Nghiên cứu quá trình biến đổi ngắn hạn của sét núi nưa, thanh hóa nhằm đánh giá khả năng cô lập chất thải phóng xạ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - LÝ THÙY DƢƠNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NGẮN HẠN CỦA SÉT NÚI NƢA, THANH HĨA NHẰM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CƠ LẬP CHẤT THẢI PHÓNG XẠ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - LÝ THÙY DƢƠNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NGẮN HẠN CỦA SÉT NÚI NƢA, THANH HÓA NHẰM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CƠ LẬP CHẤT THẢI PHĨNG XẠ Ngành học: Khống vật học địa hóa học Mã ngành học: 60440205 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS HOÀNG THỊ MINH THẢO Hà Nội - 2018 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ============ GIẤY XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ học viên cao học Lý Thùy Dương Tên là: Lý Thùy Dương, tác giả luận văn với Ďề tài: “Nghiên cứu trình biến Ďổi ngắn hạn sét Núi Nưa, Thanh Hóa nhằm Ďánh giá khả lập chất thải phóng xạ.” Ďã Ďược bảo vệ trước Hội Ďồng chấm luận văn thạc sĩ trường Đại học Khoa học Tự nhiên ngày tháng năm 2018 Theo góp ý phản biện Hội Ďồng, xin bổ sung chỉnh sửa nội dung sau: - Chuẩn hóa thuật ngữ khoa học, phương trình hóa học - Rút gọn phần kết luận, bổ sung mục tiêu nội dung nghiên cứu - Gộp chương chương thành chương - Sửa lỗi tả chế luận văn Tôi xin trân trọng Ďề nghị Hội Ďồng xác nhận việc chỉnh sửa, cho phép Ďược làm thủ tục xin cấp Thạc sĩ khoa học Hà Nội, ngày tháng năm 2018 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN CAO HỌC (Ký ghi rõ học tên) (Ký ghi rõ học tên) PGS.TS Hoàng Thị Minh Thảo Lý Thùy Dƣơng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC (Ký ghi rõ học tên) PGS.TS Nguyễn Ngọc Khơi LỜI CẢM ƠN Để hồn thành Ďề tài luận văn thạc sĩ này, bên cạnh cố gắng thân có giúp Ďỡ Q thầy cơ, gia Ďình bạn bè suốt thời gian học viên học tập, nghiên cứu thực luận văn thạc sĩ Lời Ďầu tiên, học viên xin bày tỏ kính trọng biết ơn sâu sắc Ďến PGS.TS Hoàng Thị Minh Thảo, người trực tiếp hướng dẫn tận tình giải Ďáp thắc mắc q trình học viên thực hồn thành luận văn Tiếp Ďến, học viên xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn Ďến người thân gia Ďình Tình yêu, hỗ trợ vô Ďiều kiện niềm tin tuyệt Ďối từ phía gia Ďình nguồn Ďộng lực to lớn Ďể học viên hoàn thành luận văn Bên cạnh Ďó, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS Phạm Thị Nga, CN Nguyễn Thị Ninh, ThS Nguyễn Thị Hòa CN Lê Hồng Yến bạn bè Ďã ln nhiệt tình giúp Ďỡ, Ďộng viên cho lời khuyên bổ ích suốt thời gian qua Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc Ďến toàn thể Quý thầy khoa Địa chất phòng khoa Sau Ďại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-Đại học Quốc gia Hà Nội Ďã truyền Ďạt kiến thức quý báu tạo Ďiều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Học viên Lý Thùy Dƣơng MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI VÀ ĐỊA CHẤT .2 KHU VỰC NÚI NƢA, THANH HÓA 1.1 Đ c Ďiểm tự nhiên, kinh tế xã hội 1.2 Đ c Ďiểm Ďịa chất 1.2.1 Địa tầng .4 1.2.2 Các thể magma xâm nhập .5 1.2.3 Kiến tạo CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ QÚA TRÌNH BIẾN ĐỔI KHỐNG VẬT SÉT VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .7 2.1 Tổng quan tài liệu nghiên cứu sét khoáng vật sét 2.1.1 Kaolinit 2.1.2 Smectit 2.1.3 Vermiculit 11 2.1.4 Chlorit 12 2.1.5 Khoáng vật sét lớp xen 13 2.1.6 Các khoáng vật sét khác .14 2.2 Tổng quan q trình biến Ďổi khống vật sét .14 2.3 Mẫu nghiên cứu .16 2.4 Các phương pháp nghiên cứu 17 2.4.1 Phương pháp huỳnh quang tia X (XRF) .17 2.4.2 Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) 18 2.4.3 Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR) 19 i 2.4.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM-EDX) 20 CHƢƠNG ĐẶC ĐIỂM MẪU SÉT KHU VỰC NÚI NƢA, THANH HÓA 21 3.1 Đ c Ďiểm thành phần hóa học 21 3.2 Đ c Ďiểm khoáng vật học 23 CHƢƠNG QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI KHOÁNG VẬT SÉT NÚI NƢA 44 4.1 Các yếu tố tác Ďộng Ďến q trình biến Ďổi khống vật Ďá serpentinit 44 4.1.1 Yếu tố khí hậu 44 4.1.2 Yếu tố đá gốc .45 4.1.3 Yếu tố sinh học: thảm thực vật vật chất hữu .45 4.1.4 Yếu tố thời gian 46 4.1.5 Yếu tố địa hình 46 4.2 Quá trình biến Ďổi khoáng vật sét Ď c Ďiểm m t cắt Ďới saprolit khu vực Núi Nưa 46 4.2.1 Q trình biến đổi khống vật sét Núi Nưa 46 4.2.2 Đặc điểm mặt cắt đới saprolit khu vực Núi Nưa .52 4.3 Dự Ďốn q trình biến Ďổi Ďánh giá khả cô lập sét Núi Nưa xây dựng bồn chứa ho c vách ngăn chất thải phóng xạ 53 4.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ 53 4.3.2 Ảnh hưởng nước ngầm 55 4.3.3 Ảnh hưởng thành phần hóa học khống vật sét 55 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 71 ii CHỮ VIẾT TẮT D Khoảng cách lớp m t tinh thể khoáng vật di-smectit Smectit có cấu trúc bát diện Ďơi diVS-ml Khoáng sét lớp xen di-vermicullit-smectit EDX Tán xạ lượng tia X FTIR Quang phổ hồng ngoại chuyển Ďổi Fourier IS-ml Khống sét lớp xen illit/smectit tri-smectit Smectit có cấu trúc bát diện ba XRD Nhiễu xạ tia Roentgen XRF Huỳnh quang tia X TEM Kính hiển vi Ďiện tử truyền qua TEM-EDX Kính hiển vi Ďiện tử truyền qua kết hợp với hệ thống tán xạ lượng tia X λ Bước sóng (cm-1) iii DANH MỤC HÌNH Hình 1: Sơ Ďồ Ďịa chất khối Núi Nưa (Lê Duy Bách Đ ng Trần Quân, 1995) .3 Hình 2: Cấu trúc hình dạng khống vật kaolinit (dạng booklet) (Grim, 1962; Meunier, 2005) Hình 3: Cấu trúc hình thái montmorillonit (Grim, 1962; Meunier, 2005) 10 Hình 4: Cấu trúc khống vật Mg-vermiculit (Mathieson, 1958) .11 Hình 5: Cấu trúc khống vật chlorit (Grim, 1962) 12 Hình 6: Cấu tạo khống vật sét lớp xen xếp ngẫu nhiên (random interstratification) xếp có quy luật (regular interstratification) (Brigatti et al., 2013) A, B lớp cấu trúc .13 Hình 7: M t cắt Ďới saprolit khu vực Bãi Áng với lớp lấy mẫu: A: Lớp cùng, B: Lớp giữa, C: Lớp 16 Hình 8: Quy trình chuẩn bị mẫu cho phân tích XRF (IAEA, 1997) 18 Hình 9: Giản Ďồ phổ XRD mẫu BA 2.1 25 Hình 10: Giản Ďồ phổ XRD mẫu BA 2.2 26 Hình 11: Giản Ďồ phổ XRD mẫu BA 2.3 27 Hình 12: Giản Ďồ phổ FTIR mẫu sét Núi Nưa .29 Hình 13: Giản Ďồ phổ FTIR mẫu sét Núi Nưa dải phổ từ 750-950 cm-1 31 Hình 14: Giản Ďồ phổ FTIR mẫu sét Núi Nưa dải phổ từ 3000-3800cm-1 31 Hình 15: Ảnh TEM sét Núi Nưa 37 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Thành phần hóa học sét Núi Nưa Ďá chưa bị phong hóa 22 Bảng 2: Tỉ lệ (%) pha khoáng vật xuất mẫu .24 Bảng 3: Giá trị λ (cm-1) ứng với Ďỉnh phổ FTIR mẫu sét khu vực Núi Nưa 34 Bảng 4: Tỉ lệ pha khoáng vật xuất mẫu sét Núi Nưa (%) 37 Bảng 5: Công thức hóa học trung bình pha khống vật sét mẫu sét Núi Nưa Ďược xác Ďịnh phân tích TEM-EDX 40 Bảng 6: Tỉ lệ lớp cấu trúc smectit khoáng vật sét lớp xen (%) .42 v MỞ ĐẦU Một thực trạng Ďáng báo Ďộng tình trạng nhiễm mơi trường nghiêm trọng từ việc sử dụng khơng kiểm sốt loại vật liệu tiềm ẩn khả sinh chất Ďộc hại gây nguy hại tới môi trường sức khỏe người Các chất gây ô nhiễm phát sinh từ loại chất thải chất thải sinh hoạt, chất thải y tế, chất thải công nghiệp Đ c biệt chất phóng xạ sinh q trình khai thác radi, urani Do Ďó, việc nghiên cứu Ďể tìm loại vật liệu tự nhiên có khăng lập chất thải phóng xạ, kết hợp với loại vật liệu nhân tạo khác, thân thiện với môi trường người cấp thiết Sét khoáng vật sét Ďược biết loại vật liệu Ďáp ứng Ďược yêu cầu Loại vật liệu Ďược ứng dụng nhiều lĩnh vực khác sản xuất thuốc chữa bệnh, mỹ phẩm, Ďồ gốm việc xây dựng vách ngăn cô lập chất thải phóng xạ Trong số loại sét khống vật sét thơng dụng bentonit (smectit) Ďối tượng Ďược nghiên cứu ứng dụng phổ biến việc lập chất thải phóng xạ Ď c tính tự nhiên khả hấp thụ khả tự hàn gắn Từ Ďiểm nêu trên, luận văn hướng tới nghiên cứu Ď c Ďiểm sét khoáng vật sét Ďể kiểm nghiệm ưu Ďiểm vật liệu trước ứng dụng vào xây dựng vách ngăn cô lập chất thải phóng xạ Thành phần hóa học, khống vật học sét Ď c tính tự nhiên khoáng vật sét Ďược nghiên cứu luận văn Khơng vậy, luận văn hướng tới luận giải q trình biến Ďổi khống vật sét tự nhiên xem xét tương tác yếu tố môi trường với sét Ďể khai thác thêm thông tin khả cô lập chất thải phóng xạ Từ Ďó, Ďưa dự Ďốn q trình biến Ďổi Ďối tượng tương tác với loại vật liệu khác làm vách ngăn chứa chất thải phóng xạ 80 Van der Marel H.W and Beutelspacher H., 1976 Atlas of Infrared Spectroscopy of Clay Minerals and Their Admixtures Elsevier, Amsterdam 81 Vantelon D., Pelletier M., Michot L J., Barres and Thomas F., 2001 Fe, Mg and Al distribution in the octahedral sheet of montmorillonites An infrared study in the OH-bending region Clay Minerals 36 (3), 369-379 82 Velde B., 1995 Chapter 2: Composition and Mineralogy of Clay Minerals In Velde B (Ed.), 1995 Origin and Mineralogy of Clays: Clays and the Environment Springer-Verlag Berlin Heidelberg, pp 8-42 83 Velde B and Meunier A., 2008 The origin of clay minerals in soil and weathered rocks Springer 84 Vicente-Hernández J., Vicente M A., Robert M., Goodman B A., 1983 Evolution des biotites en function des conditions d’oxydo-reduction du milieu Clay Minerals 18, 267–275 Reviewed by Galán E., 2006 Chapter 14: Genesis of clay minerals In Bergaya F., Theng B.K.G., Lagaly G (Eds), 2006 Handbook of clay minerals (1st edition) Elsevier, pp 1129-1162 85 Weaver C E., 1989 Clays, muds and shales Elservier 86 Welton J E., 2003 SEM petrology alats AAPG Methods in Exploration Series No The American Association of Petroleum Geologists, Tulsa 87 Wildman W E., Jackson M L., Whittig L D., 1968 Iron-rich montmorillonite formation in soils derived from serpentinite Soil Sci Soc Amu Proc 32, 787–794 88 Wildman W E., Jackson M L., Whittig L D., 1971 Serpentine stability in relation to formation of iron-rich montmorillonite in some California soils Am Mineral 56, 587–602 89 Wilson M J., 1987a Soil smectites and related interstratified minerals: recent developments In: Schultz, L.G., van Olphen, H., Mumpton, F.A (Eds.), Proceedings of the International Clay Conference, Denver, 1985 The Clay Minerals Society, Bloomington, IN pp 167–173 Reviewed by Galán E., 2006 Chapter 14: Genesis of clay minerals In Bergaya F., Theng B.K.G., 69 Lagaly G (Eds), 2006 Handbook of clay minerals (1st edition) Elsevier, pp 1129-1162 90 Wilson M J., 1999 The origin and formation of clay minerals in soils: past, present and future perspectives Clay Minerals, 34, 7–25 91 Wilson M J., 2004 Weathering of the primary rock-forming minerals: processes, products and rates, Clay Minerals, 39, 233–266 70 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Hệ thống phân loại khoáng vật sét (Guggenheim et al., 2006; Hoàng Thị Minh Thảo, 2016) Kiểu cấu Vật liệu lớp xen giữa/ tổng điện Nhóm tích lớp (z)1 khống vật trúc 1:1 2:1 Khơng ho c có H2O (z≈0) Khơng có lớp xen (z≈0) SerpentinKaolinit Talcpyrophylit Lớp cation trao Ďổi ngậm nước (z≈0,2-0,6) Kiểu bát Khoáng vật diện2 Tri Lizardit, berthierin, amesit, cronstedtit Di Kaolinit, dickit, nacrit, halloysit Di, tri Odinit Tri Talc, wilemseit, kerolit, pimelit Di Pyrophylit, ferripyrophylit Tri Saponit, hectorit, sauconit, stevensit, swinefordit Di Montmorillonit, beidelit, nontronit Tri Tri-vermiculit Smectit Lớp cation trao Ďổi ngậm nước Vermicultit 71 (z≈0,6-0,9) Di Di-vermiculit Khơng có cation hóa trị ngậm Tri Annit, phlogopit, lepidolit, aspidolit Di Muscovit, celadonit, paragonit Tri Illit, glauconit, brammallit Di Wonesit Tri Clintonit, kinoshitalit, bityit, anandit Di Margarit, chernykhit Tri Clinochlor, chamosit, pennantit, nimit Di Donbasit Di, tri Cookeit, sudoit Tri, di Chưa xác Ďịnh Tri Corrensit (Ch/V ho c Ch/S), aliettit, hydrobiotit, nước, khối lượng ≥50% (z≈0,85- Mica thực 1,0) Khơng có cation hóa trị ngậm nước ho c cation hóa trị (z≈0,6- Mica thiếu lớp xen 0,85) Khơng có cation hóa trị ngậm nước, khối lượng ≥50% (z≈1,8- Mica giòn 2,0) Lớp hydroxit (z=bất Ďịnh) 2:1 Lớp xen kẽ có quy luật (z bất Ďịnh) Chlorit 72 kulkeit Di Rectorit, tosudit, brinrobertsit Tri, tri Dozyit Sepiolit Tri, tri Sepiolit, loughlinit, falcondoit Palygorskit Di, tri Palygorskit, yofortierit 1:1, 2:1 Lớp xen kẽ có quy luật (z bất Ďịnh) 2:1 Khống vật sét có cáu trúc Ďảo lớp 73 ... - LÝ THÙY DƢƠNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NGẮN HẠN CỦA SÉT NÚI NƢA, THANH HĨA NHẰM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CƠ LẬP CHẤT THẢI PHĨNG XẠ Ngành học: Khống vật học địa hóa học Mã ngành học: 60440205... vách ngăn lập chất thải phóng xạ Trong số loại sét khoáng vật sét thơng dụng bentonit (smectit) Ďối tượng Ďược nghiên cứu ứng dụng phổ biến việc cô lập chất thải phóng xạ Ď c tính tự nhiên khả hấp... người Các chất gây ô nhiễm phát sinh từ loại chất thải chất thải sinh hoạt, chất thải y tế, chất thải cơng nghiệp Đ c biệt chất phóng xạ sinh trình khai thác radi, urani Do Ďó, việc nghiên cứu Ďể