TÌM NƯỚC NGẦM BẰNG CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN

Thiếu nước và đi tìm nước

Theo UNESCO, trên thế giới có khoảng 2 tỷ người ở 40 nước đang rơi vào tình trạng thiếu nước. Trong số đó, 1,2 tỷ người thiếu nước sạch để uống. Một nửa dân số ở các nước đang phát triển hiện sống dưới định mức tối thiểu về nước hợp vệ sinh cần thiết cho sinh hoạt. Từ xưa đến nay đã có nhiều phương pháp tìm nước ngầm. ở phương Đông cũng như phương Tây vẫn còn những người tìm nước ngầm theo phương pháp dân gian, chủ yếu dựa vào linh cảm. Tuy thực tế chưa thể bác bỏ hoàn toàn các phương pháp này, nhưng ai cũng thấy rằng cần phải tìm những phương pháp thăm dò nước ngầm dựa trên các cơ sở khoa học chắc chắn. Một phương pháp tìm nước ngầm được các nhà địa vật lý ưa chuộng là phương pháp đo độ dẫn điện của đất. Nếu đất dẫn điện tốt có nghĩa là dưới đất có nước vì các chất muối trong đất hoà tan vào nước làm cho đất dẫn điện. Tuy phương pháp đo độ dẫn điện của đất để tìm nước ngầm được dùng nhiều nhưng vẫn có nhiều rủi ro vì độ dẫn điện của đất lại phụ thuộc mạnh vào môi trường địa chất, đất, đá...

Mấy năm gần đây, đã xuất hiện một phương pháp rất mới và có hiệu quả để tìm nước ngầm là dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân. Đây không phải chỉ là những ý tưởng mà đã được nghiên cứu chế tạo thành thiết bị bán ra thị trường và một số nước đã ứng dụng.

Cộng hưởng từ hạt nhân và nguyên lý dùng cộng hưởng từ hạt nhân để tìm nước ngầm

Nhiều hạt nhân nguyên tử có momen từ tương tự như một thanh nam châm cực nhỏ. Momen từ của hạt nhân nguyên tử có giá trị nhất định, lớn nhỏ khác nhau tùy theo nguyên tử và đã được đo đạc, tính toán chính xác. Khi cho từ trường ngoài tác dụng lên một chất, từ trường làm cho momen từ hạt nhân các nguyên tử của chất đó quay đảo quanh vectơ từ trường, tương tự như con quay quay đảo trên mặt đất (trọng trường trên mặt đất tác dụng lên momen quay của con quay). Momen từ của nguyên tử quay đảo với tần số lớn hay nhỏ tùy thuộc vào giá trị của nó và độ mạnh yếu của từ trường. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, momen từ của nguyên tử đang quay đảo với tần số nếu dùng sóng vô tuyến để tác động lên thì momen từ của nguyên tử sẽ chịu thêm tác dụng của một lực xoay chiều. Nếu tần số của sóng vô tuyến bằng tần số quay đảo, thì sẽ có hiện tượng cộng hưởng xảy ra: Momen từ của nguyên tử quay đảo cực mạnh (gần như quay trong mặt phẳng vuông góc với từ trường). Nếu tắt sóng vô tuyến, lực xoay chiều hết tác dụng, momen từ của nguyên tử trở về trạng thái quay đảo bình thường (gần như song song với phương của từ trường ngoài). Quá trình từ khi quay đảo cực mạnh do cộng hưởng đến khi quay đảo bình thường do không còn cộng hưởng gọi là quá trình hồi phục, thời gian tương ứng gọi là thời gian hồi phục. Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào các yếu tố xung quanh nguyên tử (có những nguyên tử gì, ở trạng thái như thế nào).

Ví dụ, trong chụp ảnh cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân (MRI - Magnetic Resonance Imaging), người ta theo dõi cộng hưởng từ hạt nhân của hạt nguyên tử hyđrô (trong phân tử nước - H2O của máu), dựa vào thời gian hồi phục để biết được phân tử nước đang ở trong máu bình thường hay đang ở trong mỡ do vỡ mạch máu.

ở máy tìm nước ngầm bằng cộng hưởng từ hạt nhân, người ta theo dõi hiện tượng cộng hưởng từ của hạt nhân nguyên tử hyđrô của phân tử nước (hạt nhân của nguyên tử hyđrô chính là proton). Từ trường ngoài ở đây là từ trường của trái đất, nhỏ nhưng nơi nào cũng có. Muốn thăm dò nước ngầm ở một nơi nào đó, người ta đặt một khung dây điện trên mặt đất, tác dụng điện xoay chiều lên khung dây này sao cho khung dây tạo ra sóng vô tuyến đi sâu vào lòng đất cỡ 100 đến 150 m. Điều chỉnh tần số sóng vô tuyến sao cho khớp với tần số quay đảo của momen từ hạt nhân hyđrô (quay đảo do từ trường của trái đất). Nếu phía dưới khung dây có nước, quan sát sẽ thấy hiện tượng cộng hưởng. Khi tắt sóng vô tuyến, momen từ của hạt nhân hyđrô đang quay đảo cực mạnh (gần như trong mặt phẳng vuông góc với từ trường đất) do hết cộng hưởng nên sẽ quay về theo hướng gần như song song. Nghiên cứu quá trình hồi phục này, ta sẽ biết được quanh phân tử nước có những gì cản trở độ linh động của chúng.

Trên nguyên lý của việc tìm nước ngầm, chúng ta thấy ưu, nhược điểm của phương pháp này là:

- Nếu tìm thấy có cộng hưởng thì chắc chắn ở dưới là nước chứ không phải là chất lỏng nào khác. Không những thế còn biết được nước có tinh khiết không, có hoà tan nhiều nguyên tố khác hay không, khả năng khai thác nước như thế nào.

- Với trình độ kỹ thuật hiện nay, chúng ta có thể tìm nước ngầm ở độ sâu 150 m. Không những thế còn có thể biết được lượng nước ngầm ở dưới nhiều hay ít, phân bố ra sao. Hiện tại, người ta đang phát triển phương pháp để có thể không những biết được lượng nước tĩnh ở dưới đất mà còn theo dõi được dòng chảy ngầm.

Nhược điểm của phương pháp này là do quá nhạy cảm nên ở khu vực có điện trường, từ trường nhân tạo mạnh (như điện cao thế, trạm phát sóng) khó thăm dò vì bị nhiễu mạnh.

Thiết bị tìm nước ngầm bằng cộng hưởng từ hạt nhân và ứng dụng thực tế

Việc nghiên cứu chế tạo thiết bị tìm nước ngầm bằng cộng hưởng từ hạt nhân được bắt đầu từ năm 1970 ở Liên Xô và năm 1978 đã có những kết quả ban đầu. Nhưng mãi đến năm 1996, với sự hợp tác giữa Viện Hàn lâm Nga và Cơ quan Nghiên cứu Mỏ - Địa chất của Pháp, người ta mới cho ra đời được thiết bị có tên là Numis. Đến nay, thiết bị này đã được cải tiến nhiều lần, có thể đặt gọn trong cốp xe ô tô để đưa đi thực địa tìm nước ngầm ở độ sâu 100 đến 150 m. Thiết bị Numis đã thăm dò được nước ngầm ở những nơi mà phương pháp cũ đã thăm dò nhưng không tìm thấy. Ví dụ, năm 2001, ở một sa mạc ở Môritani, các phương pháp đo độ dẫn không tìm thấy nước (về sau mới rõ là nước ở đây ít có muối hoà tan nên ít dẫn điện), nhưng với thiết bị cộng hưởng từ Numis đã thăm dò được 67 vị trí có nước ngầm và đã khai thác đủ để nuôi súc vật cho vùng đó. Hơn nữa, thiết bị Numis còn cho biết trước khi khoan, lượng nước, độ sâu cũng như độ thấm của nước ngầm là bao nhiêu.

Năm 2005, thiết bị Numis Plus đã giúp tìm được giếng nước có lưu lượng đến 10 m3/h ở vùng Burkina (Tây Nam Phi) - nơi có nền địa chất là đá granit. Các phương pháp thăm dò khác cũng cho kết quả là vùng đó có nước nhưng dự đoán lưu lượng nước chỉ khoảng 1/10 thực tế do phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân tìm ra.

Hãng sản xuất thiết bị Numis Plus hiện đang tìm cách nâng cao chất lượng thiết bị, làm sao cho máy ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu để có thể làm việc ở nơi gần đường điện cao thế, gần khu công nghiệp, đồng thời làm cho máy có thể phát hiện nước ngầm ở độ sâu hơn 150m.