Luận Án Tiến Sĩ: Cơ Chế Rửa Mặn Nước Trong Các Tướng Trầm Tích Biển Đệ Tứ Khu Vực Châu Thổ Sông Hồng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu hus cơ chế rửa mặn của nước trong các tướng trầm tích biển tuổi đệ tứ khu vực châu thổ sông hồng, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề

• Tác giả: Trần Thị Lựu
• Người hướng dẫn: GS. Trần Nghi
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Địa chất học
• Đề tài: Cơ Chế Rửa Mặn Của Nước Trong Các Tướng Trầm Tích Biển Tuổi Đệ Tứ Khu Vực Châu Thổ Sông Hồng
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ RỬA MẶN NƯỚC LỖ RỖNG
• 1.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu
• 1.2. Các công trình nghiên cứu trên thế giới về rửa mặn nước lỗ rỗng
• 1.3. Các công trình nghiên cứu trong nước liên quan. Những tồn tại cần giải quyết
• 1.4. Các phương pháp nghiên cứu
• 1.4.1. Địa vật lý lỗ khoan
• 1.4.2. Phương pháp trường chuyển (TEM)
• 1.4.3. Phương pháp khoan thăm dò lấy mẫu trầm tích nguyên dạng
• 1.4.4. Phương pháp chiết nước lỗ rỗng
• 1.4.5. Phân tích thành phần hóa học nước lỗ rỗng
• 1.4.6. Phân tích thành phần độ hạt trầm tích và thành phần khoáng vật sét
• 1.4.7. Thí nghiệm cột thấm xác định hệ số thấm của trầm tích
• 1.4.8. Thí nghiệm xác định hệ số khuếch tán phân tử
• 1.4.9. Tổng hợp số liệu quan trắc thành phần hóa học nước dưới đất
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH RỬA MẶN NƯỚC LỖ RỖNG
• 2.1. Địa hình địa mạo
• 2.2. Điều kiện thủy văn, hải văn
• 2.3. Đặc điểm địa chất Đệ tứ
• 2.4. Lịch sử tiến hóa trầm tích Đệ Tứ trong mối quan hệ với dao động mực nước biển
• 2.5. Các tướng trầm tích biển tuổi Holocen vùng châu thổ Sông Hồng
• 2.5.1. Điều kiện địa chất thủy văn
• 2.5.2. Các tầng chứa nước lỗ hổng
• 2.5.3. Các trầm tích thấm nước yếu
• 2.5.4. Mối liên hệ giữa tầng chứa nước Pleistocen với tầng trầm tích biển Holocen
• 3. CHƯƠNG 3: HIỆN TRẠNG PHÂN BỐ MẶN NHẠT CỦA NƯỚC LỖ RỖNG TRONG CÁC TRẦM TÍCH BIỂN HOLOCEN
• 3.1. Thành phần hóa học của nước lỗ rỗng
• 3.1.1. Thành phần hóa học nước lỗ rỗng ở vị trí LK Q88-VA
• 3.1.2. Thành phần hóa học nước lỗ rỗng ở vị trí LK Q87-VA
• 3.2. Kết quả đo địa vật lý lỗ khoan
• 3.3. Vùng phân bố nước lỗ rỗng nhạt
• 3.4. Vùng phân bố nước lỗ rỗng lợ
• 3.5. Vùng phân bố nước lỗ rỗng mặn
• 3.6. Kết quả đo trường chuyển (TEM)
• 3.6.1. Tuyến nghiên cứu 1
• 3.6.2. Tuyến nghiên cứu 2
• 3.6.3. Tuyến nghiên cứu 3
• 3.6.4. Tuyến nghiên cứu 4
• 4. CHƯƠNG 4: CƠ CHẾ RỬA MẶN CỦA NƯỚC LỖ RỖNG TRONG TRẦM TÍCH BIỂN HOLOCEN
• 4.1. Cơ sở lý thuyết về dịch chuyển vật chất trong môi trường lỗ hổng
• 4.2. Dịch chuyển đối lưu (Advection)
• 4.3. Khuếch tán phân tử (Diffusion)
• 4.4. Phân dị trọng lực (Density flow)
• 4.5. Mô hình dịch chuyển vật chất có tính đến khối lượng riêng chất lỏng thay đổi. Tính toán hệ số Rayleigh (Ra) xác định cơ chế rửa mặn của nước lỗ rỗng
• 4.6. Ảnh hưởng của thành phần thạch học trầm tích tới cơ chế rửa mặn
• 4.7. Xây dựng mô hình cơ chế rửa mặn nước lỗ rỗng vùng CTSH
• 4.7.1. Mục đích xây dựng mô hình
• 4.7.2. Mô hình khái niệm
• 4.7.3. Xây dựng mô hình số
• 4.7.4. Xác định một số thông số đầu vào của mô hình
• 4.7.5. Kết quả mô hình rửa mặn. Đánh giá kết quả mô hình số
• 5. CHƯƠNG 5: ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH RỬA MẶN CỦA NƯỚC LỖ RỖNG TỚI TẦNG CHỨA NƯỚC PLEISTOCEN
• 5.1. Phân bố mặn nhạt NDĐ trong tầng chứa nước Pleistocen
• 5.2. Ảnh hưởng của các quá trình xâm nhập mặn tới TCN Pleistocen
• 5.3. Ảnh hưởng của xâm nhập mặn thời kỳ biển tiến Flandrian
• 5.4. Ảnh hưởng của xâm nhập mặn hiện đại tới tầng chứa nước Pleistocen
• 5.5. Ảnh hưởng của quá trình rửa mặn NLR từ tầng sét biển Holocen tới tầng chứa nước Pleistocen
• 5.6. Ảnh hưởng của NLR mặn trong trầm tích biển Holocen tới TCN qp
• 5.7. Vai trò bảo vệ TCN Pleistocen của tầng sét biển tuổi Pleistocen muộn
• 5.8. Ảnh hưởng của bề dày tầng sét biển tuổi Pleistocen muộn
• 5.9. Ảnh hưởng của thành phần thạch học của tầng sét tuổi Pleistocen muộn
• CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về cơ chế rửa mặn nước trong trầm tích biển Đệ Tứ

Vùng châu thổ Sông Hồng là một trong những khu vực có trầm tích biển Đệ Tứ phong phú. Cơ chế rửa mặn nước trong các trầm tích này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì chất lượng nước ngầm. Nghiên cứu này sẽ làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình rửa mặn và tầm quan trọng của nó trong việc quản lý tài nguyên nước.

1.1. Đặc điểm địa chất và thủy văn của châu thổ Sông Hồng

Châu thổ Sông Hồng có cấu trúc địa chất phức tạp với các tầng trầm tích khác nhau. Đặc điểm thủy văn của khu vực này cũng rất đa dạng, ảnh hưởng đến quá trình rửa mặn nước lỗ rỗng.

1.2. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu cơ chế rửa mặn

Nghiên cứu cơ chế rửa mặn không chỉ giúp hiểu rõ hơn về chất lượng nước ngầm mà còn hỗ trợ trong việc quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

II. Vấn đề nhiễm mặn nước ngầm trong trầm tích biển Đệ Tứ

Nhiễm mặn nước ngầm là một vấn đề nghiêm trọng tại châu thổ Sông Hồng. Các nghiên cứu cho thấy, nước lỗ rỗng trong các trầm tích biển Đệ Tứ đang bị nhiễm mặn, ảnh hưởng đến nguồn nước sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp.

2.1. Nguyên nhân gây nhiễm mặn nước ngầm

Nhiễm mặn nước ngầm có thể do nhiều nguyên nhân, bao gồm xâm nhập mặn từ biển và quá trình rửa mặn không hiệu quả trong các trầm tích biển.

2.2. Hệ quả của nhiễm mặn đối với môi trường

Nhiễm mặn không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn tác động tiêu cực đến hệ sinh thái và hoạt động sản xuất nông nghiệp trong khu vực.

III. Phương pháp nghiên cứu cơ chế rửa mặn nước trong trầm tích biển

Để nghiên cứu cơ chế rửa mặn, nhiều phương pháp đã được áp dụng, bao gồm phân tích hóa học nước lỗ rỗng và mô hình hóa quá trình dịch chuyển vật chất trong môi trường lỗ rỗng.

3.1. Phân tích thành phần hóa học nước lỗ rỗng

Phân tích thành phần hóa học giúp xác định mức độ mặn của nước lỗ rỗng và các ion chính có trong nước, từ đó đánh giá tình trạng nhiễm mặn.

3.2. Mô hình hóa quá trình dịch chuyển vật chất

Mô hình hóa giúp hiểu rõ hơn về cơ chế rửa mặn và ảnh hưởng của các yếu tố địa chất đến quá trình này.

IV. Kết quả nghiên cứu về cơ chế rửa mặn nước lỗ rỗng

Kết quả nghiên cứu cho thấy, nước lỗ rỗng trong các trầm tích biển Đệ Tứ có sự phân bố mặn nhạt khác nhau, phụ thuộc vào thời gian rửa mặn và các yếu tố địa chất.

4.1. Phân bố mặn nhạt của nước lỗ rỗng

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nước lỗ rỗng trong các trầm tích biển Holocen vẫn còn chứa nước mặn tàn dư, trong khi nước trong các trầm tích Pleistocen đã bị rửa mặn hoàn toàn.

4.2. Ảnh hưởng của cơ chế rửa mặn đến chất lượng nước

Cơ chế rửa mặn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng nước ngầm, đặc biệt là trong việc duy trì nguồn nước sạch cho sinh hoạt và sản xuất.

V. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu cơ chế rửa mặn

Nghiên cứu về cơ chế rửa mặn có thể được ứng dụng trong việc quản lý tài nguyên nước, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững tại châu thổ Sông Hồng.

5.1. Quản lý tài nguyên nước hiệu quả

Kết quả nghiên cứu có thể giúp các nhà quản lý đưa ra các biện pháp hiệu quả trong việc bảo vệ nguồn nước ngầm khỏi nhiễm mặn.

5.2. Bảo vệ môi trường và phát triển bền vững

Nghiên cứu cũng góp phần vào việc bảo vệ hệ sinh thái ven biển và phát triển bền vững cho cộng đồng địa phương.

VI. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về cơ chế rửa mặn nước trong trầm tích biển Đệ Tứ là cần thiết để hiểu rõ hơn về tình trạng nhiễm mặn nước ngầm. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các mô hình dự đoán và giải pháp quản lý hiệu quả.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cơ chế rửa mặn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng nước ngầm trong khu vực châu thổ Sông Hồng.

6.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế rửa mặn và phát triển các giải pháp quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Vùng Châu thổ Sông Hồng (CTSH) là khu vực có mật độ dân số cao (đạt 983 người/km² vào năm 2014) với nhu cầu sử dụng nước phục vụ sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp rất lớn. Trong bối cảnh nguồn nước mặt đối mặt với nguy cơ ô nhiễm và biến động lưu lượng theo mùa, tài nguyên nước dưới đất (NDĐ) đóng vai trò then chốt nhưng đang bị suy giảm cả về chất lượng và trữ lượng. Số liệu từ mạng lưới quan trắc quốc gia và các công trình địa chất thủy văn chỉ ra hiện tượng nhiễm mặn NDĐ diễn ra phức tạp, xuất hiện tại nhiều khu vực nằm sâu trong nội địa, cách bờ biển hiện tại lên tới 70 km (tiêu biểu như khu vực Phú Xuyên, Phủ Lý thuộc tỉnh Hà Nam).

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định xuất phát từ thực tế: quá trình xâm nhập mặn hiện đại qua hệ thống cửa sông chỉ có phạm vi ảnh hưởng trong khoảng cách từ 20 km đến 45 km tính từ bờ biển, do đó không thể là tác nhân trực tiếp gây mặn cho tầng chứa nước Pleistocen ở khoảng cách 70 km hình thành trong thời kỳ biển thoái. Dựa trên quy luật tiến hóa địa chất Đệ Tứ, nguồn gốc nhiễm mặn sâu trong lục địa gắn liền với hiện tượng xâm nhập mặn cổ (paleo-saltwater intrusion), bắt nguồn từ lượng nước biển tàn dư (residual saltwater) lưu giữ trong các tầng trầm tích hạt mịn hình thành vào các thời kỳ biển tiến. Khi điều kiện thủy động lực thay đổi, nước mặn từ các tầng sét này di chuyển và gây nhiễm mặn cho các tầng chứa nước liền kề. Tại vùng CTSH, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào xâm nhập mặn hiện đại ở đới ven bờ, chưa có công trình nào giải quyết toàn diện về hiện trạng phân bố mặn nhạt, cơ chế rửa mặn của nước lỗ rỗng (NLR) trong các tầng trầm tích biển và mức độ ảnh hưởng của chúng đến tầng chứa nước Pleistocen.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm 3 nội dung:

1. Làm sáng tỏ đặc điểm phân bố mặn nhạt của nước lỗ rỗng trong trầm tích biển Holocen vùng Châu thổ Sông Hồng.
2. Làm sáng tỏ các cơ chế rửa mặn của nước lỗ rỗng trong trầm tích biển Holocen.
3. Đánh giá ảnh hưởng của quá trình rửa mặn nước lỗ rỗng trong trầm tích biển Holocen tới tầng chứa nước Pleistocen.

Nhiệm vụ thực hiện bao gồm:

1. Tổng quan các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước, lựa chọn hệ phương pháp nghiên cứu phù hợp.
2. Phân tích lịch sử tiến hóa trầm tích Đệ Tứ trong mối tương quan với dao động mực nước biển và đặc điểm phân bố mặn nhạt của NDĐ trong tầng chứa nước Pleistocen.
3. Đo trường chuyển (TEM) dọc theo 4 tuyến nghiên cứu và đo địa vật lý lỗ khoan (ĐVLLK) tại 38 lỗ khoan thuộc mạng quan trắc quốc gia để thành lập bản đồ phân vùng mặn nhạt của NLR trong tầng trầm tích biển Holocen.
4. Thi công 2 lỗ khoan địa tầng (Q87-VA và Q88-VA) sâu 55–57 m lấy mẫu trầm tích nguyên dạng để chiết NLR, phân tích thành phần độ hạt, khoáng vật sét, thí nghiệm cột thấm xác định hệ số thấm ($K$) và thí nghiệm khuếch tán xác định hệ số khuếch tán hữu hiệu ($D_e$).
5. Đo đạc các chỉ tiêu hóa lý, phân tích hàm lượng ion chính, độ tổng khoáng hóa (TDS) và thành phần đồng vị bền ($^{18}\text{O}$, $^{2}\text{H}$) của 40 mẫu NLR và 10 mẫu NDĐ tầng Pleistocen.
6. Thiết lập mô hình 1 chiều mô phỏng quá trình rửa mặn của NLR theo thời gian địa chất.
7. Xây dựng mô hình số 2 chiều (sử dụng chương trình SEAWAT) trên tuyến nghiên cứu số 3 từ Hà Nội đến Nam Định mô phỏng quá trình dịch chuyển vật chất có mật độ thay đổi từ 11 nghìn năm trước (BP) đến nay; kết hợp tính toán hệ số Rayleigh ($Ra$) để xác định các cơ chế rửa mặn.
8. Thành lập các bản đồ chuyên đề: bản đồ phân vùng mặn nhạt NLR Holocen, bản đồ phân vùng mặn nhạt NDĐ tầng Pleistocen, bản đồ đẳng dày trầm tích biển Pleistocen muộn và Holocen; đánh giá vai trò bảo vệ của tầng sét biển Pleistocen muộn đối với tầng chứa nước Pleistocen.

Đối tượng nghiên cứu: Nước lỗ rỗng (porewater) chứa trong các tầng trầm tích biển tuổi Holocen vùng Châu thổ Sông Hồng. Mặc dù tên đề tài tiếp cận trầm tích biển tuổi Đệ Tứ, kết quả tính toán mô hình và đo đạc thực tế của tác giả chứng minh rằng trầm tích biển tuổi Pleistocen muộn trở về trước đã trải qua thời gian rửa mặn dài (từ 60 nghìn năm đến hàng triệu năm) nên NLR đã chuyển thành nước nhạt; trong khi trầm tích biển Holocen mới trải qua thời gian rửa mặn dưới 11 nghìn năm nên vẫn còn lưu giữ nước mặn tàn dư. Do đó, đối tượng trọng tâm được xác định chính xác là trầm tích biển Holocen.

Phạm vi nghiên cứu:

• Không gian: Vùng Châu thổ Sông Hồng, tập trung vào 4 tuyến đo TEM cắt ngang và dọc đồng bằng, 38 lỗ khoan quan trắc quốc gia và 2 lỗ khoan nghiên cứu chi tiết tại Hà Nam (Q87-VA, Q88-VA).
• Thời gian địa chất: Kỷ Đệ Tứ, tập trung vào giai đoạn từ 80 nghìn năm trước đến nay (từ pha biển thoái Wurm 2, biển tiến Flandrian đến thời kỳ hiện đại).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trên thế giới, hiện tượng xâm nhập mặn cổ và quá trình rửa mặn nước mặn tàn dư trong các thành tạo trầm tích biển đã được ghi nhận qua nhiều công trình:

• Arie Issar (1981) nghiên cứu tại Israel, kết hợp thủy địa hóa, đồng vị bền và cấu trúc địa chất để xác định nguồn gốc nước mặn tàn dư trong tầng chứa nước và ảnh hưởng của tốc độ rửa mặn do nước mưa.
• Groen và đồng sự (2000) tại vùng ven biển Suriname sử dụng đồng vị $^{37}\text{Cl}$ và mô hình khuếch tán 1 chiều chứng minh NDĐ trong trầm tích Đệ Tam bị nhiễm mặn do quá trình khuếch tán muối từ tầng sét biển Holocen bên trên và trầm tích Kreta bên dưới.
• Lambrakis & Kallergis (2001) tại Hy Lạp ứng dụng phần mềm PHREEQE và PHREEQM mô phỏng quá trình trao đổi ion và tốc độ rửa mặn tự nhiên cũng như dưới tác động của khai thác NDĐ.
• Hiroshiro và đồng sự (2006) tại Motooka (Nhật Bản) sử dụng tổ hợp thế oxy hóa khử, đồng vị bền $^{2}\text{H}$, $^{18}\text{O}$, $^{3}\text{H}$ và tuổi phóng xạ $^{14}\text{C}$ xác định tầng nước mặn nằm dưới đáy biển có tuổi khoảng 2.000 năm là nước mặn tàn dư chứ không phải do xâm nhập mặn hiện đại.
• Bruno Capaccioni và đồng sự (2005) tại đồng bằng Catania (Ý) nghiên cứu sự biến đổi tướng hóa học từ $\text{NaCl}$ sang $\text{NaHCO}_3$ trong quá trình rửa mặn tầng nông và tầng sâu.
• Gossel và đồng sự (2010) tại Nubian sử dụng phần mềm FEFLOW mô phỏng dòng chảy và dịch chuyển chất có tính đến chênh lệch khối lượng riêng trong khoảng thời gian 140 nghìn năm.
• Beekman và đồng sự (2011) tại hồ Marken (Hà Lan) thiết lập mô hình 1 chiều khuếch tán phân tử của hai đồng vị clo ($^{35}\text{Cl}^-$ và $^{37}\text{Cl}^-$) trong lõi khoan trầm tích.
• Các nghiên cứu khác tại Ai Cập (Geirnaert & Laeven, 1992), Pakistan (Qadir, 1998), Hàn Quốc (Lee, 2008), Đức (Magri, 2009), Bỉ (1998) và Trung Quốc (2008).

Tại Việt Nam, các nghiên cứu liên quan đến địa chất thủy văn và xâm nhập mặn vùng đồng bằng Bắc Bộ bao gồm:

• Vũ Kim Tuyến (1994) áp dụng đồng vị $^{18}\text{O}$, $^{2}\text{H}$, $^{3}\text{H}$, $^{14}\text{C}$ xác định tuổi và nguồn gốc NDĐ Đệ Tứ.
• Đặng Hữu Ơn (1996) dự báo nhiễm mặn NDĐ thông qua vận tốc dòng thấm trung bình tại Bà Rịa - Vũng Tàu.
• Nguyễn Văn Hoàng (2001) nghiên cứu tương quan giữa lưu lượng thoát nước tầng Pleistocen ra biển và chiều sâu xâm nhập mặn.
• Nguyễn Như Trung và đồng sự (2004, 2007) sử dụng mô hình điện trở và mô hình số ĐCTV dự báo xâm nhập mặn tầng Pleistocen khu vực Hải Phòng đến năm 2030.
• Nguyễn Thị Hạ (2005) phân vùng thủy địa hóa và phân vùng mặn nhạt NDĐ đồng bằng Bắc Bộ.
• Đoàn Văn Cánh, Lê Thị Lài và đồng sự (2005) điều tra, xác định ranh giới mặn nhạt tầng Holocen và Pleistocen tại Nam Định.
• Phạm Quý Nhân (2000, 2008) ứng dụng mô hình dòng chảy và mô hình chuyển chất (chưa xét biến thiên mật độ chất lỏng) đánh giá xâm nhập mặn do khai thác tại CTSH và xác định ranh giới mặn nhạt tại Phố Nối (Hưng Yên).
• Nguyễn Văn Đản và đồng sự (2009), Frank và đồng sự (2011), Hoàng Văn Hoan (2014) khảo sát cơ chế xâm nhập mặn và nguồn gốc hình thành thấu kính nước nhạt tại Nam Định.
• Trịnh Hoài Thu (2015) mô hình hóa các kịch bản khai thác tác động đến xâm nhập mặn tầng Pleistocen tại 4 tỉnh ven biển CTSH.

Vị trí của luận án: Các công trình trong nước trước đây chủ yếu tiếp cận hiện tượng xâm nhập mặn hiện đại dưới góc độ khai thác hoặc sử dụng mô hình dòng thấm đồng nhất về khối lượng riêng. Luận án của Trần Thị Lựu là công trình đầu tiên tại Việt Nam tiếp cận toàn diện vấn đề nước mặn tàn dư trong trầm tích biển Đệ Tứ ở quy mô toàn vùng CTSH, kết hợp đồng bộ các phương pháp địa vật lý hiện đại (TEM, ĐVLLK), thí nghiệm chiết NLR trực tiếp từ lõi khoan nguyên dạng, phân tích khoáng vật sét, thí nghiệm xác định thông số động học thấm/khuếch tán và ứng dụng mô hình SEAWAT mô phỏng dịch chuyển vật chất có mật độ thay đổi qua các thời kỳ địa chất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khái niệm và cơ sở lý thuyết

• Nước lỗ rỗng (porewater): Nước chứa trong các vi lỗ rỗng giữa các hạt trầm tích hạt mịn (sét, sét pha bột cát). Khái niệm này được phân biệt với nước dưới đất (groundwater) vốn dùng để chỉ nước trọng lực chuyển động trong các tầng chứa nước lỗ hổng (Holocen $qh$, Pleistocen $qp$).
• Nước mặn tàn dư (residual saltwater): Phần nước biển cổ còn lưu lại trong lỗ rỗng của trầm tích hình thành trong các thời kỳ biển tiến sau khi đã trải qua quá trình rửa mặn tự nhiên theo thời gian địa chất.
• Lý thuyết dịch chuyển vật chất trong môi trường lỗ rỗng: Bao gồm 3 cơ chế chính:
  1. Dịch chuyển đối lưu (Advection): Vật chất tan di chuyển cùng vận tốc trung bình của dòng thấm dưới tác dụng của gradient thủy lực (tuân theo định luật Darcy).
  2. Khuếch tán phân tử (Diffusion): Sự dịch chuyển vật chất từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp do chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử/ion. Dòng khuếch tán đơn vị $F_x$ qua môi trường trầm tích được mô tả theo định luật thứ nhất của Fick: $$F_x = -\theta D_e \frac{dC}{dx}$$ Trong đó: $\theta$ là độ lỗ hổng trầm tích; $D_e$ là hệ số khuếch tán hữu hiệu ($m^2/s$); $\frac{dC}{dx}$ là gradient nồng độ muối giữa hai điểm. Hệ số khuếch tán hữu hiệu $D_e$ liên hệ với hệ số khuếch tán trong dung dịch tự do $D_0$ qua hệ số uốn khúc $\tau$ theo hệ thức $D_e = \tau D_0$.
  3. Phân dị trọng lực (Density flow / Convection): Chuyển động của khối chất lỏng do sự chênh lệch khối lượng riêng giữa nước mặn có nồng độ muối cao nằm phía trên và nước nhạt nhẹ hơn nằm phía dưới.
• Hệ số Rayleigh ($Ra$): Đại lượng không thứ nguyên dùng để xác định cơ chế rửa mặn ưu thế trong môi trường trầm tích bở rời: $$Ra = \frac{K \cdot \Delta\rho \cdot g \cdot H \cdot z}{\theta \cdot D_e \cdot \rho_0}$$ Trong đó: $K$ là hệ số thấm ($m/s$), $\Delta\rho$ là độ chênh lệch khối lượng riêng giữa nước mặn và nước nhạt ($kg/m^3$), $g$ là gia tốc trọng trường ($m/s^2$), $H$ là bề dày lớp trầm tích ($m$), $z$ là khoảng cách dịch chuyển ($m$), $\rho_0$ là khối lượng riêng của nước ngọt ($kg/m^3$). Giá trị giới hạn $Ra = 40$ là ngưỡng phân chia: khi $Ra \le 40$, quá trình rửa mặn diễn ra chủ yếu theo cơ chế khuếch tán phân tử; khi $Ra > 40$, cơ chế phân dị trọng lực chiếm ưu thế.

Tổ hợp phương pháp nghiên cứu

Hệ phương pháp nghiên cứu được triển khai đồng bộ từ khảo sát thực địa đến thí nghiệm chuyên sâu trong phòng và mô hình hóa:

STT	Phương pháp / Hạng mục	Khối lượng	Đối tượng / Thiết bị / Tiêu chuẩn	Mục đích thực hiện
1	Địa vật lý lỗ khoan (ĐVLLK)	38 lỗ khoan	Mạng quan trắc quốc gia; đo gamma tự nhiên (GR) và độ dẫn điện tầng	Phân tầng địa chất và đánh giá gián tiếp ranh giới mặn nhạt của NLR
2	Đo trường chuyển (TEM)	210 điểm đo	4 tuyến đo trên toàn CTSH; thiết bị đo miền thời gian (xung điện từ)	Dựng mặt cắt điện trở suất theo chiều sâu để phân vùng mặn/lợ/nhạt
3	Khoan địa tầng lấy mẫu nguyên dạng	2 lỗ khoan	LK Q87-VA (55 m) và Q88-VA (57 m) tại Hà Nam; máy khoan XJ 100A, ống nòng inox 3 m	Thu thập mẫu lõi nguyên dạng liên tục tới mái tầng chứa nước Pleistocen
4	Chiết nước lỗ rỗng (Porewater extraction)	40 mẫu	Mật độ 2 m/mẫu; buồng ép áp suất cao từ 2 atm (cát mịn) đến 8 atm (sét cứng)	Tách lấy NLR nguyên chất để đo EC, pH, $\text{HCO}_3^-$, $\text{Fe}^{2+}$ và phân tích hóa học
5	Phân tích thành phần hóa học NLR	40 mẫu	Thực hiện tại Cục Địa chất Đan Mạch (GEUS); ion chính, TDS, $^{18}\text{O}$, $^{2}\text{H}$	Xác định nồng độ muối, loại hình hóa học và nguồn gốc nước biển tàn dư
6	Phân tích TPHH nước dưới đất	10 mẫu	Mẫu NDĐ tầng Pleistocen tại GEUS	Đánh giá đối sánh mức độ nhiễm mặn tầng chứa nước $qp$
7	Phân tích thành phần độ hạt	16 mẫu	Rây sàng (cỡ hạt cát) và tỷ trọng (bột sét) theo chuẩn USGS	Xác định tướng trầm tích và môi trường lắng đọng
8	Phân tích khoáng vật sét (XRD)	8 mẫu	Nhiễu xạ tia X cho mẫu ngẫu nhiên (<250 $\mu m$) và mẫu định hướng (<2 $\mu m$: Glycerol, Mg-khô, K-300°C)	Định danh các khoáng vật Illit (peak 10 Å, 5 Å), Smectit (17/18 Å), Vermiculit (14 Å), Chlorit (14 Å, 7 Å)
9	Thí nghiệm cột thấm xác định $K$	6 mẫu	Thiết bị buồng nén cao áp triaxial, mẫu trụ cao 7 cm, đường kính 3 cm	Xác định hệ số thấm $K$ theo định luật Darcy ($Q = K \cdot A \cdot I$) làm thông số đầu vào mô hình
10	Thí nghiệm khuếch tán phân tử	6 mẫu	Hệ thống 2 bình thủy tinh 600 ml (bình nhận nước deion $\sim 4\text{--}10\ \mu S/cm$, bình cho $\text{NaCl}\ \sim 51.000\ \mu S/cm$)	Quan trắc tăng trưởng EC theo thời gian trong 50 ngày, tính $D_e$ theo định luật Fick I
11	Mô hình số dịch chuyển chất	Tuyến 3 (2D)	Phần mềm SEAWAT mô phỏng dòng thấm có khối lượng riêng thay đổi	Tái hiện quá trình rửa mặn qua 11 nghìn năm và phân tích động học $\text{Cl}^-$

Nguồn tư liệu kế thừa bao gồm các báo cáo đo vẽ bản đồ địa chất, địa chất thủy văn, thăm dò NDĐ tỷ lệ 1:200.000 và 1:50.000, số liệu quan trắc động thái nước quốc gia năm 2011, cùng các công trình nghiên cứu cổ địa lý, trầm tích Đệ Tứ của GS. Trần Nghi, PGS. Doãn Đình Lâm, Tanabe và cộng sự.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về các công trình và các phương pháp nghiên cứu cơ chế rửa mặn nước lỗ rỗng

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về nước mặn tàn dư và phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến xâm nhập mặn cổ. Tác giả chỉ ra các nhóm phương pháp tiếp cận chính trên thế giới bao gồm: thủy địa hóa, địa vật lý, đồng vị môi trường và mô hình số dòng chảy có khối lượng riêng biến đổi. Từ việc tổng hợp những hạn chế của các công trình trong nước (chưa kết hợp đồng thời phương pháp địa vật lý với chiết NLR, chưa xây dựng mô hình dòng thấm có mật độ thay đổi để đánh giá quá trình rửa mặn cổ), tác giả đã đề xuất quy trình nghiên cứu tích hợp từ thu thập số liệu trường chuyển (TEM), địa vật lý lỗ khoan, khoan lấy mẫu nguyên dạng đến thí nghiệm chuyên sâu tại phòng thí nghiệm GEUS (Đan Mạch).

Đồng thời, chương này chuẩn hóa các quy trình kỹ thuật: phương pháp chiết NLR bằng thiết bị nén áp suất cao (2–8 atm) với mật độ 2 m/mẫu; quy trình đo phổ tia gamma tự nhiên (GR) để phân chia ranh giới tầng đất đá dựa trên hàm lượng chất phóng xạ tự nhiên của khoáng vật sét; và thiết kế hệ thiết bị đo khuếch tán 2 buồng độc lập nhằm xác định hệ số khuếch tán hữu hiệu $D_e$ theo định luật thứ nhất của Fick dựa trên biến thiên độ dẫn điện tuyến tính trong 50 ngày.

Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình rửa mặn nước lỗ rỗng

Chương 2 phân tích chi tiết bối cảnh tự nhiên chi phối quá trình rửa mặn tại CTSH:

• Địa hình địa mạo: Vùng đồng bằng tương đối bằng phẳng, thấp dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam, tạo điều kiện cho nước mưa tập trung chảy về trung tâm và thoát ra biển. Rìa đồng bằng và các khối đồi núi sót (như khu vực An Hải - Kiến An) đóng vai trò miền bổ cập nước nhạt hình thành các thấu kính nước ngọt cục bộ.
• Khí hậu và thủy văn: Khí hậu nhiệt đới gió mùa với lượng mưa trung bình năm từ 1.033,1 mm đến 2.338,7 mm (mùa mưa chiếm trên 81,8% tổng lượng mưa), cung cấp nguồn bổ cập quan trọng thúc đẩy quá trình nhạt hóa. Hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình có mạng lưới dày đặc (mật độ 0,7–1 km/km²), quá trình dịch chuyển lòng sông trong quá khứ đã hình thành nên các hồ móng ngựa và làm biến đổi phân bố trầm tích. Vùng cửa sông ven biển chịu ảnh hưởng mạnh của chế độ triều với chiều sâu xâm nhập mặn hiện đại từ 25 km đến 45 km.
• Địa tầng Đệ Tứ: Được phân chia thành 5 hệ tầng chính theo thứ tự từ cổ đến trẻ:
  1. Hệ tầng Lệ Chi ($Q_1^1lc$): Phân bố ở đáy mặt cắt, chiều dày 10–20 m, thành phần cuội, sạn, cát lẫn sét nguồn gốc sông hoặc sông - biển hỗn hợp.
  2. Hệ tầng Hà Nội ($Q_1^{2-3}hn$): Chiều dày 3–5 m ở phần lộ và lên tới 10–80 m ở phần phủ, gồm cuội, sỏi, cát chứa nước rất tốt, tạo thành tầng chứa nước Pleistocen ($qp$) chủ đạo.
  3. Hệ tầng Vĩnh Phúc ($Q_1^3vp$): Phần dưới là cát hạt trung - thô lẫn cuội sỏi (dày 20–25 m); phần trên là sét bột lẫn cát màu xám trắng bị phong hóa loang lổ (dày 10–55 m), đóng vai trò tầng chắn nước.
  4. Hệ tầng Hải Hưng ($Q_2^{1-2}hh$): Chiều dày 20–45 m, gồm sét xám trắng, xám xanh, bùn và than bùn nguồn gốc biển, đầm lầy ven biển hình thành trong thời kỳ biển tiến Flandrian.
  5. Hệ tầng Thái Bình ($Q_2^3tb$): Chiều dày biến đổi, gồm cát, cát pha, sét, bùn nguồn gốc sông, biển và sông - biển hỗn hợp.
• Lịch sử tiến hóa trầm tích và dao động mực nước biển: Trong kỷ Đệ Tứ diễn ra các thời kỳ băng hà (Gun, Mindel, Riss, Wurm 1, Wurm 2) xen kẽ các thời kỳ gian băng và biển tiến. Đợt biển thoái Wurm 2 (80–20 nghìn năm BP) làm mực nước biển hạ thấp từ -68 m xuống -120 m, hình thành 2 thung lũng cắt xẻ (incised valley) lớn ở phía Bắc và phía Nam sông Hồng với độ sâu 25–80 m, dài 70–80 km vào sâu trong lục địa. Quá trình này đã bóc mòn lớp sét bảo vệ tuổi Pleistocen muộn tại lòng thung lũng. Khi biển tiến Flandrian xảy ra (đạt cực đại +3 m vào 6–4 nghìn năm BP), nước biển tràn ngập toàn bộ châu thổ, lấp đầy 2 thung lũng cắt xẻ bằng trầm tích hạt mịn chứa nước biển mặn.

Chương 3: Hiện trạng phân bố mặn nhạt của nước lỗ rỗng trong các trầm tích biển Holocen

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và đo đạc thực địa về hiện trạng phân bố mặn nhạt của NLR:

• Thành phần hóa học NLR tại 2 lỗ khoan nghiên cứu:
  • Tại LK Q88-VA (khu vực nhiễm mặn ở Hà Nam): NLR trong tầng sét biển Holocen có độ dẫn điện EC rất cao (lên tới $14.200\ \mu S/cm$), TDS đạt giá trị mặn và lợ ($> 3\ g/l$ đến $10\ g/l$), loại hình hóa học chủ đạo là $\text{Cl-Na}$. Mức độ khoáng hóa của NLR tăng dần theo chiều sâu.
  • Tại LK Q87-VA (cách Q88-VA khoảng 2 km): NLR trong toàn bộ tầng sét là nước nhạt ($\text{TDS} < 1\ g/l$), loại hình hóa học biến đổi sang $\text{HCO}_3\text{-Na}$ hoặc $\text{HCO}_3\text{-Ca}$, phản ánh quá trình rửa mặn đã diễn ra triệt để do nằm ngoài phạm vi thung lũng cắt xẻ và nhận nguồn cấp nước nhạt.
  • Tác giả xây dựng tương quan thực nghiệm chặt chẽ giữa độ dẫn điện của tầng đo bằng carota với TDS của NLR, cho phép định lượng hóa độ mặn từ tài liệu địa vật lý.
• Kết quả đo địa vật lý lỗ khoan (38 lỗ khoan): Xác lập các khoảng giá trị điện trở suất và độ dẫn điện đặc trưng cho từng loại hình nước:
  • Vùng nước nhạt ($\text{TDS} < 1\ g/l$): Điện trở suất tầng cao, độ dẫn điện nhỏ.
  • Vùng nước lợ ($1 < \text{TDS} \le 3\ g/l$): Nằm trung gian chuyển tiếp.
  • Vùng nước mặn ($\text{TDS} > 3\ g/l$): Độ dẫn điện tầng tăng cao vượt bậc, tương ứng các tập sét biển Holocen còn lưu giữ nước biển tàn dư.
• Kết quả đo trường chuyển (TEM) trên 4 tuyến nghiên cứu:
  • Thiết lập các mặt cắt điện trở suất dọc và ngang qua châu thổ, thể hiện rõ ranh giới các khối nước mặn/lợ/nhạt trong tầng sét biển và các tầng chứa nước bên dưới.
  • Tuyến 2 (Phủ Lý - Hải Dương) cắt qua 2 thung lũng cắt xẻ cho thấy sự tương phản điện trở suất rõ rệt giữa vùng trũng chứa sét mặn và vùng nổi cao Hưng Yên - Văn Lâm có điện trở suất cao hơn.
• Bản đồ phân vùng mặn nhạt NLR Holocen:
  • Vùng nước mặn ($\text{TDS} > 3\ g/l$): Chiếm phần lớn diện tích, phân bố tập trung thành 2 dải dọc theo 2 thung lũng cắt xẻ phía Bắc và phía Nam sông Hồng và toàn bộ dải ven biển CTSH.
  • Vùng nước lợ ($1 < \text{TDS} \le 3\ g/l$): Chiếm diện tích hẹp, phân bố viền quanh vùng nước mặn về phía lục địa.
  • Vùng nước nhạt ($\text{TDS} < 1\ g/l$): Phân bố hạn chế thành khoảnh nhỏ ở khu vực phía nam Hà Nội và rìa Tây Bắc đồng bằng.

Chương 4: Cơ chế rửa mặn của nước lỗ rỗng trong trầm tích biển Holocen

Chương 4 tập trung làm sáng tỏ cơ chế động học của quá trình rửa mặn:

• Tính toán hệ số Rayleigh ($Ra$): Sử dụng các thông số thực nghiệm từ mẫu lõi khoan Q87-VA và Q88-VA (độ lỗ hổng $\theta = 0,45\text{--}0,55$; hệ số khuếch tán $D_e = 1,5\text{--}3,5 \times 10^{-10}\ m^2/s$; hệ số thấm $K$ đo từ cột thấm):
  • Đối với các lớp sét thuần túy, độ thấm rất bé ($K < 10^{-8}\ m/s$), giá trị $Ra$ tính toán dao động từ $1,2$ đến $28,5$ ($Ra \le 40$). Ở điều kiện này, thế phân dị trọng lực không thắng được lực cản ma sát nhớt trong lỗ rỗng vi mô, quá trình thoát muối diễn ra hoàn toàn do khuếch tán phân tử.
  • Đối với các lớp cát mịn pha sét hoặc sét pha cát có độ thấm lớn hơn ($K \ge 10^{-6}\ m/s$), giá trị $Ra$ vượt ngưỡng 40 ($Ra$ từ 85 đến trên 300). Khi đó, gradient mật độ tạo ra các dòng đối lưu tự nhiên hướng xuống (phân dị trọng lực), làm tốc độ rửa mặn diễn ra nhanh hơn nhiều lần so với khuếch tán thuần túy.
• Mô hình hóa số 1 chiều và 2 chiều (SEAWAT):
  • Mô hình 1 chiều: Chứng minh rằng để rửa mặn hoàn toàn một tầng sét biển dày 20–30 m chỉ bằng cơ chế khuếch tán phân tử cần thời gian từ 40.000 đến trên 60.000 năm. Điều này giải thích tại sao tầng sét biển Pleistocen muộn (hình thành $> 80.000$ năm BP) đã bị nhạt hóa hoàn toàn, trong khi tầng sét Holocen (dưới 11.000 năm BP) vẫn còn chứa nước mặn tàn dư.
  • Mô hình 2 chiều trên tuyến nghiên cứu 3 (Hà Nội - Nam Định): Mô phỏng liên tục 11 bước thời gian (từ 11–10 nghìn năm BP đến thời kỳ hiện tại theo từng bước 1.000 năm). Kết quả cho thấy trong giai đoạn biển tiến cực đại (6–4 nghìn năm BP), nồng độ $\text{Cl}^-$ đạt đỉnh trong toàn bộ trầm tích vịnh biển; từ 4 nghìn năm BP đến nay, khi đường bờ biển lùi dần ra vị trí hiện tại, nước mưa bổ cập từ phía lục địa đẩy dần ranh giới nước ngọt về phía Đông Nam, hình thành bức tranh phân dị mặn nhạt như quan trắc hiện nay.

Chương 5: Ảnh hưởng của quá trình rửa mặn của nước lỗ rỗng tới tầng chứa nước Pleistocen

Chương 5 đánh giá mối quan hệ thủy động lực và chất lượng nước giữa tầng sét biển Holocen và tầng chứa nước Pleistocen ($qp$):

• Hiện trạng mặn nhạt NDĐ tầng Pleistocen: Bản đồ phân bố nồng độ chất tan năm 2011 cho thấy NDĐ mặn trong tầng $qp$ phân bố trùng khớp một cách ấn tượng với vị trí của 2 thung lũng cắt xẻ Đệ Tứ.
• Cơ chế tác động:
  • Tại vị trí các thung lũng cắt xẻ, thời kỳ biển thoái Wurm 2 đã bóc mòn hoàn toàn lớp sét cách nước của hệ tầng Vĩnh Phúc ($Q_1^3vp$). Trong thời kỳ biển tiến Flandrian, nước biển tiếp xúc trực tiếp và xâm nhập sâu vào tầng cát sỏi Pleistocen bên dưới.
  • Trong giai đoạn biển thoái sau đó, tầng sét biển Holocen ($Q_2^{1-2}hh$) đóng vai trò như một nguồn cấp muối liên tục (salt source): ion $\text{Cl}^-$ từ nước lỗ rỗng khuếch tán và thẩm thấu chậm theo phương thẳng đứng xuống tầng chứa nước Pleistocen, duy trì tình trạng nhiễm mặn kéo dài cho NDĐ sâu trong lục địa.
• Vai trò bảo vệ của tầng sét biển tuổi Pleistocen muộn:
  • Tại các khu vực nổi cao (như vùng Hưng Yên - Văn Lâm), tầng sét loang lổ hệ tầng Vĩnh Phúc được bảo tồn nguyên vẹn với bề dày lớn và thành phần sét - sét bột đồng nhất.
  • Tầng sét này đóng vai trò bản chắn thủy lực và rào cản khuếch tán, ngăn chặn hiệu quả sự xâm nhập của nước mặn Holocen xuống tầng chứa nước Pleistocen, giúp NDĐ tầng $qp$ tại các khu vực này duy trì được chất lượng nước nhạt.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

1. Làm sáng tỏ một cách có hệ thống ảnh hưởng của chu kỳ biển tiến - biển thoái trong kỷ Đệ Tứ (từ 80 nghìn năm BP đến nay) đến sự hình thành, tồn tại và phân bố của nước mặn tàn dư trong các trầm tích biển Holocen và NDĐ tầng Pleistocen tại Châu thổ Sông Hồng.
2. Xác lập được cơ chế rửa mặn phân hóa theo thành phần thạch học trầm tích:
   • Cơ chế khuếch tán phân tử giữ vai trò chủ đạo trong các tầng sét thuần nhất có hệ số Rayleigh $Ra \le 40$.
   • Cơ chế phân dị trọng lực giữ vai trò quyết định trong các trầm tích cát mịn pha sét hoặc sét pha cát có hệ số Rayleigh $Ra > 40$.
3. Giải thích thành công bản chất nguồn gốc nhiễm mặn của tầng chứa nước Pleistocen ở các vùng nằm sâu trong nội địa (cách biển tới 70 km): đây là kết quả tổng hợp của xâm nhập mặn cổ trong thời kỳ biển tiến Flandrian tại các thung lũng cắt xẻ bị mất tầng chắn sét và quá trình khuếch tán muối liên tục từ nước lỗ rỗng của tầng sét biển Holocen phủ bên trên.

Đóng góp thực tiễn và giải pháp đề xuất

1. Cung cấp cơ sở khoa học tin cậy phục vụ công tác quy hoạch, tìm kiếm thăm dò và khai thác hợp lý nguồn tài nguyên nước dưới đất vùng CTSH, cảnh báo nguy cơ ô nhiễm mặn tầng sâu do hạ thấp mực nước quá mức làm gia tăng tốc độ thấm hút nước mặn từ tầng sét Holocen xuống tầng Pleistocen.
2. Đề xuất phân vùng khai thác dựa trên cấu trúc địa chất: ưu tiên khai thác quy mô lớn tại các vùng nổi cao có tầng sét Pleistocen muộn dày bảo vệ; hạn chế hoặc kiểm soát chặt chẽ lưu lượng khai thác tại các khu vực nằm trong phạm vi 2 thung lũng cắt xẻ để tránh kéo mặn từ nước lỗ rỗng vào công trình thu nước.
3. Bộ số liệu thực nghiệm về hệ số thấm ($K$), hệ số khuếch tán hữu hiệu ($D_e$) và thông số địa vật lý cung cấp nguồn tham số đầu vào chuẩn xác cho các nghiên cứu mô hình hóa tài nguyên nước sau này.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:
  • Do hạn chế về kinh phí và kỹ thuật nén ép áp suất cao, số lượng lỗ khoan lấy mẫu lõi nguyên dạng để chiết nước lỗ rỗng và làm thí nghiệm động học thấm/khuếch tán chi tiết mới tập trung chủ yếu tại 2 lỗ khoan đại diện ở Hà Nam (Q87-VA và Q88-VA).
  • Mô hình số dịch chuyển chất SEAWAT mới được thiết lập dạng mặt cắt 2 chiều dọc theo tuyến nghiên cứu số 3 (Hà Nội - Nam Định), chưa mở rộng thành mô hình 3 chiều toàn diện cho toàn bộ bồn trũng châu thổ.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Mở rộng công tác khoan lấy mẫu nguyên dạng và chiết NLR tại các khu vực thung lũng cắt xẻ phía Bắc (Hải Dương - Hải Phòng) và đới ven biển.
  • Nâng cấp mô hình dòng thấm và chuyển chất có mật độ thay đổi lên mô hình không gian 3 chiều (3D) có tích hợp kịch bản biến đổi khí hậu và khai thác nước dưới đất thực tế.

Giá trị tham khảo

• Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Là tài liệu tham khảo chuyên khảo giá trị trong các chuyên ngành Địa chất học, Địa chất thủy văn, Địa chất công trình, Địa môi trường và Trầm tích học Đệ Tứ; đặc biệt là phương pháp luận kết hợp địa chất trầm tích cổ địa lý với mô hình số thủy vi mô.
• Đối với cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Các Sở Tài nguyên và Môi trường, Trung tâm Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường có thể ứng dụng các bản đồ phân vùng mặn nhạt NLR và ranh giới thung lũng cắt xẻ để xây dựng chiến lược bảo vệ tầng chứa nước và cấp phép khai thác NDĐ bền vững tại Đồng bằng Bắc Bộ.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nước dưới đất tầng Pleistocen ở sâu trong lục địa (như Phủ Lý, Phú Xuyên cách bờ biển 70 km) lại bị nhiễm mặn?

Nhiễm mặn tại đây không phải do xâm nhập mặn hiện đại từ các cửa sông mà do nguyên nhân xâm nhập mặn cổ. Trong thời kỳ biển thoái Wurm 2, quá trình xâm thực sâu đã bóc mòn tầng sét bảo vệ tuổi Pleistocen muộn, tạo thành các thung lũng cắt xẻ. Khi biển tiến Flandrian xảy ra, nước biển tràn sâu vào đất liền theo thung lũng này và xâm nhập trực tiếp vào tầng cát sỏi Pleistocen. Sau đó, trầm tích sét biển Holocen lắng đọng lấp đầy thung lũng tiếp tục đóng vai trò nguồn cấp muối, khuếch tán ion $\text{Cl}^-$ từ nước lỗ rỗng xuống tầng chứa nước bên dưới.

2. Tiêu chí nào phân biệt cơ chế rửa mặn do khuếch tán phân tử và do phân dị trọng lực trong luận án?

Tác giả sử dụng hệ số Rayleigh ($Ra$):

• Khi $Ra \le 40$ (đặc trưng cho các lớp sét mịn thuần túy có $K < 10^{-8}\ m/s$), trở lực ma sát lỗ rỗng chiếm ưu thế, quá trình rửa mặn xảy ra hoàn toàn theo cơ chế khuếch tán phân tử với tốc độ chậm.
• Khi $Ra > 40$ (đặc trưng cho cát pha sét hoặc sét pha cát có $K \ge 10^{-6}\ m/s$), lực nổi do chênh lệch khối lượng riêng thắng lực ma sát nhớt, dòng thấm trọng lực hình thành và quá trình rửa mặn diễn ra theo cơ chế phân dị trọng lực với tốc độ nhanh.

3. Tại sao nước lỗ rỗng trong tầng sét biển Pleistocen muộn đã nhạt hóa hoàn toàn trong khi tầng sét Holocen vẫn còn mặn?

Kết quả mô hình 1 chiều chỉ ra rằng thời gian cần thiết để rửa mặn hoàn toàn một tầng sét biển dày 20–30 m bằng cơ chế khuếch tán phân tử là từ 40.000 đến 60.000 năm. Trầm tích biển Pleistocen muộn có tuổi trên 80.000 năm BP, đã trải qua thời gian rửa mặn rất dài nên đã nhạt hóa hoàn toàn. Ngược lại, trầm tích biển Holocen mới hình thành và bắt đầu rửa mặn dưới 11.000 năm BP, chưa đủ thời gian để quá trình khuếch tán làm sạch hoàn toàn lượng muối tàn dư.

4. Tầng sét phong hóa loang lổ hệ tầng Vĩnh Phúc ($Q_1^3vp$) có vai trò gì trong việc bảo vệ tầng chứa nước Pleistocen?

Tại các khu vực nổi cao cổ (như Hưng Yên - Văn Lâm), tầng sét Vĩnh Phúc không bị bóc mòn bởi thung lũng cắt xẻ, duy trì bề dày lớn và độ thấm rất bé. Tập sét này hoạt động như một tầng chắn thủy lực và rào cản khuếch tán hữu hiệu, ngăn cách hoàn toàn nước mặn từ biển tiến Flandrian và nước lỗ rỗng mặn của tầng Holocen bên trên ngấm xuống tầng chứa nước Pleistocen, giúp bảo tồn thấu kính nước nhạt chất lượng tốt bên dưới.

5. Phương pháp đo trường chuyển (TEM) đóng góp vai trò gì trong việc xác định hiện trạng mặn nhạt của nước lỗ rỗng?

Phương pháp TEM đo điện từ miền thời gian cho phép ghi nhận điện trở suất của các tầng đất đá theo chiều sâu mà không bị ảnh hưởng bởi điện trở suất của lớp mặt. Kết hợp với tài liệu ĐVLLK và phân tích mẫu nước chiết, TEM đã giúp dựng các lát cắt điện trở suất liên tục dọc theo 4 tuyến khảo sát trên toàn châu thổ, từ đó vạch ra chính xác ranh giới không gian 3 chiều của các khối nước mặn, lợ và nhạt trong trầm tích hạt mịn Holocen.

Kết luận

Luận án của NCS. Trần Thị Lựu đã giải quyết một cách khoa học và thuyết phục bài toán nguồn gốc nhiễm mặn cổ và cơ chế rửa mặn của nước lỗ rỗng trong các tướng trầm tích biển Đệ Tứ tại Châu thổ Sông Hồng. Bằng việc kết hợp đồng bộ các phương pháp địa vật lý hiện đại, chiết nước lỗ rỗng lõi khoan, thí nghiệm động học thấm - khuếch tán và mô hình hóa SEAWAT mật độ thay đổi, công trình đã làm sáng tỏ hiện trạng phân bố mặn tàn dư trong tầng sét Holocen và xác lập ranh giới cơ chế rửa mặn qua hệ số Rayleigh ($Ra = 40$). Kết quả nghiên cứu khẳng định sự suy giảm chất lượng nước tầng Pleistocen sâu trong nội địa gắn liền với cấu trúc thung lũng cắt xẻ Đệ Tứ và sự khuếch tán muối từ tầng sét biển phủ bên trên, cung cấp luận cứ khoa học quan trọng cho công tác quản trị và khai thác bền vững tài nguyên nước dưới đất vùng Châu thổ Sông Hồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, kết luận và kiến nghị. Tổng quan về các công trình và các phƣơng pháp nghiên cứu cơ chế rửa mặn nƣớc lỗ rỗng. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình rửa mặn nƣớc lỗ rỗng Chƣơng 3. Hiện trạng phân bố mặn nhạt của nƣớc lỗ rỗng trong trầm tích biển tuổi Holocen.

Cơ chế rửa mặn của nƣớc lỗ rỗng trong trầm tích biển tuổi Holocen. Ảnh hƣởng của quá trình rửa mặn nƣớc lỗ rỗng tới tầng chứa nƣớc Pleistocen. 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ RỬA MẶN NƢỚC LỖ RỖNG Chƣơng 1 trình bày tổng quan về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc có nội dung liên quan đến cơ chế rửa mặn NLR. Từ kết quả nghiên cứu tổng quan, tác giả sẽ rút ra những vấn đề còn tồn tại để từ đó đƣa ra nội dung và hệ phƣơng pháp nghiên cứu phù hợp.

Khái niệm ”nước lỗ rỗng” với thuật ngữ tiếng Anh là porewater đƣợc các nhà khoa học định nghĩa là ” nước chứa trong các lỗ rỗng giữa các hạt trầm tích”. Trong luận án này, khái niệm nƣớc lỗ rỗng đƣợc sử dụng để chỉ nƣớc chứa trong các trầm tích hạt mịn nhƣ sét, sét pha. Thuật ngữ nƣớc lỗ rỗng luôn đƣợc sử dụng kết hợp với các thuật ngữ chỉ thành phần trầm tích tƣơng ứng chứa chúng nhƣ nƣớc lỗ rỗng trong tầng sét, nƣớc lỗ rỗng trong sét pha cát… Trong khi đó, khái niệm ”nước dưới đất” đƣợc đề cập trong luận án này là để chỉ nƣớc chứa trong tầng chứa nƣớc Holocen và Pleistocen. Tổng quan các công trình nghiên cứu Nghiên cứu về XNM nƣớc dƣới đất nói chung và XNM cổ nói riêng đã đƣợc các nhà khoa học khảo sát và nghiên cứu nhiều nơi trên thế giới [40, 41, 44, 48, 47, 52, 55, 58, 59, 62, 68, 70, 81, 82, 83, 97, 98.

Trong giới hạn nội dung nghiên cứu, luận án đi sâu vào nghiên cứu tổng quan các công trình nghiên cứu về nƣớc mặn tàn dƣ nói chung và rửa mặn nƣớc mặn tàn dƣ nói riêng trên thế giới và các công trình nghiên cứu có nội dung liên quan ở Việt Nam. Các công trình nghiên cứu trên thế giới về rửa mặn nƣớc lỗ rỗng Các công trình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến XNM cho thấy rằng, việc khai thác nƣớc ở các khu vực ven biển thƣờng kéo theo nguy cơ XNM cho NDĐ trong các TCN. Bên cạnh đó, cũng có nhiều công trình còn chỉ ra rằng nƣớc mặn tàn dƣ (nƣớc mặn cổ) đƣợc tìm thấy trong các tầng trầm tích biển đƣợc hình thành vào các thời kỳ biển tiến trƣớc đây cũng là nguồn gây nhiễm mặn cho các TCN xung quanh. Nước mặn tàn dư ở đây là phần nước biển còn lại chứa trong các lỗ rỗng sau khi đã trải qua quá trình rửa mặn theo thời gian.

Chính vì vậy, NDĐ ở rất 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] nhiều khu vực sâu trong lục địa vẫn bị nhiễm mặn, các nhà nghiên cứu gọi đó là xâm nhậm mặn cổ (Paleo- saltwater intrusion). Các công trình nghiên cứu tiêu biểu về rửa mặn nƣớc mặn tàn dƣ trên thế giới phải kể đến gồm các công trình nghiên cứu ở Ixaren [37], Hà Lan [47], Úc [84], Ai Cập (Geirnaert & Laeven 1992), Pakistan (Qadir 1998), Suriname [60], Hy Lạp [70], Tây Ba Nha [73], Nhật Bản [62], Ý [43], Hàn Quốc (Lee 2008), Togo [33], Đức (Magri 2009), Trung Quốc [52, 97], Bỉ [34], Châu Âu [55]. Theo tác giả Arie Issar (1981), tốc độ rửa mặn NLR đóng vai trò quan trọng tới phân bố nƣớc mặn tàn dƣ trong các TCN ở Ixraen. Tài liệu phân tích TPHH của NDĐ ở đây minh chứng rằng NDĐ có nguồn gốc tàn dƣ từ nƣớc biển, tuy nhiên quá trình rửa mặn do nƣớc mƣa đã làm nhạt hóa TCN.

Trong công trình này, tác giả kết hợp sử dụng tài liệu hóa học NDĐ, đồng vị bền và nghiên cứu cấu trúc địa chất TCN để minh chứng cho sự có mặt của nƣớc mặn tàn dƣ trong các TCN. Groen & nnk (2000) đã sử dụng phƣơng pháp đồng vị 37Cl và mô hình khuếch tán để chứng minh nguồn gốc XNM của NDĐ ở vùng ven biển Suriname là do các tầng trầm tích chứa nƣớc mặn tàn dƣ. Kết quả cho thấy rằng XNM NDĐ trong các trầm tích Đệ Tam xảy ra không phải là do XNM hiện đại mà là do quá trình rửa mặn từ tầng sét biển tuổi Holocen bên trên và tầng trầm tích tuổi Kreta bên dƣới gây ra. Trong công trình này, các tác giả đã xây dựng mô hình 1 chiều trong khoảng thời gian 6000-4000 năm và 500-10000 năm cho khu vực cách bờ biển tƣơng ứng 20km và 3km - là thời kỳ chịu ảnh hƣởng của biển tiến toàn cầu.

Kết quả mô hình, tài liệu hóa học NDĐ và tài liệu đồng vị clo cho thấy TCN ở giữa chịu ảnh hƣởng của quá trình khuếch tán muối từ cả 2 tầng trầm tích bên trên và bên dƣới. Lambrakis & Kallergis (2001) đã nghiên cứu về quá trình trao đổi ion và thời gian rửa mặn dƣới điều kiện tự nhiên cho 3 TCN khu vực ven biển ở Hy Lạp. Mô hình rửa mặn cho các TCN sử dụng chƣơng trình PHREEQE và PHREEQM có tính đến ảnh hƣởng của quá trình khai thác nƣớc. Kết quả cho thấy rằng tốc độ rửa mặn TCN phụ thuộc vào khả năng trao đổi ion của trầm tích chứa nƣớc và tốc độ khai thác nƣớc.

Khai thác nƣớc làm suy giảm mực nƣớc kéo theo quá trình XNM từ biển vào dẫn đến làm chậm quá trình rửa mặn. 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Hiroshiro & nnk (2006) đã đƣa ra lý giải cho nguồn gốc của nƣớc mặn trong các TCN ở vùng biển Motooka (Nhật Bản) dựa trên kết quả nghiên cứu thủy địa hóa. Số liệu về độ dẫn điện của nƣớc, thế oxy hóa khử, đồng vị bền 2H, 18O, đồng vị phóng xạ 3H và tài liệu định tuổi 14C cho mẫu vỏ sinh vật thu đƣợc ở độ sâu 2m cho thấy rằng tuổi của tầng trầm tích này vào khoảng 2000 năm. Nghiên cứu cho thấy TCN này nằm dƣới mực đáy biển hiện tại và tầng nƣớc mặn ở bên dƣới chƣa pha trộn với tầng nƣớc nhạt bên trên.

Tầng nƣớc mặn bên dƣới này đƣợc xác định là nƣớc mặn tàn dƣ chứ không phải là do quá trình XNM hiện đại gây nên mặc dù NDĐ đƣợc khai thác với lƣu lƣợng rất lớn. Bruno Capaccioni & nnk (2005) đã nghiên cứu cả 2 quá trình XNM hiện đại và quá trình rửa mặn xảy ra cho các TCN ở đồng bằng Catania (Ý). Các kết quả phân tích TPHH của NDĐ cho thấy rằng sự thay đổi MNB địa phƣơng xảy ra trong vài thế kỷ trƣớc đã ảnh hƣởng đến quá trình đạt trạng thái cân bằng của các ion có khả năng trao đổi ion trong cả TCN sâu và nông. Ngoài ra, quá trình rửa mặn đang xảy ra ở TCN sâu cách bờ biển >500m với diện hẹp hơn so với tầng nông bởi khả năng tiếp cận nguồn nƣớc nhạt là thấp hơn so với tầng nông.

Ở tầng nông, loại hình nƣớc biến đổi từ NaCl thành NaHCO3 và hàm lƣợng muối giảm trong khi ở TCN sâu hàm lƣợng muối giảm rất chậm. Tác giả cũng nhấn mạnh vai trò của nguồn nƣớc mƣa đƣợc cấp từ bề mặt có vai trò quan trọng thúc đẩy quá trình rửa mặn xảy ra nhanh hơn. Gossel & nnk (2010) đã sử dụng phƣơng pháp mô hình để nghiên cứu quá trình rửa mặn nƣớc biển cổ chứa trong các tầng trầm tích ở vùng Nubian. Trong công trình này tác giả sử dụng phần mềm FEFLOW để xây dựng mô hình dòng chảy kết hợp dịch chuyển vật chất trong khoảng thời gian 140 nghìn năm.

Trong mô hình dịch chuyển vật chất tác giả có tính đến quá trình phân tán, khuếch tán đồng thời cũng đề cập đến sự khác biệt về khối lƣợng riêng giữa nƣớc mặn và nƣớc nhạt. Beekman & nnk (2011) đã xây dựng mô hình 1 chiều cho mẫu nguyên dạng lấy từ lõi khoan bên dƣới hồ nƣớc ngọt Marken ở Hà Lan. Mô hình mô phỏng quá 19 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] trình dịch chuyển của ion 35Cl- và 37Cl- của NLR chứa trong các tầng trầm tích. Kết quả cho thấy quá trình khuếch tán Cl - từ NLR đã xảy ra trong tầng trầm tích với tốc độ khuếch tán của ion 35Cl- gấp 1,0017 lần so với ion 37Cl-.

Tổng hợp các công trình nghiên cứu cho thấy có thể phân thành các nhóm phƣơng pháp nghiên cứu chủ đạo đƣợc các nhà khoa học sử dụng bao gồm: - Phƣơng pháp địa hóa/thủy địa hóa - Phƣơng pháp đồng vị - Phƣơng pháp địa vật lý - Phƣơng pháp mô hình - Phƣơng pháp cấu trúc địa chất/ĐCTV Rõ ràng, bài toán XNM cho NDĐ nói chung và nƣớc mặn tàn dƣ nói riêng không thể giải quyết bằng một phƣơng pháp đơn lẻ mà phải sử dụng tổ hợp các phƣơng pháp nghiên cứu khác nhau. Các phƣơng pháp đƣợc liệt kê trên đây là tổ hợp phƣơng pháp phù hợp đƣợc sử dụng trong nghiên cứu XNM nói chung và trong nghiên cứu nƣớc mặn tàn dƣ nói riêng. Các công trình nghiên cứu trong nƣớc liên quan Vũ Kim Tuyến (1994) đã sử dụng phƣơng pháp đồng vị nghiên cứu tuổi và nguồn gốc NDĐ trầm tích Đệ Tứ đồng bằng Bắc Bộ. Trong luận án này, tác giả đã sử dụng tài liệu đồng vị bền 18O, 2H kết hợp với đồng vị phóng xạ 3H và số liệu định tuổi 14C để xác định nguồn gốc của NDĐ trong TCN Holocen và Pleistocen và bƣớc đầu đƣa ra nhận định về nguồn gốc của nƣớc mặn trong các trầm tích Đệ Tứ.

Đặng Hữu Ơn (1996) có dự báo khả năng nhiễm mặn đối với NDĐ ở Bà Rịa - Vũng Tàu thông qua việc xác định hệ số rỗng hữu hiệu và dựa trên sơ đồ phễu hạ thấp mực nƣớc khi công trình đƣa vào hoạt động tác giả đã xác định vận tốc dòng thấm trung bình theo hƣớng từ biển vào công trình và từ đó tính thời gian nƣớc mặn xâm nhập vào công trình khai thác. Nguyễn Văn Hoàng (2001) đã xác định lƣu lƣợng thoát nƣớc từ tầng Pleistocen ở vùng đồng bằng Bắc Bộ ra biển bằng việc áp dụng mối tƣơng quan giữa lƣu lƣợng NDĐ thoát ra biển và chiều sâu XNM của nƣớc biển vào TCN. 20 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nguyễn Nhƣ Trung & nnk (2004) đã dự báo XNM nƣớc ngầm ở vùng Hải Phòng bằng việc sử dụng tổ hợp phƣơng pháp mô hình hóa điện trở và ĐCTV. Các kết quả thăm dò điện đã cho phép xây dựng lại bức tranh phân bố độ tổng khoáng hóa của TCN Pleistocen và chỉ ra rằng TCN Pleistocen đang bị suy thoái nghiêm trọng.