Tiềm năng năng lượng nguồn tài nguyên Địa nhiệt hưng hà – quỳnh phụ trong mối liên quan với các Đặc Điểm Địa chất, kiến tạo khu vực

Tiềm năng năng lượng nguồn tài nguyên Địa nhiệt hưng hà – quỳnh phụ trong mối liên quan với các Đặc Điểm Địa chất, kiến tạo khu vực

ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, KIẾN TẠO KHU VỰC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT HỌC

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Vũ Văn Tích 2 PGS.TS Đặng Mai

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, Luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Nội dung chính của luận án không trùng lặp với bất cứ công trình nào khác đã từng được công bố trước đây Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực

Tác giả luận án

Trần Trọng Thắng

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy hướng dẫn đã tạo điều kiện để NCS tham gia các đề tài nghiên cứu địa nhiệt khu vực Tây Bắc cũng như hướng dẫn khoa học cho NCS trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn Khoa Địa chất, VNU-HUS đã tạo điều kiện cho NCS học tập, trao đổi chuyên môn với các nhà khoa học cũng như sự hỗ trợ, giúp đỡ trong suốt thời gian qua

Xin cảm ơn Trường Đại học học Khoa học Tự nhiên (VNU-HUS) trong việc tổ chức đào tạo và định hướng nghiên cứu để NCS hoàn thành Luận án

Tác giả xin gửi tới Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam lời cảm ơn chân thành vì đã tạo điều kiện cho tác giả thực hiện chuyên đề “Điều tra, đánh giá tiềm năng địa nhiệt phần đất liền bể Sông Hồng” thuộc đề án “Điều tra, đánh giá tổng thể tài nguyên than phần đất liền bể Sông Hồng”, trên cơ sở đó tác giả có nguồn tài liệu để hoàn thành Luận án này

Xin cảm ơn Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản đã tạo điều kiện để NCS tham gia thực hiện các đề tài, đề án cũng như triển khai nghiên cứu địa nhiệt trong nhiều năm qua

Xin chân thành cảm ơn Tập thể tác giả của chuyên đề “Điều tra, đánh giá tiềm năng địa nhiệt phần đất liền bể Sông Hồng”, những người đã góp phần rất lớn để hoàn thành chuyên đề từ đó làm cơ sở dữ liệu cho luận án của NCS!

Hà Nội, ngày 26 tháng 3 năm 2021

Tác giả luận án

Trần Trọng Thắng

2 Mục tiêu của luận án 10

3 Nhiệm vụ của luận án 10

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

5 Luận điểm bảo vệ: 11

6 Những điểm mới của luận án 12

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 12

8 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án 13

9 Bố cục của luận án 14

CHƯƠNG 1:LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU, CƠ SỞ TÀI LIỆN, CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15

1.1.Lịch sử nghiên cứu địa nhiệt và vấn đề đặt ra tại khu vực nghiên cứu 15

1.2.Cách tiếp cận của luận án 16

1.3.Các phương pháp nghiên cứu 20

1.3.1 Khảo sát thực địa, thu thập và phân tích mẫu 20

1.3.2 Địa nhiệt kế hóa học dung dịch nhiệt 25

1.3.3 Xác định đặc điểm và nguồn gốc dung dịch nhiệt 29

2.2.2 Đặc điểm phân bố trầm tích bồn trũng Sông Hồng và khu vực nghiên cứu 60

2.2.3 Địa chất cấu trúc bồn trầm tích trũng Sông Hồng 62

2.2.5 Bối cảnh kiến tạo 68

2.3 Đặc điểm địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu 73

2.4 Biểu hiện địa nhiệt đồng bằng Sông Hồng và khu vực nghiên cứu 74

CHƯƠNG 3:MÔ HÌNH DỰ BÁO HỆ ĐỊA NHIỆT HƯNG HÀ – QUỲNH PHỤ TRONG MỐI LIẾN QUAN VỚI ĐỊA CHẤT,KIẾN TẠO KHU VỰC 84

3.1 Đặc điểm địa hóa dung dịch nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ 84

3.1.1 Sự phân bố không gian của nước nóng ở khu vực nghiên cứu 84

3.1.2 Nhiệt độ dưới bồn địa nhiệt Hưng Hà- Quỳnh phụ 88

3.1.3 Đặc điểm và nguồn gốc dung dịch nhiệt nguồn địa nhiệt Hưng Hà-Quỳnh Phụ 91

3.2Mô hình dự báo hệ địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ 96

3.2.1 Gradient địa nhiệt khu vực nghiên cứu 96

3.2.2 Nhiệt sinh ra do phóng xạ 100

3.2.3 Nguồn nhiệt cho bồn địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ 102

3.2.4 Mô hình dự báo hệ địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ 103

CHƯƠNG 4:TIỀM NĂNG NĂNG LƯỢNG NGUỒN TÀI NGUYÊNĐỊA NHIỆT HƯNG HÀ – QUỲNH PHỤ 112

4.1Ước tính tài nguyên địa nhiệt và phương pháp đánh giá tiềm năng 112

4.2 Ước tính tiềm năng năng lượng nguồn địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ cho mục đích sử dụng trực tiếp 115

4.2.1 Khối lượng nước nóng ở tầng chứa nước tuổi Pleistocen 115

4.2.2 Ước tính năng lượng nhiệt của khối nước nóng ở bồn địa nhiệt thứ sinh trong tầng chứa nước Pleistocen 118

4.3 Ước tính năng lượng nhiệt có thể khai thác cho sản xuất điện 120

4.3.1 Năng lượng tích trữ trong bồn địa nhiệt Hưng Hà–Quỳnh Phụ 120

4.3.2 Ước tính công suất phát điện 122

CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VIẾT TẮT

ASSH - Đới trượt cắt Ailao Shan – Sông Hồng (Ailao Shan –

Red River shear zone) CCOP - Ủy ban Điều phối các Chương trình Khoa học Địa chất ở

Đông và Đông Nam Á (Coordinating Committee for Geoscience Programmes in East and Southeast Asia) ĐBSH - Đồng bằng Sông Hồng

ĐB – TN - Đông Bắc – Tây Nam EEP - Chương trình Đối tác năng lượng và Môi trường của Ủy

ban sông Mê Kông (Energy Environment Partnership Program Mekong)

TDS - Tổng khoáng hóa (Total Dissolved Solids) USGS - Cục Địa chất Mỹ (United States Geological Survey) UTM - Hệ tọa độ vuông góc UTM (Universal Transverse

Mercator)

đất xung quanh nguồn địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ 88

Bảng 3.4: Thành phần hóa học của nước nóng Hưng Hà – Quỳnh Phụ 89Bảng 3.5: Kết quả tính địa nhiệt kế các nước địa nhiệt vùng Hưng Hà - Quỳnh Phụ

91

Bảng 3.6: Gradient địa nhiệt các giếng khoan sâu 97Bảng 3.7: Kết quả tính toán lượng nhiệt sinh ra do phóng xạ các mẫu đá lõi khoan.

100

Bảng 4.1: Kết quả phân tích độ rỗng của đá thuộc tầng Pleistocen tại một số giếng

khoan gần vùng nghiên cứu 116

Bảng 4.2: Dự báo công suất phát điện nhà máy điện địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ.

124

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1: Vị trí vùng nghiên cứu trên google earth 9

Hình 1.1: Mô hình khái niệm của một hệ địa nhiệt 19

Hình 1.2: Biểu đồ tương quan hàm lượng Cl, SO4 và HCO3 trong nước địa nhiệt 30

Hình 1.7: Bản đồ các điểm khảo sát vùng địa nhiệt Hưng Hà - Quỳnh Phụ 39

Hình 1.8: Khảo sát thu thập mẫu nước, mẫu đá lõi khoan 40

Hình 2.1: So sánh địa tầng chứa nước Pleistocen trong khu vực lân cận với vùng nghiên cứu 46

Hình 2.2: Một số ứng dụng địa nhiệt ở Hưng Hà – Quỳnh Phụ, Thái Bình 47

Hình 2.3: Cột địa tầng hệ Đệ tứ khu vực nghiên cứu 58

Hình 2.4: Sơ đồ địa tầng Bồn trũng Sông Hồng 59

Hình 2.5: Bản đồ cấu trúc thời gian địa chấn của bề mặt trong Miocen thượng vùng bắc trung tâm bồn trũng Sông Hồng 60

Hình 2.6: Nền đá móng khu vực, xây dựng theo sơ đồ dự báo tướng đá móng trước Cenozoi Bể than Sông Hồng phần đất liền, tỷ lệ: 1/200.000 61

Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc miền võng Hà Nội phần đất liền 63

Hình 2.8: Mặt cắt địa chấn và mặt cắt địa tầng vẽ lại từ sườn phía đông phần lục địa của bồn trũng Sông Hồng Dọc theo sườn của lưu vực Bắc trung tâm bồn trũng Sông Hồng, sự gia tăng nhẹ độ dày trầm tích Miocen Thượng xuất hiện về phía đới đứt gãy Vĩnh Ninh 64

Hình 2.9: Đồng bằng sông Hồng và Vịnh Bắc Bộ được củng cố bởi các bồn Cenozoi mở rộng 65

Hình 2.10: Các đứt gãy được tạo thành do tác động của pha uốn nếp mạnh 67

Hình 2.11: Địa động lực khu vực Đông Nam Á và đứt gãy sâu Sông Hồng (Tibet- Tây Tạng; South China – Nam Trung Hoa; India - Ấn Độ) 69

Hình 2.12: Mặt cắt địa chất ngang qua đới đứt gãy Sông Hồng ở đoạn thuộc huyện Bảo Yên tỉnh Lào Cai 70

Hình 2.13: Mô hình trồi lộ lên bề mặt của các khối đá nóng biến chất dãy Núi Con

Voi 71

Hình 2.14: Mô hình của sự thoát nhiệt theo các đứt gãy trượt 71

Hình 2.15: Biểu đồ ước tính nhiệt độ áp suất và đường cong P-T của Dãy Núi Con Voi Trường nhiệt độ áp suất xác định nhờ tổ hợp cân bằng các khoáng vật cộng sinh 72

Hình 2.16: Wang, nnk 2000 tổng hợp các đường dẫn nguội lạnh của đá biến chất trong khối biến chất Dãy Núi Con Voi 73

Hình 2.17: Vị trí vùng nghiên cứu trên nền Sơ đồ Phân bố Tuyến Mặt cắt Địa chất Thủy văn 76

Hình 2.18: Mặt cắt địa chất thủy văn theo đường A-B trên sơ đồ hình 2.17 76

Hình 2.19: Sự phân bố dòng nhiệt và các nguồn nước nóng trong khu vực bồn trũng Hà Nội 79

Hình 2.20: Sơ đồ gradient địa nhiệt phần Đông Nam bồn trũng Hà Nội 81

Hình 2.21: Các đồ thị hiển thị kết quả của quá trình tối ưu hóa cho vị trí giếng LK200 (trên đất liền) và 103 TG (ngoài biển) 83

Hình 3.1: Biểu đồ Cl-SO4-HCO3 trường địa nhiệt Hưng Hà-Quỳnh Phụ 93

Hình 3.2: Biểu đồ K-Na-Mg trường địa nhiệt Hưng Hà - Quỳnh Phụ 93

Hình 3.3: Biểu đồ Na-K/Mg-Ca trường địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ 94

Hình 3.4: Biểu đồ mỗi tương quan Cl-Li-B 95

Hình 3.5: So sánh tỷ số đồng vị bền δ18O và δD của nước địa nhiệt Hưng Hà - Quỳnh Phụ với nước khí tượng 96

Hình 3.6: Biểu đồ biển đổi nhiệt độ theo chiều sâu giếng khoan ở vùng gần khu vực nghiên cứu 99

Hình 3.7: Mặt cắt địa chất theo đường I-I (Hình 2.6) qua vùng địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ (nguồn tài liệu: Liên đoàn INTERGEO, 2019) 108

Hình 3.8: Mặt cắt địa chất theo đường II-II (Hình 2.6) qua vùng địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ (nguồn tài liệu: Liên đoàn INTERGEO, 2019) 108

Hình 3.9: Mặt cắt địa chấn 2D qua vùng địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ (nguồn tài liệu: Liên đoàn INTERGEO, 2019) 109

Hình 3.10: Sơ đồ mối liên quan của trường dị thường địa nhiệt Hưng Hà - Quỳnh Phụ với các điều kiện địa chất trong vùng nghiên cứu (Bản đồ nền được thành lập theo tài liệu các tờ bản đồ địa chất khoáng sản tỉ lệ 1:200.000, nguồn tài liệu: Liên đoàn INTERGEO, 2019) 109

Hình 3.11: Cơ chế hình thành bồn địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh phụ trong bối cảnh

địa chất và kiến tạo 110

Hình 3.12: Mô hình dự báo hệ địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ dựa theo mặt cắt địa

chấn 2D (nguồn tài liệu: Liên đoàn INTERGEO, 2019) 110

Hình 4.1: Bản đồ đẳng nhiệt tầng chứa nước Pleistocen trường địa nhiệt Hưng Hà -

Quỳnh Phụ và Phủ Cừ, tỷ lệ: 1/25.000 117

Hình 4.2: Tiềm năng địa nhiệt tầng chứa nước Pleistocen trường địa nhiệt Hưng Hà

- Quỳnh Phụ và Phủ Cừ, tỷ lệ: 1/25.000 118

MỞ ĐẦU

Năng lượng Địa nhiệt được biết đến từ lâu ở Việt Nam và được sử dụng cho các mục đích sưởi ấm ở các suối nước khoáng nóng và chữa bệnh nhờ nhiệt và thành phần hóa học của chúng mang lại

Biểu hiện Địa nhiệt là sự xuất lộ các nguồn nước khoáng nóng có ở nhiều nơi ở Việt Nam, trong đó tại vùng đồng bằng châu thổ Sông Hồng theo các báo cáo trước đây, đã phát hiện được 22 điểm nước nóng có nhiệt độ từ 32oC đến 137oC, trong đó tất cả nguồn nước nóng đều xuất hiện ở các giếng khoan có độ sâu từ 30 m đến 3.300 m

Trên thế giới, tiềm năng năng lượng địa nhiệt được điều tra, đánh giá và tổ chức khai thác ở mức độ cao, trên cơ sở đó có các giải pháp công nghệ để khai thác cho phát điện và các mục đích khác như sấy khô nông sản, sưởi ấm, làm mát, nuôi trồng thủy sản, chăn nuôi gia súc gia cầm v.v…

Tại khu vực nghiên cứu thuộc vùng Đồng bằng sông Hồng (Hình 1), theo điều tra, từ nhiều năm nay những hộ dân sống trên một địa bàn thuộc 3 huyện Quỳnh Phụ và Hưng Hà của tỉnh Thái Bính và Phủ Cừ của tỉnh Hưng Yên đã sử dụng năng lượng địa nhiệt với nhiệt độ dao động từ 30 oC đến 50oC từ nước các giếng khoan có độ sâu từ 60 đến 100 m phục vụ sinh hoạt hàng ngày và một số ít phục vụ kinh doanh nước uống cao cấp, nuôi trồng thủy sản và chăn nuôi gia súc, gia cầm

1 Lý do lựa chọn đề tài

Địa nhiệt là một nguồn năng lượng tái tạo, xanh, sạch, bền vững và đáng tin cậy Hiện nay địa nhiệt đóng vai trò rất nghĩa quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội của các quốc gia như Iceland, Newzealand, Philipin Indonesia, vv Tổng công suất các nhà máy điện địa nhiệt ở 30 nước trên thế giới đến năm 2020 là 15,95 GWe, đến năm 2025 sẽ có thêm 9 nước có nhà máy điện địa nhiệt, nâng tổng số công suất lắp đặt lên đến 19,33 GWe (Gerald W

Huttrer, 2020) Các ứng dụng địa nhiệt trực tiếp như bơm địa nhiệt, sưởi ấm, sưởi ấm nhà kính, làm ấm ao cá, sấy khô nông sản, các ứng dụng công nghiệp, ngâm tắm, bể bơi, làm tan tuyết v.v… trên thế giới đã đạt đến 70 GWt, trong đó địa nhiệt để sưởi ấm ao cá chiếm 0,99% với công là 695 MWt (John W Lund và Tonya L Boyd, 2015)

Hình 1: Vị trí vùng nghiên cứu trên google earth

Việt Nam là vùng được biết đến có biểu hiện địa nhiệt phong phú với gần 300 điểm xuất lộ trên khắp lãnh thổ Tuy nhiên việc điều tra, đánh giá quy mô và tiềm năng của các nguồn địa nhiệt này vẫn còn hạn chế, dẫn tới chưa có phương pháp khai thác phù hợp, do đó năng lượng địa nhiệt đóng góp cho mục tiêu phát triển năng lượng sạch ở Việt Nam còn rất ít so với hầu hết các lĩnh vực năng lượng khác, trong khi ở các nước tiên tiến nêu trên nguồn năng lượng đóng góp từ khai thác năng lượng địa nhiệt đóng vai trò đáng kể

Ở nhiều nước trên thế giới, việc điều tra, nghiên cứu tiềm năng năng lượng địa nhiệt được đầu tư, tổ chức nghiên cứu sâu hơn, trong khi ở Việt Nam

tài nguyên địa nhiệt trong các thành tạo địa chất ở nước ta chưa được biết đến một cách đầy đủ, có thể do đó mà chưa được tổ chức nghiên cứu, đánh giá cũng như khai thác chúng một cách hiệu quả cho các mục tiêu công nghiệp

Theo đánh giá của Bộ Công thương, tiềm năng năng lượng địa nhiệt ở Việt Nam hiện nay có thể khai thác trực tiếp tương ứng với khoảng 670 MW (EEP Mekong and Vietnam General Directorate of Energy/MOIT, 2013), tuy nhiên tiềm năng địa nhiệt của các nguồn cụ thể vẫn chưa được nghiên cứu chi tiết

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế nêu trên NCS đã lựa chọn đề tài

"Tiềm năng năng lượng nguồn tài nguyên địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ trong mối liên quan với các đặc điểm địa chất, kiến tạo khu vực " làm nội

dung nghiên cứu với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể như sau:

2 Mục tiêu của luận án

- Xác định được bản chất nguồn địa nhiệt khu vực Hưng Hà – Quỳnh Phụ, Thái Bình trong mối liên quan tới các hoạt động địa chất và kiến tạo khu vực

- Xây dựng mô hình địa nhiệt dự báo cho trường địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ trên cơ sở các tài liệu khảo sát, nghiên cứu và các tài liệu sẵn có từ trước tới nay

- Xác định được tiềm năng năng lượng của nguồn địa nhiệt này định hướng cho khai thác và sử dụng hợp lý

3 Nhiệm vụ của luận án

- Xác định thành phần hóa học và những đặc điểm hóa lý của nước khoáng nóng ở tầng chứa nước tuổi Pleistocen để xác định bản chất và nguồn gốc của nguồn nước này trong nghiên cứu và đánh giá tài nguyên địa nhiệt

- Đánh giá các đặc điểm địa chất, kiến tạo liên quan đến quá trình hình thành nguồn địa nhiệt trong khu vực và liên hệ với quá trình thành tạo cũng như không tồn tại của các nguồn địa nhiệt trong khu vực

- Đề xuất mô hình bồn chứa nguồn địa nhiệt dựa trên đặc điểm dung dịch địa nhiệt, cấu trúc địa chất, đứt gãy và các hoạt động mgma kiến tạo trong khu vực bồn trũng Sông Hồng

- Đánh giá sơ bộ tiềm năng năng lượng của nguồn địa nhiệt khu vực nghiên cứu, định hướng cho khai thác và sử dụng

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: là hệ địa nhiệt khu vực Hưng Hà – Quỳnh Phụ: diện phân bố của trường nhiệt, độ sâu của bồn địa nhiệt, kênh dẫn dung dịch địa nhiệt, thành phần dung dịch nhiệt, tiềm năng năng lượng địa nhiệt

- Phạm vi nghiên cứu: diện tích nghiên cứu trên phạm vi khoảng 70km2

thuộc huyện Hưng Hà và Quỳnh Phụ (tỉnh Thái Bình), huyện Phủ Cừ (tỉnh Hưng Yên), trên nền địa chất thuộc phần đất liền bể Sông Hồng

5 Luận điểm bảo vệ:

Luận điểm 1

Hoạt động của đứt gẫy sâu Sông Hồng tạo điều kiện cho dòng magma từ manti đi lên sinh ra các đá biến chất nhiệt độ cao ở phần móng vỏ dưới sâu của miền võng Hà Nội Quá trình nguội dần của các khối đá biển chất làm tăng gradient nhiệt độ bồn trũng Sông Hồng Đứt gãy Thái Bình là kênh dẫn nước khí tượng từ cận bề mặt đi xuống các lớp đá có độ rỗng và độ thẩm thấu cao ở

hệ tầng Phủ Cừ hoặc/và Tiên Hưng Đứt gãy Vĩnh Ninh đã tạo điều kiện cho dòng nhiệt ở khối đá biến chất đi lên, làm nóng bồn địa nhiệt tại chỗ giao cắt với các lớp đá chứa nước và cũng là kênh dẫn nước từ bồn địa nhiệt đi lên rồi nằm lại ở tầng chứa nước Pleistocen tại Hưng Hà – Quỳnh Phụ

Luận điểm 2

Nước nóng tự nhiên ở dưới sâu đi lên và nằm lại ở tầng chứa nước tuổi Pleistocen với khối lượng lớn, có nhiệt độ trung bình 420C, nhiệt lượng có thể khai thác được là 1,6 x 107 Gigajun (GJ) cho các ứng dụng trực tiếp Bồn địa

nằm trong hệ tầng Phủ Cừ hoặc/và Tiên Hưng có khả năng khai thác cho nhà máy sản xuất điện địa nhiệt với công suất ước tính khoảng 13,1 MWe

6 Những điểm mới của luận án

- Xác định được nguồn nhiệt, kênh dẫn truyền nước địa nhiệt, bồn chứa địa nhiệt và dung dịch nhiệt của hệ địa nhiệt Hưng Hà - Quỳnh phụ Gradient địa nhiệt khá cao ở vùng này là do những khối đá biến chất nằm sâu bên dưới, trồi lộ dọc theo đới siết trượt sông Hồng

- Nhiệt độ dưới bồn địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ tính theo địa nhiệt kế hóa học dung dịch nhiệt là 1480C Nhiệt độ này khá phù hợp với nhiệt độ theo gradient địa nhiệt của vùng nghiên cứu, khoảng 1300C -1500C ở độ sâu khoảng 3 km, thuộc hệ tầng Vĩnh Bảo và/hoặc Tiên Hưng

- Nước nóng được nằm lại ở tầng chứa nước Pleistocen thành một khối lớn, cho phép dễ dàng khai thác cho sử dụng trực tiếp

- Đã xác lập bộ dữ liệu từ đứt gãy, hoạt động magma, biến chất, tầng chứa, tầng chắn, loại nước khoáng, nhiệt độ bồn chứa địa nhiệt dưới sâu, cơ chế xuất lộ và quy mô khai thác khả tính cho một bồn địa nhiệt thuộc vùng đồng bằng Sông Hồng

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

* Ý nghĩa khoa học:

Nghiên cứu này làm rõ thêm tiềm năng năng lượng từ tài nguyên địa nhiệt ở Việt Nam nói chung và ở khu vực nghiên cứu nói riêng, góp phần định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo về địa nhiệt liên quan tới hoạt động địa chất hiện đại của đới đứt gãy sông Hồng cũng như các nghiên cứu tiếp theo về địa nhiệt liên quan tới các đới đứt gãy khác trên lãnh thổ Việt Nam

Mặt khác, kết quả nghiên cứu về tiềm năng địa nhiệt cũng góp phần minh chứng cho mức độ hoạt động của đới đứt gãy Sông Hồng là đới đứt gãy hiện đại cho tới tận ngày nay với các dị thường địa nhiệt ở trên mặt và dưới sâu của chúng

* Ý nghĩa thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu này góp phần định hướng cho địa phương có thể khai thác năng lượng trực tiếp phục vụ cho nuôi trồng thủy sản ở qui mô lớn hơn hiện tại Với một khối lượng nước nóng lớn và luôn được bổ xung từ nước nóng ở dưới sâu đi lên, nhiều ứng dụng địa nhiệt trực tiếp khác như phục vụ các hoạt động du lịch chăm sóc sức khỏe, bể bơi nước nóng, tắm ngâm, vật lý trị liệu

nên được áp dụng

Với nhiệt độ của nước nóng dưới bồn chứa địa nhiệt theo tính toán theo các địa nhiệt kế khoảng 1480C, nguồn địa nhiệt này có thể cho phép khai thác cho mục tiêu phát điện địa nhiệt sử dụng công nghệ chu kỳ nhị nguyên

Nếu được quan tâm, đầu tư thích hợp, nguồn địa nhiệt này cũng có thể đóng góp đáng kể cho sự phát triển kinh tế của tỉnh Thái Bình trong bối cảnh thiếu năng lượng như hiện nay, đặc biệt là nguồn năng lượng tái tạo, xanh, sạch, bền vững và đáng tin cậy

8 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án

Tài liệu của luận án bao gồm: - Tài liệu khảo sát thực địa khu vực nghiên cứu: Các giá trị đo pH, TDS, Eh, và nhiệt độ nước của 80 điểm khảo sát là cá giếng khoan ở nhà dân ở vùng nghiên cứu

- Tài liệu về kết quả phân tích hóa học 13 mẫu nước địa nhiệt với các chỉ tiêu phân tích như: Na, K, Ca, Mg, SiO2, CL, SO4, HCO3, CO3, NH4, Fe, Mn, Ba, H2S, Cs, Sr, Li, Rb, B, As, F, Hg, Br và đồng vị bền D, O18

- Tài liệu từ kết quả phân tích 180 mẫu đá lõi khoan của 19 giếng khoan trong vùng lân cận của vùng nghiên cứu với các chỉ tiêu phân tích: U, Th, K và các thông số về độ dẫn nhiệt và độ rỗng của đá

- Tài liệu đo nhiệt độ của 19 giếng khoan trong vùng lân cận của vùng nghiên cứu thuộc đề án “Điều tra, đánh giá tổng thể tài nguyên than phần đất

liền bể Sông Hồng” của Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam, thực hiện từ năm 2012 đến năm 2019

Ngoài ra các tài liệu để tham khảo là những kết quả của các đề tài nghiên cứu địa chất thủy văn, nước nóng, nước khoáng và địa nhiệt của nhiều tác giả khác từ trước đến nay

Các tài liệu để làm rõ các hoạt động đứt gãy kiến tạo, bồn trầm tích Đệ Tam, Đệ Tứ, các nghiên cứu địa vật lý, được tham khảo qua các bài báo được đăng ở những tạp trí có uy tín của các tác giả trong và ngoài nước nhiều năm trở lại đây

9 Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, bố cục Luận án gồm 4 chương: - Chương 1 Lịch sử nghiên cứu, cơ sở tài liệu, cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu

- Chương 2 Đặc điểm địa chất, kiến tạo hiện đại và địa nhiệt khu vực nghiên cứu

- Chương 3 Mô hình dự báo hệ địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ trong mối liên quan với địa chất, kiến tạo khu vực

- Chương 4 Tiềm năng năng lượng nguồn tài nguyên địa nhiệt Hưng Hà - Quỳnh Phụ

CHƯƠNG 1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU, CƠ SỞ TÀI LIỆN, CÁCH TIẾP CẬN

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Lịch sử nghiên cứu địa nhiệt và vấn đề đặt ra tại khu vực nghiên cứu

Trong quá trình tìm kiếm nước dưới đất và tìm kiếm dầu khí từ khoảng 40 năm trước, nghiên cứu nước khoáng - nóng ở khu vực Hưng Hà – Quỳnh Phụ, Thái Bình lần đầu tiên được đề cập đến qua các công trình khoan, theo các công trình này nước khoáng xuất hiện ở độ sâu 50 - 300m

Tiếp đến là các công trình Điều tra nghiên cứu ô nhiễm nước dưới đất vùng đồng bằng Bắc Bộ (Đỗ Trọng Sự, 2000), Danh bạ nước khoáng nóng toàn quốc (Võ Công Nghiệp, 1998) và Đánh giá tiềm năng địa nhiệt vùng Đông bắc Bắc Bộ (Cao Duy Giang, 2013) Trong các nghiên cứu này, các tác giả đã chỉ ra nguồn nước khoáng nóng thuộc tầng chứa nước Pleistocen ở vùng Hưng Hà – Quỳnh Phụ cũng như đã có đánh giá sơ bộ về tiềm năng địa nhiệt của nguồn địa nhiệt này

Tiếp là các nghiên cứu của các nhà khoa học địa vật lý về các dị thường địa nhiệt của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam như Đoàn Văn Tuyến và Đinh Văn Toàn (2010 và 2011) Trong nghiên cứu này đã chỉ ra tính phân đới theo diện bề mặt của trường địa nhiệt trong khu vực nghiên cứu Đây là cơ sở quan trọng trong yếu tố đầu vào của tính toán tiềm năng năng lượng địa nhiệt

Năm 1997, Cục địa chất Nhật Bản đã xuất bản Bản đồ dòng nhiệt khu vực Đông Á và Đông Nam Á trong Chương trình nghiên cứu của CCOP của nhiều tác giả trong đó có các tác giả Việt Nam như Trần Văn Huyên và Đỗ Văn Đạo, đã chỉ ra rằng chế độ nhiệt ở bồn trũng Sông Hồng là cao nhất trong 4 bồn

Các hoạt động thực tiễn do nhu cầu phát triển kinh tế xã hội cũng đặt ra cơ sở và đòi hỏi thực tiễn cho việc tổ chức khai thác các nguồn địa nhiệt trong khu vực mà các nghiên cứu chưa đề cập cụ thể để định hướng khai thác Đồng thời cũng chưa chỉ ra nguồn gốc và mô hình hình thành bồn địa nhiệt cũng như chưa tính toán dự báo báo được tiềm năng năng lượng của nguồn nhiệt Đây chính là vấn đề cần nghiên cứu của Luận án này

1.2 Cách tiếp cận của luận án

Đối với mô hình dự báo hay mô hình khái niệm (Conceptual model):

Luận án sử dụng các mô hình lý thuyết và thực tiễn từ các công trình nghiên cứu trên thế giới định hướng cho việc tổ chức nghiên cứu để xác định các thông số cụ thể, thực tế tại khu vực nghiên cứu Hưng Hà - Quỳnh Phụ làm cơ sở cho luận giải đặc điểm, nguồn gốc và xây dựng mô hình khái niệm cho nguồn địa nhiệt này

Theo Henry P H., 2009, các thông tin và dữ liệu đa dạng về các hệ địa nhiệt ngày càng được thống nhất thông qua việc phát triển các mô hình dự báo (Conceptual Model) của các hệ thống tương ứng Chúng đóng một vai trò quan trọng trong tất cả các giai đoạn của thăm dò và phát triển địa nhiệt chẳng hạn như: bằng cách cung cấp một bức tranh thống nhất về cấu trúc và tính chất của hệ thống được đề cập Các mô hình dự báo là các mô hình mô tả định tính, không được sử dụng để tính toán Các thông tin này chủ yếu dựa vào thông tin địa chất như các bản đồ địa chất trên bề mặt, các phân tích dữ liệu dưới bề mặt, dữ liệu viễn thám, kết quả khảo sát địa vật lý, thông tin về hóa học và đồng vị của nước địa nhiệt hiện xuất lộ trên bề mặt và ở các giếng khoan, các điều kiện áp suất dựa trên phân tích các dữ liệu giếng khoan, cũng như các thông tin về bồn chứa khác

Để ước tính tiềm năng địa nhiệt của một khu vực cần tiếp cận mô hình dự báo toàn diện của hệ địa nhiệt gồm các thông tin như sau:

- Kích thước của một hệ địa nhiệt, cụ thể là thông tin về phạm vi trên bề

mặt, độ dày và độ sâu cũng như các ranh giới bên ngoài (theo chiều thẳng đứng)

- Đặc điểm của (các) nguồn nhiệt cho một hệ thống - Thông tin về vị trí và độ bền của vùng nước nóng chảy lên/cung cấp, kể cả nguồn gốc của nước nóng

- Vị trí và quy mô của các nguồn cấp nước lạnh - Mô hình dòng chảy khái quát trong hệ địa nhiệt, cả ở trạng thái tự nhiên và những thay đổi do ảnh hưởng của hoạt động kiến tạo

- Các điều kiện nhiệt độ và áp suất trong một hệ địa nhiệt (tức là các điều kiện nhiệt động ban đầu thông qua các mô hình nhiệt độ và mô hình áp suất)

- Vị trí của vùng hai pha (pha hơi và pha lỏng), cũng như các vùng mà chủ yếu là hơi

- Cấu trúc đường dẫn nước chính (đứt gãy, đới phá hủy, đới nằm ngang v.v…)

- Vị trí của ranh giới nội bộ (dọc và/hoặc ngang) như là các lớp chắn đối với dòng chảy

- Lớp đá mái của hệ địa nhiệt (ranh giới ngang) - Phân chia hệ thống thành các hệ thống con, hoặc các bồn chứa riêng, nếu có

Không phải tất cả các mô hình dự báo địa nhiệt đều kết hợp tất cả các yếu tố trên, trên thực tế chỉ có một số ít được như vậy Vậy làm thế nào để mô hình dự báo gần đúng là phụ thuộc vào thực trạng sự phát triển của hệ thống đang được nói đến

Ở giai đoạn đầu, với kiến thức còn hạn chế và chỉ có thông tin về một vài trong số các yếu tố trên là có sẵn một cách tự nhiên Khi tiếp tục phát triển kiến thức về các yếu tố nói trên tăng; đầu tiên là khoan sâu đã được thực hiện và sau đó khi việc sử dụng quy mô lớn đã được tiến hành trong một thời gian, với sự giám sát liên quan Chỉ sau khi có thông tin khá toàn diện về các yếu tố

Các mô hình dự báo của các hệ địa nhiệt là sự thể hiện về mặt không gian các đặc điểm vật lý của hệ thống, mà theo truyền thống được trình bày trong mặt cắt không gian 2D Sự phát triển các công cụ mô hình hóa dần dần đã tạo điều kiện cho việc tích hợp các tài liệu địa chất, địa vật lý và địa hóa cũng như là được xem dưới mô hình 3D và sự luận giải về mô hình Các công cụ này có thể làm cho mô hình dự báo tiệm cận thực tế hơn vì chúng cho phép cập nhật dữ liệu liên tục và đầy đủ

Ba hợp phần địa chất để hình thành một hệ địa nhiệt là: nước, nhiệt và độ thẩm thấu nước của đất đá hay các khe nứt, đứt gãy, đới dập vỡ để cho nước có thể chảy và chảy lên đến gần bề mặt hay lên bề mặt đất (Henry P và nnk., 2009) Theo Mary H Dickson, 2003 với mô hình một hệ địa nhiệt lý tưởng trong bồn trầm tích được trình bày ở hình 1.1

Hình 1.1 cũng là mô hình thể hiện một số khái niệm quan trọng trong lĩnh vực địa nhiệt Những thuật ngữ này đã được định nghĩa rõ nhất ở một Báo cáo Kỹ thuật về Kế hoạch và Cung cấp Tài chính cho Phát điện Địa nhiệt của Ngân hàng Thế giới (WB, 2012) như sau:

Hệ địa nhiệt: Là nói đến tất cả các bộ phận của hệ thống thủy văn liên

quan, bao gồm cả vùng cung cấp nước, tất cả các bộ phận dưới bề mặt và dòng nước chảy ra từ hệ địa nhiệt

Bồn địa nhiệt: là phần nóng và thấm nước của hệ địa nhiệt mà có thể khai

thác trực tiếp được Để có một bồn địa nhiệt có thể khai thác được, cần phải có đủ nhiệt tự nhiên để chuyển thành áp suất và mang hơi nước và/hoặc nước lên bề mặt

Trường địa nhiệt: là một định nghĩa địa lý, thường chỉ một khu vực có

các hoạt động địa nhiệt trên bề mặt Trái đất Trong trường hợp không có hoạt động trên bề mặt, thuật ngữ này có thể được sử dụng để chỉ khu vực trên bề mặt tương ứng với bồn chứa địa nhiệt ở bên dưới

Đối với tiềm năng năng lượng: Tính tiềm năng năng lượng của một

nguồn địa nhiệt cũng theo các phương pháp đã được áp dụng trên thế giới Tuy nhiên đối với nguồn địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ, các thông số đưa vào tính toán vẫn chưa chính xác do chưa có điều kiện để làm công tác thăm dò cho nguồn tài nguyên địa nhiệt này Phương pháp ước tính từ đây được áp dụng trên cơ sở các đặc điểm địa chất khu vực bồn trũng Sông Hồng phần lục địa, chẳng hạn như thể tích cũng như độ rỗng, độ thẩm thấu của bồn địa nhiệt ở dưới sâu Các thông số ước tính tuy không chính xác nhưng cũng phần nào phản ánh được những nét đặc trưng cho cả khu vực Những ước tính này có thể xác định mục tiêu cho việc nghiên cứu, thăm dò tiếp theo để tìm ra được thông số giúp cho việc đánh giá tiềm năng, trữ lượng mỏ địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ được chính xác để từ đó có thể khai thác năng lượng của nguồn địa nhiệt này cho nhà máy phát điện

Hình 1.1: Mô hình khái niệm của một hệ địa nhiệt (Mary H Dickson, 2003)

1.3 Các phương pháp nghiên cứu

Luận án được hình thành trên cơ sở chuyên đề “Điều tra, đánh giá tiềm năng địa nhiệt phần đất liền bể Sông Hồng” do NCS chủ trì nên NCS hoàn toàn có quyền sử dụng các số liệu từ chuyên để này làm luận án

1.3.1 Khảo sát thực địa, thu thập và phân tích mẫu

Kế hoạch khảo sát thu thập mẫu:

Khu vực Hưng Hà – Quỳnh Phụ có địa hình khá bằng phẳng nằm hoàn toàn ở trung tâm của ĐBSH Toàn bộ diện tích bị che phủ bởi trầm tích Đệ tứ với bề mặt là đồng ruộng, sông hồ, kênh mương, vườn ao và các khu dân cư Trong khu vực này không phát hiện các xuất lộ của đá gốc

Nước nóng trong vùng xuất hiện tại các giếng khoan lấy nước sinh hoạt của người dân, các giếng khoan ở khu vực nuôi trồng thủy sản và một số giếng khoan để lấy nước làm nước uống tinh khiết “cao cấp” của các doanh nghiệp Với đặc điểm biểu hiện nhiệt độ nước nóng ở các giếng khoan, việc khảo sát và lấy mẫu nước nóng tại đây được tiến hành từ giếng khoan có nhiệt độ nước cao nhất hướng ra các giếng khoan ở xung quanh cho đến khi gặp các giếng nước có nhiệt độ bình thường

Các giếng khoan sâu của đề án “Điều tra, đánh giá tổng thể tài nguyên than phần đất liền bể Sông Hồng” nằm ở khu vực lân cận về phía bờ biển cũng đã được nhóm nghiên cứu đến tận vị trí khoan và có quan sát quá trình khoan cũng như việc lấy mẫu lõi khoan ở một số giếng Các mẫu lõi khoan được Liên đoàn Intergeo lưu giữ rất cẩn thận tại kho chứa mẫu của Liên đoàn Địa chất Miền Bắc tại thị trấn Như Quỳnh, huyện Văn Lâm, Hưng Yên Các mẫu đá lõi khoan được lấy từ khi chứa mẫu này

Mẫu nước:

Đối với việc nghiên cứu địa nhiệt, nhiệm vụ lấy mẫu chất lỏng (hay mẫu nước) địa nhiệt là vô cùng quan trọng Lấy các mẫu nước thuộc loại không sôi có thể chia làm 2 loại, mẫu từ nguồn lộ tự nhiên và mẫu từ các giếng khoan

Trong trường hợp lấy mẫu từ nguồn lộ nước nóng, lấy được nước đang chảy tự nhiên ở chỗ lấy mẫu là tốt nhất Nhưng trong nghiên cứu này phải dùng bơm nước nóng từ giếng khoan nước sinh hoạt của nhà dân để lấy mẫu Khi lấy mẫu từ giếng khoan, ngoài việc phải đo nhiệt độ, các thông số lý-hóa tại thực địa và lưu lượng nước chảy còn phải đo áp suất đầu lỗ khoan nếu có và ghi lại các thông số.

Các thông số cần ghi chép khi lấy mẫu nước:

- Vị trí lấy mẫu theo tọa độ UTM, thông tin về phép chiếu và mốc bản đồ nên được chỉ ra rõ ràng (chẳng hạn WGS 84, ED 1950, v.v )

- Nhiệt độ theo Celsius (°C) - Độ dẫn điện (Ec) đơn vị là μS/cm - Độ pH

- Lưu lượng tính bằng l/s hoặc kg/s, ước lượng là đủ, việc đo này không cần phải chính xác, chỉ cần chính xác tới thang bậc mười

- Các bong bóng khí - Mùi (sulfur, hoặc các mùi khác) - Các kết tủa trong dung dịch

Các số liệu phân tích nước để chuẩn bị cho việc tính toán nhiệt độ bồn chứa và thể hiện qua các biểu đồ Các chỉ tiêu tối thiểu cần thiết là: pH, nồng độ SiO2, nồng độ các cation và anion chính (Na, K, Ca, Mg, Cl, SO4, HCO3/CO3) và một số các nguyên tố vi lượng chính (Li, Rb, Cs, B, F) Một mẫu axit hóa hoặc pha loãng riêng biệt cần thiết cho phân tích hàm lượng SiO2 Các phân tích khác nhau có giá trị trong một số trường hợp nhất định, đặc biệt nếu mô hình hóa học được tính (ví dụ: Al và Fe) hoặc nếu có mối quan tâm về môi trường (ví dụ như As, Hg) Các phân tích thực địa hoặc các mẫu kín có thể cần thiết cho các vùng nước hoặc nước có khả năng bị thay đổi do quá trình oxy hóa trong khi vận chuyển (tức là chất lỏng giàu Fe hoặc H2S) Đo độ pH

và nhiệt độ mẫu ngoài thực địa là để khi xác định sự thay đổi tính chất hóa học của mẫu giữa ngoài thực địa và phòng thí nghiệm

Độ dẫn điện được đo tại thực địa và ghi vào phiếu mẫu để kiểm soát chất lượng vì độ dẫn được báo cáo trong microSeimens/cm thường gấp khoảng 100 lần tổng số cation hoặc anion (tính bằng milliequivalents/l, Hem, 1970) Độ dẫn điện, như một thước đo gần đúng một cách độc lập của nồng độ các nguyên tố trong mẫu, cũng có thể giúp cho việc trộn mẫu và ghi nhãn Một thiếu sót của nhiều phòng thí nghiệm nước không chuyên về phân tích địa nhiệt là họ có thể không đo được một số thành phần với giải giá trị cần thiết Ví dụ, vì nước từ các tầng chứa nước trên mặt thường có lượng Mg lớn hơn so với nước dưới bồn địa nhiệt, hầu hết các phòng thí nghiệm chủ yếu phân tích chất lượng nước sẽ có giới hạn phát hiện đối với Mg cao hơn 0,1 mg/l cần thiết để cung cấp kết quả có giá trị cho các biểu đồ quan trọng chẳng hạn như biểu đồ tam giác Na-K-Mg Các mẫu nước cũng cần được thu thập để phân tích đồng vị bền (δ18O và δD) Nếu nghi ngờ H2S hòa tan (bằng mùi), nên thêm một đoạn dây đồng trần dài vào mẫu để đồng kết hợp với sunfua, vì đôi khi sunfua sẽ tác động đến các phân tích 18O Một việc quan trọng là cũng cần phải thu thập một mẫu nước khí tượng ở địa phương, lý tưởng nhất là từ suối hay ao nước lạnh, để xác định thành phần rồi so sánh với thành phần của các mẫu nước địa nhiệt

- Thu thập mẫu nước địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ: Do vùng nghiên cứu có địa hình đồng bằng bằng phẳng, lớp phủ trầm tích đệ tứ rất dày, nước nóng được đưa lên từ bên dưới qua kênh dẫn là đứt gãy hay khe nứt và được giữ lại ở tầng chứa nước Pleistocen, bởi vậy việc lấy mẫu nước địa nhiệt cho nguồn địa nhiệt này hoàn toàn lấy ở các giếng khoan nông mà người dân ở đây lấy làm nước sinh hoạt Các giếng khoan có độ sâu từ 60 đến 100m Cứ mỗi gia đình có một giếng khoan bởi thế mật độ giếng khoan có thể lấy được mẫu rất dầy Từ giếng khoan có nhiệt độ cao nhất ở trung tâm – nơi có độ nóng cao nhất đến các giếng khoan có nhiệt độ bình thường ở vùng ven rìa có nhiệt độ

nước như nhiệt độ của các giếng khoan nông cấp nước sinh hoạt thông thường Trong số 80 giếng khoan được khảo sát có 55 giếng có nước nóng với nhiệt độ từ hơn 30 đến 50oC Trong tổng số 80 giếng khảo sát, lấy 13 mẫu nước ở 13 giếng nước nóng và 1 mẫu lấy từ nguồn nước ao, nước trên mặt (Hình 1.7)

- Kỹ thuật lấy mẫu và thông số đo ngoài thực tế: Với tất cả các giếng khảo sát đều đo nhiệt độ, nhờ đó mà có thể chỉ ra những vị trí trên bề mặt có thể khoan được nước nóng và vẽ bản đổ tiềm năng địa nhiệt hay nước nóng ở tầng cận bề mặt ở vùng nghiên cứu Các thông số hóa lý của nước được đo ở ngoài thực địa trong quá trình khảo sát là: nhiệt độ, độ pH, độ dẫn điện và độ tổng khoáng hóa (TDS) Mẫu lấy được đựng trong bình đựng mẫu plastic Mẫu được chia làm 3 loại: Để phân tích các chỉ tiêu đa lượng, các chỉ tiêu vi lượng, Oxygen 18 (δO18) và Deuterium (δD) Quá trình xử lý mẫy nước ở nghiên cứu này cùng đơn giản: Vì nước có nống độ SiO2 rất thấp (< 100ppm) nên không cần phải pha loãng mẫu bằng nước cất hai lần Các mẫu từ nước giếng khoan nên nước rất trong cũng không cần sử dụng đến màng lọc (0.45µm) để cho phân tích các anion Đối với mẫu cho phân tích các cation được nhỏ 3 giọt axit HNO3 đậm đặc vào chai đựng mẫu 1 lít để hạn chế các cation này bám vào thành chai đựng mẫu hoặc kết tủa Nước địa nhiệt ở đây không có biểu hiện có khí nên không lấy mẫu khí

- Dựa vào các yêu cầu phân tích đối với nước địa nhiệt, các chỉ tiêu phân tích ở phòng thí nghiệm phục vục cho việc tính toán, xử lý và luận giải đặc điểm tính chất của hệ địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ

- Phân tích mẫu nước địa nhiệt thường được chi làm 3 loại: Phân tích các cation; Phân tích Anion và phân tích đồng vị bền Các phân tích cation và anion được thực hiện tại phòng Phân tích của Viện Quy hoạch và Thiết kế Nông nghiệp và phân tích đồng vị bền D, O18 được thực hiện tại phòng Thí nghiệm

Thủy văn Đồng vị, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

Trên diện tích toàn bộ vùng địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ là những cánh đồng, các ao hồ, kênh mương và đất thổ cư không hề xuất lộ đá gốc là các trầm tích Đệ tứ Tuy nhiên nằm cách vùng nghiên cứu từ 3 km đến 60 km có hàng loạt các giếng khoan đến độ sâu 1.200 m Đây là các giếng khoan lấy mẫu lõi có đường kính ở 2 mức 60 mm và 45 mm Các mẫu lõi khoan được để trong các khay đựng mẫu tiêu chuẩn có đánh số hiệu giếng khoan, độ sâu mẫu khoan và được đưa về kho chứa mẫu để bảo quản cẩn thận

- Vị trí các giến khoan được thể hiện ở hình 2.6 Trong tổng số 19 giếng khoan sâu này, giếng khoan gần vùng nghiên cứu nhất là 5 km còn giếng khoan ở cách xa nhất khoảng 45 km Với quan điểm cho rằng sự thay đổi thành phần và đặc điểm của đá dưới lòng đất của cả khu vực rộng lớn này không thay đổi nhiều, nên các đặc điểm của các đá ở các giếng khoan này cũng phản ánh đặc điểm của đá dưới sâu của vùng nghiên cứu Với số lượng mẫu được lấy hạn chế nên phải căn cứ vào đặc điểm đá lõi khoan (sạn kết, cát kết, bột kết, sét kết) và vị trí lấy mẫu theo độ sâu của giếng khoan Về độ sâu của các vị trí lấy mẫu được chia gần đều theo từng giếng khoan sao cho mỗi giếng khoan lấy mẫu ở 3 vị trí khác nhau Riêng giếng khoan gần sát vùng nghiên cứu nhất được lấy mẫu ở 6 độ sâu khác nhau để phản ánh điều kiện gần hơn với trường địa nhiệt Tổng cộng mẫu đá lấy ở 60 vị trí trong 19 giếng khoan trong đó mỗi vị trí lấy 3 mẫu cho phân tích độ dẫn nhiệt, độ rỗng và hàm lượng các nguyên tố U, Th và K

- Các mẫu đá được lấy đều phải đạt kích thước và khối lượng như yêu cầu của các phòng thí nghiệm cho các phân tích độ rỗng, độ dẫn nhiệt và hàm lượng các nguyên tố U, Th và K

- Các phòng thí nghiệm phân tích mẫu đá: Đo độ dẫn nhiệt tại phòng Thí nghiệm Nhiệt động và Truyền nhiệt thuộc Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM; Đo độ rỗng tại ở phòng Thí nghiệm Cơ lý Đất Đá thuộc Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản; Phân tích nồng độ các nguyên tố U,Th, K

tại Trung tâm Phân tích Thí nghiệm Xạ hiếm, Liên đoàn Địa chất Xạ hiếm, Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam

1.3.2 Địa nhiệt kế hóa học dung dịch nhiệt

Địa nhiệt kế là phương pháp xác định nhiệt độ của bồn chứa địa nhiệt nhờ sử dụng các công thức dựa vào hàm lượng của các nguyên tố trong dung dịch địa nhiệt Đây là phương pháp đã được phổ biến áp dụng cho tất cả các nghiên cứu, thăm dò và khai thác địa nhiệt trên thế giới Cơ sở của phương pháp này là dựa vào tính chất hòa tan của các khoáng vật trong nước cũng như là phản ứng giữa các đá vây quanh với nước địa nhiệt (water-rock interaction) Ở nhiệt độ áp suất nào đó, khả năng hòa tan của khoáng vật hoặc sự phản ứng giữa khoáng vật hay đá vây quanh với nước là khác nhau Khi nước địa nhiệt lên được đến mặt đất, mặc dù điều kiện nhiệt độ áp suất có thay đổi nhưng cơ bản là chúng vẫn giữ được thành phần ban đầu khi được lấy đi phân tích

Địa nhiệt kế nước địa nhiệt có thể được chia làm 2 nhóm:

- Dựa vào sự thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ của quá trình hòa tan các khoáng vật riêng biệt như là các địa nhiệt kế SiO2

- Dựa vào các phản ứng trao đổi phụ thuộc vào nhiệt độ Các phản ứng này phải bao gồm ít nhất 2 khoáng vật và dung dịch địa nhiệt, vì thế có các tỷ số của các thành phần hòa tan thích hợp nhất định (ví dụ: các địa nhiệt kế hòa tan ion)

Địa nhiệt kế Silica: Dựa vào mức độ hòa tan của SiO2 trong nước ở các nhiệt độ khác nhau Khi đã biết hàm lượng của SiO2 trong nước địa nhiệt thì có thể tính được nhiệt độ của nguồn nước khi mà SiO2 hòa tan theo một số công thức như sau:

+ Theo (Arnorsson et al 1983): 273,15

)log(91,4

1112

2

−+

=

SiOC

To

+ Hoặc theo Fournier, 1977: ToC = 731 −273,15

Địa nhiệt kế thạch anh:

Phương trình để tính nhiệt độ theo địa nhiệt kế thạch anh trong điều kiện không mất hơi

15,273log

19,5

1309−+

=

SC

To (theo Fournier, 1977)

Trong đó S là nồng độ silic tính theo mg/kg Địa nhiệt kế thạch anh được xây dựng trên giả định sau: - Dung dịch có cân bằng thạch anh với môi trường xung quanh trong bồn nhiệt

- Áp suất ảnh hưởng lên độ hoà tan của thạch anh gần với áp xuất của nước ở nhiệt độ 374oC

- Không có sự hoà trộn giữa nước nóng và nước lạnh trong quá trình đi lên

Địa nhiệt kế cation:

Địa nhiệt kế cation dựa vào các phản ứng trao đổi ion trong đó các hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ Ví dụ: sự trao đổi Na+ và K+ giữa các felspat kiềm tồn tại như sau:

NaAlSi3O8 + K+ = KAlSi3O8 + Na+ Hệ số cân bằng Keq cho phương trình này là: Keq=Na/K Phương trình trên có thể viết thành:

Trong đó Na và K là các phân tử lượng của các ion tương ứng Nồng độ của các hợp phần hoà tan cũng được thể hiện bởi các đơn vị khác như: đương lượng gam, ppm hoặc mg/kg với Keq thay đổi tương ứng Đối với sự trao đổi ion giữa ion hoá trị 1 và hoá trị 2 như K+ và Mg++ thì Keq được tính:

MgKKep =

273,1309−

CTo

15,273]][[

]][[

83

8

KONaAlSi

NaOKAlSiKeq

Sự thay đổi hằng số cân bằng theo nhiệt độ được xác định bằng phương trình Van’t Hoff:

Trong đó H là sự chênh lệch về nhiệt độ của dung dịch (cũng được gọi là enthalpy của phản ứng), T là nhiệt độ Kelvin, R là hằng số khí và C là hằng số tích hợp (-273.15) H thường thay đổi rất ít trong khoảng nhiệt độ 0-300oC

Trong số các địa nhiệt kế cation, các địa nhiệt kế sau đây được sử dụng trong nghiên cứu này:

- Địa nhiệt kế Na – K (Arnórsson, 1983) khi nhiệt độ dung dịch trong khoảng 25-2500C được tính bằng công thức:

- Địa nhiệt kế Na - K (Giggenbach, 1983), khi t > ~ 120oC và nồng độ Na, K được đo bằng mg/kg:

- Địa nhiệt kế Truesdell (1976) cho 100 - 2750C, nồng độ Na, K được đo bằng mg/kg:

15,273)log(857,0

+=

KNaC

To

- Địa nhiệt kế Tonani (1980), nồng độ Na, K được đo bằng mg/kg:

15,273)log(78,0

883

−+

=

KNaC

To

- Địa nhiệt kế Foumier (1979), nồng độ Na, K được đo bằng mg/kg:

CRTHLogK

o

303,2

15,273)

K/Nalog(933

,0

933

+=

15,273)

K/Nalog(75

,1

1390

+=

+=

KNaC

To

- Địa nhiệt kế Nivea và Nieva (1987), nồng độ Na, K được đo bằng mg/kg:

15,273)log(47,1

1187

−+

=

KNaC

Tính toán địa nhiệt kế là rất quan trọng trong quá trình nghiên cứu địa nhiệt, khi có thể chưa có thông tin từ các phép đo trong các giếng khoan nhưng nó cũng rất quan trọng khi khoan

Một số địa nhiệt kế nguyên tố đa lượng đã được sử dụng thành công cho ước tính nhiệt độ cận bề mặt điển hình như các địa nhiệt kế của Fournier (1981) và Henley (1984) Ở một số vùng địa nhiệt nhất định, hàm lượng SiO2 trong các dung dịch địa nhiệt xuất hiện ở một giới hạn trên 175oC bởi sự hòa tan của thạch anh khoáng vật (SiO2) và giới hạn dưới 175oC bởi sự hòa tan của silica vô định hình

Các địa nhiệt kế khác nhau thường đưa ra các kết quả khác nhau khi được áp dụng trong cùng một dung dịch Sử dụng tài liệu khác nhau có thể cho thấy độ tin cậy tương đối của các địa nhiệt kế khác nhau trong các điều kiện địa chất riêng biệt khác nhau Ví dụ, nồng độ silica có thể bị ảnh hưởng bởi pH của dung dịch, và nhiệt độ được tính từ địa nhiệt kế Na-K-Ca có thể có hàng loạt các lỗi

nếu CO2 hay các nồng độ Mg quá cao hoặc nếu có sự bổ xung của bất kỳ các nguyên tố này qua phản ứng của dung dịch với các đá trầm tích hay các khoáng vật trao đổi ion như là sét hoặc các zeolite Sự pha trộn giữa nước địa nhiệt và nước ngầm thông thường có thể cũng làm thay đổi hàm lượng của các nguyên tố đa lượng dùng để tính địa nhiệt kế, và có thể dẫn đến nhiệt độ tính toán cao quá hoặc là thấp quá Thêm vào đó, một số địa nhiệt kế không áp dụng được khi các nhiệt độ bồn chứa thấp hơn khoảng 150oC

1.3.3 Xác định đặc điểm và nguồn gốc dung dịch nhiệt

Các phương pháp nghiên cứu hóa học dung dịch nhiệt trên thế giới được áp dụng cho nguồn địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ như sau

Phương pháp tương quan 3 thành phần Cl - - SO42- - HCO3-: (Giggenbach và Goguel, 1989)

Biểu đồ tam giác Cl-SO4-HCO3 (Hình 1.2) được sử dụng để phân loại các mẫu nước địa nhiệt (Giggenbach, 1988; Giggenbach và Goguel, 1989) Vị trí của các điểm đại diện cho nguồn địa nhiệt được thể hiện trên biểu đồ này nhờ tính toán, trước hết là tổng các nồng độ (S) từ ba nồng độ thành phần (Ci), đơn vị là mg/kg:

S = CCl + CSO4 + CHCO3 Sau đó tính phần trăm của %Cl, %HCO3 và %SO4 như sau:

%-Cl = 100 CCl/S %-HCO3 = 100 CHCO3/S %-SO4 = 100CSO4/S Biểu đồ này cho thấy nhóm thành phần của các loại nước khác nhau được tìm thấy điển hình ở các khu vực địa nhiệt như là:

(1) Các nước NaCl đã trưởng thành có pH trung tính, giàu Cl và nằm ở gần góc Cl;

(2) Các nước Na-HCO3, ở đây được chỉ ra là các nước ngoại vi

ngầm các khí núi lửa chứa HCl nhiệt độ cao hoặc hoặc các hơi địa nhiệt có H2S nhiệt độ thấp

Những thuận lợi của biểu đồ này là: - Ba ion chính được đưa lên biểu đồ một cách riêng rẽ theo 3 đỉnh của biểu đồ

- Các đường pha trộn là các cạnh tam giác - Tất cả các mẫu có thể đưa lên biểu đồ; các nhóm và xu hướng của mẫu nước có thể được đánh giá

Những hạn chế là: - Các tỷ số liên quan giữa CL, SO4 và HCO3 được thể hiện; hàm lượng của mỗi thành phần nước không thể hiện rõ trong biểu đồ này;

- Các tương quan rõ ràng có thể là ngẫu nhiên; các tương quan phải được kiểm tra bởi các dữ liệu bổ xung độc lập

Hình 1.2: Biểu đồ tương quan hàm lượng Cl, SO4 và HCO3 trong nước địa

nhiệt (Giggenbach và Goguel, 1989)

Biểu đồ ba thành phần Cl-SO4-HCO3 được sử dụng rộng rãi minh họa tỷ lệ của các anion chính có trong nước địa nhiệt theo định dạng dựa trên Giggenbach (1991a) Các nhãn trên ô biểu thị sự liên kết với các phần khác

nhau của hệ địa nhiệt hoặc các loại hệ thống địa nhiệt khác nhau Một suối nước nóng với clorua đáng kể, bicarbonate vừa phải và sunfat tối thiểu phù hợp với dòng chảy từ một bồn chứa địa nhiệt Nó sẽ có nhiều khả năng cung cấp địa nhiệt kế cation đáng tin cậy hơn là một suối nước mà chủ yếu là bicarbonate hoặc sulfate

Các hợp phần SO4, HCO3, Cl được phân tích từ các mẫu nước địa nhiệt được đưa lên sơ đồ này để làm rõ phân loại của nước địa nhiệt và một số tính chất của nước địa nhiệt

Phương pháp tương quan 3 thành phần: K-Na-Mg của Giggenbach (1988):

Sơ đồ tam giác K-Na-Mg (C) cũng theo cách tương tự như sơ đồ tam giác Cl-SO4-HCO3 và vị trí của các điểm dữ liệu trên sơ đồ được tính toán tương tự (Hình 1.3)

S = CNa/1000 + CK/100 + CMg1/2 %-Na = CNa/10S

%-K = CK/S %-Mg = 100CMg1/2/S Bằng biểu đồ tam giác Na-K-Mg1/2, Giggenbach (1988) đưa ra một phương pháp đánh giá mức đạt được trạng thái cân bằng nước – đá Biều đồ này, có hai hệ thống được thể hiện bằng hai tập các đường thẳng có các tỷ số Na/K và K/Mg1/2 không đổi, tỏa ra từ góc Mg1/2 và góc Na tương ứng Vì tại mỗi giá trị tỷ số Na/K và K/Mg1/2 tương đương với giá trị nhiệt độ duy nhất, mỗi một đường này là một đường đẳng nhiệt Sự giao nhau của các đường đẳng nhiệt Na-K và K-Mg, dẫn đến cùng một nhiệt độ, tương đương với các thành phần nước trong cân bằng với các pha khoáng vật khống chế các địa nhiệt kế và được mô tả là đường cong “cân bằng toàn phần” Các thành phần của các nước được sinh ra qua sự hòa tan đẳng hóa của các đá vỏ Trái đất, cũng được

chỉ ra ở biểu đồ tam giác này, vạch ra khu vực hòa tan đá, mà rất tách biệt với đường cong “cân bằng hoàn toàn”

Các mẫu từ các giếng địa nhiệt nhìn chung nằm ở đường cong cân bằng, ở các nhiệt độ cao hơn nhiệt độ được do vật lý ở các giếng này một chút

Tương tự các nước suối nằm ở dưới đường cong cân bằng và hướng tập trung về phía góc Mg1/2, chỉ ra rằng, khi bị lạnh, Mg đạt được nhanh hơn Na ở các dung dịch nhiệt

Một số nước HCO3- chỉ ra mức độ cân bằng từng phần đạt được, trong khi các nước giàu CO2 khác và các nước axit nằm ở vị trí gần với góc Mg1/2 Các nước này được gọi là “nước chưa trưởng thành”, nó cung cấp các nhiệt độ Na-K không đáng tin cậy, trong khi các nhiệt độ K-Mg của chúng có thể vẫn còn hợp lý, ít nhất không áp dụng cho các nước có độ axit cao quá Biều đồ Na-K-Mg1/2 này là một công cụ mạnh cho phép:

(1) Phân loại ngay lập tức giữa các nước phù hợp hay không phù hợp cho ứng dụng các địa nhiệt kế hòa tan ion

(2) Đánh giá các nhiệt độ cân bằng ở dưới sâu và (3) Đánh giá các ảnh hưởng tái cân bằng và hỗn hợp trên một số lượng lớn các mẫu

Biểu đồ Na-K-Mg có lẽ là đồ thị địa nhiệt kế cation được sử dụng rộng rãi nhất, một biểu đồ kết hợp địa nhiệt kế natri-kali (Na-K) với địa nhiệt kế kali-magiê (KMg) Ngay sau khi được trình bày bởi Giggenbach, các phiên bản kế tiếp của sơ đồ này đã được ngành công nghiệp địa nhiệt chấp nhận nhanh chóng đến nỗi nó được biết đến như là sơ đồ Gig Gigbach, mặc dù nó chỉ đơn thuần là sử dụng rộng rãi nhất trong số nhiều biểu đồ chéo hiệu quả được phát triển bởi Giggenbach Phiên bản ở đây tương tự như của Giggenbach (1991a) Giggenbach gọi loại biểu đồ này là một “địa chỉ thị” vì nó tổ chức các điểm dữ liệu được vẽ theo cách minh họa cả bằng chứng hỗ trợ cho việc giải thích nước

cân bằng ở nhiệt độ cao và ảnh hưởng của các quá trình nông và khả năng cân bằng ở nhiệt độ thấp hơn

Phương pháp tương quan 3 thành phần: Na - (K/Mg) - Ca của Giggenbach và Goguel (1989)

Biểu đồ Na-(K/Mg)-Ca này (Hình 1.4), được trình bày trong Giggenbach và Goguel (1989), là một biểu đồ địa chỉ thị khác có thể được xem như là làm chi tiết tỉ mỉ hơn về biểu đồ Na-K-Mg Nó đi kèm địa nhiệt kế Na-K với sự cân bằng của hệ thống Mg-Ca Ứng dụng rộng rãi nhất của nó là xác định ảnh hưởng của các quá trình nhiệt độ thấp, nông, mà có ảnh hưởng đặc biệt đến trạng thái cân bằng Mg-Ca rõ ràng Nó có thể thích hợp cho các bồn chứa trong đá cacbonat hoặc chất lỏng bị chi phối bởi hóa học đá hơn là cân bằng địa nhiệt

Hình 1.3: Biểu đồ ba thành phần Na-K-Mg1/2 (Giggenbach, 1988)

020

4060

80100

Mg1/2Na/1000

K/100

80100120140160180200220240260280300320340

ĐáChưa cân bằngCân bằng từng phần hay hỗn hợpCân bằng toàn

phần

% theo Mg

Hình 1.4: Biểu đồ tương quan Na-K/Mg-Ca trong nước địa nhiệt khu vực

nghiên cứu (Giggenbach và Goguel, 1989)

Phương pháp tương quan 3 thành phần: Cl – Li - B của Giggenbach, 1991a

Nguyên tố Li được sử dụng như là một nguyên tố vết vì nó là một kim loại kiểm ít ảnh hưởng bởi các quá trình thứ sinh đối với sự hòa tan đá ban đầu ở dưới sâu và làm một tham chiếu cho đánh gía nguồn gốc có thể của các thành phần “bảo thủ” của các nước địa nhiệt, Cl và B Một khi được thêm vào, Li giữ nguyên trong dung dịch Hàm lượng B trong dung dịch có thể phản ánh một số mức độ trưởng thành của một hệ địa nhiệt; vì tính bay hơi của nó, B bị tách ra trong các giai đoạn sớm khi làm nóng dung dịch Trong những trường hợp như vậy, các dung dịch từ các hệ nhiệt dịch già hơn có thể được mong đợi là cạn hết B (tương tự As, Sb và Hg) trong khi ngược lại B lại được giữ ở các hệ nhiệt dịch trẻ hơn Tuy nhiên có một mâu thuẫn là cả Cl và B đều được thêm vào các dung dịch chứa Li theo các tỷ lệ gần với các tỷ lệ trong các đá vỏ Trái đất Ở các nhiệt độ cao hơn, Cl xuất hiện như dưới dạng HCl và B dưới dạng H3BO3 Cả hai đều bay hơi và có thể bị di chuyển bởi nước có nhiệt độ cao hơn Vì thế

chúng có khả năng là được đi cùng với hơi magma thoát ra ở bên trên rồi dẫn đến thành tạo muối axit dưới sâu có khả năng hòa tan đá Ở các nhiệt độ thấp, tính chất axit của HCl tăng nhanh, và nhanh tróng chuyển đổi bởi đá vây quanh sang dạng NaCl kém bay hơi hơn B giữ nguyên ở dạng bay hơi được mang đi ở pha hơi ngay cả ở các nhiệt độ thấp Tỷ số Cl/B thường được dùng để chỉ ra nguồn bồn chứa thông thường của các loại nước Phải cẩn thận khi áp dụng sự luận giải như vậy vì các nước từ bồn chứa giống nhau có thể cho thấy những khác nhau về tỷ số này, do những thay đổi về thạch học ở dưới sâu, hay bởi sự hấp thụ của B vào đá sét trong khi chảy ngang

Vị trí của các điểm dữ liệu trong biểu đồ tam giác như vậy đạt được một cách đơn giản bởi đầu tiên là tính tổng S các nồng độ, Ci (mg/kg), của cả 3 thành phần (Hình 1.5):

S = CCl/100 + CLi + CB/4 Bước tiếp theo bao gồm việc đánh giá “% -Cl”, “% -Li” và “% -B/4” như sau:

%-Cl = CCl/S %-Li = 100CLi/S %-B = 25CB/S Sau đó, thể hiện lên trên biểu đồ tam giác Bộ ba clorua, lithium và boron dưới dạng như trình bày trong Giggenbach (1991a) được sử dụng để phân biệt chất lỏng với các nguồn khác nhau, để lộ phân đoạn liên quan đến đun sôi hoặc trộn với chất lỏng đã đun sôi, hoặc chất lỏng được tạo ra bởi các nguồn hơi nước có nhiệt độ cao khác nhau Theo Powell et al (2001), ví dụ, nó được sử dụng để phân biệt nước địa nhiệt bị ảnh hưởng bởi sự hấp thụ hơi nước ở nhiệt độ cao từ các nguồn khác nhau

Hình 1 5: Biểu đồ ba thành phần Cl-Li-B (Giggenbach, 1991a)

Phương pháp đối sánh tương quan các đồng vị O18 và D theo đường tham chiếu của đường nước khí tượng toàn cầu:

Đây là biểu đồ chéo tiêu chuẩn của các đồng vị bền của nước (δ18O - δD) bao gồm đường Xu hướng Khí tượng Thế giới, phạm vi nước andesit theo đề xuất của Giggenbach (1992a) và một tập hợp cho thấy các thành viên cuối phân đoạn cân bằng hơi nước ở các nhiệt độ khác nhau dựa trên dữ liệu từ Henley et al (1984) Các vị trí của nhãn đường xu hướng khí tượng và tập hợp phân đoạn có thể được sửa đổi trong các ô ở trên các cột nhập dữ liệu đồng vị ở bảng đầu vào (Hình 1.6)