Tóm tắt luận án Nghiên cứu xâm nhập mặn nước dưới đất trầm tích đệ tứ vùng Nam Định

Nội dung text: Tóm tắt luận án Nghiên cứu xâm nhập mặn nước dưới đất trầm tích đệ tứ vùng Nam Định

1. i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HOÀNG VĂN HOAN NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC DƯỚI ĐẤT TRẦM TÍCH ĐỆ TỨ VÙNG NAM ĐỊNH Ngành: Kỹ thuật địa chất Mã số: 62.52.05.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT Hà Nội - 2014
2. ii Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Địa chất Thủy văn, Khoa Địa chất Trường Đại học Mỏ - Địa chất NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS.TS. Phạm Quý Nhân, Trường ĐH Tài nguyên và Môi trường Hà Nội 2: PGS.TS. Flemming Larsen, Cục Địa chất Đan Mạch Phản biện 1: PGS.TS Đoàn Văn Cánh Hội Địa chất Thủy văn Việt Nam Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Hoàng Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Hồng Đức Trường Đại học Xây dựng Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất Vào hồi giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất
3. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3.260km, khu vực ven biển là nơi tập trung dân cư, kinh tế, giao thông quan trọng của đất nước. Nằm ở phía đông nam đồng bằng Bắc Bộ (ĐBBB), trên địa bàn một số huyện thuộc tỉnh Nam Định và Ninh Bình tồn tại thấu kính nước dưới đất (NDĐ) nhạt trong trầm tích Kainozoi. Nguồn NDĐ này đang được khai thác để phục vụ cho ăn uống, sinh hoạt và sản xuất của nhân dân trong vùng. Trữ lượng khai thác tiềm năng không lớn nhưng nhu cầu khai thác lớn, mực nước có xu hướng hạ thấp đáng kể (0,5÷0,7m/năm). Nguy cơ xâm nhập mặn (XNM) đã và đang diễn ra do các hoạt động khai thác NDĐ. Do vậy, cần phải nghiên cứu sự phân bố, hình thành, biến đổi chất và lượng của thấu kính nước nhạt này nhằm phục vụ khai thác bền vững, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế của địa phương. 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu Mục đích: - Nghiên cứu quá trình hình thành thấu kính nước nhạt; - Xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ; - Xác định cơ chế XNM tầng chứa nước (TCN) Pleistocen (qp ); - Đánh giá vai trò của các cơ chế trong quá trình xâm nhập mặn. Nhiệm vụ: ° Nghiên cứu cấu trúc địa chất (ĐC), địa chất thủy văn (ĐCTV); ° Phân tích, đánh giá và kết hợp các phương pháp địa vật lý (ĐVL) với ĐCTV/thủy địa hóa, xác định hiện trạng mặn-nhạt; ° Nghiên cứu sự phân bố độ mặn trong lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển và ảnh hưởng của nó tới TCN qp ; ° Nghiên cứu, xác định cơ chế XNM thấu kính nước nhạt, TCN qp ; ° Thiết lập mô hình dòng chảy, mô phỏng sự phân bố, dịch chuyển ranh giới mặn-nhạt và dự báo diễn biến XNM. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: nước dưới đất, TCN qp vùng Nam Định;
4. 2 Phạm vi nghiên cứu: diện phân bố thấu kính nước nhạt, TCN qp vùng Nam Định và các khu vực liên quan. 4. Nội dung nghiên cứu ° Xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ; ° Lấy mẫu, phân tích thành phần hóa học (TPHH), thành phần đồng vị của NDĐ, nước lỗ rỗng, nước mưa, nước mặt và nước biển; ° Xác định cơ chế XNM thấu kính nước nhạt trong TCN Pleistocen; ° Giải đoán các tài liệu địa vật lý, địa chất thuỷ văn; ° Khoan, lấy mẫu đất nguyên dạng, ép nước lỗ rỗng; ° Khoan các chùm lỗ khoan ĐCTV, hút nước thí nghiệm; ° Xây dựng mô hình dịch chuyển vật chất và dự báo XNM. 5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận: Tác giả luận án sử dụng các cách tiếp cận chính sau: - Cách tiếp cận thực tế; - Cách tiếp cận các kết quả nghiên cứu trước đó; - Cách tiếp cận các phương pháp nghiên cứu, đánh giá hiện đại. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp thủy địa hóa/thủy động lực: nghiên cứu, đánh giá mức độ nhiễm mặn và các thông số địa chất thủy văn; - Phương pháp địa vật lý: xác định khả năng dẫn điện của đất đá; - Phương pháp đồng vị: xác định tuổi, quan hệ thủy lực giữa các TCN và nguồn gốc của NDĐ; - Phương pháp mô hình số: dự báo xâm nhập mặn NDĐ; - Phương pháp chuyên gia: trao đổi, học tập từ các chuyên gia. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Luận án đã góp phần làm sáng tỏ quá trình hình thành, nguồn gốc và nguồn bổ cập cho thấu kính nước nhạt. Xác định cơ chế XNM và vai trò của các cơ chế trong quá trình XNM. Tác giả đã thiết lập được các phương trình tương quan giữa các thông số ĐCTV với thông số ĐVL và đồng vị, là cơ sở áp dụng cho vùng nghiên cứu và các vùng có điều kiện ĐCTV tương tự.
5. 3 Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã xác định được hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ, đánh giá và dự báo diễn biến XNM ở vùng nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể là tài liệu tham khảo cho các nhà quản lý, quy hoạch tài nguyên nước, các nhà hoạch định chính sách và các nhà khoa học nhằm phục vụ khai thác và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên NDĐ quý giá này. 7. Luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Nước nhạt trong TCN Pleistocen vùng Nam Định được hình thành trong suốt lịch sử phát triển ĐC, ĐCTV của vùng và có sự bổ cập liên tục bởi nước nhạt trong các thành tạo chứa nước bên dưới; nguồn bổ cập cho thấu kính nước nhạt này từ phía tây và tây bắc. Luận điểm 2: Thấu kính nước nhạt trong TCN Pleistocen vùng Nam Định bị xâm nhập mặn do chênh lệch áp lực giữa vùng nước nhạt với vùng nước mặn phía bắc và đông bắc; do lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển phủ bên trên thông qua nhiều quá trình hóa lý, trong đó quá trình khuếch tán và phân dị trọng lực đóng vai trò chính. 8. Những điểm mới của luận án - Tác giả sử dụng các kết quả phân tích TPHH, thành phần đồng vị của nước lỗ rỗng, kết hợp các kết quả địa vật lý lỗ khoan, xác định sự biến đổi độ dẫn điện, theo chiều sâu và phân tích các quá trình ảnh hưởng của chúng tới TCN Pleistocen. - Luận án đã áp dụng các phương pháp ĐVL kết hợp với các phương pháp ĐCTV để xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt của các nguồn mặn phân bố trong các TCN và lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển trong trầm tích Đệ tứ ở vùng nghiên cứu. - Tác giả đã thiết lập được tương quan giữa các kết quả phân tích TPHH của NDĐ (Cl -, TDS) với các thông số ĐVL (độ dẫn điện, điện trở suất của khung đất đá); qua đó có thể xác định, đánh giá chất lượng NDĐ qua các thông số ĐVL. 9. Cơ sở tài liệu 9.1. Tài liệu thu thập:
6. 4 Các tài liệu và thông tin được thu thập từ các đề tài, dự án khác nhau. Đó là các báo cáo khoa học, báo cáo tổng kết đề tài đã công bố. 9.2. Kết quả thí nghiệm, nghiên cứu hiện trường và trong phòng thực hiện riêng phục vụ cho đề tài luận án: Luận án đã sử dụng các nguồn số liệu, kết quả thí nghiệm hiện trường và trong phòng do chính tác giả và các cộng tác viên trực tiếp tiến hành, phục vụ riêng cho đề tài luận án bao gồm: ° Tài liệu xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ: đo trường chuyển (61 điểm) và các lỗ khoan nông (22 lỗ khoan); ° Các tài liệu đo ĐVL lỗ khoan của 16 lỗ khoan; ° Tài liệu xác định thông số ĐCTV của TCN qp từ kết quả khoan 02 chùm và hút nước thí nghiệm tại 03 chùm lỗ khoan; ° Các kết quả phân tích TPHH của (59 mẫu TCN, 27 nước lỗ rỗng); ° Các kết quả phân tích thành phần đồng vị bền của nước trong TCN, nước lỗ rỗng, nước mưa, nước mặt và nước biển (87 mẫu), đồng vị phóng xạ (32 mẫu) và đồng vị khí trơ (8 mẫu) của NDĐ; ° Kết quả quan trắc động thái NDĐ. 10. Cấu trúc luận án Luận án gồm 160 trang với 20 biểu bảng, 94 hình vẽ và 122 tài liệu tham khảo. Cấu trúc luận án như sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan nghiên cứu xâm nhập NDĐ Chương 2: Sự hình thành thấu kính nước nhạt Chương 3: Nghiên cứu hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ Chương 4: Cơ chế XNM thấu kính nước nhạt, TCN Pleistocen Chương 5: Diễn biến XNM thấu kính nước nhạt TCN Pleistocen Kết luận và kiến nghị 11. Lời cảm ơn Luận án được hoàn thành tại Bộ môn Địa chất Thuỷ văn, Khoa Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Phạm Quý Nhân và PGS.TS. Flemming Larsen. Trong suốt thời gian nghiên cứu, viết luận án, tác giả cũng luôn nhận được sự giúp đỡ, góp ý, của
7. 5 các thầy cô giáo Bộ môn Địa chất Thuỷ văn và các nhà khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Lâm, PGS.TS. Nguyễn Kim Ngọc, PGS.TS. Đoàn Văn Cánh, PGS.TS. Phan Ngọc Cừ, TS. Đặng Đình Phúc, TS. Đặng Đức Nhận, PGS.TS. Nguyễn Văn Đản, PGS.TS. Nguyễn Văn Hoàng, TS. Vũ Kim Tuyến, TS. Nguyễn Thị Thanh Thủy, TS. Dương Thị Thanh Thủy, ThS. Kiều Thị Vân Anh, GS.TS. Dieke Postma, TS. Frank Wagner, PGS.TS. Christiansen V. Anders, ThS. Trần Vũ Long, ThS. Đặng Trần Trung, ThS. Nguyễn Thế Chuyên, ThS. Trần Thành Lê và các đồng nghiệp trong dự án VietAS cũng như nhiều cán bộ khoa học, chuyên môn trong và ngoài trường. Một lần nữa tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với tất cả những giúp đỡ quý báu đó! Chương 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC DƯỚI ĐẤT 1.1. Tổng quan về nghiên cứu xâm nhập mặn NDĐ trên thế giới Trên cơ sở tổng hợp và phân tích kết quả của các công trình khoa học đã được công bố về nghiên cứu XNM trên thế giới cho thấy, tất cả các công trình nghiên cứu đều sử dụng kết hợp các phương pháp khác nhau để giải quyết một vấn đề cụ thể nào đó như đánh giá hiện trạng, xác định nguyên nhân, giải pháp khắc phục Nhận xét chung: Nguyên nhân gây nên XNM các thể chứa nước, thấu kính nước nhạt ở mỗi khu vực có thể khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện ĐC, ĐCTV, cũng như lịch sử tiến hóa ĐC, ĐCTV của từng khu vực. Các công trình nghiên cứu đều sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Tổng hợp các công trình nghiên cứu có thể phân thành 4 nhóm phương pháp nghiên cứu chính được các nhà khoa học sử dụng bao gồm:  Nhóm phương pháp thủy địa hóa/thủy động lực;  Nhóm phương pháp đồng vị;  Nhóm phương pháp địa vật lý;  Nhóm phương pháp mô hình số.
8. 6 1.2. Tổng quan nghiên cứu xâm nhập mặn NDĐ ở Việt Nam Xâm nhập mặn NDĐ đã và đang được các nhà khoa học Việt Nam quan tâm, hiện tượng này xảy ra ở các vùng đồng bằng ven biển, dải cồn cát ven biển và các hải đảo do tác động của con người và các yếu tố biến đổi tự nhiên của môi trường gây ra. Nhận xét chung: Các nghiên cứu XNM thường được kết hợp trong các báo cáo đánh giá tài nguyên NDĐ, chủ yếu là điều tra, khảo sát xác định ranh giới mặn-nhạt với ranh giới TDS=1g/l, tính toán thời gian và tốc độ dịch chuyển ranh giới trên cơ sở điều kiện địa chất thủy văn của vùng nghiên cứu và lưu lượng khai thác yêu cầu. Các nghiên cứu trong nước thường áp dụng 3 nhóm phương pháp chính bao gồm:  Nhóm phương pháp thủy địa hóa/thủy động lực;  Nhóm phương pháp địa vật lý;  Nhóm phương pháp mô hình số. 1.3. Lịch sử nghiên cứu địa chất, ĐCTV vùng Nam Định Các nghiên cứu địa chất, địa chất thủy văn của vùng Nam Định luôn gắn liền với lịch sử nghiên cứu của cả ĐBBB, bên cạnh đó đã có gần 20 đề tài dự án đã được thực hiện tại vùng Nam Định. Các đề tài, dự án đã cho thấy bức tranh tổng thể về điều kiện địa chất, địa chất thủy văn vùng Nam Định. Chương 2 - SỰ HÌNH THÀNH THẤU KÍNH NƯỚC NHẠT 2.1. Vị trí vùng nghiên cứu Vùng nghiên cứu nằm ở phía đông nam ĐBBB, gồm khu vực tỉnh Nam Định và các huyện Kim Sơn, Yên Mô, Yên Khánh, Gia Viễn tỉnh Ninh Bình. Phía bắc giáp tỉnh Hà Nam, phía đông bắc giáp tỉnh Thái Bình, phía đông nam giáp biển Đông. 2.2. Đặc điểm địa chất 2.2.1. Đặc điểm địa tầng 2.2.1.1. Đặc điểm địa tầng vùng Nam Định Giới Proterozoi
9. 7 Các thành tạo Proterozoi trong khu vực thuộc hệ tầng Sông Hồng, phân bố rộng khắp trong vùng nghiên cứu. Thành phần khoáng vật gồm gnei biotit, silimanit, granat Giới Mesozoi Các thành tạo Mesozoi trong vùng chủ yếu thuộc hệ Triat, thành phần là đá vôi dạng khối, sáng màu, đá vôi sét, lộ trên mặt ở phía tây, tây bắc vùng nghiên cứu, thuộc tỉnh Ninh Bình. Giới Kainozoi - hệ Neogen - thống Pliocen Gồm các thành tạo của hệ tầng Vĩnh Bảo, Tiên Hưng. Thành phần trầm tích gồm cát kết hạt nhỏ đến trung lẫn sạn sỏi, xen kẹp sét bột kết. Hệ Đệ tứ 1 Thống Pleistocen, phụ thống dưới, hệ tầng Lệ Chi (amQ 1 lc) Các trầm tích của hệ tầng Lệ Chi không lộ trên mặt, bắt gặp tại phần lớn các lỗ khoan trong vùng nghiên cứu. Thành phần thạch học gồm cát sạn lẫn bột, sét màu xám, xám tro. Chiều sâu phân bố của hệ tầng từ 79m đến 132,8m. Chiều dày thay đổi từ 4m đến 26,2m. 2-3 Thống Pleistocen, phụ thống giữa-trên, hệ tầng Hà Nội (a,amQ1 hn) Các trầm tích của hệ tầng Hà Nội phân bố rộng khắp trong vùng nghiên cứu. Thành phần chủ yếu là cát, sạn sỏi xám xanh, xám vàng. 3 Thống Pleistocen, phụ thống trên, hệ tầng Vĩnh Phúc (a,am,mQ 1 vp) Trong vùng nghiên cứu, các trầm tích Pleistocen trên thuộc hệ tầng Vĩnh Phúc. Thành phần thạch học là cát, cát pha và sét, sét bột. 1-2 Thống Holocen, phụ thống dưới-giữa, hệ tầng Hải Hưng (mQ 2 hh) Các trầm tích của hệ tầng Hải Hưng được chia làm 3 kiểu nguồn gốc. Thành phần thạch học là cát, cát pha, bột, sét màu tím thẫm, xám xanh nhạt xen lớp tàn tích thực vật. 3 Thống Holocen, phụ thống trên, hệ tầng Thái Bình (Q2 tb) Hệ tầng Thái Bình được phân chia chi tiết thành hai phụ hệ tầng. Thành phần trầm tích chủ yếu là sét bột lẫn cát hạt mịn. 2.2.1.2. Đặc điểm địa tầng vùng thềm lục địa khu vực nghiên cứu
10. 8 Trầm tích biển khu vực nghiên cứu theo kiểu trầm tích bãi triều cửa sông châu thổ do thủy triều, có thành phần chủ yếu là cát, sạn, bột, sét, hạt mịn dần theo hướng từ đất liền ra biển. 2.2.2. Đặc điểm cấu trúc địa chất vùng nghiên cứu 2.2.2.1. Đặc điểm cấu trúc địa chất vùng Nam Định Trong vùng nghiên cứu tồn tại hai hệ thống đứt gãy chính, vuông góc nhau là hệ thống đứt gãy hướng tây bắc - đông nam (TB-ĐN) và hệ thống đứt gãy hướng đông bắc - tây nam (ĐB-TN). 2.2.2.2. Đặc điểm cấu trúc địa chất phía tây vùng Nam Định Vùng nghiên cứu nằm ở rìa phía đông nam ĐBBB, nơi giáp ranh giữa các thành tạo Đệ tứ và các thành tạo tuổi Triat, chủ yếu thuộc hệ tầng Đồng Giao (T2ađg ), là các đá có khả năng chứa và lưu thông nước rất tốt, với hệ thống các đứt gãy theo hướng TB-ĐN, hướng cắm vào các thành tạo Kainozoi trong vùng nghiên cứu. 2.2.2.3. Đặc điểm cấu trúc địa chất vùng thềm lục địa vùng NC Vùng nghiên cứu nằm ở khu vực phía tây bắc bể trầm tích sông Hồng, nơi tập trung nhiều đứt gãy lớn hướng TB-ĐN. 2.3. Đặc điểm địa chất thủy văn 2.3.1. Các tầng chứa nước 2.3.1.1. TCN trong trầm tích Holocen trên (qh 2) Phân bố trên toàn diện tích phần đồng bằng, thành phần đất đá chứa nước gồm cát, cát pha của hệ tầng Thái Bình. 2.3.1.2. TCN trong trầm tích Holocen dưới (qh 1) TCN này phân bố không đều khắp vùng nghiên cứu, không lộ ra trên mặt. Thành phần đất đá chứa nước gồm cát hạt mịn, cát pha, bột sét có nguồn gốc sông đầm lầy, đầm lầy biển, biển. 2.3.1.3. TCN Pleistocen (qp) TCN Pleistocen phân bố rộng khắp diện tích phần đồng bằng, thành phần thạch học bao gồm cát sạn sỏi lẫn ít cuội đa khoáng thuộc hệ tầng Vĩnh Phúc, Hà Nội và Lệ Chi. 2.3.1.4. TCN Pliocen (n 2)
11. 9 Phân bố rất rộng rãi khắp vùng nghiên cứu. Thành phần thạch học gồm cát kết hạt nhỏ, hạt trung lẫn sạn kết, bột kết, sét kết. Mức độ gắn kết của đất đá yếu. Nước tồn tại dưới dạng khe nứt-lỗ hổng. 2.3.1.5. TCN các trầm tích cacbonat, triat giữa (t 2) Các thành tạo chứa nước này phân bố ở phía tây vùng nghiên cứu, đất đá chứa nước là đá vôi khe nứt karst. 2.3.2. Các thành tạo địa chất nghèo nước, cách nước 2.3.2.1. Các thành tạo địa chất rất nghèo nước hệ tầng Hải Hưng Phân bố rộng khắp vùng nghiên cứu, thành phần là sét, sét bột, sét cát có nguồn gốc biển có chiều dày từ 3m đến 40m, trung bình 13m. 2.3.2.2. Các thành tạo rất nghèo nước hệ tầng Vĩnh Phúc Phân bố rộng rãi trong vùng, thành phần thạch học chủ yếu là sét, sét bột nguồn gốc biển, sông biển, chiều dày từ 7m đến 34m. 2.3.2.3. Các thành tạo địa chất nghèo nước đá biến chất Các thành tạo đá biến chất phức hệ sông Hồng, phân bố ở hầu khắp vùng nghiên cứu, lộ trên mặt dưới dạng các đồi bát úp nằm rải rác khu vực núi Gôi, núi Hổ, núi Xá và phân bố sâu dần theo hướng ra biển. 2.3.3. Đặc điểm thuỷ địa hoá 2.3.3.1. Đặc điểm thuỷ hoá TCN qh 1 và qh 2 Phần lớn nước trong TCN qh 2 có TDS>1g/l. Toàn bộ các điểm khảo sát NDĐ trong TCN qh 1 có TDS>1g/l. 2.3.3.2. Đặc điểm thuỷ hoá TCN qp Vùng nước nhạt chiếm diện tích khá lớn ở phía nam, đông nam, thuộc các huyện Hải Hậu, Nghĩa Hưng và một phần của các huyện Giao Thuỷ, Nam Trực, Trực Ninh, Ý Yên, Kim Sơn, Yên Khánh. Vùng nước nhạt phân bố trên phần đất liền và cả ở phần thềm lục địa gần bờ; vùng nước mặn phân bố ở phía đông bắc và phía giáp tỉnh Thái Bình. Loại hình hoá học chủ yếu là Clorua Natri. 2.3.4. Cấu trúc địa chất thủy văn vùng nghiên cứu Vùng nghiên cứu nằm sát biển, có hai loại địa hình: Loại 1: núi đá vôi, độ cao trung bình thuộc địa phận Ninh Bình, nằm trong đới nâng Tây Nam; loại
12. 10 2: địa hình bằng phẳng, nằm trong trũng Hà Nội, chịu tác động mạnh của cả sông và biển. Trong các thành tạo trước Kainozoi đã phát hiện khá nhiều đứt gãy kiến tạo phát triển theo hai hướng chính là TB-ĐN và ĐB-TN, các đứt gãy này đã chia đá gốc thành các khối nâng hạ khác nhau và được thành tạo Kainozoi phủ bên trên. Các đứt gãy kiến tạo đóng vai trò là những kênh dẫn nước từ các vùng núi cao thuộc đới nâng Tây Nam và có khả năng thoát ngầm vào các thành tạo Neogen và Đệ tứ. 2.4. Quá trình hình thành thấu kính nước nhạt 2.4.1. Quá trình tiến hóa trầm tích trong Kainozoi Điều kiện địa chất, ĐCTV, lịch sử phát triển và cấu trúc ĐC, ĐCTV là các yếu tố tự nhiên quyết định sự hình thành thấu kính nước nhạt. 2.4.1.1. Giai đoạn phát triển trầm tích trong Neogen Các trầm tích hệ tầng Tiên Hưng, Vĩnh Bảo được thành tạo và lấp đầy các vùng trũng. Thành phần trầm tích bao gồm sét kết, bột kết, cát kết lẫn sạn, có tướng biển nông ven bờ. 2.4.1.2. Giai đoạn phát triển trầm tích trong Đệ tứ Vùng nghiên cứu nằm ở nơi tiếp giáp giữa đồng bằng và biển. Do tác dụng tương hỗ giữa sông và biển, tại đây vùng tiền tam giác châu được hình thành. 2.4.2. Giả thiết về quá trình hình thành thấu kính nước nhạt - Vào thời kỳ Pliocen muộn, khoảng 1,8 triệu năm trước đây (BP), nước biển rút ra, vùng nghiên cứu tồn tại môi trường lục địa, thành tạo chứa nước hệ tầng Vĩnh Bảo, TCN này được cung cấp bởi nước mưa và các TCN bên dưới cung cấp theo các đứt gãy, khe nứt karst. - Sang đầu Pleistocen sớm, nước biển tiến vào thành tạo hệ tầng Lệ Chi, vùng nghiên cứu thuộc vùng cửa sông, nước có tổng khoáng hóa cao hơn có thể xâm nhập vào TCN Neogen. - Thời kỳ Pleistocen giữa-muộn, biển lùi ra xa dần khỏi vùng nghiên cứu, mực nước biển thấp hơn mực nước biển hiện nay lớn nhất khoảng 120m, thành tạo hệ tầng Hà Nội. Quá trình xâm thực diễn ra mạnh mẽ, đồng thời quá trình lắng đọng trầm tích sông, quá trình thấm của nước mưa, nước mặt và nước cấp từ đá gốc.
13. 11 - Vào cuối Pleistocen, khoảng 15.000 đến 14.000 năm BP, mực nước biển bắt đầu dâng cao, bắt đầu thời kỳ biển tiến Flandrian, trầm tích Pleistocen vùng Nam Định bắt đầu bị chìm trong nước biển. - Thời kỳ biển tiến Holocen, vào khoảng thời gian 6.000 năm BP, thời kỳ này mực nước biển lên cao nhất. Khi nước biển tràn lên, các trầm tích hạt mịn được lắng đọng, ngăn cách nước biển với nước trong TCN Pleistocen trước đó và biến TCN Pleistocen thành TCN có áp. - Thời kỳ biển thoái trong Holocen, khoảng 4.000 năm BP, mực nước biển bắt đầu hạ dần, gradien thủy lực trong các TCN giữa nguồn cấp từ các thành tạo đá gốc phía tây bắc và các trầm tích Đệ tứ tăng lên; dòng nước nhạt thắng thế và thay thế nước mặn trong các TCN. 2.5. Nguồn bổ cập cho thấu kính nước nhạt 2.5.1. Phương pháp nghiên cứu Áp dụng kỹ thuật đồng vị kết hợp nghiên cứu cấu trúc ĐC, ĐCTV, xác định hướng vận động của NDĐ trong các thành tạo Đệ tứ và trước Đệ tứ, nghiên cứu nguồn gốc, quan hệ thủy lực giữa các TCN. * Nghiên cứu nguồn gốc NDĐ trên cơ sở thành phần đồng vị bền Hydro và Oxy là thành phần cấu tạo của phân tử nước, có hai đồng vị bền là Deuteri (D hay 2H) và 18 O. Trong tự nhiên, thành phần đồng vị của nước sẽ thay đổi trong các quá trình chuyển pha. * Nghiên cứu hướng dòng chảy NDĐ bằng phương pháp định tuổi, sử dụng các đồng vị phóng xạ Xác định tuổi của NDĐ bằng kỹ thuật đồng vị dựa trên cơ sở phân rã của các đồng vị phóng xạ có trong thành phần của phân tử nước hoặc trong thành phần của các chất hoặc khoáng chất tan trong nước. 2.5.2. Kết quả nghiên cứu 2.5.2.1. Thành phần đồng vị bền của các mẫu nước nghiên cứu Thành phần đồng vị bền của nước trong TCN với δ2H thay đổi từ - 72,58‰ đến -2,12‰ và δ18 O thay đổi từ -8,99‰ đến -0,86‰, cho thấy nước trong TCN có cả nguồn gốc biển và nguồn gốc khí tượng. 2.5.2.2. Hoạt độ phóng xạ của 14 C và thành phần đồng vị bền 13 C
14. 12 Tỷ số hoạt độ phóng xạ (14 a) của đồng vị 14 C trong hợp chất Cacbon vô cơ (DIC) của các mẫu nước ở độ sâu khác nhau cho thấy thời gian lưu của nước trong TCN khác nhau. Đồng vị bền 13 C đóng vai trò chất chỉ thị trong việc xác định nồng độ ban đầu của mẫu nghiên cứu. 2.5.2.3. Kết quả nghiên cứu đồng vị khí trơ và Triti Các đồng vị khí trơ và Triti cho phép xác định thời gian lưu của nước trong TCN đến 1.500 năm. Các mẫu tại các lỗ khoan trên tuyến mặt cắt CD (hình 4.4) có giá trị giảm dần theo hướng từ tây-bắc xuống đông-nam, điều này cho thấy thời gian lưu của NDĐ tăng theo hướng từ tây-bắc xuống đông- nam. 2.5.3. Phân tích và thảo luận kết quả 2.5.3.1. Nguồn bổ cập và nguồn gốc NDĐ trong vùng nghiên cứu Thành phần đồng vị bền của nước trong TCN qp ở một số cụm quan trắc được bổ cập từ tầng Neogen và Triat. Đồng vị bền của nước trong TCN qp nằm sát đường nước khí tượng địa phương, cho thấy nước trong TCN qp ở các vị trí này được bổ cập từ nước khí tượng. 2.5.3.2. Xác định hướng dòng chảy NDĐ trên cơ sở kết quả xác định thời gian lưu của nước trong TCN Kết quả phân tích thành phần đồng vị phóng xạ 14 C và thời gian lưu của nước tại các lỗ khoan trong các TCN Neogen và Triat trên toàn vùng nghiên cứu cho thấy: thời gian lưu của nước trong TCN qp lớn nhất đạt 12.900 năm và nhỏ nhất là 1.100 năm (hình 2.1). Nước nhạt trong TCN qp ở trung tâm của phễu hạ thấp có thời gian lưu lớn nhất. C D GV01 100 100 50 Q92 70m n−íc hiÖn t¹i 50 (3H = 2,03 TU) 1.100 LK14 Q108 LK35 Q109 LK54 Q110 Q111 0m 3H = 0,37 TU 0m 12m 850 -50 100m -50 67m 3.300 -100 3H = 0,7 TU qp 6.000 t¤ 80m -100 n¤ 11.300 qp 93,6m -150 -150 H−íng dÞch chuyÓn n−íc d−íi ®Êt 150m 7.400 n¤ 170,6m n¤ -200 -200 t¤ -250 §íi dËp vì kiÕn t¹o 248m -250 PR PR -300 -300 TÇng chøa n−íc khe nøt, karst; TÇng chøa n−íc ®Êt ®¸ bë rêi; §Êt ®¸ thÊm n−íc kÐm hoÆc kh«ng thÊm n−íc; 850 - Tuæi cña n−íc d−íi ®Êt (n¨m) Hình 2.1: Mô hình khái niệm về hướng vận động của NDĐ từ kết quả phân tích thành phần đồng vị theo mặt cắt CD (trên hình 4.4)
15. 13 Nước trong TCN nứt nẻ, karst có hướng vận động theo hướng TB-ĐN và từ hướng tây, tây-bắc ra biển. Với việc kết hợp giữa nghiên cứu đặc điểm địa chất, địa hình địa mạo, ĐCTV với các kết quả nghiên cứu đồng vị (14 C, 3H, 39 Ar/ 40 Ar, 3He) tại các cụm lỗ khoan quan trắc theo tuyến mặt cắt CD cho thấy xu hướng nước càng sâu tuổi càng trẻ. Vận động của NDĐ từ thành tạo Triat đến TCN qp theo 3 cách: 1) Nước trong thành tạo Triat cung cấp trực tiếp cho TCN qp ; 2) Nước trong thành tạo Triat qua Neogen cung cấp cho TCN qp ; 3) Nước trong thành tạo Triat cung cấp cho Neogen qua các đứt gãy trong thành tạo Proterozoi và tới TCN qp . Chương 3 - NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG PHÂN BỐ MẶN NHẠT NƯỚC DƯỚI ĐẤT 3.1. Cơ sở lựa chọn phương pháp áp dụng Tính chất mặn-nhạt của nước phụ thuộc vào tổng hàm lượng các muối hòa tan trong nước. Điều này thể hiện qua khả năng dẫn điện hay ĐTS của nước. Do vậy, xác định độ dẫn điện (hay ĐTS) của nước có thể đánh giá được tính chất, mức độ mặn-nhạt của nước. 3.1.1. Điện trở suất của TCN Loại dẫn điện trong đất đá trầm tích là loại dẫn điện điện tử và dẫn điện ion, xảy ra ở phần khung của khoáng vật tạo đá, hay nói cách khác phần tử tải điện là các electron. 3.1.2. Cơ sở phương pháp trường chuyển Phương pháp trường chuyển nghiên cứu trường thứ sinh do các dòng cảm ứng xuất hiện trong đất đá nghiên cứu. 3.1.3. Cơ sở phương pháp đo cảm ứng (đo độ dẫn điện) Phương pháp đo độ dẫn điện (induction) đo khả năng dẫn điện của đất đá nghiên cứu. Bản chất của phương pháp là nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ của đất đá (thành hệ) xung quanh thành lỗ khoan. 3.2. Kết quả áp dụng phương pháp trường chuyển 3.2.1. Vị trí khu vực khảo sát
16. 14 Do điều kiện vùng nghiên cứu tương đối rộng, việc áp dụng các dạng công tác, phương pháp nghiên cứu khác nhau không cho phép thực hiện trên toàn bộ vùng. Vị trí lựa chọn áp dụng các phương pháp cho nơi có biến đổi lớn nhất thuộc huyện Giao Thủy và Xuân Trường. 3.2.2. Kết quả khảo sát Sử dụng các phần mềm SiTEM/SEMDI phân tích định lượng các điểm đo, kết hợp các kết quả phân tích TPHH của NDĐ, thiết lập phương trình hồi qui và kiểm chứng xác định giới hạn mặn-nhạt khu vực nghiên cứu. Ranh giới của miền giá trị mặn-nhạt là 12,2ohm.m. 3.2.3. Phân tích kết quả khảo sát Lớp thứ nhất: có giá trị điện trở suất tương đối cao; Lớp thứ hai: phân bố, đóng vai trò như lớp chuyển tiếp; Lớp thứ ba: có giá trị ĐTS rất nhỏ, từ 0,6ohm.m đến 2,2ohm.m; Lớp thứ tư: khoảng biến đổi lớn, ĐTS nhỏ dần từ tây sang đông. Lớp thứ năm: có ĐTS tương đối cao (từ 12÷35ohm.m). 3.3. Kết quả xác định phân bố mặn-nhạt NDĐ bằng phương pháp ĐVL lỗ khoan 3.3.1. Vị trí khảo sát và khối lượng thực hiện Các lỗ khoan đo ĐVL lỗ khoan (karota) phân bố đều trên phạm vi vùng nghiên cứu, khối lượng thực hiện gồm 16 lỗ khoan. 3.3.2. Kết quả XĐ hiện trạng phân bố mặn-nhạt theo chiều sâu Kết quả đo đạc, phân tích TPHH nước lỗ rỗng đã cho thấy phân bố độ mặn (TDS) trong NDĐ rất cao (hơn 37g/l) trong lớp thấm nước yếu, giá trị lớn nhất ở giữa lớp và giảm dần về phía mặt lớp và đáy lớp. 3.4. Kết quả khoan khảo sát địa chất thủy văn Các lỗ khoan khảo sát ĐCTV nhằm thiết lập các cặp tương quan hồi quy giữa giá trị ĐTS với TDS, phân tích TPHH của nước, đánh giá hiện trạng phân bố mặn-nhạt của nước trong các TCN nghiên cứu. 3.5. Kết quả phân tích TPHH nước lỗ rỗng Kết quả phân tích 27 mẫu nước lỗ rỗng, được ép từ lớp trầm tích thấm nước yếu nguồn gốc biển, tại 02 vị trí lấy mẫu VietAS_ND01 và
17. 15 VietAS_ND02 đã làm sáng tỏ được TPHH, xác định được khả năng tương quan về độ dẫn điện của nước lỗ rỗng và độ dẫn điện của tầng, hệ số tương quan cao (R 2 = 0,9262). Kết quả này cho thấy độ dẫn điện của lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển vùng Nam Định là do nước lỗ rỗng chi phối. Sự phân bố TDS của nước lỗ rỗng (hình 3.1) giá trị lớn ở giữa lớp (hơn 37g/l), nhỏ dần về phía mặt lớp và đáy lớp. G H Hình 3.1: Mặt cắt thủy địa hóa GH - phân bố hàm lượng TDS của nước lỗ rỗng trong lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển (vị trí tuyến trên hình 4.4) 3.6. Tổng hợp kết quả xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt Kết quả tổng hợp các tài liệu nghiên cứu vùng Nam Định (hình 3.2): - Nước trong TCN Holocen trên ( qh 2), đa số mẫu có TDS>1g/L. - TCN Holocen dưới (qh 1) đã bị nhiễm mặn hoàn toàn. - TCN Pleistocen có ranh giới mặn-nhạt nằm về phía bắc và đông bắc và phía tây nam của thấu kính (hình 4.4). - Các kết quả khảo sát đều cho thấy các trầm tích hạt mịn (sét, sét pha) có hàm lượng TDS rất lớn, phân bố trên toàn bộ diện tích vùng nghiên cứu, hàm lượng TDS giảm dần về phía nócTuyÕn và đáy mÆt lớp. c¾t AB A B LK47 LK48 Q229N LK53 Q228A LK54 Q227A LK55 Q226N LK63 Q225A 0m 0m qh¤ qh¤ qh¤ -50 -50 qh£ 66 qh£ qp -100 T¤ -100 110 120 qp 140 n¤ -150 150 151 150 -150 155 n¤ 170 n¤ 170 -200 -200 T¤ -250 PR 248 -250 PR -300 Hình 3.2: Mô hình khái niệm phân bố mặn-nhạt theo tuyến mặt cắt AB -300
18. 16 Chương 4 - CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN THẤU KÍNH NƯỚC NHẠT TẦNG CHỨA NƯỚC PLEISTOCEN 4.1. Cơ sở lý thuyết về dịch chuyển chất hòa tan trong NDĐ 4.1.1. Các quá trình dịch chuyển chất hòa tan 4.1.1.1. Quá trình dịch chuyển đối lưu Quá trình các chất hoà tan được vận chuyển theo dòng chảy NDĐ được gọi là dịch chuyển đối lưu. 4.1.1.2. Quá trình phân tán a. Quá trình phân tán cơ học Quá trình phân tán cơ học học là quá trình các chất hòa tan dịch chuyển qua môi trường lỗ hổng và theo 2 phương: dọc và ngang. b. Quá trình phân tán thuỷ động lực Quá trình phân tán thủy động lực bao gồm hai quá trình kết hợp nhau là phân tán cơ học và khuếch tán phân tử. Thông số đặc trưng cho quá trình này là các hệ số phân tán thuỷ động lực (D L và D T). 4.1.1.3. Quá trình khuếch tán phân tử Khuếch tán phân tử xảy ra khi có sự chênh lệch nồng độ. Các tính toán của luận án trên cơ sở định luật Fick trong môi trường trầm tích. 4.1.1.4. Các quá trình thủy địa hóa liên quan khác Các quá trình khác liên quan khác có thể xảy ra bao gồm: quá trình hấp phụ, phân rã, các phản ứng Axít/bazơ, sự liên kết các ion thành các phần tử trung tính, các phản ứng ôxy hóa khử, các quá trình kết tủa, hòa tan và các quá trình hấp thụ và quá trình trao đổi ion. 4.1.2. Đặc trưng của dịch chuyển mặn trong NDĐ 4.1.2.1. Ảnh hưởng của tỷ trọng đến sự phân bố của nước mặn Ảnh hưởng của tỷ trọng chất lỏng đến sự phân bố trong không gian theo mô hình quan hệ của Ghyben-Herzberg (H=40h). 4.1.2.2. Dịch chuyển chất hòa tan do chênh lệch về tỷ trọng Dịch chuyển chất hòa tan do chênh lệch tỷ trọng chất lỏng chủ yếu bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn. Định luật Darcy viết cho dịch chuyển vật chất do ảnh hưởng của tỷ trọng chất lỏng là cơ sở tính toán, đánh giá định lượng XNM TCN qp từ lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển.
19. 17 4.2. Cơ chế XNM thấu kính nước nhạt, TCN qp vùng Nam Định 4.2.1. Khái niệm chung và định hướng nghiên cứu cơ chế XNM thấu kính nước nhạt, TCN Pleistocen 4.2.1.1. Khái niệm chung Cơ chế XNM là các phương thức hoặc cách thức xâm nhập của nước mặn vào các thể địa chất chứa nước nhạt (làm tăng nồng độ muối của nước) trong tầng chứa hoặc thấu kính nước nhạt. 4.2.1.2. Định hướng nghiên cứu cơ chế XNM NDĐ trong trầm tích Đệ tứ vùng Nam Định Trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu trước đây cho thấy định hướng nghiên cứu phù hợp khi làm rõ được các yếu tố sau: 1) Trong vùng nghiên cứu tồn tại những nguồn mặn nào? 2) Phân bố của các nguồn mặn này so với TCN nghiên cứu? 3) Ảnh hưởng của các nguồn mặn đến các TCN? Các kết quả nghiên cứu địa chất, địa chất thủy văn, thủy địa hóa cho thấy trong vùng nghiên cứu tồn tại 3 nguồn mặn chính là: - Nước mặn phân bố trên bề mặt (nước biển); - Nước mặn nằm trong cùng TCN Pleistocen với nước nhạt; - Nước mặn trong lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển. 4.2.2. Xâm nhập mặn TCN Pleistocen do ảnh hưởng của lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển 4.2.2.1. Sự phân bố của lớp thấm nước yếu Sự phân bố của lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển được xác định trên cơ sở tài liệu đo địa vật lý lỗ khoan kết hợp với các tài liệu khoan thăm dò, lớp này nằm dưới TCN qh 2 và nằm trên TCN qp , thuộc hệ tầng Hải Hưng và hệ tầng Vĩnh Phúc. Chiều dày thay đổi từ 20÷95m. 4.2.2.2. Sự phân bố độ mặn trong lớp thấm nước yếu Các kết quả phân tích và tính toán sự phân bố độ mặn trong lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển đã được trình bày chi tiết trong chương 3. Sự phân bố độ mặn theo mặt cắt cho thấy hàm lượng TDS lớn nhất phân bố ở độ sâu từ 20m đến 30m (hơn 37g/l) và giảm dần về phía mặt và đáy của lớp thấm nước yếu. 4.2.2.3. Kết quả phân tích thành phần đồng vị bền nước lỗ rỗng
20. 18 Kỹ thuật đồng vị ứng dụng trong nghiên cứu này nhằm xác định khả năng hòa trộn của nước có nguồn gốc khí tượng (nước trong TCN) và nước có nguồn gốc biển (nước trong lớp thấm nước yếu). Các kết quả phân tích cho thấy nước lỗ rỗng trong lớp thấm nước yếu hiện nay vừa có nguồn gốc biển, vừa có nguồn gốc khí tượng (hình 4.2). 18 2 δ O (‰) δ H (‰) EC (µS/cm) -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -8 -6 -4 -2 0 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 20000 40000 60000 0 0 0 0 18 δ O (‰) Nước biển 10 10 10 -10 20 20 20 -20 Đường nước khí 30 30 30 tượng địa phương -30 40 40 40 Depth (m) Depth (m) Depth Depth (m) Nước lỗ rỗng 50 50 50 Nước lỗ -40 60 60 60 -50 70 70 70 Nước dưới -60 80 80 80 đất, tầng qp 18 2 (δ O) (δ H) (EC) -70 90 90 90 VietAS_ND01 VietAS_ND02 H (‰) H 2 Nước biển Tầng chứa nước qp δ 100 100 100 -80 Hình 4.1: Phân bố theo chiều sâu của Hình 4.2: Thành phần đồng vị bền đồng vị bền và EC tại LK VietAS_ND01 nước lỗ rỗng, nước biển và TCN qp 4.2.2.4. Kết quả xác định hệ số khuếch tán Thí nghiệm xác định hệ số khuếch tán của Clo (NaCl) trong môi trường trầm tích (lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển) trên cơ sở xác định sự biến đổi nồng độ NaCl (EC) theo thời gian tại bề mặt tiếp xúc giữa mẫu thí nghiệm và -9 2 nước. Giá trị trung bình là D e = 0,6*10 m /s. 4.2.2.5. Kết quả mô hình SEAWAT Kết quả mô hình 1 chiều mô phỏng sự phân bố hàm lượng muối theo thời gian với các hệ số thấm khác nhau của lớp thấm nước yếu, đánh giá ảnh hưởng của hệ số thấm tới phân bố và vận động của muối do khuếch tán phân tử cũng như phân dị trọng lực. 4.2.2.6. Cơ chế XNM TCN Pleistocen do ảnh hưởng của lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển Từ kết quả đo ĐVL lỗ khoan và kết quả phân tích TPHH của nước lỗ rỗng (hình 4.3), cũng như các đồ thị tương quan cho thấy độ dẫn điện của khung đất đá bị chi phối bởi nước lỗ rỗng; kết quả đo địa vật lý lỗ khoan hoàn toàn có thể
21. 19 sử dụng để xác định dịch chuyển mặn của nước lỗ rỗng trong lớp trầm tích biển xuống TCN qp . Các kết quả nghiên cứu cho thấy sự dịch chuyển mặn ảnh hưởng bởi hai quá trình chính là khuếch tán phân tử và phân dị trọng lực; phía mặt lớp bị chi phối chủ yếu là do khuếch tán phân tử và phía đáy lớp bị ảnh hưởng bởi cả phân dị trọng lực và khuếch tán phân tử. Hình 4.3: Phân bố độ dẫn điện, Cl -, δ18 O trên cơ sở kết quả phân tích TPHH nước lỗ rỗng và kết quả đo karota tại lỗ khoan VietAS_ND01 4.2.3. XNM thấu kính nước nhạt, TCN Pleistocen do ảnh hưởng của chênh lệch mực nước 4.2.3.1. Thành phần thạch học TCN Pleistocen Qua kết quả khảo sát địa chất, kết quả phân tích thành phần hạt các mẫu trầm tích TCN Pleistocen cho thấy, thành phần thạch học chủ yếu là cát lẫn sạn sỏi với độ lỗ hổng tính toán đạt từ 0,25 đến 0,39. 4.2.3.2. Thông số địa chất thủy văn của TCN Pleistocen Kết quả bơm hút nước thí nghiệm tại 03 chùm lỗ khoan thí nghiệm Q227, VietAS_ND01 và VietAS_ND02 cho thấy đây là tầng giàu nước, hệ số dẫn nước dao động từ 1264 m2/ng đến 1549m 2/ng.
22. 20 86 96 06 16 26 36 46 56 66 68 0 68 20 Q221a Tuy ến đo .389 * GGVV0011 tr ường chuy ển 58 Q222b 58 B n yÕ Tu C ND02 TuyÕn Đi ểm quan A Õn trắc mặn nh ạt uy Q223a T Q224a TuyÕn D 48 48 Q92 489 Q108b ND01 karst 20 Q226a Q225a 38 38 karst .180 Q227a Q109a Ranh gi ới m ặn Q110a g n nh ạt t ầng qp 28 Q228a « 28 5 ® 269. 2 2 n Ó i b cchhóóchó gi¶iggii¶¶ii 10 0 60 Lç khoan tÇng qp 18 Q229a 18 §−êng ®¼ng mùc n−íc (m) TÇng chøa n−íc ®Êt ®¸ bë rêi TÇng chøa n−íc ®Êt ®¸ nøt nÎ, karst 0 5 Km 10 BiÓn, s«ng ngßi, kªnh m−¬ng 08 H−íng dßng ngÇm 08 86 96 06 16 26 36 46 56 66 Hình 4.4: Sơ đồ đẳng áp (năm 2012) và hướng vận động của NDĐ trong TCN Pleistocen vùng Nam Định 4.2.3.3. Hạ thấp mực nước và hướng dòng chảy TCN Pleistocen Theo kết quả từ mạng quan trắc quốc gia từ năm 1994 đến năm 2014 cho thấy, mực NDĐ TCN Pleistocen ở đây đang giảm mạnh, với tốc độ từ 0,5÷0,7m/năm. Gradien thủy lực từ ranh giới mặn-nhạt đến trung tâm phễu hạ thấp trong vùng theo hướng bắc là 0,00042 và theo hướng đông bắc là 0,00039 (hình 4.4). Tóm Lại: Các cơ chế xâm nhập mặn NDĐ, TCN qp , trầm tích Đệ tứ vùng Nam Định hiện nay bao gồm: 1) XNM theo phương thẳng đứng do ảnh hưởng của lớp thấm nước yếu (sét, sét pha) nguồn gốc biển; 2) XNM theo phương ngang (trong TCN Pleistocen) do chênh lệch mực nước giữa vùng nước mặn và vùng nước nhạt (hình 4.5). A B Q Q Q Q Q 0m 0m qh¤ qh¤ qh¤ -50 -50 H−íng dÞch chuyÓn n−íc mÆn qp -100 T¤ -100 qp l l l l l n¤ -150 n¤ ///// -150 g/ggg/g 111 H−íng dÞch chuyÓn n−íc mÆn n¤ 111 l l l l l ////l /l l l l ggg -200 g gg -200 333 H−íng dÞch chuyÓn n−íc nh¹t 333 T¤ -250 PR -250 PR -300 Vïng TDS 8g/l §íi chøa n−íc kÐm -300 Hình 4.5: Mặt cắt mô phỏng cơ chế XNM vùng Nam Định ở thời điểm hiện tại (theo tuyến mặt cắt AB trên hình 4.4)
23. 21 Chương 5 - DIỄN BIẾN XÂM NHẬP MẶN THẤU KÍNH NƯỚC NHẠT TẦNG CHỨA NƯỚC PLEISTOCEN 5.1. Xâm nhập mặn TCN qp do ảnh hưởng lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển 5.1.1. Xâm nhập mặn do ảnh hưởng của quá trình khuếch tán phân tử và phân dị trọng lực Kết quả tính toán ảnh hưởng do khuếch tán và phân dị trọng lực, dòng mặn ảnh hưởng dao động từ 0,11 đến 0,22g/m 2/năm. 5.1.2. Giới hạn xảy ra quá trình khuếch tán và phân dị trọng lực 5.1.2.1. Điều kiện giới hạn xảy ra quá trình khuếch tán phân tử Quá trình khuếch tán phân tử trong môi trường trầm tích dừng lại khi gradien nồng độ bằng 0, hay không có chênh lệch nồng độ. 5.1.2.2. Điều kiện giới hạn xảy ra quá trình phân dị trọng lực Quá trình phân dị trọng lực không xảy ra trong đất đá không thấm nước và khi áp lực tầng dưới lớn hơn tầng trên ≥10m. 5.2. Diễn biến XNM thấu kính nước nhạt, TCN Pleistocen do ảnh hưởng của khai thác 5.2.1. Tính toán dịch chuyển biên mặn theo tài liệu quan trắc NDĐ a) Dịch chuyển biên mặn theo kết quả tài liệu xác định hiện trạng Diễn biến XNM khu vực phía tây bắc thấu kính nước nhạt có biến đổi, tuy nhiên không đáng kể. Biến động lớn nhất xảy ra ở khu vực phía đông bắc, khoảng cách dịch chuyển ranh giới mặn-nhạt về phía vùng nhạt tới 4km trong vòng 15 năm, tốc độ đạt 0,27km/năm. 1800 1668 1586 1600 TDS 1400 1200 1001 1000 - Cl 755.6 779.97 800 600 506.94 Hàm lượng (mg/L) + 377.7 Na 319.5 400 238.0 200 0 Jan-09 Jul-09 Jan-10 Jul-10 Jan-11 Jul-11 Jan-12 Thời gian Hình 5.1: Số liệu quan trắc TPHH NDĐ tầng qp tại ranh giới mặn-nhạt (vị trí điểm quan trắc trên hình 4.4)
24. 22 b) Dịch chuyển biên mặn theo kết quả tính toán gradien thủy lực Tốc độ dịch chuyển biên mặn được xác định trên cơ sở gradien thuỷ lực từ ranh giới mặn-nhạt đến trung tâm phễu hạ thấp, tốc độ dịch chuyển biên mặn từ các phía của trung tâm phễu hạ thấp: phía tây bắc: 0,029m/ng; phía bắc: 0,042m/ng; phía đông bắc: 0,039m/ng. 5.2.2. Kết quả dự báo XNM thấu kính nước nhạt, TCN Pleistocen bằng phương pháp mô hình số 5.2.2.1. Mô hình dòng chảy NDĐ Mô hình dòng chảy NDĐ vùng Nam Định được xây dựng bằng phương pháp sai phân hữu hạn, trên phần mềm GMS 9.1.4. Các thông số ĐCTV của các lớp được sử dụng trên cơ sở các kết quả điều tra khảo sát ĐCTV từ các đề tài, dự án trước đây và do chính tác giả thực hiện cho mục đích nghiên cứu của đề tài luận án. Mô hình dòng chảy xây dựng theo hai kịch bản; kịch bản thứ nhất: giữ nguyên lưu lượng khai thác, kịch bản thứ hai: tăng lưu lượng khai thác theo tốc độ gia tăng dân số (tốc độ gia tăng dân số được tính toán trên cơ sở hàm xu thế được xây dựng từ số liệu thống kê dân số từ năm 1994 đến 2009. 5.2.2.2. Mô hình dự báo XNM vùng Nam Định Mô hình dịch chuyển vật chất dự báo XNM được xây dựng với thời điểm ban đầu là năm 2012 với hàm lượng TDS ban đầu được lấy theo kết quả xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt (ở chương 3). Diễn biến XNM được xây dựng trên cơ sở 2 kịch bản của mô hình dòng chảy NDĐ, dự báo diễn biến XNM tại thời điểm năm 2020, 2030 và 2050. Các điểm quan trắc sự biến đổi hàm lượng TDS trong mô hình theo thời gian được lấy cho 3 vị trí đặc trưng cho 3 vùng (mặn, lợ, nhạt). Nhìn chung, tất cả các vị trí quan trắc diễn biến hàm lượng TDS đều tăng ở cả hai kịch bản. 5.3. Giải pháp khắc phục, hạn chế XNM vùng Nam Định 5.3.1. Giải pháp khắc phục, hạn chế XNM Nguyên nhân chính gây ra XNM tầng qp là do chênh lêch mực nước giữa vùng nước nhạt và vùng nước mặn. Do vậy, giải pháp khắc phục, hạn chế xâm nhập mặn được đề xuất trên cơ sở 2 nguyên tắc: ° Giảm chênh lệch mực nước giữa vùng mặn và vùng nhạt;
25. 23 ° Ngăn chặn dòng chảy ngầm từ vùng mặn sang vùng nhạt. 5.3.2. Giải pháp khai thác, sử dụng NDĐ Giải pháp khai thác, sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên NDĐ trong vùng là chuyển đổi hình thức khai thác riêng lẻ, tự do, không kiểm soát được sang hình thức khai thác nước tập trung. Khai thác nước tập trung sẽ giúp cho các nhà quản lý điều chỉnh, khống chế lưu lượng khai thác tùy thuộc vào diễn biến mực nước trong vùng và cân đối với nhu cầu sử dụng của nhân dân. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận 1) Cấu trúc địa chất móng trước Kainozoi rất phức tạp, các hệ thống đứt gãy chủ đạo theo hướng TB-ĐN và ĐB-TN đã chia móng thành các khối nâng hạ khác nhau. Hệ thống các đứt đóng vai trò là hệ thống kênh dẫn nước nhạt từ các thành tạo Triat và các thành tạo cổ hơn cung cấp cho thấu kính nước nhạt vùng Nam Định. 2) Trong thời kỳ Kainozoi, vùng nghiên cứu đã trải qua nhiều quá trình xâm nhập mặn, rửa nhạt theo chu kỳ dao động của nước biển và tiến hóa trầm tích. Quá trình hình thành thấu kính nước nhạt lần cuối cùng như hiện nay được bắt đầu xảy ra vào khoảng 4.000 năm BP. 3) Phương pháp ĐVL lỗ khoan xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt theo chiều thẳng đứng cho kết quả đáng tin cậy với tương quan chặt giữa hàm lượng Cl - và TDS của nước lỗ rỗng với độ dẫn điện của tầng. Kết quả nghiên cứu phù hợp với lý thuyết và là cơ sở chắc chắn cho việc xác định hiện trạng mặn-nhạt trong các thể địa chất bão hòa nước nói chung và lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển nói riêng. 4) Sử dụng phương pháp trường chuyển kết hợp với các phương pháp ĐCTV xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt TCN Pleistocen vùng Nam Định là phù hợp với điều kiện ĐCTV của vùng, cho kết quả đáng tin cậy. Đây là nghiên cứu cơ bản trong việc định hướng nghiên cứu xác định các cơ chế xâm nhập mặn thấu kính nước nhạt. 5) Xâm nhập mặn theo phương thẳng đứng do ảnh hưởng của lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển bị chi phối bởi sự thay đổi của tính thấm. Ở những nơi
26. 24 lớp trầm tích biển có hệ số thấm lớn (K ≥10 -7m/s) thì quá trình phân dị trọng lực xảy ra và hệ số thấm càng lớn thì vai trò của quá trình này càng chiếm ưu thế. Những nơi có hệ số thấm nhỏ (K <10 -7m/s) thì quá trình khuếch tán phân tử đóng vai trò chủ đạo, hệ số thấm càng nhỏ thì khuếch tán phân tử càng chiếm ưu thế. 6) Nguyên nhân chính của xâm nhập mặn theo phương ngang (diễn ra trong TCN Pleistocen) là do quá trình vận động của nước trong TCN, gây ra bởi dòng thấm từ vùng nước mặn tới vùng nước nhạt. Quá trình này diễn ra càng mạnh mẽ khi chênh lệch mực nước trong tầng tăng lên, do nhu cầu khai thác, sử dụng NDĐ tăng nhanh. 7) Mô hình dòng chảy NDĐ và mô hình dự báo xâm nhập mặn NDĐ TCN Pleistocen cho kết quả đáng tin cậy hơn khi sử dụng các kết quả tính toán thông số ĐCTV từ tài liệu hút nước thí nghiệm chùm cũng như kết quả xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt được áp dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu khác nhau. Kiến nghị 1) Cần xác định phân bố của thấu kính nước nhạt cả về diện và chiều sâu ngoài thềm lục địa, cần có các nghiên cứu chuyên sâu hơn về ĐCTV cũng như các công tác ĐVL phục vụ điều tra khảo sát ĐCTV. 2) Nghiên cứu và làm sáng tỏ mối liên hệ giữa cấu trúc địa chất, ĐCTV của vùng phân bố thấu kính nước nhạt và vùng cấp phía tây, tây bắc. Cần xác định chi tiết hơn nguồn và lưu lượng bổ cập cho thấu kính nước nhạt trên cơ sở áp dụng phương pháp thả chất chỉ thị ở phía tây, tây bắc vùng Nam Định và quan trắc trong thời gian dài. 3) Công tác quản lý khai thác NDĐ cần được quan tâm đúng mức, quy hoạch khai thác sử dụng hợp lý sẽ làm tăng diện sử dụng cũng như khả năng sử dụng hiệu quả nguồn nước nhạt quý giá này trong vùng.
27. 25 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1. Hoàng Văn Hoan, Flemming Larsen (2007), Phương pháp xác định độ lỗ hổng hiệu dụng, hệ số thấm của tầng chứa nước và tổng hàm lượng chất rắn hoà tan của nước bằng các phương pháp địa vật lý lỗ khoan. Lấy ví dụ vùng đồng bằng Bắc Bộ, Tạp chí KHKT. Mỏ- Địa chất, số 20, tr 101-107. 2. Hoàng Văn Hoan, Phạm Quý Nhân (2008), Sử dụng phương pháp địa vật lý điện trong Địa chất thủy văn xác định ranh giới mặn/nhạt tầng chứa nước Pleistocene vùng Phố Nối, Hưng Yên , Tạp chí Địa chất, số 305. 3. Trần Vũ Long, Phạm Quý Nhân, Flemming Larsen, Hoàng Văn Hoan (2011), Cơ chế xâm nhập mặn cổ và ảnh hưởng của nó đến sự phân bố ranh giới mặn - nhạt trong các tầng chứa nước trầm tích Đệ tứ vùng Giao Thủy - Nam Định, Tạp chí KHKT. Mỏ - Địa chất, 34, 4/2011, tr 25-34. 4. Luu T. Tran, Flemming Larsen, Nhan Q. Pham, Hoan V. Hoang, et al. (2012), Origin and Extent of Fresh Groundwater, Salty Paleowaters and recent Saltwater Intrusion in Red River Flood Plain Aquifers, Vietnam , Hydrogeology Journal 20. 5. Hoàng Văn Hoan, Phạm Quý Nhân, Flemming Larsen và nnk., (2013), Nghiên cứu nhiễm mặn nước dưới đất trầm tích Đệ Tứ khu vực cửa sông ven biển tỉnh Nam Định bằng phương pháp trường chuyển, Tạp chí Địa chất, số 334. 6. Hoàng Văn Hoan, Phạm Quý Nhân, Đặng Đức Nhận, Flemming Larsen và nnk. (2013), Nghiên cứu địa chất thủy văn vùng Nam Định bằng kỹ thuật đồng vị , Tạp chí Các khoa học về trái đất, số 35(2), tr 120-129. 7. Nguyễn Văn Lâm, Nguyễn Thị Thanh Thủy, Hoàng Văn Hoan (2006), Tính toán sự dịch chuyển ranh giới mặn - nhạt của nước ngầm tầng chứa nước qp Hải Triều, Tiên Lữ, Hưng Yên , Báo cáo HNKH lần thứ 17 ĐH Mỏ - Địa chất. 8. Hoang V. H, Lassen R, Larsen F., et al. (2009), Mapping of fresh and saline groundwater in coastal aquifers in the Nam Dinh province (Vietnam) by electrocal and transient electromagnetic soundings, 1st APCAMM, Thailand. 9. Hoan V. Hoang, Nhan Q. Pham, Flemming Larsen, et al. (2011), Processes Controlling High Saline Groundwater in the Nam Dinh Province, Vietnam , 2nd APCAMM October 18- 21, 2011, Jeju, Korea. 10. Luu T. TRAN, Flemming LARSEN, Hoan V. HOANG et al. (2011), Scenarios for distribution of different saline groundwater types in the Red River floodplain, Vietnam , 2nd APCAMM October, 2011, Jeju, Korea. 11. Flemming Larsen, Pham Quy Nhan, Tran Thi Luu, Tran Vu Long, Hoang Van Hoan (2012), Processes controlling the presence of of salty (paleo) groundwater in the Red River flood plain , SWIM 2012, June 17-22, Brazil. 12. Hoàng Văn Hoan, Phạm Quý Nhân, Flemming Larsen, Trần Vũ Long, Nguyễn Thế Chuyên, Trần Thị Lựu (2012), Ảnh hưởng của quá trình khuếch tán tới sự phân bố độ mặn của nước lỗ rỗng trong lớp trầm tích biển tuổi Đệ tứ khu vực Nam Định, Báo cáo hội nghị khoa học lần thứ 20, ĐH Mỏ - Địa chất, Hà Nội. 13. Wagner, F., Ludwig, R. R., Noell, U., Hoang, H. V., Pham, N. Q., et al. (2012), Genesis of economic relevant fresh groundwater resources in Pleistocene/Neogen aquifers in Nam Dinh (Red River Delta, Vietnam) , EGU 12, European Geosciences Union, April, 2012, Vienna, Austria. 14. Christoph Gerber, Roland Purtschert, Flemming Larsen, Hoan V. Hoang, et al. (2013), 39 Ar groundwater dating of a coastal aquifer in the Nam Dinh Province, Vietnam EGU 13, European Geosciences Union, Vienna, Austria.