109
Khi dòng điện ngoài chấm dứt, các ion trao đổi lại tái phân bổ trên màng sét và
sinh ra gradien nồng độ làm xuất hiện thế phân cực kích thích. Vậy có thể nói rằng trị
số phân cực giảm khi tăng nồng độ ion của chất điện phân. Các đá cát sét bo hoà nớc
thì sẽ có hiệu ứng thấp.
Trong tự nhiên ta có thể gặp các trờng hợp môi trờng có tất cả các điều kiện
bề mặt tiếp xúc giữa các bộ phận dẫn điện ion, điện tử và cách điện (các đá lục nguyên
và cacbonat có chứa pyrit dới dạng xâm tán, bo hoà nớc khoáng hoá cao), dòng
dẫn trong môi trờng, vì vậy đồng thời có tất cả hiệu ứng dẫn ion và dẫn điện điện tử.
Trong điều kiện đó, hiệu ứng toàn phần sẽ là tổng của các thế điện hình thành từ
các hiện tợng vừa nêu trên.
4.2.2. Đo thế điện phân cực kích thích trong giếng khoan
1. Sơ đồ nguyên tắc
Hình vẽ 4.13 là sơ đồ nguyên tắc đo thế điện phân cực kích thích

U
PP
trong
giếng khoan.
Trong sơ đồ đo
U
PP
sử dụng một hệ điện cực A
1
MA
2
. Các điện cực phát A
1
và
A

B
A
2
M
A
1
N
P
E

110
bộ với mạch AB. Với sơ đồ ở hình 4.13 ta đồng thời đo thế phân cực kích thích

U
PP
và
điện trở suất biểu kiến R
a
.
Cờng độ dòng phát kích thích đợc duy trì ổn định và đủ lớn để ảnh hởng của
thế tự phân cực SP là không đáng kể.
2. Các đờng cong đo ghi thế

U
PP

Nghiên cứu thế điện phân cực kích thích trong giếng khoan ngời ta có thể chọn
một trong các quan hệ phụ thuộc hàm số của giá trị đo

U

PP

chịu ảnh hởng của điện trở suất của vỉa nghiên cứu. Vì thế trong các đá có điện trở
cao, các đờng cong đo thế phân cực, về mặt định tính có dạng tơng tự nh đờng
cong đo điện trở suất biểu kiến và rõ ràng nh vậy không cho thêm thông tin gì trong
phân tích địa chất.
Các ảnh hởng của điện trở suất có thể bị hạn chế đi rất nhiều nếu ta đo giá trị
hệ số tơng đối
1
của thế phân cực kích thích

PP
sau đây:
)26.4(
a
R
PP
PP
U
U


=


Trong đó: 1. Hệ số tơng đối


4. Phạm vi ứng dụng của phơng pháp phân cực kích thích
Phơng pháp thế điện phân cực kích thích là một trong các phơng pháp nghiên
cứu các giếng khoan tìm kiếm thăm dò các quặng rắn và than. Kết quả đo phân cực
kích thích đặc biệt có hiệu quả cao ở các trờng hợp nghiên cứu quặng sulfua đa kim
và than biến chất cao. Các đới quặng hoá hay gặp trong đá xâm nhập và đá biến chất là
các đá có điện trở suất cao nên có thể ảnh hởng đến kết quả đo

U
PP
. Trong trờng
hợp đới quặng giàu hoặc xâm tán thì biện pháp đo hệ số

PP
sẽ có kết quả rõ ràng hơn.
Còn một lĩnh vực khá hấp dẫn khi áp dụng phơng pháp phân cực kích thích để
giải quyết các bài toán tìm kiếm nớc dới đất và về nguyên tắc có thể dựa vào kết quả
đo phân cực kích thích để xác định độ thấm của tầng chứa nớc. 112
Chơng 5
Các phơng pháp phóng xạ hạt nhân

Các phơng pháp phóng xạ hạt nhân có cơ sở vật lý - địa chất dựa trên các hiện
tợng phóng xạ tự nhiên và kích thích nhân tạo trong các lớp đất đá ở thành giếng
khoan.
Các phơng pháp phóng xạ hạt nhân đợc sử dụng để nghiên cứu lát cắt địa chất
không chỉ ở các giếng khoan trần (cha chống ống) mà ở các giếng khoan đ chống
ống. Đây là u điểm nổi bật của phơng pháp này.
5.1. Cơ sở vật lý - địa chất

176
71
).
Các đồng vị phóng xạ này có đời sống rất dài bức xạ phần chủ yếu các tia
gamma tự nhiên (Bảng 5.1)
Bảng 5.1

K Th U
Hàm lợng tơng đối trong vỏ quả đất
(Số Clarke)
2,35%

12 ppm

3 ppm
Hoạt tính tơng đối của đơn vị trọng
lợng của nguyên tố
1 1300 3600
Chu kỳ bán r (năm) 1,3.10
9
1,4.10
10

4,4.10
9
(
238
U)
7,1.10
8

rộng 0,0019 - 9MeV.
b) Hoạt tính phóng xạ tự nhiên của các đá
Hoạt tính phóng xạ của các đá phụ thuộc vào thành phần khoáng vật và nguồn
gốc của đá.
Các đá xâm nhập phân biệt nhau theo mức độ bức xạ gamma tự nhiên. Các đá
có thành phần axit (granit, granodiorit,) có cờng độ phóng xạ cao hơn cả vì có chứa
Kali và các nguyên tố trong dy U, Th. Feldspat và Mica là các khoáng vật có mặt
nhiều trong đá macma chứa nhiều K, trong đó có thể có tới 0,02% là đồng vị
40
K.
Các đá bazơ và siêu bazơ có độ phóng xạ gamma tự nhiên thấp nhất.
Các đá trầm tích là sản phẩm phong hoá từ đá macma có độ phóng xạ tự nhiên
khác nhau. Nếu sản phẩm bào mòn phong hoá từ đá axit, các đồng vị phóng xạ có độ
linh động cao sẽ tích tụ ở những nơi nhất định. Thạch anh- một trong những khoáng vật
chính của đá axit sẽ kết tinh ở dạng sạch và kết thành đá cát có độ phóng xạ tự nhiên
thấp. Feldspat và mica là các khoáng vật có chứa nhiều K nên dễ bị hấp phụ bởi các
khoáng vật sét, vì vậy mà sét thờng có độ phóng xạ cao.
Cờng độ phóng xạ tự nhiên cao ở các lớp sét cũng còn vì các nguyên nhân
khác nữa. Trong quá trình lắng đọng, sét hấp phụ các ion của các nguyên tố đồng vị
phóng xạ có trong các xác động vật cấp thấp. Các sét bị bitum hoá, có thể chứa tới
0,01% Uran hay Thori. Cờng độ phóng xạ trong trờng hợp này là do sự tích tụ các đồng
vị phóng xạ của các dy Uran và Thori khi có các chất keo sinh ra từ vật chất hữu cơ.
Các đá cacbonat (vôi, dolomit,) có độ phóng xạ thấp nhất. ở các đới xảy ra
quá trình dolomit hoá do tác động của nớc dới đất ta thấy có sự tăng nhẹ độ phóng
xạ tự nhiên do có một lợng nhỏ các đồng vị phóng xạ có sẵn trong nớc.
Các đá cát kết và cacbonat có số đo độ phóng xạ tự nhiên tăng dần theo hàm
lợng sét chứa trong đá.
Dị thờng phóng xạ tự nhiên có thể cao trong trờng hợp trong đá có hàm lợng
các chất phóng xạ nh cát chứa monazit và đá vôi chứa Uran. Biên độ của dị thờng
thậm chí lớn hơn cả khi cát kết chứa glauconit.

ph.r/s
àCi = 3,7.10
4
ph.r/s
Gram Ratđ/gđđ gRa tđ/g
Lợng các chất phóng xạ
bất kỳ có trong 1g đất đá có
thể tạo ra cờng độ phóng
xạ bằng 1g Ra
ààRa td/g = 10
-12
gR td/g
Microgram Ra
tđ/tấn đđ
àgRa tđ/tấn đđ
Lợng các chất phóng xạ
đo bằng àg trong 1 tấn đất
đá có thể bức xạ

tơng
đơng với 1 àg chất Radi
1
à
gRa tđ/t = 2.8g U/T hay
5.7g Th/T
Roentgen/giờ R/h
Là đơn vị suất liều chiếu.
Bức xạ Gamma hay
Rơnghen của một liều chiếu
có khả năng tạo ra trong

115
5.1.2. Cờng độ phóng xạ nhân tạo hay kích thích
Trong địa vật lý có một số các phơng pháp hạt nhân nghiên cứu môi trờng
qua độ phóng xạ nhân tạo bằng cách chiếu xạ (bắn phá) các hạt nhân trong trong môi
trờng bằng các hạt gia tốc.
Sự bắn phá các hạt nhân bền vững bằng các hạt gia tốc (
, , p, d) và bằng
nơtron hoặc bằng phát xạ gamma có thể diễn ra các hiện tợng sau:
- Phản ứng hạt nhân dạng A(p, q) B hấp thụ. Trong đó A là hạt nhân bị bắn phá
bằng hạt p và bị hấp thụ, còn B là hạt nhân tạo thành và phát xạ hạt năng lợng q.
Ví dụ phản ứng phôton - nơtron:
9
Be(, n)
8
Be có năng lợng E
n
= 1,67 MeV.
- Khuyếch tán của các hạt dùng để bắn phá phụ thuộc vào tỷ số khối lợng của
hạt nhân/khối lợng hạt bắn phá và góc tạo giữa hớng ban đầu và sau tơng tác. Ví dụ
nơtron va chạm với các hạt nhân bị mất dần năng lợng và chuyển động lệch hớng.
Để giảm năng lợng của một nơtron từ 2MeV đến 0,025eV thì nơtron cần va
chạm với hạt nhân của nguyên tố cacbon 114 lần, còn nếu va chạm với hydro thì chỉ
cần 18 lần thôi. Năng lợng càng thấp thì hiện tợng khuyếch tán nơtron trong môi
trờng càng rõ ràng.
ở
trạng thái nhiệt (E
n


0,025 eV) thì nơtron lan toả trong môi


116
Xung lợng biểu thị ở hình 5.1 đợc
bảo toàn theo cách toàn bộ phần nguyên tử
còn lại bị giật lùi.
Hy chú ý xác suất để quá trình hấp
thụ quang điện xảy ra và vì cần thiết đa
thêm các định nghĩa về số hạng a

cm
2
là
tiết diện trên mỗi nguyên tử đối với hiệu
ứng quang điện. Số hạng a
thay đổi rất rõ
rệt theo năng lợng của lợng tử gamma tới,
cũng nh nguyên tử số Z của chất hấp thụ.
Thực nghiệm đ chứng minh rằng a
gần nh tỷ lệ với Z và giảm tỷ lệ nghịch
với h
:
)2.5(
4
const
h
Z
a ==




2
1
12
21
21








=
Z
Z
A
A




Với

- mật độ; A - nguyên tử lợng.
Ví dụ: Mật độ của chì và nhôm:

Pb
= 11,4(g/cm
3

g
electron
N
g
u
y
ên t
ử
Photon tới
h

H
ình 5.1. Biểu diễn sơ lợc quá trình
q
uan
g
điện117
Ta bảo: Cơ hội để một lợng tử gamma đi qua một xentimet chì có va chạm
quang điện lớn hơn khoảng 872 lần so với khi đi qua một xentimet nhôm. Kể cả khi lấy
trên gam làm cơ sở thì vì ở cùng bềdày số gam chì nhiều hơn 4 lần số gam nhôm nên
chì vẫn hiệu quả hơn 210 lần nhôm trong việc gây ra các tơng tác quang điện.
b) Hiệu ứng Compton: Hiệu ứng Compton là va chạm đàn hồi giữa lợng tử
gamma với một electron tự do. Lợng tử gamma va chạm với một electron và tơng tác
tạo ra một electron năng lợng lớn và một photon bị tán xạ (Hình5.2).
Lợng tử gamma tới có
năng lợng h


gamma.
Ta biểu diễn biến thiên của
trong khoảng giữa hai chất hấp thụ có Z khác nhau:
)4.5(**
1
2
2
1
2
1
21
A
A
Z
Z



=

Trong đó:

là mật độ (đôi khi là tỷ trọng), g/cm
3
.
A là trọng lợng nguyên tử.
Một cách gần đúng thô sơ, tỷ số A/Z của hầu hết các hạt nhân nguyên tử ở vỏ
Trái đất (trừ hạt nhân hydro) là một số gần nh không đổi. Nếu bỏ qua biến thiên bé
của tỷ số A/Z ở (5.4) thì hầu nh hệ số tắt dần tuyến tính sẽ tỷ lệ nghịch với mật độ
khối (tỷ trọng). Điều đó có nghĩa là xác suất của va chạm Compton chỉ phụ thuộc vào

0
C
2
là năng lợng cần thiết sinh ra một electron đứng yên.
Cả hai hạt tích điện e
-
và e
+
đều sinh ra từ năng lợng do lợng tử gamma cung
cấp cho nên quá trình chỉ đợc phép
về mặt năng lợng nếu h
> 2m
0
C
2

(tức là > 1,02MeV).
Tiết diện trên mỗi nguyên tử
đối với quá trình tạo cặp a
K
tăng tỷ lệ
với Z
2
và với loga của năng lợng h.
Hệ số tắt dần tuyến tính K là N
a
K và
ta có thể viết biến thiên trong khoảng
giữa các chất hấp thụ có Z khác nhau:
)6.5(*

và tạo cặp đồng thời có thể xảy ra và gây ra ba hiệu ứng tơng ứng. Vì vậy, ta cần đánh
giá tác động đồng thời của cả ba quá trình ấy.
Hy hình dung trong một mô hình đơn giản: Một chùm hẹp tia gamma không
đơn năng đi xuyên qua một tấm chắn hấp thụ có bề dày x. Hy tính xác suất đối với
các quá trình riêng lẻ hay tổng hợp chúng nh thế nào để thu đợc biểu thức cho hiệu
ứng toàn phần.
Xác suất của tơng tác quang điện trên đoạn đờng đâm xuyên dx là
dx. Vậy
có thể nói rằng xác suất không tơng tác quang điện ở khoảng cách x sẽ là e
-

x
. Cũng
nh vậy ta có xác suất không có va chạm Compton là e
-

x
tơng tự không có sinh cặp là
e
-kx
. Xác suất để tia gamma không có bất kỳ loại tơng tác nào bằng tích của ba xác
suất nói trên:
H
ình 5.3. Biểu diễn quá trình tạo cặp
trong trờng hạt nhân119
()
)7.5(e

(x=0). Hình 5.4 cho ta thấy tầm quan trọng (tính trội) tơng đối của ba loại tơng tác
của tia gamma trong miền năng lợng của nó.
ở
đây, Z của chất hấp thụ đợc biểu thị
nh một hàm loga của h
. Các giá trị Z và h trên đờng biên = và = k ứng với
các trờng hợp hai hiệu ứng lân cận đúng bằng nhau.
Trên hình 5.4 cho thấy
ở vùng năng lợng từ 0,5 đến
5MeV của tia gamma, hiệu
ứng compton là trội hơn đối
với môi trờng hấp thụ.
ở

miền năng lợng < 0,5MeV
thì hiệu ứng quang điện trội
hơn, nhất là đối với các
nguyên tố có số Z cao
(nguyên tố nặng). ở miền
năng lợng cao > 5MeV thì
tính trội thuộc về quá trình
tạo cặp.
5.1.3. Mật độ electron và mật độ khối
Mật độ electron là số electron trong một xentimet khối. Đối với đa số các nguyên
tố có mặt trong các khoáng vật tạo đá ở vỏ Quả đất thì tỷ số giữa số electron của một
nguyên tử (nguyên tử số Z) và khối lợng nguyên tử A của chính nó là một số gần nh
không đổi xung quanh giá trị 0,5. Bảng 5.3 sau đây sẽ thể hiện điều nhận xét trên.
Theo kết quả ở bảng 5.3 cho thấy, mật độ electron tỷ lệ với mật độkhối. Với một
độ chính xác không nhỏ, mối quan hệ tỷ lệ đó đợc xác định:
)9.5(*

tố
Ký hiệu
Khối lợng
n.tử (A)
Tỷ số
Z/A
Oxy O 16.0 0.500 Kali K 39.102 0.487
Nitơ N 14.007 0.500 Natri Na 23.00 0.479
Cacbon C 12.011 0.499 Clore Cl 35.45 0.479
Canxit Ca 40.011 0.499 Sắt Fe 55.55 0.466
Lu huỳnh S 32.06 0.499 Nhôm Al 26.98 0.482
Silic Si 28.08 0.498 Barit Ba 137.34 0.407
Magiê Mg 24.312 0.495
Trong đó:
N
0
là số Avogadro [N
0
= 6.03.10
23
(mol.gr)
-1
]

là mật độ khối.
n
e
là mật độ electron (độ dày đặc electron).
Trong nghiên cứu ngời ta hay dùng một đại lợng khác gọi là chỉ số mật độ
electron









=

t
e
Wmol
Z

ở đây:
Z là tổng các nguyên tử số của các nguyên tố tạo nên phân tử (bằng số
electron trong phân tử).
Mol.W
t
là trọng lợng phân tử.
Tơng tác của nơtron với môi trờng vật chất121
Về đại thể, nơtron tơng tác với các hạt nhân trong môi trờng ở hai dạng: tán
xạ (khuyếch tán) và hấp thụ (bắt giữ), tuỳ thuộc vào năng lợng của hạt nhân bia.
Theo năng lợng của các nơtron, ngời ta chia chúng thành các nhóm sau:
- Nơtron nhanh, E
n

1
0
1
1

++ Co
60
27
n
1
0
Co
59
27


++ AlnAl
28
13
1
0
27
13


++ NanNa
24
11
1
0

1M
1cosM2
2
M
E
+
++
=

Trong đó: M là khối lợng của hạt nhân bi-a.
Khi

=

thì E trở nên rất nhỏ:
)13.5(
1
1
00
2
min
EE
M
M
E

=





+

=
M
M


Khi đó
E = E
0
, nghĩa là nơtron sẽ mất toàn bộ năng lợng mỗi khi va chạm với
hydro.
Trong khi đó có thể tính đợc, nếu va chạm với Oxy và Silic thì nơtron chỉ mất
11và 6% năng lợng E
0
. Điều này cho thấy hydro là hạt nhân có tiết diện tán xạ đàn
hồi lớn nhất trong số các nguyên tố thờng gặp. Nh vậy, nơtron không có cơ hội để đi
xa trong môi trờng giàu hydro nh: dầu, nớc, dung dịch khoan.
+ Va chạm không đàn hồi:
Va chạm hay tán xạ không đàn hồi là loại phản ứng ngỡng. Năng lợng
ngỡng E
ng
giảm cùng với sự tăng khối lợng hạt nhân M (từ n.10
2
KeV đối với các hạt
nhân nhẹ và 10
2
đối với các hạt nhân nặng). Vì vậy, tán xạ không đàn hồi chủ yếu xảy
ra đối với các nơtron nhanh và đặc biệt với hạt nhân nặng.

- Thực nghiệm đ chứng minh trong miền năng lợng của nơtron từ 2 đến 4
MeV, giá trị tiết diện va chạm không đàn hồi của mọi hạt nhân, trừ các hạt nhân có số
nuclon lạ, đều tăng dần theo khối lợng theo luật A
2/3
.
- Trong vùng năng lợng 1 MeV tiết diện va chạm không đàn hồi lại thay đổi
mạnh từ nhóm hạt nhân này đến nhóm hạt nhân khác. Sự phụ thuộc giản đơn giữ

tx

với khối lợng chỉ còn rất ít. Trong khi đó, với các hạt nhân có số nuclon d thừa thì lại
có tiết diện va chạm không đàn hồi nhỏ nhất.
Đối với các nơtron có năng lợng cao (1,4 MeV) có tới 90% các nhóm nơtron
tán xạ có phân bố góc thực tế không phân biệt với môi trờng đẳng hớng. Nếu không
tính đến các tơng tác trực tiếp thì quá trình tán xạ không đàn hồi của nơtron trong môi
trờng bất kỳ đều có phân bố góc tán xạ đẳng hớng. Nhận xát này rất quan trọng
trong môi trờng bất đồng nhất ở giếng khoan.
- Hấp thụ bắt giữ nơtron là đặc điểm của nhiều hạt nhân. Khả năng đó thể hiện
nh là có một lực hút giữa nơtron và một hạt nhân bất kỳ mà nó đến gần. Một hạt nhân
bia bất kỳ có một xác suất nhất định để bắt giữ nơtron nằm trong tầm tác dụng của lực
hạt nhân. Xác suất bắt đợc một nơtron tỷ lệ với khoảng thời gian mà nơtron nằm trong
tầm tác dụng của lực hạt nhân. Điều này trên thực tế thờng xuyên xảy ra. Xác suất
chiếm giữ đợc một nơtron của một nguyên tố nào đó tỷ lệ với tiết diện để nguyên tố
này có thể còn bắt giữ đợc nơtron trong miền năng lợng nhiệt và phụ thuộc vào mật
độ dày đặc của nguyên tố đó trong môi trờng nghiên cứu. Vì thế trong nghiên cứu
ngời ta đồng nhất thuật ngữ xác suất chiếm giữ với tiết diện hấp thụ nơtron của môi
trờng đất đá.
Tiết diện hấp thụ nơtron của nhiều hạt nhân giảm tỷ lệ nghịch với tốc độ của
nơtron theo luật 1/v. Nh vậy, xác suất để một nuclit bất kỳ bắt giữ đợc một nơtron
nhiệt bao giờ cũng lớn hơn đối với bầt kỳ một nơtron nhanh.

nonel
là tiết diện tán xạ không đàn hồi.


cop
là tiết diện bắt giữ.
Tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt là một trong các tham số đo ghi trong các phơng
pháp Địa vật lý hạt nhân nghiên cứu lát cắt giếng khoan.
Các quá trình khuyếch tán (làm chậm) và bắt giữ nơtron trong môi trờng vật
chất là cơ sở vật lý của các phơng pháp nơtron giếng khoan. Sự khác biệt về khả năng
làm chậm và bắt giữ nơtron của các đá khác nhau trong lát cắt giếng khoan cho ta khả
năng nghiên cứu cấu trúc và thành phần của chúng bằng các phơng pháp nơtron.
Các dạng tơng tác khác của nơtron và gamma với môi trờng vật chất đợc
nghiên cứu tỷ mỉ đa lại những khả năng lớn của các phơng pháp Địa vật lý hạt nhân
(phơng pháp gamma - nơtron, kích hoạt phóng xạ, nơtron xung,) trong nghiên cứu
các giếng khoan thăm dò các khoáng sản có ích khác nhau: dầu khí, quặng kim loại,
than, nớc dới đất,
5.2. Đặc điểm của các phép đo phóng xạ tự nhiên và nhân tạo trong giếng
khoan
Trong bất cứ hệ đo phóng xạ nào cũng có một cảm biến phóng xạ gòi là
detector. Mỗi detector dùng trong phép đo bức xạ gamma tự nhiên nói riêng và trong
các phép đo Địa vật lý hạt nhân nói chung có suất đếm khác nhau. Một tham số quan
trọng thể hiện đặc tính của mỗi detector là khoảng thời gian nghỉ giữa hai xung tín hiệu
ở đầu ra của hệ đếm. Khoảng thời gian đó gọi là thời gian chết. Bình thờng mỗi
xung tín hiệu chỉ kéo dài khoảng 2
à
s nhng thời gian chết giữa hai xung có khi tới
hàng chục
às.
Thời gian chết của hệ đếm (đo) phụ thuộc vào trở kháng thuần và trở kháng cảm

là thời gian chết [s].
n = N -

N là cờng độ bức xạ đo đợc [xung/s].
Từ đó ta có:


n
n
Nn
N
nN
N
N

==

=

1
và

Nh vậy, theo lý thuyết giá trị đo đợc càng gần giá tị thực khi
càng nhỏ hoặc
chính n cũng nhỏ.
Trong thực tế còn phải tính đến đặc điểm thống kê của hiện tợng phóng xạ. Số
lần phân r của một lợng chất phóng xạ nào đó trong một đơn vị thời gian bao giờ
cũng là số thay đổi xung quanh một giá trị trung bình N tơng ứng và có phân bố
chuẩn gause (Hình 5.5).
Nếu khoảng thời gian quan sát T càng dài thì giá trị trung bình tính đợc càng

ị
trun
g
bình
Giới h
ạ
n sai s
ố
Xun
g
/
g
iâ
y
H
ình 5.5. Sự phân bố số đo xung
quanh một giá trị trung bình126
- Phơng pháp đo phổ gamma tự nhiên: SGT, SGR.
- Phơng pháp đo gamma tán xạ: G-G, FDC, LDT.
- Phơng pháp đồng vị phóng xạ gamma.
- Các phơng pháp nơtron với nhiều biến thể:
+ Phơng pháp nơtron - gamma: N-G.
+ Phơng pháp nơtron - nơtron: N-N; CNT.
+ Phơng pháp xung nơtron.
+ Phơng pháp tiết diện bắt giữ nơtron nhiệt.
+ Phơng pháp kích hoạt phóng xạ.
- Phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân: NML.

1 - Máy giếng
2 - Detectơ
3 - Bộ ghi
4 - Bộ điều chế tín
hiệu
5 - Nguồn nuôi
D
1
4
H
ình 5.6. Sơ đồ nguyên tắc đo GR

127
Cờng độ bức xạ gamma tự nhiên biểu
thị hoạt tính phóng xạ của các đá trong lát cắt
giếng khoan và cũng là thể hiện hàm lợng của
đồng vị phóng xạ của các lớp đá đó.
b) Các yếu tố ảnh hởng lên kết quả đo GR
Đờng cong đo ghi cờng độ bức xạ
gamma tự nhiên trong giếng khoan phụ thuộc
vào nhiều yếu tố, trớc hết phải kể đến:
- Các lớp đất đá trong lát cắt giếng
khoan chứa các nguyên tố đồng vị phóng xạ,
trong đó quan trọng nhất là U, Th và K.
- Đặc tính kỹ thuật của các detector
dùng trong phép đo, chiều dày vỉa và vị trí
tơng đối của detector trong giếng khoan so
với các lớp đất đá.
- Đờng kính thực của giếng khoan,
mật độ và loại dung dịch khoan.

).
Giá trị hệ số hấp thụ
à
phụ thuộc vào năng lợng của tia gamma và mật độ khối
của môi trờng.
Bảng 5.3 là hệ số hấp thụ
à
các tia gamma trong các môi trờng khác nhau.

H
ình 5.7. Một thí dụ đờng cong đo v
ẽ

G
ammRay và phổ Gamma tự nhiên128
Bảng 5.3
Hệ số hấp thụ (cm
-1
) trong
Năng lợng tia
gamma (MeV)
Nớc Đá rắn chắc Sắt thép Chì
0.2 0.137 0.32 1.13 11.8
1.0 0.071 0.15 0.47 0.79
5.0 0.03 0.07 0.25 0.49
Các giá trị hệ số
à


dd
Grx
Gro

Các hiệu chỉnh khác đối với ống chống, vành ximăng cũng có cách tính tơng tự.
c) Phạm vi ứng dụng:
Phơng pháp đo gamma tự nhiên trong giếng khoan (GR) đợc sử dụng để phân
chia địa tầng của các lớp trong lát cắt, sử dụng để liên kết chúng ở quy mô khu vực và
địa phơng.
Do cờng độ phóng xạ càng cao khi hàm lợng sét trong đá càng nhiều nên
đờng cong GR cho dấu hiệu tốt để phân biệt các lớp đá sét (tầng sinh, tầng chắn) và
đá chứa ít sét hoặc không chứa sét (tầng thấm chứa dầu khí), phát hiện các vỉa than
trong tập đá acgilit than
Nhìn chung, các phép đo gamma trong giếng khoan không bị ảnh hởng bởi độ
khoáng hoá và phép đo có thể thực hiện đợc trong dung dịch gốc dầu. Vì tia gamma
có khả năng đâm xuyên cao, thậm chí có thể đi qua thành ống chống bằng thép có
chiều dày 15mm, nên phơng pháp GR có thể đo trong các giếng khoan đ chống ống.
Đây là u điểm nổi trội nhất của phơng pháp gamma so với các phơng pháp đo Địa
vật lý giếng khoan khác.
Cờng độ bức xạ gamma của các đá chứa lục nguyên và cacbonat, không chứa
khoáng vật phóng xạ, tỷ lệ với hàm lợng khoáng vật sét trong đá là cơ sở để ta xác
định hàm lợng sét trong đá chứa theo kết quả đo GR. Hàm lợng sét V
S
tính theo thể
tích trong đá chứa có quan hệ hàm số với tham số
J

khá chặt chẽ:


J

và độ sét V
Sh
thờng đợc xác định bằng thực
nghiệm. Trong thực tế, ta gặp một số phơng trình thực nghiệm của các tác giả khác
nhau:
Quan hệ tuyến tính:

JV
Sh

=

Clavier
(
)
2
7,038,37,1 +=

JV
Sh

Steiber
(
)

JJV
Sh


Các tia gamma phát xạ từ các đồng vị của ba dy vừa nêu đều dới dạng xung
năng lợng rời rạc (Hình 5.8).

130
Hình 5.8 mô phỏng phổ năng lợng các tia gamma của các dy K, Th và Urani.
Từ mỗi dy ta có thể chọn
đợc phổ năng lợng đặc trng cho
dy đó, không lẫn lộn với các dy
khác.
Dy
40
K chỉ có duy nhất một
phổ đơn năng E

= 1,46MeV khi bắn
ra tia gamma để trở thành đồng vị
40
Ar bền vững.
Trong dy
232
Thori có nhiều
đồng vị phát xạ gamma có năng lợng
khác nhau, trong số đó đồng vị
Thallium
208
Tl phát xạ gamma có phổ
năng lợng E

= 2,62MeV cao nhất
trong dy.

nửa số pic có thể bị là bằng hoàn toàn (Hình 5.9).
Biên độ tơng đối của ba phổ nói trên sẽ tỷ lệ thuận với hàm lợng các đồng vị
của các dy phóng xạ tự nhiên K, Th và U trong các thành hệ. Sự phụ thuộc này khá
K
Dãy Th
Dãy U
Năn
g
l
ợ
n
g
tia Gamma MeV
Xác suất phát xạ đo đ ợc
H
ình 5.8. Phổ bức xạ Gamma của các
nguyên tố phóng xạ

Số đếm tơng đối
Năn
g
lợn
g
tia Gamma MeV
Phông tán
xạ Compton
H
ình 5.9. Phổ liên tục của K, Th
và U ghi đợc bằng tinh thể NaI


vật
Th (ppm) U (ppm)
Allanit 500
20.000
30-70 Monazit (25-20).10
4
500-3000
Apatit 20-150 5-150 Sphen 100-600 100-700
Epidot 50-500 20-50 Xenotim Rất thấp 500-3,5.10
4

Magnetit 0.3-20 1-30 Zircon 50-4000 100-6000
- Phosphat [PO
4
]
3-

- Một số đá cát ackose, bùn, cát kết cuội kết chứa nhiều khoáng vật nh: feldspat,
mica hoặc các khoáng vật chứa K, U và Th nh zircon, monazit, alamit, xenotin,
- Một số đá cacbonat có nguồn gốc từ biển có chứa K và U hoặc giàu vật chất
hữu cơ hay phosphat.
- Một số vỉa than hấp phụ và tích tụ U có liên quan đến các đá giàu U.
- Các đá macma axit và bazơ nh: granit, syenit, rhyolit.

132
5.3.2.2. Các thiết bị máy giếng đo phổ gamma
Trong sản xuất sử dụng các Zond đo phổ gamma khác nhau. Mỗi loại có những
đặc điểm riêng chi tiết nhng có điểm chung về nguyên tắc.
Zond đo có nhiều cửa sổ, mỗi cửa
sổ đo các tia gamma có vùng năng lợng

15
W
5

238
U = m
23
W
3
+ m
24
W
4
+ m
25
W
5
(5.21)
40
K = m
33
W
3
+ m
34
W
4
+ m
35
WSố kênh
Năn
g
l
ợ
n
g
tia Gamma MeV
H
ình 5.10. Các cửa sổ đo năng lợng
đặc trng K và Th133
Trong sơ đồ sử dụng detector nhân quang điện, với tinh thể cảm xạ là NaI(Tl) 1.
Qua detector các tia gamma có năng lợng E khác nhau sẽ tạo thế đầu ra khác
nhau tơng ứng. Tín hiệu đợc khuyếch đại bởi bộ amplifier 2 rồi chuyển vào cửa sổ
có định cỡ V tơng ứng nhờ mạch ổn định (Stabilization) 3. Tín hiệu ở các cửa sổ đợc
đa tới bộ m hoá truyền tải (Transmission Encoder) 4 bằng kỹ thuật điều biến tần số,
rồi đa lên mặt đất qua đờng cáp 5. Trên mặt đất, khối giải m (Transmission
Decoder) 6 tách các tín hiệu theo m riêng của kênh tơng ứng rồi đa vào ngăn tích
phân có hằng số thời gian chọn trớc (4sec) 7. Các số liệu thô này một mặt đợc ghi lại
bởi khối (TTR) 8, một mặt đợc đa vào khối tính toán (computer) 9 hàm lợng của
các nguyên tố K, U, Th và GR. Các giá trị này đợc ghi trên băng hoặc phim ảnh nhờ
một bộ ghi (camera) 10.
Cũng nh các máy móc thiết bị đo Địa vật lý hạt nhân khác, máy đo NGS cũng

7
89
10