Chuong 12 hoat dong dia chat cua nuoc duoi dat

CHƢƠNG 12

HOẠT ĐỘNG ĐỊA CHẤT CỦA NƢỚC DƢỚI ĐẤT

1


•

Nước dưới đất tồn tại trong các khe hở của đất đá tạo lên đới bão hòa nước bên dưới bề mặt trái
đất.

•

Trạng thái tồn tại của nước dưới đất ở cả ba thể: rắn, lỏng và khí, tùy theo vị trí địa lý, điều kiện khí
hậu mà tỉ lệ giữa ba trạng thái của nước dưới đất có thể thay đổi. Trong phần lớn các trường hợp thì

nước dưới đất ở trạng thái lỏng chiếm tỉ lệ cao nhất.
•

Độ sâu tồn tại của nước dưới đất thay đổi từ 0 m đến vài km bên dưới bề mặt trái đất.

•

Khả năng tàng trữ và lưu thông nước dưới đất phụ thuộc vào hai yếu tố chính:

2


CÁC THUỘC TÍNH CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT
•

Độ rỗng: Ở độ sâu
khoảng một vài km
bên dưới bề mặt trái
đất, các đá thường
chứa các khe nứt hay

lỗ hổng được lấp đầy
bởi nước và không
khí. Tỉ lệ % thể tích
của
lỗ
hổng+khe
nứt/tổng thể tích của

khối đá được gọi là độ
rỗng.
Các tầng cát, sỏi có độ
rỗng ~40% trong khi
tầng bùn có độ rỗng có

thể đạt ~90%. Thông
thường các đá bở rời
có độ rỗng lớn hơn
các đá đã gắn kết

•

Độ thấm: khả năng của đất, đá có khả năng cho nước lưu thông
qua nó. Thông thường đất/đá có độ rỗng cao cũng có độ thấm

cao nhưng độ thấm phụ thuộc mạnh vào kích thước và sự liên
thông của các lỗ hổng. (vd: sét có độ rỗng rất cao nhưng độ
3
thấm lại rất thấp).


•

Một phần nước trên mặt (nước mưa, nước sông/hồ, nước băng tan) thấm xuống các khe nứt/lỗ hổng
bên dưới bề mặt trái đất dưới tác dụng của trọng lực.

•

Các khe nứt/lỗ hổng chỉ tồn tại đến một độ sâu nhất định (vài km) nên nước chỉ thấm đến một độ sâu
nhất định và bị khống chế bởi tầng đá không nứt nẻ bên dưới (tầng chắn nước).

•

Theo thứ tự từ dưới lên trên, nước dưới đất được chia thành hai đới:

1.

Đới nước bão hòa: là đới chứa nước nằm trực tiếp trên bề mặt cách nước, ở đó các lỗ hổng trong đá
4
được lấp đầy và bão hòa nước, nước di chuyển theo phương ngang là chính.


2.

Đới chưa bão hòa (đới

thông khí): có các phân tử
khí phân tán trong nước;

nằm bên trên đới bão hòa.
Trong đới này nước di
chuyển theo chiều thẳng
đứng là chủ đạo.
Bề mặt ngăn cách hai đới
nước này được gọi là mặt
tự do (water table).
•

Ở một số nơi tầng chắn nước nằm bên trên
mặt tự do (nằm trong đới thông khí) tạo lên

tầng chứa nước bão hòa cục bộ gọi là nước
thượng tầng (perched water).
•

Hoặc nước di chuyển ngược lên phía trên
dưới tác dụng của lực hút tĩnh điện gọi là
nước mao dẫn

•

Tầng chứa nước là các tầng đá có chứa một
lượng nước có giá trị kinh tế có thể khai thác

phục vụ cho con người. Tầng chứa nước phải
có độ rỗng và độ thấm để tàng trữ và lưu

thông nước

5


Thành phần hóa học của nƣớc dƣới đất:

•

Nước dưới đất thường có phân tán một số loại khí: O2, N2, CO2, H2S,…

•

Khoảng 62 nguyên tố vi lượng hòa tan trong nước: Na+, K+, Mg2+, Ca2+, SO42-, HCO3-,…

•

Hàm lượng muối khoáng hòa tan trong nước gọi là tổng lượng khoáng hóa (mg/l).

•

Nước ngọt (nhạt): Hàm lượng khoáng hóa = 0.2 – 1g/l

•

Nước lợ: Hàm lượng khoáng hóa = 1 – 35 g/l

•

Nước mặn: Hàm lượng khoáng hóa = 35 – 50 g/l

•

Nước muối: Hàm lượng khoáng hóa = 50 – 400 g/l

•

Nước sinh hoạt: Hàm lượng khoáng hóa ≤ 1 g/l

•

Nước có tính kiềm: chứa Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, NaHCO3.

•

Nước cứng: 6 – 9 mol/l của Ca, Mg

•

Nước hơi cứng: 3 – 6 mol/l của Ca, Mg

•

Nước mềm: 1,25 – 3 mol/l của Ca, Mg

•

Nước rất mềm: Ca, Mg ≤ 1,25 mol/l
6

ĐỘNG THÁI CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT
•

Tầng chứa nước giống như một
miếng bọt xốp có thể chứa và lưu

thông nước.
•

Nước dưới đất di chuyển với tốc

độ chậm: ~4 cm/ngày và phụ
thuộc vào độ rỗng, độ thấm và độ
chênh cao của mặt tự do.
•

Có những nơi đá nứt nẻ mạnh
hoặc có hang động karst, nước

dưới đất di chuyển với tốc độ rất
nhanh.
•

Nưới dưới đất di chuyển từ nơi
có mặt tự do cao nhất về nơi có
mặt tự do thấp nhất. Thông

thường mặt tự do ở các địa hình
núi đồi phân bố cao hơn so với

mặt tự do ở các địa hình thấp.
•

Về mùa khô mặt tự do có xu thế
thoải dần cho đến khi nằng

ngang.

7


•

Ở vùng nhiều mưa (a), dòng chảy trên mặt
nằm thấp hơn mặt tự do, khi quá trình xâm
thực dọc cắt qua mặt tự do, nước dưới đất
chảy ra bổ sung nguồn nước cho dòng chảy

trên mặt – lý do tại sao dòng chảy trên mặt
vẫn có nước chảy trong thời gian không có
mưa.

•

Ở vùng sa mạc (b), dòng chảy trên mặt nằm
cao hơn mặt tự do nên nước trên mặt thấm
xuống bổ sung cho nước dưới đất – lý do tại
sao nhiều con sông chảy qua sa mạc bị khô
kiệt (không tính đến yếu tố bốc hơi)

8


•

Nếu mặt tự do giao cắt với mặt địa hình,
nước dưới đất sẽ chảy ra trên bề mặt địa

hình. Nơi nước chảy ra gọi là điểm lộ thủy
văn (spring).
•

Khi một tầng chứa nước nằm nghiêng

Điểm lộ thủy văn

được bao bởi hai tầng chắn nước ở trên
và dưới thì được gọi là tầng chứa nước

artesian.
•

Nước ở phần thấp của tầng chứa nước

artesian chịp áp lực của trọng lực bên trên
nên nếu ta đào giếng hoặc khoan vào vị trí
thấp thì nước sẽ tự dâng lên trong giếng
hoặc lỗ khoan mà không cần bơm – đó là
hiện tượng artersian.

9


HOẠT ĐỘNG ĐỊA CHẤT CỦA NƯỚC NGẦM
Tác dụng bào mòn:
•

Do nước dưới đất di chuyển chậm nên tác dụng bào mòn cơ học không đáng kể. Chỉ
những hơi có các hang động ngầm, hoặc các hệ thống khe nứt phát triển mạnh mới ghi
nhận được sự bào mòn cơ học đáng kể.

•

Tác dụng bào mòn chủ yếu của nước ngầm diễn ra theo phương thức hòa tan hóa học

vd: CaCO3(kết tủa) + CO2 + H2O ↔ Ca2+ (HCO3)- (hoạt động karst).
Tác dụng vận chuyển trầm tích:
•

Tương tự như trên, tác dụng vận chuyển hóa học chiếm ưu thế trong khi vận chuyển co
học không đáng kể.

•

Trong đới thông khí trầm tích được vận chuyển theo phương thẳng đứng từ trên xuống
dưới trong khi tại đới bão hòa trầm tích vận chuyển theo phương nằm ngang là chủ yếu.

Tác dụng trầm tích: Chủ yếu lắng đọng các trầm tích hóa học, các vật liệu còn sót trong các
hang động ngầm,….

10


MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG ĐỊA CHẤT ĐẶC BIỆT LIÊN QUAN
ĐẾN NƯỚC DƯỚI ĐẤT
•

Hang ngầm: Nếu nước dưới đất có tính acid
chảy qua các khe nứt của đá carbonate (đá
vôi) sẽ xảy ra hiện tượng hòa tan, vật liệu
hòa tan được nước mang đi làm cho các

khe nứt được mở rộng dần tạo thành hang
karst.
•

Hang karst thường phân bố ở độ cao của
mặt tự do hoặc nằm ngay bên dưới nó. Khi
mặt tự do hạ thấp, hang trở thành hang khô,

nếu nước tiếp tục đi từ đới thông khí xuống
sẽ lắng đọng cho ta các măng, nhũ, cột

đá,…
•

Nếu mái của các hang ngầm không đủ bền
đề chống lại sức nặng của các tầng đá nằm
trên sẽ bị sập tạo thành các hố sụt.

•

Địa hình phát triển trên các thành tạo đá vôi
hoặc đá dễ hòa tan khác sẽ có những đặc
trưng riêng gọi là địa hình karst
11


•

Nước nóng (hot spring) và họng phun
(Geyser):
Nước khi di chuyển xuống dưới bề mặt

của trái đất sẽ được hấp thụ nhiệt, đốt
nóng rồi đi lên mặt đất tạo thành các điểm

lộ nước nóng do sự chênh lệch tỉ trọng
giữa nước nóng (nhẹ) với nước lạnh
(nặng). Quá trình cấp nhiệt diễn ra theo ba
cách:
1.

Địa nhiệt (gradient địa nhiệt

Hố sụt karst
~30oC/km):

để

nước đạt đến nhiệt độ ~100oC nước phải
di chuyển đến độ sâu ~ 3km – điều này
hiếm khi xảy ra.
2.

Trong vỏ trái đất có thể tồn tại một số lò
magma có nhiệt độ cao và phân bố ở độ
sâu không lớn nên có thể cung cấp nhiệt
cho nước dưới đất.

3.

Trong thành phần của nước dưới đất có
một số khoáng vật sunfua khi bị phong hóa

hóa học có thể giải phóng ra một lượng
nhiệt đáng kể.

12


•

Phần lớn các điểm lộ nước nóng chảy ra từ từ.

•

Một số chỗ có cấu trúc đặc biệt, khi nước lạnh đi xuống, bị đốt nóng di chuyển lên phía
trên, họng dẫn nước bị khóa lại (?) làm tăng áp suất buồng chứa nước nóng

•

Đến thời điểm thích hợp áp suất buồng chứa đủ lớn để khai thông họng dẫn nước làm
cho nước nóng phun lên mặt đất theo từng đợt tạo lên các họng phun (geyser)

13


KHAI THÁC NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
Nƣớc dƣới đất là nguồn tài nguyên rất có giá trị vì:
•

Nguồn cung cấp nước sạch phong phú: ~60 lần so với các bồn chứa nước trên
mặt.

•

Lưu trữ dưới đất nên có thể cung câp được cả cho mùa khô

•

Nước dưới đất có thể di chuyển từ địa hình ẩm đến vùng khô hạn nên có thể
cung cấp nước cho các vùng hạn hán.

•

Sử dụng trong khai thác địa nhiệt

•

Tuy nhiên việc khai thác thái quá hoặc không quy hoạch cẩn thận sẽ dẫn đến các
vấn đề liên quan đến ô nhiễm môi trường và thảm họa thiên nhiên.

14


•

Một số khu vực có thể sử dụng nước dưới đất làm môi trường vận tải địa nhiệt cung
cấp cho các nhà máy nhiệt điện hoặc lò sưởi.

•

Tuy nhiên chỉ có một số nơi có sự phân bố nông của các lò magma và có nguồn nước
dưới đất để phục vụ cho việc khai thác địa nhiệt tự nhiên. Ở những nơi có vòm
magma nông nhưng không có nước dưới đất thì người ta có thể bơm cấp nước nhân
15
tạo, tuy nhiên giá thành khai thác sẽ cao hơn.


Sự suy kiệt nƣớc dƣới đất:
•

Nếu tốc độ khai thác cao hơn tốc độ bổ sung, nước dưới đất sẽ bị suy giảm về trữ lượng.

•

Nón suy kiệt tập trung tại vị trí lỗ khoan khai thác (b). Nếu đá có độ rỗng, độ thấm tốt, nguồn cung cấp

dồi dào thì nước sẽ được phục hồi nhanh chóng.

•

Nếu tiếp tục khai thác với sản lượng vượt quá mức cung cấp, mặt tự do sẽ bị hạ thấp (c), hệ quả là tạo

ra sự sụt lún địa hình
16


Sự nhiễm mặn:

•

Có hai loại nước tồn tại ở đới ven
biển: nước ngọt và nước mặn.

•

Nước ngọt nổi trên bề mặt của

nước mặn do có tỉ trọng nhỏ hơn.

•

Nếu nước ngọt bị khai thác thái
quá, nước mặn sẽ xâm nhập vào
tầng nước ngọt gây lên hiện tượng
nhiễm mặn.

17

Sự ô nhiễm nƣớc dƣới đất:
•

do sự nhiễm bẩn từ các chất gây ô nhiễm trên mặt đất thấm xuống hoặc do sự phân rã của các khoáng
vật gây hại cho con người xảy ra ngay trong lòng đất (phóng xạ).

•

Nguồn ô nhiễm có hai loại: ô nhiễm điểm (ở những nơi cố định, quy mô nhỏ) và ô nhiễm phi điểm (ở
diện rộng: cánh đồng, sông nước thải,…)

18


Chất gây ô nhiễm
nhẹ hơn nƣớc

Chất gây ô nhiễm
Nặng hơn nƣớc

19