Xây dựng mô hình nghiên cứu cơ chế rửa mặn của nước lỗ hổng trong trầm tích đệ tứ vùng hưng yên hà nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VŨ VĂN HƯNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ RỬA MẶN CỦA NƯỚC LỖ HỔNG TRONG TRẦM TÍCH ĐỆ TỨ VÙNG HƯNG YÊN – HÀ NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VŨ VĂN HƯNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ RỬA MẶN CỦA NƯỚC LỖ HỔNG TRONG TRẦM TÍCH ĐỆ TỨ VÙNG HƯNG YÊN – HÀ NAM Chuyên ngành: Địa chất thủy văn Mã số: 60.44.63 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Phạm Quý Nhân PGS TS Flemming Larsen Hà Nội – 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trinhg nghiên cứu than, kết trình bày luận văn thật chưa công bố cơng tình khác Tác giả đề tài VŨ VĂN HƯNG MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHŨ VIÊT TẮT VÀ KÝ HIỆU - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ - DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU - 10 MỞ ĐẦU 11 Tính cấp thiết đề tài - 11 Mục đích 12 Đối tượng phạm vi nghiên cứu - 12 Nội dung nghiên cứu 12 Phương pháp nghiên cứu - 12 Ý nghĩa khoa học thực tiễn - 13 Cấu trúc luận văn - 13 Cơ sở tài liệu luận văn - 13 Lời cảm ơn - 14 CHƯƠNG KHÁI QUÁT VÙNG NGHIÊN CỨU 15 1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên - 15 1.1.1 Vị trí địa lý 15 1.1.2 Địa hình - địa mạo 15 1.1.3 Khí tượng - Thuỷ văn 16 1.1.4 Kinh tế, xã hội giao thông - 17 1.2 Đặc điểm địa chất - 18 1.2.1 Cấu trúc địa chất 18 1.2.2 Lịch sử phát triển địa chất Đệ Tứ - 23 1.3 Đặc điểm địa chất thuỷ văn 29 1.3.1 Đặc điểm tầng chứa nước - 29 1.3.2 Các thể địa chất nghèo nước đến không chứa nước 31 CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ RỬA MẶN NƯỚC DƯỚI ĐẤT - 33 2.1 Tình hình nghiên cứu xâm nhập mặn nước đất giới 33 2.2 Tình hình áp dụng mơ hình nghiên cứu dịch chuyển ranh giới mặn nhạt Việt Nam 36 CHƯƠNG 3: HIỆN TRẠNG PHÂN BỐ RANH GIỚI MẶN NHẠT NƯỚC DƯỚI ĐẤT KHU VỰC HƯNG YÊN- PHỦ LÝ - 39 3.1 Phương pháp nghiên cứu 39 3.1.1 Địa vật lý lỗ khoan - 39 3.1.2 Phương pháp trường chuyển (TEM- Transient Electromagnetic Soundings) 42 3.2 Kết thăm dò địa vật lý - 45 3.2.1 Kết địa vật lý lỗ khoan 45 3.2.2 Kết đo TEM 45 3.3 Hiện trạng phân bố ranh giới mặn nhạt nước đất khu vực Phủ Lý – Hưng Yên - 52 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH CƠ CHẾ RỬA MẶN 55 4.1 Cơ sở lý thuyết di chuyển vật chất 55 4.1.1 Giới thiệu chung 55 4.1.2 Sự khuếch tan hay vận chuyển theo gradient nồng độ (diffusion) - 55 4.1.3 Di chuyển vật chất theo dòng thấm (advection) 58 4.1.4 Phân tán học - 58 4.1.5 Phân tán thuỷ động lực 59 4.1.6 Quan hệ khuếch tán phân tán 60 4.1.7 Giải phương trình khuyếch tán - phân tán thấm (advection dispersion) theo phương pháp giải tích - 62 4.1.8 Hiệu ứng phân tán ngang 63 4.1.9 Quy mô ảnh hưởng phân tán 64 4.1.10 Xác định thông số phân tán - 65 4.1.11 Dòng khối lượng riêng (density flow) - 66 4.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình xâm nhập mặn (SEAWAT) 67 4.2.1 Công thức tốn học dịng ngầm có tính đến mật độ chất lỏng thay đổi 68 4.2.2 Công thức vận chuyển vật chất hịa tan có tỷ trọng thay đổi - 69 4.2.3 Công thức trạng thái tỷ trọng nồng độ - 70 4.2.4 Điều kiện biên điều kiện ban đầu - 70 4.2.5 Phương pháp giải phương trình vi phân - 70 4.3 Mô hình - 71 4.3.1 Sơ đồ hóa điều kiện địa chất thủy văn - 71 4.3.2 Xây dựng mơ hình - 73 4.4 Cơ chế rửa mặn nước lỗ rỗng trầm tích Đệ tứ 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 87 DANH MỤC CÁC CHỮ VIÊT TẮT VÀ KÝ HIỆU PGS.TS Phó Giáo sư, Tiến sĩ NCS Nghiên cứu sinh ĐCTV Địa chất thủy văn TCN Tầng chứa nước NDĐ Nước đất TEM Phương pháp trường chuyển LK Lỗ khoan LKQT Lỗ khoan quan trắc qh Tầng chứa nước Holocene qp Tầng chứa nước Pleitocene DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 - Sơ đồ vị trí vùng nghiên cứu Hình 1.2 Biểu đồ khí tượng trạm Hưng n (giai đoạn 1990 - 2000) Hình 1.3 Đường bờ biển cổ (9000 năm trước) Hình 2.1 Xâm nhập mặn tầng chứa nước ven biển Hình 2.2 Mặt cắt địa chất phân bố hàm lượng Clo tầng chứa nước Suriname (Groen &nnk, 2000) Hình 3.1: Sự biến đổi điện từ trường mơi trường Hình 3.2: Sơ đồ bố trí thiết bị TEM ngồi trường Hình 3.3 Mơ hình dịng xốy cảm ứng thứ cấp Hình 3.4 Tài liệu đo gamma tự nhiên lỗ khoan Q83B, Phủ Lý Hà Nam Hình 3.5 Tài liệu ño gamma tự nhiên lỗ khoan Q85B, Phủ Lý Hà Nam Hình 3.6 Tài liệu đo gamma tự nhiên lỗ khoan Q87, Hà Nam Hình 3.7 Tài liệu ño gamma tự nhiên lỗ khoan Q88B, Duy Tiên- Hà Nam Hình 3.8 Kết xử lý số liệu ño TEM Hình 3.9 Bản ñồ phân bố ranh giới mặn nhạt khu vực Phủ Lý – Hưng Yên Hình 4.1 Mơ hình khái niệm mơi trường lớp Hình 4.2 Bề mặt lớp mơ hình Hình 4.3 Hệ số thấm cho lớp mơ hình Hình 4.4 Nồng độ ban đầu cho lớp mơ hình Hình 4.5 Hệ số khuếch tán phân tử cho lớp mơ hình Hình 4.6 Giá trị bổ cập cho lớp mơ hình Hình 4.7 Các LK quan trắc mạng quan trắc Quốc gia Hình 4.8 Phân bố nồng độ cuối thời gian chạy mơ hình Hình 4.9 Đồ thị quan hệ nồng độ tính tốn quan sát bước thời gian 100 (cuối thời gian chạy mơ hình) Hình 4.10 Phân bố Clo theo độ sâu (B) ñồ thị Stiff (C) Hình 4.11 Tài liệu Địa vật lý lỗ khoan lỗ khoan mạng quan trắc quốc gía 10 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Khoảng biến đổi cường độ phóng xạ tự nhiên ñất ñá tương ứng với loại ñất ñá - vùng đồng Bắc Bộ Bảng 3.2 Giá trị dịng ñiện, tần số số lần lặp phép ño Bảng 3.3 Phân loại liệu sau xử lý theo STDF (Auken & nnk, 2005) 76 Hình 4.4 Nồng độ ban đầu cho lớp mơ hình Hệ số khuếch tán phân tử (Molecular Diffision) Theo tài liệu nghiên cứu, thí nghiệm trước hệ số khuếch tán phân tử trường thấm khác khác (xem thêm mục 4.1.10), đặc biệt trường hợp nước vận động từ nơi có tốc độ thấm đến nơi tốc độ thấm lớn ngược lại Trong mơ hình tác giả chọn thông số Khuếch tan phân tử sau: 77 Hình 4.5 Hệ số khuếch tán phân tử cho lớp mơ hình Điều kiên biên Thời gian chạy mơ hình 4000 năm trước (giữa Holocene) tầng chứa nước Holocene chưa hình thành nghĩa mực nước tầng không tồn Trong mô hình tác giả gán đáy tầng Mực nước cuối thời gian chạy mơ hình mực nước ngày 15/4/2004 (theo tài liệu quan trắc mạng quan trắc quốc gia) Và mực nước tầng Pleistocene thời điểm 4000 năm trước gán đáy tầng Holocene Giá trị bổ cập Dữ liệu giá trị bổ cập xác định sở tài liệu lượng mưa trạm tượng Hưng n, giá trị tính tốn 10-15% giá trị lượng mưa thực tế Lượng mưa trung bình khu vực 1500mm/năm nên lượng bổ cập lấy 225mm/năm 78 Hình 4.6 Giá trị bổ cập cho lớp mơ hình Lưới sai phân bước thời gian chỉnh lý mơ hình Diện tích tuyến mơ hình nghiên cứu vào khoảng 500.000m2, chiều ngang 100m chiều dọc 5000m Bước lưới sai phân xác lập để tính tốn mơ hình số gồm 50 cột hàng, phân chia với khoảng cách ∆x=100m, ∆y=100 m Bước thời gian để tính tốn chỉnh lý mơ hình chia đến ngày (1.440.000 ngày) Thời gian chỉnh lý chia thành 100 bước thời gian Hệ thống lỗ khoan quan trắc chỉnh lý mơ hình Để giúp cho việc giải tốn chỉnh lý mơ hình xác cần thiết phải xác định điều kiện nồng độ điểm quan trắc để so sánh chỉnh lý mơ hình Vùng lập mơ hình có hệ thống điểm quan trắc quốc gia mẫu thí nghiệm lấy năm 2008 Do tác giả lấy nồng độ vào thời gian tiêu chuẩn để kiểm tra kết giải toán ngược ổn định 79 Hình 4.7 Các LK quan trắc mạng quan trắc Quốc gia Kết giải toán Q trình chạy mơ hình để tính tốn dịch chuyển chất hòa tan thực theo hai bước - Bước 1: Chạy mơ hình dịng ngầm - Bước 2: Chạy mơ hình tính tốn dịch chuyển hàm lượng muối Chạy chỉnh lý mơ hình tiến hành theo hai bước Chạy điều kiện ổn định chạy điều kiện không ổn định Chạy để chỉnh lý mơ hình điều kiện ổn định thực đến nồng độ thực tế ban đầu nồng độ tính tốn mơ hình xấp xỉ Chạy mơ hình để chỉnh lý điều kiện không ổn định cho khoảng thời gian 4000 năm.Tài liệu dùng để chỉnh lý tài liệu phân tích Clo LK quan trắc bao gồm LK quan sát tầng chứa nước Pleistocene tầng chứa nước Holocene Trong q trình chỉnh lý, tiến hành xác hóa thơng số Việc chỉnh tiến hành đồ thị nồng độ tính tốn quan sát gần trùng Dưới kết chạy mơ hình sau 1.000 năm, 2.000 năm, 3.000 năm, 4.000 năm 80 Sau 1000 năm Sau 2000 năm 81 Sau 3000 năm Sau 4000 năm Hình 4.8 Phân bố nồng độ thời điểm khác mơ hình Từ kết chạy mơ hình chỉnh lý ta thấy tranh phân bố hàm lượng Clo giống với trạng phân bố mặn nhạt nước đất khu vực Phủ Lý- Hưng Yên Từ cho phép xác định chế rửa mặn nước đất trầm tích Đệ tứ khu vực 4.4 Cơ chế rửa mặn nước lỗ rỗng trầm tích Đệ tứ Việc chạy mơ hình SEAWAT 4.000 năm cho thấy rõ q trình rửa mặn nước đất trầm tích Đệ tứ Ban đầu trầm tích sét (lớp 3) mặn (hàm 82 lượng Clo cao, 19.500mg/L), hai tầng chứa nước qh, qp bên bên lớp sét nhạt (nồng độ Clo thấp