Luận án: Tiềm năng địa nhiệt Hưng Hà - Quỳnh Phụ và đặc điểm địa chất

Đánh giá tiềm năng tài nguyên năng lượng địa nhiệt khu vực Hưng Hà - Quỳnh Phụ. Phân tích mối liên quan với đặc điểm địa chất, kiến tạo và trữ lượng.

• Tác giả: Trần Trọng Thắng
• Người hướng dẫn: TS Đặng Mai
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Địa chất học
• Đề tài: Tiềm năng năng lượng nguồn tài nguyên địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ trong mối liên quan với các đặc điểm địa chất, kiến tạo khu vực
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Địa chất và Kiến tạo khu vực Hưng Hà Quỳnh Phụ

Khu vực Hưng Hà - Quỳnh Phụ nằm trong bồn trũng Sông Hồng, một trong những khu vực có tiềm năng năng lượng địa nhiệt lớn nhất Việt Nam. Đặc điểm địa chất của vùng này được hình thành qua nhiều giai đoạn kiến tạo phức tạp, với sự tham gia của các đứt gãy lớn như đứt gãy Ailao Shan - Sông Hồng. Các trầm tích Pleistocen và Neogen tạo thành các tầng chứa nước quan trọng, là nơi tích trữ tài nguyên địa nhiệt phong phú. Bối cảnh kiến tạo này tạo điều kiện thuận lợi cho dòng chảy nước nóng lên từ sâu dưới lòng đất, mang theo nhiệt lượng lớn để ứng dụng.

1.1. Cấu trúc địa chất bồn trũng Sông Hồng

Bồn trũng Sông Hồng được tạo thành bởi các tầng trầm tích Neogen và Quaternary có độ dày đáng kể. Các đứt gãy địa chất chính tạo các kênh thẩm thấu cho nước nóng lưu thông. Cấu trúc này cho phép nước từ tầng sâu di chuyển lên phía trên, mang theo năng lượng nhiệt từ các tầng ấm dưới lòng đất.

1.2. Kiến tạo và hoạt động địa chất hiện tại

Hoạt động kiến tạo tiếp tục ảnh hưởng đến khu vực, duy trì các kênh thoát nước nóng. Các đứt gãy chính còn hoạt động, tạo điều kiện cho dòng chảy địa nhiệt ổn định. Điều này là nền tảng cho việc khai thác tiềm năng năng lượng địa nhiệt bền vững.

II. Tiềm năng Năng lượng Địa nhiệt Hưng Hà Quỳnh Phụ

Năng lượng địa nhiệt tại Hưng Hà - Quỳnh Phụ có tiềm năng phát triển cao với nhiệt độ nước nóng đạt từ 50-80°C. Lượng nước nóng dồi dào được lưu trữ trong các tầng chứa nước Pleistocen, cung cấp nguồn năng lượng ổn định và bền vững. Nghiên cứu của Tiến sĩ Trần Trọng Thắng cho thấy khối lượng nước nóng dự trữ đạt hàng triệu mét khối. Tiềm năng năng lượng này có thể được khai thác cho mục đích sưởi ấm, nước nóng sinh hoạt, và phát điện từ địa nhiệt. Tính toán chỉ ra công suất phát điện tiềm năng lên đến hàng megawatt, mở ra cơ hội phát triển năng lượng tái tạo cho vùng.

2.1. Ước tính tài nguyên và phương pháp đánh giá

Việc ước tính tài nguyên địa nhiệt sử dụng phương pháp tính toán khối lượng nước nóng và năng lượng tích trữ. Dữ liệu từ các bồn nước nóng và giếng khoan được phân tích để xác định gradient địa nhiệt. Phương pháp địa hóa dung dịch nhiệt giúp xác định nguồn gốc và chất lượng nước nóng.

2.2. Năng lượng nhiệt tích trữ và khai thác

Năng lượng nhiệt tích trữ trong các tầng chứa nước được tính toán dựa trên nhiệt độ, khối lượng nước và công suất thoát nước. Mô hình dự báo cho thấy khả năng khai thác bền vững trong dài hạn. Sử dụng trực tiếp cho sưởi ấm và các ứng dụng công nghiệp là lựa chọn kinh tế nhất.

III. Nguồn Gốc và Đặc điểm Dung dịch Nhiệt

Dung dịch nhiệt tại Hưng Hà - Quỳnh Phụ có nguồn gốc từ nước mưa thấm sâu vào lòng đất, được nung nóng bởi gradient địa nhiệt tự nhiên. Phân tích địa hóa cho thấy nước có nồng độ khoáng chất thấp, pH nhẹ axit, phù hợp cho sử dụng. Nhiệt sinh ra do phóng xạ tự nhiên từ các chất phóng xạ trong đá (uranium, thorium, kali) cũng đóng góp vào tiềm năng năng lượng địa nhiệt. Thời gian lưu trữ nước dài, cho phép tối đa hóa hấp thụ nhiệt từ đá chứa. Đặc điểm này tạo nên nguồn năng lượng ổn định, sạch sẽ và bền vững cho khu vực.

3.1. Thành phần hóa học và khoáng chất

Nước nóng địa nhiệt chứa khoáng chất hữu ích như silicon, lithium, và các nguyên tố hiếm. Nồng độ muối thấp làm giảm tính ăn mòn, thuận lợi cho khai thác. Phân tích mẫu nước cho thấy tính chất ổn định qua thời gian, đảm bảo chất lượng tài nguyên địa nhiệt.

3.2. Nguồn gốc nhiệt và độ sâu tuần hoàn

Nhiệt chính đến từ gradient địa nhiệt bình thường (25-30°C/km) kết hợp với phóng xạ tự nhiên trong đá. Nước lưu thông qua các đứt gãy đạt độ sâu 1000-2000m trước khi quay lên. Thời gian tuần hoàn dài giúp năng lượng địa nhiệt được tích tụ hiệu quả.

IV. Ứng dụng và Phát triển Bền vững

Khu vực Hưng Hà - Quỳnh Phụ có tiềm năng phát triển các dự án năng lượng địa nhiệt quy mô lớn. Ứng dụng trực tiếp bao gồm sưởi ấm, nước nóng sinh hoạt, công nghiệp dệt nhuộm và nuôi trồng thủy sản. Phát điện từ địa nhiệt cũng là lựa chọn khả thi với công suất dự kiến hàng megawatt. Sử dụng tài nguyên địa nhiệt không gây ô nhiễm khí thải, không cần nhiên liệu ngoài, giảm chi phí vận hành. Tuy nhiên, cần quản lý khai thác bền vững để bảo vệ tài nguyên dài hạn. Các nghiên cứu chi tiết về mô hình dự báo hệ địa nhiệt giúp xác định mức độ khai thác an toàn. Phát triển công nghệ và đầu tư cơ sở hạ tầng là yếu tố then chốt cho thành công.

4.1. Các mục đích sử dụng trực tiếp

Sử dụng trực tiếp năng lượng địa nhiệt có hiệu suất cao (50-70%) với chi phí thấp. Ứng dụng tại nhà máy xử lý nước, sấy sản phẩm nông sản, sưởi ấm nhà kính mang lợi ích kinh tế cao. Khu vực Hưng Hà với điều kiện tiềm năng năng lượng địa nhiệt tốt phù hợp phát triển các dự án này.

4.2. Phát triển bền vững và quản lý tài nguyên

Khai thác bền vững tài nguyên địa nhiệt đòi hỏi giám sát nhiệt độ, lưu lượng và thành phần nước định kỳ. Mô hình dự báo giúp dự đoán sự suy giảm năng suất, cho phép điều chỉnh mức khai thác. Phát triển công nghệ tiết kiệm năng lượng và xử lý nước thải đảm bảo tiềm năng năng lượng địa nhiệt được bảo tồn cho tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU, CƠ SỞ TÀI LIỆN, CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Lịch sử nghiên cứu địa nhiệt và vấn đề đặt ra tại khu vực nghiên cứu Trong quá trình tìm kiếm nước dưới đất và tìm kiếm dầu khí từ khoảng 40 năm trước, nghiên cứu nước khoáng - nóng ở khu vực Hưng Hà – Quỳnh Phụ, Thái Bình lần đầu tiên được đề cập đến qua các công trình khoan, theo các công trình này nước khoáng xuất hiện ở độ sâu 50 - 300m. Tiếp đến là các công trình Điều tra nghiên cứu ô nhiễm nước dưới đất vùng đồng bằng Bắc Bộ (Đỗ Trọng Sự, 2000), Danh bạ nước khoáng nóng toàn quốc (Võ Công Nghiệp, 1998) và Đánh giá tiềm năng địa nhiệt vùng Đông bắc Bắc Bộ (Cao Duy Giang, 2013). Trong các nghiên cứu này, các tác giả đã chỉ ra nguồn nước khoáng nóng thuộc tầng chứa nước Pleistocen ở vùng Hưng Hà – Quỳnh Phụ cũng như đã có đánh giá sơ bộ về tiềm năng địa nhiệt của nguồn địa nhiệt này.

Tiếp là các nghiên cứu của các nhà khoa học địa vật lý về các dị thường địa nhiệt của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam như Đoàn Văn Tuyến và Đinh Văn Toàn (2010 và 2011). Trong nghiên cứu này đã chỉ ra tính phân đới theo diện bề mặt của trường địa nhiệt trong khu vực nghiên cứu. Đây là cơ sở quan trọng trong yếu tố đầu vào của tính toán tiềm năng năng lượng địa nhiệt. Năm 1997, Cục địa chất Nhật Bản đã xuất bản Bản đồ dòng nhiệt khu vực Đông Á và Đông Nam Á trong Chương trình nghiên cứu của CCOP của nhiều tác giả trong đó có các tác giả Việt Nam như Trần Văn Huyên và Đỗ Văn Đạo, đã chỉ ra rằng chế độ nhiệt ở bồn trũng Sông Hồng là cao nhất trong 4 bồn trũng ở Việt Nam (GSJ, 1997).

15 Các hoạt động thực tiễn do nhu cầu phát triển kinh tế xã hội cũng đặt ra cơ sở và đòi hỏi thực tiễn cho việc tổ chức khai thác các nguồn địa nhiệt trong khu vực mà các nghiên cứu chưa đề cập cụ thể để định hướng khai thác. Đồng thời cũng chưa chỉ ra nguồn gốc và mô hình hình thành bồn địa nhiệt cũng như chưa tính toán dự báo báo được tiềm năng năng lượng của nguồn nhiệt. Đây chính là vấn đề cần nghiên cứu của Luận án này. Cách tiếp cận của luận án Đối với mô hình dự báo hay mô hình khái niệm (Conceptual model): Luận án sử dụng các mô hình lý thuyết và thực tiễn từ các công trình nghiên cứu trên thế giới định hướng cho việc tổ chức nghiên cứu để xác định các thông số cụ thể, thực tế tại khu vực nghiên cứu Hưng Hà - Quỳnh Phụ làm cơ sở cho luận giải đặc điểm, nguồn gốc và xây dựng mô hình khái niệm cho nguồn địa nhiệt này., 2009, các thông tin và dữ liệu đa dạng về các hệ địa nhiệt ngày càng được thống nhất thông qua việc phát triển các mô hình dự báo (Conceptual Model) của các hệ thống tương ứng.

Chúng đóng một vai trò quan trọng trong tất cả các giai đoạn của thăm dò và phát triển địa nhiệt chẳng hạn như: bằng cách cung cấp một bức tranh thống nhất về cấu trúc và tính chất của hệ thống được đề cập. Các mô hình dự báo là các mô hình mô tả định tính, không được sử dụng để tính toán. Các thông tin này chủ yếu dựa vào thông tin địa chất như các bản đồ địa chất trên bề mặt, các phân tích dữ liệu dưới bề mặt, dữ liệu viễn thám, kết quả khảo sát địa vật lý, thông tin về hóa học và đồng vị của nước địa nhiệt hiện xuất lộ trên bề mặt và ở các giếng khoan, các điều kiện áp suất dựa trên phân tích các dữ liệu giếng khoan, cũng như các thông tin về bồn chứa khác. Để ước tính tiềm năng địa nhiệt của một khu vực cần tiếp cận mô hình dự báo toàn diện của hệ địa nhiệt gồm các thông tin như sau: - Kích thước của một hệ địa nhiệt, cụ thể là thông tin về phạm vi trên bề 16 mặt, độ dày và độ sâu cũng như các ranh giới bên ngoài (theo chiều thẳng đứng).

- Đặc điểm của (các) nguồn nhiệt cho một hệ thống. - Thông tin về vị trí và độ bền của vùng nước nóng chảy lên/cung cấp, kể cả nguồn gốc của nước nóng. - Vị trí và quy mô của các nguồn cấp nước lạnh. - Mô hình dòng chảy khái quát trong hệ địa nhiệt, cả ở trạng thái tự nhiên và những thay đổi do ảnh hưởng của hoạt động kiến tạo.

- Các điều kiện nhiệt độ và áp suất trong một hệ địa nhiệt (tức là các điều kiện nhiệt động ban đầu thông qua các mô hình nhiệt độ và mô hình áp suất). - Vị trí của vùng hai pha (pha hơi và pha lỏng), cũng như các vùng mà chủ yếu là hơi. - Cấu trúc đường dẫn nước chính (đứt gãy, đới phá hủy, đới nằm ngang v. - Vị trí của ranh giới nội bộ (dọc và/hoặc ngang) như là các lớp chắn đối với dòng chảy.

- Lớp đá mái của hệ địa nhiệt (ranh giới ngang). - Phân chia hệ thống thành các hệ thống con, hoặc các bồn chứa riêng, nếu có. Không phải tất cả các mô hình dự báo địa nhiệt đều kết hợp tất cả các yếu tố trên, trên thực tế chỉ có một số ít được như vậy. Vậy làm thế nào để mô hình dự báo gần đúng là phụ thuộc vào thực trạng sự phát triển của hệ thống đang được nói đến.

Ở giai đoạn đầu, với kiến thức còn hạn chế và chỉ có thông tin về một vài trong số các yếu tố trên là có sẵn một cách tự nhiên. Khi tiếp tục phát triển kiến thức về các yếu tố nói trên tăng; đầu tiên là khoan sâu đã được thực hiện và sau đó khi việc sử dụng quy mô lớn đã được tiến hành trong một thời gian, với sự giám sát liên quan. Chỉ sau khi có thông tin khá toàn diện về các yếu tố được liệt kê mô hình mới dần được định hình. 17 Các mô hình dự báo của các hệ địa nhiệt là sự thể hiện về mặt không gian các đặc điểm vật lý của hệ thống, mà theo truyền thống được trình bày trong mặt cắt không gian 2D.

Sự phát triển các công cụ mô hình hóa dần dần đã tạo điều kiện cho việc tích hợp các tài liệu địa chất, địa vật lý và địa hóa cũng như là được xem dưới mô hình 3D và sự luận giải về mô hình. Các công cụ này có thể làm cho mô hình dự báo tiệm cận thực tế hơn vì chúng cho phép cập nhật dữ liệu liên tục và đầy đủ. Ba hợp phần địa chất để hình thành một hệ địa nhiệt là: nước, nhiệt và độ thẩm thấu nước của đất đá hay các khe nứt, đứt gãy, đới dập vỡ để cho nước có thể chảy và chảy lên đến gần bề mặt hay lên bề mặt đất (Henry P. Dickson, 2003 với mô hình một hệ địa nhiệt lý tưởng trong bồn trầm tích được trình bày ở hình 1.1 cũng là mô hình thể hiện một số khái niệm quan trọng trong lĩnh vực địa nhiệt.

Những thuật ngữ này đã được định nghĩa rõ nhất ở một Báo cáo Kỹ thuật về Kế hoạch và Cung cấp Tài chính cho Phát điện Địa nhiệt của Ngân hàng Thế giới (WB, 2012) như sau: Hệ địa nhiệt: Là nói đến tất cả các bộ phận của hệ thống thủy văn liên quan, bao gồm cả vùng cung cấp nước, tất cả các bộ phận dưới bề mặt và dòng nước chảy ra từ hệ địa nhiệt. Bồn địa nhiệt: là phần nóng và thấm nước của hệ địa nhiệt mà có thể khai thác trực tiếp được. Để có một bồn địa nhiệt có thể khai thác được, cần phải có đủ nhiệt tự nhiên để chuyển thành áp suất và mang hơi nước và/hoặc nước lên bề mặt. Trường địa nhiệt: là một định nghĩa địa lý, thường chỉ một khu vực có các hoạt động địa nhiệt trên bề mặt Trái đất.

Trong trường hợp không có hoạt động trên bề mặt, thuật ngữ này có thể được sử dụng để chỉ khu vực trên bề mặt tương ứng với bồn chứa địa nhiệt ở bên dưới. 18 Đối với tiềm năng năng lượng: Tính tiềm năng năng lượng của một nguồn địa nhiệt cũng theo các phương pháp đã được áp dụng trên thế giới. Tuy nhiên đối với nguồn địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ, các thông số đưa vào tính toán vẫn chưa chính xác do chưa có điều kiện để làm công tác thăm dò cho nguồn tài nguyên địa nhiệt này. Phương pháp ước tính từ đây được áp dụng trên cơ sở các đặc điểm địa chất khu vực bồn trũng Sông Hồng phần lục địa, chẳng hạn như thể tích cũng như độ rỗng, độ thẩm thấu của bồn địa nhiệt ở dưới sâu.

Các thông số ước tính tuy không chính xác nhưng cũng phần nào phản ánh được những nét đặc trưng cho cả khu vực. Những ước tính này có thể xác định mục tiêu cho việc nghiên cứu, thăm dò tiếp theo để tìm ra được thông số giúp cho việc đánh giá tiềm năng, trữ lượng mỏ địa nhiệt Hưng Hà – Quỳnh Phụ được chính xác để từ đó có thể khai thác năng lượng của nguồn địa nhiệt này cho nhà máy phát điện.1: Mô hình khái niệm của một hệ địa nhiệt (Mary H. Các phương pháp nghiên cứu Luận án được hình thành trên cơ sở chuyên đề “Điều tra, đánh giá tiềm năng địa nhiệt phần đất liền bể Sông Hồng” do NCS chủ trì nên NCS hoàn toàn có quyền sử dụng các số liệu từ chuyên để này làm luận án. Khảo sát thực địa, thu thập và phân tích mẫu Kế hoạch khảo sát thu thập mẫu: Khu vực Hưng Hà – Quỳnh Phụ có địa hình khá bằng phẳng nằm hoàn toàn ở trung tâm của ĐBSH.

Toàn bộ diện tích bị che phủ bởi trầm tích Đệ tứ với bề mặt là đồng ruộng, sông hồ, kênh mương, vườn ao và các khu dân cư. Trong khu vực này không phát hiện các xuất lộ của đá gốc. Nước nóng trong vùng xuất hiện tại các giếng khoan lấy nước sinh hoạt của người dân, các giếng khoan ở khu vực nuôi trồng thủy sản và một số giếng khoan để lấy nước làm nước uống tinh khiết “cao cấp” của các doanh nghiệp. Với đặc điểm biểu hiện nhiệt độ nước nóng ở các giếng khoan, việc khảo sát và lấy mẫu nước nóng tại đây được tiến hành từ giếng khoan có nhiệt độ nước cao nhất hướng ra các giếng khoan ở xung quanh cho đến khi gặp các giếng nước có nhiệt độ bình thường.