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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -* - TRẦN THỊ LỰU Chuyên ngành: Địa chất học Mã số: 62440201 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT Hà Nội, 2015 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS TS Trần Nghi Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội PGS.TS Phạm Quý Nhân, Trường ĐH Tài nguyên Môi trường Hà Nội Phản biện: Phản biện: Phản biện: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp ĐHQG chấm luận án tiến sĩ họp vào hồi …… ngày …… tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội Ở U ính cấp thiết luận án Nước đất (NDĐ) đặc biệt NDĐ tầng chứa nước Pleistocen (TCN qp) nguồn cung cấp nước quan trọng vùng CTSH Các kết quan trắc thành phần hóa học NDĐ cơng trình quốc gia số nghiên cứu gần NDĐ bị nhiễm mặn nhiều nơi khu vực ven biển mà xảy khu vực cách bờ biển lên tới 70km Nhiễm mặn cho NDĐ TCN khu vực ven biển giải thích XNM từ biển, nhiên khu vực xa bờ biển đặc biệt TCN qp – tầng chứa nước đươc hình thành thời kỳ biển thối, ngun nhân XNM khơng thể giải thích q trình XNM đại Trên sở nghiên cứu cấu trúc địa chất vùng CTSH vùng châu thổ tương tự giới cho thấy thời kỳ biển tiến làm hình thành nên tầng trầm tích biển cịn chứa nước mặn tàn dư tới tận ngày Nghiên cứu phân bố trầm tích biển lục địa nhiều cơng trình đề cập đến, nhiên nghiên cứu ảnh hưởng chúng tới NDĐ chưa có cơng trình nghiên cứu cụ thể Chính vậy, luận án vào nghiên cứu “Cơ chế rửa mặn NLR tướng trầm tích biển tuổi Đệ Tứ vùng CTSH” để làm sáng tỏ chế rửa mặn NLR từ tầng trầm tích biển ảnh hưởng chúng tới NDĐ TCN qp ục đích nghiên cứu - Xác định ranh giới mặn nhạt NLR tầng trầm tích biển - Nghiên cứu chế rửa mặn NLR trầm tích biển - Nghiên cứu ảnh hưởng trình rửa mặn NLR trầm tích biển Holocen tới TCN Pleistocen ối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu tầng trầm tích biển tuổi Holocen - Phạm vi nghiên cứu vùng CTSH sở số liệu Luận án hoàn thành dựa nguồn số liệu gồm số liệu kế thừa từ cơng trình nghiên cứu liên quan số liệu nghiên cứu luận án Dưới bảng liệt kê số liệu nghiên cứu luận án với số lượng tương ứng Số liệu ơn vị Số lượng Vị trí thực Địa vật lý lỗ khoan Lỗ khoan 38 Lỗ khoan QTQG TEM Điểm đo 210 tuyến nghiên cứu Khoan địa tầng Thành phần độ hạt Xác định TP khoáng vật sét Lỗ khoan Mẫu Mẫu 16 LK Q87, Q88 Mẫu trầm tích nguyên dạng lấy từ LK Thành phần hóa học NLR Đồng vị bền 18O 2H Thí nghiệm cột thấm Thí nghiệm khuếch tán TPHH NDĐ tầng qp Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu 40 50 6 10 Mẫu NLR NDĐ Mẫu trầm tích nguyên dạng lấy từ LK Mạng QTQG LK nghiên cứu uận điểm bảo vệ - Nước lỗ rỗng tầng trầm tích biển giàu sét bị rửa mặn theo chế khuếch tán Nước lỗ rỗng chứa trầm tích cát mịn pha sét bị rửa mặn theo chế dịch chuyển vật chất phân dị trọng lực - Quá trình rửa mặn NLR trầm tích biển Holocen làm tăng cao hàm lượng muối NDĐ tầng chứa nước Pleistocen bên - Tầng sét Pleistocen muộn có vai trị bảo vệ TCN qp khỏi XNM từ tầng sét biển bên Ý nghĩa khoa học thực tiễn  Ý nghĩa khoa học - Làm sáng tỏ phân bố mặn nhạt NLR trầm tích biển Holocen - Làm sáng tỏ chế rửa mặn NLR tầng trầm tích biển - Làm sáng tỏ ảnh hưởng tầng trầm tích biển tới XNM nước đất TCN Pleistocen  Ý nghĩa thực tiễn - Chính xác hóa phân bố mặn nhạt TCN theo không gian giúp ích cho việc bố trí cơng trình khai thác nước cách hợp lý Trên sở đồ phân bố mặn nhạt NLR tướng trầm tích biển Holocen đồ đẳng dày trầm tích biển Pleistocen muộn kết mơ hình đưa vị trí khai thác an toàn ấu trúc luận án Cấu trúc luận án gồm chương không kể phần mở đầu kết luận Chương 1: Tổng quan phương pháp nghiên cứu Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng tới khả rửa mặn NLR vùng CTSH Chương 3: Cơ chế rửa mặn nước lỗ rỗng trầm tích biển tuổi Holocen Chương 4: Ảnh hưởng trình rửa mặn NLR tới tầng chứa nước Pleistocen Q À P P P Ê 1.1 quan 1.1.1 ác cơng trình nghiên cứu giới rửa mặn nước lỗ rỗng Kết nghiên cứu cho thấy tốn XNM cho NDĐ nói chung nước mặn tàn dư nói riêng khơng thể giải phương pháp đơn lẻ mà phải sử dụng tổ hợp phương pháp khác 1.1.2 ác công trình nghiên cứu nước liên quan Trong nước, cơng trình nghiên cứu chủ yếu sâu vào nghiên cứu XNM đại trình tự nhiên trình khai thác nước mức gây nên tỉnh ven biển 1.1.3 hững tồn cần giải Có thể đưa số tồn cơng trình nghiên cứu Việt Nam: - Chưa ứng dụng đồng thời phương pháp nghiên cứu - Chưa nghiên cứu quan tâm nghiên cứu phân bố mặn nhạt NLR trầm tích biển, chế rửa mặn NLR ảnh hưởng chúng tới TCN qp Chính vậy, nội dung luận án vào nghiên cứu chế rửa mặn NLR tướng trầm tích biển tuổi Đệ Tứ ảnh hưởng chúng tới TCN qp 1.2 ác phương pháp nghiên cứu - Phương pháp kế thừa tổng hợp tài liệu liên quan - Các phương pháp ĐVL: Gồm phương pháp trường chuyển (TEM) địa vật lý lỗ khoan (ĐVLLK) để tiến hành phân vùng mặn nhạt NLR chứa tầng sét - Phương pháp mô hình: Mơ hình SEAWAT mơ di chuyển vật chất có tính đến mật độ chất lỏng - Phương pháp đồng vị bền 18O/16O, 2H/1H xác định nguồn gốc NDĐ - Phương pháp cột thấm xác định hệ số thấm trầm tích phương pháp xác định hệ số khuếch tán để làm thông số đầu vào cho mơ hình dịch chuyển vật chất - Xác định thành phần độ hạt, thành phần khoáng vật trầm tích nhằm luận giải mơi trường thành tạo trầm tích - Phân tích thành phần hóa học NDĐ NLR 2: Y ỐẢ Ở Ả Ă HOLOCEN 2.1 iều kiện thủy văn, hải văn Vùng CTSH có mạng lưới sơng ngịi dày đặc làm kênh dẫn nước từ lục địa biển đồng thời làm kênh dẫn nước biển vào lục địa cửa sông ven biển XNM hệ thống sơng ngịi khơng ảnh hưởng đến hệ sinh thái ven biển, đến nguồn cấp nước tưới tiêu mà ảnh hưởng đến tầng chứa nước nông khu vực lân cận 2.2 ịa tầng trầm tích ệ ứ Bề mặt CTSH phủ trầm tích Đệ Tứ với bề dày có nơi đạt tới 200m Thành phần trầm tích Đệ Tứ bao gồm chủ yếu sét, bột, cát sạn sỏi phân chia thành hệ tầng gồm Lệ Chi, Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hải Hưng, Thái Bình Q trình hình thành nên trầm tích bở rời tuổi Đệ Tứ có liên quan chặt chẽ đến dao động MNB: Thời kỳ biển thoái thời kỳ tạo nên tầng trầm tích hạt thơ chứa nước tốt, trái lại vào thời kỳ biển tiến thành tạo nên trầm tích hạt mịn chứa nước 2.3 iều kiện địa chất thuỷ văn 2.3.1 ác tầng chứa nước lỗ hổng 2.3.1.1 Tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Holocen (qh) Đây TCN cấu thành từ trầm tích chứa nước hệ tầng Thái Bình Hải Hưng có thành phần chủ yếu bột cát, cát màu xám 2.3.1.2 Tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Pleistocen (qp) Tầng chứa nước qp cấu thành trầm tích hạt thô hệ tầng Hà Nội hệ tầng Vĩnh Phúc Thành phần trầm tích chủ yếu cát thơ, sạn sỏi cuội 2.3.2 ác thành tạo địa chất nghèo nước hay cách nước 2.3.2.1 Các trầm tích thấm nước yếu tuổi Holocen sớm 2.3.2.2 Các trầm tích cách nước Pleistocen muộn hệ tầng Vĩnh Phúc 3: E 3.1 sở lý thuyết dịch chuyển vật chất môi trường lỗ hổng Cơ chế rửa mặn NLR cách thức mà trình rửa mặn NLR xảy Trong q trình rửa mặn, vật chất hịa tan dịch chuyển từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp làm nhạt hóa phần nước mặn có chứa lỗ rỗng tầng trầm tích, tức xảy q trình rửa mặn Ở đây, luận án đề cập đến dịch chuyển ion clo (Cl-) ion trơ mặt hóa học Các q trình làm dịch chuyển vật chất môi trường NLR trình khuếch tán phân tử phân dị trọng lực, cịn q trình dịch chuyển đối lưu (advection) chủ yếu xảy mơi trường NDĐ có dòng chảy 3.1.1 Khuếch tán phân tử Khuếch tán phân tử q trình vật chất hịa tan di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp Quá trình khuếch tán tiếp tục xảy xảy chênh lệch nồng độ khơng có dịng chảy 3.1.2 Dịch chuyển chất hòa tan phân dị trọng lực (Density flow) Hiện tượng xuất hệ thống chứa chất lỏng có tỷ trọng lớn (nước muối) nằm phủ lên hệ thống chứa chất lỏng khác có tỷ trọng nhỏ (nước nhạt) Sự bất ổn định hệ thống đánh giá thông qua hệ số Rayleigh (Ra) (xem phần 3.3.6) Nếu Ra  4π2 ≈ 40 (Lapwood, 1984; Groen & nnk 2000; Holzbecher, 2005) q trình khuếch tán đóng vai trị chủ đạo, cịn Ra > 40 trình dịch chuyển vật chất phân dị trọng lực diễn Nếu số Rayleigh đạt tới 390, hệ thống bị ảnh hưởng biến động đối lưu tự (Diersch, 2005) 3.1.3 Quá trình dịch chuyển đối lưu Trong điều kiện lý tưởng, ion dịch chuyển tốc độ dòng ngầm Trên thực tế, yếu tố bất đồng môi trường trầm tích làm cho ion vận động với tốc độ khác (q trình phân tán) Ngồi ra, q trình khuếch tán phân tán ln xảy đồng thời khơng thể tách rời, q trình gọi chung phân tán thủy động lực 3.2 iện trạng phân bố mặn nhạt trầm tích biển olocen Đối với NLR chứa lớp trầm tích hạt mịn (không thể lấy mẫu nước qua ống lọc LK), số liệu ĐVL sử dụng để xác định trạng phân bố mặn nhạt NLR 3.2.1 Kết đo địa vật lý lỗ khoan Theo Archie (1942), loại trầm tích đặc trưng hệ số thành hệ F (formation factor) định tính F=n/t F=t/n (Với σt, σn độ dẫn điện tầng NLR; t, n điện trở suất tầng NLR) Trên sở số liệu đo ĐVLLK số liệu phân tích TPHH NLR, mối quan hệ quy đổi độ dẫn điện TDS NLR sau: TDS (mg/l) = 0.5 σ n + 201 (µS/cm) Từ phân chia loại hình NLR khác sau: Bảng 3.1 Các loại hình NLR trầm tích tương ứng theo số liệu ĐVLLK oại Nước nhạt Nước lợ Nước mặn rầm tích Sét Bột/cát Cát/sạn Sét Cát/sạn Sét Cát/sạn tầng ρt (Ω.m) 15-25 25-100 100-200 3-15 15-150 0.5-3 50 Bản đồ phân vùng mặn nhạt NLR tầng trầm tích biển Holocen vị trí LK thành lập (hình 3.1) N g g ng Sô Đô ng ng Hồ Chú giải Bi ển Lỗ khoan co NLR nhạt Lỗ khoan co NLR lợ Lỗ khoan co NLR mặn Điểm đo truờng chuyển 25km Tuyên nghiªn cøu Hình 3.1 Phân bố mặn nhạt NLR trầm tích hạt mịn theo tài liệu ĐVLLK 3.2.2 ết đo trường chuyển ( E ) Kết đo biển đổi điện trở suất tầng theo chiều sâu Tổng hợp kết đo tuyến xây dựng mặt cắt điện trở suất tương ứng Kết hợp tài liệu khoan địa chất tuyến tương ứng số liệu tính tốn bảng 3.2 phân chia vị trí chứa loại hình NLR NDĐ khác 3.2.2.1 Tuyến nghiên cứu Mặt cắt ĐTS cho thấy nước lỗ rỗng chứa tầng sét NDĐ Độ cao tuyệt đối (m) tầng chứa nước nước nhạt Khoảng cách (km) Điện trở suất (Ω.m) Hình 3.2 Mặt cắt ĐTS tuyến nghiên cứu Độ cao tuyệt đối (m) 3.2.2.2 Tuyến nghiên cứu Tuyến nghiên cứu kéo dài từ Phủ Lý- Hà Nam tới Hải Dương Điện trở suất (Ω.m) Khoảng cách (m) Hình 3.3 Mặt cắt ĐTS tuyến nghiên cứu - Ở khu vực Phủ Lý NDĐ tầng qh nước nhạt, NDĐ tầng qp biến đổi từ nhạt đến lợ NLR tầng sét Holocen bên biến đổi từ nhạt đến lợ - Ở khu vực trung tâm (giữa mặt cắt), NDĐ tầng qh biến đổi từ nhạt đến lợ, NDĐ tầng qp nước nhạt NLR chứa tầng sét nước lợ - Ở khu vực Hải Dương, NDĐ TCN qh biến đổi từ nhạt tới lợ, NDĐ tầng qp nước lợ đến mặn NLR tầng sét nước mặn, khu vực ven rìa đồng NLR nước nhạt 3.2.2.3 Tuyến nghiên cứu Có thể phân chia mặt cắt ĐTS thành đoạn sau: - Đoạn (0-23km): Nước đất NLR nước nhạt - Đoạn (23-75km): NDĐ tầng qh nước nhạt, NLR tầng sét Holocen nước lợ, NDĐ tầng qp biến đổi từ nhạt đến lợ - Đoạn (75-128km): Nước lỗ rỗng tầng sét Holocen nước lợ đến mặn theo chiều hướng từ lục địa tới biển NLR tầng sét bên biến đổi từ nhạt đến lợ Đoạn Đoạn Độ cao tuyệt đối (m) Đoạn Điện trở suất (Ω.m) Khoảng cách (m) Hình 3.4 Mặt cắt ĐTS tuyến nghiên cứu Độ cao tuyệt đối (m) 3.2.2.4 Tuyến nghiên cứu Đoạn Đoạn Đoạn Khoảng cách (km) Điện trở suất (Ω.m) Hình 3.5 Mặt cắt ĐTS tuyến nghiên cứu Dựa biến đổi ĐTS tầng, tuyến nghiên cứu chia làm đoạn: - Đoạn 1: Nước đất NLR nước nhạt - Đoạn 2: NLR trầm sét nước lợ NDĐ TCN qp nước nhạt - Đoạn 3: NDĐ tầng qp nước nhạt đến mặn, NLR tầng sét nước mặn N g g S«n g ồn gH Điểm đo TEMcứu Tuyên nghiên Vùng phân bố Tuyên NLRnghiên nhạt cứu Vùng nghiên phân bốcứu Tuyên NLR lợ Vùng nghiên phân bốcứu Tuyên NLR mặn Bi ển Tuyên nghiên Chú giải cứu Đô ng Chú gi¶i 25km Hình 3.6 Bản đồ phân vùng mặn nhạt nước lỗ rỗng lớp sét biển Holocen Từ tài liệu ĐVLLK tài liệu TEM, đồ phân vùng mặn nhạt NLR tầng sét biển Holocen thành lập (hình 3.6) 30 Độ cao tuyệt đối (m) -150 -12 - 90 -60 - 30 Bờ biển 5,000 năm P 30 60 90 120 150 Hình 3.10 Thời kỳ 6-5 nghìn năm BP 10 30 TDS (g/l) 15 30 Lỗ khoan: Q109a; Hải Hậu, Nam Định Mô tả khoan Minh giải log Cấu trúc LK c sâu (m) Ngày đo: 24/4/2005 Ng-ời đo:Clausen, Hoàng Văn Hoan Ng-ời minh giải: Hoàng Văn Hoan 35 LK Q109 Gamma tự nhiên (API) 150 Độ dẫn tầng (mS/m) 2000 §é dÉn cđa n-íc (mS/m) c¸t-pha -10 sÐt, cát-pha sét màu xám, xám đen -30 -20 bột- -70 -60 -50 -40 sét-pha sét màu xám trắng , nâu sét, sét-pha đỏ loang lổ lẫn vật chất hữu -80 sÐt iện Đoạn 30 60 90 -110 -120 -140 -130 on cát hạt trung đến thô lẫn sạn, cuội, sỏi sét màu xám cát hạt mịn ®Õn trung 120 sÐt lÉn c¸t-pha Đoạn 150 -150 sét cát hạt trung đến thô lẫn sạn, cuội, sỏi chọn lọc tốt -100 -90 bộtsét màu xám lẫn vật chất hữu -160 cát hạt mịn màu xám xanh c¸t, sÐt, bét-kÕt -170 Khoảng cách (km) Độ cao tuyệt đối (m) -150 -12 - 90 -60 - 30 Độ cao tuyệt đối (m) 190 Hình 3.11 Bức tranh mặt cắt ĐTS tuyến nghiên cứu 3.3.4 chế rửa mặn từ trầm tích biển tuổi olocen Ảnh hưởng thành phần độ hạt trầm tích Holocen tới chế rửa mặn 11 190 4000 Nh 20 [Cl] g/L Mơ hình chiều xây dựng với kịch khác thông qua thay đổi giá trị hệ số thấm K tầng trầm tích Holocen sớm từ K=10-6m/s tới K=10-11m/s Từ phản ánh ảnh hưởng thành phần trầm tích (nghèo sét, giàu sét ) tới chế rửa mặn 20 18 16 14 12 10 K=1e-8 m/s K=1e-7 m/s K=1e-6 m/s 10 11 Thời gian (nghìn năm) Hình 3.12 Khảo sát ảnh hưởng hệ số thấm K tới tốc độ rửa mặn NLR Kết thí nghiệm cột thấm cho thấy, hệ số thấm K mẫu sét lỗ khoan Q88