Cơ chế rửa mặn NLR trong các tướng trầm tích biển tuổi đệ tứ vùng châu thổ sông hồng

Trên cơ sở nghiên cứu cấu trúc địa chất vùng CTSH cũng như các vùng châu thổ tương tự trên thế giới cho thấy các thời kỳ biển tiến làm hình thành nên các tầng trầm tích biển còn chứa nướ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Hà Nội, 2015

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS TS Trần Nghi

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội

2 PGS.TS Phạm Quý Nhân,

Trường ĐH Tài nguyên và Môi trường Hà Nội

Phản biện:

Phản biện:

Phản biện:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp ĐHQG chấm luận án tiến sĩ họp tại

vào hồi giờ …… ngày …… tháng … năm …

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

Ở U

1 ính cấp thiết của luận án

Nước dưới đất (NDĐ) đặc biệt là NDĐ trong tầng chứa nước Pleistocen (TCN qp)

là nguồn cung cấp nước quan trọng ở vùng CTSH Các kết quả quan trắc thành phần hóa học NDĐ của công trình quốc gia cũng như của một số nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng NDĐ bị nhiễm mặn ở nhiều nơi không những ở khu vực ven biển mà còn xảy ra ở các khu vực cách bờ biển hiện tại lên tới 70km Nhiễm mặn cho NDĐ trong các TCN ở các khu vực ven biển có thể được giải thích là do XNM từ biển, tuy nhiên ở các khu vực xa bờ biển hiện tại đặc biệt là trong TCN qp – tầng chứa nước đươc hình thành trong thời kỳ biển thoái, thì nguyên nhân XNM không thể giải thích được là do quá trình XNM hiện đại

Trên cơ sở nghiên cứu cấu trúc địa chất vùng CTSH cũng như các vùng châu thổ tương tự trên thế giới cho thấy các thời kỳ biển tiến làm hình thành nên các tầng trầm tích biển còn chứa nước mặn tàn dư tới tận ngày nay Nghiên cứu phân bố các trầm tích biển trong lục địa đã được nhiều công trình đề cập đến, tuy nhiên nghiên cứu ảnh hưởng của chúng tới NDĐ thì chưa có công trình nghiên cứu cụ thể Chính vì vậy, luận án đi

vào nghiên cứu “Cơ chế rửa mặn NLR trong các tướng trầm tích biển tuổi Đệ Tứ vùng CTSH” để làm sáng tỏ các cơ chế rửa mặn NLR từ các tầng trầm tích biển cũng như

ảnh hưởng của chúng tới NDĐ trong TCN qp

2 ục đích nghiên cứu

- Xác định ranh giới mặn nhạt của NLR trong các tầng trầm tích biển

- Nghiên cứu các cơ chế rửa mặn của NLR trong các trầm tích biển

- Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình rửa mặn NLR trong trầm tích biển Holocen tới TCN Pleistocen

3 ối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là tầng trầm tích biển tuổi Holocen

- Phạm vi nghiên cứu là vùng CTSH

4 ơ sở số liệu

Luận án được hoàn thành dựa trên 2 nguồn số liệu gồm số liệu kế thừa từ các công trình nghiên cứu liên quan và các số liệu nghiên cứu của luận án Dưới đây là bảng liệt kê số liệu nghiên cứu của luận án với số lượng tương ứng

Số liệu ơn vị Số lượng Vị trí thực hiện

Địa vật lý lỗ khoan Lỗ khoan 38 Lỗ khoan QTQG

TEM Điểm đo 210 4 tuyến nghiên cứu

Khoan địa tầng Lỗ khoan 2 LK Q87, Q88

Thành phần độ hạt Mẫu 16 Mẫu trầm tích nguyên dạng lấy

từ 2 LK trên Xác định TP khoáng vật sét Mẫu 8

TPHH của NDĐ tầng qp Mẫu 10 Mạng QTQG và LK nghiên cứu

5 uận điểm bảo vệ

- Nước lỗ rỗng trong tầng trầm tích biển giàu sét bị rửa mặn theo cơ chế khuếch tán Nước lỗ rỗng chứa trong các trầm tích cát mịn pha sét bị rửa mặn theo cơ chế dịch chuyển vật chất do phân dị trọng lực

- Quá trình rửa mặn NLR trong các trầm tích biển Holocen làm tăng cao hàm lượng muối của NDĐ trong tầng chứa nước Pleistocen bên dưới

- Tầng sét Pleistocen muộn có vai trò bảo vệ TCN qp khỏi XNM từ tầng sét biển bên trên

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Ý nghĩa khoa học

- Làm sáng tỏ sự phân bố mặn nhạt của NLR trong các trầm tích biển Holocen

- Làm sáng tỏ cơ chế rửa mặn của NLR trong các tầng trầm tích biển

- Làm sáng tỏ ảnh hưởng của các tầng trầm tích biển tới XNM nước dưới đất trong TCN Pleistocen

 Ý nghĩa thực tiễn

- Chính xác hóa sự phân bố mặn nhạt của TCN theo không gian sẽ giúp ích cho việc

bố trí các công trình khai thác nước một cách hợp lý Trên cơ sở bản đồ phân bố mặn nhạt của NLR trong các tướng trầm tích biển Holocen và bản đồ đẳng dày các trầm tích biển Pleistocen muộn và kết quả mô hình có thể đưa ra các vị trí khai thác an toàn

7 ấu trúc luận án

Cấu trúc của luận án gồm 4 chương không kể phần mở đầu và kết luận

Chương 1: Tổng quan và các phương pháp nghiên cứu

Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng rửa mặn NLR vùng CTSH

Chương 3: Cơ chế rửa mặn của nước lỗ rỗng trong các trầm tích biển tuổi Holocen Chương 4: Ảnh hưởng của quá trình rửa mặn NLR tới tầng chứa nước Pleistocen

1 Q À P P P Ê

1.1 ổng quan

1.1.1 ác công trình nghiên cứu trên thế giới về rửa mặn nước lỗ rỗng

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng bài toán XNM cho NDĐ nói chung và nước mặn tàn dư nói riêng không thể giải quyết bằng một phương pháp đơn lẻ mà phải sử dụng

tổ hợp các phương pháp khác nhau

1.1.2 ác công trình nghiên cứu trong nước liên quan

Trong nước, các công trình nghiên cứu chủ yếu đi sâu vào nghiên cứu về XNM hiện đại do quá trình tự nhiên và quá trình khai thác nước quá mức gây nên nhất là đối với các tỉnh ven biển

1.1.3 hững tồn tại cần giải quyết

Có thể đưa ra một số tồn tại của các công trình nghiên cứu ở Việt Nam:

- Chưa ứng dụng đồng thời các phương pháp nghiên cứu

- Chưa nghiên cứu hoặc quan tâm nghiên cứu về phân bố mặn nhạt của NLR trong các trầm tích biển, cơ chế rửa mặn của NLR cũng như ảnh hưởng của chúng tới TCN qp

Chính vì vậy, nội dung chính của luận án đi vào nghiên cứu các cơ chế rửa mặn của NLR trong các tướng trầm tích biển tuổi Đệ Tứ và ảnh hưởng của chúng tới TCN qp

1.2 ác phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp kế thừa và tổng hợp tài liệu liên quan

- Các phương pháp ĐVL: Gồm phương pháp trường chuyển (TEM) và địa vật lý lỗ khoan (ĐVLLK) để tiến hành phân vùng mặn nhạt NLR chứa trong các tầng sét

- Phương pháp mô hình: Mô hình SEAWAT mô phỏng sự di chuyển vật chất có tính đến mật độ chất lỏng

- Phương pháp đồng vị bền 18O/16O, 2H/1H xác định nguồn gốc của NDĐ

- Phương pháp cột thấm xác định hệ số thấm của trầm tích và phương pháp xác định hệ

số khuếch tán để làm thông số đầu vào cho mô hình dịch chuyển vật chất

- Xác định thành phần độ hạt, thành phần khoáng vật của trầm tích nhằm luận giải môi trường thành tạo trầm tích

- Phân tích thành phần hóa học của NDĐ và NLR

2: Y Ố Ả Ở Ả Ă

HOLOCEN

2.1 iều kiện thủy văn, hải văn

Vùng CTSH có mạng lưới sông ngòi dày đặc làm kênh dẫn thoát nước từ lục địa ra biển đồng thời làm là kênh dẫn nước biển vào lục địa tại các cửa sông ven biển XNM

hệ thống sông ngòi này không những ảnh hưởng đến hệ sinh thái ven biển, đến nguồn cấp nước tưới tiêu mà còn ảnh hưởng đến các tầng chứa nước nông khu vực lân cận

2.2 ịa tầng trầm tích ệ ứ

Bề mặt CTSH được phủ bởi các trầm tích Đệ Tứ với bề dày có nơi đạt tới 200m Thành phần của trầm tích Đệ Tứ bao gồm chủ yếu là sét, bột, cát và sạn sỏi và được phân chia thành 5 hệ tầng gồm Lệ Chi, Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hải Hưng, Thái Bình Quá trình hình thành nên các trầm tích bở rời tuổi Đệ Tứ có liên quan chặt chẽ đến sự dao động MNB: Thời kỳ biển thoái là thời kỳ tạo nên các tầng trầm tích hạt thô chứa nước tốt, trái lại vào thời kỳ biển tiến thành tạo nên các trầm tích hạt mịn chứa nước kém

2.3 iều kiện địa chất thuỷ văn

2.3.1 ác tầng chứa nước lỗ hổng

2.3.1.1 Tầng chứa nước lỗ hổng trong trầm tích Holocen (qh)

Đây là TCN được cấu thành từ các trầm tích chứa nước của hệ tầng Thái Bình và Hải Hưng có thành phần chủ yếu là bột cát, cát màu xám

2.3.1.2 Tầng chứa nước lỗ hổng trong trầm tích Pleistocen (qp)

Tầng chứa nước qp được cấu thành bởi các trầm tích hạt thô của hệ tầng Hà Nội và

hệ tầng Vĩnh Phúc Thành phần trầm tích chủ yếu là cát thô, sạn sỏi và cuội

2.3.2 ác thành tạo địa chất rất nghèo nước hay cách nước

2.3.2.1 Các trầm tích thấm nước yếu tuổi Holocen sớm giữa

2.3.2.2 Các trầm tích cách nước Pleistocen muộn hệ tầng Vĩnh Phúc

3:

E

3.1 ơ sở lý thuyết về dịch chuyển vật chất trong môi trường lỗ hổng

Cơ chế rửa mặn NLR là cách thức mà quá trình rửa mặn NLR xảy ra Trong quá trình rửa mặn, vật chất hòa tan sẽ dịch chuyển từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng

độ thấp và làm nhạt hóa phần nước mặn có chứa trong các lỗ rỗng của các tầng trầm tích, tức là xảy ra quá trình rửa mặn Ở đây, luận án chỉ đề cập đến sự dịch chuyển của

ion clo (Cl-) bởi đó là ion trơ về mặt hóa học Các quá trình cơ bản làm dịch chuyển vật chất trong môi trường NLR là quá trình khuếch tán phân tử và phân dị trọng lực, còn quá trình dịch chuyển đối lưu (advection) chủ yếu xảy ra trong môi trường NDĐ khi có dòng chảy

3.1.1 Khuếch tán phân tử

Khuếch tán phân tử là quá trình vật chất hòa tan di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn Quá trình khuếch tán sẽ tiếp tục xảy ra nếu vẫn còn xảy ra chênh lệch nồng độ ngay cả khi không có dòng chảy

3.1.2 Dịch chuyển chất hòa tan do phân dị trọng lực (Density flow)

Hiện tượng này có thể xuất hiện khi một hệ thống chứa chất lỏng có tỷ trọng lớn hơn (nước muối) nằm phủ lên trên một hệ thống chứa chất lỏng khác có tỷ trọng nhỏ hơn (nước nhạt) Sự bất ổn định của một hệ thống được đánh giá thông qua hệ số Rayleigh (Ra) (xem phần 3.3.6) Nếu Ra  4π2 ≈ 40 (Lapwood, 1984; Groen & nnk 2000; Holzbecher, 2005) thì quá trình khuếch tán đóng vai trò chủ đạo, còn nếu Ra > 40 thì quá trình dịch chuyển vật chất do phân dị trọng lực sẽ diễn ra Nếu số Rayleigh đạt tới 390, thì hệ thống sẽ bị ảnh hưởng bởi biến động đối lưu tự do (Diersch, 2005)

3.1.3 Quá trình dịch chuyển đối lưu

Trong điều kiện lý tưởng, các ion sẽ dịch chuyển cùng tốc độ của dòng ngầm Trên thực tế, yếu tố bất đồng nhất của môi trường trầm tích làm cho các ion vận động với tốc

độ khác nhau (quá trình phân tán) Ngoài ra, quá trình khuếch tán và phân tán luôn xảy

ra đồng thời và không thể tách rời, quá trình đó gọi chung là phân tán thủy động lực

3.2 iện trạng phân bố mặn nhạt trong các trầm tích biển olocen

Đối với NLR chứa trong các lớp trầm tích hạt mịn (không thể lấy được mẫu nước qua các ống lọc của các LK), số liệu ĐVL được sử dụng để xác định hiện trạng phân bố

mặn nhạt của NLR

3.2.1 Kết quả đo địa vật lý lỗ khoan

Theo Archie (1942), mỗi một loại trầm tích được đặc trưng bởi một hệ số thành hệ F

(formation factor) nhất định và được tính F=n /t hoặc F=t /n (Với σ t, σ n là độ dẫn điện của tầng và của NLR; t, n là điện trở suất của tầng và của NLR)

Trên cơ sở số liệu đo ĐVLLK và số liệu phân tích TPHH của NLR, mối quan hệ

quy đổi giữa độ dẫn điện và TDS của NLR như sau: TDS (mg/l) = 0.5 σ n + 201 (µS/cm)

Từ đó có thể phân chia các loại hình NLR khác nhau như sau:

Bảng 3.1 Các loại hình NLR và trầm tích tương ứng theo số liệu ĐVLLK

oại rầm tích của tầng ρ t (Ω.m) ộ dẫn điện của

tầng σt (mS/m ~10 -1 µ /cm)

Nước nhạt

Bột/cát 25-100 10-40 Cát/sạn 100-200 5-10

Cát/sạn 15-150 6.7-67 Nước mặn Sét 0.5-3 333-2000

Cát/sạn <20 >50 Bản đồ phân vùng mặn nhạt của NLR trong các tầng trầm tích biển Holocen tại các

vị trí LK được thành lập (hình 3.1)

Hình 3.1 Phân bố mặn nhạt NLR trong trầm tích hạt mịn theo tài liệu ĐVLLK

3.2.2 ết quả đo trường chuyển ( E )

Kết quả đo là sự biển đổi điện trở suất của tầng theo chiều sâu Tổng hợp các kết quả đo trên mỗi tuyến sẽ xây dựng được mặt cắt điện trở suất tương ứng Kết hợp tài liệu khoan địa chất trên tuyến tương ứng và số liệu tính toán trong bảng 3.2 sẽ phân chia được các vị trí chứa các loại hình NLR và NDĐ khác nhau

3.2.2.1 Tuyến nghiên cứu 1

Mặt cắt ĐTS cho thấy nước lỗ rỗng chứa trong các tầng sét cũng như NDĐ trong

các tầng chứa nước đều nước nhạt

Hình 3.2 Mặt cắt ĐTS tuyến nghiên cứu 1

Điện trở suất (Ω.m) Khoảng cách (km)

3.2.2.2 Tuyến nghiên cứu 2

Tuyến nghiên cứu kéo dài từ Phủ Lý- Hà Nam tới Hải Dương

Hình 3.3 Mặt cắt ĐTS tuyến nghiên cứu 2

- Ở khu vực Phủ Lý NDĐ trong tầng qh là nước nhạt, NDĐ trong tầng qp biến đổi

từ nhạt đến lợ còn NLR trong tầng sét Holocen bên dưới biến đổi từ nhạt đến lợ

- Ở khu vực trung tâm (giữa mặt cắt), NDĐ trong tầng qh biến đổi từ nhạt đến lợ, NDĐ trong tầng qp là nước nhạt còn NLR chứa trong tầng sét là nước lợ

- Ở khu vực Hải Dương, NDĐ trong TCN qh biến đổi từ nhạt tới lợ, NDĐ trong tầng qp là nước lợ đến mặn NLR trong tầng sét là nước mặn, khu vực ven rìa đồng bằng NLR là nước nhạt

3.2.2.3 Tuyến nghiên cứu 3

Có thể phân chia mặt cắt ĐTS thành 3 đoạn như sau:

- Đoạn 1 (0-23km): Nước dưới đất và NLR đều là nước nhạt

- Đoạn 2 (23-75km): NDĐ trong tầng qh là nước nhạt, NLR trong tầng sét Holocen là nước lợ, NDĐ trong tầng qp biến đổi từ nhạt đến lợ

- Đoạn 3 (75-128km): Nước lỗ rỗng trong tầng sét Holocen là nước lợ đến mặn theo chiều hướng từ lục địa tới biển NLR trong tầng sét bên dưới biến đổi từ nhạt đến lợ

Hình 3.4 Mặt cắt ĐTS tuyến nghiên cứu 3

3.2.2.4 Tuyến nghiên cứu 4

Hình 3.5 Mặt cắt ĐTS tuyến nghiên cứu 3 Dựa trên sự biến đổi ĐTS của tầng, tuyến nghiên cứu 4 cũng được chia làm 3 đoạn:

- Đoạn 1: Nước dưới đất và NLR đều là nước nhạt

- Đoạn 2: NLR trong trầm sét là nước lợ còn NDĐ trong TCN qp là nước nhạt

- Đoạn 3: NDĐ trong tầng qp là nước nhạt đến mặn, NLR trong tầng sét là nước mặn

B

n § g

25km

Chó gi¶i

S« n

g H å

Tuyªn nghiªn cøu 4

Tuyªn nghiªn cøu 1 Tuyªn nghiªn cøu 2 Tuyªn nghiªn cøu 3

1 2

4 3

N

25km

B

n § g

1

Vïng ph©n bè NLR mÆn

Tuyªn nghiªn cøu 1 Chó gi¶i

Vïng ph©n bè NLR nh¹t Vïng ph©n bè NLR lî

§iÓm ®o TEM

4 2

1

3

Hình 3.6 Bản đồ phân vùng mặn nhạt nước lỗ rỗng trong lớp sét biển Holocen

Từ tài liệu ĐVLLK và tài liệu TEM, bản đồ phân vùng mặn nhạt NLR trong tầng sét biển Holocen được thành lập (hình 3.6)

3.3 ơ chế rửa mặn của nước lỗ rỗng

3.3.1 ục đích xây dựng mô hình rửa mặn trong các trầm tích biển

Mục đích của việc xây dựng mô hình là mô phỏng lại lịch sử phát triển trầm tích

và quá trình rửa mặn NLR chứa trong trầm tích biển thời kỳ từ 11.000 năm cho tới

hiện tại cũng như ảnh hưởng của các quá trình đó tới TCN qp

3.3.2 Xây dựng mô hình 2 chiều mô phỏng quá trình rửa mặn nước lỗ rỗng

3.3.2.1 Cơ sở chọn tuyến mô hình

Tuyến mô hình dài 190km kéo dài từ Hà Nội tới Nam Định dọc theo phương TB-ĐN

(hình ) Mặt cắt mô hình được chọn có thể được gọi là mặt cắt tiêu biểu bao hàm

nhiều yếu tố đại diện cho lịch sử phát triển địa chất Đệ tứ của toàn vùng CTSH, đồng

thời có hướng mặt cắt trùng với hướng vận động chính của NDĐ

3.3.2.2 Sơ đồ hoá điều kiện địa chất-địa chất thủy văn

Trên cơ sở đặc điểm địa chất- địa chất thủy văn vùng nghiên cứu, có thể sơ đồ hóa

mặt cắt nghiên cứu thành mô hình 5 lớp như sau:

Lớp 1: Đây là tầng cách nước thứ nhất, còn gọi là tầng cách nước bề mặt

Lớp 2: Là TCN Holocen

Lớp 3: Là tầng thấm nước yếu tuổi Holocen

Lớp 4: Là tầng thấm nước yếu tuổi Pleistocen

2 Tầng chứa nước Holocen

3 Tầng thấm nước yếu tuổi Holocen

4 Tầng thấm nước yếu tuổi Pleistocen

5 Tầng chứa nước Pleistocen

3.3.3 ết quả mô hình rửa mặn

Vào thời kỳ biến tiến Flandrian, các trầm tích Holocen sớm với nguồn gốc khác

nhau được hình thành phủ lên trên các trầm tích Pleistocen Hai quá trình diễn ra đồng

thời là quá trình XNM do biển tiến vào CTSH và quá trình rửa mặn diễn ra do quá

trình bổ cập từ các nguồn nước nhạt khác nhau Chính vì vậy, trải qua mỗi một khoảng

thời gian nhất định, phân bố mặn nhạt của NDĐ và NLR trong các tầng trầm tích lại có

sự thay đổi (Hình 3.8 đến hình 3.11) Từ kết quả mô hình khái niệm ở thời điểm hiện

tại (Hình 3.11) kết hợp với các kết quả ĐVL lỗ khoan (LK Q109-Hình 3.31), kết quả

đo TEM (Hình 3.32) và TPHH của NDĐ và NLR có thể thấy có sự phù hợp giữa kết

quả đo ĐVL thực tế, kết quả phân tích TPHH của NDĐ, NLR và kết quả mô hình số

Hình 3.8 Thời kỳ 11-10 nghìn năm BP

Hình 3.9 Thời kỳ 7-6 nghìn năm BP TDS

Bờ biển hiện tại

Bờ biển hiện tại

Hỡnh 3.10 Thời kỳ 6-5 nghỡn năm BP TDS

Khoảng cỏch (km)

Hỡnh 3.11 Bức tranh hiện tại và mặt cắt ĐTS tuyến nghiờn cứu 3

3.3.4 ơ chế rửa mặn của từ cỏc trầm tớch biển tuổi olocen

Ảnh hưởng của thành phần độ hạt trầm tớch Holocen tới cơ chế rửa mặn

Bờ biển hiện tại

5,000 năm P

ĐN

Bờ biển hiện tại

Độ dẫn của tầng (mS/m)

Độ dẫn của n-ớc (mS/m)

0 4000 Nhiệt độ (°C)

sét màu xám, xám

đen

sét màu xám trắng , nâu

đỏ loang lổ lẫn vật chất hữu cơ

sét màu xám lẫn vật chất hữu cơ

cát hạt trung đến thô lẫn sạn, cuội, sỏi chọn lọc tốt

sét màu xám cát hạt mịn

đến trung sét lẫn cát hạt mịn màu xám xanh cát, sét, bột-kết

cát-pha

bột-sét-pha

sét, sét-pha

sét

sét

bột-cát hạt trung đến thô lẫn sạn, cuội, sỏi