Sử dụng phương pháp địa chất thuỷ văn đồng vị góp phần xác lập lại điều kiện có nhiệt độ trong kỷ đệ tứ vùng đồng bằng bắc bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HOÀNG THỊ THU HÀ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤT THỦY VĂN ĐỒNG VỊ GÓP PHẦN XÁC LẬP LẠI ĐIỀU KIỆN CỔ NHIỆT ĐỘ TRONG KỶ ĐỆ TỨ VÙNG ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HOÀNG THỊ THU HÀ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤT THỦY VĂN ĐỒNG VỊ GÓP PHẦN XÁC LẬP LẠI ĐIỀU KIỆN CỔ NHIỆT ĐỘ TRONG KỶ ĐỆ TỨ VÙNG ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ CHUYÊN NGÀNH: ĐỊA CHẤT THỦY VĂN MÃ SỐ: 60.44.63 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TSKH BÙI HỌC HÀ NỘI - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Hoàng Thị Thu Hà MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Tính cần thiết đề tài Mục đích luận văn Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu Nội dung nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Điểm luận văn Cấu trúc luận văn CHƯƠNG ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN 11 1.1 Vị trí địa lý 11 1.2 Đặc điểm địa hình 11 1.3 Hệ thống thủy văn 12 1.4 Đặc điểm khí hậu 13 CHƯƠNG ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 18 2.1 Đặc điểm địa chất 18 2.1.1 Hệ Neogen (N) 18 2.1.2 Hệ Đệ tứ (Q) 18 2.2 Đặc điểm Địa chất thuỷ văn 20 2.2.1 Tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Holocen (qh) 20 2.2.2 Tầng chứa nước lỗ hổng trầm tích Pleistocen (qp) 21 2.3 Lịch sử phát triển trầm tích kỷ Đệ tứ 22 CHƯƠNG NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ ĐỊA CHẤT THUỶ VĂN ĐỒNG VỊ VÙNG ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ 28 3.1 Cơ sở phương pháp luận 28 3.2 Cơ sở lý thuyết đồng vị ứng dụng cho nghiên cứu ĐCTV 28 3.3 Những đặc điểm phân bố đồng vị môi trường nước mưa, nước mặt, nước ngầm vùng đồng Bắc Bộ 34 3.3.1 Thành phần đồng vị nước mưa 34 3.3.2 Thành phần đồng vị nước sông 36 3.3.3 Thành phần đồng vị nước đất 39 3.4 Những ứng dụng phương pháp đồng vị nghiên cứu ĐCTV 43 3.4.1 Trên giới 43 3.4.2 Ở Việt Nam 43 CHƯƠNG LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU CỔ KHÍ HẬU 47 4.1 Khái niệm khí hậu, cổ khí hậu cổ địa lý 47 4.2 Mối quan hệ cổ địa lý cổ khí hậu 49 4.3 Lịch sử nghiên cứu cổ khí hậu 51 4.3.1 Trên giới 51 4.3.2 Ở Việt Nam 52 CHƯƠNG LẬP LẠI ĐIỀU KIỆN CỔ NHIỆT ĐỘ TRONG KỶ ĐỆ TỨ VÙNG ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ 54 5.1 Đặt vấn đề 54 5.2 Phương pháp nghiên cứu 54 5.3 Kết nghiên cứu thảo luận 55 5.3.1 Xác định nguồn gốc nước ngầm 56 5.3.2 Xác định tuổi nước đất 57 5.3.3 Xác định mối quan hệ Oxy-18 nhiệt độ khơng khí thành tạo mưa 60 5.3.4 Xác định mối quan hệ nhiệt độ khơng khí tuổi nước ngầm kỷ Đệ tứ 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN ĐBBB: Đồng Bắc Bộ ĐCTV: Địa chất thủy văn NDĐ: Nước đất SMOW: Standard Mean Ocean Water TB: Trung bình TCN: Tầng chứa nước DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Nhiệt độ khơng khí trung bình tháng năm (1960-2000) 14 Bảng 1.2 Tổng lượng mưa trung bình tháng năm (1960-2000) 14 Bảng 1.3 Độ ẩm trung bình tháng năm (1960-2000) 15 Bảng 1.4 Bảng tổng hợp trận bão đổ (1981-1990) 16 Bảng 1.5 Lượng bốc trung bình tháng năm (1996-2000) Bảng 2.1 Mối quan hệ tướng trầm tích tính chất nước đất trầm tích Đệ tứ đồng Bắc Bộ Bảng 3.1 Kết đo hàm lượng 18O, 2H Triti nước mưa vùng Hà Nội 17 22 Bảng 3.2 Thành phần đồng vị nước mưa vùng Hà Nội năm 2005 35 Bảng 3.3 Thành phần đồng vị nước sông Hồng 36 Bảng 3.4 Kết đo hàm lượng 18O, 2H Triti nước sông vùng ĐBBB Bảng 3.5 So sánh thành phần đồng vị nước sông Hồng nước mưa Hà Nội Bảng 3.6 Kết đo hàm lượng 18O, D Triti nước đất vùng ĐBBB Bảng 5.1 Tuổi 14C nước đất đồng Bắc Bộ 38 35 39 40 58 Bảng 5.2 Tuổi 14C nước đất tầng chứa nước qp 58 Bảng 5.3 Nhiệt độ TB năm khơng khí thành tạo mưa vùng ĐBBB Bảng 5.4 Kết xác định tuổi nước ngầm nhiệt độ trung bình năm khơng khí thành tạo mưa ĐBBB 60 65 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Vị trí vùng nghiên cứu Hình 2.1 Mặt cắt Địa chất trầm tích Đệ tứ tuyến A-B Từ Chương Mỹ, Hà Nội đến Bắc Ninh, Bắc Giang Hình 2.2 Mặt cắt địa chất thuỷ văn theo phương Tây Bắc-Đông Nam vùng đồng Bắc Bộ (từ đỉnh Việt Trì qua Hà Nội, Hưng n đến biển Đơng Diêm Điền, Thái Bình) Hình 2.3 Mối quan hệ thành phần thạch học, chu kỳ biển tiến tầng chứa nước trongkỷ Đệ tứ Hình 3.1 Đồ thị quan hệ thành phần đồng vị bền nước mưa tồn cầu Hình 3.2 Đồ thị dao động thành phần đồng vị bền nước mưa vùng Hà Nội Hình 3.3 Đồ thị dao động thành phần đồng vị bền nước sơng Hồng Hình 3.4 Mối liên hệ δ18O δD nước sông Hồng 11 20 22 27 34 36 38 38 Hình 3.5 Đồ thị quan hệ δ18O δD nước đồng Bắc Bộ 41 Hình 3.6 Sơ đồ phân bố điểm lấy mẫu vùng đồng Bắc Bộ Hình 4.1 Mối quan hệ cổ địa lý, cổ khí hậu yếu tố khác lịch sử phát triển địa chất vùng hay miền định Hình 5.1 Đồ thị H Craig (đồng Bắc Bộ) Hình 5.2 Xác định nồng độ ban đầu 14C đồ thị quan hệ Triti 14C Hình 5.3 Sơ đồ đẳng tuổi nước ngầm đồng Bắc Bộ 42 Hình 5.4 Đồ thị quan hệ δ18O tuổi 14C nước ngầm ĐBBB Hình 5.5 Hàm số thời gian lưu trung bình theo hàm mũ, piston hàm mũ - piston hỗn hợp Hình 5.6 Sự biến đổi nhiệt độ trung bình năm khơng khí thành tạo mưa kỷ Đệ tứ vùng ĐBBB Hình 5.7 Sự dao động mực nước biển thời kỳ Holocen ĐBBB Hình 5.8 Sự dao động mực nước biển thời kỳ Holocen Thái Bình Dương theo YASNO MAEDA-Nhật Bản năm 1980 (a) Việt Nam theo Fonte-Pháp (b) 49 56 57 59 62 65 66 67 67 MỞ ĐẦU Tính cần thiết đề tài Vấn đề trái đất nóng lên, nước biển dâng cao khí hậu biến đổi cách khắc nghiệt đến khơng cịn chuyện giới, mà đe doạ trực tiếp đến Việt Nam: Lũ lụt, hạn hán, triều cường ngày nặng nề hơn, ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn người kinh tế Báo cáo tác động biến đổi khí hậu thành phố lớn khu vực Châu Á-Thái Bình Dương World Bank Liên Hợp Quốc thực hiện, công bố ngày 6/8 cho biết tác động mực nước biển dâng cao tượng ấm lên tồn cầu thảm họa Việt Nam, mà tác động xảy vùng Đồng sông Hồng Đồng sơng Mê Cơng Vì vậy, nghiên cứu biến đổi khí hậu lịch sử cổ khí hậu nói chung kỷ Đệ tứ góp phần lập lại điều kiện cổ nhiệt độ nói riêng Mục đích luận văn Sử dụng phương pháp địa chất thủy văn đồng vị góp phần xác lập lại điều kiện cổ nhiệt độ kỷ Đệ tứ vùng đồng Bắc Bộ phục vụ nghiên cứu biến đổi khí hậu Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu Luận văn sâu nghiên cứu thành phần đồng vị nước mưa, nước mặt nước ngầm từ nghiên cứu cổ khí hậu để xác lập lại điều kiện cổ nhiệt độ kỷ Đệ tứ vùng ĐBBB Nội dung nhiệm vụ nghiên cứu - Thu thập tài liệu kết nghiên cứu cổ địa lý, cổ khí hậu vùng nghiên cứu - Thu thập kết mẫu đồng vị vùng ĐBBB phục vụ nghiên cứu lập lại điều kiện cổ nhiệt độ kỷ Đệ tứ - Nghiên cứu biến đổi khí hậu nhiệt độ khơng khí sở số liệu đồng vị đưa quy luật biến đổi kỷ Đệ tứ vùng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu - Dựa vào kết phân tích đồng vị Triti, Carbon-14, Oxy-18 nước mưa, nước mặt, nước ngầm vùng ĐBBB, kết hợp với kết nghiên cứu tuổi nước ngầm tầng chứa nước trầm tích Đệ tứ phương pháp ĐCTV đồng vị để nghiên cứu cổ khí hậu - Nghiên cứu mối quan hệ hàm lượng Oxy-18 nhiệt độ không khí thành tạo mưa - Nghiên cứu mối quan hệ hàm lượng Triti Oxy-18 với nguồn gốc nước ngầm, với điều kiện khí hậu hình thành trầm tích chứa nước Ý nghĩa khoa học thực tiễn Thời gian vài chục năm trở lại đây, kết nghiên cứu đồng vị nhiều trạm quan trắc nước mưa giới cho thành phần đồng vị oxy 18 nước mưa có biểu năm sau giàu năm trước Đây dấu hiệu thể ấm lên Trái đất giàu đồng vị thể lượng bốc nước mưa điều kiện khí hậu khơ Từ kết nghiên cứu, xác định tuổi nước ngầm, xác định mối quan hệ hàm lượng Oxy-18 nhiệt độ khơng khí thành tạo mưa với đồng vị khác (C-14, D, Triti ) để lập lại q trình biến đổi nhiệt độ khơng khí kỷ Đệ tứ vùng đồng Bắc Bộ Điểm luận văn - Bước đầu ứng dụng phương pháp địa chất thủy văn đồng vị để lập lại điều kiện cổ nhiệt độ vùng đồng Bắc Bộ với kết cho thấy xu hướng tăng lên liên tục nhiệt độ khơng khí từ Pleistocen (khoảng đến độ C) đến (khoảng 23 đến 26 độ C) - Luận văn tổng hợp vấn đề liên quan nghiên cứu khí hậu, cổ khí hậu cổ địa lý vùng nghiên cứu nhằm góp phần nghiên cứu dự báo biến đổi khí hậu Cấu trúc luận văn Luận văn gồm phần mở đầu, kết luận nội dung gồm 05 chương 62 18,0 oC thấp từ 8,0 - 9,0 oC Trong thời kỳ Holocen nhiệt độ cao lến đến 25,80C Các giá trị δD δ18O bảng 3.6 cho thấy, thay đổi rõ rệt giá trị δD δ18O xuất q trình chuyển đổi khí hậu thời kỳ băng hà thời kỳ nóng ấm Nước ngầm thành tạo thời kỳ Pleistocen có giá trị δD δ18O giảm cách rõ rệt Hàm lượng δ18O nước ngầm vùng nghiên cứu phản ánh rõ nét điều kiện cổ khí hậu, nghĩa nước ngầm cổ nghèo 18O (Hình 5.4) Từ hình 5.4 ta thấy, cách 10.000 năm khí hậu vùng nghiên cứu lạnh δ18O (o/oo) -2 -4 Hà Nội -6 Hướng chảy NDĐ Nam Định - Hải Phòng -8 Tuổi14C(năm) -10 1.000 5.000 10.000 15.000 Hình 5.4 Đồ thị quan hệ δ18O tuổi 14C nước ngầm ĐBBB Chúng ta biết chế chủ yếu phân chia đồng vị trình bay Trong thiên nhiên, trình bay xảy điều kiện không cân bằng, cường độ bay mạnh, điểm mẫu nước nghiên cứu nằm lệch phía bên phải đường GMWL, nước ngưng tụ, điểm nằm bên trái đường GMWL (xem hình 3.5) 63 Khi nước bị bay đồng vị nhẹ bay trước sau tới đồng vị nặng Do nước đám mây có hàm lượng đồng vị nặng thấp Ngược lại mưa, đồng vị nặng dễ ngưng tụ nên hàm lượng chúng thường cao giọt mưa đầu cơn, mưa Và trình di chuyển sâu vào đất liền hàm lượng đồng vị nặng nước mưa giảm dần Mặt khác di chuyển vào sâu lục địa đám mây tiếp nhận nước bốc từ nước mặt lục địa từ q trình hơ hấp thảm thực vật Ở nơi có độ cao lớn, nhiệt độ khơng khí thấp, nước nghèo thành phần đồng vị nặng nước mưa, vậy, nghèo đồng vị nặng Các q trình gây nên hiệu ứng đồng vị, có vai trị quan trọng hiệu ứng lục địa, hiệu ứng nhiệt độ hiệu ứng độ cao Do vậy, sâu lục địa độ cao lớn hàm lượng đồng vị nặng thấp Hàm lượng δ18O δD nước mưa vùng khác giới có khác chúng có mối quan hệ chặt chẽ Trên đồ thị quan hệ δ18O δD mẫu nước mưa phân bố dọc theo đường thẳng δD = δ18O + 10 Từ ta giải thích cho hình 3.5 nước ngầm đại phân bố dọc theo đường GWML; Nước ngầm cổ thường phân bố phía dưới, bên phải đường GMWL phân bố quanh đường thẳng δD = δ18O + b có hệ số góc có hệ số b < 10; Trong nước biển phân bố quanh gốc tọa độ Khi nhóm nước có hịa trộn với đồ thị quan hệ xuất điểm nằm đường hòa trộn Khi bị bay hơi, thành phần đồng vị nước thay đổi, điểm biểu diễn nằm vùng bay Và mối quan hệ δ18O δ2H mối quan hệ tuyến tính có giá trị tương quan mạnh mẽ với nhiệt độ Nhiệt độ ảnh hưởng đến phân đoạn với tỷ lệ khoảng 0,518O(0/00) cho oC Nếu nhiệt độ khơng khí giảm, ngưng tụ bao gồm giảm nồng độ phân tử nặng, dẫn đến suy giảm 18O với lượng mưa tương đối mà cô đặc môi trường ấm Sự thành tạo mưa khí nguội lạnh khí nóng Điều dẫn đến mối quan hệ nhiệt độ 64 giá trị δ18O nước Với nhiệt độ tăng, lượng mưa trở nên phong phú hàm lượng đồng vị bền 5.3.4 Xác định mối quan hệ nhiệt độ khơng khí tuổi nước ngầm kỷ Đệ tứ Như giải thích phần nước đất tầng chứa nước qp có nguồn gốc thấm đại Điều làm sáng tỏ thêm thông qua kết đo T 14C Các mẫu nước mưa lấy Hà Nội có nồng độ Triti đặc trưng cho vĩ độ địa lý nước biển Thái Bình Dương (từ đến 10 T.E) Điều có nghĩa đợt mưa lấy mẫu bắt nguồn từ biển Thái Bình Dương Hà Nội nằm cách xa biển khoảng 100 km hiệu ứng lục địa không đóng vai trị bản, song có tượng làm giàu Triti nước mưa vào lục địa Các mẫu nước mặt thuộc hệ thống Sông Hồng có hàm lượng Triti dao động từ 8,9 ± 0,7 T.E đến 30 ± T.E, giá trị δD = -53,9 0/00 đến -81,3 0/00 giá trị δ18O = -7,7 0/00 đến -10,7 0/00 (bảng 3.4) Sự dao động lớn thành phần đồng vị mẫu giải thích hỗn hợp nhiều loại nước khác nước làm giàu thành phần đồng vị thông qua hiệu ứng độ cao lục địa, nước ngầm nước mặt [9] Để xác định tuổi trung bình (hay thời gian lưu trung bình) nước ngầm tầng chứa nước theo kết đo Triti vùng nghiên cứu năm 1980, 1985, 1986 1989 sử dụng kết tính hàm số thời gian lưu trung bình theo hàm mũ, piston hàm mũ - piston hỗn hợp Bùi Học năm 1992 [8] Những năm 1991, 1993 chưa xây dựng mơ hình nên khơng xác định tuổi nước ngầm theo phương pháp Kết tính dựa vào đường cong hàm số thời gian lưu Hình 5.5 Những kết tính tuổi nước ngầm phương pháp 14C thể Bảng 5.1 Tổng hợp kết xác định tuổi thể Bảng 5.4 65 Hình 5.5 Hàm số thời gian lưu trung bình theo hàm mũ, piston hàm mũ - piston hỗn hợp Bảng 5.4 Kết xác định tuổi nước ngầm nhiệt độ trung bình năm khơng khí thành tạo mưa ĐBBB Tầng chứa nước qh qp Chiều sâu lấy mẫu Triti (TU) Gia Lương III 4-5 8,6 ± 0,7 22,6 7/86 TX Thái Bình 4-5 11,5 ± 1,0 11,4 10 7/86 Chí Linh II 8-10 1,4 ± 0,5 9,1 Tuổi nước ngầm (năm) Hiện đại Hiện đại 2.000 12/91 Đông Anh 30-40 94,0 ± 0,5 10,0 500 12/86 Sơn Tây 10-20 84,5 ± 1,0 10,0 2.000 3/92 Từ Sơn 40-50 85,0 ± 1,0 14,1 1.900 4/93 Phố Hồ 20-25 92,5 ± 1,0 17,9 700 14 3/93 T.Y.Đ Phượng 50-65 69,0 ± 0,5 13,5 3.000 15 2/86 Cổ Nhuế 34-35 0,1 ± 0,3 17,8 1.000 18 8/85 QĐ Cầu Diễn 40-55 0,2 ± 0,3 12,0 2.500 20a 8/78 NMN Yên Phụ 40-50 35 ± 5,0 8,8 15-20 21a 8/85 NMN Ngọc Hà 64-67 2,3 ± 0,4 86,7 ± 2,4 16,1 1.200 28 7/85 Hải Phòng 40-50 1,4 ± 0,5 18,5 ± 1,4 8,5 11.000 Số hiệu điểm Ngày lấy mẫu Địa danh 17 7/86 40 δ C (PDB) 14 1,0 ± 0,3 51,8 ± 2,3 Nhiệt độ C 66 Tầng chứa nước Chiều sâu lấy mẫu Triti (TU) δ C (PDB) Nhiệt độ C NMN Hà Đông 52-76 0,6 ± 0,3 64,7 ± 1,7 16,0 Tuổi nước ngầm (năm) 1.800 2/86 NMN Hà Đông 65-78 0,6 ± 0,3 17,6 4.000 30 5/89 Văn Điển 37-55 9,8 ± 0,3 46,4 ± 1,2 11,5 3.900 31 12/91 CTKINN HNội 40-80 43,8 ± 1,0 10,8 3.600 32 3/93 Kiều Thị 40-75 56,5 ± 1,0 15,0 1.800 33 3/93 Kim Thi 50-70 53,0 ± 1,0 15,0 2.100 35 12/91 Thường Tín 60-65 76,5 ± 1,0 16,0 2.200 37 7/78 Hưng Yên I 66-84 10,8 5.000 38 3/93 NMN Hưng Yên 70-75 13,0 3.300 39 2/86 Hưng Yên II 30-60 16,0 5.000 43 7/86 CT cói Nam Định 65-70 11,5 9.000 44 7/86 Sở GT Nam Định 63-69 10,2 4.000 Số hiệu điểm Ngày lấy mẫu 29a 8/85 29b Địa danh 14