Phương pháp nhiệt phát quang cải tiến: Tái khám phá niên đại kiến trúc cổ Óc Eo

“Đồng hồ bức xạ đã điểm! 2h30 sáng 12/05/2023, tỉnh giấc vì khát khô cổ sau một chuyến đi vất vả vô cùng của cả nhóm, mình mở email để kiểm tra như một thói quen nhiều năm và đập vào mắt là tên thông tin công trình nghiên cứu của nhóm đã được chấp nhận công bố trên tạp chí Journal of Archaeological Science”, TS. Lưu Anh Tuyên chia sẻ niềm vui trên trang cá nhân. Kết quả này như một trái ngọt sau hành trình kéo dài gần bốn năm và vẫn chưa dừng lại của nhóm nghiên cứu liên ngành về khảo cổ đến từ Trung tâm Hạt nhân TP. HCM, trường Đại học Duy Tân, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt và Viện Khoa học Xã hội Vùng Nam Bộ.

“Việc xác định chính xác niên đại của các kiến trúc tôn giáo cổ rất quan trọng trong ngành khảo cổ học bởi nó gắn liền với tiến trình lịch sử (hình thành, phát triển, và diệt vong) của triều đại/quần thể dân cư tại khu vực đó”, PGS.TS. Nguyễn Quang Hưng - Viện Nghiên cứu Khoa học Cơ bản và Ứng dụng thuộc trường Đại học Duy Tân cho biết. Đặc biệt với những di tích khảo cổ dự đoán có nhiều biến động xảy ra trong khoảng thời gian ngắn (vài chục năm tới vài trăm năm) thì việc xác định chính xác niên đại với sai số nhỏ là điều tối cần thiết. “Nếu sai số lớn 20% - 100% của niên đại vài ngàn năm thì sẽ không thể dưa ra những giải đoán chính xác cho tiến trình lịch sử được. Do đó, việc giảm sai số về niên đại xuống dưới 10% là điều đặc biệt quan trọng”, PGS.TS. Hưng chia sẻ.

Ba cải tiến mới

Thực tế, việc nghiên cứu và áp dụng các kỹ thuật hạt nhân trong bảo tồn các di sản văn hóa là một chương trình lớn được Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) thúc đẩy ở nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam. Đặc biệt, phương pháp phát quang (Luminescence), bao gồm nhiệt phát quang (TLD) và quang phát quang (OSL), đã được giới khảo cổ quốc tế xem như là một trong số các phương pháp hiếm hoi có thể xác định trực tiếp niên đại của các kiến trúc, chế tác cổ được làm bằng gạch, gốm hoặc đá. Mặc dù vậy, trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học trên thế giới khi áp dụng phương pháp này đã phải đối mặt với những thách thức chưa thể giải quyết được đó là: không thể phân biệt được niên đại của các kiến trúc bất đồng nhất, đa lớp và chồng lấn về khung niên đại. “Không chỉ vậy, phương pháp này cũng giống như phương pháp Carbon phóng xạ (C-14) thường cho kết quả có sai số lớn đến vài chục phần trăm đối với các mẫu nghiên cứu có niên đại muộn (cách đây một vài ngàn năm)”, nhóm nghiên cứu cho biết.

Ở Việt Nam, mặc dù phương pháp TLD đã được một vài nhóm nghiên cứu áp dụng trong khảo cổ nhưng kết quả thu được có sai số tương đối lớn, và mới chỉ áp dụng được cho những kiến trúc đơn giản, khó áp dụng để giải đoán được các tiến trình lịch sử gắn liền với các kiến trúc cổ. “Một trong những nguyên nhân là do các kiến trúc trong hầu hết các nền văn hóa cổ xưa ở Việt Nam (ngay cả ở châu Á) đều được xây dựng với đặc điểm khác hẳn các kiến trúc lớn như Kim tự tháp ở Ai Cập hay các lâu đài đá cổ của châu Âu nên mô hình vật lý của phương pháp phát quang truyền thống không thể áp dụng chính xác được”, TS Tuyên cho biết. Cụ thể, đặc điểm chung của các kiến trúc ở châu Á trong đó có Óc Eo– Ba Thê, Thánh địa Cát Tiên hay Hoàng Thành Thăng Long là chúng thường được xây theo phong cách không đồng nhất (đường nét, hình khối kiến trúc đa dạng), tính đa lớp (các lớp gạch và đá xen kẽ nhau) và chồng lấn về khung niên đại (xây dựng, phát triển nối tiếp từ nên móng cũ) do quá trình phát triển, thay thế và tiếp thu các tôn giáo, văn hóa khác nhau. Trong khi đó, phương pháp C-14 chỉ cung cấp niên đại gián tiếp và phụ thuộc nhiều vào việc thu thập các mẫu sinh học dễ bị xáo trộn bởi con người và khó tồn tại hàng ngàn năm trong lòng đất.


Đây cũng chính là lý do cuối năm 2020, nhóm nghiên cứu liên ngành đã đặt ra mục tiêu phát triển, cải tiến và ứng dụng các kỹ thuật phân tích hạt nhân (nhiệt phát quang, phổ kế gamma phông thấp, kích hoạt neutron trên lò phản ứng hạt nhân, mô phỏng máy tính, v.v.) trong xác định niên đại của các kiến trúc cổ và phân loại nguồn gốc của các di vật, chế tác, kiến trúc làm từ gạch, gốm trong các khu di tích khảo cổ còn chưa được biết đến.

Theo đó, họ đã cải tiến hành ba kỹ thuật quan trọng: phát triển một mô hình vật lý mới phù hợp với đặc điểm kiến trúc cổ tại Việt Nam; chế tạo thành công các mẫu bột thạch anh (quartz) thành các chip TLD chuẩn về mật độ và kích thước; tiến hành đặt các chip TLD (nhập khẩu từ Đức) tại chính các vị trí lấy mẫu gạch trong kiến trúc với thời gian tối thiểu 12 tháng. Nhưng đâu là lý do khiến nhóm nghiên cứu lại nghĩ đến ba cải tiến này? “Thứ nhất, do mô hình vật lý truyền thống trên thế giới (dựa trên giả thuyết môi trường đồng nhất trong một khối hình cầu bán kính bão hoà 30 cm) không còn phù hợp khi áp dụng cho các kiến trúc phức tạp như tại các khu di tich Óc Eo – Ba Thê, Cát Tiên, do đó có thể dẫn đến sai khác nhiều về kết quả nghiên cứu”, nhóm nghiên cứu lý giải.

Bên cạnh đó, hầu hết các nghiên cứu niên đại bằng phương pháp phát quang trên thế giới từ trước đến nay đều sử dụng trực tiếp mẫu thạch anh ở dạng bột được tách ra từ các mẫu gạch, gốm để phân tích tín hiệu nhiệt phát quang (thông qua quá trình gia nhiệt trên một đĩa kim loại) - một cách làm gây nên sai số rất lớn do tín hiệu TLD trở nên không ổn định khi các hạt thạch anh có kích thước không giống nhau trong các mẫu làm thay đổi về mật độ mẫu, bề mặt mẫu và hệ số truyền nhiệt cũng như tín hiệu phát quang trong các mẫu.

Chưa kể đến, do muốn rút ngắn thời gian thực hiện, hầu hết các nghiên cứu niên đại bằng phương pháp phát quang trên thế giới đều tiến hành phân tích hoạt độ phóng xạ trong các mẫu gạch, gốm cổ để từ đó xác định gián tiếp liều gamma được hấp thụ hằng năm trong các hạt thạch anh, thay vì đặt chip TLD đo trực tiếp tại hiện trường. Một số nhóm nghiên cứu trên thế giới tìm cách hiệu chỉnh sai số bằng cách phân tích thêm các mẫu môi trường xung quanh sau đó tính toán bằng phương pháp đại số. Cách làm như trên tuy rút ngắn thời gian nhưng thường sẽ gây nên sai số lớn cho kết quả xác định niên đại (do sự phức tạp về thành phần vật liệu của các kiến trúc cổ, dẫn đến liều gamma hấp thụ không thể xác định một cách đơn giản). Hơn nữa, liều gamma hằng năm còn bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và quá trình ngập nước ở vùng châu thổ do thay đổi mùa khô và mưa trong năm.

Để giải quyết những hạn chế này, nhóm nghiên cứu đã xây dựng mô hình vật lý mới dựa trên một mô hình hình trụ đa lớp (thay vì hình cầu đồng nhất như mô hình truyền thống) có bán kính bão hòa 70 cm (thay vì 30 cm như trong mô hình truyền thống). Quan trọng hơn, trong mô hình mới này, nhóm nghiên cứu đã khôi phục phần thể tích đất bị bóc tách do các nhà khảo cổ khai quật để trả lại trạng thái gần với thực tế nhất đối với một kiến trúc bị vùi lấp hàng ngàn năm qua. Dựa trên mô hình này, nhóm có thể thực hiện các hiệu chỉnh các sai số gây bởi sự bất đồng nhất của môi trường bên trong và xung quanh kiến trúc, đồng thời loại bỏ được ảnh hưởng của quá trình khai quật đến kết quả xác định niên đại. Bên cạnh đó, việc chế tạo các mẫu bột thạch anh nói trên thành các chip TLD chuẩn về mật độ và kích thước (đường kính 4.5 mm dày 0.9 mm, khối lượng xấp xỉ 36.5 mg) cho phép nhóm tiến hành phân tích tín hiệu TLD tích lũy hàng ngàn năm trong các hạt thạch anh thông qua hệ thiết bị đọc liều (TLD Reader Re-2000) hiện đại với độ chính xác cao thay vì dùng các mẫu bột. “Cải tiến này chính là bước phát triển quan trọng nhất của nhóm nghiên cứu nhằm giảm tối đa sai số do quá trình phân tích TLD mà giới khảo cổ chưa giải quyết được trước đó”, nhóm nghiên cứu chia sẻ. Việc nhập các chip TLD chuẩn của Đức cũng giúp ghi nhận chính xác nhất liều gamma hấp thụ trong các hạt thạch anh, đồng thời đã loại bỏ sai số gây nên bởi sự khác nhau giữa liều bức xạ tự nhiên trong mùa mưa và mùa khô trong một năm.

Nhờ ba cải tiến quan trọng trên, nhóm nghiên cứu đã bước đầu xây dựng được quy trình phân tích tối ưu niên đại của một số kiến trúc bất đồng nhất, đa lớp và chồng lấn bằng cách kết hợp giữa mô phỏng vật lý (mô hình hình trụ, đa lớp, bất đồng nhất cho từng kiến trúc) với đo đạc hiện trường (đặt chip TLD chuẩn) và phân tích tại phòng thí nghiệm (phân tích tín hiệu TLD trên các chip TLD chế tạo từ bột thạch anh tách từ các mẫu gạch). Quy trình nghiên cứu này chính là phương pháp định tuổi nhiệt phát quang cải tiến (Improved thermoluminescence dating) với sai số nhỏ hơn 5% mà nhóm nghiên cứu đã áp dụng và kiểm chứng trên một số kiến trúc cổ tại khu di tích quốc gia đặc biệt Óc Eo - Ba Thê. Kết quả xác định niên đại của các kiến trúc này cũng đã được so sánh với kết quả nghiên cứu độc lập của một nhóm nghiên cứu Nhật Bản (thực hiện bằng phương pháp khối phổ gia tốc - AMS) trước khi công bố trên tạp chí Journal of Archaeological Science.

Hành trình gian nan

Với những người ngoài ngành, ba cải tiến trên nghe tưởng chừng như không quá phức tạp nhưng thực tế, “đây là một hành trình dài đây gian nan mà để viết chi tiết chắc cũng phải tốn vài chục trang giấy”, PGS.TS Hưng thẳng thắn chia sẻ. “Thách thức thứ nhất trong nghiên cứu này chính là việc làm sao để chế tạo thành công các chip TLD từ các hạt thạch anh tách từ các viên gạch cổ Óc Eo – Ba Thê khi chúng có độ kết dính quá thấp so với các viên gạch mà nhóm đã từng nghiên cứu trước đó ở Cát Tiên”, nhóm nghiên cứu cho biết. Công việc này đòi hỏi họ phải quay lại từ đầu để điều chỉnh phụ gia phù hợp cho mục tiêu kết dính các hạt thạch anh sao cho đảm bảo khả năng bền nhiệt (trên 300°C khi gia nhiệt từ khí N2) trên thiết bị đo TLD, nhưng phải trơ về mặt tín hiệu TLD để không gây sai số đến kết quả đo.

Thách thức này chưa qua lại đến một khó khăn khác: việc phải chạy các chương trình mô phỏng, tính toán vật lý trên thể tích kiến trúc rất lớn mà nhóm lại không có hệ máy tính đủ mạnh. “Việc mô phỏng tính toán đôi khi kéo dài cả tháng cho một một kiến trúc riêng lẻ, gây mất nhiều thời gian. Phần lớn các tính toán nhóm phải nhờ người chạy vào những giờ trống trên các máy tính mạnh bên ngoài đơn vị, vì vậy rất khó khăn mới thu được kết quả cuối cùng”, nhóm cho biết. Và vấn đề cuối cùng những cũng là trăn trở của hầu hết các nhà nghiên cứu tại Việt Nam: tiền đâu? “Hằng năm chúng tôi phải tiêu tốn kinh phí để mua chip TLD và trang trải các chuyến công tác đến các khu di tích đặt các chip TLD mới và thu thập các chip TLD đã đặt trước đó một năm. Khi dịch bệnh Covid bùng phát, nhóm nghiên cứu không thể di chuyển và phải để các chip chôn vùi trong lòng kiến trúc gần hai năm với nguy cơ thất lạc, mất dữ liệu do nhiều yếu tố không mong muốn”, TS Tuyên nhớ lại.

Với việc tham gia nghiên cứu hoàn toàn tự nguyện, đặc biệt là nguồn kinh phí nghiên cứu hơn bốn năm qua hầu hết do các cá nhân trong nhóm tự nguyện chia sẻ, dùng chính cho việc mua các chip TLD từ Đức và trang trải cho các chuyến đi nghiên cứu hiện trường dài ngày, cùng với một phần hỗ trợ kinh phí vô cùng khiêm tốn theo một nội dung nhánh của NVKHCN cấp Bộ Khoa học và Công nghệ năm 2020 và gần đây có thêm một phần hỗ trợ khiêm tốn khác từ trường Đại học Duy Tân, làm thế nào để họ có thể vượt quá những thách thức ấy? Câu trả lời có lẽ không gì khác là xuất phát từ đam mê khám phá, tìm tòi nghiên cứu của các nhà khoa học trẻ và sự quyết tâm theo đuổi tới cùng của nhóm.

Bởi nếu không có sự kiên trì và quyết liệt ấy, có lẽ nhóm nghiên cứu củaTS Tuyên cũng khó để vượt qua “ải” thứ hai: đấu tranh với các phản biện của tạp chí để bài báo có thể được đăng. Kể từ lần gửi bản thảo đầu tiên tới Journal of Archaeological Science vào tháng 9/2022, họ đã liên tục bị từ chối, yêu cầu chỉnh sửa vì bị cho rằng phương pháp này chỉ mang tính ảnh hưởng ở phạm vi khu vực mà không ở phạm vi toàn cầu. “Công trình nghiên cứu này đã trải qua quá trình phản biện rất gắt gao hơn một năm trước khi được công bố trên tạp chí Journal of Archaeological Science”, TS Tuyên nhớ lại về quá trình dài gửi thư kháng nghị, đưa ra những lập luận chứng minh khả năng áp dụng của phương pháp nhiệt phát quang cải tiến ở phạm vi toàn cầu cho nhiều kiến trúc cổ tương tự.

Và cuối cùng sự bền bỉ đã được đền đáp. Phát hiện nổi bật của nghiên cứu và được đánh giá cao bởi các phản biện của tạp Journal of Archaeological Science đó là: lần đầu tiên phương pháp nhiệt phát quang cải tiến có thể xác định được niên đại của các kiến trúc bất đồng nhất, đa lớp và chồng lấn về niên đại với sai số nhỏ hơn 5% mà phương pháp nhiệt phát quang truyền thống cho tới nay vẫn chưa đạt được. Một ví dụ điển hình là trường hợp của một quần thể kiến trúc KT2 tại Óc Eo – Ba Thê. Bằng phương pháp TLD cải tiến, nhóm nghiên cứu đã xác định được quần thể kiến trúc này được xây dựng nối tiếp ở hai thời điểm khác nhau: lớp kiến trúc phía dưới (KT2-lower) có niên đại vào khoảng năm 794 công nguyên và kiến trúc phía trên (KT2-Upper) được xây dựng sau đó khoảng 160 năm vào năm 953 công nguyên. Trong khi đó, kết quả phân tích C-14 trên khối phổ gia tốc (AMS) của nhóm Nhật Bản chỉ có thể cho kết luận chung là quần thể kiến trúc KT-2 có niên đại trong khoảng 940-994 năm với xác suất tin cậy chỉ 57.25%. “Kết quả này cho thấy rõ ràng rằng trong khi phương pháp TLD cải tiến của nhóm có thể phân biệt chính xác hai lớp kiến trúc xây dựng nối tiếp, chồng lấn khung niên đại lên nhau ở hai thời điểm khác nhau do các biến động lịch sử thì phương pháp C-14 không thể thực hiện được”, nhóm nghiên cứu cho biết.

Những cải tiến của phương pháp này có ý nghĩa quan trọng về mặt khoa học bởi nó đặt ra câu hỏi cho việc có cần phải giám định lại niên đại của khá nhiều các kiến trúc cổ trên thế giới có cấu trúc tương tự. “Việc xác định lại một cách chính xác niên đại của những công trình này cho phép chúng ta hiểu biết cụ thể và chi tiết hơn về quá trình xây dựng, phát triển hay tàn phá của các nền văn hóa cổ xưa, đồng thời có thể thay đổi phần nào nhận thức của chúng ta về lịch sử của nhiều quốc gia trong dòng chảy lịch sử của thế giới”, TS Tuyên cho biết.

Điều đáng nói là các cải tiến của nhóm cũng cho phép các nhà khoa học Việt Nam làm chủ được phương pháp của chính mình để có thể áp dụng cho các kiến trúc ở Viêt Nam. “Phương pháp này có thể áp dụng với chi phí thấp ở hầu hết các phòng thí nghiệm trong điều kiện của nước ta mà không cần đòi hỏi các trang thiết bị quá hiện đại, chi phí vận hành vô cùng đắt đỏ như máy gia tốc trong phương pháp AMS”, TS Tuyên chia sẻ.