bài giảng học phần địa chất thủy văn

BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP TUY HÕA
KHOA CÔNG NGHỆ MÔI TRƢỜNG









BÀI GIẢNG
HỌC PHẦN: ĐỊA CHẤT THỦY VĂN
(DÀNH CHO BẬC CAO ĐẲNG NGÀNH KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT)

TUY HÕA, NĂM 2010



2
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 4
Đối tƣợng nghiên cứu của Địa chất Thuỷ văn: 4
Phƣơng pháp nghiên cứu: 4
Chƣơng 1: NƢỚC TRONG THIÊN NHIÊN 6
1.1. Vòng tuần hoàn của nƣớc trong thiên nhiên và trong lƣu vực 6
1.2. Sự phân bố của nƣớc trong thiên nhiên. 8
Chƣơng 2: TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC NƢỚC 17
2.1. Khái niệm: 17
2.2. Tính chất vật lý: 17
2.3. Tính chất hoá học của nƣớc: 19
2.4. Dấu hiệu nhiễm bẩn của nƣớc 23
2.5. Biểu diễn các kết quả phân tích thành phần hoá học của nƣớc dƣới đất. 24
2.6. Những nguyên tắc kiểm tra kết quả phân tích nƣớc: 27
Chƣơng 3: CÁC LOẠI NƢỚC DƢỚI ĐẤT 29
3.1. Một số nƣớc thƣợng tầng: 31
3.2. Nƣớc ngầm 35
3.3. Nƣớc tự lƣu. 39
3.4. Nƣớc khe nứt 44
3.5. Nƣớc CASTƠ: 46
3.6. Nƣớc khoáng và nƣớc chữa bệnh. 48
Chƣơng 4: CƠ SỞ ĐỘNG LỰC HỌC NƢỚC DƢỚI ĐẤT 50
4.1. Hình thức vận động của nƣớc dƣới đất trong đới bảo hòa 50
4.2. Định luật thấm của nƣớc dƣới đất 50

4.3. Xác định phƣơng hƣớng và tốc độ vận động của nƣớc dƣới đất. 56
4.4. Phƣơng trình vận động ổn định của nƣớc dƣới đất trong tầng chứa nƣớc đồng nhất. . 59
4.5. Phƣơng trình vận động của nƣớc vào công trình tập trung nƣớc. 65
CHƢƠNG 5 : CÁC DẠNG CÔNG TÁC CƠ BẢN TRONG ĐIỀU TRA ĐỊA
CHẤT THỦY VĂN 69
5.1. Khái niệm về điều tra địa chất thủy văn. 69



3
5.2. Công tác đo vẽ địa chất thủy văn 71
5.3. Khoan địa chất thủy văn 73
5.4. Công tác thí nghiệm địa chất thủy văn ngoài trời. 80
5.5. Quan trắc động thái của nƣớc dƣới đất 93
5.6. Công tác nghiên cứu chất lƣợng nƣớc 95
Chƣơng 6: ĐIỀU TRA ĐỊA CHẤT THỦY VĂN –ĐỊA CHẤT CÔNG
TRÌNH TRONG TÌM KIẾM THĂM DÕ KHOÁNG SÀNG 97
6.1. Những nhân tố địa chất thủy văn –địa chất công trình ảnh hƣởng đến công trình
khai tác. 97
6.2. Mục đích, ý nghĩa của điều tra địa chất thủy văn –địa chất công trình trong tìm
kiếm thăm dò khoáng sàng. 99
6.3. Mối tƣơng quan giữa điều tra địa chất với điều tra địa chất thủy văn –địa chất công
trình. 100
Chƣơng 7: BẢN ĐỒ ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 102
7.1. Khái niệm bản đồ địa chất thủy văn 102
7.2. Nguyên tắc thành lập bản đồ địa chất thủy văn 104
7.3. Các giai đoạn trong công tác lập bản đồ địa chất thủy văn 106
7.4. Biểu diễn trên bản đồ địa chất thủy văn 106

4
MỞ ĐẦU
- Đối tƣợng nghiên cứu của Địa chất Thuỷ văn:
Địa chất thuỷ văn là khoa học nghiên cứu nƣớc dƣới đất, cụ thể là nghiên cứu:
+ Nguồn gốc, sự phân bổ và sự vận động của nƣớc trong các lớp đất đá
+ Nghiên cứu các tính chất vật lý, thành phần hoá học, vi khuẩn và khí của nƣớc dƣới
đất
Nƣớc dƣới đất nằm trong các lớp đất đá và có liên hệ chặt chẽ với chúng nên địa chất
thuỷ văn là một bộ phận của khoa học về Trái đất.
- Nhiệm vụ: Nghiên cứu nƣớc dƣới đất để phục vụ các yêu cầu sau:
+ Giải quyết vấn đề địa chất thuỷ văn trong việc thi công các công trình, khái thác hầm
mỏ.
+ Giải quyết vấn đề cung cấp nƣớc tiêu dùng.
+ Tìm nguồn nƣớc khoáng, nƣớc công nghiệp, tìm kiếm các mỏ khoáng sản có ích.
- Phƣơng pháp nghiên cứu:
+ Lập bản đồ Địa chất thuỷ văn.
+ Mô tả nguồn nƣớc và quan sát địa chất thuỷ văn trong lỗ khoan, giếng và hầm lò.
+ Các phƣơng pháp phân tích và mô hình hoá trong phòng thí nghiệm.
+ Các phƣơng pháp địa vật lý, đặt biệt là phƣơng pháp thăm dò điện nhằm phát hiện
các tầng chứa nƣớc.



5
Nƣớc dƣới đất vận động trong các lỗ hổng và khe nứt của đất đá không những
có tác dụng trực tiếp với chúng mà còn có liên quan mật thiết với nƣớc bề mặt và nƣớc
khí quyển. Vì vậy muốn nghiên cứu đầy đủ về nƣớc dƣới đất, đòi hỏi phải nắm đƣợc
đặt điểm cấu tạo địa chất của vùng với tƣ cách là môi trƣờng mà trong đó nƣớc vận
động, và phải năm đƣợc các quy luật vận động của nƣớc bề mặt và nƣớc khí quyển với

tƣ cách là nguồn bổ sung cho nƣớc dƣới đất.



6
Chƣơng 1
NƢỚC TRONG THIÊN NHIÊN
1.1. Vòng tuần hoàn của nƣớc trong thiên nhiên và trong lƣu vực
1.1.1. Vòng tuần hoàn của nƣớc trong thiên nhiên.
Nƣớc trên Trái đất phân bố không đều trong các quyển khác nhau: khí quyển,
thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển.
Nƣớc trong các quyển luôn luôn chuyển động trong bản thân mỗi quyển và đồng
thời luôn luôn có một lƣợng nƣớc nhất định chuyển động từ quyển này sang quyển
khác, tạo nên vòng tuần hoàn bất tận.
Nhờ năng lƣợng bức xạ của mặt trời, nƣớc từ thuỷ quyển, sinh quyển và thạch
quyển bốc hơi lên khí quyển. Trong khí quyển hơi nƣớc gặp lạnh ngƣng tụ lại và rơi
xuống. Lƣợng mƣa này một phần bốc hơi trở lại vào khí quyển, một phần ngấm xuống
đất, một phần tạo thành những dòng chảy đổ ra biển. Mức độ của quá trình tuần hoàn
này tuỳ thuộc vào từng mùa và tuỳ thuộc vào các điều kiện địa lý tự nhiên. (hình1)
Tổng thể tích nƣớc trong Trái đất ƣớc tính khoảng 1.8 tỷ km
3
. Lƣợng nƣớc này
đƣợc phân bố nhƣ sau:
- Từ mặt đất đến độ sâu 20 km (ranh giới Cônradda) có 570 triệu km
3
.
- Từ độ sâu 20 km đến 35 km (ranh giới Môhô) có 500 triệu km
3
.
Trong vỏ Trái đất nƣớc tồn tại ở những dạng khác nhau và chiếm khoảng 42%

toàn bộ nƣớc của Trái đất. Nƣớc dƣới đất là tác nhân trọng yếu làm dịch chuyển các
nguyên tố hoá học trong vỏ Trái đất.
Trong vòng tuần hoàn của nƣớc trong thiên nhiên, ngƣời ta đã tính toán cụ thể
nhƣ thế này (những số liệu sau đây đƣợc tính trong 1 năm).
- Tổng lƣợng nƣớc bốc hơi ngoài biển và đại dƣơng là Z
b
= X
b
+ Y = 447.980 km
3




7
- Tổng lƣợng mƣa ngoài biển và đại dƣơng là X
b
= 411.600 km
3

- Tổng lƣợng nƣớc bốc hơi trong lục địa là Z
đ
= X
đ
- Y = 132.020 km
3

- Tổng lƣợng mƣa trong lục địa là X
đ
= 168.400 km

3

- Tổng lƣợng nƣớc sông chảy ra biển là Y= 36.380 km
3

Phƣơng trình cân bằng nƣớc trên vỏ trái đất: X
b
+X
đ
= Z
b
+ Z
đ

Nhƣ vậy hàng năm có một lƣợng hơi nƣớc là 36.380 km
3
di chuyển từ biển, đại dƣơng
vào lục địa và từ lục địa, các dòng song đổ ra biển cũng một lƣợng nhƣ vậy. Vậy đây là
vòng tuần hoàn lớn của nƣớc trong thiên nhiên.
1.1.2. Tuần hoàn của nƣớc trong lƣu vực
Mỗi dòng chảy trên mặt đất đều có phạm vi cung cấp nƣớc, gọi là lƣu vực dòng
chảy. Đƣờng phân chia lƣu vực của hai dòng chảy đƣợc gọi là đƣờng chia nƣớc (đƣờng
phân thủy). Mỗi một dòng chảy đều có một lƣu vực trên mặt và lƣu vực dƣới đất.
chúng có thể trùng hoặc không trùng nhau.
Mƣa rơi xuống mặt đất, một phần bốc hơi; một phần hình thành dòng chảy trên
mặt dƣới dạng sông, suối, lạch; một phần ngấm xuống cung cấp cho nƣớc dƣới đất;
nƣớc dƣới đất lại chảy lộ ra cung cấp cho sông suối.
Tính toán cân bằng nƣớc trong lƣu vực:
Tổng lƣợng nƣớc thu đƣợc trong lƣu vực: X+K+f
Tổng lƣợng nƣớc mất đi trong lƣu vực: Z+y+p

X-Tổng lƣợng nƣớc mƣa trong lƣu vực,mm
K - Tổng lƣợng nƣớc ở tầng ngầm cung cấp cho lƣu vực,mm
f – lƣợng nƣớc ngầm cung cấp cho dòng chảy trên mặt hay ngƣợc lại, mm



8
Z – Tổng lƣợng bốc hơi, mm
y – lƣợng nƣớc dƣới đất thất thoát ra ngoài, mm
p – lƣợng nƣớc đổ ra biển, mm
1.2. Sự phân bố của nƣớc trong thiên nhiên.
1.2.1. Nƣớc trong khí quyển
Trong khí quyển, tổng lƣợng nƣớc ƣớc tính 12.300 km
3
. Nếu tất cả số nƣớc
này tồn tại dƣới thể lỏng thì nó sẽ phủ quanh trái đất một lớp dày 25 mm. Lƣợng nƣớc
này tồn tái dƣới 3 trạng thái: hơi nƣớc, giọt lỏng (mây, sƣơng), và rắn (tuyết, mƣa đá).
Tuy khí quyển có bề dày 2000km nhƣng nƣớc chủ yếu tồn tại gần mặt đất (trong
tầng đối lƣu): đến độ cao 3,5 km thì có 70% nƣớc khí quyển, và đến 5 km thì có 90%
nƣớc. Do đó các hiện tƣợng mây, mƣa đều xảy ra ở nửa phần dƣới của tầng đối lƣu.
Nƣớc trong khí quyển luôn luôn biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác
và có liên hệ chặt chẽ với nƣớc ở thuỷ quyển, sinh quyển và thạch quyển. Từ thuỷ
quyển, sinh quyển, thạch quyển nƣớc bốc hơi lên cao gặp lạnh hơi nƣớc ngƣng tụ lại
thành mƣa, tuyết, mƣa đá,… Ngƣời ta đã tính lƣợng nƣớc trong khí quyển bằng 1/41
lƣợng mƣa hang năm và “tuổi thọ” trung bình của phân tử nƣớc trong khí quyển là 9
ngày.
Sự vận động của nƣớc trong khí quyển giữ một vai trò rất quan trọng trong việc
điều tiết nhiệt độ giữa các vùng trên mặt.
1.2.2. Nƣớc trong thuỷ quyển.
Thuỷ quyển bao gồm các dại dƣơng, biển, hồ chiếm một diện tích là 361,45

triệu km
2
hay 70,8% diện tích bề mặt Trái đất.
Nƣớc trong quyển này tồn tại dƣới hai trạng thái:
- Lỏng, có thể tích là 1400 triệu km
3




9
- Rắn, có thể tích là 35 triệu km
3
Nếu lƣợng nƣớc này phân bố đều trên trái đất thì có thể tạo nên một lớp nƣớc
dày 2400m.
Nƣớc trong thuỷ quyển cũng luôn luôn vận động dƣới các dạng: dòng hải lƣu,
sông, thuỷ triều và đối lƣu.
Lƣợng hơi nƣớc cung cấp cho khí quyển chủ yếu là từ thuỷ quyển. Thuỷ quyển
là môi trƣờng sản sinh ra sự sống và ngày nay sự sống cũng không tách rời thuỷ quyển.
Nƣớc chứa trong các tầng đất đá (nƣớc dƣới đất) phần lớn cũng do thuỷ quyển cung
cấp. Ngƣợc lại thuỷ quyển cũng nhận nguồn bổ trợ từ các nguồn khác.
Thuỷ quyển chiếm một lƣợng nƣớc chủ yếu trong tổng số lƣợng nƣớc có mặt
trên trái đất và chi phối số lƣợng cũng nhƣ sự vận động của nƣớc ở các quyển khác.
1.2.3. Nƣớc trong sinh quyển.
Việc xác định nƣớc trong quyển này rất phức tạp, bởi vì giới sinh vật có hang chục vạn
chủng loại khác nhau sống trong những môi trƣờng khác nhau.
Ngƣời ta biết rằng:
- Trong cơ thể ngƣời có 70% nƣớc
- Trong sinh vật sống miền khô ráo có 60% nƣớc
- Trong sinh vật sống dƣới nƣớc có 90% nƣớc.

Nhƣ vậy, hơn 2/3 khối lƣợng của sinh vật sống trên trái đất là nƣớc
Nƣớc vô cùng quan trọng đối với sự sống: không có nƣớc thì không có các quá trình
sinh hoá đƣợc. Nếu sinh vật mất 10% nƣớc thì sẽ bị ngộ độc, mất 21% nƣớc thì sẽ chết.
Có một điều thú vị là thành phần hoá học của máu ngƣời và động vật gần giống với
thành phần hoá học của nƣớc biển: (bảng 2)



10
Bảng 2: Hàm lượng nguyên tố trong máu và trong nước biển
Nguyên tố
Thành phần máu
Thành phần nƣớc biển
Cl
49,3
55,0
Na
30,0
30,6
O
9,9
5,6
K
1,8
1,1
Ca
0,8
1,2

Ta thử đặt câu hỏi: máu ngƣời và động vật lập lại thành phần hoá học của môi trƣờng

mà sự sống phát sinh, hay ngƣợc lại, thành phần của môi trƣờng (nƣớc biển) lập lại
thành phần của máu ngƣời và động vật?
1.2.4. Nƣớc trong vỏ trái đất.
1.2.4.1. Sự phân bố của nước trong vỏ Trái đất.
Vỏ trái đất có bề dày trung bình ở lục địa là 35km, và dƣới đáy đại dƣơng là
4,7km
Tổng thể nƣớc trong vỏ trái đất ƣớc tính khoảng 1,8 tỷkm
3
. Lƣợng nƣớc này phân bố
nhƣ sau:
- Từ mặt đất đến độ sâu 20 km (ranh giới Cônrad) có 570 triệu km
3

- Từ độ sâu 20km đến 35 km (ranh giới Môhô) có 500 triệu km
3

Kamenxki chia vỏ trái đất làm hai tầng mà trong đó nƣớc đƣợc chứa trng đó:
Tầng dưới:
Là các loại đá toàn khối chứa nƣớc rất ít.
Tầng trên: là tầng chứa nhiều nƣớc, chủ yếu đƣợc chứa trong các khe nứt của đá hay
trong các khe hở của vật liệu trầm tích bở rời.



11
1.2.4.2. Các dạng của nước trong đất đá
* Nƣớc dƣới dạng hơi:
Hơi nƣớc nằm trong đới thông khí lắp đầy các lỗ hổng và khe nứt.
Hơi nƣớc chuyển động từ nơi có sức căng hơi nước lớn đến nơi có sức căng hơi nƣớc
nhỏ hơn. Sức căng hơi nƣớc lớn hay nhỏ là do lƣợng phân tử hơi nƣớc nhiều hay ít.

Lƣợng hơi nƣớc tỷ lệ thuận với nhiệt độ không khí: nhiệt độ không khí càng cao thì
sức căng hơi nước càng lớn và ngược lại, nhiệt độ không khí càng thấp thì sức căng
hơi nước càng bé. Do đó vào mùa đông khi mặt đất lạnh hơn dƣới sâu thì sẽ có dòng
hơi nƣớc chuyển động từ dƣới lên và ngƣợc lại, vào mùa hè khi mặt đất nóng hơn dƣới
sâu thì có dòng hơi nƣớc chuyển động xuống (ở đây ta chỉ nói phần trên cùng của vỏ
Trái đất, nơi có nhiệt độ thay đổi theo từng mùa).
Hơi nƣớc có thể chuyển sang thể lỏng khi nhiệt độ hạ thấp và lƣợng hơi nƣớc quá bảo
hòa. Vì vậy, tại các vùng sa mạc, nơi lƣợng mƣa hàng năm rất ít thì hơi nƣớc đã là
nguồn cung cấp cho nƣớc ngầm.
* Nƣớc liên kết (nƣớc liên kết vật lý):
Nƣớc còn liên kết với các hạt thổ nhƣỡng (hạt bụi, hat sét) dƣới tác dụng của lực hút
phân tử và lực hút tĩnh điện. Tùy theo lực liên kết mạnh hay yếu giữa các phân tử nƣớc
và hạt sét mà ngƣời ta phân ra: nƣớc liên kết chặt và nƣớc liên kết yếu.
(Hình)
Nước liên kết chặt (nước hập phụ): các phân tử nƣớc bám chặt trên bề mặt các hạt sét.
Khi nƣớc hấp phụ phủ kín hạt sét thì gọi là nƣớc hấp phụ tối đa. Bề dày của nƣớc liên
kết chặt bằng bằng đƣờng kính một phân tử nƣớc (2,76
O

). Nƣớc này chỉ tách ra khỏi
hạt thổ nhƣỡng dƣới tác dụng của nhiệt độ cao (t
o
> 100
o
C) hay dƣới áp suất P > (3000-
5000) Kg/cm
2
.
Trong cát, lƣợng nƣớc hấp phụ không vƣợt quá 1-2%, và trong sét thì không vƣợt quá
10%

Nước liên kết yếu (nước màng mỏng): nó bao quang các hạt thổ nhƣỡng và có bề dày
bằng vài phân tử nƣớc do tác dụng của lực hút phân tử và lực hút tĩnh điện nhƣng



12
nhƣng nhỏ hơn so với nƣớc hấp phụ. Nƣớc màng mỏng có bề dày khác nhau tùy thuộc
vào lƣợng hơi nƣớc trong đất đá và tùy thuộc vào kích thƣớc của hạt: kích thƣớc hạt
càng bé thì bề dày màng mỏng càng lớn.
Nƣớc này có thể thách ra khỏi hạt thổ nhƣỡng dƣới tác áp suất P >65Kg/cm
2

Trong cát, lƣợng nƣớc màng mỏng có từ 1-7%, trong á cát (9-13%), trong á sét (15-
23%), trong sét (25-35%).
Nhƣ vậy, nƣớc liên kết chủ yếu nằm trong sét. Do chúng không thể tồn tại dƣới tác
dụng nhiệt độ lớn và áp suất cao nên chúng không thể ở sâu hơn 5 km.
* Nƣớc mao dẫn:
(Hình)
Là nƣớc nằm trong các ống mao dẫn dƣới tác dụng của lực mao dẫn. Các ống mao dẫn
có đƣờng kính nhỏ hơn 1 mm, nếu là khe nứt thì kích thƣớc khe nứt nhỏ hơn 0,25 mm.
Các ống này có hình thù và kích thƣớc khác nhau tùy thuộc vào kích thƣớc và sự sắp
xếp của các hạt. Ngƣời ta phân ra 3 loại nƣớc mao dẫn: nƣớc mao dẫn treo, nƣớc mao
dẫn gốc, và nƣớc ở đới mao dẫn.
- Nƣớc mao dẫn treo là nƣớc ở tầng trên không có liên hệ với nƣớc ngầm, nƣớc này
hình thành trong các ống mao dẫn có đƣờng kính phía trên và phía dƣới không bằng
nhau (Hình). Trƣờng hợp này xảy ra khi phía dƣới lớp cát chứa nƣớc mao dẫn có lớp
cát với kích thƣớc hạt to hơn.
- Nƣớc mao dẫn góc tạo thành trong các góc lỗ hổng dƣới tác dụng của lực mao dẫn.
(Hình)
- Nƣớc đới mao dẫn hình thành trực tiếp ngay phía trên gƣơng nƣớc ngầm. Đới này

thay đổi lên xuống theo sự thay đổi của gƣơng nƣớc ngầm (Hình)
* Nƣớc trọng lực: nƣớc chuyển động trong các lỗ hổng và khe nứt của đất đá dƣới tác
dụng của lực hút trái đất gọi là nƣớc trọng lực. Nƣớc trọng lực là đối tƣợng nghiên cứu
của địa chất thủy văn.



13
* Nƣớc ở thể rắn: Ở các miền ôn đới và hàn đới, vào mùa đông nhiệt độ không khí hạ
xuống thấp hơn 0
o
C, nƣớc trong các lỗ hổng và khe nứt của đất đá (phần gần mặt đất)
chuyển sang trạng thái rắn.
* Nƣớc trong thành phần khoáng vật (nƣớc liên kết hóa học):
Gồm 3 loại:
- Nƣớc Zeolit là nƣớc tham gia vào thành phần khoáng vật dƣới dạng các phân tử nƣớc
với số lƣợng không xác định.
Ví dụ: SiO
2
.nH
2
O: Opan
Fe
2
O
3.
nH
2
O: Limonit
Nƣớc này chỉ tách ra khỏi khoáng vật ở nhiệt độ 80-400

0
C
- Nƣớc kết tinh là nƣớc tham gia vào thành phần khoáng vật dƣới dạng các phân tử
nƣớc với số lƣợng nhất định.
Ví dụ: CaSO
4
.2H
2
O: Thạch cao
Na
2
SO
4
.10H
2
O: mirabilit
- Nƣớc hóa hợp là nƣớc tham gia vào thành phần khoáng vật dƣới dạng các ion: OH
-
,
H
+

Nƣớc này tách khỏi khoáng vật ở nhiệt độ > 400
0
C và phá vỡ mạng tinh thể khoáng
vật.
1.2.4.3. Nguồn gốc của nước dưới đất: để giải thích nguồn gốc của nƣớc dƣới đất
ngƣời ta đƣa ra một số thuyết nhƣ sau:
* Thuyết thấm lọc: theo thuyết này thì khi nƣớc mƣa rơi xuống mặt đất hoặc nƣớc bề
mặt ngấm vào các tầng đất đá để tạo thành các dạng khác nhau của nƣớc dƣới đất.

14
* Thuyết ngƣng tụ: theo thuyết này thì hơi nƣớc trong các khe nứt hay lỗ hổng của đất
đá ngƣng tụ lại do sự hạ thấp của nhiệt độ. Nƣớc dƣới đất hình thành do quá trình
ngƣng tụ khôn nhiều, song tại những miền ít mƣa nhƣ sa mạc thì nƣớc ngƣng tụ giữ vai
trò chủ yếu trong việc cung cấp cho nƣớc ngầm.
* Thuyết về nƣớc nguyên sinh: theo thuyết này nƣớc khoáng, đặt biệt là nƣớc nóng,
nƣớc phun khí đƣợc tạo thành trong quá trình ngƣng tụ hơi nƣớc từ magma thoát ra.
Nƣớc này theo các đứt gẫy sâu đi lên mặt đất và xuất lộ dƣới dạng các nguồn nƣớc
khoáng.
Ngày nay, không phải tất cả các nhà Bác học đều thừa nhận thuyết ấy. Nhiệt độ cao,
thành phần hóa học phức tạp của một số nguồn nƣớc khoáng chƣa đủ chứng minh
nguồn gốc của chúng là từ magma. Cũng có thể chúng đƣợc hình thành từ hai phƣơng
thức sau:
- Nƣớc khí quyển ngấm sâu vào lòng đất, ở đây nó đƣợc đốt nóng lên do nguồn địa
nhiệt và tăng khả năng hòa tan các chất vào trong chúng.
- Tại gần các lò magma trẻ, nƣớc dƣới đất có nguồn gốc khí quyển bị đốt nóng lên và
tăng khả năng hòa tan các chất vào trong chúng nên làm thành phần trở nên phức tạp.
* Thuyết về nƣớc trầm tích:
* Thuyết tái sinh:
1.2.4.4. Thủy tính của đất đá:
Thủy tính của đất đá bao gồm: tính thấm nƣớc, độ chứa nƣớc, lƣợng phóng thích nƣớc.
* Tính thấm nƣớc:
Tính thấm nƣớc là đặt trƣng của đất đá cho nƣớc thấm qua. Mức độ thấm nƣớc của đất
đá không quyết định bởi độ lỗ hổng ma chỉ phụ thuộc vào kích thƣớc các khe lỗ. Đất
đá có độ lỗ hổng lớn có thể không thấm nƣớc, và ngƣợc lại đất đá có độ lỗ hổng bé có
thể thấm nƣớc tốt.
Dựa vào mức độ thấm nƣớc có thể chia ra 3 nhóm:

15
- Thấm nƣớc: trầm tích vụn trạng thái rời (cuội, sỏi, cát) và đá nứt nẻ nhiều.
- Nửa thấm nƣớc: á cát, hoàng thổ, than bùn, cát gắn kết yếu, đá bị nứt nẻ yếu, granit bị
phong hóa.
- Không thấm nƣớc: đá dạng khối không bị nứt nẻ, sét.
Độ thấm nƣớc đƣợc đo bằng hệ số thấm lọc K. Trong việc thành tạo nƣớc trọng lực, đá
thấm nƣớc đƣợc tạo nên lớp chứa nước, đá không thấm nƣớc tạo nên lớp cách thủy.
Gía trị trung bình của hệ sô K của một vài loại đất đá
Tính chất của đất đá
K
(m/ ngày-đêm)
Thấm nƣớc mạnh (cuội, cát, đá bị cacsnơ hóa)
> 10
Thấm nƣớc (cát, đá nứt nẻ)
10-1
Thấm nƣớc kém (đá magma bị phong hoá, cát kết, á
cát)
1-0,01
Thấm nƣớc rất kém (cát kết sét, á sét)
0,01-0,001
Không thấm nƣớc, thực tế là cách thuỷ (sét)
<0,001

* Độ chứa nƣớc: là khả năng của đất đá thu nhận và giữ lại một lƣợng nƣớc nhất định.
Ngƣời ta chia ra 3 mức độ chứa nƣớc:
- Chƣa nƣớc tốt (than bùn, á sét, và sét)
- Chứa nƣớc kém (đá magma, đá phấn, đá kết xốp, cát hạt nhỏ, đất hoàng thổ).

- Không chứa nƣớc (đá magma, đá trầm tích cấu tạo khối, cuội, sỏi, sạn trạng thái rời)
Ứng với các dạng nƣớc chứa trong đất đá, ngƣời ta phân biệt các độ chứa nƣớc sau:
- Độ chứa nƣớc mao dẫn, là khả năng của đất đá giữ trong lỗ mao dẫn một lƣợng nƣớc
nhất định.



16
- Độ chứa nƣớc phân tử tối đa, là lƣợng nƣớc hấp phụ cực đại đƣợc đất đá hút từ khí
quyển kèm theo sự phóng nhiệt.
- Khi toàn bộ lỗ hổng và khe nứt chứa đầy nƣớc, ta có độ chứa nƣớc bảo hòa.
Cần phân biệt độ chứa nƣớc và lớp chứa nƣớc trong mặt cắt địa chất: đá có độ chứa
nƣớc cao không tạo nên lớp chứa nƣớc mà tạo nên lớp cách thủy.
* Lƣợng phóng thích nƣớc: là hiệu số giữa độ chứa nƣớc bảo hòa và độ chứa nƣớc
phân tử tối đa, tức lƣợng nƣớc trong đất đá có thể phóng thích ra dƣới tác dụng của
trọng lực.
Đơn vị lƣợng phóng thích là g/cm
3
. Lƣợng phóng thích nƣớc đƣợc đặt trƣng bởi hệ số
phóng thích µ
n
= W
bh
- W
nf
(%)
W
bh
: độ chứa nƣớc bảo hòa
W

nf
: độ chứa nƣớc phân tử tối đá.
Lƣợng phóng thích nƣớc của cát, cuội khoảng 27,4%, sét và than bùn thực tế không
phóng thích nƣớc. Do đó, không thể khai thác nƣớc trong các lớp than bùn, sét, và các
loại đá khối khác.
Lƣợng phóng thích nƣớc giữ vai trò rất lớn trong việc hình thành các tầng chứa nƣớc
khác nhau.



17
Chƣơng 2
TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NƢỚC DƢỚI ĐẤT
2.1. Khái niệm:
Nƣớc dƣới đất là những dung dịch chứa các khoáng vật hòa tan, các loại khí và cả
những chất hữu cơ hòa tan cùng các loại vi khuẩn. Do vậy, nƣớc dƣới đất có những đặc
tính về lý học, hóa học khác với nƣớc nguyên chất.
2.2. Tính chất vật lý:
2.2.1. Nhiệt độ:
Tùy theo điều kiện tàn trữ mà nƣớc dƣới đất có nhiệt độ khác nhau dao động từ dƣới
0
o
C đến trên 100
o
C. Nhƣ ta biết, càng xuống sâu nhiệt độ càng tăng: cứ 33m tăng 1
o
C .
Theo nhiệt độ ngƣời ta phân ra:
- Nƣớc lạnh t
o

< 20
o
C
- Nƣớc ấm 20
o
-37
o
C
- Nƣớc nóng t
o
> 37
o
C
Nƣớc ngon và mát khi ở nhiệt độ 7-11
o
C. Nƣớc có giá trị chữa bệnh tốt nhất là nƣớc có
nhiệt độ > 20
o
C, đặt biệt là nƣớc có nhiệt độ gần nhiệt độ cơ thể ngƣời (35-37
o
C)
Nhiệt độ của nƣớc có ảnh hƣởng rất lớn đến thành phần hóa học của nó. Nƣớc lạnh
thƣờng là nƣớc Ca còn nƣớc nóng thƣờng là nƣớc Na, K.
Nhiệt độ cũng ảnh hƣởng đến sự hòa tan của các chất khí trong nƣớc. Dƣới áp suất và
nhiệt độ không khí không đổi, khi nhiệt độ của nƣớc tăng lên thì độ hòa tan của khí
giảm xuống.
Nhiệt độ của nƣớc
O
2
N

2
CH
4
H
2
S
CO
2



18
(
o
C)
0
0.0489
0.0235
0.0556
4.670
1.713
10
0.0380
0.0186
0.0418
3.399
1.194
50
0.0209
0.0109

0.0213
1.410
0.423
100
0.0177
0.0098
0.0177
0.844
-

2.2.2. Độ trong suốt:
Đại bộ phận nƣớc dƣới đất là trong suốt. Nƣớc đục là nƣớc có chứa các chất không tan,
các chất keo nguồn gốc vô cơ và hữu cơ.
Ngƣời ta xác định đọ trong suốt nhƣ sau:
Đổ nƣớc vào xilianh có chia độ. Đặt xilanh lên mẫu chữ và mở vòi để nƣớc chảy ra cho
đến khi nào nhìn qua lớp nƣớc có thể phân biệt rõ chữa in. Độ cao cột nƣớc còn lại
(biểu diễn bằng cm) thể hiện mức độ trong suốt của nƣớc.
Nƣớc uống cần phải trong suốt. Nếu bị vẫn đục bởi các chất hữu cơ thì không đƣợc sử
dụng
2.2.3. Màu: nƣớc dƣới đất bị nhiễm màu do các chất hữu cơ hoặc các chất thải công
nghiệp. Màu nâu đặc trƣng cho nƣớc ở các trầm tích mioxen, chứa than nâu. Màu vàng
gây ra bởi hợp chất mùn. Bicacbonat kiềm và kiềm thổ (đặc biệt là Ca) làm cho nƣớc
có màu xanh lá cây.
Để xác định màu của nƣớc ngƣời ta thƣờng dùng các dung dịch chuẩn. Đổ nƣớc
vào xi lanh, mặt ngoài xi lanh đƣợc che để tránh ánh sáng. Khi quan sát ngƣời ta so
sánh màu của nƣớc thí nghiệm với màu của nƣớc cất. Cả hai xi lanh cùng đặt trên cùng
nền trắng.
2.2.4. Mùi:Mùi của nƣớc thƣờng liên quan tới sự hoạt động của vi khuẩn, hay sự có
mặt các chất hữu cơ. Sự khác nhau về hình dạng của các vi khuẩn đó có thể gây ra cho
nƣớc có nhiều mùi khác nhau: mùi mốc, mùi chuột, mùi cá,…

Ngoài ra, mùi của nƣớc còn chứng tỏ có nhiều khí có nguồn gốc sinh hoá (H
2
S có mùi
trứng thối).



19
Để xác định chính xác mùi của nƣớc, ngƣời ta đun sôi nƣớc lên khoảng 50 – 60
0
C
Nƣớc có thể có các mùi sau:
- Không mùi
- Mùi trứng thối
- Mùi đầm lầy
- Mùi bùn
- Mùi thối,
2.2.5. Vị: Vị của nƣớc liên quan đến thành phần các chất hoà tan trong nƣớc. Ví dụ:
- Vị mặn gây ra do: NaCl
- Vị đắng chat do: Mg
2
SO
4

- vị rỉ sắt hay vị mực gây ra do muối sắt
- Vị ngọt và mát thƣờng do khí CO
2
tự do
2.3. Tính chất hoá học của nƣớc:
2.3.1. Thành phần hóa học của nước.

Trong thành phần hoá học của nƣớc dƣới đất có hơn 60 nguyên tố trong bảng tuần
hoàn Mendeleep. Các nguyên tố này chứa trong nƣớc dƣới các dạng:
Ion: Na
+
, Ca
2+
, Mg
2+
, Fe
2+
, Cl
-
, HCO
3
-
, SO
4
2-
,…
Phân tử: O
2
, CO
2
, H
2
S, CH
4
, N
2
,…

20
Keo: H
2
SiO
3
, Fe(OH)
3
,…
Ngoài ra trong nƣớc còn có các chất hữu cơ (humin, bittum, axit béo, phênôn,…)
Các chất chứa trong nƣớc thiên nhiên đƣợc chia ra làm hai nhóm nguyên tố chính: đại
nguyên tố và vi nguyên tố.
Trong nhóm đại nguyên tố: gồm các nguyên tố có một số lƣợng chủ yếu quyết định độ
khoáng hoá của nƣớc nhƣ: Cl
-
, HCO
3
-
, SO
4
2
, NO
3
-
, Na
+
, Ca
2

,
Fe
2+
, H
2
SiO
3
Trong nhóm vi nguyên tố gồm các nguyên tố còn lại và các chất keo.
Trong thực tế hiện nay ngƣời ta tập trung chú ý đến 6 ion: Na
+
, Ca
2+
, Mg
2+
, Cl
-
, HCO
3
-
,
SO
4
2
, bởi vì các ion này chứa trong nƣớc dƣới đất một lƣợng lớn và quyết định thành
phần hoá học của chúng, các ion còn lại là những ion phụ kèm theo.
2.3.2. Tổng độ khoáng hoá của nước:
Tổng lƣợng các chất hoà tan trong nƣớc gọi là tổng lƣợng khoáng hoá, thƣờng đƣợc
biểu diễn bằng g/l (đô khi bằng g/kg-đối với nƣớc nuối).
Tổng lƣợng khoáng hoá của nƣớc ngọt không quá 1 g/l, nƣớc uống không nên quá
0,5g/l, nƣớc biển phần lớn là 35 g/l.

Cách xác định tổng độ khoáng hoá nhƣ sau: lấy một lƣợng nƣớc nhất định (500ml)
chƣng khô ở nhiệt độ 105-110
0
C, cân chất cặn đọng lại là đƣợc tổng độ khoáng hoá.
Thực tế tổng độ khoáng hoá xác định theo phƣơng pháp này nhỏ hơn thực tế vì khi
chƣng khô có một số chất khí và chất dễ bốc hơi bay đi. Phƣơng pháp chính xác nhất là
xác định hàm lƣợng của từng nguyên tố một rồi cộng lại. Song phƣơng pháp này rất
phức tạp và tốn kém nên ít đƣợc dùng.
Dựa trên tổng độ khoáng hoá, nƣớc dƣới đất đƣợc phân loại nhƣ sau:
M (mgl)
Đặc tính
Thành phần hoá học
<200
200-500

500-1000
Siêu nhạt
Nhạt

Độ khoáng hoá hơi cao

Thƣờng là Bicacbonat

Bicacbonat-Sunfat
1000-3000
Hơi mặn

21
3000-10000

10000-35000
>35000
Mặn

Độ mặn cao
Nƣớc muối
Sunfat-Clorua

Chủ yếu là Clorua
Clorua
2.3.3. Độ pH:
pH đặc trƣng cho nồng độ ion Hydro trong nƣớc, nó quyết định đặc điểm môi trƣờng
nƣớc.
Nƣớc trung tính khi Ph = pOH= 7
Nƣớc trong thiên nhiên là một dung dịch chứa nhiều chất hoà tan khác nhau. Do đó,
nồng độ H
+
có thể nhiều hơn hay ít hơn so với [OH
-
]
Nếu pH > 7, nƣớc có tính kiềm
Nếu pH < 7, nƣớc có tính axit
- Độ pH phụ thuộc vào hàm lƣợng của: H
2
CO
3
, CO

2
, H
2
S, các axit khác.
- Khí CO
2
có vai trò quan trọng trong việc làm tăng nồng độ H
+
trong nƣớc:
CO
2
+ H
2
O H
+
+ HCO
3
-

Nếu nƣớc bảo hoà CO
2
thì [H
+
] có thể tăng lên 300 lần.
- Các axit humin cũng làm tăng [H
+
]
- Nồng độ OH
-
tăng lên do Na

2
CO
3
:
Na
2
CO
3
+ H
2
O 2Na
+
+ HCO
3
-
+ OH
-

2.3.4. Đặc tính ăn mòn của nước dưới đất:



22
Tính chất này thể hiện rõ khi trong nƣớc hiện diện nhiều Cacbonic tự do. Sự ăn mòn
Cancit trong nƣớc chứa Cacbonic tự do diễn ra theo phƣơng trình sau:
CaCO
3
+ CO
2
+ H

2
O Ca
2+
+ 2HCO
3
-

Nếu lƣợng CO
2
thừa sau phản ứng thì gọi là CO
2
ăn mòn
Nếu lƣợng CO
2
vừa đủ để hoà tan hết CaCO
3
thì gọi là CO
2
cân bằng.
CO
2
ăn mòn có tác dụng phá hoại bêtông và nhiều loại ximăng, hoà tan một số đá (nhất
là đá vôi)
2.3.5. Độ cứng của nước.
Độ cứng của nƣớc gây ra do các muối hoà tan của Canxi và Magiê
Ngƣời ta phân biệt 3 loại độ cứng sau:
- Tổng độ cứng: gây ra do sự có mặt của tất cả các muối Canxi và Magiê:
Ca(HCO
3
)

2
, Mg(HCO
3
)
2
, MgCO
3
, CaSO
4
, MgSO
4
, CaCl
2
, MgCl
2

- Độ cứng tạm thời gây ra do sự có mặt của các muối Bicacbonat Canxi hay Magiê
- Độ cứng vĩnh viễn gây ra do sự có mặt của các muối Canxi và Magiê còn lại
Ở Liên Xô độ cứng của nƣớc đƣợc biểu thị bằng mg-đƣơng luợng của Ca
2+
và Mg
2+

trong một lít nƣớc. Một mg-đl độ cứng ứng với hàm lƣợng 20,04 mg/l Ca
2+
hay 12,16
mg/l Mg
2+

Phân loại nƣớc theo độ cứng theo Alôkin nhƣ sau:

Đánh giá nƣớc
Độ cứng (mg-đl)
Độ cứng (độ Đức)
Rất mềm
< 1,5
<4,2
Mềm
1,5-3
4,2-8,4
Hơi cứng
3-6
8,4-16,8
Cứng
6-9
16,8-25,2
Rất cứng
>9
>25,2



23
1 mg-đl = 2,804 độ Đức
Nƣớc uống có thể dùng khi độ cứng 7-20mg-đl
2.4. Dấu hiệu nhiễm bẩn của nƣớc
Khái niệm nhiễm bẩn đƣợc hiểu là khả năng làm cho nƣớc không còn đƣợc sử dụng an
toàn cho mục đích ăn uống hay công nghiệp. Nhƣ vậy, khi đánh giá sự nhiễm bẩn của
nƣớc dƣới đất chúng ta cần làm rõ tác nhân gây nhiễm bẩn và nguồn gốc của chúng là
từ đâu, có nhƣ vậy chúng ta mới tìm ra giải pháp ngăn chặn nhiễm bẩn. Tác nhân gây
nhiễm bẩn có thể là tác nhân hoá học (thành phần hoá học gây hại) và tác nhân sinh

học (thành phần vi khuẩn), nguồn gốc các chất gây nhiễm bẩn nƣớc dƣới đất thƣờng là
từ sự phân huỷ các chất hữu cơ.
2.4.1. Nguồn gốc một số thành phần nguyên tố gây nhiễm bẩn nước.
K
+
, Cl
-
: do sự hoà tan các vỉa muối hay thuỷ phân các đá silicat –nguồn gốc vô cơ.
Nhƣng nếu chúng có nguồn gốc từ sự phân huỷ các chất hữu cơ thì đây là dấu hiệu của
sự nhiễm bẩn nƣớc.
SO
4
2-
: nếu có nguồn gốc từ chất hữu cơ thì là dấu hiệu nhiễm bẩn nƣớc. SO
4
2-
từ chất
thải công nghiệp hay sinh hoạt, nếu tồn tại trong môi trƣờng kỵ khí sẽ bị phân huỷ theo
phƣơng trình:
2SO
4
2-
+ 4C + 3H
2
O = H
2
S + HS + CO
2
+ 3HCO
3

-

H
2
S sinh ra từ phƣơng trình trên gây nhiễm bẩn cho nƣớc
Các hợp chất Nitơ (NH
4
+
, NO
2
-
, NO
3
-
): chúng đƣợc sinh ra chủ yếu từ hợp chất hữu
cơ. Nếu nguồn gốc của chúng là vô cơ thì chúng không có hại, nhƣng nếu nguồn gốc
là hữu cơ thì chúng là dấu hiệu nhiễm bẩn và có khả năng có mặt các vi khuẩn gây
bệnh.
NO
3
-
không có hại đến sức khoẻ nhƣng nếu trong môi trƣờng khử thiếu Oxy thì đi kèm
với NO
3
-
còn có NO
2
-
, NH
4

+
gây hại đến sức khoẻ con ngƣời.
NH
4
+
+ O
2
NO
2
-




24

NO
2
-
+ O
2
NO
3
-

Ngoài ra, sự xuất hiện các nguyên tố vi lƣợng cũng là dấu hiệu của sự nhiễm bẩn.
2.4.2. Trạng thái vi khuẩn của nước dưới đất.
Đánh giá mức độ vệ sinh nƣớc ta cần xác định số lƣợng vi khuẩn (Becterium Coli).
Nồng độ nhiễm bẩn vi khuẩn đƣợc đặc trƣng bằng hệ số Côli. Hệ số này biểu thị số
lƣợng centimet khối nƣớc chứa 1 vi khuẩn Coli

Đánh giá nƣớc dựa trên hệ số coli nhƣ sau:
- Tốt nhất là nƣớc không có vi trùng.
- Nếu hệ số coli trên 50 thì nƣớc tƣơng đối sạch và an toàn.
- Nếu hệ số coli từ 10 đến 50 thì nƣớc nhiễm bẩn, song trong một số trƣờng
hợp nhất định có thể sử dụng đƣợc.
- Nếu hệ số coli từ 1 đến 10 thì nƣớc không đảm bảo về mặt vi khuẩn và không
nên dùng để ăn uống.
- Nếu hệ số coli nhỏ hơn 1, nƣớc bị nhiễm bẩn mạnh không thể sử dụng nó vào
mục đích ăn uống và sinh hoạt.
Việc lấy mẫu để phân tích vi khuẩn và và cả quá trình phân tích là do cơ quan chuyên
môn thực hiện.
2.5. Biểu diễn các kết quả phân tích thành phần hoá học của nƣớc dƣới đất.
2.5.1.Biểu diễn bằng số:
Ngƣời ta dùng 3 dạng để biểu diễn các kết quả phân tích:



25
- Khối lƣợng các chất hoà tan trong một lít nƣớc. Do lƣợng hoà tan của các chất thƣờng
bé nên đơn vị đƣợc chọn là g/l, mg/l hoặc r (r = 1 microgam/l = 0,001 mg/l).
- Gam đƣơng lƣợng hoặc miligam đƣơng lƣợng các chất hoà tan trong 1 lít nƣớc (viết
tắt là g –đl/l hoặc mg –đl/l)
- Phần trăm đƣơng lƣợng (% đl)
Để tính phần trăm đƣơng lƣợng, ngƣời ta lấy tổng số mg –đl của tất cả các anion chứa
trong một lít nƣớc là 100% và tính phần trăm mg –đl của từng anion so với tổng số ấy.
Đối với cation cũng tƣơng tự vậy.
Biểu diễn các kết quả phân tích nƣớc dƣới đất dƣới những dạng khác nhau.
Anion
Hàm lƣợng
Cation

Hàm lƣợng
mg/l
mg-đl/l
%đl

mg/l
mg-đl/l
%đl
Cl
-
125
3,57
36
Na
+
78
3,39
34
SO
4
2-
83
1,73
17
K
+
9
0,23
2
NO

3
-
5
0,08
1
Ca
2+
89
4,44
44
HCO
3
-
276
4,52
46
Mg
2+
24
1,97
20
CO
3
2-
-
-
-
Fe
2+
0,2

0,01
-
Tổng
cộng

9,90
100
Tổng
cộng

10,04
100
Dạng biểu diễn ion không phản ánh đầy đủ các tính chất của nƣớc. Dạng biểu diễn mg-
đl phản ánh bản chất hoá học của các chất tham gia vào thành phần hoá học của nƣớc.
Chú ý: tổng số mg-đl của anion bằng tổng số mg-đl của cation.
Dạng biểu diễn phần trăm đƣơng lƣợng nhằm để so sánh các loại nƣớc có độ khoáng
hoá khác nhau.
2.5.2. Biểu diễn bằng công thức:
Trong số những công thức thông dụng nhất, ngƣời ta hay dùng công thức Cuôc-lốp và
công thức thành phần muối để biểu diễn thành phần hoá học của nƣớc dƣới đất.
* Công thức Cuốc-lốp: