Chương 5 4 tác dụng địa chất của nước dưới đất

5.4. TÁC DỤNG ĐỊA CHẤT
CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT


5.4.1. Khái niệm chung về nước dưới đất (ground water)
5.4.1.1. Khái niệm chung về nước dưới đất
 Nước dưới đất: tất cả các loại nước (tồn tại các dạng khác nhau) ph/bố trong các lỗ
hổng, kh/nứt, hang động ngầm của đất đá nằm dưới mặt đất.
 Tồn tại ở 3 tr/thái: rắn, lỏng, khí và có thể chuyển đổi từ tr/thái này sang tr/thái kia.
 Nước ngầm (phreatic water) là một loại trong nước dưới đất.


 Nước dưới đất có diện ph/bố rộng rãi từ vùng ẩm ướt cho đến các sa mạc, ở núi cao, ở vùng cực của TĐ.
 Là một loại kh/sản lỏng, phục vụ công nghiệp, sinh hoạt dân dụng (nước khoáng, nóng..), nông nghiệp.
 Ph/bố trên diện rộng và có ý nghĩa q/trọng đối với hệ thực vật và hệ sinh vật đất.

Chu kỳ tuần hoàn của nước


5.4.1.2. Các trạng thái của nước dưới đất phân bố trong các đá:
1-Nước ở tr/thái hơi: phân bố tự do trong không khí, trong kh/nứt.
2-Nước hấp phụ (hydroscopic water) = nước liên kết v/lý, các phân
tử nước bám chắc vào bề mặt k/vật của đá do lực hút điện phân tử
giữa d/tích bề mặt k/vật và phân tử lưỡng cực của nước. Nước tạo 1
lớp phân tử bao quanh k/vật. Khi To >105-110oC thì nước bốc hơi.
3-Nước màng mỏng (thinfirm water): trên bề mặt đá (gồm các lớp phân tử nước liên kết với
nhau nhờ lực phân tử). Màng càng lớn thì lực liên kết phân tử ở phía ngoài rìa càng nhỏ hơn.
Do đó chúng có thể di chuyển dần từ màng dày sang màng mỏng hơn cho đến lúc cân bằng.
4-Nước mao quản (capillary water): ph/bố trong 1 phần hoặc cả độ cao của ống mao quản trong
đá có lỗ rỗng nhỏ, ở các kh/nứt của đá, trong thổ nhưỡng. Có sức căng bề mặt lớn.
5-Nước trọng lực (nước tự do) (gravity water): ph/bố trong các lỗ hổng, các kh/nứt, chỗ rỗng

của đá. Nước di chuyển do trọng lực hoặc do thủy động lực.
6-Nước ở thể rắn: ph/bố trong đá vùng đóng băng.
7-Nước kết tinh: th/gia vào TP k/vật trong ô mạng t/thể (trong thạch cao, nước = 20,9% tr/lượng).
Nếu bị nung >100oC nước tách ra khỏi tinh thể.


5.4.1.3. Nguồn gốc của nước dưới đất:
1-Nước ngấm thấu (thẩm thấu): do nước mưa, nước của lớp băng phủ hoặc từ các tầng chứa
nước của sông, hồ ngấm xuống. Nó là phần quan trọng nhất của nước dưới đất.
2- Nước ngưng tụ: do hơi nước không khí ngưng tụ lại trong các lỗ hổng, kh/nứt của đá (khi
To lỗ hổng, kh/nứt của đá < ngoài không khí). Ví dụ: thấu kính nước ngọt trong hoang mạc.
3-Nước trầm tích (nước di tích): là nước của bồn biển, hồ hay sông được giữ
lại trong các tr/tích tương ứng, sau khi các tr/tích biến đổi thành đá gồm:
- Nước đồng sinh cùng th/tạo với v/liệu tr/tích.
- Nước hậu sinh từ bồn biển thấm vào đá đã được thành tạo.
Nước di tích được bảo tồn = nước "hóa thạch".
4-Nước nguyên sinh (nước magma): từ các chất khí thoát trong
lúc magma nguội đi, có To cao, độ khoáng hóa mạnh.
5-Nước thủy phân: phân giải tách ra từ các k/vật có chứa nước
k/tinh. Q/trình này l/quan với sự tăng To và P.


5.4.1.4. Điều kiện tàng trữ và chuyển động của nước dưới đất:

a)-Độ lỗ hổng - độ rỗng (porosity) p - tỷ số giữa thể tích của toàn bộ không
gian rỗng (Vp) với tổng thể tích mẫu đá (V): p = (Vp/V).100%.
Độ lỗ hổng l/quan với những y/tố:
- Độ lỗ hổng tăng khi đá bở rời.
- Đá có độ hạt đồng đều thì có độ lỗ hổng > đá có có độ hạt không đều.
- Đá ở gần mặt đất ph/hóa mạnh thì có độ lỗ hổng > đá ở dưới sâu.

b)-Tính thấm nước của đá - độ thấm (permeability) - kh/năng của đá
cho chất lưu có độ nhớt nh/định đi qua dưới 1 đơn vi gradien áp lực.
Đá sét có độ lỗ hổng 40% nhưng không thấm nước vì các lỗ hổng
mao quản quá nhỏ và nước với sức căng bề mặt không thể thấm qua.

Tính thấm nước  vào các y/tố sau:
- Độ lỗ hổng,  lỗ hổng để cho nước chảy qua.
- K/thước hạt (đá chưa gắn kết: >2mm đá dễ ngấm, <0,001mm khó
thấm; đá đã gắn kết thì độ thấm l/quan k/trúc và độ gắn kết của đá).


Bảng phân chia đá theo mức độ thấm nước:
Mức độ thấm nước

Các loại đá chủ yếu

Hệ số thấm m3/ngày đêm

Thấm nước tốt

Đá hòn, cuội, tầng cát, đá nhiều hang hốc

> 10

Thấm nước

Tầng cát, cát kết, cuội kết, các tảng đá nứt nẻ

1 - 10

Thấm nước trung bình

Bột kết, đá vôi sét

0,1 - 1

Thấm nước kém

Đất á cát, đất á sét

0,001 - 0,1

Không thấm nước

Đất sét, đá không nứt nẻ

< 0,001

Căn cứ theo mức độ thấm, chứa nước của các đá trong các tầng, chia ra:
Tầng thấm nước (permeable bed): tầng chứa các đá để cho nước ngấm thấu qua được.
Tầng chứa nước (aquifer bed): tầng đá ngấm được nước, giữ lại được nước trong tầng.
Tầng cách nước (impervious bed): tầng đá không cho nước thấm qua và tàng trữ lại.
Độ ẩm của đá: là kh/năng giữ được trong đá lượng nước nh/định.


c)- Sự chuyển động của nước dưới đất và phân đới theo chiều đứng:
Đới thông khí: = lớp đất đá giới hạn từ mặt
đất đến bề mặt nước ngầm (vị trí cao nhất của
nước dưới đất vào mùa lũ).

Đới biến động theo thời tiết: giới hạn bởi 2
mặt nước tự do: mặt dưới (x/hiện vào mùa
khô hạn, nước chảy theo trọng lực), mặt trên
(x/hiện vào mùa lũ, nước đầy và di động theo
chiều ngang).
Đới nước bão hòa: g/hạn giữa mặt nước tự do
và mặt tầng chắn. Nước dưới đất lấp đầy
trong các lỗ hổng, kh/nứt và di chuyển theo
phương mặt cách nước của tầng chắn đi từ
chỗ cao đến chỗ thấp.
a)- Đới thông khí: gồm nước và
không khí trong lỗ hổng khe nứt.

b)- Đới bão hòa: nước chứa
đầy trong lỗ hổng, khe nứt..


5.4.1.5. Phân loại nước dưới đất:

1)- Phân loại theo nguồn gốc: có các loại
nước ngấm thấu, nước ngưng tụ, nước trầm
tích, nước nguyên sinh, nước thủy phân.
2)- Phân loại theo điều kiện tàng trữ:
a)-Nước ở đới thông khí (aeration zone water):
gồm nước thổ nhưỡng, nước hấp phụ, nước
màng mỏng, nước mao quản. Chúng đều
l/quan với lượng nước mưa và thời tiết.

Nước ở đới thông khí khi đọng trên
những thấu kính hoặc lớp đá nhỏ không

thấm nước hay thấm nước yếu thì hình
thành nước thượng tầng (perched water).


b)-Nước ngầm (phreatic water): là lớp nước đầu tiên kể từ mặt đất xuống. Nó tàng trữ trong lớp
đá chứa nước (cát, cát kết). Phía dưới là lớp đá không chứa nước (sét, phiến sét). Phía trên
không bị phủ bởi lớp cách thủy, do đó bề mặt của nước ngầm thoáng, không có áp lực

Gương nước ngầm (water table) hoặc
bề mặt thoáng của nước ngầm
(phreatic surface) là bề mặt phía trên
của tầng nước ngầm.
Gương nước ngầm tương đối bằng
phẳng ở vùng đồng bằng nhưng không
bằng phẳng ở vùng núi tương đối cao,
nó uốn lượn theo địa hình cao thấp.

Lớp đất đá chứa nước ngầm gọi là lớp chứa nước (water layer) hay tầng chứa nước (aquifer).
Lớp không thấm nước dưới tầng chứa nước gọi là lớp cách thủy (aquitard) (lớp sét, đá khối).


Quan hệ giữa nước ngầm và nước bề mặt:
- Nước ngầm có quan hệ thủy lực với nước bề mặt (sông,
hồ, ao ...).
- Ở vùng ôn đới, nhiệt đới ẩm, sông là nơi thoát nước của
nước ngầm (vào mùa khô thì nước ngầm c/cấp cho sông).
- Ở vùng khí hậu khô ráo, sông c/cấp cho nước ngầm.
c)- Nước gian tầng (interplayer water): -nước trọng lực nằm
trong tầng chứa nước, kẹp giữa 2 tầng cách nước ổn định.
Sơ đồ ph/bố nước gian tầng không áp: 1- Tầng cách nước; 2- Tầng

chứa nước; 3- Nước ngầm; 4- Nước gian tầng; 5- Miền cấp nước

1)-Nước gian tầng không áp: không do áp lực nén
mà do ảnh hưởng tr/lực trong lớp nằm nghiêng.

2)-Nước gian tầng có
áp (nước artezi - nước
phun) (artesian water):
Artezi là tên cũ của miền
Artoi của nước Pháp.
Nước tự phun ra ngoài.


d)- Nước khe nứt: ph/bố trong kh/nứt,
trong đới ph/hủy nứt nẻ của đá.
e)- Nước karst: trong các hang động của
đá bị hòa tan, ăn mòn (đá vôi).

3)- Phân loại nước dưới đất theo h/lượng kh/hóa:
Nước dưới đất đều có chứa một số khí (O2, N2, CO2, H2S...), ng/tố (62
ng/tố với h/lượng rất ít), tùy thuộc vào điều kiện nước đi qua loại đá nào.

* Thành phần hóa học của nước dưới đất:
- Khác với nước mặt, do tiếp xúc trực tiếp với đất đá, nước dưới đất là 1 d/dịch h/học
phức tạp, nó chứa hầu hết các ng/tố trong vỏ TĐ. Các ng/tố và ion đóng v/trò ch/yếu
chỉ khoảng 10 loại là: Cl-, HCO3-, SO42-, CO32-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, H+.
- H/lượng muối khoáng trong nước dưới đất gọi là tổng khoáng hóa tính theo g/l hoặc
mg/l của muối khoáng.

a)- Phân chia theo h/lượng kh/hóa (theo Vernadxky V.I.) gồm 4 lớp:
1- Nước nhạt (nước ngọt): h/lượng kh/hóa trong nước: 0,2 - 1,0 g/l.
2- Nước hơi mặn: h/lượng kh/hóa trong nước: 1 - 35 g/l (có tài liệu 1-10 g/l).
3- Nước mặn: h/lượng kh/hóa 35 - 50 g/l (có tài liệu 10 - 50 g/l).
4- Nước muối: h/lượng kh/hóa 50 - 400 g/l (hoặc 500 g/l).
* Nước sinh hoạt có h/lượng kh/hóa 1 g/l (≤ 2 - 3 g/l).
* Phân loại dựa trên tổng lượng muối tan trong nước = tổng độ khoáng
hoá [M(g/l)], được x/định bằng cách chưng khô nước ở To=105-110oC.
- Nước nhạt: khi M < 1
- Nước kh/hoá thấp: M = 1 - 10
- Nước kh/hoá cao: M = 10 - 50
- Nước muối: M > 50
b)- Phân chia dựa vào 6 ion: HCO3-, SO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+ phổ biến trong nước:
1- Nước kiềm tính: nước có chứa Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, NaHCO3.
2- Nước cứng: nước có chứa Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, CaSO4, MgCl2.
3- Nước muối: nước có chứa Na2SO4, CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2, NaCl.
c)- Phân loại căn cứ theo h/lượng ion Ca, Mg trong nước. Nếu h/lượng các ion Ca, Mg
nhiều thì gọi là nước cứng. Đơn vị đo độ chứa các ion nói trên gọi là độ cứng.
Tổng lượng Ca2+ và Mg2+ có trong nước gọi là tổng độ cứng, phần Ca2+ và Mg2+ bị kết
tủa khi đun sôi nước gọi là độ cứng tạm thời.
Ca2+ (Mg2+) + CO32- = Ca(Mg) CO3
Phần Ca2+ và Mg2+ không bị kết tủa khi đun sôi gọi là độ cứng vĩnh viễn.


Ion H+ trong nước dưới đất là do nước và các acid phân ly ra, nồng độ H+
được biểu thị bằng độ pH (pH = - Lg [H+]). Căn cứ vào trị số pH:
Nước có tính acid mạnh khi pH < 5
Nước có tính acid pH = 5 - 7
Nước trung tính pH = 7
Nước có tính kiềm pH = 7 - 9

Nước có tính kiềm mạnh pH > 9

d)- Nước khoáng: chứa những loại muối có lợi cho sức khỏe (Fe, As, Ra, Br, I ...):
1- Nước bicarbonat: có HCO3 là chính (> 25g đương lượng).
2- Nước clorua: có Cl là chính.
3- Nước sulphat: có ion SO4 là chính (> 25g đương lượng).
4- Nước có thành phần phức tạp.
5- Nước chứa nhiều anion kích thích sinh vật như Fe, As, Br, I, Li.
6- Nước khí; có chứa khí hòa tan trong nước.


5.4.1.6. Tính chất vật lý của nước dưới đất:
Những tính chất vật lý chủ yếu của nước dưới đất gồm có: tỷ trọng, nhiệt độ, độ trong suốt, màu
sắc, mùi, vị, tính dẫn điện, tính phóng xạ ...


5.4.2. Tác dụng địa chất của nước dưới đất
5.4.2.1. Quá trình oxy hóa
Dưới t/dụng của oxy hòa tan trong nước dưới đất:
+ Magnetit (Fe.Fe2O3 hoặc Fe3O4)  Fe2O3 . Hydrat hóa  Fe2O3.nH2O (limonit - quặng sắt nâu).
+ Hydrat carbon (than)  CO2 và H2O (than đen trong đá phiến chứa than bị oxy hóa  đá
phiến xẫm màu  sáng màu hơn, trắng).
+ MnCO3  peroxyt mangan MnO2.
+ Trong đá sét, phiến sét, đá vôi, do k/quả t/dụng oxy hóa của nước dưới đất tạo hình nhánh cây
(dendrite) trên mặt thớ phiến hoặc ở các mặt nứt của đá = các oxyt Fe, Mn, Mg, Cu, Ni, Cr...

Các dạng của dendrit trên bề mặt
khe nứt và thớ phiến của đá

+ Sự oxy hóa diễn ra mãnh liệt đối với các sulpur, như sự thành tạo limonit từ pyrit.

FeS2 + 7O + H2O = FeSO4 + H2SO4
12FeSO4 + 3O2 + 3H2O = 4Fe2(SO4)3 + 2Fe2O3 . 3H2O
H2SO4 + CaCO3 = CaSO4 + CO2 + H2O
CaSO4 hút nước để tạo thành thạch cao.
Do đó, thường thấy trong đá đồng thời có cả sắt nâu, thạch cao và carbonat.


5.4.2.2. Quá trình hydrat hóa
Hydrat hóa là t/dụng của nước dưới đất làm cho k/vật nhận thêm các
phần tử nước vào TP  th/đổi về c/trúc và các t/chất v/lý. Ví dụ:
+ Anhydrit hydrat hóa biến thành thạch cao:
CaSO4 + 2H2O  CaSO4 . 2H2O
làm cho thể tích khoáng vật hoặc đá tăng lên 33%.
+ Hematit hydrat hóa biến thành limonit:
Fe2O3 + nH2O  Fe2O3.nH2O
Limonit xốp và bở hơn hematit nhiều.

5.4.2.3. Tác dụng hòa tan
Nước dưới đất, ngấm thấu, nguyên sinh, hỗn hợp đều hòa tan các k/vật có trong TP đá.
Theo mức độ hòa tan từ nhanh đến chậm (đ/kiện To, P b/thường):
1- Nhóm k/vật clorit: NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2, FeCl2, FeCl3 ...
2- Nhóm sulphat: CaSO4, MgSO4.
3- Nhóm carbonat: CaCO3, MgCO3, FeCO3.
4- Nhóm oxyt: SiO2.nH2O, SiO2.


- K/quả q/trình hòa tan đá vôi bởi nước dưới đất (+nước
trên mặt)  hang động karst.
- Đ/kiện ph/triển karst: đá dễ hòa tan (carbonat, đá muối
hạt to d>0,01mm), nhiều kh/nứt thấm nước, chứa nhiều

CO2 và phải có nước lưu thông.
H2O + CO2 + CaCO3  Ca(HCO3)2
- Trong q/trình di chuyển, nước ngầm mang theo Ca(HCO3)2.
- Khi ở trần hang, đ/kiện To P th/đổi, kh/năng ngậm CO2 giảm đi,
nước ngầm bão hòa Ca(HCO3)2  H2O, CO2 và CaCO3.
- CaCO3 kết tủa, còn CO2 bay đi, nước rơi xuống sàn hang.
- Vì thế ở trần hang CaCO3 kết tủa lại, tạo nên các nhũ đá.
- Giọt nước ngày càng to
rơi khỏi trần hang xuống
sàn hang  nước lại bốc
hơi, Ca(HCO3)2  CaCO3
kết tủa  nhũ đá khác.
- Loại nhũ đá ở trần hang =
chuông đá, từ dưới lên =
măng đá.
- Chuông đá và măng đá
mọc dài nối với nhau 
cột đá.


5.4.2.4. Sự phân hủy silicat:

= q/trình thủy phân dưới t/dụng đồng thời của CO2 và nước.

Silicat  khoáng vật sét  hydroxyt Al, Fe (bauxit) + hydroxyt Si + các muối hòa tan CaCO3,
K2CO3, Na2CO3
Ví dụ: CaO. Al2O3. 2SiO2 + 2H2O + CO2 = CaCO3 + 2H2O. Al2O3. 2SiO2
5.4.2.5. Tác dụng vận chuyển của nước dưới đất:
- V/chuyển cơ học không đáng kể, ch/yếu là v/chuyển h/học.
- Nước dưới đất mang các ion và các chất keo chứa trong

nước đưa đến biển hoặc hồ.

5.4.2.6. Tác dụng tích đọng trầm tích của nước dưới đất:

Đá travertine
(tuf vôi có lỗ
hổng lớn chứa
kết hạch
CaCO3).

a)- Trầm tích do nước dưới đất đọng lại trên mặt đất:
+ Tuf vôi: tuf vôi cấu tạo từ CaCO3:
Ca(HCO3)2 hòa tan : CO2  + CaCO3  + H2O
+ Tuf silic: từ SiO2.nH2O, do nguồn nước nóng nguyên sinh phun gián
đoạn đọng lại.
+ Muối ăn: thành tạo khi nước mặn bốc hơi.
+ Quặng sắt nâu và quặng mangan: dưới t/dụng xúc tác của vi khuẩn
trong chất hữu cơ, ion Fe hóa trị thấp  hóa trị cao:
FeCO3, FeSO4  Fe2O3, 3 H2O


b)- Trầm tích do nước dưới đất đọng lại trong các lỗ hổng của vỏ Trái Đất:
Những k/vật hay gặp đọng từ d/dịch nước: calcit, aragonit, thạch anh, calcedon, opal, barit, thạch cao ...

Gỗ hóa thạch: thân
gỗ xốp bị chôn vùi
do t/dụng của nước
dưới đất được lấp
vào hoặc thay thế
bởi silic vô cơ.

Kết hạch:
trong các
lỗ hổng
của k/vật
và đá

Mạch: kh/nứt lấp đầy các hợp chất h/học tách từ d/dịch nước dưới đất:
calcit, silic (thạch anh, opal, calcedon), thạch cao, fluorit, barit ...

* Trầm tích cơ học (tr/tích vụn, tr/tích do trượt lở trọng lực):
- Các tàn tích karst: cặn còn sót lại sau khi hòa tan mang đi.
- Các tr/tích vụn: do sự sụp lở của hang động, tr/tích vụn ở sông ngầm, hồ ngầm.

Geodes
(hốc tinh
thể):
trong một
vài loại
đá vôi.


* Các trầm tích hóa học:
Trầm tích hang động: nước dưới đất chứa Ca(HCO3)2 theo các kh/ứt ngấm chảy ra ngoài. P nước
bị giảm  CaCO3 kết tủa thành nhũ đá.
+ Vú đá (stalactite), chuông đá
(stalagatite).
+ Măng đá (stalagmite) từ dưới mọc lên.
+ Trụ đá (stalacto-stalagmite) = cột đá.
Travertine (sinter) = tuf vôi

- nếu TP carbonat  travertine,
- nếu TP silic  travertine silic (silica sinter).

Các trầm tích trong các khe nứt và lỗ rỗng:
CaCO3 , SiO2 kết tủa lắng đọng trong các kh/nứt, lỗ hổng  mạch đá calcit, thạch anh hoặc
các lớp trầm tích Mn, Fe  kết hạch (Ca, Fe) hoặc  tinh đám, tinh hốc.
5.4.2.7. Trượt đất:
Trượt đất - h/tượng
di chuyển tự nhiên
của khối đất đá do
t/dụng của trọng lực
+ nước ngầm, x/ra ở
sườn...