Nghiên cứu đặc điểm phân bố karst khu vực gián khẩu ninh bình và luận chứng các giải pháp nền móng thích hợp cho nhà máy vinakansai

Karst là hiện tượng địa chất tự nhiờn hỡnh thành và phỏt triển do hoạt động của nước mặt và nước dưới đất, quỏ trỡnh hũa tan của nước tạo nờn trong đỏ và trờn bề mặt đất những hỡnh thỏi

Nguyễn Văn Hải

Nghiên cứu đặc điểm phân bố karst khu vực Gián Khẩu – Ninh Bình và luận chứng các giảI pháp nền móng thích hợp cho nhà máy xi măng Vinakansai

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hà nội - 2008

Nguyễn Văn Hải

Nghiên cứu đặc điểm phân bố karst khu vực Gián Khẩu – Ninh Bình và luận chứng các giảI pháp nền móng thích hợp cho nhà máy xi măng Vinakansai

Chuyên ngành: Địa chất công trình

liÖu vµ kÕt qu¶ trong luËn v¨n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

Hµ néi, ngµy 10 th¸ng 12 n¨m 2008 T¸c gi¶ LuËn V¨n

NguyÔn V¨n H¶i

Mục lục

Trang

pháp luận nghiên cứu.

7

vùng nghiên cứu

39

3.1 Đặc điểm thành phần vật chất, kiến trúc, cấu tạo và phân bố đá

cacbonat khu vực nghiên cứu

64

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Với diện tích chừng 50.000km2 chiếm khoảng 1/6 diện tích nước ta, các

đá bị karst hoá đU và đang gây nhiều khó khăn cho công tác xây dựng công trình bởi tính đa dạng và những hoạt động phức tạp của quá trình karst trong

điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm Karst là vấn đề khá mới mẻ và đầy phức tạp của khoa học địa chất nước nhà Khu vực Gián Khẩu – Ninh Bình nơi phân bố khá rộng rUi các đá cacbonat bị karst hoá thuộc hệ tầng Đồng Giao mà trước

đây chúng được xếp vào vùng karst Hoà Bình – Ninh Bình với các đá vôi Ladin (Triat giữa) bao trùm toàn bộ vùng trũng Sông Đà, chiều dài khoảng

150 km kéo dài tới bờ biển Ninh Bình Trong tương lai, Gián Khẩu cũng như toàn bộ khu vực Ninh Bình sẽ là những khu công nghiệp có triển vọng, việc

đặt vấn đề để nghiên cứu đặc điểm phân bố karst khu vực Gián Khẩu – Ninh Bình và luận chứng các giải pháp xử lý nền móng thích hợp là hết sức cần thiết và cấp bách

Đặc biệt là nhà máy xi măng Vinakansai một trong những công trình có

ý nghĩa chiến lược trong sự phát triển kinh tế khu vực Ninh Bình cần phải

được nghiên cứu đặc điểm karst một cách chi tiết và thận trọng phần định hướng giải pháp xử lý karst cho toàn khu vực

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu là đặc điểm karst trong đá vôi Triat hệ tầng Đồng Giao (T2ađg) tại khu vực Gián Khẩu – Ninh Bình

3 Mục đích nghiên cứu:

Làm sáng tỏ sự hình thành, đặc điểm phân bố karst ở khu vực Gián Khẩu – Ninh Bình, trên cơ sở đó luận chứng các giải pháp xử lý nền móng thích hợp cho nhà máy xi măng Vinakansai

4 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục đích nghiên cứu đặt ra, cần nghiên cứu các nội dung sau:

1 Nghiên cứu đặc điểm tự nhiên, cấu trúc địa chất khu vực Gián Khẩu – Ninh Bình

2 Đặc điểm phân bố karst khu vực Gián Khẩu – Ninh Bình

- Tìm hiểu đặc điểm hình thái và quy luật phân bố các loại hình karst khu vực Gián Khẩu – Ninh Bình

- Nghiên cứu đặc điểm thạch học, thành phần khoáng vật, kiến trúc, cấu tạo của đá vôi hệ tầng Đồng Giao

- Nghiên cứu đặc điểm vận động, thành phần hoá học của nước karst, quan hệ thuỷ lực giữa nước mặt và nước dưới đất

- Đánh giá mức độ karst hoá của đá, đồng thời dự báo khả năng phát triển karst

3 Nghiên cứu ảnh hưởng của karst tới công trình xây dựng và luận chứng các giải pháp xử lý nền móng thích hợp

- Đặc điểm chung về giải pháp xử lý nền móng ở vùng phân bố karst

- Hiện trạng về karst trong phạm vi nhà máy xi măng Vinakansai

- Các hạng mục công trình chính với tính năng hoạt động của chúng trong khu vực nhà máy xi măng Vinakansai

- ảnh hưởng của karst tới công trình

2 Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành khoan, đo địa vật lý, các thí nghiệm địa chất thuỷ - Địa chất công trình ở trong phòng và ngoài trời nhằm làm sáng tỏ đặc điểm thạch học, kiến trúc, cấu tạo, tính chất cơ lý của đá và tính chất hoá lý của nước dưới đất khu vực nghiên cứu

3 Phương pháp phân tích hệ thống: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về sự hình thành, phát triển và đặc điểm quy luật phân bố karst, trong mối quan hệ tổng hợp giữa đá karst - nước và tác động của việc xây dựng công trình nhằm

đánh giá và dự báo sự phát triển karst

4 Phương pháp tính toán lý thuyết: Sử dụng để tính toán trạng thái cân bằng hoá giữa nước dưới đất và đá, đánh giá mức độ karst hoá đối với đá

6 ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu của đề tài làm sáng tỏ đặc điểm phân bố karst khu vực Gián Khẩu – Ninh Bình nói riêng và góp phần hoàn thiện phương pháp luận nghiên cứu sự hình thành và đặc điểm phân bố karst vùng nhiệt đới nói chung

- Kết quả của đề tài là cơ sở để luận chứng giải pháp nền móng thích hợp cho nhà máy xi măng Vinakansai và là tài liệu tham khảo tốt cho việc xây dựng các công trình trong khu vực nghiên cứu có điều kiện địa chất tương tự

7 Cơ sở tài liệu luận văn

Luận văn được hoàn thành trên cơ sở các tài liệu sau:

- Các tài liệu địa chất, địa chất công trình - địa chất thuỷ văn trong khu vực nghiên cứu của Liên đoàn địa chất thuỷ văn - Địa chất công trình Miền Bắc

- Các tài liệu khảo sát địa chất công trình nhà máy xi măng Vinakansai

mà tác giả trực tiếp thực hiện

- Các kết quả thí nghiệm mẫu đá, mẫu nước do tác giả tiến hành

Ngoài ra luận văn còn sử dụng một số tài liệu khác có liên quan đến

điều kiện địa chất, địa chất công trình khu vực nghiên cứu

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình và các ý kiến đóng góp quý giá của PGS TS Tạ Đức Thịnh từ lúc chọn đề tài cho đến khi hoàn thành luận văn

chất, phòng Sau Đại học, các cấp lUnh đạo Trường đại học Mỏ-Địa chất và các bạn đồng nghiệp đang công tác tại Công ty TNHH một thành viên Khảo sát và Xây dựng, Công ty Tư vấn Đại học xây dựng

Xin chân thành cảm ơn lUnh đạo Công ty thiết kế và tư vấn xây dựng công trình Hàng không-ADCC cùng toàn thể các anh chị em trong Trung tâm Khảo sát – Kiểm định Công ty ADCC đU tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành bản luận văn này

Do thời gian ngắn, đề tài nghiên cứu tương đối phức tạp, bản luận văn khó tránh khỏi những khiếm khuyết Tác giả rất mong nhận được các nhận xét

và góp ý để đề tài nghiên cứu hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

Chương 1 Tổng quan về hiện tượng karst

1.1 Một số đặc điểm và điều kiện hình thành karst

Karst là hiện tượng địa chất tự nhiờn hỡnh thành và phỏt triển do hoạt động của nước mặt và nước dưới đất, quỏ trỡnh hũa tan của nước tạo nờn trong

đỏ và trờn bề mặt đất những hỡnh thỏi đặc biệt như khe rónh, phễu, hang động, sụng ngầm và tạo nờn quy luật vận động đặc biệt của nước dưới đất và nước trờn mặt

Karst là quỏ trỡnh dài lõu, phỏt triển với cường độ rất khỏc nhau, cú thể tương đối nhanh, nhưng cũng cú thể dừng hoàn toàn Nguyờn nhõn cơ bản của quỏ trỡnh là sự vận động của nước mặt và nước dưới đất, sự hoà tan của khoỏng vật tạo đỏ với sự tỏc động tớch cực của axit cacbonic xõm thực cú trong nước Cỏc yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến sự phỏt triển karst bao gồm:

- Thành phần thạch học của đỏ hoà tan

- Chiều dày và đặc điểm nứt nẻ của lớp đỏ hoà tan

- Thành phần, chiều dày lớp phủ và của đỏ võy quanh

- Địa hỡnh, thủy văn

- Điều kiện khớ hậu

- Thời gian

Khả năng hoà tan hoỏ học của cỏc loại đỏ cacbonat phụ thuộc rất nhiều vào hàm lượng canxit chứa trong đỏ Hàm lượng canxit càng lớn, khả năng hoà tan của đỏ càng tăng Vỡ vậy, mức độ phỏt triển karst giảm dần từ đỏ vụi đến đỏ đolomit và đỏ macnơ Đỏ cacbonnat chứa trờn 15% sột hầu như khụng

cú khả năng phỏt triển karst Karst phỏt triển trong cỏc đới nứt nẻ mạnh kiến tạo, phong hoỏ, theo lớp mặt, ở đú đỏ cacbonnat bị dập nỏt thành tảng-dăm, cỏc khe nứt khụng cú vật liệu sột lấp nhột Kớch cỡ và hỡnh dạng của hang

karst phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của các đới nứt nẻ Rõ ràng thấy rằng chiều dày của tầng đá cacbonnat có vai trò rất lớn quyết định kích cỡ và động lực hình thành các loại hình karst Tuy nhiên quá trình kast không thể phát triển trong toàn bộ chiều dày của các tầng đá cacbonnat Đá nằm dưới đáy xâm thực bị nứt nẻ ít hơn do vậy phát triển yếu hơn Karst có thể phát triển theo chiều thẳng đứng hoặc nằm ngang

Trong đới thoáng khí karst phát triển chủ yếu theo chiều thẳng đứng, còn đới dao động mực nước theo mùa, nước ngầm vận động theo phương ngang nên karst phát triển theo phương ngang, trong đới bão hoà nước ngầm vận động theo chiều đến thung lũng, đến các mạng lưới thung lũng sông suối khu vực cho nên karst có thể phát triển dưới đáy các thung lũng sông Nếu đáy xâm thực trong khu vực mực nước sông hoặc dòng chảy mặt thấp hơn bề mặt ăn mòn mực nước ngầm trong đá hoà tan thì quá trình karst được gọi là karst trẻ, còn nếu đá hoà tan và mực nước ngầm trong đó nằm dưới đáy xâm thực khu vực thì quá trình karst được gọi là karst cổ Karst và hệ thống các hang karst phát triển thành từng tầng, tương ứng với các giai đoạn vận động kiến tạo của khu vực Trong điều kiện nâng mạnh, đáy bào mòn nâng lên, nước ngầm vận động theo khe nứt có chiều thấm xuống, các hang đứng và nghiêng phát triển mạnh Khi vận động chậm lại hoặc hạ mạnh, nước ngầm chủ yếu vận động theo phương ngang và các hang ngang phát triển Các hang đứng và nghiêng có chiều cao lớn hơn chiều ngang, các hang có chiều dài lớn hơn các chiều cao và chiều rộng Thế nằm của đá hoà tan đứng, nghiêng, ngang trong khu vực cũng là yếu tố quan trọng quyết định hướng phát triển của quá trình karst và hệ thống hang theo các phương tương ứng Thành phần

và chiều dày của lớp phủ quyết định khả năng phát triển của karst Lớp phủ không thấm nước sẽ đảm bảo cho đá cacbonnat khỏi bị hoà tan cho đến khi

điều kiện bảo vệ bị phá huỷ Theo đặc tính phân bố của đá bị karst hoá có thể chia ra các loại karst như sau:

- Theo quan hệ với mặt đất:

+ Karst trần: đá bị karst hoá nằm ngay trên bề mặt

+ Karst kín: đá bị karst hoá bị che phủ bởi các lớp: đất đá không hoà tan thấm nước và đất đá không hoà tan có thấm nước

- Theo quan hệ với mực nước ngầm:

+Đất đá bị karst hoá nằm trong đới thông khí

+Đất đá bị karst hoá nằm trong đới bão hoà

+Đất đá bị karst hoá nằm trong vùng bão hoà và thoáng khí

Trong khu vực nghiên cứu chủ yếu là karst kín, che phủ bởi đất đá không hoà tan, không thấm nước Karst kín có đặc điểm như sau:

- Đất đá không thấm nước bên trên ngăn cản quá trình phát triển karst

và các quá trình liên quan khác

- Nghiên cứu tổng hợp và phân tích điều kiện địa chất, địa chất thủy văn có thể khoanh vùng các khu vực không có sập mặt đất, đó chính là các đỉnh phân thuỷ được phủ bởi lớp đất đá không thấm nước, không hoà tan và cách xa cơ sở xâm thực

- Khả năng không thấm nước của tầng phủ làm giảm nhẹ các giải pháp thoát nước mặt và nước thải công nghiệp, ngăn cản không cho chúng thấm xuống đá bị karst hoá

Trong khu vực karst bị che phủ, ngoài tính thấm còn phải tính đến chiều dày và độ bền của lớp phủ Trong trường hợp độ bền của đất đá tầng phủ lớn thì các hố sập và lún mặt đất là do nóc hang bị phá huỷ Thay đổi trạng thái tự nhiên do kết quả hoạt động kinh tế của con người có thể dẫn đến việc phát triển mạnh karst cùng với quá trình có liên quan và ngược lại có thể làm cho nó chậm lại Thay đổi tính ăn mòn của nước ngầm do nước thải công

nghiệp cũng dẫn tới phỏt triển karst, tải trọng động cú thể làm tăng quỏ trỡnh sập mặt đất

1.2 Địa hoá học của quá trình karst

Các đá thực tế bị hoà tan chủ yếu tạo bởi các khoáng vật có cấu trúc tinh thể Sự hoà tan đá trong nước thực chất là sự chuyển dời các ion mạng tinh thể khoáng vật sang nước, dưới tác dụng của những dao động bản thân các ion và lực hút từ phía các phân tử nước Cường độ hoà tan phụ thuộc mức

độ hoà tan của các khoáng vật, khả năng hoà tan của nước mặt và nước dưới

đất, điều kiện nhiệt động của môi trường xung quanh

Mức độ hoà tan những khoáng vật tạo đá chủ yếu trong đá bị karst hoá

(2.1-và magiê, tạo nên canxit (2.1-và đolômit – khoáng vật tạo đá vôi đá phấn, đôlômit

và đá hoa – khó bị hoà tan (vài trăm miligam/l), ở trong nước cất thì coi như không hoà tan như bảng 1.1 [6]

Sức chống hoà tan của các chất kết tinh kể trên trước hết được quyết

định bởi tổng năng lượng các mạng tinh thể của chúng – số năng lượng cần để phá vỡ những mạng đó

Mức độ hoà tan của đá có tinh thể nhỏ thì lớn hơn đá có tinh thể lớn Đá chứa hợp chất khoáng dễ hoà tan thì bị tan và phân huỷ nhanh hơn đá có lẫn các chất khó hoà tan

Độ khoáng hoá và thành phần nước mặt, nước dưới đất có ảnh hưởng

đến tốc độ và cường độ phát triển karst, còn cường độ và áp lực môi trường thì không có ý nghĩa thực tiễn Các đá Cacbonat thực tế không bị hoà tan trong nước cất, Khi mức chứa khí cacbonic tự do, cacbonat bắt đầu bị hoà tan theo phương trình:

Sự hoà tan cacbonat trong nước chứa khí cacbonic chỉ có thể xẩy ra khi cân bằng cacbonat bị phân huỷ:

CO2 H2CO3 (Ca, Mg) (HCO3)2 (Ca,Mg) CO3 (1.2)

Với mỗi lượng chứa CO2 trong nước thì có lượng chứa xác định các thành phần khác trong phương trình Khi lượng CO2 tăng lên thì lượng H2CO3cũng tăng Nó phản ứng với pha cứng cacbonat và chuyển sang dung dịch dưới dạng hidrocacbonat Khi lượng CO2 giảm, H2CO3 và các hidorocacbonat bị hoà tan cũng giảm, một phần vật liệu cacbonat lắng thành cặn Lượng chứa cacbonic tự do quyết định lượng chứa ở trong nước của H2CO3 (cân bằng với cacbonat cứng) được gọi là cacbonic cân bằng Nếu lượng này lớn hơn so với lượng cần thiết thì sự cân bằng bị phá vỡ và cacbonat bắt đầu bị hòa tan Phần thừa này của cacbonic tự do được gọi là cacbonic ăn mòn Nó quyết định sức chứa cacbonat của phần lớn nước tự nhiên

Mức độ hoà tan của CaCO3 trong nước chứa cacbonic tự do được thể hiện trong hình 1.1 dưới đây

Mức độ ăn mòn trước hết là do cacbonic tự do trong nước Nguồn chính cung cấp cacbonic trong nước là quá trình sinh hoá phát triển trên mặt đất,

trong thổ nhưỡng và các tầng đá gần mặt đất; một phần là từ khí quyển, từ đất

đá khi phong hoá từ lòng Trái đất

Hình 1.1 Mức độ hoà tan của CaCO3 trong nước chứa cacbonic tự do

C, Ca, Cb, Cc – những giá trị sức chứa cacbonat của nước C – tổng sức chứa, Ca – Nước không chứa CO2, Cb – nước chứa CO2 đủ để hoà tan CaCO3

mà không cần lấy thêm CO2 (hệ kín); Cc – Sức chứa khuyếch tán đạt được trong điều kiện hở, có những phần mới của CO2 thay vào lượng đU tiêu phí để hoà tan

Tính ăn mòn của nước thiên nhiên đối với đá cacbonat có thể do chứa

dung dịch nước của các muối khác nhau làm tăng mức độ hoà tan của cacbonat Trong tất cả các trường hợp đều nhận thấy mức độ hoà tan tăng đến một giới hạn độ khoáng hoá nhất định của dung dịch (tuỳ theo thành phần của dung dịch), cao hơn giới hạn đó, mức độ hoà tan bắt đầu giảm xuống Những

số liệu ghi ở bảng 1.2 khẳng định điều đó Những số liệu này chứng tỏ: nhiệt

độ vừa phải không có tác dụng rõ rệt đối với độ hoà tan của CaCO3, còn ảnh hưởng của độ khoáng hoá của dung dịch thì trong mọi trường hợp đầu nhận thấy, dù độ hoà tan của cacbonat nói chung là ít Tất cả những điều đó khẳng

định luận điểm sau đây: karst cacbonat có thể liên quan đến tính ăn mòn của nước, mà tính ăn mòn của nước lại do nó chứa không những cacbonic tự do

Bảng 1.2

Nồng độ Nhiệt độ

Để phân tích những điều kiện địa hoá của sự phát triển karst, cần biết:

- Trạng thái cân bằng hoá học trong hệ nước dưới đất - đá bị karst hoá, nhằm nhận định khả năng phát triển quá trình ăn mòn ở điểm nghiên cứu, vào thời

điểm lấy mẫu nước đU định

- Số lượng đá bị hoà tan do nước dưới đất vận chuyển đi từ một đơn vị diện tích, hoặc thể tích của đá bị karst hoá trong một đơn vị thời gian, nhằm nhận xét về quy mô phát triển có thể có của quá trình karst ở vùng đang nghiên cứu

- Tốc độ hoà tan của đá bị karst hoá

Việc phân tích như vậy cho phép phân biệt những khoảnh nguy hiểm về phương diện khả năng phát triển karst

Trạng thái cân bằng hóa học giữa nước dưới đất và đá cacbonat được xác định theo các phương trình sau:

1 So sánh tích số hoạt tính của các ion canxi và cacbonat (aCa2+ x aCo32) với tích số hoà tan của cacbonat canxi (KCaCO3)

Xác định mức độ ăn mòn của nước dưới đất đối với đá bị Karst hoá Tích số hoạt tính của các ion canxi và cacbonat được xác định từ phương trình

aCa2+ x aCO32- = 1 /4 x 10-6y+

trong đó (Ca2+) và (CO32-) – nồng độ tính bằng miligam - đương lượng của ion canxi và cacbonat theo tài liệu phân tích hoá học:

Giá trị tích số độ hoà tan của cacbonat canxi bằng 7.7x10-9 Trong những trường hợp khó xác định ion CO32- bằng các phương pháp giải tích, ta tiến hành tính toán nồng độ của nó trong dung dịch từ phương trình

(pH) – giá trị pH theo tài phân tích hoá học

ftb – hệ số, phụ thuộc vào giá trị lực ion, có giá trị ≤ 1 [8]

Nếu tích số hoạt tính bằng hoặc lớn hơn tích số hoà tan, thì hệ số đang xét (nước dưới đất - đá cacbonat bị karst hoá) ở trạng thái cân bằng và quá trình ăn mòn không thể phát triển Nếu tích số hoạt tính nhỏ hơn tích số hoà tan thì không có sự cân bằng và quá trình ăn mòn phát triển là hiển nhiên

Trạng thái cân bằng hoá học trong điều kiện phát triển karst sunfat cũng

được đánh giá như với karst cacbonat Nếu tích số hoạt tính của các ion canxit

và sunfat nhỏ hơn tích số độ hoà tan của sunfat canxi KCaSO4, thì có nghĩa không có sự cân bằng và quá trình ăn mòn thế nào cũng phát triển Trong điều kiện karst clorua, ta xác định trạng thái cân bằng hoá học giữa nước dưới đất

và đá bị karst bằng cách so sánh mức độ khoáng hoá của nước với giá trị độ hoà tan cực đại của muối trong dung dịch nước đang nghiên cứu Nếu độ khoáng hoá của nước dưới đất thấp hơn giá trị này, thì không có cân bằng và quá trình hoà tan sẽ phát triển

2 Lượng đá bị nước dưới đất hoà tan và vận chuyển đi từ một khoảnh nào đó (có phân bổ đá bị karst hoá) được kiến nghị tính theo phương trình thăng bằng sau đây:

(Cđ - Conđ)gnr + (Cđ - Coa)gna

F Trong đó:

q – lượng đá bị hoà tan và bị nước dưới nước moi cuốn đi từ một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian (g)

gnr – lượng nước dưới đất đột nhập qua đường ranh giới của khoảnh tới mọi nơi trong phạm vi khoảnh, cũng trong một đơn vị thời gian (m3)

gna – lượng nước thâm nhập từ trên mặt xuống nước dưới đất trong phạm

vi khoảnh (m3)

Cđ - lượng chứa trung bình của muối trong nước thâm nhập từ trên mặt (thuộc phạm vi khoảnh đá) vào trong tầng đá bị karst hoá ở thời điểm ban đầu (g/m3)

Conđ - lượng chứa trung bình của muối trong nước dưới đất vào lúc đột nhập đến khoảnh đang xét (g/cm3)

F – diện tích khoảnh (m2)

Khi tính toán theo phương trình này, ta giả thiết có điều kiện sau đây: sản lượng của các dòng nước dưới đất chảy đến và chảy ra khỏi các vị trí thuộc khoảnh đá luôn luôn bằng nhau

Sau khi tính lượng đá bị hoà tan do nước dưới đất moi chuyển đi ta xác

định chỉ tiêu hoạt tính của quá trình karst theo A theo N.V.Rôđiônôv (năm 1958), tính bằng phần trăm sau một nghìn năm:

v

V Trong đó:

v – thể tích đá bị hoà tan trong nước dưới đất moi chuyển đi trong 1000 năm;

V – thể tích đá bị karst hoá trong phạm vi khoảnh đang nghiên cứu; Chỉ tiêu hoạt tính của quá trình karst nêu lên quy mô có thể có của nó

và cũng là một đặc trung so sánh tốc độ phát triển karst ở nhiều khoảnh trong các vùng karst;

3 Để phán đoán gần đúng tốc độ hoà tan về nặt vỉa, hang hốc và khe nứt trong

đá bị karst hoá, do nước dưới đất gây ra, có thể tiến hành theo cách của A.E Orođôvxkaya đề nghị (năm 1956), như sau:

1

γ Trong đó:

Bx - chiều dầy lớp đá karst hoá bị nước dưới đất moi cuốn (cm)

γ - mật độ của đá bị karst hoá (đối với đá cacbonat bằng 2.7, đối với đá sunfat bằng 2.3, đối với đá clorua bằng 2.13g/cm3)

Cd – Co - lượng thiếu hụt bUo hoà (đối với loại muối tương ứng) của nước dưới đất bao phủ bề mặt các đá bị hoà tan;

T – Khoảng thời gian xác định tốc độ hoà tan và rửa lũa đá;

D – Hệ số khuyếch tán, đối với đá cacbonat bằng 5.5 x 10-6 , đối với đá sunfat bằng 5.5 x 10-6, đối với đá clorua bằng 1 x 10-5cm2/s;

v – tốc độ vận động thực tế của nước dưới đất, được xác định bằng thí nghiệm ngoài trời;

x – khoảng cách bề mặt bị hoà tan đến điểm tiến hành xác định lượng thiếu hụt bUo hoà của nước dưới đất;

Tóm lại, địa hoá của quá trình karst rất phức tạp, nhiều vấn đề về điều kiện phát triển karst theo hướng này vẫn chưa được sáng tỏ Tuy nhiên cần chú ý: tất cả những số liệu quan trắc và nghiên cứu chứng tỏ rằng sự không tương ứng về thành phần khoáng vật của đá bị karst hoá với các điều kiện địa hoá của môi trường nước lưu động ở xung quanh bao giờ cũng là nguyên nhân

thành tạo karst và quyết định tính tất yếu tự nhiên của sự phát triển quá trình

ăn mòn Tốc độ phát triển của quá trình này trong đá dễ bị hoà tan (karst clorua) thì rất lớn trong đá bị hoà tan vừa (karst sunfat) cũng khá nhiều, những cũng chẳng chênh lệch lắm với so với thời hạn phục vụ công trình, trong đá khó bị hoà tan (karst cacbonat) thì tốc độ nhỏ, thường được tính băng những khoảng thời gian địa chất Do vậy ở những vùng đang hoặc có thể sẽ phát triển karst clorua và sunfat thì cần đánh giá không những mức độ karst hoá của đá,

mà đặc biệt còn là điều kiện phát sinh và tốc độ phát triển karts, tức hoạt tính của quá trình karst ở những vùng phát triển karst cacbonat thì việc đánh giá mức độ karst hóa của đá lại có tầm quan trọng chủ yếu [6]

1.3 Đánh giá mức độ karst hóa của đá

Mức độ karst hóa của đá là mức độ phá hủy tính liền khối của nó, do những chỗ chống và hang hốc được tạo nên khi rửa lũa và hòa tan Đó là độ hổng của đá, theo F.P Xavarenxky (năm 1943) được tạo nên sự phát triển karst, đặc trưng cho trạng thái hiện thời của các tầng đá, tức mức độ phá hủy tính liền khối và tỉnh ổn định của chúng, sự tăng tính thấm nước và điều kiện sũng nước Có thể đánh giá định lượng mức độ karst hóa của đá bằng thể tích tương đối của các chỗ chống và hang hốc karst trong thể tích đá đang nghiên cứu, tức là

v

V Trong đó:

C – chỉ tiêu karst hóa của đá, tính bằng phần mười hoặc phần trăm

v – thể tích các chỗ trống trong thể tích đang xét của đá

V – thể tích đá dùng để đo thể tích các chỗ trống karst

Chú ý rằng chỉ tiêu karst của đá C và chỉ tiêu hoạt tính karst A (theo N.V.Rođiônôv, năm 1958) có ý nghĩa khác nhau Chỉ tiêu hoạt tính karst đặc trưng cho cường độ phát triển của quá trình karst (tính bằng phần mười hoặc phần trăm cho 1000 năm), còn chỉ tiêu mức độ karst hóa (độ hổng) thì đặc trưng cho độ trống rỗng của đá ở thời điểm đang xét, phát sinh do quá trình karst, không kể thời gian thành tạo là bao lâu

Như đU nhận định ở trên, việc đánh giá tình hình karst hóa hiện thời của

đá có ý nghĩa thực tiển to lớn đối với những khu vực phát triển karst cacbonat

ở những vùng phát triển karst sunfat và clorua, cần biết không giêng gì mức

độ karst hóa, mà đặc biệt là điều kiện và tốc độ phát triển karst, bởi vì trong thạch cao, anhidrit và clorua nó phát triển với tốc độ lớn và rất lớn

Đánh giá mức độ karst hóa của đá thường gặp những khó khăn nhất

định bởi vì do thể tích các chỗ trống trong một thể tích đá nghiên cứu bao giờ cũng phức tạp Vì vậy, người ta thường đánh giá mức độ karst hóa bằng nhiều thủ thuật khác nhau, chủ yếu là gián tiếp, theo tài liệu:

1 Quan trắc địa mạo

2 Quan sát và đo trực tiếp các chỗ trống karst ở các vết lộ và ở chính ngay các chỗ trống karst ở các vết lộ và ở ngay các chỗ trống karst

3 Quan trắc khi khoan đào công trình thăm dò và lỗ khoan

4 Công tác thăm dò Địa vật lý

5 Quan trắc địa chất thủy văn và thủy văn chuyên môn

6 Công tác thí nghiệm thấm và phụt vữa xi măng

7 Quan trắc biến dạng của các công trình

Khi xác định mức độ karst hóa của đá thuộc một khoảnh hoặc vùng nào

đó, trong điều kiện thế nằm gần mặt của đá bị karst hóa, những cung cấp địa mạo thường cung cấp được những tài liệu xác thực Chẳng hạn, số loại hình karst trên mặt địa hình như phễu, lòng chảo, hố sụt và những chỗ trống khác trên một đơn vị diện tích lUnh thổ thì đặc trưng cho một độ phân bố của chúng

và tương ứng, cho phép đánh giá mức độ karst hóa của lUnh thổ và của đá cấu tạo nên lUnh thổ đó

Trong đó:

P – chỉ tiêu mật độ phân bố các loại hình karst nông trên một đơn vị diện tích bề mặt địa hình, chẳng hạn, mật độ phân bố phễu 1km2

n – số loại hình karst nông phát hiện được ở lUnh thổ đang nghiên cứu

F – diện tích lUnh thổ nghiên cứu (km2)

Công tác khoan và công tác Địa vật lý thăm dò là phương tiện quan trọng để phát hiện, theo dõi và khoanh vùng các loại hình karst sâu và tương ứng là đánh giá mức độ karst hoá của đá Quan sát tỷ lệ lấy lõi khi khoan, quan sát lượng hao hụt chất lỏng dùng để rửa, những lần tụt (thụt) dụng cụ khoan, diện mạo bên ngoài của lõi mẫu lấy từ lỗ khoan lên cũng cho phép nhận định về mức độ hổng (karst hoá) của đá

Tổ hợp các phương pháp thăm dò địa vật lý (thăm dò điện, đo trọng lực, thăm dò bằng địa chấn, thăm dò bằng từ, các phương pháp hạt nhân, các dạng khác nhau của karota – tức đo lỗ khoan bằng phương pháp địa vật lý) đều cho phép phân biệt các kiểu đá karst hoá trong mặt cắt địa chất, phát hiện những

đặc điểm của địa hình bị chôn vùi tại những khoảnh phân bố đá bị karst hoá, chiều sâu thế nằm của chúng, xác lập vị trí và ranh giới các đới karst và hốc karst Ngoài ra, những số liệu nghiên cứu địa vật lý còn cho phép xác định kế hoạch hợp lý nhất của công tác thí nghiệm và thăm dò về sau, để nghiên cứu

và đánh giá mức độ karst hoá của đá

Những quan trắc địa chất thuỷ văn, công tác thí nghiệm thấm có những

ý nghĩa rất quan trọng đối với việc đánh giá mức độ karst hoá của đá Đóng vai trò hàng đầu về mặt này là quan trắc các hình thức xuất hiện nước trong đá

bị karst hoá và đặc biệt là những số liệu về lưu lượng, chế độ của nguồn nước Như đU biết, thông thường các nguồn nước karst ở rất nhiều vùng đều có lưu

lượng rất lớn Chỉ những đới và tầng chứa nước karst là có thể có năng suất lớn nhất và tạo nên những nguồn có lưu lượng hàng chục m3/s Chúng ta biết rằng lưu lượng các nguồn nước karst càng lớn thì mức độ karst hoá của đá càng lớn

Còn có thể đánh giá so sánh mức độ karst hoá của đá theo kết quả thí nghiệm thấm chuyên môn: bơm ép và đổ nước thí nghiệm vào lỗ khoan và các

hố thăm dò, hoặc bơm hút nước thí nghiệm từ lỗ khoan và hố đào nếu như đá chứa nước Độ thấm nước và độ giàu nước của những đá thực tế bị hoà tan thường do mức độ karst hoá và phần nào do độ khe nứt quyết định Vì vậy, nếu bơm ép nước vào lỗ khoan đU xuyên tới đá như thế, có thể phán đoán được mức độ karst hoá của nó Tương tự như vậy, nếu từ một lỗ khoan đU đạt tới tầng nước karst, ta bơm hút nước ra, thì độ giàu nước và độ thấm nước của đá

sẽ đặc trưng cho mức độ karst hoá của nó

Những công việc thí nghiệm chuyên môn để đánh giá mức độ karst hoá của đá đều dựa trên cơ sở xác định độ hút nước, độ thấm nước và độ giàu nước của nó Lượng hút nước đơn vị và hệ số thấm là đơn vị đo độ hút nước và độ thấm nước của đá Sử dụng hai chỉ tiêu đó, có thể phân loại đá theo mức độ karst hoá (bảng 1.3)

Phân chia đá theo mức độ thấm nước, karst hoá và khe nứt được thể hiện trong bảng 1.3

không nứt nẻ

<0.01 <0.005

Thấm nước rất ít, bị karst hoá và nứt rất ít 0.01-0.1 0.005-0.05 Thấm nước ít, bị karst hoá và nứt nẻ ít 0.1-10 0.05-5

Thấm nước nhiều, bị karst hoá và nứt nẻ nhiều 30-100 15-50 Thấm nước rất nhiều, bị karst hoá và nứt nẻ

rất nhiều

>100 >50

Để đạt được độ tin cậy cao khi nghiên cứu độ karst hoá của đá, cần áp dụng phối hợp nhiều phương án Có như vậy mới thuyết minh được toàn diện tình trạng của các loại đá bị karst hoá, đánh giá được đúng mức độ ổn định của chúng và điều kiện xây dựng công trình trên đó Lúc này, có thể nhận xét

và đánh giá độ karst hoá của đá và của lảnh thổ theo cả phương pháp định tính (mô tả) lẫn phương pháp so sánh định lượng [6]

1.4 Những điều kiện thúc đẩy sự phát triển karst

Những điều kiện thúc đẩy karst phát triển gồm có: khí hậu và địa hình khu vực, đặc điểm thạch học của đá bị karst hóa, thế nằm mức độ nứt nẻ, vỡ vụn do những vận động kiến tạo, các hoạt động kiến tạo hiện đại và hoạt động xây dựng, kinh tế của con người

1.4.1 Điều kiện khí hậu:

Ta gặp karst trong rất nhiều đới địa lý khác nhau, nhưng nó phát triển nhiều nhất trong điều kiện khí hậu ẩm và thừa ẩm Khi lượng mưa tương đối lớn và bốc hơi ít, dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm lớn, cường độ trao đổi nước và tuần hoàn của nước sẽ mUnh liệt, do vây quá trình hòa tan và rửa lũa

sẽ phát triển Ngoài ra do mưa nhiều, thảm thực vật phong phú, các quá trình sinh học, phong hóa, phát triển mạnh mẽ, tạo ra khí cacbonic và tăng thêm tính ăn mòn của nước đối với đá cacbonat

Trong điều kiện khí hậu khô, lượng mưa ít, bốc hơi nhiều thì đá ở gần mặt đất bị rửa mòn không đáng kể, karst kém phát triển

Nước ta ở khu vực nhiệt đới gió mùa, vị trí lại gần xích đạo cho nên quá trình karst ở nước ta là quá trình karst nhiệt đới ẩm điển hình [7]

1.4.2 Điều kiện địa hình

Địa hình mặt đất có tác dụng nhất định, thậm chí đáng kể đối với sự phát triển karst ở vùng núi, karst biểu hiện mạnh mẻ hơn, đa dạng hơn và lan sâu hơn so với vùng đồng bằng ở vùng núi, do bóc mòn mạnh mẽ, đá bị hòa

tan thường lộ ra ngay trên mặt và nhanh chóng chịu quá trình ăn mòn hơn ở

đồng bằng, nên biểu hiện rõ rệt nhất các hình thái karst trên mặt

ở đồng bằng, các đá bị karst hóa thường bị các lớp đất hay đá trẻ hơn phủ lên nên hình thái karst trên mặt kém phong phú Khi ở dạng hố sụt, hố lún

dễ gây ra tai biến Do địa hình ít bị chia cắt, đất đá gần như nằm ngang và xen

kẽ nhiều tầng cách nước, nước vận động chậm chạp nên karst khó xâm nhập xuống sâu

Độ dốc bề mặt địa hình có ảnh hưởng rõ rệt như bảng 1.4 Khi những

điều kiện khác như nhau, tại những khoảng dốc ít thì karst phân bố rộng hơn nhiều vì nước mưa ngấm xuống mạnh hơn [6]

ảnh hưởng độ dốc bề mặt địa hình đối với sự phân bố karst (theo DC.Xôkôlôv) được thể hiện trong bảng 1.4

Bảng 1.4

Độ dốc bề

mặt

Diện tích các phễu so với tổng diện tích phân bố đá

cacbonat, %

Số lượng phễu

Lượng phần trăm so với tổng số phễu

Mật độ trung bình các phễu trên 1km 2

Sơn Tây, Hà Nam, Ninh Bình quá trình karst phát triển mạnh đến mức tạo thành những đồng bằng ngoại vi karst rộng lớn mà di tích của quá trình karst chỉ còn một số núi karst sót [7]

Đá có tính hòa tan bao gồm đá cacbonat (đá vôi, đôlômit), các loại đá muối (chứa các khoáng vật clorua, muối sunphat, muối brômat ), các đá vụn

do canxit kết tinh Trong đá trên đá cacbonat là chủ yếu (chiếm diện tích xuất

lộ của đá trầm tích lên tới 20%) Mức độ hòa tan của đá cacbonat giảm dần theo trình tự từ đá vôi đến đôlômit, rồi đến đá vôi chứa silic, chứa sét Đá hạt

to (d>0.1mm) có độ lỗ rỗng lớn thì dễ hòa tan hơn đá hạt nhỏ Đá bị biến chất

có độ rỗng giảm đi thì khả năng hòa tan kém hơn [2]

Đá karst ở nước ta chủ yếu là đá vôi Cambri, Ocđovic – Silua Đevon, Cacbon – Pecmi, Triat và một số không nhiều đá vôi đU bị đá hoa hóa có tuổi tiền Camri hoặc trẻ hơn Đáng chú ý nhất là 3 loại đá vôi sau:

- Đá Cacbon-pecmi có màu xám sáng, độ tinh khiết cao, kiến trúc hạt nhỏ, bề dầy từ 800-1500m, được phân bố thành những khối có diện tích lớn Tất cả những đặc tính ấy làm cho quá trình karst ở đá vôi này phát triển mạnh

mẽ nhất

- Đá vôi Đevon, đặc biệt là đá vôi Givet có mầu xám sẫm, hạt nhỏ tái kết tinh, có độ dầy thay đổi từ 300-1300m, diện phân bố rộng nhưng không tạo thành những khối lớn như đá vôi Cacbon-Pecmi, chứa nhiều vật chất silic

và sét cho nên karst phát triển trong loại đá vôi này có địa hình ngầm phát

triển yếu, các hang động thường không lớn và thường có lắng đọng các vật liệu vụn bở

- Đá vôi Triat, đặc biệt là đá vôi Anizi (Triat giữa) có mầu từ xám sáng

đến xám sẫm, bề dầy thay đổi từ 500-1000m, độ tinh khiết kém hơn đá vôi Cacbon-Pecmi nên địa hình karst cấu tạo từ đá vôi này không sắc sảo bằng địa hình cấu tạo từ đá vôi Cacbon-Pecmi [7]

1.4.4 Điều kiện thế nằm, độ khe nứt và mức độ dập vỡ của đá

Các yếu tố này có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển karst Trong những

đá bị che phủ bởi đất đá cách nước trên mặt thì karst phát triển yếu hoặc không hình thành Trái lại, trong đá lộ trần hoặc bị che phủ bởi đất đá xốp, thấm nước với bề dày nhỏ thì cactơ phát triển dễ dàng hơn ở những đá nằm ngang thì karst phát triển chủ yếu theo phương lớp; ở đá xếp rất nghiêng hoặc dốc đứng thì karst phát triển xuống sâu; ở đá có thế nằm nghiêng thì karst phát triển vừa theo phương lớp vừa theo hướng dốc Độ khe nứt và mức độ đập vỡ của đá lớn gây nên độ hang hốc lớn, làm tăng khả năng thâm nhập và vận

động của nước dưới đất

1.4.5 Yếu tố kiến tạo

Trong các yếu tố địa chất, những vận động kiến tạo hiện đại và mới nhất có ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển karst Những dao động có dấu dương, được biển hiện ở sự nâng cao lUnh thổ, có tác dụng hỗ trợ hoặc làm tăng mức độ tương phản của địa hình, gradien và độ dốc lớn của bề mặt địa hình, của mực nước dưới đất cùng tốc độ vận động của chúng Những biểu hiện đó làm tăng sự phát triển karst Trái lại, những vận động có dấu âm được biển hiện ở sự hạ thấp lUnh thổ thì không tạo ra những điều kiện thuận lợi cho

sự phát triển karst

1.4.6 Hoạt động xây dựng của con người

Việc xây dựng các công trình thủy lợi, thuỷ điện dâng nước, việc bơm hút nước ồ ạt ra khỏi lòng đất, xả nước có tính ăn mòn vào trong các tầng đá,

cùng nhiều các hoạt động khác của con người đều tạo ra những điều kiện thúc

đẩy karst phát triển

1.5 Một số quy luật phân bố karst

Xem xét một số nguyên nhân và điều kiện thúc đẩy sự phát triển karst,

có thể rút ra kết luận: sự thành tạo và phân bố karst liên quan với lịch sử địa chất của một khoảnh nào đó thuộc vỏ Trái Đất Thật vậy, những đặc điểm về thành phần của đất đá điều kiện thế nằm của chúng, mức độ nứt nẻ và đập vỡ,

vị trí độ cao của đá bị karst hoá so với các vận động kiến tạo hiện đại và mới nhất, tình trạng lộ trần đá do các quá trình bóc mòn và xói mòi gây ra, tất cả những yếu tố đó đều phụ thuộc vào các giai đoạn lịch sử địa chất nhất định Cho nên việc karst ở một số vùng khác thì nói chung không có về phương diện

địa chất cũng hoàn toàn theo quy luật

Tuy nhiên, trên bối cảnh địa chất chung như vậy, còn có thể phân biệt những quy luật cụ thể hơn về sự phân bố karst Trước hết là sự giảm bớt mức

độ karst hoá của đá theo chiều sâu- điều này quan sát thấy ở mọi nơi Nguyên nhân của quy luật này là do sự giảm độ hang hốc và thấm nước của đá theo chiều sâu, sự giảm gradien cột nước, cường độ trao đổi và mức độ ăn mòn của nước Tất nhiên những biến đổi về mức độ karst hoá của đá theo chiều sâu thì không đồng đều theo chiều sâu mà còn phụ thuộc vào điều kiện địa hình (vùng núi và đồng bằng), đặc điểm mặt cắt địa chất, đặc điểm thế nằm của đá

và những yếu tố khác, nhưng khuynh hướng chung về sự giảm dần của karst theo chiều sâu thì thực tế là quan sát được ở khắp nơi

ở mức độ nào đó, quá trình ăn mòn được điều hoà bởi vị trí gốc ăn mòn tức là đới nhận nước mặt từ mặt đá bị karst hoá chảy tới và là nơi thoát nước karst dưới đất Đới ăn mòn là đới tiêu thoát nước mà trong phạm vị đó chấm dứt sự hoà tan và rửa lũa của đá Gốc ăn mòn có thể phân bố ở vùng với gốc xói mòn, hoặc cao hơn, hoặt thấp hơn, là gốc cục bộ đối với khối đá đang bị karst hoá, hoặc là gốc chung cho cả vùng karst

Cần chú ý rằng tuyệt nhiên không phải ở đâu gốc ăn mòn cũng khống chế chiều sâu lan rộng của quá trình karst Trong điều kiện nước karst áp lực thì có sự vận động lên trên của nước, về phía có tác dụng tiêu thoát của đới gốc ăn mòn Trong những điều kiện đó, quá trình ăn mòn có thể phát triển sâu hơn gốc ăn mòn và gốc xói mòn Vì vậy, khi xác lập vị trí gốc ăn mòn, cần hình dung rõ ràng sơ đồ thủy động về sự vận động của nước karst, như của hệ nước có áp, chứ không quan niệm đơn thuần là vị trí độ cao của một mức nước nào đó như đôi khi vẫn phạm phải Thực chất sự khác biệt giữa gốc ăn mòn và gốc xói mòn là ở chỗ đó (bên dưới gốc xói mòn thì dòng nước thực sự mất hẳn

động năng và tác dụng rửa xói chấm dứt)

Theo quan hệ với gốc ăn mòn trong phạm vi khối đá bị karst hóa, có thể phân biệt những đới nhất định, khác nhau về mức độ phát triển karst, điều kiện vận động của nước dưới đất và chế độ của nó Đối với những miền được cấu tạo bởi những hệ tầng dầy đá bị hòa tan, Đ.X.Xôkôlôv đU chia ra (năm 1962) bốn đới sau đây theo chiều thẳng đứng (hình 1.2)

1 Đới thông khí từ mặt đất đến mực nước ngầm cao nhất, có mức độ karst hóa lớn, nước mưa khí quyển ngấm và dò xuống theo phương thẳng

đứng lẫn phương ngang tùy theo vị trí mực nước ngầm Các hình thái karst phát triển theo phương đứng là chủ yếu

2 Đới dao động theo mùa nằm giữa mực nước ngầm cao nhất và thấp nhất, nước vận động theo phương đứng lẫn phương ngang tùy theo vị trí mực nước ngầm Phát triển cả các hình thái karst theo phương nằm ngang và thẳng đứng

3 Đới bUo hòa hoàn toàn nằm dưới mực nước ngầm thấp nhất, có mức độ karst hóa vừa hoặc thấp, tốc độ vận động của nước dưới đất nhỏ hơn so với đới thông khí ở đới này có thể gặp những khoảnh đá dị thường, có mức độ karst hóa tăng lên và độ thấm nước cao Phát triển các hình thái karst theo phương nằm ngang là chủ yếu

4 Đới tuần hoàn sâu: nước vận động với tốc độ nhỏ về phía những chỗ tiêu thoát xa, ngoài ảnh hưởng trực tiếp của lưới thủy văn khu vực Đới

có mức độ karst hóa thấp Tổng độ hổng của đá thuộc đới này thì bé so với các đới trên

Sụng

IIIa IV

III III

I II

II I

Hình 1.2: Vận động của nước dưới đất ở các đới thẳng đứng khác nhau trong

khối đá bị karst hóa (theo Đ.X.Xôkôlôv)

I Đới thông khí; II Đới dao động mực nước dưới đất theo mùa; III Đới bUo hòa hòan toàn (IIIa-phạm vi tiêu thoát nước dưới đất ở đáy thung lũng); IV

Đới tuần hoàn sâu Các mũi tên chỉ phương vận động của nước dưới đất

Quy luật phân bố karst theo chiều sâu đôi khi bị phá vỡ, có thể do trong

hệ tầng đá bị hòa tan gặp các lớp, tầng đá hòa tan nhiều hơn thì karst sẽ phát triển theo các lớp này, tạo nên các lớp, tầng có mức độ karst hóa tăng lên khác thường [6]

Sự tăng cường độ của quá trình thành tạo karst ở gần thung lũng sông và

độ karst hóa của khu vực gần thung lũng tăng lên một cách tương ứng với các

đỉnh phân thủy Những nguyên nhân chính của quy luật này là: độ thấm nước khe nứt tăng trong các vùng thung lũng tăng lên, nước sông thâm nhập vào khối karst và hòa lẫn với nước karst (xảy ra chủ yếu vào mùa lũ)

Sự phát triển karst có liên hệ chặt chẽ với khí hậu, riêng sự phát triển karst cacbonnat thì có liên hệ với thực vật (là sản phẩm của khí hậu) Từ đới

có khí hậu khô với lớp phủ thực vật kém phát triển đến đới khí hậu ẩm cận nhiệt đới và nhiệt đới với lớp phủ thực vật phong phú và xanh tốt quanh năm thì cường độ phát triển karst, nhất là karst cacbonat tăng lên Mức độ hoạt

động của sự trao đổi nước trong đới thủy động phía trên phụ thuộc vào khí hậu, đặc biệt vào lượng mưa, ít nhiều biểu thị tính không đồng đều theo mùa của sự phát triển karst Động thái nước karst của các đới thủy động phía trên, một phần chiều dầy đới dao động mực nước karst theo mùa cũng phụ thuộc vào khí hậu

Đặc tính lớp phủ thực vật và thời kỳ xanh tốt cũng liên quan với khí hậu, còn chế độ axit cacbonic của nước karst trong cả 3 đới thủy động, phía trên thì phụ thuộc các yếu tố đó giảm dần và thực tế xem như tắt dần trong đới lưu thông sâu Vì vậy, karst được xếp vào quá trình địa chất và sự phát triển của chúng có liên hệ mật thiết với tính phân đới khí hậu [7]

1.6 Các loại hình karst

Karst được biểu hiện ở sự thành tạo rất nhiều loại của địa hình trên mặt

đất (trên mặt), cũng như các chỗ trống, rUnh, hang cùng những loại hình khác trong tầng đất đá (dưới sâu), cách mặt đất một độ sâu nào đó Chúng ta có thể phân chia các địa hình thành trong các đới khác nhau:

1.6.1 Các địa hình karst hình thành trong đới không khí

- RUnh karst (carren): Do nước ăn mòn tạo nên các rUnh, có độ sâu vài

cm đến hành mét, bề rộng có thể đến 1-2m, có nơi bị đất phủ lên che lấp các rUnh ngầm Giữa các rUnh có thể nhô lên các mỏm nhọn đá tai mèo (stony-sprent) Vùng ta luy tương đối thoải, đá tai mèo lởm chởm đủ hướng khá sắc cạnh Một số nơi trong vùng đá vôi ở Hà Giang phát triển các loại đá này ở vùng ta luy tương đối dốc thì các đá tai mèo xếp gần song song nhau ở nơi

ẩm ướt bề dầy của đá vôi lớn, thế nằm thoải thì dễ hình thành những khối đá

tai mèo dầy nhấp nhô có dạng rừng đá (stone forest) Dạng địa hình này có thể bắt gặp ở vùng Hoa Lư – Ninh Bình

ảnh 1: RUnh karst (Nguồn Internet)

- Phễu karst (funnel, doline): Các dạng địa hình karst trên mặt này có tính chất phổ biến nhất và thể hiện dưới hình thức những chỗ trũng với đường kính vài chục đến 100m, độ sâu của nó thường không vượt quá một nửa đường kính của nó Hình dáng trên bình đồ của phễu có thể là tròn trĩnh, bầu dục, hình lá hoặc hình sao Có trường hợp phễu bị lấp ở dưới nút, giữ lại ở trong phễu và chảy ra thung lũng karst (uvala), với diện tích đạt từ vài km2 đến vài chục km2

ảnh 2a: Phễu karst (Nguồn Internet)

ảnh 2b: Phễu karst (Nguồn Báo cáo trong hội nghị phát triển Bền vững các vùng đá vôi ở Việt Nam – Viện nghiên cứu Địa chất và khoán sản)

Hố - Giếng karst: Nước theo khe nứt ăn mòn xuống sâu tạo thành những

lỗ từ vài mét đến hàng chục mét, đường kính thường là một đến vài mét Chúng phát triển thuận lợi ở nơi giao nhau của hai hướng khe nứt

ảnh 3a: Hố karst (Nguồn Internet)

ảnh 3b: Hố karst (Nguồn Internet) 1.6.2 Địa hình karst hình thành trong đới dao động theo mùa và phần trên của đới bBo hòa hoàn toàn

- Buồng karst, hang karst: Loại hình karst phát triển theo chiều ngang, nếu mở rộng do sức phá hoại cơ học và hóa học thì dễ tạo thành những đường ngầm Trong địa hình đá vôi của nước ta đều phát triển các hang động này (hang Quàn- Hoa Lư, hang Đầu Gỗ – Hạ Long, sông ngầm ở Phong Nha – Quang Bình, Ngòi Thia – Yên Bôi ), hang ngầm lớn nhất ở Mỹ dài đến 250km Các hang ngầm có nước thành hồ ngầm (undergroud lake), nếu nước chảy thì có sông ngầm (underground river)

ảnh 4a: Đầu nguồn Sông Loue (Nguồn Internet)

Ảnh 4b Hố nước chảy vào hang ngầm ở Khe Gỏt (Ảnh Vũ Văn Phỏi)

ảnh 4c: Sông hang ngầm (Nguồn Báo cáo trong hội nghị phát triển Bền vững các vùng đá vôi ở Việt Nam – Viện nghiên cứu Địa chất và khoán sản)

- Hang karst nhiều tầng: Khi chuyển động kiến tạo nâng lên làm cho mực nước ngầm hạ thấp xuống thì tạo ra một hệ thống hang mới theo một chiều nằm ngang nhất định Nếu chuyển động nâng lên nhiều lần thì sẽ có hệ thống nhiều tầng hang karst phân bố ở các mức cao trình khác nhau

ảnh 5a: Hang karst (Nguồn Internet)

ảnh 5b: Động Phong Nha (Nguồn Báo cáo trong hội nghị phát triển Bền vững các vùng đá vôi ở Việt Nam – Viện nghiên cứu Địa chất và khoán sản)

- Karst chết và karst sống: Khi điều kiện môi trường địa chất biến đổi không thuận lợi cho sự phát triển hình thành karst nữa thì karst dừng hoạt

động Các dạng địa hình cũ của nó được bảo tồn ở dạng karst chết Ngược lại các dạng địa hình đang tiếp tục phát triển trong thời gian hiện đại gọi là karst

sống Nhận biết chúng có ý nghĩa hết sức to lớn trong việc xây dựng các công trình Karst sống thường làm mất nước các hồ chứa, làm sập lở phá hủy công trình sau khi xây dựng xong Nếu dâng mực nước lên cao đến một mức độ nào

đó có thể làm cho karst chết hoạt động trở lại, biến thành karst sống

- Thung lũng karst, cánh đồng karst (karstic plain): Đây là dạng địa hình karst trên mặt lớn nhất với diện tích từ vài chục đến vài trăm km2 Bề mặt thường trũng dài bằng phẳng và được hình thành liên quan với hiện tuợng cactơ hóa Ví dụ vùng Ninh Bình nơi được mệnh danh là Hạ Long cạn, phân

bố những cánh đồng phẳng, rải rác còn lại những chỏm núi đá vôi sót, cột còn lại của quá trình karst hóa [2]

1.8 Lịch sử nghiên cứu cactơ ở nước ta

Những tài liệu ghi lại quá trình nghiên cứu karst ở nước ta không nhiều Tài liệu đầu tiên đề cập karst ở nước ta là bài: “ Hiện tượng karst ở Đông Dương thuộc Pháp” của F Blondel (1929) Trong bài này, ông đU nêu ra một cách khái quát sơ đồ phân bố karst ở nước ta và sơ bộ cắt nghĩa sự hình thành các hình thái khác nhau của địa hình karst ở các miền khác nhau F Blondel đU quan niệm rằng xâm thực ở các miền đá vôi tức là quá trình karst cũng chẳng khác gì xâm thực do nước chảy trên mặt và vì thế ông đU chia karst ở nước ta thành ba miền:

1 Miền karst thấp: ở đây xâm thực đU kết thúc, các khối đá vôi hầu như đU hoàn tòan bị phá hủy nên chỉ còn lại lẻ tẻ những chỏm núi đá vôi sót (thí

dụ ở các vùng đá vôi Hạ Long và Ninh Bình)

2 Miền karst trung gian: ở đây xâm thực đang tiến triển mạnh mẽ, các khối

đá vôi còn đồ sộ và có phổ biến các lũng kín (thí dụ các khối đá vôi Bắc Sơn, Chợ Điền, Ba Bể…)

3 Miền karst cao: ở đây xâm thực chưa tới cho nên địa hình karst nơi đây cũng không khác gì địa hình karst ở miền karst thấp, chỉ khác về độ cao mà thôi (thí dụ các vùng đá vôi Cao Bằng và Ngân Sơn)

F Blondel kết luận rằng, hiện tượng karst ở Đông Dương cũng chẳng khác gì hiện tượng karst ở các vùng ôn đới Tài liệu này cũng có giá trị khoa học nhất định, tuy nhiên do tính chất khái quát nên có những nhược điểm cơ bản sau:

- Coi quá trình karst cũng như quá trình xâm thực do nước chảy trên mặt là quá đơn giản hóa vấn đề bởi vì động lực hình thành địa hình karst chủ yếu do hoạt động hòa tan của nước ngầm, còn động lực hình thành địa hình xâm thực chủ yếu là do tác dụng bóc mòn có học của nước mặt Như vậy có sự khác nhau cả về nhân tố lẫn cách thức mang vật liệu đi cho nên không thể tạo nên các địa hình giống nhau được

Karst nhiệt đới có những đặc điểm khác hẳn karst ôn đới

Không phải tất cả các miền karst cao đều có địa hình karst sót Ngay trong phạm vi vùng đá vôi Cao Bằng mà F Blondel lấy làm ví dụ thì địa hình của các khối đá vôi Đồng Mu, Bản Gia và Lục Khu không phải là địa hình karst sót…

Từ sau cách mạng tháng Tám và nhất là sau khi cuộc kháng chiến chống thực dân Pháp thắng lợi, việc xây dựng nền kinh tế xU hội chủ nghĩa đề

ra yêu cầu cần thiết phải hiểu biết về karst ở nước ta

Năm 1963, trong cuốn “ Địa lý tự nhiên Việt Nam”, Nguyễn Đức Chính nêu lên những đặc điểm karst nhiệt đới ở nước ta và sau đó có chỉ ra hai kiểu

địa hình karst: kiểu khối núi karst và kiểu cao nguyên karst Ngoài việc mô tả, tác giả đU phần nào giải thích quá trình hình thành địa hình karst mặc dầu khuôn khổ của cuốn sách không cho phép đi sâu vào vấn đề này

Trước nhu cầu của việc xây dựng các đập và hồ chứa nước nhằm các mục đích thủy lợi và thủy điện, Viện thiết kế thủy lợi thuộc bộ thủy lợi (nay là Công ty tư vấn thiết kế Thủy lợi I thuộc Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn) đU thành lập một ủy ban karst nhằm trao đổi tài liệu và tập trung lực lượng để giải quyết việc xây dựng đập ở các vùng karst, tuy nhiên do các mặt

hạn chế về khả năng cũng như về phương diện tổ chức nêu Uỷ ban này chưa

đáp ứng được yêu cầu đề ra Tuy vậy, việc trao đổi các tài liệu lý luận và thực tiễn trên đây cũng là cơ sở tốt giúp cho việc tiếp tục nghiên cứu karst ở nước

ta

Trong hai cuộc kháng chiến chống Pháp và chống Mỹ, nhiều cơ quan thuộc Bộ Quốc Phòng, Bộ công nghiệp … đU tiến hành nghiên cứu hang karst

để làm nơi trú ẩm tự nhiên và kho tàng…

Ngoài ra còn có một số nhà chuyên môn của các nước bạn có viết một

số bài nghiên cứu về quá trình karst ở nước ta Đó là bài “Vấn đề phát triển karst ở miền Bắc Việt Nam” của chuyên giá địa lý Liên xô M.A Zubaxenko (1964) đU nói đến quá trình phát triển karst mạnh mẽ ở nước ta, đề cập đến

ảnh hưởng của các yếu tố nội lực và ngoại lực đối với sự hình thành địa hình karst và cuối cùng đU giải thích nguyên nhân hình thành địa hình karst sót ở nước ta Bài “hiện tượng karst ở miền Bắc Việt Nam” của chuyên gia Ba Lan J.Glazek (1966) đU giới thiệu những kết quả quan sát của mình ở một số miền

ở karst Việt Nam, những khoáng sản có liên quan với quá trình karst và cuối cùng là nhận định về hướng phát triển của quá trình karst ở nước ta

Từ năm 1972 – 1976, một đoàn nghiên cứu gồm Nguyễn Quang Mỹ, Nguyễn Vi Dân, Nguyễn Xuân Trường, và Nguyễn Đức Gia đU tập trung nghiên cứu karst trong đá vôi ở Yên Duyệt, Bỉm Sơn (Thanh Hóa) phục vụ xây dựng nhà máy xi măng Bỉm Sơn và ở Hòa Bình cho dự án xây dựng nhà máy thủy điện Sông Đà Đoàn nghiên cứu này đU phối hợp với Hội nghiên cứu hang động hoàng giai Anh nhiều lần nghiên cứu hệ thống hang động và sông ngầm karst ở vùng Phong Nha

Gần đây, nhóm nghiên cứu địa mạo của Viện nghiên khoa học Địa chất

và khoáng sản đU nghiên cứu hiện tượng karst ở vùng thị xU Sơn La