tình hình khác hẳn. Hàm lượng của chúng trong vật liệu bồi tích của
các dòng sông đều bị làm nghèo đi. Độ linh động của Na2O mạnh hơn so
với K2O. Do bị phong hoá rửa trôi từ các thành tạo lục địa, các ion
Na+ và K+ tồn tại trong nước sông, nước biển, còn trong
thành tạo trầm tích tầng mặt của sông và biển ven bờ hàm lượng Na, K nhỏ hơn so
với hàm lượng trung bình của chúng trong vỏ Trái đất.
Hình 1. “Tỷ số nguyên tố” thành
phần trầm tích tầng mặt của một số sông
tiêu biểu
ở Việt Nam và Trung Quốc [theo 5, 6]
Chúng ta biết trong kali tự
nhiên có đồng vị phóng xạ là 40K chiếm tỷ lệ 0,0119%. Đồng vị phóng
xạ 40K phân rã theo hai con đường là phân rã b- (chiếm tỷ lệ 89%) và bắt điện tử (chiếm tỷ lệ 11%)
kèm theo phát xạ bức xạ gamma năng lượng Eg = 1,46 MeV. Chính vì vậy sự giảm thiểu hàm lượng K trong trầm tích tầng mặt
đáy biển và sự có mặt các ion K+ trong nước biển sẽ tạo ra bức tranh
trường phổ gamma đáy biển có đặc trưng khác với trong đất liền.
2. Ảnh hưởng của môi trường địa hoá
Kết quả phân tích thành
phần trầm tích tầng mặt các sông và ven biển còn được dùng để xây dựng các đồ thị
tương quan hàm lượng giữa SiO2, Al2O3, TiO2
với các thành phần khác (xem Hình 2).
Hình 2 cho thấy trong trầm
tích tầng mặt của cả 3 con sông, hàm lượng SiO2 tỷ lệ nghịch với hàm
lượng của Al2O3, Fe2O3 và cả với K2O.
Trong khi đó hàm lượng Al2O3 tỷ lệ thuận với Fe2O3
và K2O. Từ đây có thể suy ra trong các thành phần trầm tích cát là
chủ yếu (tại các nơi có hàm lượng SiO2 cao), hàm lượng chất phóng xạ
40K (trong kali tự nhiên) sẽ nhỏ. Hơn nữa trong cát, thành phần trầm
tích hạt mịn là bùn sét (chứa Al2O3) và oxyt sắt chiếm tỷ
lệ nhỏ. Bùn sét và oxyt sắt là các chất có khả năng hấp thụ urani từ nước biển.
Bởi vậy các lớp cát sạch sẽ có hoạt độ phóng xạ thấp. Ngược lại, các lớp bùn
sét hàm lượng Al2O3 càng cao càng chứa nhiều Fe2O3,
dẫn đến khả năng hấp thụ urani của chúng trong nước biển tăng lên, làm cho trầm
tích bùn sét tầng mặt ven biển có hoạt độ phóng xạ cao, có thể gây ra dị thường
phổ gamma bản chất urani.
Hình 2. Đồ thị tương quan hàm lượng các nguyên tố
chính trong trầm tích tầng mặt
các sông Hồng, Mêkông và Châu Giang [theo 6]
TiO2 là thành
phần được làm giàu lên trong quá trình phong hoá. Khi được các dòng sông đưa ra
biển và tích tụ với hàm lượng đủ lớn có thể tạo thành mỏ sa khoáng titan. Chúng
ta đã biết bản thân oxyt titan không chứa các chất phóng xạ. Nhưng vì khoáng vật
ilmenit của titan bền vững trong quá trình phong hoá, được các dòng sông vận
chuyển và trầm đọng tại đới ven biển dưới dạng trầm tích mảnh vụn cùng với các
khoáng vật giàu thori là monazit, zircon, xenotim, … Cho nên tại các đới sa khoáng
biển, ilmenit bao giờ cũng có dị thường phóng xạ.
Để lý giải bản chất dị thường
phóng xạ trên các đới sa khoáng biển, chúng ta đi sâu nghiên cứu các đồ thị
tương quan hàm lượng tại Hình 2. Các đồ thị chỉ rõ hàm lượng TiO2 trong
trầm tích tầng mặt bồi lắng của cả 3 con sông Hồng, Châu Giang và Mêkông đều tỷ
lệ nghịch với hàm lượng Al2O3, K2O và tỷ lệ
thuận với Fe2O3. Như vậy, các đới quặng sa khoáng ilmenit
được tích tụ dưới dạng trầm tích mảnh vụn đồng hành cùng với các vật liệu mảnh
vụn khác như cát, monazit, zircon, xenotim, …; hàm lượng sét trong sa khoáng sẽ
thấp. Quặng sa khoáng có hàm lượng TiO2 càng cao thì hàm lượng K2O
càng thấp làm cho thành phần phổ gamma bản chất kali (từ đồng vị phóng xạ 40K)
sẽ nhỏ hơn so với các đối tượng xung quanh. Từ đó suy ra tại các đới quặng sa
khoáng titan ven biển, dị thường phóng xạ sẽ có bản chất hỗn hợp thori, urani
với thành phần phổ thori trội hơn. Tại các đới sa khoáng biển không tồn tại dị
thường phổ gamma bản chất kali.
IV. LUẬN GIẢI ĐẶC TRƯNG TRƯỜNG PHỔ GAMMA PHỤC VỤ DỰ BÁO SA KHOÁNG ĐỚI BIỂN VEN BỜ NƯỚC TA
1. Sự sai lệch giá trị hàm lượng các nguyên tố phóng xạ theo đo phổ gamma và phân tích mẫu
Xử lý tổng hợp tài liệu khảo
sát phóng xạ đới biển ven bờ nước ta tỷ lệ 1:500.000 gồm số liệu hàng nghìn
trạm đo phổ gamma, phân tích hàm lượng chất phóng xạ của hàng nghìn mẫu, các
tác giả Lê Văn Vượng, Võ Thanh Quỳnh [3] đã đưa ra một số đặc trưng trường phổ
gamma như sau (Bảng 1).
Bảng 1 cho thấy rõ trên đới
biển ven bờ Việt
Sự sai khác có tính hệ thống
kể trên có thể giải thích dựa vào đặc điểm phong hóa bóc mòn châu thổ và môi
trường địa hoá và thuỷ địa hoá vùng ven biển của nước ta.
Bảng 1. Đặc trưng trường phổ gamma trầm tích tầng
mặt biển ven bờ Việt
TT |
Vùng |
Hàm lượng TB của thori (ppm) |
Hàm lượng TB của urani (ppm) |
Hàm lượng TB của kali (%) |
|||||||
Theo phổ gamma |
Theo phân tích mẫu |
Tỷ số / |
Theo phổ gamma |
Theo phân tích mẫu |
Tỷ số / |
Theo phổ gamma |
Theo phân tích mẫu |
Tỷ số / |
|
||
1 |
Biển
ven bờ Bắc Bộ |
5,13 |
6,56 |
0,78 |
3,59 |
4,33 |
0,83 |
0,95 |
0,78 |
1,22 |
|
2 |
Biển
ven bờ Bắc Trung Bộ |
4,68 |
6,41 |
0,73 |
2,81 |
5,17 |
0,54 |
1,20 |
1,10 |
1,09 |
|
3 |
Biển
ven bờ Nam Trung Bộ |
6,53 |
6,7 |
0,97 |
2,97 |
3,51 |
0,85 |
1,28 |
1,19 |
1,08 |
|
4 |
Biển
ven bờ Nam Bộ |
3,76 |
6,85 |
0,55 |
2,55 |
3,57 |
0,71 |
1,60 |
1,23 |
1,30 |
|
Do kali linh động, nó bị
rửa trôi trong quá trình phong hoá và được đưa ra biển dưới dạng các ion K+
trong nước biển gây ra hiệu ứng gia tăng cường độ bức xạ gamma tại “cửa sổ năng
lượng” kali đối với phép đo phổ gamma đáy biển. Điều đó làm cho hàm lượng kali theo
đo phổ gamma có giá trị cao hơn phân tích mẫu.
Sự giảm hàm lượng thori,
urani theo đo phổ gamma so với phân tích mẫu có thể giải thích như sau: phép đo
phổ gamma được tiến hành tại đáy biển, nước biển làm cho các trầm tích tầng mặt
có độ ẩm rất cao; trầm tích cát có độ ẩm (v)
đạt tới 0,35 còn bùn sét tới 0,7. Trong khi đó, phép đo phổ gamma khi phân tích
mẫu được tiến hành với các mẫu đã được sấy khô.
qam = qkh(1-v)
(2) [theo 4] trong đó: qam, qkh
là hàm lượng của nguyên tố phóng xạ tương ứng đối với mẫu ẩm và mẫu khô.
Theo công thức (2), hàm lượng
các nguyên tố phóng xạ theo đo phổ gamma đáy biển (qam) sẽ chỉ có
giá trị bằng khoảng (0,3-0,65)qkh theo phân tích mẫu. Chính vì vậy,
trong khuôn khổ của Đề tài Nghiên cứu cơ bản Nhà nước và sự hợp tác với các nhà
khoa học Liên đoàn Địa chất Biển, chúng tôi đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng
và hiệu chỉnh đối với phép đo phổ gamma đáy biển [1, 2].
2. Dự báo triển vọng sa khoáng biển vùng X theo đặc trưng dị thường phổ gamma
Tại
đới biển ven bờ vùng X, người ta đã tiến hành đo phổ gamma tỷ lệ 1:500.000 trên
diện tích ~10000 km2 với khối lượng hơn 700 trạm đo phổ gamma và phân
tích hàm lượng các nguyên tố phóng xạ của tất cả các mẫu trầm tích tầng mặt
được lấy tại các trạm khảo sát.
Sau
khi xử lý tài liệu đo phổ gamma và tiến hành các hiệu chỉnh cần thiết với phép đo
gamma dưới nước, đã thành lập được các sơ đồ dị thường và trend bậc 3 hàm lượng
Th, U, K vùng X (xem các Hình 3, 4, 5).
Từ
các Hình 3, 4, 5 thấy rõ các dị thường phổ gamma có các đặc trưng sau:
-
Về hình dạng và quy luật phân bố: các dị thường phổ gamma đều có kích thước nhỏ,
dạng kéo dài phân bố thành hai dải. Dải dị thường thứ nhất có phương theo hướng
dòng chảy của sông đổ ra biển là TB-ĐN vuông góc với bờ biển; còn dải dị thường
thứ hai nằm sát đới ven bờ có phương ĐB-TN song song với bờ biển.
-
Về bản chất: dải dị thường thứ nhất trước cửa sông vuông góc bờ biển có bản chất
hỗn hợp Th-U với xu thế tăng hàm lượng thori vượt trội. Dải dị thường thứ hai
nằm ôm sát song song bờ biển TN của vùng có bản chất hỗn hợp U-K.
-
Các sơ đồ trend bậc 3 chỉ rõ dải dị thường trước cửa sông có sự tăng mạnh hàm lượng
Th, còn dải dị thường nằm sát và song song bờ biển có sự tăng hàm lượng của cả
U và K với xu thế tăng hàm lượng của chúng từ ngoài biển vào bờ.
Từ
sự phân tích đặc trưng các dị thường phổ gamma kể trên có thể suy ra:
-
Dải dị thường trước cửa sông có sự trùng khớp các dị thường Th và U, không có dị
thường K và có xu hướng tăng mạnh hàm lượng Th từ hai bên vào trung tâm dòng chảy
từ sông ra biển. Điều đó chứng tỏ trong phạm vi của dải này tích tụ trầm tích
có hàm lượng Th cao, hàm lượng U tương đối cao còn hàm lượng kali không đáng
kể, đặc trưng cho sự tích tụ sa khoáng biển titan.
-
Dải dị thường nằm sát song song bờ biển với sự trùng khớp của các dị thường U, K
và sự tăng giá trị hàm lượng của chúng từ ngoài biển vào bờ đặc trưng cho dạng
dị thường phổ gamma trên trầm tích tầng mặt thành phần bùn sét ven biển.
V. KẾT LUẬN
1.
Quá trình phong hoá bóc mòn đã làm giàu TiO2, Fe2O3,
làm nghèo Na2O, K2O trong trầm tích tầng mặt sông Hồng, sông
Mêkông và trầm tích tầng mặt ven biển nước ta.
-
Nước biển chứa chất phóng xạ 40K gây ra hiệu ứng làm tăng giá trị hàm
lượng kali trong phép đo phổ gamma ngoài trời tại các trạm khảo sát, làm cho
giá trị hàm lượng kali theo kết quả đo phổ gamma lớn hơn từ 10 đến 30% so với
kết quả phân tích mẫu.
-
Khoáng vật titan bền vững và được làm giàu trong quá trình phong hoá, khi được lắng
đọng với số lượng đủ lớn đồng hành cùng với các khoáng vật chứa phóng xạ (chủ
yếu thori) như monazit, zircon, xenotim, có thể tạo thành các mỏ hoặc đới khoáng
hoá titan, trong đó giá trị hàm lượng TiO2 của quặng có mối quan hệ
tỷ lệ nghịch với K2O. Các mối tương quan kể trên của khoáng vật
titan với thành phần vật chất khác là cơ sở để luận giải về đặc trương dị thường
phổ gamma bản chất hỗn hợp Th-U không đi kèm với dị thường kali trên các mỏ
hoặc đới sa khoáng titan.
-
Trong các trầm tích tầng mặt, hàm lượng Al2O3 (liên quan với
thành phần trầm tích bùn sét) có mối tương quan tỷ lệ thuận với Fe2O3
và K2O. Bởi vậy trên các trường trầm tích bùn sét dị thường phổ
gamma có bản chất hỗn hợp urani-kali.
2.
Áp dụng kết quả nghiên cứu tại vùng X đã xác định được dải dị thường phổ gamma trước
cửa sông vuông góc với bờ biển có bản chất hỗn hợp Th-U với xu thế tăng mạnh
hàm lượng của Th và không chứa K có triển vọng đối với sự tích sa khoáng biển
titan.
Bài
báo được hoàn thành dựa trên kết quả nghiên cứu và hỗ trợ kinh phí của đề tài NCCB
Nhà nước mã số 7.155.06. Nguồn tài liệu là kết quả nghiên cứu của đề tài và thu
thập từ Lưu trữ Cục Địa chất và Khoáng sản Việt
VĂN LIỆU
1.
Lê Khánh Phồn, Đào Triệu Túc, 2006. Nghiên cứu ảnh hưởng hấp
thụ của nước đối với phép đo phổ gamma đáy biển. Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất,
Chuyên đề Địa vật lý, 14 : 42-46. Hà Nội.
2.
Lê Khánh Phồn, Nguyễn Văn Dũng, Vũ Bá Dũng, 2007.
Nghiên cứu quy trình đo phổ gamma đáy biển phục vụ điều tra tài nguyên và môi trường
vùng biển ven bờ Việt
3.
Lê Văn Vượng, Võ Thanh Quỳnh, 2001. Báo cáo “Lập bản đồ dị
thường phổ gamma biển nông ven bờ (0-30 m nước) Việt
4.
Novikov G.F., 1989. Thăm dò phóng xạ. Nxb Nauka,
5.
Tong Shengqi, Liu Zhifei, Khanh Phon Le, Huang Wei, 2006.
Chemical weathering in the
6.
Zhifei Liu, Christophe Colin, Wei Huang, Khanh Phon Le, Shengqi Tong, Zhong
Chen, Alain Trentesaux, 2007. Climatic and tectonic
controls on weathering in South China and