Holocen tại khu vực Nam Dư
3.3.1.1. Màu sắc và đặc điểm thạch học của trầm tích
Theo các tác giả Scott Fendorf 2010 cho thấy màu sắc của trầm tích là một chỉ thị cho trạng thái oxi hóa khử của tầng chứa nước. Trầm tích khử thường có màu xám hay màu đen tạo nên do màu của các khoáng Fe(II) hoặc hỗn hợp Fe(II) và Fe(III).Trong khi đó những trầm tích có màu đỏ hoặc nâu vàng thường là trầm tích oxi hóa do các khoáng Fe(II) đã bị oxi hóa thành khoáng Fe(III) [22]. Kết quả đo đạc tại xã Vạn Phúc – Thanh Trì – Hà Nội cho thấy tầng chứa nước tương ứng với trầm tích khử thì có hàm lượng As cao (>200µg/L). Trong khi đó tầng chứa nước tương ứng với trầm tích oxi hóa thì có hàm lượng As thấp (<10µg/L). Đây cũng là cách nhận biết định tính của các thợ khoan giếng để lấy được tầng nước có hàm lượng As thấp ở những khu vực mà có sự phân bố As khá đa dạng.
Màu sắc của 10 mẫu trầm tích theo độ sâu ở khu vực Nam Dư biến đổi khá đa dạng cho thấy điều kiện oxi hóa khử ở khu vực này cũng biến đổi đa dạng theo độ sâu (hình 3.11). Đầu tiên, dễ dàng nhận thấy phần trầm tích trên cùng (ở độ sâu 0,9m so với mực nước biển) có màu nâu vàng. Tuy nhiên, xuống sâu hơn ở độ sâu
0,9m -29,3m -27,7m -25,5m -17,7m -15,6m -13,1m -11,0m -36,7m -33,7m
đến -29,3m, trầm tích có màu vàng và xuống sâu hơn trầm tích lại có màu xám đen. Điều này cho thấy các trầm tích ở khu vực nghiên cứu đều là trầm tích khử (thể hiện rõ ở độ sâu từ -11m đến -25,5m với màu xám đen). Bên cạnh đó, xuất hiện lớp trầm tích trên cùng (tầng nông) và lớp trầm tích ở độ sâu từ -27,7 đến -29,3m là trầm tích oxi hóa (có tính khử kém hơn).
Như vậy, đa số các mẫu trầm tích ở khu vực nghiên cứu là trầm tích khử. Điều này thể hiện rõ nhất ở độ sâu từ -11đến -25,5m. Kết quả này phù hợp với các kết quả được tìm thấy ở khu vực đồng bằng Sông Hồng, đồng bằng sông Mekong và ở Băng la đét. Nguyên nhân là do các trầm tích này khá sâu, khoảng cách với lớp đất bề mặt là lớn nên oxi trong không khí không khuếch tán xuống lớp đất này. Đồng thời các phản ứng oxi hóa khử với chất nhận electron là các chất hữu cơ trong trầm tích đã tiêu thụ hết lượng oxi, NO3-…tạo ra môi trường khử, yếm khí.
Sự xuất hiện của lớp trầm tích oxi hóa ở tầng trên cùng (0,9m) được giải thích là do đây là tầng trầm tích bề mặt, sát bờ sông nên oxi trong không khí có thể khuyếch tán, hoặc do sự xâm nhập của nước sông (chứa oxi) vào mùa mưa cũng như sự rút đi vào mùa khô. Trong địa chất gọi đây là tầng chưa bão hòa (unsaturated sediment). Sự xuất hiện lớp trầm tích oxi hóa ở tầng nông khá phù hợp với kết quả
của tác giả Michael Berg trong nghiên cứu thực hiện ở khu vực bờ Sông Hồng ở Vạn Phúc và Thượng Cốc, tầng trầm tích oxi hóa phía trên có màu vàng và độ dày từ 3-7m [9].
Với lớp trầm tích oxi hóa ở dưới sâu (-27,7 đến -29,3m) được giải thích trong quá trình kiến tạo địa chất ở thời kỳ biển lùi vào cuối thời Pleistocen muộn và
Hình 3.11. Màu sắc của trầm tích theo độ sâu
Holocen sớm, lớp trầm tích này đã từng bị lộ thiên, tiếp xúc với oxi. Do đó lớp trầm tích này đã oxi hóa Fe(II) thành Fe(III) và đồng thời bị rửa trôi các chất hữu cơ. Tuy nhiên sau đó do quá trình bồi tụ phù sa, lũ lụt hoặc do các quá trình địa chất nào đó mà lớp trầm tích này bị chôn vùi. Sự khác biệt về tuổi giữa trầm tích khử và trầm tích oxi hóa được tìm thấy nhờ các kết quả quét quang học (optical scanning luminescence) ở trầm tích Băng la đét. Trầm tích khử được lắng đọng trong 10.000 năm gần đây trong khi đó trầm tích oxi hóa có tuổi khoảng 120ka BP - khoảng 120.000 năm, ứng với thời kỳ đầu Pleistocen muộn [83].
Bên cạnh đó màu sắc thì kích thước của hạt của trầm tích cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ As lên trầm tích. Thông thường, hàm lượng As cao thường xuất hiện ở những trầm tích hạt mịn như cát, sét, bùn và ngược lại As thấp thường xuất hiện trong trầm tích với kích thước to như sỏi, cuội…
Theo như hình ảnh về trầm tích ở khu vực Nam Dư (hình 3.11) cho thấy kích thước hạt khá đa dạng: với 6 mẫu là trầm tích mịn và 4 mẫu chứa sỏi thô xen phân bố ở các độ sâu -17,7m ; -27,7m; -29,3m và -33,7m. Kích thước hạt ở khu vực nghiên cứu Nam Dư khá phù hợp với kiến trúc trầm tích ở sát sông Hồng được tác giả Berg tìm thấy ở khu vực Vạn Phúc và Thượng Cốc.
Như vậy, màu sắc và kích thước trầm tích ở khu vực nghiên cứu biến đổi khá đa dạng: hầu hết đều quan sát thấy trầm tích xám, cát mịn, bên cạnh đó cũng quan sát thấy các mẫu trầm tích có màu vàng, chứa sỏi thô.
Bảng 3. 6. Hàm lượng As và Fe trên các pha phân bố trong trầm tích ở khu vực Nam Dư – Hoàng Mai –Hà Nội
Mẫu Độ sâu* Hấp phụ (Pha I) Khoá ng dễ hòa tan (Pha II) Khoá ng sắt hoạt động (Pha III) Khoá ng sắt hidro xit tinh thể (Pha IV) Khoá ng sắt pyrit (Pha V) Tổng m As Fe As Fe As Fe As Fe As Fe As Fe P1-1 0,9 0,9 nd nd 2,7 2,3 11,7 24,3 75,2 4,7 20,7 29,2 98,6 P1-2 -11,0 nd 0,1 3,9 52,1 nd nd 14,4 33,7 18,3 125,4 37,0 211,3 P1-3 -13,1 1,0 0,1 3,3 42,5 nd nd 8,6 34,9 14,3 82,9 27,2 160,3 P1-4 -15,6 1,2 0,1 4,5 61,8 nd nd 12,6 37,2 9,6 67,4 27,9 166,4 P1-5 -17,7 1,2 0,2 1,1 4,9 nd nd nd 0,4 10,8 51,3 12,1 56,8 P1-6 -25,5 1,2 0,3 1,1 50,5 nd 2,8 3,2 34,6 7,3 280,5 12,8 365,8 P1-7 -27,7 1,2 0,2 3,0 30,7 nd nd 6,2 42,8 5,9 33,8 16,3 107,5 P1-8 -29,3 3,1 nd 7,6 44,2 1,4 nd 29,5 52,5 23,8 120,3 64,1 217,1 P1-9 -33,7 0,8 0,2 nd 3,8 0,7 nd nd 2,1 15,3 56,6 16,3 62,7 P1-10 -36,7 1,2 0,1 3,0 48,4 nd nd 7,9 40,8 6,6 53,7 18,7 143,1
TB 1,2 0,1 2,8 34,2 1,5 7,2 10,7 35,4 11,7 89,3 26,2 159,0
Đơn vị: As: nmol/g trầm tích khô; Fe: µmol/g trầm tích khô. (*): Độ sâu so với mực nước biển; “nd“: không phát hiện được.
Kết quả trong bảng 3.6 cho thấy hàm lượng As tổng trong trầm tích ở khu vực Nam Dư nằm trong khoảng 12-64nmol/g tương ứng với 1-5mg/kg và hàm lượng Fe tổng 57-365µmol/g tương ứng với 3-21 g/kg. Các nghiên cứu khác được thực hiện ở khu vực Nam Dư của tác giả Jenny Norman 2008 cho kết quả tương tự với hàm lượng As: 2-10mg/kg; hàm lượng Fe: 18-40g/kg [61]. Tác giả Dike Postma 2007 thực hiện nghiên cứu ở khu vực Đan Phượng, Hà Nội cách khu vực Nam Dư khoảng 100km cho thấy hàm lượng As trong trầm tích cao hơn, đạt giá trị từ 7- 20mg/kg [66]. Các kết quả nghiên cứu về trầm tích ở Băng la đét cho thấy hàm lượng As trung bình < 4 mg/kg (trong khoảng từ 1-7mg/kg) [76, 78]. Hàm lượng As trong trầm tích trên thế giới nằm trong khoảng 5-10mg/kg [72]. Như vậy hàm lượng As tổng ở khu vực nghiên cứu Nam Dư khá phù hợp so với các kết quả tìm thấy trước đó ở đồng bằng Sông Hồng, Việt Nam và các đồng bằng khác trên thế giới (bảng 3.7). Điều này chứng tỏ hàm lượng As tổng trong trầm tích không phải là yếu tố duy nhất chi phối hàm lượng As trong nước ngầm, mà yếu tố quan trọng hơn chính là pha khoáng chính chứa As trong trầm tích cũng như điều kiện môi trường thích hợp cho sự giải phóng As từ trầm tích vào nước ngầm [9, 61, 66].
Bảng 3.7. Hàm lượng As tổng trong các mẫu trầm tích ở Việt Nam và trên thế giới
Khu vực nghiên cứu As tổng(mg/kg) Dạng phân bố chính Tham khảo
Trung bình thế giới 5-10 [73]
Băng-la-đét <4 85% các khoáng bền: pyrit, silicat, sunfua
[76] [78]
Đan Phượng, Hà Nội 7-20 50% sắt oxit [66]
Vạn Phúc, Hà Nội 1,3-22 Phần lớn là sắt oxit [9]
Nam Dư, Hà Nội 2-16 Các khoáng bền: pyrit,
silicat [61]
Nam Dư, Hà Nội 1-5
40% khoáng sắt hidroxit tinh thể
40% khoáng bền
Trong nghiên cứu này
Mặc dù hàm lượng As tổng trong trầm tích dao động trong khoảng giá trị khá hẹp 1-5mg/kg (12-63nmol/g) nhưng có sự biến đổi đa dạng theo độ sâu (hình 3.12). Ở độ sâu từ 0,9 đến -15,6m hàm lượng As tổng hầu như không đổi ở mức 30nmol/g (2,3mg/kg). Tuy nhiên xuống sâu hơn, từ -15,6m đến -27,7m hàm lượng As tổng giảm một nửa, còn 15nmol/g (1mg/kg). Ngay sau đó, ở độ sâu -29m đạt giá trị cực đại 64nmol/g (5mg/kg). Xuống sâu hơn, hàm lượng As tổng lại khá ổn định với giá trị xung quanh 1,5mg/kg.
Hình 3.12. Sự phân bố As tổng và Fe tổng theo độ sâu
Kết nối với những thông tin về màu sắc của trầm tích trong phần trên cho ta bức tranh liên hệ giữa màu sắc của trầm tích với hàm lượng As tổng. Hầu hết các mẫu trầm tích có hàm lượng As tổng thấp nhất đều có màu xám hoặc đen, trong khi đó hàm lượng As tổng cao nhất lại ở trong mẫu trầm tích có màu vàng nâu. Điều này khá phù hợp với các kết quả nghiên cứu trước đây và được lý giải như sau: trầm tích màu xám thường chỉ chứa các khoáng sắt (II), trái lại trầm tích màu vàng lại chứa các khoáng sắt (III) như goethite, hematite. Các khoáng sắt(III) này có khả năng hấp thụ As cao hơn so với các oxit sắt (II). Và do đó, các trầm tích màu vàng thường chứa hàm lượng As cao hơn so với các trầm tích màu xám. Tại khu vực nghiên cứu, sự xuất hiện lớp trầm tích màu vàng ở độ sâu -29m với hàm
Hiện tượng tương tự được phát hiện ở Băng la đét, với lớp trầm tích oxi hóa hàm lượng As tổng cao gấp hai lần so với các trầm tích ở phía trên và bên dưới [66]. Có thể khẳng định, bởi do lớp trầm tích này có khả năng hấp phụ As cao nên có vai trò quan trọng trong việc lưu giữ As trên trầm tích và hạn chế việc As di chuyển xuống tầng nước bên dưới.
Bên cạnh đó, hàm lượng As tổng cũng rất phù hợp với kích thước hạt trầm tích. Dễ dàng nhận thấy với ba mẫu trầm tích có hàm lượng As tổng và Fe tổng cực tiểu (giá trị giảm một nửa so với các mẫu khác) thì chính là ba trong số bốn mẫu trầm tích chứa sỏi như đã nêu ở phần trên. Các nghiên cứu trước cũng cho kết quả tương tự. Ví dụ, tác giả Van Geen (2008) đã tìm ra mối quan hệ nghịch giữa kích cỡ trung bình của thành phần hạt và nồng độ As chứa trong đó ở trầm tích Băng- la-đét. Ông cho rằng, nhờ mối liên hệ này có thể biết được hàm lượng As ban đầu trong trầm tích của tầng chứa nước thông qua kích cỡ chính các hạt đó [ 86]. Dieke Postma và đồng sự (2007) khi thực hiện thí nghiệm chiết trên trầm tích lấy từ đồng bằng sông Hồng cũng nhận thấy rằng, hàm lượng As cao nhất (20mg/kg) nằm ở lớp trầm tích hạt mịn sát bề mặt (-11,5m). Các trầm tích cát có kích thước hạt lớn hơn có hàm lượng As thấp hơn một nửa, trung bình 10mg/kg [66].
So với hàm lượng As tổng, hàm lượng Fe tổng ít biến đổi hơn, dao động quanh giá trị 10g/kg (5-20g/kg). Tuy nhiên, nhìn chung sự biến đổi của hai đại lượng này có xu hướng giống nhau: lúc đầu ở độ sâu từ 0,9 đến -15m, hàm lượng Fe thăng giáng quanh giá trị 200µmol/g. Dưới độ sâu này, hàm lượng Fe tổng lại có xu hướng giảm về nhỏ hơn 100µmol/L. Và sau đó hàm lượng Fe tăng lên rồi đạt cực đại ở độ sâu -25,5m. Xuống sâu hơn hàm lượng Fe tổng khá ổn định nằm trong khoảng 100-200µmol/g. Như vậy, xu hướng biến đổi của Fe tổng gần tương tự với xu hướng biến đổi của As tổng theo độ sâu. Hai đại lượng này hệ số tương quan khá cao lên đên 0,63. Điều này cho thấy As liên kết chủ yếu trên các pha khoáng Fe hay nói cách khác các khoáng Fe là nguồn chính chứa và lưu giữ As. Song, có một điều đặc biệt đó là tại độ sâu -25,5m, khi mà hàm lượng As tổng đạt giá trị nhỏ nhất (12,8 nmol/g) thì Fe tổng lại có giá trị lớn nhất (365,8µmol/g). Để làm sáng tỏ hơn điều này, sau đây, tác giả xem xét tỉ lệ Fe/As tổng của các mẫu trầm tích theo độ sâu.
Tỉ lệ Fe/As là một vấn đề được quan tâm khi tìm hiểu sự di động của As. Trong trầm tích khu vực nghiên cứu, tỷ lệ mol Fe/As tổng có giá trị trung bình 7565 (hình 3.13). Tỉ lệ Fe/As tìm được ở khu vực nghiên cứu là khá phù hợp với các nghiên cứu trước về trầm tích ở đồng bằng Sông Hồng: tỉ lệ Fe/As xấp xỉ 8700 được tìm thấy ở vùng Hoàng Liệt, Thanh Trì, Hà Nội; Ở khu vực bờ sông xã Vạn Phúc và Thượng Cát thì tỉ lệ Fe/As lần lượt là 4700 và 3900 [9].
Hình 3.13. Tỉ lệ Fe/As trên trầm tích ở khu vực nghiên cứu
Có một điểm đáng lưu ý là trong khi tỉ lệ Fe/As của các mẫu ở các độ sâu khác nhau chỉ dao động quanh giá trị 7500, thì ở độ sâu -25,5m xuất hiện cực đại với giá trị lên đến 2900, gấp 4 lần giá trị trung bình. Điều này có nghĩa là tỉ lệ As/Fe ở vị trí này thấp hơn so với các mẫu trầm tích ở phía trên và bên dưới và ngụ ý rằng ở vị trí này đã xảy ra quá trình giải phóng As từ trầm tích vào nước ngầm.
Như vậy, hàm lượng As tổng ở khu vực nghiên cứu nằm trong khoảng 1- 5mg/kg, giá trị trung bình 1,96mg/kg. Tuy nhiên hàm lượng As biến đổi đa dạng theo độ sâu: xuất hiện cực tiểu ở độ sâu từ -15,6m đến -27,7m, với hàm lượng As tổng bằng một nửa so với giá trị trung bình, 1mg/kg; Song, ngay dưới độ sâu này, ở -29m, xuất hiện cực đại với hàm lượng As tổng lên đến 5mg/kg, gấp hai lần so với giá trị trung bình và gấp 5 lần so với giá trị cực tiểu của những mẫu
Đồng thời, hàm lượng As và Fe tổng trong trầm tích có mối tương quan thuận với hệ số R2 =0,64 chứng tỏ các khoáng Fe là nguồn chứa As chính trong trầm tích. Một điểm đáng lưu ý là mẫu trầm tích ở độ sâu -25,5m có hàm lượng As cực tiểu thì tỉ lệ Fe/As đạt giá trị cực đại. Điều này cho thấy ở độ sâu này, một lượng As từ trầm tích đã được giải phóng vào nước ngầm.
Tuy nhiên, yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng As trong nước ngầm không chỉ hàm lượng As tổng, điều quan trọng hơn là pha khoáng chứa As nào trong trầm tích có vai trò quyết định. Tiếp tục tìm hiểu về nguồn As trong trầm tích giải phóng vào nước ngầm, sau đây tác giả trình bày các kết quả về sự phân bố của As trên từng pha khoáng trong trầm tích ở khu vực nghiên cứu.
3.3.1.3. As phân bố trên các pha khoáng trong trầm tích
Hình 3.14 biểu diễn sự phân bố của As và Fe trên năm pha chính trong trầm tích: pha hấp phụ, pha khoáng Fe(II) dễ hòa tan, pha sắt (III) hoạt động, pha sắt hidroxit tinh thể và khoáng bền vững (pyrit).
Kết quả cho thấy, lượng As ở pha hấp phụ trên bề mặt trầm tích rất nhỏ, nằm trong khoảng 0,04-0,24mg/kg (0,5-3,1nmol/g), trung bình 0,09mg/kg (1,2nmol/g), chiếm khoảng 1-10% (trung bình 5,5%). Đây là dạng ion tương tác bề mặt yếu bởi lực tương tác tĩnh điện đóng vai trò cầu ngoại của phức. Dạng As này rất linh động dưới tác động của pH hoặc các anion khác. Keon 2001 đã chỉ ra rằng dạng As này