Kết luận về đặc điểm, hiện trạng tai biến sụt đất khu vực ven biển Tp.Cẩm Phả
Hiện tượng sụt đất tại Cẩm Phả được ghi nhận đã xuất hiện rải rác trong thời gian dài (từ năm 1998, 2007, 2010) và bùng phát từ 2012 tới nay. Số lượng các hố sụt xuất hiện trên địa bàn cũng tăng lên đáng kể theo thời gian, đỉnh điểm tới 19 hố sụt xuất hiện trong năm 2013. Hầu hết các hố sụt xuất hiện vào thời điểm từ tháng 5 đến tháng 9 hàng năm, trong đó tháng 7 là thời điểm xuất hiện nhiều hố sụt nhất (tới 20 hố sụt).
Tai biến sụt đất xuất hiện trong phạm vi từ UB thành phố tới ngã 3 Cọc Sáu cụ thể là tập trung ở khu vực giáp ranh giữa Núi Nhện (phía Bắc) và biển (phía Nam). Đây cũng chính là khu vực bằng phẳng, tập trung dân cư và có khoảng cách ra tới biển ngắn nhất so với khu vực dân cư khác. Các hố sụt có xu thế tập trung trong hoặc rất gần các nón phóng vật đồng thời cịn có xu thế phân bố theo phương Tây Tây Bắc – Đông Đông Nam.
Diễn biến được ghi nhận ở các hố sụt tại khu vực Cẩm Phả là các hố sụt xảy ra đột ngột tức thì trong khoảng thời gian ngắn. Trước khi xảy ra sụt đất, trên bề mặt đất khơng có biểu hiện lún hay dấu hiệu báo trước rõ ràng, chỉ một vài hộ gia đình quan sát thấy tường nhà có biểu hiện của nứt tường nhà trước đó.
Về hình thái các hố sụt ở đây, trên mặt đất, đều có dạng hình trịn khá đẳng thước, kích thước các hố sụt dao động từ 1-3 m x 1-4 m; vách hố sụt thẳng đứng, một số hố sụt mới xảy ra quan sát rõ có dạng phễu hoặc dạng hàm ếch. Dạng hàm ếch liên quan chủ yếu với độ rắn chắc của lớp đất mặt hoặc lớp đất nền sân, nền đường. Vật liệu dưới hố sụt thường là đất mềm nhão,dưới hố sụt ln có nước với mực nước tĩnh từ 0,5 m – 1,5 m. Trong thời gian 2-3 tiếng hoặc dài hơn, một vài hố sụt mở rộng về một phía và có dạng sụt kéo dài như ở Thủy Sơn hoặc Đá Mài.
Về chiều sâu hố sụt, đáy hố nhìn thấy sâu khoảng 1-3m tính từ mặt đất. Tuy nhiên đáy hố thường là bùn lỏng hình thành sau khi sụt. Nhiều vật dụng nặng như xe
máy, tivi… đều bị cuốn chìm xuống sâu hơn. Khi dùng các cây sào dài ấn xuống sẽ gặp vật cứng ở độ sâu 4-5m. Cá biệt tại hố sụt Cẩm Phú độ sâu đo được bằng thước dây- quả tạ là 8,5m.
Quy luật phân bố không gian của các hố sụt tại địa bàn thành phố Cẩm Phả rải rác, không thể hiện rõ quy luật và phức tạp hơn.
3.2 Điều kiện, nguyên nhân và cơ chế sụt đất
3.2.1 Điều kiện, nguyên nhân gây sụt đất
Các quá trình tai biến địa chất (trong đó có sụt đất) phát sinh và phát triển dưới ảnh hưởng của nhiều yếu tố, có những yếu tố giữ vai trị quan trọng, có những yếu tố mà ảnh hưởng của chúng không nhận rõ được. Tất cả các yếu tố đó được gọi là các yếu
tố hình thành và phát triển tai biến và chia thành hai nhóm: nhóm các yếu tố điều kiện
và nhóm các yếu tố nguyên nhân tai biến.
Điều kiện của tai biến là tổ hợp các yếu tố về cấu trúc và tính chất của môi trường địa chất cần nhưng chưa đủ để phát sinh tai biến đó. Như vậy yếu tố điều kiện của một tai biến không thể chỉ có một mà là tổ hợp các yếu tố. Tuy nhiên khơng phải vai trị của tất cả các yếu tố đều như nhau.
Nguyên nhân của tai biến bao giờ cũng là một q trình khác phát triển ở mơi trường bên ngồi, hoặc bên trong mơi trường địa chất, tương tác với các yếu tố điều kiện của tai biến đó. Nguyên nhân của một tai biến thường khơng chỉ có một, mà là một số các yếu tố, trong đó vai trị của các ngun nhân cũng khơng phải như nhau.
Từ những kết quả nghiên cứu, phân tích hiện trạng, đặc điểm hố sụt, đặc điểm tự nhiên khu vực nghiên cứu, có thể thấy rằng, yếu tố điều kiện để phát triển tai biến sụt đất ở đây: thứ nhất là các hang ngầm trong đá cacbonat. Để xuất hiện trên bề mặt các hố sụt, cần phải có một khoảng rỗng trong lịng đất, đó chính là các hang ngầm karst. Các hang này được hình thành do sự vận động của nước, rửa trơi, hịa tan các đá cacbonat theo các khe
nứt, đới dập vỡ trong đá do các chuyển động kiến tạo, đứt gãy tạo nên. Tuy nhiên, có hang ngầm mới chỉ là yếu tố điều kiện cần để xảy ra sụt đất. Yếu tố thứ hai là liên quan tới lớp đất sét pha lẫn sạn sỏi màu xám vàng (tạm gọi là lớp đất nhạy cảm). Lớp đất này có độ bất đồng nhất về thành phần hạt cao, trạng thái dẻo đến dẻo chảy, nằm phủ ngay trên lớp đá cacbonat hệ tầng Bắc Sơn, thuận lợi cho việc bị rửa trôi vào các khe nứt, hang ngầm. Các kết quả khoan địa chất cho thấy, trong các hang ngầm được lấp đầy bởi thành phần đất như trên.
Nguyên nhân gây ra sụt là một quá trình, tương tác với yếu tố điều kiện gây sụt. Có rất nhiều nguyên nhân có thể gây ra tai biến. Nguyên nhân trước tiên có thể thấy đó là sự dao động mực nước ngầm, làm rửa trôi lớp đất xung yếu vào hang ngầm karst. Sự tăng tải bên trên, làm gia tăng tải trọng, tác dụng một lực nén xuống lớp đất bên dưới, lớp đất có tính bất đồng nhất cao, trạng thái dẻo chảy đến chảy có thể dễ dàng bị đè nén, chảy vào các hang ngầm. Bên cạnh tải trọng tĩnh là tải trọng động, do tác động rung lắc của các tác nhân bên trên như sự di chuyển của các xe tải lớn, tàu…tạo điều kiện cho các hạt đất có sự sắp xếp, di chuyển vào hang ngầm. Hay do sự bơm hút nước, do tác động của nhân sinh, làm thay đổi mực nước cũng là một nguyên nhân gây ra sụt đất.
Về bản chất của hiện tượng này có thể hiểu đó chính là hiện tượng xói ngầm, và dẫn đến hình thành các hố sụt karst. Với 3 điều kiện cần và đủ sau:
- Có khoảng khơng gian ngầm, nơi chứa các vật liệu đất đá chảy vào. Điều này đã được chứng mình với những hệ thống đứt gãy, tạo ra các đới dập vỡ, các khe nứt trong đá karst của khu vực. Thêm nữa, các tài liệu khoan, địa vật lý cũng cho thấy những khoảng độ cao từ -8m đến -16m có bậc hang được hình thành từ trước.
- Có sự bất đồng nhất về thành phần hạt trong các lớp đất đá, hệ số rỗng cao, độ thấm cao. Các số liệu về địa chất cơng trình, các kết quả thí nghiệm đã chỉ ra hai lớp đất có ảnh hưởng quan trọng tới quá trình sụt đất karst trong khu vực đó là lớp đất lấp 1, và lớp 4
đất sét, sét pha lẫn sạn sỏi màu xám vàng (lớp đất nhạy cảm). Các lớp đất này dễ cho nước thấm qua, và cuốn theo chúng vào trong các hang, khe rãnh trong đá cacbonat.
- Có sự dao động mực nước ngầm, sự thấm, vận chuyển nước mưa ngấm xuống phía dưới, làm trôi các hạt đất vào trong hang, hốc karst. Điều này được chứng minh qua các số liệu quan trắc của các giếng, số liệu dao động của thủy chiều. Và đặc biệt là những hố sụt thường xảy ra sau các cơn mưa lớn, kéo dài. Sự tập trung nước mưa tại các khu vực trũng, thấm xuống, cuốn trôi theo vật liệu đất đá và các khe nứt, hang ngầm karst.
3.2.2 Cơ chế sụt đất karst
Trên thế giới có rất nhiều các cách phân loại theo cơ chế sụt đất. Theo cách phân loại của Zhoo, 2007 được chia thành các cơ chế như sau:
* Sụt đất karst xảy ra trong đá hòa tan.
Khi một hố sụt xảy ra trong đá dễ bị hịa tan, thường có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau. Hố sụt trong đá hòa tan được chia thành hai loại, hòa tan lún, và hòa tan sụt đổ. Hố sụt loại này thường xảy ra trong những vùng núi đá vơi, các đá dễ bị hịa tan nằm lộ trên mặt đất. Các loại hố sụt này được hình thành theo phương trình hóa học làm hịa tan đá theo thời gian:
CaCO3 + H+ ---> HCO3- + Ca2+ CaCO3 + H2O + CO2 ---> 2HCO3- + Ca2+
Q trình hịa tan diễn ra do nước mưa, nước ngầm. Sự hòa tan đá vẫ liên tục tiếp diễn chừng nào mà nước vẫn còn tiếp xúc được với đã dễ bị hịa tan. Q trình hịa tan xảy ra trên bề mặt, trong các lớp đất phủ mỏng hoặc đá lộ trên mặt đất tạo thành các hố trũng.
Hố sụt hịa tan sụt đổ là khi q trình hịa tan xảy ra bên trong lòng của lớp đá dễ bị hòa tan. Tạo thành các hang, hốc karst phát triển. Nước tiếp tục hịa tan đá, và đến khi nóc hang phía trên khơng thể nâng đỡ được trong lượng phía trên hang thì
hóa học, và q trình cơ học, khi trần hang khơng chịu được tải trọng phía trên nó. Cịn hố sụt hòa tan lún khơng nhất thiết phải liên quan đến q trình cơ học.
Hình 3.8: Cơ chế sụt đất karst xảy ra trong đá hòa tan. (Nguồn: A. C. Waltham and P. G. Fookes (2003)
* Sụt đất karst xảy ra trong đá khơng hịa tan.
Hố sụt trong đá khơng hịa tan có thể được xảy ra khi các đá này nằm phía trên đá hòa tan. Trong điều kiện địa chất như vậy, các đá khơng bị hịa tan nằm phía trên, nước mưa, nước ngầm len lỏi xuống phía dưới và q trình hịa tan xảy ra trong lớp đá vơi và hình thành nên các hang ngầm. Các hang ngầm này bị hòa tan, mở rộng dần, và đến khi trần hang khơng chịu được tải trọng ở phía trên - là các đá khơng hịa tan, thì chúng bị sụt đổ xuống, tạo thành hố sụt karst.
Hình 3.9: Cơ chế sụt đất karst xảy ra trong đá khơng hịa tan Theo A. C. Waltham and P. G. Fookes (2003)
* Sụt đất karst xảy ra trong tầng phủ
Cơ chế sụt đất xảy ra trong tầng phủ này xảy ra khi các loại vật liệu, đất đá nằm phía trên đá vơi, là loại vật liệu hỗn hợp, khơng đồng nhất, dễ bị xói mịn, rửa trơi. Có 2 loại cơ chế xảy ra, hình thành hố sụt karst trong tầng phủ. Đó là cơ chết sụt đổ, và cơ chế sụt lún. Loại xảy ra theo cơ chế sụt đổ thường xảy ra đột ngột, và thiệt hại gây ra với tài sản là nhanh chóng, đáng chú ý, dễ nhận ra. Loại xảy ra theo cơ chế sụt lún thường không dễ nhận thấy, và thiệt hại mang đến là khó nhận ra, khó tính tốn, tuy nhiên, lại có thể gây thiệt hại nhiều hơn đối với cơ chế sụt đổ.
Hố sụt được hình thành theo cơ chế nào lại phụ thuộc vào thành phần, tính chất của lớp đất tầng phủ. Với cơ chế sụt lún, lớp đất nằm phía trên đá cacbonat thường là lớp đất sét. Nước rửa trôi các hạt đất vào các khe, rãnh, hang ngầm bên trong đá cacbonat. Các hạt đất bị cuốn trôi dần, làm bề mặt phía trên dần bị lún xuống, hình thành hố sụt.
Hình 3.10: Cơ chế sụt đất karst xảy ra trong tầng phủ là đất dính (theo USG)
Với cơ chết sụt đổ xảy ra trong tầng phủ, khi mà các lớp đất đá nằm trên là các lớp đất đá có sự gắn kết yếu, thành phần thường là cát, cát pha. Cũng tương tự như trên, nước rửa trôi các hạt đất, cát vào trong các hang, khe rãnh ngầm trong đá cacbonat, và tạo thành khoảng trống, hang rỗng trong lớp đất tầng phủ này, khoang trống, hang rỗng này dần mở rộng dần, và đến khi trần hang, không chịu được tải trọng của chính lớp đất phía trên, thì chúng sụp đổ xuống, hình thành nên hố sụt.
Hình 3.11: Cơ chế sụt đất karst xảy ra trong tầng phủ là đất rời (theo USG)
Với những tham khảo về cơ chế sụt đất đã được nghiên cứu tổng quát trên thế giới, kết hợp với điều kiện, nguyên nhân và tình hình thực tế sụt đất tại khu vực nghiên cứu, có thể chỉ ra cơ chế sụt đất tại khu vực ven biển thành phố Cẩm Phả như sau:
Với đặc trưng của khu vực này là đất lấp, lấn biển, các lớp đất chưa được lu lèn chặt. Đôi chỗ lấp trên những khu vực hang mà trước đó là hang nổi trên mặt đất, nhưng khơng có biện pháp xử lý trước khi san lấp. Khu vực có hệ thống đứt gãy cắt phá các đá cacbonat, tại thành các khe nứt, đới dập vỡ, thuận tiện cho sự thấm của các dòng nước ngầm, thấm từ trên xuống của nước mưa, nước mặt. Lớp đất sét pha màu vàng nâu lẫn sỏi sạn với hệ số thấm và hệ số bất đồng nhất cao, dễ bị nước cuốn trôi vào các khe rãnh, hang hốc ngầm karst.
Khi có mưa, kéo dài, sự tập trung nước tại các cùng trũng, hay với những dòng nước, kênh dẫn của nước mặt, sự dao động mực nước ngầm đã tạo một dòng thấm từ trên xuống dưới. Lớp đất lấp chưa được lu lèn chặt, với sự tác động của nước, những hạt đất nhỏ hơn, bị cuốn trôi theo nước, len lỏi qua các lỗ hổng, và từ chính trong lớp đất lấp này, hình thành nên các khoảng rỗng trong chúng. Và tại lớp đất nhạy cảm với hệ số bất đồng nhất về thành phần hạt cao, hệ số thấm lớn, các hạt đất bị cuốn trôi và các khe nứt, hang ngầm trong đá karst, tạo thành khoảng trống bên trong các lớp đất. Khoang rỗng này dần dần được mở rộng, bởi sự cuốn trôi đi mất của các hạt đất. Đến khi tải trọng trên các khoảng trống q lớn, phía trần khơng chống đỡ được, thì chúng sụt xuống, tạo thành các hố sụt.
3.3 Phân vùng nguy cơ sụt đất khu vực ven biển thành phố Cẩm Phả
3.3.1 Luận chứng hàm mục tiêu và các yếu tố điều kiện, nguyên nhân gây sụt đất
Trong phân vùng nguy cơ, cường độ phát triển của sụt đất là yếu tố được lựa chọn. Cường độ phát triển đó được thể hiện qua mật độ hố sụt, diện tích hố sụt, thể tích hố sụt…Trong bài báo này, hàm mục tiêu được chọn là cường độ phát triển tai biến được thể hiện qua thể tích hố sụt. Cường độ phát triển này phụ thuộc vào các yếu tố điều kiện, nguyên nhân hình thành sụt đất. Như phần trình bày trên đã nêu ra các điều kiện, nguyên nhân gây sụt. Các yếu tố được chọn trong bài báo này là:
2 * Khoảng cách tới đứt gãy: Tại vùng thành phố Cẩm Phả và vùng lân cận, kết quả
nghiên cứu cấu trúc địa chất kết hợp với tài liệu địa vật lý và các tài liệu khảo sát thực tế đã cho thấy các đá trong vùng bị cắt phá bởi các hệ thống đứt gãy phương á vĩ tuyến, á kinh tuyến, đông bắc – tây nam và tây bắc – đông nam. Các hoạt động địa chất, kiến tạo gây ra các hệ thống đứt gãy làm phá hủy đá, tạo ra các khe nứt, đới dập vỡ trong đá vôi. Theo các tài liệu địa vật lý, các đới dập vỡ này có phương phát triển chính là tây bắc - đơng nam và á kinh tuyến, trùng với phương của các đứt gãy. Đới dập vỡ này có chiều rộng từ 50 - 100m. Có một số nơi, đới dập vỡ có chiều rộng là 200m (Hình 4.1). Các phương của đới đập vỡ có trường ứng suất tách giãn trong khu vực nên rất thuận lợi cho các quá trình vận động, chuyển động của nước cùng với các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm thay đổi làm q trình phong hóa đá carbonat tích cực hơn trong các vỉa đá dập vỡ, tạo các điều kiện thuận lợi xuất hiện rãnh karst, hang ngầm. Đây là điều kiện cần để phát sinh sụt đất karst. Chính vì vậy, càng gần các đới đứt gãy, khả năng hình thành các hang ngầm càng cao, nguy cơ sụt lớn.
Hình 3.12: Mặt cắt cấu trúc tuyến 3 (a) và tuyến 2 (b) khuvực Quảng Hồng. Kết quả Đề tài 105/ĐXPS.01/2014) Kết quả Đề tài 105/ĐXPS.01/2014)