Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Tái Tạo Cổ Khí Hậu Bắc Việt Nam Giai Đoạn 3.5-5Ka Bằng Phân Tích δ18O và δ13C Trong Nhũ Đá Hang Nam Sơn, Hòa Bình

• Tác giả: Nguyen Thi Que
• Người hướng dẫn: Dr. Nguyen Thuy Duong
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi
• Chuyên ngành: Climate Change and Development
• Đề tài: Tái Tạo Cổ Khí Hậu Bắc Việt Nam 3.5-5Ka Qua δ18O Và δ13C Trong Nhũ Đá Hang Nam Sơn, Hòa Bình
• Loại tài liệu: master’s thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• PLEDGE
• ACKNOWLEDGMENTS
• 1. CHAPTER 1: The necessity of the research
• 1.1. The research questions and hypotheses
• 1.2. Research objectives and tasks
• 1.3. The scope of the research
• 1.4. Research conceptual framework
• 1.5. Matrix of learning outcomes for the master’s thesis
• 2. MATERIALS AND METHODOLOGY
• 2.1. Background of the methodology
• 2.2. Some principles concept
• 2.3. Hendy Test for evaluating the presence of isotopic equilibrium
• 2.4. Age determination by U-Th method
• 2.5. Determination of δ13C and δ18O composition of carbonates
• 2.6. Determination of δD and δ18O compositions of water
• 2.7. Field and monitoring methods
• 3. RESULTS AND DISCUSSIONS
• 3.1. Test of stable isotope equilibrium
• 3.2. The Age model
• 3.3. δ18O and δ13C values in the NS4 stalagmite
• 3.4. δ18O variation in rainwater and relationship to Precipitation in Northern Vietnam
• 3.5. δ18O and δ13C value in rainwater, drip water and carbonate in Nam Son cave
• 3.6. Paleoclimate change in the duration 3.5-5ka in the northern Vietnam
• 4. CONCLUSION AND RECOMMENDATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS

I. Tái Tạo Cổ Khí Hậu Bắc Việt Nam

Nghiên cứu về tái tạo cổ khí hậu tại Bắc Việt Nam trong khoảng thời gian 3.5-5Ka là một lĩnh vực quan trọng trong khoa học địa chất và khí hậu. Luận văn này sử dụng các chỉ số ổn định δ18O và δ13C từ nhũ đá trong Hang Nam Sơn, tỉnh Hòa Bình để phân tích và hiểu rõ hơn về biến đổi khí hậu trong quá khứ. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp làm rõ các biến động khí hậu mà còn cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu khí hậu hiện tại và tương lai. Theo các tài liệu, khí hậu trong giai đoạn này đã có những thay đổi đáng kể, ảnh hưởng đến môi trường sống và hoạt động của con người. Những kết quả từ nghiên cứu này có thể được áp dụng trong việc lập kế hoạch ứng phó với biến đổi khí hậu hiện nay.

1.1. Ý Nghĩa Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu về tái tạo cổ khí hậu có ý nghĩa quan trọng trong việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến khí hậu hiện tại. Việc phân tích các mẫu nhũ đá từ Hang Nam Sơn cho phép xác định các biến đổi khí hậu trong quá khứ, từ đó có thể dự đoán các xu hướng khí hậu trong tương lai. Các kết quả từ nghiên cứu này không chỉ có giá trị học thuật mà còn có thể được ứng dụng trong các chính sách bảo vệ môi trường và phát triển bền vững tại Việt Nam.

II. Phương Pháp Nghiên Cứu

Luận văn áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại để xác định các giá trị δ18O và δ13C trong nhũ đá. Phương pháp U-Th được sử dụng để xác định tuổi của mẫu nhũ đá, từ đó xây dựng mô hình tuổi cho các biến đổi khí hậu. Việc thu thập dữ liệu từ các trạm khí tượng và phân tích các mẫu nước mưa, nước nhỏ giọt trong hang cũng là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Các phương pháp này giúp đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu. Sự kết hợp giữa các phương pháp phân tích hóa học và địa chất đã tạo ra một cái nhìn toàn diện về biến đổi khí hậu trong giai đoạn 3.5-5Ka.

2.1. Phân Tích Isotope

Phân tích các chỉ số ổn định δ18O và δ13C là một trong những phương pháp chính trong nghiên cứu này. Các chỉ số này cung cấp thông tin về nguồn gốc và quá trình hình thành của nước mưa và nước nhỏ giọt trong hang. Sự thay đổi của các chỉ số này phản ánh các điều kiện khí hậu khác nhau trong quá khứ, từ đó giúp tái tạo lại bức tranh khí hậu của Bắc Việt Nam trong khoảng thời gian 3.5-5Ka. Việc sử dụng các công nghệ phân tích hiện đại như phân tích đồng vị ổn định đã nâng cao độ chính xác của các kết quả nghiên cứu.

III. Kết Quả và Thảo Luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự biến đổi của các giá trị δ18O và δ13C trong nhũ đá NS4 từ Hang Nam Sơn có mối liên hệ chặt chẽ với các biến đổi khí hậu trong giai đoạn 3.5-5Ka. Sự thay đổi này không chỉ phản ánh các điều kiện khí hậu tại địa phương mà còn có thể liên quan đến các sự kiện khí hậu toàn cầu như sự kiện lạnh 4.2Ka. Các kết quả này cung cấp bằng chứng cho thấy rằng nhũ đá có khả năng ghi lại các biến đổi khí hậu quan trọng, từ đó mở ra hướng nghiên cứu mới cho các nhà khoa học trong lĩnh vực khí hậu học.

3.1. Biến Đổi Khí Hậu Trong Giai Đoạn 3.5 5Ka

Nghiên cứu cho thấy rằng trong giai đoạn 3.5-5Ka, khí hậu Bắc Việt Nam đã trải qua nhiều biến đổi đáng kể. Các giá trị δ18O cho thấy sự thay đổi trong lượng mưa và nhiệt độ, trong khi δ13C phản ánh sự thay đổi trong các điều kiện sinh thái. Những biến đổi này có thể đã ảnh hưởng đến sự phát triển của các nền văn minh cổ đại tại khu vực này. Việc hiểu rõ các biến đổi khí hậu trong quá khứ sẽ giúp các nhà nghiên cứu có cái nhìn sâu sắc hơn về các xu hướng khí hậu hiện tại và tương lai.

IV. Kết Luận và Đề Xuất

Luận văn đã chỉ ra rằng việc nghiên cứu tái tạo cổ khí hậu thông qua phân tích nhũ đá là một phương pháp hiệu quả để hiểu rõ hơn về biến đổi khí hậu trong quá khứ. Các kết quả từ nghiên cứu này không chỉ có giá trị trong lĩnh vực khoa học mà còn có thể được áp dụng trong các chính sách phát triển bền vững và bảo vệ môi trường. Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo là mở rộng phạm vi nghiên cứu sang các khu vực khác và áp dụng các phương pháp phân tích mới để có cái nhìn toàn diện hơn về biến đổi khí hậu tại Việt Nam.

4.1. Đề Xuất Nghiên Cứu Tương Lai

Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc mở rộng phạm vi nghiên cứu sang các khu vực khác của Việt Nam, nơi có thể có những biến đổi khí hậu khác nhau. Việc áp dụng các công nghệ phân tích hiện đại hơn sẽ giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu. Hơn nữa, việc kết hợp giữa các phương pháp nghiên cứu khác nhau sẽ tạo ra cái nhìn toàn diện hơn về biến đổi khí hậu trong quá khứ và hiện tại.

Tổng quan nghiên cứu

Paleoclimatology, nghiên cứu về biến đổi khí hậu trong quá khứ, đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ các biến động khí hậu hiện tại và dự báo tương lai. Theo số liệu của NOAA, nồng độ CO2 trung bình toàn cầu đã đạt 417.81 ppm vào tháng 2 năm 2022, mức cao nhất trong lịch sử nhân loại, làm tăng tính cấp thiết của các nghiên cứu về biến đổi khí hậu. Việt Nam, nằm trong khu vực bán đảo Đông Dương, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của biến đổi khí hậu, đặc biệt là các biến động của gió mùa châu Á. Tuy nhiên, các nghiên cứu paleoclimate tại Việt Nam còn hạn chế, đặc biệt ở khu vực tỉnh Hòa Bình, nơi có điều kiện khí hậu và tác động gió mùa khác biệt so với các vùng lân cận.

Luận văn tập trung nghiên cứu tái tạo khí hậu cổ đại tại miền Bắc Việt Nam trong khoảng thời gian 3.5-5 nghìn năm trước (ka BP) thông qua phân tích tỉ lệ đồng vị ổn định δ18O và δ13C trong mẫu stalagmite NS4 lấy từ hang Nam Sơn, tỉnh Hòa Bình. Mục tiêu chính là đánh giá khả năng ghi nhận sự kiện làm lạnh toàn cầu 4.2 ka BP, xác định yếu tố ảnh hưởng chính đến biến đổi δ18O, và tái tạo biến đổi khí hậu khu vực trong giai đoạn này. Nghiên cứu có phạm vi thời gian từ 3.5 đến 5 ka BP, địa điểm nghiên cứu là hang Nam Sơn, tỉnh Hòa Bình, miền Bắc Việt Nam. Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ ảnh hưởng của gió mùa châu Á đến biến đổi khí hậu khu vực, đồng thời cung cấp dữ liệu tham khảo quan trọng cho các nghiên cứu paleoclimate tại Việt Nam và khu vực Đông Nam Á.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: (1) Lý thuyết về sự hình thành stalagmite và quá trình phân tích đồng vị ổn định δ18O và δ13C trong trầm tích carbonate, (2) Mô hình phân tích mối quan hệ giữa biến đổi khí hậu và các chỉ số đồng vị ổn định trong speleothems. Các khái niệm chính bao gồm:

• Đồng vị ổn định δ18O và δ13C: δ18O phản ánh biến đổi lượng mưa và nhiệt độ, trong khi δ13C liên quan đến hoạt động sinh học và mật độ thảm thực vật.
• Phân tích U-Th: phương pháp xác định tuổi chính xác của stalagmite dựa trên tỉ lệ phóng xạ của Uranium và Thorium.
• Hiệu ứng phân đoạn đồng vị (Isotopic fractionation): sự khác biệt tỉ lệ đồng vị do các quá trình vật lý và hóa học, ảnh hưởng đến giá trị δ18O và δ13C.
• Kiểm định Hendy: đánh giá điều kiện cân bằng đồng vị trong quá trình hình thành stalagmite để đảm bảo tính hợp lệ của dữ liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm 248 mẫu con trích từ stalagmite NS4 và 23 mẫu dùng cho phân tích tuổi U-Th. Mẫu stalagmite dài 269 mm được thu thập tại buồng thứ ba của hang Nam Sơn. Dữ liệu khí hậu hiện đại gồm lượng mưa, nhiệt độ, áp suất hơi nước được thu thập từ trạm khí tượng Mai Châu và dữ liệu đồng vị ổn định trong nước mưa từ hệ thống GNIP tại Hà Nội và Sơn La giai đoạn 2004-2018. Phân tích đồng vị δ18O và δ13C được thực hiện bằng máy khối phổ tỉ lệ đồng vị (IRMS) tại Viện Nghiên cứu Địa chất và Địa hóa, Budapest, Hungary.

Phương pháp phân tích bao gồm mô hình hóa tuổi bằng phần mềm StalAge dựa trên dữ liệu U-Th, phân tích thống kê với phần mềm R để xác định mối tương quan giữa δ18O và các yếu tố khí hậu như lượng mưa, nhiệt độ, áp suất hơi nước. Ngoài ra, nghiên cứu còn tiến hành giám sát hiện trường về lượng nước nhỏ giọt, thành phần đồng vị trong nước nhỏ giọt và carbonate mới kết tủa trong hang từ tháng 3 đến tháng 5 năm 2022 nhằm kiểm chứng mối liên hệ giữa nước mưa và stalagmite.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Điều kiện hình thành stalagmite NS4: Nhiệt độ và độ ẩm trong hang ổn định quanh 19.8°C và 99.9% RH, đảm bảo điều kiện cân bằng đồng vị. Nồng độ CO2 trong hang dao động từ 412 đến 1,200 ppm, chủ yếu từ nguồn tự nhiên. Kết quả kiểm định Hendy cho thấy stalagmite NS4 hình thành trong điều kiện cân bằng đồng vị, phù hợp cho nghiên cứu paleoclimate.

2. Mô hình tuổi U-Th: Dựa trên 23 mẫu phân tích, tốc độ phát triển stalagmite giai đoạn 5,100-4,500 BP là khoảng 0.375 mm/năm, giảm mạnh còn 0.065 mm/năm trong giai đoạn 4,500-4,000 BP. Có một khoảng gián đoạn (hiatus) tại 4.1 ka BP, có thể phản ánh điều kiện khí hậu khô hạn hoặc lượng nước nhỏ giọt giảm mạnh.

3. Biến đổi δ18O và δ13C trong stalagmite: Giá trị δ18O dao động từ -11.5‰ đến -7.45‰ VPDB với xu hướng tăng chung, phản ánh sự thay đổi lượng mưa và nhiệt độ. Giá trị δ13C dao động từ -12‰ đến -8‰ VPDB, có xu hướng tăng nhẹ, liên quan đến mật độ thảm thực vật và hoạt động sinh học. Mối tương quan giữa δ18O và δ13C là 0.45, cho thấy sự phản ứng không đồng bộ giữa lượng mưa và sinh trưởng thực vật.

4. Mối quan hệ giữa δ18O và lượng mưa: Phân tích dữ liệu tại trạm Hà Nội cho thấy δ18O trong nước mưa giảm khoảng 2.1‰ khi lượng mưa tăng thêm 100 mm, với hệ số tương quan -0.88 (p < 0.01). Nhiệt độ có ảnh hưởng yếu hơn (giảm 0.5‰/°C). Điều này khẳng định δ18O trong stalagmite chủ yếu phản ánh biến đổi lượng mưa do gió mùa.

Thảo luận kết quả

Khoảng gián đoạn trong sự phát triển stalagmite tại 4.1 ka BP trùng với sự kiện làm lạnh 4.2 ka BP toàn cầu, được ghi nhận ở nhiều khu vực khác nhau. Hiện tượng này có thể do giảm lượng mưa hoặc thay đổi cường độ gió mùa, dẫn đến ngừng kết tủa carbonate. So sánh với các nghiên cứu trong khu vực Đông Á, kết quả tại hang Nam Sơn phù hợp với giả thuyết về điều kiện khô hạn trong giai đoạn này, tương tự các nghiên cứu tại Trung Quốc và Đông Nam Á.

Biến đổi δ18O và δ13C trong stalagmite NS4 phản ánh rõ sự thay đổi khí hậu khu vực, đặc biệt là sự biến động của gió mùa châu Á. Mối tương quan mạnh giữa δ18O và lượng mưa cho thấy stalagmite là chỉ số proxy tin cậy để tái tạo lượng mưa và cường độ gió mùa trong quá khứ. Dữ liệu giám sát hiện trường về nước nhỏ giọt và carbonate mới kết tủa cũng hỗ trợ cho việc giải thích các biến đổi đồng vị ổn định.

Dữ liệu này có thể được trình bày qua biểu đồ biến đổi δ18O và δ13C theo thời gian, biểu đồ tốc độ phát triển stalagmite, và bảng thống kê mối tương quan giữa δ18O và các yếu tố khí hậu, giúp minh họa rõ ràng các phát hiện chính.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường giám sát đồng vị ổn định trong nước mưa và nước nhỏ giọt tại các hang động khác ở miền Bắc Việt Nam nhằm mở rộng dữ liệu và kiểm chứng tính đại diện của stalagmite NS4. Thời gian thực hiện: 3-5 năm. Chủ thể: các viện nghiên cứu địa chất và khí hậu.

2. Phát triển hệ thống mô hình khí hậu khu vực dựa trên dữ liệu stalagmite để dự báo biến đổi khí hậu và tác động đến nguồn nước, nông nghiệp. Thời gian: 2-3 năm. Chủ thể: các trung tâm nghiên cứu khí hậu và môi trường.

3. Xây dựng cơ sở dữ liệu quốc gia về paleoclimate tích hợp các chỉ số proxy từ speleothems, trầm tích hồ, vòng cây nhằm phục vụ nghiên cứu và quản lý tài nguyên thiên nhiên. Thời gian: 5 năm. Chủ thể: Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp với các trường đại học.

4. Tăng cường đào tạo và hợp tác quốc tế trong lĩnh vực nghiên cứu speleothem và paleoclimate để nâng cao năng lực kỹ thuật và phương pháp luận. Thời gian: liên tục. Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu khí hậu và môi trường: Sử dụng dữ liệu và phương pháp luận để phát triển các nghiên cứu về biến đổi khí hậu khu vực và toàn cầu.

2. Chuyên gia địa chất và địa hóa: Áp dụng kỹ thuật phân tích đồng vị ổn định và phương pháp U-Th trong nghiên cứu trầm tích và khoáng vật.

3. Nhà hoạch định chính sách và quản lý tài nguyên: Tham khảo các kết quả tái tạo khí hậu cổ đại để xây dựng chiến lược ứng phó biến đổi khí hậu và quản lý nguồn nước.

4. Giảng viên và sinh viên ngành khoa học trái đất, khí hậu: Là tài liệu tham khảo học thuật, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật phân tích và ứng dụng speleothem trong nghiên cứu khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao stalagmite được sử dụng làm chỉ số proxy trong nghiên cứu paleoclimate?
   Stalagmite hình thành từ carbonate trong hang động, có khả năng lưu giữ thông tin đồng vị ổn định δ18O và δ13C phản ánh biến đổi khí hậu và môi trường trong quá khứ với độ chính xác cao nhờ phương pháp định tuổi U-Th.

2. Gián đoạn trong sự phát triển stalagmite có ý nghĩa gì?
   Gián đoạn (hiatus) thường phản ánh sự thay đổi điều kiện môi trường như giảm lượng nước nhỏ giọt hoặc thay đổi khí hậu khô hạn, giúp xác định các sự kiện khí hậu quan trọng như sự kiện làm lạnh 4.2 ka BP.

3. Mối quan hệ giữa δ18O và lượng mưa như thế nào?
   Giá trị δ18O trong nước mưa giảm khi lượng mưa tăng do hiệu ứng pha loãng và thay đổi nguồn nước, điều này được thể hiện rõ qua hệ số tương quan âm mạnh (-0.88) trong dữ liệu tại Hà Nội.

4. Phương pháp U-Th có ưu điểm gì so với các phương pháp định tuổi khác?
   Phương pháp U-Th cho phép xác định tuổi chính xác trong khoảng thời gian lên đến 500 nghìn năm với sai số nhỏ, phù hợp cho các mẫu carbonate như stalagmite, vượt trội so với phương pháp C14 chỉ hiệu quả đến khoảng 40 nghìn năm.

5. Tại sao cần giám sát đồng vị ổn định trong nước mưa và nước nhỏ giọt hiện đại?
   Giám sát hiện đại giúp hiểu rõ mối liên hệ giữa biến đổi khí hậu và giá trị đồng vị, kiểm chứng tính đại diện của stalagmite trong việc ghi nhận biến đổi khí hậu, từ đó nâng cao độ tin cậy của các kết quả tái tạo paleoclimate.

Kết luận

• Stalagmite NS4 từ hang Nam Sơn hình thành trong điều kiện cân bằng đồng vị ổn định, phù hợp cho nghiên cứu paleoclimate.
• Mô hình tuổi U-Th cho thấy tốc độ phát triển stalagmite biến đổi rõ rệt, với gián đoạn tại khoảng 4.1 ka BP phản ánh sự kiện khí hậu khô hạn.
• Biến đổi δ18O và δ13C trong stalagmite phản ánh sự thay đổi lượng mưa và mật độ thảm thực vật, tương ứng với biến đổi khí hậu khu vực và sự kiện làm lạnh 4.2 ka BP.
• Mối tương quan mạnh giữa δ18O và lượng mưa khẳng định vai trò của gió mùa châu Á trong điều kiện khí hậu miền Bắc Việt Nam.
• Nghiên cứu cung cấp dữ liệu tham khảo quan trọng cho các nghiên cứu khí hậu cổ đại và ứng dụng trong dự báo biến đổi khí hậu tương lai.

Tiếp theo, cần mở rộng giám sát đồng vị ổn định hiện đại và phát triển mô hình khí hậu khu vực dựa trên dữ liệu stalagmite. Mời các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực khí hậu, địa chất, và quản lý tài nguyên tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiểu biết và khả năng ứng phó với biến đổi khí hậu.