CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KHU VỰC NGHIÊN CỨU
2.2 Phương pháp luận
Các chỉ thị môi trường là những thành phần lưu giữ trong mơi trường có thể chiết xuất, xác định và định lượng các thông tin về điều kiện mơi trường và khí hậu trong quá khứ với độ tin cậy cao. Khơi phục cổ khí hậu, cổ mơi trường là xác định các chỉ thị và vai trị của chúng trong phản ánh điều kiện khí hậu, mơi trường trong quá khứ. Tùy thuộc vào tính chất các chất chỉ thị môi trường và các đặc điểm môi trường và khí hậu có thể xác đinh theo chu kỳ hàng năm hoặc theo mùa. Các tầng trầm tích được hình thành thơng qua q trình lắng đọng và tích tụ tại các bồn trầm tích dưới tác động của nhiều q trình thủy động lực, sinh địa hóa và phong hóa (Hình 2.1). Trong đó, các tham số khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa,...) trong điều kiện lịch sử lắng đọng cột trầm tích cũng gây tác động trực tiếp lên q trình phong hóa
đá, đặc trưng thủy động lực, đặc trưng mơi trường địa hóa. Do đó, phân bố cấp độ hạt, thành phần khống vật, thành phần vi cổ sinh, thành phần địa hóa, thành phần đồng vị bền,… được lưu giữa trong cột mẫu trầm tích sẽ phản ánh chính xác điều kiện mơi trường và khí hậu hình thành nên trầm tích.
Hình 2.1 Mối liên quan giữa đặc trưng khí hậu và quá trình lắng đọng, lưu giữ các chỉ thị khí hậu trong cột trầm tích
Trầm tích tại đồng bằng châu thổ được cung cấp chủ yếu từ nguồn gốc trầm tích từ sơng và biển (Hình 2.2). Nguồn cung cấp trầm tích từ sơng bao gồm chủ yếu tảo nước ngọt, mảnh vụn thực vật trên cạn và trầm tích sơng. Trong đó, nguồn cung cấp trầm tích từ biển có nguồn gốc từ thực vật phù du biển, mảnh vụn thực vật trên biển và trầm tích biển. Do đó, xác định nguồn gốc vật chất hữu cơ trong cột mẫu trầm tích đóng vai trị quan trọng trong xác định điều kiện mơi trường lắng đọng trầm tích trong quá khứ.
Ứng dụng phương pháp phân tích đồng vị bền được áp dụng phổ biến trong các nghiên cứu khôi phục cổ môi trường, cổ khí hậu trong các cột mẫu trầm tích tại hồ (Fan và nnk, 2017), đồng bằng châu thổ (Zhou và nnk, 2004), sa mạc (Buck & Monger, 1999), cột băng (Petit và nnk, 1999).
Đồng vị là những nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton và electron nhưng khác nhau về số lượng neutron. Hầu hết các nguyên tố đều có nhiều hơn hai đồng vị, chỉ có 21 nguyên tố có duy nhất một đồng vị, trong đó bao gồm các nguyên tố phổ biến như Flor (F), Nhôm (Al), Natri (Na), Phosphor (P). Đồng vị chia thành 2 loại là đồng vị bền và đồng vị phóng xạ. Đồng vị bền là đồng vị của các nguyên tố có mức năng lượng nguyên tử ổn định và cân bằng, chúng khơng có tính chất phân rã, do vậy chúng khơng có khả năng phóng xạ (Tue, 2018). Trong tự nhiên, carbon có hai đồng vị phổ biến với thành phần lần lượt là 12C (98,982%), 13C (1,108%).
Đồng vị bền carbon là một chỉ thị quan trọng được sử dụng trong xác định nguồn gốc vật chất hữu cơ trong cột mẫu trầm tích. Trong các phản ứng hóa lý, sự phân tách các đồng vị nặng và nhẹ gây ra sự khác nhau về tỉ số đồng vị nặng/đồng vị nhẹ của sản phẩm và các chất tham gia được gọi là phân đoạn đồng vị. Các quá trình ảnh hưởng lên đặc điểm phân đoạn đồng vị carbon trong các chu trình quang hợp bao gồm: quá trình hấp phụ và khuyếch tán CO2 bởi các tế bào quang hợp (chất diệp lục), q trình chuyển hóa và tổng hợp carbon trong các tế bào của thực vật bởi enzym. Căn cứ vào đặc điểm quang hợp, các lồi thực vật chia làm ba nhóm chính bao gồm: nhóm thực vật C3 (quang hợp theo chu trình Calvin), nhóm thực vật C4 (quang hợp theo chu trình Hatch-Slack), nhóm thực vật CAM (quang hợp theo chu trình sử dụng acid Crassulacean) (O'Leary, 1981). Kết quả chu trình quang hợp, thực vật C3 tạo ra hai phân tử acid phosphoglycerate có chứa ba nguyên tử carbon. Bên cạnh đó, thực vật C4 tạo ra phân tử oxaloacetate có bốn nguyên tử carbon – thực vật quang hợp theo cơ chế này lần lượt được gọi là thực vật C3, C4 (Tue, 2018). Hệ số phân đoạn đồng vị carbon giữa thực vật C3 với khí CO2 trong khơng khí khoảng -18‰, giá trị
động trong khoảng -33‰ đến -23‰ với giá trị trung bình -27‰ (Lamb, Angela L và nnk, 2006). Tương tự như vậy, hệ số phân đoạn đồng vị giữa thực vật C4 với khí CO2
trong khơng khí khoảng -4‰, vì vậy giá trị δ13C có nguồn gốc từ thực vật C4 dao
động trong khoảng -16‰ đến -9‰ với giá trị trung bình -12‰ (Lamb, Angela L và nnk, 2006). Nhóm thực vật CAM sử dụng cơ chế quang hợp hỗn hợp giữa cơ chế quang hợp thực vật C3 vào ban ngày và và cơ chế quang hợp của thực vật C4 vào ban
đêm. Vì vậy, giá trị δ13C của thực vật CAM dao động mạnh phụ thuộc vào từng loài.
Đặc điểm phân đoạn đồng vị carbon của các loài thực vật thủy sinh xảy ra phức tạp hơn so với thực vật sống trên cạn. Giá trị δ13C của thực vật phù du phụ thuộc chặt chẽ vào đặc tính hóa lý của mơi trường nước, đặc điểm sinh thái của từng loài. Giá trị
δ13C của các loài tảo thường dao động -22‰ đến -10‰, các loài thực vật phù du dao
động trong khoảng -31‰ đến -18‰ . Bên cạnh đó, giá trị δ13C của thực vật phù du
tại vùng biển ôn đới dao động trong khoảng (-20‰ đến -23‰) và có xu hướng cao hơn tại vùng biển nhiệt đới (-18‰ đến -20‰) (Tue, 2018). Qua đó, giá trị δ13C là một chỉ thị mơi trường đáng tin cậy phản ánh chính xác nguồn gốc vật chất hữu cơ trong cột mẫu trầm tích.
Bên cạnh các yếu tố đá mẹ, sự phổ biến khống vật sét trong đất được hình thành chủ yếu từ quá trình phong hóa trong điều kiện khí hậu nóng ẩm. Do đó, tại những vùng khí hậu khơ mát mật độ kaolinit sẽ thấp hơn so với vùng nhiệt đới, nóng ẩm. Đặc tính này được sử dụng để xác định điều kiện lượng mưa, độ ẩm và thảm thực vật trong quá khứ (Thanh và nnk, 2017). Tại những giai đoạn cường độ gió mùa tăng, lượng mưa và nhiệt độ tăng cao là điều kiện thuận lợi cho q trình phong hóa và vận chuyển trầm tích dẫn đến tỷ lệ khống vật sét trong trầm tích tăng cao và ngược lại. Tuy nhiên, nghiên cứu khoáng vật sét trong xác định điều kiện cổ môi trường cần cân nhắc khả năng khống vật sét tích lũy trong q trình phong hóa hoặc biến đổi do q trình biến chất về sau. Vì vậy, chỉ số địa hóa (TOC, C/N, δ13C) được sử dụng để luận giải chính xác nguồn gốc vật chất hữu cơ trong khoáng vật sét kết hợp với thành phần khống vật sét trong trầm tích sẽ xác định điều kiện cổ mơi trường trong q khứ (Hình 2.2).
Hình 2.2 Mối quan hệ giữa đặc trưng cường độ gió mùa, nguồn cung cấp trầm tích đến mơi trường lắng đọng trầm tích
Trong phần 1.1.6 đã chỉ ra giai đoạn 9000 năm đến nay, đặc điểm địa mạo, địa chất đồng bằng sông Hồng thay đổi chủ yếu do sự biến đổi mực nước biển. Sự biến đổi mực nước biển làm thay đổi địa động lực môi trường lắng đọng trầm tích kéo theo sự thay đổi nguồn cung cấp trầm tích, lưu lượng trầm tích và tốc độ lắng đọng trầm tích. Các pha biển tiến, biển thố được xác định thơng qua các mơi trường lắng đọng trầm tích đồng nhất phản ánh địa động lực của mơi trường trầm tích tại thời điểm đó. Trầm tích hạt thơ sẽ lắng đọng khu vực gần bờ - nơi có địa động lực lớn, ngược lại những hạt trầm tích mịn sẽ tích tụ khu vực xa bờ - khu vực địa động lực yếu và sâu hơn. Do đó, các đặc điểm thành phần trầm tích (Md, So, Sk) sẽ thay đổi tùy thuộc vào năng lượng của mơi trường tại thời điểm đó. Trong đó, nguồn cung cấp trầm tích sẽ phụ thuộc chủ yếu vào sự tương tác địa động lực giữa sông và biển. Nguồn cung cấp trầm tích sẽ được xác định thơng qua nguồn gốc vật chất hữu cơ tích lũy trong trầm tích do đặc điểm thực vật khác biệt giữa mơi trường sơng và biển. Vì vậy, các
cấp chủ yếu từ sông (thực vật C3, C4, CAM, thực vật phù du nước ngọt,…) hoặc biển (thực vật phù du biển,…) sẽ thay đổi theo đặc điểm của mơi trường lắng đọng trầm tích trong q khứ.
Vì vậy, phương pháp phân tích đồng vị bền được sử dụng để xác định đặc điểm khí hậu tại thời điểm lắng đọng trầm tích và các yếu tố ảnh hưởng lên trầm tích trong suốt q trình bị chơn vùi (Meyers & Lallier-Vergès, 1999). Tuy nhiên, mỗi chỉ thị khí hậu, mơi trường chỉ cung cấp chính xác một thơng tin độc lập (nguồn gốc vật chất hữu cơ, nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm,…). Do đó, việc luận giải đặc điểm cổ khí hậu, cổ mơi trường thường sử dụng và kết hợp nhiều chỉ thị và thơng số khí hậu, mơi trường. Các chỉ thị và các thông số sử dụng thường độc lập với nhau và bổ sung các phần hạn chế cho nhau, điều này giúp tăng độ chính xác trong việc luận giải hoặc nảy sinh những câu hỏi mới tại những nơi thơng số khác biệt hồn toàn.