NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM ĐỒNG VỊ CARBON, OXY, NITƠ TRONG TRẦM TÍCH CHỨA DẦU KHU VỰC ĐỒNG HO, QUẢNG NINH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG VỊ BỀN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

VŨ THỊ HƯƠNG

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM ĐỒNG VỊ CARBON, OXY, NITƠ
TRONG TRẦM TÍCH CHỨA DẦU KHU VỰC ĐỒNG HO,
QUẢNG NINH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG VỊ BỀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

VŨ THỊ HƯƠNG

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM ĐỒNG VỊ CARBON, OXY, NITƠ
TRONG TRẦM TÍCH CHỨA DẦU KHU VỰC ĐỒNG HO,
QUẢNG NINH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG VỊ BỀN

Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số

: 60440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Văn Vượng
PGS.TS. Từ Bình Minh

Hà Nội - 2017


LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu và học tập, học viên đã hoàn thành luận văn
cao học của mình với đề tài “Nghiên cứu đặc điểm đồng vị C, O, N trong trầm tích
khu vực Đồng Ho, Quảng Ninh bằng phương pháp đồng vị bền" dưới sự hướng dẫn
của hai thầy là PGS.TS. Nguyễn Văn Vượng, PGS.TS. Từ Bình Minh và các thầy
cô, anh chị, các bạn trong bộ môn Hóa phân tích.
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Văn
Vượng và PGS.TS. Từ Bình Minh đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn và tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất giúp em hoàn thành luận văn này.
Để hoàn thành được luận văn này, em cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp
đỡ của các thầy cô tại Bộ môn Hóa phân tích, các bạn học viên lớp cao học K25 đã
tạo điều kiện, giúp đỡ em trong thời gian thực hiện đề tài.
Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã quan tâm giúp
đỡ và động viên, khuyến khích em trong suốt thời gian thực hiện luận văn.

Hà Nội, ngày 20 tháng 5 năm 2017
Học viên

Vũ Thị Hương


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

EA

: Phân tích nguyên tố
(Element Analysis)

EMA – P1

: Element Micro Analysis Polymer

GC

: Sắc ký khí
(Gas Chromatography)

HT

: Nhiệt độ cao
(Hight temperature)

IRMS

: Khối phổ kế đồng vị bền
(Isotope ratio mass spectrometry)

SD

: Độ lệch chuẩn

(Standard deviation)

RSD

: Độ lệch chuẩn tương đôi
(Relative standard deviation)

USGS 26

: Amoni Sulfat ((NH4)2 SO4)

USGS 40

: Axit L-glutamic

USGS 41

: Axit L-glutamic

USGS 32

: Kali nitrat (KNO3)

USGS 34

: Kali nitrat (KNO3)


MỞ ĐẦU
Hệ tầng Đồng Ho gồm các trầm tích tuổi Đệ tam tướng lục địa chứa than và

chứa bitum phân bố hạn chế ở khu vực Hoành Bồ tỉnh Quảng Ninh. Đá phiến chứa
than và chứa bitum ở Đồng Ho đã được các nhà địa chất Pháp phát hiện từ những
năm 20 của thế kỷ trước. Bề dày của hệ tầng Đồng Ho biến thiên khá nhiều dao
động trong khoảng 140-430m. Mặt cắt chuẩn của hệ tầng được các nhà địa chất Việt
Nam xác lập dọc theo suối Đồng Ho ở khu vực thị trấn Trới, huyện Hoành Bồ, tỉnh
Quảng Ninh.
Tầng đá sinh dầu của hệ tầng Đồng Ho thuộc khu vực Đồng Ho, huyện Hoành
Bồ, tỉnh Quảng Ninh được các nhà nghiên cứu địa chất dầu khí đánh giá là tầng đá
mẹ có tiềm năng dầu khí tương đối cao (Petersen và cộng sự, 2001, 2004, 2005).
Các đá trầm tích tuổi Oligocen tướng đầm hồ, vũng vịnh giàu vật chất hữu cơ là loại
đá mẹ phổ biến trong hầu hết các bể trầm tích dầu khí ở thềm lục địa Việt Nam. Vì
vậy, nếu làm sáng tỏ được điều kiện cổ khí hậu hình thành các đá trầm tích sinh dầu
khí ở Đồng Ho không những có ý nghĩa về mặt khoa học (cung cấp thêm các bằng
chứng về điều kiện cổ khí hậu trong thời kỳ Oligocen, là thời gian hình thành các đá
mẹ của hầu hết các bể trầm tích dầu khí ở thềm lục địa Việt Nam) mà còn có ý
nghĩa quan trọng trong việc đánh giá tiềm năng sinh dầu của các tầng đá tương tự ở
Việt Nam, đinh hướng cho việc mở rộng khả năng thăm dò tìm kiếm dầu khí ở khu
vực đông bắc bể Sông Hồng. Để góp phần giải quyết những vấn đề nêu trên,học
viên đã lựa chọn đề tài của luận văn “Nghiên cứu đặc điểm đồng vị Carbon, Oxy,
Nitơ trong trầm tích chứa dầu khu vực Đồng Ho, Quảng Ninh bằng phương pháp
đồng vị bền”.

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên vùng nghiên cứu
1.1.1. Vị trí địa lý
Tầng đá chứa bitum của hệ tầng Đồng Ho lộ ra ở khu vực thị trấn Trới trên
đường QL279 cách thành phố Hạ Long khoảng 15 km về phía Tây Bắc, thuộc

huyện Hoành Bồ, tỉnh Quảng Ninh. Các đá chứa bitum của hệ tầng đươc đánh giá là
có tiềm năng sinh dầu khí tương đối cao (Petersen và cộng sự, 2001; 2004, 2005).
Nằm ở phía nam tỉnh Quảng Ninh, huyện Hoành Bồ có ranh giới phía bắc tiếp giáp
với huyện Ba Chẽ, phía tây bắc giáp huyện Sơn Động (Bắc Giang), phía tây
giáp Thành phố Uông Bí, phía nam giáp thị xã Quảng Yên và thành phố Hạ Long,
phía đông giáp Thành phố Cẩm Phả (Hình 1.1).

Hình 1.1.Vị trí vùng nghiên cứu (hình chữ nhật trắng trên sơ đồ)

8


1.1.2. Đặc điểm địa hình
Hoành Bồ có địa hình đa dạng với các kiểu địa hình: miền núi, trung du và
đồng bằng ven biển, tạo nên sự đa dạng, thuận lợi cho phát triển kinh tế miền núi,
kinh tế trung du và kinh tế ven biển.
Toàn bộ huyện Hoành Bồ nằm trong vùng núi thuộc cánh cung Đông Triều
chạy dài từ Tây sang Đông. Hoành Bồ có dãy núi Thiên Sơn ở phía đông với đỉnh
Amvát cao nhất là 1.091m, nối với núi Mãi Gia và núi rừng Khe Cát tạo nên một hệ
thống núi kiểu mái nhà, chia địa hình dốc về hai phía bắc và nam. Sông suối cũng
chia thành 2 hệ thống: phía Bắc chảy về huyện Ba Chẽ đổ ra sông Ba Chẽ, phía
Nam sông suối chảy dồn về vịnh Cửa Lục và suối Míp chảy về hồ Yên Lập để đổ ra
vịnh Hạ Long. Đặc điểm địa hình chủ yếu của khu vực Hoành Bồ có thể được chia
thành 4 loại như sau:
- Địa hình núi thấp: có độ cao tuyệt đối từ 500m đến 1.090m ở các xã Đồng
Sơn, Kỳ Thượng chiếm khoảng 12% diện tích tự nhiên. Vùng địa hình núi thấp này
có độ dốc >350, mức độ chia cắt ngang tương đối lớn từ 3,5-4,5 km/km 2 nên quá
trình xói mòn diễn ra mạnh.
- Địa hình đồi: có độ cao tuyệt đối từ 20m-500m,chiếm khoảng 70% diện
tích tự nhiên. Vùng địa hình đồi bao gồm các đồi dạng bát úp và cấu tạo bởi đá lục

nguyên của hệ tầng Hòn Gai, hệ tầng Hà Cối, phân bố theo hướng Đông Tây, độ
dốc từ 12 đến 35 độ, một số khối đá vôi có cấu tạo dốc đứng, phân bổ rải rác trong
khu vực đồi. Địa hình đồi có mật độ chia cắt trung bình từ 3,2-4,5km/km2. Quá
trình phong hoá và xói mòn diễn ra mạnh ở địa hình đồi nên lớp phủ thổ nhưỡng
thường có bề dày mỏng đến trung bình.
- Địa hình thung lũng: chiếm 8% diện tích, thường hẹp, dốc với cấu tạo chữ
V, ít có hìnhU. Do đó khả năng tận dụng để canh tác hạn chế.
- Địa hình đồng bằng: chiếm 10% diện tích, đây là diện tích đất nông nghiệp
trồng lúa chủ yếu của huyện.
- Các đồi sót cấu tạo bởi đá vôi: chủ yếu tập trung ở xã Sơn Dương, Thống
Nhất, Vũ Oai. Các đồi sót này có giá trị khai thác làm đá xây dựng hoặc nguyên liệu

9


làm xi măng.
1.1.3. Đặc điểm khí hậu
Cũng như các huyện thị khác của tỉnh Quảng Ninh, khu vực Hoành Bồ có
khí hậu nhiệt đới gió mùa. Ngoài ra, là một huyện miền núi địa hình phức tap, nằm
sát biển, chịu ảnh hưởng sâu sắc vùng khí hậu Đông Bắc đã tạo nên cho Hoành Bồ
một kiểu khí hậu độc đáo, đa dạng so với các vùng lân cận với các đặc trưng chính
như sau:
- Nhiệt độ không khí trung bình năm từ 22-290C, cao nhất 380C, thấp nhất
50C. Nhìn chung nhiệt độ phân bố đồng đều giữa các tháng, mùa hè nhiệt độ biến
đổi từ 26-280C, mùa đông 15-210C. Nhìn chung, điều kiện nhiệt độ như vậy cũng đủ
cung cấp cho cây lương thực, cây màu và cây công nghiệp.
- Lượng mưa trung bình năm khá lớn dao động trong khoảng 2.016mm, năm
mưa cao nhất 2.818mm, thấp nhất 870mm. Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10,
chiếm tới 89% tổng lượng mưa năm. Mùa khô từ tháng từ tháng 11 đến tháng 4 năm
sau, tháng ít mưa nhất là tháng 12.

- Độ ẩm không khí trung bình năm là 82%, thấp nhất 18%.Độ ẩm chênh lệch
không lớn trong năm thuận lợi cho sản xuất nông nghiệp, song cũng ảnh hưởng
không tốt cho việc chế biến và bảo quản thức ăn, gia súc, giống cây trồng.
- Gió: mùa đông thịnh hành hướng gió Bắc hoặc Đông Bắc với tốc độ trung
bình 2,9-3,6m/s. Mùa hè thịnh hành gió hướng Nam và Đông Nam với tốc độ trung
bình 3,4-3,7m/s.
1.1.4. Dân cư và diện tích
Về dân cư, Hoành Bồ có dân số (1-4-1999) 55.069 người, gồm nhiều dân tộc
(Kinh 71%, Dao 18,8%, Sán Dìu 5,4%, Tày 3,3%, Hoa 1,2%).
Hoành Bồ có diện tích tự nhiên là 84.354,34 ha chiếm 13,65% diện tích tự
nhiên của tỉnh Quảng Ninh (Cổng Thông tin điện tử Quảng Ninh).
1.2. Đặc điểm địa chất khu vực
Ở khu vực nghiên cứu lộ các đá trầm tích của hệ tầng Cát Bà, hệ tầng Bắc

10


Sơn, hệ tầng Bình Liêu, hệ tầng Hòn Gai, hệ tầng Đồng Ho, hệ tầng Tiêu Giao và
các trầm tích Đệ tứ.

11


Hình 1.2. Bản đồ địa chất khu vực nghiên cứu
(Cục bản đồ và địa chất Việt Nam, 1999, tỷ lệ 1:200000)
Hệ tầng Cát Bà (C1 cb)
Mặt cắt chuẩn của hệ tầng được mô tả ở đảo Cát Bà được chia làm 2 phần:
Phần dưới: đá vôi xám đen, phân lớp vừa đến dày, đá vôi chứa silic kẹp ít lớp
mỏng đá phiến cháy và đá vôi xám trắng, đá vôi trứng cá,chứa Syringopora
geniculata, Schizophoria cf. resupinata, Cyclocyclicus aff. tieni, Parathurammina

procushmani, Septaglomospiranella grozdilovae, Chernyshinella disputabilis,
Septatournayella questida, Dainella nucula, D. uralica.
Phần trên: đá vôi màu xám, xám sẫm, phân lớp vừa đến dày và dạng khối,
chứa Endothyranopsis crassa sphaerica, Archaediscus sp., Mediocris breviscula,
M. mediocris, Eostaffella mosquensis.
Hệ tầng Bắc Sơn (C-P bs)
Theo Nguyễn Văn Liêm, 1974, Hệ tầng Bắc Sơn lộ ra một diện nhỏ dưới
dạng những chỏm núi ở phía bắc vùng nghiên cứu, gồm đá vôi phân lớp trung bình

12


đến dày hoặc dạng khối xen đá vôi trứng cá, đá vôi sét và thấu kính đá vôi silic.
Các tầng vi cổ sinh trên phân bố từ Carbon đến Permi. Hệ tầng Bắc Sơn
được định tuổi Carbon-Permi, dày 600-950m.
Hệ tầng Bình Liêu (T2a bl)
Bề dày chung của phân hệ tầng lớn hơn 1000m. Trong những lớp thuộc phần
cao của phân hệ tầng, ở chân đèo Tài Phạt và vùng bản Buông, đã tìm thấy Cúc đá
tuổi Anisi Leiophyllites sp., Monophyllites sp.cùng các Hai mảnh Modiolus aff.
frugi, Mytilus cf. gibbus; còn ở vùng Ba Chẽ đã tìm được Modiolus nachamensis,
Unionites cf. elisabethae.
Phân hệ tầng trên (T2a bl2): phân bố thành dải kéo dài từ bắc Minh Cầm đến
tây bắc Ba Chẽ. Dọc sông Ba Chẽ đã quan sát đợc những mặt cắt đặc trng cho phân
hệ tầng, gồm cát kết tuf phân lớp vừa xen bột kết và cát kết phân lớp mỏng, dày
600-1000m. Trong bột kết màu nâu ở Lâm Kỳ Thượng, Khe Lao và Hà Lâu đã thu
thập được hai mảnh tuổi Anisi, như: Costatoria chegarperahensis, C. curvirostris,
C. aff. proharpa, Gervillia modiolaeformis, G. cf. mytiloides, Modiolus triqueter,
Posidonia cf. aequilatera, Neoschizodus ovatus elongatus.
Bề dày chung của hệ tầng Bình Liêu có thể đạt tới gần 2000m. Ranh giới dới
của hệ tầng không quan sát được ở trong vùng; về phía trên, hệ tầng phát triển liên

tục lên hệ tầng Nà Khuất.
Hệ tầng Hòn Gai (T3n-r hg)
Theo Pavlov (trong Đovjikov A. E. và cộng sự, 1965), các thành tạo của hệ
tầng lộ ra rải rác ở vùng nghiên cứu, các mảnh than của hệ tầng được tìm thấy dọc
theo suối Đồng Ho. Đây là hệ tầng chứa than cung cấp nguồn nhiên liệu quan trọng
nhất của nước ta. Than ở đây là loại anthracit có chất lượng tốt, đã được khai thác từ
thế kỷ 19, và cho đến nay vẫn tiếp tục được khai thác. Dựa theo độ chứa than, hệ
tầng Hòn Gai được chia làm hai phân hệ tầng.
Phân hệ tầng dưới (T3n-r hg1): lộ ra ở các vùng Hà Tu, Đèo Bụt, Quang

13


Hanh, Dơng Huy, Hà Lầm, Giáp Khẩu, Mông Dương, đảo Cái Bầu và bắc cảng
Cuốc Bê. Theo mặt cắt Quang Hanh và đảo Cái Bầu, phân hệ tầng được chia ra làm
15 tập.
Phân hệ tầng trên (T3n-r hg2): phân bố ở vùng vịnh Cuốc Bê, Bàng Nâu và
đảo Cái Bầu, bao gồm chủ yếu các trầm tích hạt thô. Mặt cắt đặc trưng lộ ra dọc
suối Lại, gồm 3 tập.Tập 16: cuội kết thạch anh xám sáng, dày 100m.Tập 17: cuội
kết xen cát kết thạch anh xám sáng và bột kết xám đen chứa những ổ sét than nhỏ,
dày 350m.Tập 18: cuội kết thạch anh xen vài lớp cát kết thạch anh sáng màu, dày
150m.Bề dày chung của phân hệ tầng trên khoảng 600 - 700m. Như vậy, hệ tầng
Hòn Gai có bề dày chung khoảng 2100 - 3400m.
Hệ tầng Đồng Ho (E2 dh)
Trầm tích hệ tầng Đồng Ho lộ ra ở quanh vùng cửa sông Diễn Vọng, trên
đường ô tô Trới – Đồng Đăng và xung quanh khu vực Đồng Ho. Tại khu vực nghiên
cứu ở khu vực thị trấn Trới, hệ tầng Đồng Ho có diện xuất lộ khá dài trên diện tích
khoảng 40km2. Các thành tạo trầm tích của hệ tầng Đồng Ho được lắng đọng dọc
theo đứt gãy phương Đông bắc – Tây Nam hình thành trong giai đoạn Paleogen.
Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng hệ tầng Đồng Ho này được chia làm 2 phần :

Phần thấpcủa hệ tầng Đồng Ho lộ ra ven bờ suối tại làng Đồng Ho và phân cao của
hệ tầng lộ ra ở ven vùng cửa sông Trớivà ven thị trấn Trới của huyện Hoành Bồ
(Hình 1.2).
Mặt cắt chuẩn (Lectostratotyp) của hệ tầng được mô tả dọc theo suối Đồng Ho
và đường Trới - Bàng Bê, huyện Hoành Bồ, tỉnh Quảng Ninh gồm:
Cuội kết màu xám, phân lớp dày, gắn kết tốt. Thành phần cuội gồm thạch anh,
cát kết đỏ tím, ít đá vôi màu sẫm, kích thước 3 -12 cm, độ mài tròn khá tốt; xi măng
thường là cát kết, sỏi kết. Bề dày thay đổi nhanh từ 25 đến 130m.
Sạn kết và cát kết màu xám; sạn kết gồm hạt thạch anh, cát kết, ít đá phiến và đá
vôi; cát kết hạt thô; bề dày thay đổi 10 – 100m.
Bột kết, đá phiến chứa dầu màu đỏ tím, bã cà phê; ở Đồng Ho còn gặp những
lớp chứa asphalt và ở gần Bãi cháy có những lớp than mỏng; bề dày thay đổi từ 18

14


đến 70m. Các vết in lá thuộc phức hệ thực vật rừng ẩm cận nhiệt đới (phức hệ Q. cf.
lobbi – artocarpus) gồm những dạng đặc trưng như Quercus cf. lobbi, Pecopteris
totangensis, Dryophyllum yunnanense, Diosphyros brachysepala, Laurus nobilis,
Magnolia janschinii, Cinnamomum glanduliferum, Artocarpus sp., v.v.. gần gũi với
hệ thực vật gặp trong trầm tích ở mỏ than Nà Dương.
Sét phân lớp dày hoặc dạng khối, gắn kết yếu, vỡ dạng vỏ chai; phần dưới và
trên của tập có các thấu kính cuội kết, sạn kết bào tử và cát kết; dày 60 đến 70m.
Trong sét có các di tích bào tử phấn hoa, các vết in lá bảo tồn xấu thuộc phức hệ
thực vật savan bụi gồm: Pecopteris totangensis, Pecopteris totangensis, Laurus
nobilis, và bào tử phấn hoa Quercus sp., Liquidambar sp., Rhus sp., Equisetum sp.,
Gleichenia sp. là những dạng quen biết ở hệ tầng Nà Dương.
Bề dày của hệ tầng Đồng Ho biến thiên khá nhiều, trong khoảng từ 140 đến
430m.
Trên cơ sở phân tích những tài liệu nêu trên và đối sánh với những trầm tích

tương tự ở bồn Biển Đông cũng ở Đông Nam Á nói chung, việc định tuổi Oligocen
cho hệ tầng Đồng Ho là đáng tin cậy. Việc định tuổi này cùng với những dẫn liệu về
tuổi của hệ tầng Rinh Chùa dưới đây tạo cơ sở đầu tiên cho sự chỉnh biên tuổi của
các hệ tầng Đệ tam trong sơ đồ đối sánh địa tầng các trầm tích Đệ tam trên vùng đất
liền ở Việt Nam.
Hệ tầng Tiêu Giao (N11-2tg)
Theo Trần Đình Nhân, Trịnh Dánh, 1975, hệ tầng phân bố hạn chế tại thị trấn
Trới. Mặt cắt đặc trưng quan sát được ở khu vực Tiêu Giao, Giếng Đáy, gồm 2 tập:
Tập 1: cát kết, bột kết, sét kết xen nhau nhịp nhàng. Mỗi nhịp dày 0,2 - 0,5m.
Trong bột kết có vết in lá: Pecopteris totangensis, Cinnamomum polymorphum,
Quercus neriifolia, Q. lantenoisi, Q. bonnieri, Castanopsis sp., Phragmites
oeningensis và di tích Thân mềm Tulotoma sp., Viviparus cf. margaryaeformis. Dày
15-20m.
Tập 2: cuội kết, sạn kết, cát kết thạch anh, ít sét kết.Cát kết có cấu tạo phân
lớp xiên, chứa di tích thực vật của phức hệ rừng cận nhiệt đới ôn hoà.Dày 100180m.

15


1.3. Đặc điểm thạch học, địa tầng các đá hệ tầng Đồng Ho
Thành phần thạch học của hệ tầng Đồng Ho khá đơn giản, chủ yếu gồm các
đá trầm tích cơ học như cuội sạn kết, cát kết hạt thô đến trung bình,bột kết, sét kết,
sét than (Hình 1.3).

Hình 1.3. Cột địa tầng mô tả thành phần thạch học của khu vực Đồng Ho

16


Cát kết phong hóa mềm bở, dễ vỡ, có màu nâu đỏ do nhiễm oxit sắt. Phần trên

cùng có chứa mùn thực vật dày khoảng 20 – 50 cm. Tập cát kết này có chiều dày
dao động trong khoảng từ 0,8 – 3,2 m.
Cát kết có màu trắng đến trắng sữa, đôi chỗ ngấm hydroxit sắt có màu nâu
vàng. Thành phần chủ yếu là thạch anh và feldspat, có độ chọn lọc khá tốt quan sát
bằng mắt thường. Các khoáng vật feldspat bị phong hóa tạo thành sét kaolin màu
trắng sữa. Tầng cát này có chiều dày dao động từ 3,4m – 13,5m. Một số nơi ở dưới
đáy của tầng cát có quan sát được một bề mặt bào mòn là dấu vết của lòng sông cổ.
Sét kết có chứa vật chất than màu xám đến xám đen. Đôi chỗ còn chứa các
mảnh vụn thực vật chưa bị biến đổi thành than. Đá có cấu tạo phân lớp mỏng đến
trung bình. Tầng sét này có chiều dày dao động từ 1,2 – 6,5 m.
Sét bột kết có màu vàng chanh hoặc xám vàng. Trong đá có phát triển các mạch
laterit có thành phần chủ yếu là các hydroxit sắt, mạch laterit thường phân bố song
song với mặt lớp. Các lớp đá có chiều dày khá ổn định, có chỗ có màu loang lổ.
Cát – bột – sét kết chứa vật chất than có màu xám đậm đến xám đen. Đá có cấu
tạo phân lớp trung bình đến mỏng, đôi chỗ còn bảo tồn được các mảnh thực vật
chưa bị biến thành than. Tầng này có chiều dày bằng 8,4 m.
Đới chuyển tiếp từ sét kết màu xám đen sang tầng bột sét kết màu nâu vàng.
Màu sắc của tầng này thường không ổn định mà thường loang lổ. chiều dày của đới
chuyển tiếp này là 2,5 m.
Sét bột kết chứa vật chất than có màu xám đậm đến xám đen, phân lớp mỏng
đến rất mỏng. Chiều dày tối thiểu dao động từ 4,6 – 6,5 m, chiều dày thực chưa
khống chế được do đáy của tập đá này không lộ ra trên mặt.
Cát kết hạt thô đến rất thô, phân lớp dày đến rất dày, đáy có chứa nhiều cuội
sạn. Thành phần chủ yếu là thạch anh, ít chứa mảnh vụn đá.

17


Tập cuội, sạn, cát kết hạt rất thô, có cấu tạo phân lớp rất dày (lớn hơn hai mét ).
Trong đá có cấu tạo hạt chuyển tiếp từ thô đến mịn dần lên phía trên. Tầng đá này

có chiều dày dao động từ 1,8 – 4,45 mét.
Tầng cát kết màu xám, xám sáng. Đá có thành phần chủ yếu là thạch anh,
feldspat, chiều dày của lớp đá rất lớn ( xấp xỉ 2 – 3 mét ). Chiều dày của tập đá này
chưa được khống chế do đá chìm sâu xuống bên dưới.
Tập đá phiến sét màu đen có hàm lượng tổng carbon hữu cơ cao. Phân bố dọc
khu vực suối Đồng Ho có chiều dày tại mặt cắt chuẩn (Theo suối Đồng Ho và
đường Trới - Bàng Bê) thay đổi từ 18m – 70m. Lộ ra trên mặt đất dài khoảng 840m,
cấu tạo đơn nghiêng với góc dốc 15o - 20o.
1.4. Giới thiệu về đồng vị bền các nguyên tố Carbon, Oxy và Nitơ
1.4.1. Giới thiệu về đồng vị bền các nguyên tố Carbon, Oxy và Nitơ
Nguyên tử được cấu tạo bởi ba hạt cơ bản là nơtron (n), proton (p), và
electron(e). Trong đó p mang điện tích dương, e mang điện tích âm còn n là hạt
không mang điện tích. Bởi vì khối lượng của n xấp xỉ bằng p, và khối lượng của elà
rất nhỏ và coi như không đáng kể (Bảng 1.1), nên khối lượng nguyên tử của một
nguyên tốđược tập trung chủ yếu trong hạt nhân và được tính bằng tổng khối
lượngn + p. Một nguyên tử được xác định bằng số p trong hạt nhân, còn tổng số
điện tích p của hạt nhân thì cân bằng với số e ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử
(ngoại trừ đồng vị 1H của hydro, chỉ có 1 p không có n). Các nơtron trong hạt nhân
nguyên tử đóng vai trò quan trọng cho sự ổn định cấu trúc của hạt nhân nguyên tử,
chúng giữ cho hạt nhân nguyên tử có mức điện tích dương cao và giữ cho khoảng
cách giữa các hạt p không quá gần nhau. Tuy vậy, nếu các hạt nhân có quá nhiều
nơtron, sẽ làm cho hạt nhân không bền vững. Lý thuyết quang phổ lượng tử chỉ ra
rằng số n nên bằng hoặc lớn hơn chút ít so với số p để giữ cho hạt nhân bền

18


vững.Trong bảng hệ thống tuần hoàn, chỉ có hạt nhân nguyên tử của nguyên tố
hydro (H) và heli (He) có số n ít hơn số p.
Vào năm 1919, nhà khoa học Francis W. Aston xây dựng một máy phân tích

quang phổ khối lượng tại trường Cambridge, Vương Quốc Anh (Fry, 2006). Với
máy phân tích này ông đã chỉ ra rằng nguyên tử của neon (Ne) thực ra là có 3 cấu
trúc nguyên tử khác nhau, bởi chúng có số e và p giống nhau là 8, nhưng số n là
khác nhau lần lượt là 12, 13, và 14. Sự khác nhau về số n đã tạo ra 3 đồng vị Ne có
số khối lần lượt là 20, 21, và 22.Sau kết quả thí nghiệm với nguyên tố Ne, Aston đã
phát hiện ra nhiều nguyên tố cũng có đặc điểm tương tự, và sau đó ông đã được trao
giải Nobel hóa học cho các phát hiện này ().
Trong một nguyên tử, lớp vỏ electron thể hiện tính chất hóa học của nguyên tố.
Đối với một nguyên tử của một nguyên tố thì số p luôn không đổi để cân bằng điện
tích với số e ở lớp ngoài cùng, nhưng số n có thể thay đổi. Do vậy, số khối (hay
khối lượng) của các nguyên tử của một nguyên tố có thể khác nhau (mặc dù là rất
nhỏ),do khối lượng của nơtron là rất nhỏ (Bảng 1.1). Sự thay đổi số n trong nguyên
tử nguyên tố không gây ra các sự khác biệt về tính chất hóa học giữa các nguyên tử
của cùng một nguyên tố và các hợp chất của nó. Tuy vậy, sự khác nhau về khối
lượng giữa các nguyên tử của một nguyên tố gây ra bởi sự khác nhau về số n là
nguyên nhân gây ra sự khác nhau rất nhỏ về tính chất hóa lý giữa các nguyên tử
hoặc hợp chất chứa chúng.
Bảng 1.1.Điện tích và khối lượng của các hạt proton, nơtron và electron của một
nguyên tử
Loại hạt

Điện tích

Khối lượng

Proton

+1

1,6726×10-24

Nơtron

0

1,6749543×10-24

Electron

−1

9,109534×10-28

19


Đồng vị là những nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton và
electron nhưng khác nhau về số nơtron. Thuật ngữ đồng vị (isotope) bắt nguồn từ
tiếng Latin, nghĩa là các đồng vị của một nguyên tố thì giống nhau (iso) về vị trí
(topos) trong bảng hệ thống tuần hoàn (Sharp, 2007). Đồng vị của một nguyên tố
m
p

thường được ký hiệu là

E

, trong đó m là số khối (hay khối lượng) của nguyên tử, p

là số protron của nguyên tử, và E là ký hiệu nguyên tố. Trong bảng hệ thống tuần

hoàn, các nguyên tố thường được biểu thị bằng một đồng vị phổ biến nhất với số

khối và số proton, ví dụ đồng vị phổ biến của nguyên tố carbon (C) là

12
6

C

, trong đó

12 là khối lượng nguyên tử hay là tổng số nơtron và proton, và 6 là số protron có
trong hạt nhân nguyên tử carbon.
Hầu hết các nguyên tố đều có số đồng vị nhiều hơn 2, trong bảng hệ thống
tuần hoàn chỉ có 21 nguyên tố có duy nhất một đồng vị, trong đó bao gồm các
nguyên tố phổ biến là Flo(F), Nhôm (Al), Natri (Na), và Phospho (P). Đồng vị của
các nguyên tố có thể chia thành 2 loại đồng vị là đồng vị phóng xạ và đồng vị bền.
Trong đó, đồng vị phóng xạ là đồng vị của các nguyên tố mà hạt nhân nguyên tử có
thể phân rã và phát ra các tia phóng xạ để chuyển thành các hạt nhân nguyên tử của
nguyên tố khác. Đồng vị bền là đồng vị của các nguyên tố có mức năng lượng
nguyên tử ổn định và cân bằng, chúng không có tính chất phân rã do vậy chúng
không có khả năng phóng xạ. Trên thực tế, hầu hết các đồng vị của các nguyên tố
đều có khả năng phóng xạ, tuy nhiên xác suất xảy ra phân rã của các đồng vị bền là
rất nhỏ, nên có thể bỏ qua. Do vậy, thuật ngữ đồng vị bền chỉ là tương đối nó phụ
thuộc vào khả năng phân tích và xác định các mức độ phóng xạ và thời gian phân rã
của các nguyên tố (Sharp, 2007). Theo các phép thống kê quang phổ lượng tử, các
nguyên tử của các nguyên tố có tính chất bền vững nếu số nơtron bằng hoặc gần
bằng với số proton (N/Z ≤ 1,5).
Các đồng vị bền của các nguyên tố C, O, và N được lựa chọn giới thiệu bởi
vì chúng có một số đặc điểm quan trọng như sau:

20


-

Các đồng vị của các nguyên tố C, O, và N đã tồn tại hàng tỷ năm kể từ khi chúng được
hình thành trên trái đất từ các vụ nổ vũ trụ và tồn tại trên trái đất cho đến ngày nay.

-

Các đồng vị của các nguyên tố C, O, và N tham gia vào hầu hết các quá trình sinh địa
hóa quan trọng trong các quyển của trái đất như khí quyển, thủy quyển, sinh quyển,
và thạch quyển. Các đồng vị của các nguyên tố N và O là thành phần chính cấu tạo nên
khí quyển trái đất; các đồng vị của các nguyên tố O là thành phần chính của các loại
nước có trong thủy quyển; các đồng vị của các nguyên tố C, O, và N là phổ biến trong
các hợp chất hữu cơ cấu tạo nên cơ thể sống của cả động vật và thực vật trong sinh
quyển… Nghiên cứu đặc điểm phân bố và biến đổi thành phần đồng vị của các nguyên
tố này trong các quyển của trái đất và mối quan hệ giữa các hợp chất (vật chất) mà
chúng cấu tạo nên sẽ cung cấp cho chúng ta những thông tin về đặc điểm của các chu
trình sinh địa hóa và các quá trình xảy ra trên trái đất mà các đồng vị của các nguyên
tố này đã tham gia. Đồng thời các đặc điểm về khí hậu, môi trường, và sinh thái trên
trái đất sẽ được làm sáng tỏ cả trong quá khứ, hiện tại và có thể dự báo các quá trình
xảy ra trong tương lai.

-

Trong bảng hệ thống tuần hoàn có khoảng 300 đồng vị bền và hơn 1200 đồng vị
phóng xạ. Độ phổ biến tương đối của các đồng vị của các nguyên tố khác nhau thì
khác nhau. Độ phổ biến tương đối của một đồng vị được xác định bằng thành phần

phần trăm của các đồng vị của cùng một nguyên tố trong tự nhiên. Đối với các nguyên
tố C, O, và N thì chỉ một đồng vị bền là phổ biến, các đồng vị còn lại chiếm một tỷ lệ
rất nhỏ.

-

Ví dụ, đồng vị phổ biến của nguyên tố carbon là12C và các đồng vị khác có thành phần
rất nhỏ là13C, và 14C; đồng vị phổ biến của nguyên tố ôxy là16O và các đồng vị khác có
thành phần rất nhỏ là17O và 18O. Các đồng vị có độ phổ biến tương đối cao thường có
khối lượng nguyên tử nhỏ nên được gọi là các đồng vị nhẹ. Còn các đồng vị có khối
lượng nguyên tử lớn hơn thì thường có độ phổ biến tương đối nhỏ và thường được
gọi là các đồng vị nặng. Cần chú ý rằng khái niệm đồng vị nặng hay nhẹ là khác với
khái niệm nguyên tố nặng hay nhẹ. Khái niệm đồng vị nặng và đồng vị nhẹ được sử
dụng phổ biến trong phân tích và nghiên cứu đặc điểm phân bố của các đồng vị bền
trong các quyển của trái đất.

Bảng 1.2. Độ phổ biến tương đối của các đồng vị bền của nguyên tố nhẹ C, N, O

21


Nguyên
tố

Đồng
vị
bền
12

C

Carbon

13
15

Nitơ

1,108

N
N

99,635
0,365

14

O

Tỷ số của
đồng vị
nặng/nhẹ
(%)

98,982

C

16

Ôxy

Độ phổ
biến
(%)

Vienna Pee
Dee Belemnite
(VPDB)
Nitơ trong khí
quyển

8,3
7,1

Giá trị trung
bình nước đại
dương, hoặc
sử dụng
VPDB trong
khí CO2, hoặc
carbonate

99,759

17

12,5
(18O:16O)

O
0,037
O
0,204
33
S
0,76
34
S
4,29
36
S
0,02
Nguồn: Sulzman và cộng sự (2007)
18

Chất chuẩn
quốc tế

Giá trị tỷ số tuyệt đối
giữa tỷ số đồng vị
nặng/nhẹ trong chất
chuẩn quốc tế
13

C:12C=0,0112372

15

N:14N=0,0036765

VSMOW=0,0020052
VPDB=0,020672
(18O:16O)

1.4.2. Một số nghiên cứu về các đồng vị bền Carbon, Oxy và Nitơ trong môi
trường và cổ khí hậu
Nghiên cứu tái sinh hậu cảnh quan cổ đại và môi trường cổ sinh vật học nhằm
đánh giá và làm rõ những đặc điểm của khí hậu và môi trường trong quá khứ
(Kilian and Lamy, 2012; Leng and Marshall, 2004). Các nghiên cứu này cung cấp
thông tin quan trọng để mô phỏng sự thay đổi khí hậu và môi trường trong tương lai
(Stocker và cộng sự, 2014). Các tầng trầm tích đã đạt được các tiêu chuẩn về môi
trường và khí hậu như nhiệt độ, độ ẩm và lượng mưa trong quá khứ (Leng and
Marshall, 2004). Phân tích những chỉ thị như vậy trong các trầm tích (các đồng vị
bền, các vi chất hóa học, phấn hoa, các chế phẩm chất hữu cơ và các chế phẩm trầm
tích) đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều vùng trên thế giới (Wanner và cộng sự,
2008. Villalba et al., 2009 Berger et al., 2012; Kilian và Lamy, 2012).
Môi trường cổ khí hậu ở Việt Nam đã được tái tạo lại bằng các đặc tính trầm
tích, phấn hoa và tảo cát trong lõi trầm tích (ví dụ Li và cộng sự, 2006, Tanabe và
cộng sự, 2006, Nguyễn và Dương, 2011). Phân tích 14C trong trầm tích ở Đồng bằng

22


sông Hồng cho thấy phạm vi xảy ra trong giai đoạn từ 9-6 ka BP, dẫn đến mực nước
biển tăng lên bởi một biên độ cao hơn 2-3 m so với mực nước biển hiện tại. Mực
nước biển này ổn định trong giai đoạn từ 6-4 ka BP, sau đó giảm dần xuống mức
hiện tại 1 ka BP (Funabiki và cộng sự, 2007; Hori và cộng sự, 2004, Tanabe và cộng
sự, 2003). Các phương pháp tương tự cũng được áp dụng để giải thích sự tiến hóa

của môi trường trầm tích trong Holocene ở đồng bằng sông Cửu Long (Ta và cộng
sự, 2002, Tanabe và cộng sự, 2010). Phân tích 14C trong lõi trầm tích ở đồng bằng
Sông Hồng bị Khí hậu lạnh và ướt giai đoạn từ 4530-3340 năm BP, 2100-1540 BP
và BP 620-130 năm, các thời kỳ nóng và ẩm từ 3340- 2100 năm BP, 1540-620 năm
BP và hiện tại (Li và cộng sự, 2006). Các kết quả cũng cho thấy các hoạt động của
con người ở đồng bằng sông Hồng bắt đầu từ 3340 năm BP. Các đặc điểm của các
chỉ số liên quan đến trầm tích của Hà Nội khi khí hậu nóng ẩm từ 10.5 ka BP đến
nay, nhưng trong khoảng thời gian 8,2 đến 8,4 ka BP, khí hậu chuyển lạnh đột ngột
(Nguyễn và Dương, 2011).
Tỷ lệ đồng vị bền của các nguyên tố nhẹ C, N, O trong các trầm tích đã được
ứng dụng rộng rãi để tái tạo lại môi trường cổ đại và cổ khí hậu ở Mỹ, Anh, Nhật,
Pháp, Tây Ban Nha và Trung Quốc (Kilian và Lamy, 2012, Wanner và cộng sự,
2008). Các tỷ lệ đồng vị bền được kết hợp với các chỉ tiêu khác như đặc điểm địa
tầng (Schwalb và cộng sự, 1999), tảo cát (Caissie và cộng sự, 2010), khoáng chất
(Bradley và cộng sự, 1996) và phấn hoa (Pendall et al., 2001 ) để tái tạo lại khí hậu
Holocene. Nền tảng của các ứng dụng đồng vị bền để tái tạo lại cổ khí hậu được dựa
trên sự tương quan giữa các thành phần đồng vị bền với các thông số khí hậu như
nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, đặc tính theo mùa và gió mùa (Leng và Marshall,
2004). Các loại trầm tích như các khoáng chất (Eastwood và cộng sự, 2007), các
mảnh vỏ (Colman et al., 1990), chất hữu cơ (Janbu và cộng sự, 2011) và tảo cát
(Aksu et al., 1995) thường được sử dụng để phân tích thành phần đồng vị bền. Các
báo cáo cho thấy rằng phương pháp sử dụng các đồng vị bền để tái tạo lại môi
trường và cổ khí hậu đáng tin cậy hơn các phương pháp khác (Berger và cộng sự,
2012; Stocker và cộng sự, 2014). Tuy nhiên, các nghiên cứu về môi trường và cổ

23


khí hậu dựa trên phân tích đồng vị bền vẫn chưa được thực hiện rộng rãi ở Việt
Nam.

1.5. Các phương pháp phân tích đồng vị bền Carbon, Oxy, Nitơ trong trầm
tích và ứng dụng trong nghiên cứu điều kiện cổ khí hậu
1.5.1. Phương pháp phân tích đồng vị bền C và N trong các trầm tích
Để phân tích đồng vị bền của nguyên tố C và N trong trầm tích hữu cơ dùng
hệ thống phân tích nguyên tố EA (Element Analyzer) kết hợp với khối phổ đồng vị
IRMS (Isotope ratio mass spectrometry).
Mẫu được cho vào các khay tự động và mẫu sẽ được đốt cháy trong buồng
đốt của máy phân tích nguyên tố EA; sau đó khí CO 2 và N2 được tạo ra sẽ chuyển
qua các bộ phận của hệ thống sắc ký khí (GC – Gas Chromatograph) để phân tách
thành các khí đơn chất. Trong quá trình các khí CO 2 và N2 được di chuyển đến GC,
một lượng khí chuẩn CO2 và N2 cũng được bơm tự động vào hệ thống. Các khí này
sẽ được đưa đến khối phổ để phân tích các đồng vị bền.

Hìn
h 1.4. Sơ đồ mô tả hệ thống phân tích EA-IRMS
1.5.2. Phương pháp phân tích đồng vị bền O trong trầm tích
Để phân tích đồng vị bền của nguyên tố O trong trầm tích hữu cơ dùng hệ
thống nhiệt phân nhiệt độ cao HT (High Temperature pyrolysis) kết hợp với khối

24


phổ đồng vị IRMS (Isotope ratio mass spectrometry).
Mẫu được cho vào các khay tự động và mẫu sẽ được đốt cháy ở nhiệt độ cao
từ 1350 – 1450°C; sau đó khí CO và H2 được tạo ra sẽ chuyển qua các bộ phận của
hệ thống sắc ký khí (GC – Gas Chromatograph) để phân tách thành các khí đơn
chất. Trong quá trình các khí CO và H 2 được di chuyển đến GC, một lượng khí
chuẩn CO và H2 cũng được bơm tự động vào hệ thống. Các khí này sẽ được đưa đến
khối phổ để phân tích các đồng vị bền.

Hình 1.5. Sơ đồ mô tả hệ thống phân tích HT - IRMS

25