bài giảng học phần địa chất thủy văn

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP TUY HÕA KHOA CÔNG NGHỆ MÔI TRƢỜNG BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: ĐỊA CHẤT THỦY VĂN (DÀNH CHO BẬC CAO ĐẲNG NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT) TUY HÕA, NĂM 2010 2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 4 Đối tƣợng nghiên cứu của Địa chất Thuỷ văn: 4 Phƣơng pháp nghiên cứu: 4 Chƣơng 1: NƢỚC TRONG THIÊN NHIÊN 6 1.1. Vòng tuần hoàn của nƣớc trong thiên nhiên và trong lƣu vực 6 1.2. Sự phân bố của nƣớc trong thiên nhiên. 8 Chƣơng 2: TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC NƢỚC 17 2.1. Khái niệm: 17 2.2. Tính chất vật lý: 17 2.3. Tính chất hoá học của nƣớc: 19 2.4. Dấu hiệu nhiễm bẩn của nƣớc 23 2.5. Biểu diễn các kết quả phân tích thành phần hoá học của nƣớc dƣới đất. 24 2.6. Những nguyên tắc kiểm tra kết quả phân tích nƣớc: 27 Chƣơng 3: CÁC LOẠI NƢỚC DƢỚI ĐẤT 29 3.1. Một số nƣớc thƣợng tầng: 31 3.2. Nƣớc ngầm 35 3.3. Nƣớc tự lƣu. 39 3.4. Nƣớc khe nứt 44 3.5. Nƣớc CASTƠ: 46 3.6. Nƣớc khoáng và nƣớc chữa bệnh. 48 Chƣơng 4: CƠ SỞ ĐỘNG LỰC HỌC NƢỚC DƢỚI ĐẤT 50 4.1. Hình thức vận động của nƣớc dƣới đất trong đới bảo hòa 50 4.2. Định luật thấm của nƣớc dƣới đất 50 4.3. Xác định phƣơng hƣớng và tốc độ vận động của nƣớc dƣới đất. 56 4.4. Phƣơng trình vận động ổn định của nƣớc dƣới đất trong tầng chứa nƣớc đồng nhất. . 59 4.5. Phƣơng trình vận động của nƣớc vào công trình tập trung nƣớc. 65 CHƢƠNG 5 : CÁC DẠNG CÔNG TÁC CƠ BẢN TRONG ĐIỀU TRA ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 69 5.1. Khái niệm về điều tra địa chất thủy văn. 69 3 5.2. Công tác đo vẽ địa chất thủy văn 71 5.3. Khoan địa chất thủy văn 73 5.4. Công tác thí nghiệm địa chất thủy văn ngoài trời. 80 5.5. Quan trắc động thái của nƣớc dƣới đất 93 5.6. Công tác nghiên cứu chất lƣợng nƣớc 95 Chƣơng 6: ĐIỀU TRA ĐỊA CHẤT THỦY VĂN –ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH TRONG TÌM KIẾM THĂM DÕ KHOÁNG SÀNG 97 6.1. Những nhân tố địa chất thủy văn –địa chất công trình ảnh hƣởng đến công trình khai tác. 97 6.2. Mục đích, ý nghĩa của điều tra địa chất thủy văn –địa chất công trình trong tìm kiếm thăm dò khoáng sàng. 99 6.3. Mối tƣơng quan giữa điều tra địa chất với điều tra địa chất thủy văn –địa chất công trình. 100 Chƣơng 7: BẢN ĐỒ ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 102 7.1. Khái niệm bản đồ địa chất thủy văn 102 7.2. Nguyên tắc thành lập bản đồ địa chất thủy văn 104 7.3. Các giai đoạn trong công tác lập bản đồ địa chất thủy văn 106 7.4. Biểu diễn trên bản đồ địa chất thủy văn 106 4 MỞ ĐẦU - Đối tƣợng nghiên cứu của Địa chất Thuỷ văn: Địa chất thuỷ văn là khoa học nghiên cứu nƣớc dƣới đất, cụ thể là nghiên cứu: + Nguồn gốc, sự phân bổ và sự vận động của nƣớc trong các lớp đất đá + Nghiên cứu các tính chất vật lý, thành phần hoá học, vi khuẩn và khí của nƣớc dƣới đất Nƣớc dƣới đất nằm trong các lớp đất đá và có liên hệ chặt chẽ với chúng nên địa chất thuỷ văn là một bộ phận của khoa học về Trái đất. - Nhiệm vụ: Nghiên cứu nƣớc dƣới đất để phục vụ các yêu cầu sau: + Giải quyết vấn đề địa chất thuỷ văn trong việc thi công các công trình, khái thác hầm mỏ. + Giải quyết vấn đề cung cấp nƣớc tiêu dùng. + Tìm nguồn nƣớc khoáng, nƣớc công nghiệp, tìm kiếm các mỏ khoáng sản có ích. - Phƣơng pháp nghiên cứu: + Lập bản đồ Địa chất thuỷ văn. + Mô tả nguồn nƣớc và quan sát địa chất thuỷ văn trong lỗ khoan, giếng và hầm lò. + Các phƣơng pháp phân tích và mô hình hoá trong phòng thí nghiệm. + Các phƣơng pháp địa vật lý, đặt biệt là phƣơng pháp thăm dò điện nhằm phát hiện các tầng chứa nƣớc. 5 Nƣớc dƣới đất vận động trong các lỗ hổng và khe nứt của đất đá không những có tác dụng trực tiếp với chúng mà còn có liên quan mật thiết với nƣớc bề mặt và nƣớc khí quyển. Vì vậy muốn nghiên cứu đầy đủ về nƣớc dƣới đất, đòi hỏi phải nắm đƣợc đặt điểm cấu tạo địa chất của vùng với tƣ cách là môi trƣờng mà trong đó nƣớc vận động, và phải năm đƣợc các quy luật vận động của nƣớc bề mặt và nƣớc khí quyển với tƣ cách là nguồn bổ sung cho nƣớc dƣới đất. 6 Chƣơng 1 NƢỚC TRONG THIÊN NHIÊN 1.1. Vòng tuần hoàn của nƣớc trong thiên nhiên và trong lƣu vực 1.1.1. Vòng tuần hoàn của nƣớc trong thiên nhiên. Nƣớc trên Trái đất phân bố không đều trong các quyển khác nhau: khí quyển, thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển. Nƣớc trong các quyển luôn luôn chuyển động trong bản thân mỗi quyển và đồng thời luôn luôn có một lƣợng nƣớc nhất định chuyển động từ quyển này sang quyển khác, tạo nên vòng tuần hoàn bất tận. Nhờ năng lƣợng bức xạ của mặt trời, nƣớc từ thuỷ quyển, sinh quyển và thạch quyển bốc hơi lên khí quyển. Trong khí quyển hơi nƣớc gặp lạnh ngƣng tụ lại và rơi xuống. Lƣợng mƣa này một phần bốc hơi trở lại vào khí quyển, một phần ngấm xuống đất, một phần tạo thành những dòng chảy đổ ra biển. Mức độ của quá trình tuần hoàn này tuỳ thuộc vào từng mùa và tuỳ thuộc vào các điều kiện địa lý tự nhiên. (hình1) Tổng thể tích nƣớc trong Trái đất ƣớc tính khoảng 1.8 tỷ km 3 . Lƣợng nƣớc này đƣợc phân bố nhƣ sau: - Từ mặt đất đến độ sâu 20 km (ranh giới Cônradda) có 570 triệu km 3 . - Từ độ sâu 20 km đến 35 km (ranh giới Môhô) có 500 triệu km 3 . Trong vỏ Trái đất nƣớc tồn tại ở những dạng khác nhau và chiếm khoảng 42% toàn bộ nƣớc của Trái đất. Nƣớc dƣới đất là tác nhân trọng yếu làm dịch chuyển các nguyên tố hoá học trong vỏ Trái đất. Trong vòng tuần hoàn của nƣớc trong thiên nhiên, ngƣời ta đã tính toán cụ thể nhƣ thế này (những số liệu sau đây đƣợc tính trong 1 năm). - Tổng lƣợng nƣớc bốc hơi ngoài biển và đại dƣơng là Z b = X b + Y = 447.980 km 3 7 - Tổng lƣợng mƣa ngoài biển và đại dƣơng là X b = 411.600 km 3 - Tổng lƣợng nƣớc bốc hơi trong lục địa là Z đ = X đ - Y = 132.020 km 3 - Tổng lƣợng mƣa trong lục địa là X đ = 168.400 km 3 - Tổng lƣợng nƣớc sông chảy ra biển là Y= 36.380 km 3 Phƣơng trình cân bằng nƣớc trên vỏ trái đất: X b +X đ = Z b + Z đ Nhƣ vậy hàng năm có một lƣợng hơi nƣớc là 36.380 km 3 di chuyển từ biển, đại dƣơng vào lục địa và từ lục địa, các dòng song đổ ra biển cũng một lƣợng nhƣ vậy. Vậy đây là vòng tuần hoàn lớn của nƣớc trong thiên nhiên. 1.1.2. Tuần hoàn của nƣớc trong lƣu vực Mỗi dòng chảy trên mặt đất đều có phạm vi cung cấp nƣớc, gọi là lƣu vực dòng chảy. Đƣờng phân chia lƣu vực của hai dòng chảy đƣợc gọi là đƣờng chia nƣớc (đƣờng phân thủy). Mỗi một dòng chảy đều có một lƣu vực trên mặt và lƣu vực dƣới đất. chúng có thể trùng hoặc không trùng nhau. Mƣa rơi xuống mặt đất, một phần bốc hơi; một phần hình thành dòng chảy trên mặt dƣới dạng sông, suối, lạch; một phần ngấm xuống cung cấp cho nƣớc dƣới đất; nƣớc dƣới đất lại chảy lộ ra cung cấp cho sông suối. Tính toán cân bằng nƣớc trong lƣu vực: Tổng lƣợng nƣớc thu đƣợc trong lƣu vực: X+K+f Tổng lƣợng nƣớc mất đi trong lƣu vực: Z+y+p X-Tổng lƣợng nƣớc mƣa trong lƣu vực,mm K - Tổng lƣợng nƣớc ở tầng ngầm cung cấp cho lƣu vực,mm f – lƣợng nƣớc ngầm cung cấp cho dòng chảy trên mặt hay ngƣợc lại, mm 8 Z – Tổng lƣợng bốc hơi, mm y – lƣợng nƣớc dƣới đất thất thoát ra ngoài, mm p – lƣợng nƣớc đổ ra biển, mm 1.2. Sự phân bố của nƣớc trong thiên nhiên. 1.2.1. Nƣớc trong khí quyển Trong khí quyển, tổng lƣợng nƣớc ƣớc tính 12.300 km 3 . Nếu tất cả số nƣớc này tồn tại dƣới thể lỏng thì nó sẽ phủ quanh trái đất một lớp dày 25 mm. Lƣợng nƣớc này tồn tái dƣới 3 trạng thái: hơi nƣớc, giọt lỏng (mây, sƣơng), và rắn (tuyết, mƣa đá). Tuy khí quyển có bề dày 2000km nhƣng nƣớc chủ yếu tồn tại gần mặt đất (trong tầng đối lƣu): đến độ cao 3,5 km thì có 70% nƣớc khí quyển, và đến 5 km thì có 90% nƣớc. Do đó các hiện tƣợng mây, mƣa đều xảy ra ở nửa phần dƣới của tầng đối lƣu. Nƣớc trong khí quyển luôn luôn biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác và có liên hệ chặt chẽ với nƣớc ở thuỷ quyển, sinh quyển và thạch quyển. Từ thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển nƣớc bốc hơi lên cao gặp lạnh hơi nƣớc ngƣng tụ lại thành mƣa, tuyết, mƣa đá,… Ngƣời ta đã tính lƣợng nƣớc trong khí quyển bằng 1/41 lƣợng mƣa hang năm và “tuổi thọ” trung bình của phân tử nƣớc trong khí quyển là 9 ngày. Sự vận động của nƣớc trong khí quyển giữ một vai trò rất quan trọng trong việc điều tiết nhiệt độ giữa các vùng trên mặt. 1.2.2. Nƣớc trong thuỷ quyển. Thuỷ quyển bao gồm các dại dƣơng, biển, hồ chiếm một diện tích là 361,45 triệu km 2 hay 70,8% diện tích bề mặt Trái đất. Nƣớc trong quyển này tồn tại dƣới hai trạng thái: - Lỏng, có thể tích là 1400 triệu km 3 9 - Rắn, có thể tích là 35 triệu km 3 Nếu lƣợng nƣớc này phân bố đều trên trái đất thì có thể tạo nên một lớp nƣớc dày 2400m. Nƣớc trong thuỷ quyển cũng luôn luôn vận động dƣới các dạng: dòng hải lƣu, sông, thuỷ triều và đối lƣu. Lƣợng hơi nƣớc cung cấp cho khí quyển chủ yếu là từ thuỷ quyển. Thuỷ quyển là môi trƣờng sản sinh ra sự sống và ngày nay sự sống cũng không tách rời thuỷ quyển. Nƣớc chứa trong các tầng đất đá (nƣớc dƣới đất) phần lớn cũng do thuỷ quyển cung cấp. Ngƣợc lại thuỷ quyển cũng nhận nguồn bổ trợ từ các nguồn khác. Thuỷ quyển chiếm một lƣợng nƣớc chủ yếu trong tổng số lƣợng nƣớc có mặt trên trái đất và chi phối số lƣợng cũng nhƣ sự vận động của nƣớc ở các quyển khác. 1.2.3. Nƣớc trong sinh quyển. Việc xác định nƣớc trong quyển này rất phức tạp, bởi vì giới sinh vật có hang chục vạn chủng loại khác nhau sống trong những môi trƣờng khác nhau. Ngƣời ta biết rằng: - Trong cơ thể ngƣời có 70% nƣớc - Trong sinh vật sống miền khô ráo có 60% nƣớc - Trong sinh vật sống dƣới nƣớc có 90% nƣớc. Nhƣ vậy, hơn 2/3 khối lƣợng của sinh vật sống trên trái đất là nƣớc Nƣớc vô cùng quan trọng đối với sự sống: không có nƣớc thì không có các quá trình sinh hoá đƣợc. Nếu sinh vật mất 10% nƣớc thì sẽ bị ngộ độc, mất 21% nƣớc thì sẽ chết. Có một điều thú vị là thành phần hoá học của máu ngƣời và động vật gần giống với thành phần hoá học của nƣớc biển: (bảng 2) 10 Bảng 2: Hàm lượng nguyên tố trong máu và trong nước biển Nguyên tố Thành phần máu Thành phần nƣớc biển Cl 49,3 55,0 Na 30,0 30,6 O 9,9 5,6 K 1,8 1,1 Ca 0,8 1,2 Ta thử đặt câu hỏi: máu ngƣời và động vật lập lại thành phần hoá học của môi trƣờng mà sự sống phát sinh, hay ngƣợc lại, thành phần của môi trƣờng (nƣớc biển) lập lại thành phần của máu ngƣời và động vật? 1.2.4. Nƣớc trong vỏ trái đất. 1.2.4.1. Sự phân bố của nước trong vỏ Trái đất. Vỏ trái đất có bề dày trung bình ở lục địa là 35km, và dƣới đáy đại dƣơng là 4,7km Tổng thể nƣớc trong vỏ trái đất ƣớc tính khoảng 1,8 tỷkm 3 . Lƣợng nƣớc này phân bố nhƣ sau: - Từ mặt đất đến độ sâu 20 km (ranh giới Cônrad) có 570 triệu km 3 - Từ độ sâu 20km đến 35 km (ranh giới Môhô) có 500 triệu km 3 Kamenxki chia vỏ trái đất làm hai tầng mà trong đó nƣớc đƣợc chứa trng đó: Tầng dưới: Là các loại đá toàn khối chứa nƣớc rất ít. Tầng trên: là tầng chứa nhiều nƣớc, chủ yếu đƣợc chứa trong các khe nứt của đá hay trong các khe hở của vật liệu trầm tích bở rời. [...]... có thể là tác nhân hoá học (thành phần hoá học gây hại) và tác nhân sinh học (thành phần vi khuẩn), nguồn gốc các chất gây nhiễm bẩn nƣớc dƣới đất thƣờng là từ sự phân huỷ các chất hữu cơ 2.4.1 Nguồn gốc một số thành phần nguyên tố gây nhiễm bẩn nước K+, Cl- : do sự hoà tan các vỉa muối hay thuỷ phân các đá silicat –nguồn gốc vô cơ Nhƣng nếu chúng có nguồn gốc từ sự phân huỷ các chất hữu cơ thì đây là... hình thành các tầng chứa nƣớc khác nhau 16 Chƣơng 2 TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NƢỚC DƢỚI ĐẤT 2.1 Khái niệm: Nƣớc dƣới đất là những dung dịch chứa các khoáng vật hòa tan, các loại khí và cả những chất hữu cơ hòa tan cùng các loại vi khuẩn Do vậy, nƣớc dƣới đất có những đặc tính về lý học, hóa học khác với nƣớc nguyên chất 2.2 Tính chất vật lý: 2.2.1 Nhiệt độ: Tùy theo điều kiện tàn trữ... đầm lầy - Mùi bùn - Mùi thối, 2.2.5 Vị: Vị của nƣớc liên quan đến thành phần các chất hoà tan trong nƣớc Ví dụ: - Vị mặn gây ra do: NaCl - Vị đắng chat do: Mg2SO4 - vị rỉ sắt hay vị mực gây ra do muối sắt - Vị ngọt và mát thƣờng do khí CO2 tự do 2.3 Tính chất hoá học của nƣớc: 2.3.1 Thành phần hóa học của nước Trong thành phần hoá học của nƣớc dƣới đất có hơn 60 nguyên tố trong bảng tuần hoàn Mendeleep... trọng lực là đối tƣợng nghiên cứu của địa chất thủy văn 12 * Nƣớc ở thể rắn: Ở các miền ôn đới và hàn đới, vào mùa đông nhiệt độ không khí hạ xuống thấp hơn 0oC, nƣớc trong các lỗ hổng và khe nứt của đất đá (phần gần mặt đất) chuyển sang trạng thái rắn * Nƣớc trong thành phần khoáng vật (nƣớc liên kết hóa học) : Gồm 3 loại: - Nƣớc Zeolit là nƣớc tham gia vào thành phần khoáng vật dƣới dạng các phân tử... tính chất của nƣớc Dạng biểu diễn mgđl phản ánh bản chất hoá học của các chất tham gia vào thành phần hoá học của nƣớc Chú ý: tổng số mg-đl của anion bằng tổng số mg-đl của cation Dạng biểu diễn phần trăm đƣơng lƣợng nhằm để so sánh các loại nƣớc có độ khoáng hoá khác nhau 2.5.2 Biểu diễn bằng công thức: Trong số những công thức thông dụng nhất, ngƣời ta hay dùng công thức Cuôc-lốp và công thức thành phần. .. thành phần hoá học của nƣớc dƣới đất 2.5.1.Biểu diễn bằng số: Ngƣời ta dùng 3 dạng để biểu diễn các kết quả phân tích: 24 - Khối lƣợng các chất hoà tan trong một lít nƣớc Do lƣợng hoà tan của các chất thƣờng bé nên đơn vị đƣợc chọn là g/l, mg/l hoặc r (r = 1 microgam/l = 0,001 mg/l) - Gam đƣơng lƣợng hoặc miligam đƣơng lƣợng các chất hoà tan trong 1 lít nƣớc (viết tắt là g –đl/l hoặc mg –đl/l) - Phần. .. trên mặt thấm xuống sâu, do vậy làm cho phần đất trên lớp cách thuỷ này luôn luôn thừa ẩm, gây ra lầy hoá mặt đất ở đấy - Tại những chỗ lộ nƣớc (nguồn nƣớc) có điều kiện phát triển lầy hoá phần bề mặt quanh nguồn nƣớc - Tài phần cuối của nón phóng vật: Phần cuối của nón phóng vật là nơi các hạt trầm tích proluvi có kích thƣớc nhỏ hơn so với phần trên Vì vậy phần này trở thành nơi tích nƣớc của trầm... tích lại * Độ chính xác của kết quả phân tích hoá học có thể đánh giá trên cơ sở những phần khô còn lại Phƣơng pháp này có thể sử dụng cho các phƣơng pháp phân tích toàn phần hay đơn giản (một trong các ion đƣợc tính toán dựa vào mối liên hệ giữa số lƣợng ion âm và ion dƣơng) Phƣơng pháp này dựa trên cơ sở: những phần khô còn lại bằng tổng tất cả các chất hoà tan trong nƣớc ở dạng ion và phân tử Khi... Ngày nay, không phải tất cả các nhà Bác học đều thừa nhận thuyết ấy Nhiệt độ cao, thành phần hóa học phức tạp của một số nguồn nƣớc khoáng chƣa đủ chứng minh nguồn gốc của chúng là từ magma Cũng có thể chúng đƣợc hình thành từ hai phƣơng thức sau: - Nƣớc khí quyển ngấm sâu vào lòng đất, ở đây nó đƣợc đốt nóng lên do nguồn địa nhiệt và tăng khả năng hòa tan các chất vào trong chúng - Tại gần các lò magma... các chất vào trong chúng - Tại gần các lò magma trẻ, nƣớc dƣới đất có nguồn gốc khí quyển bị đốt nóng lên và tăng khả năng hòa tan các chất vào trong chúng nên làm thành phần trở nên phức tạp * Thuyết về nƣớc trầm tích: * Thuyết tái sinh: 1.2.4.4 Thủy tính của đất đá: Thủy tính của đất đá bao gồm: tính thấm nƣớc, độ chứa nƣớc, lƣợng phóng thích nƣớc * Tính thấm nƣớc: Tính thấm nƣớc là đặt trƣng của đất . TRA ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 69 5.1. Khái niệm về điều tra địa chất thủy văn. 69 3 5.2. Công tác đo vẽ địa chất thủy văn 71 5.3. Khoan địa chất thủy văn 73 5.4. Công tác thí nghiệm địa chất. địa chất với điều tra địa chất thủy văn địa chất công trình. 100 Chƣơng 7: BẢN ĐỒ ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 102 7.1. Khái niệm bản đồ địa chất thủy văn 102 7.2. Nguyên tắc thành lập bản đồ địa chất. thủy văn 104 7.3. Các giai đoạn trong công tác lập bản đồ địa chất thủy văn 106 7.4. Biểu diễn trên bản đồ địa chất thủy văn 106 4 MỞ ĐẦU - Đối tƣợng nghiên cứu của Địa chất Thuỷ văn: