luận án tiến sĩ địa chất nghiên cứu xâm nhập mặn nước dưới đất trầm tích đệ tứ vùng nam định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT





HOÀNG VĂN HOAN





NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC DƯỚI ĐẤT TRẦM
TÍCH ĐỆ TỨ VÙNG NAM ĐỊNH



Ngành: Kỹ thuật địa chất Mã
số: 62.52.05.01




TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA CHẤT

Hà Nội - 2014
ii
Công trình được hoàn thành tại:
Bộ môn Địa chất Thủy văn, Khoa Địa chất
Trường Đại học Mỏ - Địa chất




NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1: PGS.TS. Phạm Quý Nhân,
Trường ĐH Tài nguyên và Môi trường Hà Nội

2: PGS.TS. Flemming Larsen,
Cục Địa chất Đan Mạch



Phản biện 1: PGS.TS Đoàn Văn Cánh
Hội Địa chất Thủy văn Việt Nam

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Hoàng
Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Hồng Đức
Trường Đại học Xây dựng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường tại
Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Vào hồi … giờ … ngày … tháng… năm …



Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc
Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất
1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Việt Nam có đường bờ biển dài hơn 3.260km, khu vực ven biển là nơi tập
trung dân cư, kinh tế, giao thông quan trọng của đất nước. Nằm ở phía đông
nam đồng bằng Bắc Bộ (ĐBBB), trên địa bàn một số huyện thuộc tỉnh Nam
Định và Ninh Bình tồn tại thấu kính nước dưới đất (NDĐ) nhạt trong trầm tích
Kainozoi. Nguồn NDĐ này đang được khai thác để phục vụ cho ăn uống, sinh
hoạt và sản xuất của nhân dân trong vùng. Trữ lượng khai thác tiềm năng
không lớn nhưng nhu cầu khai thác lớn, mực nước có xu hướng hạ thấp đáng
kể (0,5÷0,7m/năm). Nguy cơ xâm nhập mặn (XNM) đã và đang diễn ra do các
hoạt động khai thác NDĐ. Do vậy, cần phải nghiên cứu sự phân bố, hình thành,
biến đổi chất và lượng của thấu kính nước nhạt này nhằm phục vụ khai thác
bền vững, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế của địa phương.
2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu Mục
đích:
- Nghiên cứu quá trình hình thành thấu kính nước nhạt;
- Xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ;

- Xác định cơ chế XNM tầng chứa nước (TCN) Pleistocen (qp);
- Đánh giá vai trò của các cơ chế trong quá trình xâm nhập mặn.
Nhiệm vụ:
Nghiên cứu cấu trúc địa chất (ĐC), địa chất thủy văn (ĐCTV);
Phân tích, đánh giá và kết hợp các phương pháp địa vật lý (ĐVL) với
ĐCTV/thủy địa hóa, xác định hiện trạng mặn-nhạt;
Nghiên cứu sự phân bố độ mặn trong lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển
và ảnh hưởng của nó tới TCN qp;
Nghiên cứu, xác định cơ chế XNM thấu kính nước nhạt, TCN qp;
Thiết lập mô hình dòng chảy, mô phỏng sự phân bố, dịch chuyển ranh giới
mặn-nhạt và dự báo diễn biến XNM.
2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: nước dưới đất, TCN qp vùng Nam Định;
Phạm vi nghiên cứu: diện phân bố thấu kính nước nhạt, TCN qp vùng Nam
Định và các khu vực liên quan.
4. Nội dung nghiên cứu
Xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ;
Lấy mẫu, phân tích thành phần hóa học (TPHH), thành phần đồng vị của
NDĐ, nước lỗ rỗng, nước mưa, nước mặt và nước biển;
Xác định cơ chế XNM thấu kính nước nhạt trong TCN Pleistocen;
Giải đoán các tài liệu địa vật lý, địa chất thuỷ văn;
Khoan, lấy mẫu đất nguyên dạng, ép nước lỗ rỗng;
Khoan các chùm lỗ khoan ĐCTV, hút nước thí nghiệm;
Xây dựng mô hình dịch chuyển vật chất và dự báo XNM.
5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận: Tác giả luận án sử dụng các cách tiếp cận chính sau:
- Cách tiếp cận thực tế;
- Cách tiếp cận các kết quả nghiên cứu trước đó;

- Cách tiếp cận các phương pháp nghiên cứu, đánh giá hiện đại.
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp thủy địa hóa/thủy động lực: nghiên cứu, đánh giá mức độ
nhiễm mặn và các thông số địa chất thủy văn;
- Phương pháp địa vật lý: xác định khả năng dẫn điện của đất đá;
- Phương pháp đồng vị: xác định tuổi, quan hệ thủy lực giữa các TCN và
nguồn gốc của NDĐ;
- Phương pháp mô hình số: dự báo xâm nhập mặn NDĐ; - Phương pháp
chuyên gia: trao đổi, học tập từ các chuyên gia.
3

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Luận án đã góp phần làm sáng tỏ quá trình hình thành,
nguồn gốc và nguồn bổ cập cho thấu kính nước nhạt. Xác định cơ chế XNM
và vai trò của các cơ chế trong quá trình XNM. Tác giả đã thiết lập được các
phương trình tương quan giữa các thông số ĐCTV với thông số ĐVL và đồng
vị, là cơ sở áp dụng cho vùng nghiên cứu và các vùng có điều kiện ĐCTV
tương tự.
Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã xác định được hiện trạng phân bố mặn-nhạt
NDĐ, đánh giá và dự báo diễn biến XNM ở vùng nghiên cứu. Kết quả nghiên
cứu của luận án có thể là tài liệu tham khảo cho các nhà quản lý, quy hoạch tài
nguyên nước, các nhà hoạch định chính sách và các nhà khoa học nhằm phục
vụ khai thác và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên NDĐ quý giá này.
7. Luận điểm bảo vệ
Luận điểm 1: Nước nhạt trong TCN Pleistocen vùng Nam Định được hình
thành trong suốt lịch sử phát triển ĐC, ĐCTV của vùng và có sự bổ cập liên
tục bởi nước nhạt trong các thành tạo chứa nước bên dưới; nguồn bổ cập cho
thấu kính nước nhạt này từ phía tây và tây bắc.
Luận điểm 2: Thấu kính nước nhạt trong TCN Pleistocen vùng Nam Định
bị xâm nhập mặn do chênh lệch áp lực giữa vùng nước nhạt với vùng nước

mặn phía bắc và đông bắc; do lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển phủ bên trên
thông qua nhiều quá trình hóa lý, trong đó quá trình khuếch tán và phân dị
trọng lực đóng vai trò chính.
8. Những điểm mới của luận án
- Tác giả sử dụng các kết quả phân tích TPHH, thành phần đồng vị của
nước lỗ rỗng, kết hợp các kết quả địa vật lý lỗ khoan, xác định sự biến đổi độ
dẫn điện, theo chiều sâu và phân tích các quá trình ảnh hưởng của chúng tới
TCN Pleistocen.
- Luận án đã áp dụng các phương pháp ĐVL kết hợp với các phương
pháp ĐCTV để xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt của các nguồn mặn phân
bố trong các TCN và lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển trong trầm tích Đệ tứ
ở vùng nghiên cứu.
4

- Tác giả đã thiết lập được tương quan giữa các kết quả phân tích TPHH
của NDĐ (Cl
-
, TDS) với các thông số ĐVL (độ dẫn điện, điện trở suất của
khung đất đá); qua đó có thể xác định, đánh giá chất lượng NDĐ qua các thông
số ĐVL.
9. Cơ sở tài liệu
9.1. Tài liệu thu thập:
Các tài liệu và thông tin được thu thập từ các đề tài, dự án khác nhau. Đó là
các báo cáo khoa học, báo cáo tổng kết đề tài đã công bố.
9.2. Kết quả thí nghiệm, nghiên cứu hiện trường và trong phòng thực hiện
riêng phục vụ cho đề tài luận án:
Luận án đã sử dụng các nguồn số liệu, kết quả thí nghiệm hiện trường và
trong phòng do chính tác giả và các cộng tác viên trực tiếp tiến hành, phục vụ
riêng cho đề tài luận án bao gồm:
Tài liệu xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ: đo trường chuyển

(61 điểm) và các lỗ khoan nông (22 lỗ khoan);
Các tài liệu đo ĐVL lỗ khoan của 16 lỗ khoan;
Tài liệu xác định thông số ĐCTV của TCN qp từ kết quả khoan 02 chùm
và hút nước thí nghiệm tại 03 chùm lỗ khoan;
Các kết quả phân tích TPHH của (59 mẫu TCN, 27 nước lỗ rỗng);
Các kết quả phân tích thành phần đồng vị bền của nước trong TCN, nước
lỗ rỗng, nước mưa, nước mặt và nước biển (87 mẫu), đồng vị phóng xạ
(32 mẫu) và đồng vị khí trơ (8 mẫu) của NDĐ; Kết
quả quan trắc động thái NDĐ.
10. Cấu trúc luận án
Luận án gồm 160 trang với 20 biểu bảng, 94 hình vẽ và 122 tài liệu tham
khảo. Cấu trúc luận án như sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu xâm nhập NDĐ
Chương 2: Sự hình thành thấu kính nước nhạt
5

Chương 3: Nghiên cứu hiện trạng phân bố mặn-nhạt NDĐ
Chương 4: Cơ chế XNM thấu kính nước nhạt, TCN Pleistocen
Chương 5: Diễn biến XNM thấu kính nước nhạt TCN Pleistocen Kết
luận và kiến nghị
11. Lời cảm ơn
Luận án được hoàn thành tại Bộ môn Địa chất Thuỷ văn, Khoa Địa
chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS.
Phạm Quý Nhân và PGS.TS. Flemming Larsen. Trong suốt thời gian nghiên
cứu, viết luận án, tác giả cũng luôn nhận được sự giúp đỡ, góp ý, của các thầy
cô giáo Bộ môn Địa chất Thuỷ văn và các nhà khoa học: PGS.TS. Nguyễn
Văn Lâm, PGS.TS. Nguyễn Kim Ngọc, PGS.TS. Đoàn Văn Cánh, PGS.TS.
Phan Ngọc Cừ, TS. Đặng Đình Phúc, TS. Đặng Đức Nhận, PGS.TS. Nguyễn
Văn Đản, PGS.TS. Nguyễn Văn Hoàng, TS. Vũ Kim Tuyến, TS. Nguyễn Thị

Thanh Thủy, TS. Dương Thị Thanh Thủy, ThS. Kiều Thị Vân Anh, GS.TS.
Dieke Postma, TS. Frank Wagner, PGS.TS. Christiansen V. Anders, ThS.
Trần Vũ Long, ThS. Đặng Trần Trung, ThS. Nguyễn Thế Chuyên, ThS. Trần
Thành Lê và các đồng nghiệp trong dự án VietAS cũng như nhiều cán bộ khoa
học, chuyên môn trong và ngoài trường.
Một lần nữa tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với tất cả
những giúp đỡ quý báu đó!

Chương 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU XÂM NHẬP MẶN NƯỚC
DƯỚI ĐẤT
1.1. Tổng quan về nghiên cứu xâm nhập mặn NDĐ trên thế giới
Trên cơ sở tổng hợp và phân tích kết quả của các công trình khoa học đã
được công bố về nghiên cứu XNM trên thế giới cho thấy, tất cả các công trình
nghiên cứu đều sử dụng kết hợp các phương pháp khác nhau để giải quyết một
vấn đề cụ thể nào đó như đánh giá hiện trạng, xác định nguyên nhân, giải pháp
khắc phục…
Nhận xét chung:
6

Nguyên nhân gây nên XNM các thể chứa nước, thấu kính nước nhạt ở mỗi
khu vực có thể khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện ĐC, ĐCTV, cũng như lịch
sử tiến hóa ĐC, ĐCTV của từng khu vực. Các công trình nghiên cứu đều sử
dụng nhiều phương pháp khác nhau. Tổng hợp các công trình nghiên cứu có
thể phân thành 4 nhóm phương pháp nghiên cứu chính được các nhà khoa học
sử dụng bao gồm:
Nhóm phương pháp thủy địa hóa/thủy động lực;
Nhóm phương pháp đồng vị;
Nhóm phương pháp địa vật lý;
Nhóm phương pháp mô hình số.
1.2. Tổng quan nghiên cứu xâm nhập mặn NDĐ ở Việt Nam

Xâm nhập mặn NDĐ đã và đang được các nhà khoa học Việt Nam quan
tâm, hiện tượng này xảy ra ở các vùng đồng bằng ven biển, dải cồn cát ven
biển và các hải đảo… do tác động của con người và các yếu tố biến đổi tự
nhiên của môi trường gây ra.
Nhận xét chung:
Các nghiên cứu XNM thường được kết hợp trong các báo cáo đánh giá tài
nguyên NDĐ, chủ yếu là điều tra, khảo sát xác định ranh giới mặn-nhạt với
ranh giới TDS=1g/l, tính toán thời gian và tốc độ dịch chuyển ranh giới trên
cơ sở điều kiện địa chất thủy văn của vùng nghiên cứu và lưu lượng khai thác
yêu cầu. Các nghiên cứu trong nước thường áp dụng 3 nhóm phương pháp
chính bao gồm:
Nhóm phương pháp thủy địa hóa/thủy động lực;
Nhóm phương pháp địa vật lý;
Nhóm phương pháp mô hình số.
1.3. Lịch sử nghiên cứu địa chất, ĐCTV vùng Nam Định
Các nghiên cứu địa chất, địa chất thủy văn của vùng Nam Định luôn gắn
liền với lịch sử nghiên cứu của cả ĐBBB, bên cạnh đó đã có gần 20 đề tài dự
án đã được thực hiện tại vùng Nam Định. Các đề tài, dự án đã cho thấy bức
tranh tổng thể về điều kiện địa chất, địa chất thủy văn vùng Nam Định.
7


Chương 2 - SỰ HÌNH THÀNH THẤU KÍNH NƯỚC NHẠT
2.1. Vị trí vùng nghiên cứu
Vùng nghiên cứu nằm ở phía đông nam ĐBBB, gồm khu vực tỉnh Nam
Định và các huyện Kim Sơn, Yên Mô, Yên Khánh, Gia Viễn tỉnh Ninh Bình.
Phía bắc giáp tỉnh Hà Nam, phía đông bắc giáp tỉnh Thái Bình, phía đông nam
giáp biển Đông.
2.2. Đặc điểm địa chất
2.2.1. Đặc điểm địa tầng

2.2.1.1. Đặc điểm địa tầng vùng Nam Định
Giới Proterozoi
Các thành tạo Proterozoi trong khu vực thuộc hệ tầng Sông Hồng, phân bố
rộng khắp trong vùng nghiên cứu. Thành phần khoáng vật gồm gnei biotit,
silimanit, granat…
Giới Mesozoi
Các thành tạo Mesozoi trong vùng chủ yếu thuộc hệ Triat, thành phần là
đá vôi dạng khối, sáng màu, đá vôi sét, lộ trên mặt ở phía tây, tây bắc vùng
nghiên cứu, thuộc tỉnh Ninh Bình.
Giới Kainozoi - hệ Neogen - thống Pliocen
Gồm các thành tạo của hệ tầng Vĩnh Bảo, Tiên Hưng. Thành phần trầm
tích gồm cát kết hạt nhỏ đến trung lẫn sạn sỏi, xen kẹp sét bột kết.
Hệ Đệ tứ
Thống Pleistocen, phụ thống dưới, hệ tầng Lệ Chi (amQ
1
1
lc)
Các trầm tích của hệ tầng Lệ Chi không lộ trên mặt, bắt gặp tại phần lớn
các lỗ khoan trong vùng nghiên cứu. Thành phần thạch học gồm cát sạn lẫn
bột, sét màu xám, xám tro. Chiều sâu phân bố của hệ tầng từ 79m đến 132,8m.
Chiều dày thay đổi từ 4m đến 26,2m.
Thống Pleistocen, phụ thống giữa-trên, hệ tầng Hà Nội (a,amQ
1
2-3
hn)
Các trầm tích của hệ tầng Hà Nội phân bố rộng khắp trong vùng nghiên
cứu. Thành phần chủ yếu là cát, sạn sỏi xám xanh, xám vàng.
8

Thống Pleistocen, phụ thống trên, hệ tầng Vĩnh Phúc (a,am,mQ

1
3
vp)
Trong vùng nghiên cứu, các trầm tích Pleistocen trên thuộc hệ tầng Vĩnh
Phúc. Thành phần thạch học là cát, cát pha và sét, sét bột.
Thống Holocen, phụ thống dưới-giữa, hệ tầng Hải Hưng (mQ
2
1-2
hh) Các trầm
tích của hệ tầng Hải Hưng được chia làm 3 kiểu nguồn gốc. Thành phần thạch
học là cát, cát pha, bột, sét màu tím thẫm, xám xanh nhạt xen lớp tàn tích thực
vật.
Thống Holocen, phụ thống trên, hệ tầng Thái Bình (Q
2
3
tb)
Hệ tầng Thái Bình được phân chia chi tiết thành hai phụ hệ tầng. Thành
phần trầm tích chủ yếu là sét bột lẫn cát hạt mịn.
2.2.1.2. Đặc điểm địa tầng vùng thềm lục địa khu vực nghiên cứu
Trầm tích biển khu vực nghiên cứu theo kiểu trầm tích bãi triều cửa sông
châu thổ do thủy triều, có thành phần chủ yếu là cát, sạn, bột, sét, hạt mịn dần
theo hướng từ đất liền ra biển.
2.2.2. Đặc điểm cấu trúc địa chất vùng nghiên cứu
2.2.2.1. Đặc điểm cấu trúc địa chất vùng Nam Định
Trong vùng nghiên cứu tồn tại hai hệ thống đứt gãy chính, vuông góc nhau
là hệ thống đứt gãy hướng tây bắc - đông nam (TB-ĐN) và hệ thống đứt gãy
hướng đông bắc - tây nam (ĐB-TN).
2.2.2.2. Đặc điểm cấu trúc địa chất phía tây vùng Nam Định
Vùng nghiên cứu nằm ở rìa phía đông nam ĐBBB, nơi giáp ranh giữa các
thành tạo Đệ tứ và các thành tạo tuổi Triat, chủ yếu thuộc hệ tầng Đồng Giao

(T
2
ađg), là các đá có khả năng chứa và lưu thông nước rất tốt, với hệ thống
các đứt gãy theo hướng TB-ĐN, hướng cắm vào các thành tạo Kainozoi trong
vùng nghiên cứu.
2.2.2.3. Đặc điểm cấu trúc địa chất vùng thềm lục địa vùng NC
Vùng nghiên cứu nằm ở khu vực phía tây bắc bể trầm tích sông Hồng, nơi
tập trung nhiều đứt gãy lớn hướng TB-ĐN.
2.3. Đặc điểm địa chất thủy văn
2.3.1. Các tầng chứa nước
2.3.1.1. TCN trong trầm tích Holocen trên (qh
2
)
9

Phân bố trên toàn diện tích phần đồng bằng, thành phần đất đá chứa nước
gồm cát, cát pha của hệ tầng Thái Bình.
2.3.1.2. TCN trong trầm tích Holocen dưới (qh
1
)
TCN này phân bố không đều khắp vùng nghiên cứu, không lộ ra trên mặt.
Thành phần đất đá chứa nước gồm cát hạt mịn, cát pha, bột sét có nguồn gốc
sông đầm lầy, đầm lầy biển, biển.
2.3.1.3. TCN Pleistocen (qp)
TCN Pleistocen phân bố rộng khắp diện tích phần đồng bằng, thành phần
thạch học bao gồm cát sạn sỏi lẫn ít cuội đa khoáng thuộc hệ tầng Vĩnh Phúc,
Hà Nội và Lệ Chi.
2.3.1.4. TCN Pliocen (n
2
)

Phân bố rất rộng rãi khắp vùng nghiên cứu. Thành phần thạch học gồm cát
kết hạt nhỏ, hạt trung lẫn sạn kết, bột kết, sét kết. Mức độ gắn kết của đất đá
yếu. Nước tồn tại dưới dạng khe nứt-lỗ hổng.
2.3.1.5. TCN các trầm tích cacbonat, triat giữa (t
2
)
Các thành tạo chứa nước này phân bố ở phía tây vùng nghiên cứu, đất đá
chứa nước là đá vôi khe nứt karst.
2.3.2. Các thành tạo địa chất nghèo nước, cách nước
2.3.2.1. Các thành tạo địa chất rất nghèo nước hệ tầng Hải Hưng
Phân bố rộng khắp vùng nghiên cứu, thành phần là sét, sét bột, sét cát có
nguồn gốc biển có chiều dày từ 3m đến 40m, trung bình 13m.
2.3.2.2. Các thành tạo rất nghèo nước hệ tầng Vĩnh Phúc
Phân bố rộng rãi trong vùng, thành phần thạch học chủ yếu là sét, sét bột
nguồn gốc biển, sông biển, chiều dày từ 7m đến 34m.
2.3.2.3. Các thành tạo địa chất nghèo nước đá biến chất
Các thành tạo đá biến chất phức hệ sông Hồng, phân bố ở hầu khắp vùng
nghiên cứu, lộ trên mặt dưới dạng các đồi bát úp nằm rải rác khu vực núi Gôi,
núi Hổ, núi Xá… và phân bố sâu dần theo hướng ra biển.
2.3.3. Đặc điểm thuỷ địa hoá
2.3.3.1. Đặc điểm thuỷ hoá TCN qh
1
và qh
2

10

Phần lớn nước trong TCN qh
2
có TDS>1g/l. Toàn bộ các điểm khảo sát

NDĐ trong TCN qh
1
có TDS>1g/l.
2.3.3.2. Đặc điểm thuỷ hoá TCN qp
Vùng nước nhạt chiếm diện tích khá lớn ở phía nam, đông nam, thuộc các
huyện Hải Hậu, Nghĩa Hưng và một phần của các huyện Giao Thuỷ, Nam
Trực, Trực Ninh, Ý Yên, Kim Sơn, Yên Khánh. Vùng nước nhạt phân bố trên
phần đất liền và cả ở phần thềm lục địa gần bờ; vùng nước mặn phân bố ở phía
đông bắc và phía giáp tỉnh Thái Bình. Loại hình hoá học chủ yếu là Clorua
Natri.
2.3.4. Cấu trúc địa chất thủy văn vùng nghiên cứu
Vùng nghiên cứu nằm sát biển, có hai loại địa hình: Loại 1: núi đá vôi, độ
cao trung bình thuộc địa phận Ninh Bình, nằm trong đới nâng Tây Nam; loại
2: địa hình bằng phẳng, nằm trong trũng Hà Nội, chịu tác động mạnh của cả
sông và biển.
Trong các thành tạo trước Kainozoi đã phát hiện khá nhiều đứt gãy kiến
tạo phát triển theo hai hướng chính là TB-ĐN và ĐB-TN, các đứt gãy này đã
chia đá gốc thành các khối nâng hạ khác nhau và được thành tạo Kainozoi phủ
bên trên. Các đứt gãy kiến tạo đóng vai trò là những kênh dẫn nước từ các
vùng núi cao thuộc đới nâng Tây Nam và có khả năng thoát ngầm vào các
thành tạo Neogen và Đệ tứ.
2.4. Quá trình hình thành thấu kính nước nhạt
2.4.1. Quá trình tiến hóa trầm tích trong Kainozoi
Điều kiện địa chất, ĐCTV, lịch sử phát triển và cấu trúc ĐC, ĐCTV là các
yếu tố tự nhiên quyết định sự hình thành thấu kính nước nhạt.
2.4.1.1. Giai đoạn phát triển trầm tích trong Neogen
Các trầm tích hệ tầng Tiên Hưng, Vĩnh Bảo được thành tạo và lấp đầy các
vùng trũng. Thành phần trầm tích bao gồm sét kết, bột kết, cát kết lẫn sạn, có
tướng biển nông ven bờ.
2.4.1.2. Giai đoạn phát triển trầm tích trong Đệ tứ

Vùng nghiên cứu nằm ở nơi tiếp giáp giữa đồng bằng và biển. Do tác dụng
tương hỗ giữa sông và biển, tại đây vùng tiền tam giác châu được hình thành.
11

2.4.2. Giả thiết về quá trình hình thành thấu kính nước nhạt
- Vào thời kỳ Pliocen muộn, khoảng 1,8 triệu năm trước đây (BP), nước
biển rút ra, vùng nghiên cứu tồn tại môi trường lục địa, thành tạo chứa nước
hệ tầng Vĩnh Bảo, TCN này được cung cấp bởi nước mưa và các TCN bên
dưới cung cấp theo các đứt gãy, khe nứt karst.
- Sang đầu Pleistocen sớm, nước biển tiến vào thành tạo hệ tầng Lệ Chi,
vùng nghiên cứu thuộc vùng cửa sông, nước có tổng khoáng hóa cao hơn có
thể xâm nhập vào TCN Neogen.
- Thời kỳ Pleistocen giữa-muộn, biển lùi ra xa dần khỏi vùng nghiên
cứu, mực nước biển thấp hơn mực nước biển hiện nay lớn nhất khoảng 120m,
thành tạo hệ tầng Hà Nội. Quá trình xâm thực diễn ra mạnh mẽ, đồng thời quá
trình lắng đọng trầm tích sông, quá trình thấm của nước mưa, nước mặt và
nước cấp từ đá gốc.
- Vào cuối Pleistocen, khoảng 15.000 đến 14.000 năm BP, mực nước
biển bắt đầu dâng cao, bắt đầu thời kỳ biển tiến Flandrian, trầm tích Pleistocen
vùng Nam Định bắt đầu bị chìm trong nước biển.
- Thời kỳ biển tiến Holocen, vào khoảng thời gian 6.000 năm BP, thời
kỳ này mực nước biển lên cao nhất. Khi nước biển tràn lên, các trầm tích hạt
mịn được lắng đọng, ngăn cách nước biển với nước trong TCN Pleistocen
trước đó và biến TCN Pleistocen thành TCN có áp.
- Thời kỳ biển thoái trong Holocen, khoảng 4.000 năm BP, mực nước
biển bắt đầu hạ dần, gradien thủy lực trong các TCN giữa nguồn cấp từ các
thành tạo đá gốc phía tây bắc và các trầm tích Đệ tứ tăng lên; dòng nước nhạt
thắng thế và thay thế nước mặn trong các TCN.
2.5. Nguồn bổ cập cho thấu kính nước nhạt
2.5.1. Phương pháp nghiên cứu

Áp dụng kỹ thuật đồng vị kết hợp nghiên cứu cấu trúc ĐC, ĐCTV, xác định
hướng vận động của NDĐ trong các thành tạo Đệ tứ và trước Đệ tứ, nghiên
cứu nguồn gốc, quan hệ thủy lực giữa các TCN.
* Nghiên cứu nguồn gốc NDĐ trên cơ sở thành phần đồng vị bền
12

Hydro và Oxy là thành phần cấu tạo của phân tử nước, có hai đồng vị bền
là Deuteri (D hay
2
H) và
18
O. Trong tự nhiên, thành phần đồng vị của nước sẽ
thay đổi trong các quá trình chuyển pha.
* Nghiên cứu hướng dòng chảy NDĐ bằng phương pháp định tuổi, sử
dụng các đồng vị phóng xạ
Xác định tuổi của NDĐ bằng kỹ thuật đồng vị dựa trên cơ sở phân rã của
các đồng vị phóng xạ có trong thành phần của phân tử nước hoặc trong thành
phần của các chất hoặc khoáng chất tan trong nước.
2.5.2. Kết quả nghiên cứu
2.5.2.1. Thành phần đồng vị bền của các mẫu nước nghiên cứu
Thành phần đồng vị bền của nước trong TCN với δ
2
H thay đổi từ
72,58‰ đến -2,12‰ và δ
18
O thay đổi từ -8,99‰ đến -0,86‰, cho thấy nước
trong TCN có cả nguồn gốc biển và nguồn gốc khí tượng.
2.5.2.2. Hoạt độ phóng xạ của
14
C và thành phần đồng vị bền

13
C
Tỷ số hoạt độ phóng xạ (
14
a) của đồng vị
14
C trong hợp chất Cacbon vô cơ
(DIC) của các mẫu nước ở độ sâu khác nhau cho thấy thời gian lưu của nước
trong TCN khác nhau. Đồng vị bền
13
C đóng vai trò chất chỉ thị trong việc xác
định nồng độ ban đầu của mẫu nghiên cứu.
2.5.2.3. Kết quả nghiên cứu đồng vị khí trơ và Triti
Các đồng vị khí trơ và Triti cho phép xác định thời gian lưu của nước
trong TCN đến 1.500 năm. Các mẫu tại các lỗ khoan trên tuyến mặt cắt CD
(hình 4.4) có giá trị giảm dần theo hướng từ tây-bắc xuống đông-nam, điều
này cho thấy thời gian lưu của NDĐ tăng theo hướng từ tây-bắc xuống
đôngnam.
2.5.3. Phân tích và thảo luận kết quả
2.5.3.1. Nguồn bổ cập và nguồn gốc NDĐ trong vùng nghiên cứu
Thành phần đồng vị bền của nước trong TCN qp ở một số cụm quan trắc
được bổ cập từ tầng Neogen và Triat. Đồng vị bền của nước trong TCN qp
nằm sát đường nước khí tượng địa phương, cho thấy nước trong TCN qp ở các
vị trí này được bổ cập từ nước khí tượng.
2.5.3.2. Xác định hướng dòng chảy NDĐ trên cơ sở kết quả xác định
thời gian lưu của nước trong TCN
13

Kết quả phân tích thành phần đồng vị phóng xạ
14

C và thời gian lưu của
nước tại các lỗ khoan trong các TCN Neogen và Triat trên toàn vùng nghiên
cứu cho thấy: thời gian lưu của nước trong TCN qp lớn nhất đạt 12.900 năm
và nhỏ nhất là 1.100 năm (hình 2.1). Nước nhạt trong TCN qp ở trung tâm của
tích thành phần đồng vị theo mặt cắt CD (trên hình 4.4)
Nước trong TCN nứt nẻ, karst có hướng vận động theo hướng TB-ĐN và
từ hướng tây, tây-bắc ra biển. Với việc kết hợp giữa nghiên cứu đặc điểm địa
chất, địa hình địa mạo, ĐCTV với các kết quả nghiên cứu đồng vị (
14
C,
3
H,
39
Ar/
40
Ar,
3
He) tại các cụm lỗ khoan quan trắc theo tuyến mặt cắt CD cho thấy
xu hướng nước càng sâu tuổi càng trẻ. Vận động của NDĐ từ thành tạo Triat
đến TCN qp theo 3 cách:
1) Nước trong thành tạo Triat cung cấp trực tiếp cho TCN qp;
2) Nước trong thành tạo Triat qua Neogen cung cấp cho TCN qp;
3) Nước trong thành tạo Triat cung cấp cho Neogen qua các đứt
gãy trong thành tạo Proterozoi và tới TCN qp.

Chương 3 - NGHIÊN CỨU HIỆN TRẠNG PHÂN BỐ MẶN NHẠT
NƯỚC DƯỚI ĐẤT
3.1. Cơ sở lựa chọn phương pháp áp dụng
Tính chất mặn-nhạt của nước phụ thuộc vào tổng hàm lượng các muối hòa
tan trong nước. Điều này thể hiện qua khả năng dẫn điện hay ĐTS của nước.

14

Do vậy, xác định độ dẫn điện (hay ĐTS) của nước có thể đánh giá được tính
chất, mức độ mặn-nhạt của nước.
3.1.1. Điện trở suất của TCN
Loại dẫn điện trong đất đá trầm tích là loại dẫn điện điện tử và dẫn điện
ion, xảy ra ở phần khung của khoáng vật tạo đá, hay nói cách khác phần tử tải
điện là các electron.
3.1.2. Cơ sở phương pháp trường chuyển
Phương pháp trường chuyển nghiên cứu trường thứ sinh do các dòng cảm
ứng xuất hiện trong đất đá nghiên cứu.
3.1.3. Cơ sở phương pháp đo cảm ứng (đo độ dẫn điện)
Phương pháp đo độ dẫn điện (induction) đo khả năng dẫn điện của đất đá
nghiên cứu. Bản chất của phương pháp là nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện
từ của đất đá (thành hệ) xung quanh thành lỗ khoan.
3.2. Kết quả áp dụng phương pháp trường chuyển
3.2.1. Vị trí khu vực khảo sát
Do điều kiện vùng nghiên cứu tương đối rộng, việc áp dụng các dạng công
tác, phương pháp nghiên cứu khác nhau không cho phép thực hiện trên toàn
bộ vùng. Vị trí lựa chọn áp dụng các phương pháp cho nơi có biến đổi lớn
nhất thuộc huyện Giao Thủy và Xuân Trường.
3.2.2. Kết quả khảo sát
Sử dụng các phần mềm SiTEM/SEMDI phân tích định lượng các điểm đo,
kết hợp các kết quả phân tích TPHH của NDĐ, thiết lập phương trình hồi qui
và kiểm chứng xác định giới hạn mặn-nhạt khu vực nghiên cứu. Ranh giới của
miền giá trị mặn-nhạt là 12,2ohm.m.
3.2.3. Phân tích kết quả khảo sát
Lớp thứ nhất: có giá trị điện trở suất tương đối cao;
Lớp thứ hai: phân bố, đóng vai trò như lớp chuyển tiếp; Lớp thứ
ba: có giá trị ĐTS rất nhỏ, từ 0,6ohm.m đến 2,2ohm.m;

Lớp thứ tư: khoảng biến đổi lớn, ĐTS nhỏ dần từ tây sang đông.
Lớp thứ năm: có ĐTS tương đối cao (từ 12÷35ohm.m).
15

3.3. Kết quả xác định phân bố mặn-nhạt NDĐ bằng phương pháp ĐVL
lỗ khoan
3.3.1. Vị trí khảo sát và khối lượng thực hiện
Các lỗ khoan đo ĐVL lỗ khoan (karota) phân bố đều trên phạm vi vùng
nghiên cứu, khối lượng thực hiện gồm 16 lỗ khoan.
3.3.2. Kết quả XĐ hiện trạng phân bố mặn-nhạt theo chiều sâu
Kết quả đo đạc, phân tích TPHH nước lỗ rỗng đã cho thấy phân bố độ mặn
(TDS) trong NDĐ rất cao (hơn 37g/l) trong lớp thấm nước yếu, giá trị lớn nhất
ở giữa lớp và giảm dần về phía mặt lớp và đáy lớp.
3.4. Kết quả khoan khảo sát địa chất thủy văn
Các lỗ khoan khảo sát ĐCTV nhằm thiết lập các cặp tương quan hồi quy
giữa giá trị ĐTS với TDS, phân tích TPHH của nước, đánh giá hiện trạng phân
bố mặn-nhạt của nước trong các TCN nghiên cứu.
3.5. Kết quả phân tích TPHH nước lỗ rỗng
Kết quả phân tích 27 mẫu nước lỗ rỗng, được ép từ lớp trầm tích thấm nước
yếu nguồn gốc biển, tại 02 vị trí lấy mẫu VietAS_ND01 và VietAS_ND02 đã
làm sáng tỏ được TPHH, xác định được khả năng tương quan về độ dẫn điện
của nước lỗ rỗng và độ dẫn điện của tầng, hệ số tương quan cao (R
2
= 0,9262).
Kết quả này cho thấy độ dẫn điện của lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển vùng
Nam Định là do nước lỗ rỗng chi phối. Sự phân bố TDS của nước lỗ rỗng
(hình 3.1) giá trị lớn ở giữa lớp (hơn 37g/l), nhỏ dần về
16

trong lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển (vị trí tuyến trên hình 4.4)

3.6. Tổng hợp kết quả xác định hiện trạng phân bố mặn-nhạt Kết
quả tổng hợp các tài liệu nghiên cứu vùng Nam Định (hình 3.2):
- Nước trong TCN Holocen trên (qh
2
), đa số mẫu có TDS>1g/L.
- TCN Holocen dưới (qh
1
) đã bị nhiễm mặn hoàn toàn.
- TCN Pleistocen có ranh giới mặn-nhạt nằm về phía bắc và đông
bắc và phía tây nam của thấu kính (hình 4.4).
- Các kết quả khảo sát đều cho thấy các trầm tích hạt mịn (sét,
sét pha) có hàm lượng TDS rất lớn, phân bố trên toàn bộ diện tích vùng
nghiên cứu, hàm Chương 4 - CƠ CHẾ XÂM NHẬP MẶN THẤU KÍNH
NƯỚC NHẠT
TẦNG CHỨA NƯỚC PLEISTOCEN
phía mặt lớp và đáy lớp.








Hình 3.1: Mặt cắt thủy địa hóa GH - phân bố hàm lượ
ng TDS của nước lỗ rỗng
G

H

17

4.1. Cơ sở lý thuyết về dịch chuyển chất hòa tan trong NDĐ
4.1.1. Các quá trình dịch chuyển chất hòa tan
4.1.1.1. Quá trình dịch chuyển đối lưu
Quá trình các chất hoà tan được vận chuyển theo dòng chảy NDĐ được gọi
là dịch chuyển đối lưu.
4.1.1.2. Quá trình phân tán
a. Quá trình phân tán cơ học
Quá trình phân tán cơ học học là quá trình các chất hòa tan dịch chuyển
qua môi trường lỗ hổng và theo 2 phương: dọc và ngang.
b. Quá trình phân tán thuỷ động lực
Quá trình phân tán thủy động lực bao gồm hai quá trình kết hợp nhau là
phân tán cơ học và khuếch tán phân tử. Thông số đặc trưng cho quá trình này
là các hệ số phân tán thuỷ động lực (D
L
và D
T
).
4.1.1.3. Quá trình khuếch tán phân tử
Khuếch tán phân tử xảy ra khi có sự chênh lệch nồng độ. Các tính toán của
luận án trên cơ sở định luật Fick trong môi trường trầm tích.
4.1.1.4. Các quá trình thủy địa hóa liên quan khác
Các quá trình khác liên quan khác có thể xảy ra bao gồm: quá trình hấp
phụ, phân rã, các phản ứng Axít/bazơ, sự liên kết các ion thành các phần tử
trung tính, các phản ứng ôxy hóa khử, các quá trình kết tủa, hòa tan và các quá
trình hấp thụ và quá trình trao đổi ion.

18

4.1.2. Đặc trưng của dịch chuyển mặn trong NDĐ
4.1.2.1. Ảnh hưởng của tỷ trọng đến sự phân bố của nước mặn
19

Ảnh hưởng của tỷ trọng chất lỏng đến sự phân bố trong không gian theo
mô hình quan hệ của Ghyben-Herzberg (H=40h).
4.1.2.2. Dịch chuyển chất hòa tan do chênh lệch về tỷ trọng
Dịch chuyển chất hòa tan do chênh lệch tỷ trọng chất lỏng chủ yếu bị ảnh
hưởng bởi lực hấp dẫn. Định luật Darcy viết cho dịch chuyển vật chất do ảnh
hưởng của tỷ trọng chất lỏng là cơ sở tính toán, đánh giá định lượng XNM
TCN qp từ lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển.
4.2. Cơ chế XNM thấu kính nước nhạt, TCN qp vùng Nam Định
4.2.1. Khái niệm chung và định hướng nghiên cứu cơ chế XNM thấu
kính nước nhạt, TCN Pleistocen 4.2.1.1. Khái niệm chung
Cơ chế XNM là các phương thức hoặc cách thức xâm nhập của nước mặn
vào các thể địa chất chứa nước nhạt (làm tăng nồng độ muối của nước) trong
tầng chứa hoặc thấu kính nước nhạt.
4.2.1.2. Định hướng nghiên cứu cơ chế XNM NDĐ trong trầm tích Đệ
tứ vùng Nam Định
Trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu trước đây cho thấy định hướng nghiên
cứu phù hợp khi làm rõ được các yếu tố sau:
1) Trong vùng nghiên cứu tồn tại những nguồn mặn nào?
2) Phân bố của các nguồn mặn này so với TCN nghiên cứu?
3) Ảnh hưởng của các nguồn mặn đến các TCN?
Các kết quả nghiên cứu địa chất, địa chất thủy văn, thủy địa hóa cho thấy
trong vùng nghiên cứu tồn tại 3 nguồn mặn chính là:
- Nước mặn phân bố trên bề mặt (nước biển);

- Nước mặn nằm trong cùng TCN Pleistocen với nước nhạt; -
Nước mặn trong lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển.





20





















4.2.2. Xâm nhập mặn TCN Pleistocen do ảnh hưởng của lớp thấm nước

yếu nguồn gốc biển
4.2.2.1. Sự phân bố của lớp thấm nước yếu
Sự phân bố của lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển được xác định trên cơ
sở tài liệu đo địa vật lý lỗ khoan kết hợp với các tài liệu khoan thăm dò, lớp
này nằm dưới TCN qh
2
và nằm trên TCN qp, thuộc hệ tầng Hải Hưng và hệ
tầng Vĩnh Phúc. Chiều dày thay đổi từ 20÷95m.
4.2.2.2. Sự phân bố độ mặn trong lớp thấm nước yếu
21

Các kết quả phân tích và tính toán sự phân bố độ mặn trong lớp thấm nước
yếu nguồn gốc biển đã được trình bày chi tiết trong chương 3. Sự phân bố độ
mặn theo mặt cắt cho thấy hàm lượng TDS lớn nhất phân bố ở độ sâu từ 20m
đến 30m (hơn 37g/l) và giảm dần về phía mặt và đáy của lớp thấm nước yếu.
4.2.2.3. Kết quả phân tích thành phần đồng vị bền nước lỗ rỗng
Kỹ thuật đồng vị ứng dụng trong nghiên cứu này nhằm xác định khả năng
hòa trộn của nước có nguồn gốc khí tượng (nước trong TCN) và nước có nguồn
gốc biển (nước trong lớp thấm nước yếu). Các kết quả phân tích cho thấy nước
lỗ rỗng trong lớp thấm nước yếu hiện nay vừa có nguồn gốc biển, vừa có nguồn
gốc khí tượng (hình 4.2).
δ
18
O (‰)
-8 -6
-4
-2
0
δ
2

H (‰)
-60 -50
-40
-30
-20
-10
0
EC (µS/cm)
0 20000
40000
60000

-12 -11 -10 -9
-8 -7 -6
-5 -4 -3
-2 -1 0
0
0

100

0

100



(EC)
0
10

20
30
40
50
60
70
80
90
100


-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80

VietAS_ND01
VietAS_ND02
Nước biển Tầng chứa nước qp

Hình 4.1: Phân bố theo chiều sâu của Hình 4.2: Thành phần đồng vị bền đồng
vị bền và EC tại LK VietAS_ND01 nước lỗ rỗng, nước biển và TCN qp
4.2.2.4. Kết quả xác định hệ số khuếch tán
Thí nghiệm xác định hệ số khuếch tán của Clo (NaCl) trong môi trường
trầm tích (lớp thấm nước yếu nguồn gốc biển) trên cơ sở xác định sự biến đổi
10

20
30
40
50
60
70
80
90
(
δ
18
O
)

10
20
30
40
50
60
70
80
90
(
δ
2
H)
δ
18
O (‰)

Đường nước khí
tượng địa phương
Nước dưới
đất, tầng
qp


Nước biển

N
ư
ớc

l
ỗ
ng
Nước lỗ rỗ

22

nồng độ NaCl (EC) theo thời gian tại bề mặt tiếp xúc giữa mẫu thí nghiệm và
nước. Giá trị trung bình là D
e
= 0,6*10
-9
m
2
/s.
4.2.2.5. Kết quả mô hình SEAWAT
Kết quả mô hình 1 chiều mô phỏng sự phân bố hàm lượng muối theo thời

gian với các hệ số thấm khác nhau của lớp thấm nước yếu, đánh giá ảnh hưởng
của hệ số thấm tới phân bố và vận động của muối do khuếch tán phân tử cũng
như phân dị trọng lực.
4.2.2.6. Cơ chế XNM TCN Pleistocen do ảnh hưởng của lớp thấm nước
yếu nguồn gốc biển
Từ kết quả đo ĐVL lỗ khoan và kết quả phân tích TPHH của nước lỗ rỗng
(hình 4.3), cũng như các đồ thị tương quan cho thấy độ dẫn điện của khung
đất đá bị chi phối bởi nước lỗ rỗng; kết quả đo địa vật lý lỗ khoan hoàn toàn
có thể sử dụng để xác định dịch chuyển mặn của nước lỗ rỗng trong lớp trầm
tích biển xuống TCN qp.