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
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

VŨ THỊ HƢƠNG

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2017


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

VŨ THỊ HƢƠNG

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

Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số

: 60440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Văn
Vƣợng 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 phƣơng pháp đồng vị bền" dƣới sự hƣớng
dẫn của hai thầy là PGS.TS. Nguyễn Văn Vƣợng, 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
Vƣợng và PGS.TS. Từ Bình Minh đã giao đề tài, tận tình hƣớng dẫn và tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất giúp em hoàn thành luận văn này.
Để hoàn thành đƣợc luận văn này, em cũng đã nhận đƣợc 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 ngƣời 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 Hƣơng


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................................... 2

1.1. Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên vùng nghiên cứu........................................ 2
1.1.1. Vị trí địa lý..............................................................................................2
1.1.2. Đặc điểm địa hình...................................................................................3
1.1.3. Đặc điểm khí hậu....................................................................................4
1.1.4. Dân cư và diện tích.................................................................................4
1.2. Đặc điểm địa chất khu vực............................................................................. 5
1.3. Đặc điểm thạch học, địa tầng các đá hệ tầng Đồng Ho................................. 10
1.4. Giới thiệu về đồng vị bền các nguyên tố Carbon, Oxy và Nitơ....................12
1.4.1. Giới thiệu về đồng vị bền các nguyên tố Carbon, Oxy và Nitơ.............12
1.4.2. Một số nghiên cứu về các đồng vị bền Carbon, Oxy và Nitơ trong môi
trường và cổ khí hậu....................................................................................... 16
1.5. Các phƣơng pháp phân tích đồng vị bền Carbon, Oxy và Nitơ trong trầm tích
và ứng dụng trong nghiên cứu điều kiện cổ khí hậu............................................ 18
1.5.1. Phương pháp phân tích đồng vị bền C và N trong các trầm tích..........18
1.5.2. Phương pháp phân tích đồng vị bền O trong trầm tích.........................19
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU......................20
2.1. Đối tƣợng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu............................................... 20
2.1.1. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu........................................................ 20
2.1.2. Nội dung nghiên cứu............................................................................. 24
2.2. Quy trình và phƣơng pháp phân tích thành phần đồng vị............................24
2.2.1. Phương pháp xử lý mẫu trước khi phân tích......................................... 24
2.2.2. Phương pháp phân tích......................................................................... 29


2.3. Xử lý số liệu................................................................................................. 35
2.4. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất phục vụ nghiên cứu........................................ 35
2.4.1. Dụng cụ................................................................................................. 35
2.4.2. Thiết bị phụ trợ và hệ thống phổ kế...................................................... 36
2.4.3. Hóa chất............................................................................................... 37
2.4.4. Mẫu chuẩn............................................................................................ 37

2.5. Các điều kiện đánh giá độ tin cậy của phƣơng pháp phân tích.....................37
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU............................................................... 39
3.1. Tối ƣu các điều kiện phân tích đồng vị trên thiết bị IRMS..........................39
3.1.1. Tìm dòng ion của các đồng vị bền........................................................ 39
3.1.2. Điều chỉnh độ nhạy............................................................................... 39
3.1.3. Lựa chọn hình dạng peak và độ hội tụ.................................................. 41
3.2. Hiệu chỉnh kết quả đo................................................................................... 45
3.2.1. Xây dựng đường tương quan giữa giá trị raw đo được và giá trị đúng
của đồng vị trong mẫu chuẩn.......................................................................... 45
3.2.2. Độ chụm (độ lặp lại)............................................................................. 47
3.3 Phân tích mẫu thực........................................................................................ 49
3.3.1. Phân tích đồng vị Carbon trong mẫu trầm tích..................................... 49
3.3.2. Phân tích đồng vị Oxy trong mẫu trầm tích.......................................... 50
3.3.3. Phân tích đồng vị Nitơ trong mẫu trầm tích.......................................... 51
3.3.4. Đánh giá kết quả phân tích................................................................... 51
KẾT LUẬN............................................................................................................. 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 55


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1.Vị trí vùng nghiên cứu (hình chữ nhật trắng trên sơ đồ).............................2
Hình 1.2. Bản đồ địa chất khu vực nghiên cứu.......................................................... 6
Hình 1.3. Cột địa tầng mô tả thành phần thạch học của khu vực Đồng Ho.............10
Hình 1.4. Sơ đồ mô tả hệ thống phân tích EA-IRMS.............................................. 18
Hình 1.5. Sơ đồ mô tả hệ thống phân tích HT......................................................... 19
Hình 2.1.Sơ đồ vị trí lấy mẫu thực địa và ký hiệu mẫu........................................... 20
Hình 2.2.Cột địa tầng khu vực bể trầm tích Đồng Ho theo khảo sát mô tả thực địa
tại các vị trí lấy mẫu................................................................................................ 21
Hình 2.3.Các mẫu trầm tích sau khi đƣợc đƣa vào các ống pipet...........................25
Hình 2.4.Sơ đồ các bƣớc xử lý mẫu trầm tích để phân tích bằng hệ thống khối phổ

đồng vị bền.............................................................................................................. 28
Hình 2.5. Sơ đồ đơn giản biểu diễn cấu tạo và chức năng của các bộ phận chính
trong một máy phân tích tỷ số đồng vị quang phổ khối lƣợng (IRMS)...................31
Hình 2.6. Tín hiệu đo trong quá trình phân tích mẫu chuẩn.................................... 31
Hình 2.7. Tín hiệu đo trong quá trình phân tích mẫu thực....................................... 32
Hình 2.8. Hệ thống khối phổ đồng vị bền IRMS tại công ty Nu instrusment tại
Vƣơng Quốc Anh.................................................................................................... 36
Hình 3.1. Cửa sổ các bƣớc thực hiện điều chỉnh độ nhạy....................................... 40
Hình 3.2. Hình dạng peak và sự hội tụ của các dòng ion trƣớc khi hiệu chỉnh Quad 1

và Quad 2................................................................................................................ 43
Hình 3.3. Hình dạng peak và sự hội tụ của các dòng ion sau khi hiệu chỉnh Quad 1
và Quad 2................................................................................................................ 44
15

15

Hình 3.4: Mối quan hệ tƣơng quan giữa giá trị đúng δ N và giá trị raw δ N đo
đƣợc trong mẫu chuẩn............................................................................................ 46
13

13

Hình 3.5.Mối quan hệ tƣơng quan giữa giá trị đúng δ C và giá trị raw δ C đo đƣợc

trong mẫu chuẩn...................................................................................................... 46
18

18

Hình 3.6. Mối quan hệ tƣơng quan giữa giá trị đúng δ O và giá trị raw δ O đo
đƣợc trong mẫu chuẩn............................................................................................ 47


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.Điện tích và khối lƣợng của các hạt proton, nơtron và electron của một
nguyên tử................................................................................................................ 13
Bảng 1.2. Độ phổ biến tƣơng đối của các đồng vị bền của nguyên tố nhẹ C, N, O . 16

Bảng 2.1.Thống kê thông tin các mẫu đƣợc lựa chọn để phân tích.........................22
Bảng 2.2. Thành phần đồng vị bền của một số chất chuẩn quốc tế.........................35
Bảng 2.3. Các mẫu chuẩn đƣợc dùng trong nghiên cứu này................................... 37
Bảng 3.1.Giá trị các thông số thích hợp trong bộ nguồn.........................................41
Bảng 3.2. Bảng các giá trị cho một bƣớc điều chỉnh của các thấu kính..................44
Bảng 3.3. Kết quả phân tích thành phần đồng vị trong mẫu chuẩn.........................45
Bảng 3.4. Độ lặp của phƣơng pháp trên mẫu chuẩn............................................... 48
Bảng 3.5. Kết quả phân tích đồng vị C trong các mẫu trầm tích Đồng Ho..............49
Bảng 3.6. Kết quả phân tích đồng vị O trong các mẫu trầm tích Đồng Ho..............50
Bảng 3.7. Kết quả phân tích đồng vị N trong các mẫu trầm tích Đồng Ho..............51


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

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 tƣơng 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 tƣớng 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 đƣợc các nhà địa chất Pháp phát hiện từ những
năm 20 của thế kỷ trƣớc. Bề dày của hệ tầng Đồng Ho biến thiên khá nhiều dao
động trong khoảng 140-430m. Mặt cắt chuẩn của hệ tầng đƣợc 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 đƣợc các nhà nghiên cứu địa chất dầu khí đánh giá là tầng đá
mẹ có tiềm năng dầu khí tƣơng đối cao (Petersen và cộng sự, 2001, 2004, 2005).
Các đá trầm tích tuổi Oligocen tƣớng 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 đƣợc 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 tƣơng tự
ở Việt Nam, đinh hƣớng 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 phƣơng pháp
đồng vị bền”.

1


CHƢƠNG 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
đƣờng 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 đƣơc đánh giá
là có tiềm năng sinh dầu khí tƣơng 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)

2

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 đƣợc chia
thành 4 loại nhƣ sau:
-

Địa hình núi thấp: có độ cao tuyệt đối từ 500m đến 1.090m ở các xã Đồng

Sơn, Kỳ Thƣợng chiếm khoảng 12% diện tích tự nhiên. Vùng địa hình núi thấp này
0

2

có độ dốc >35 , mức độ chia cắt ngang tƣơng đối lớn từ 3,5-4,5 km/km 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 hƣớng 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 nhƣỡng
thƣờng có bề dày mỏng đến trung bình.
-

Địa hình thung lũng: chiếm 8% diện tích, thƣờng 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.

3


-

Các đồi sót cấu tạo bởi đá vôi: chủ yếu tập trung ở xã Sơn Dƣơng, Thống

Nhất, Vũ Oai. Các đồi sót này có giá trị khai thác làm đá xây dựng hoặc nguyên liệu
làm xi măng.
1.1.3. Đặc điểm khí hậu
Cũng nhƣ 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 hƣởng 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 trƣng chính

nhƣ sau:
nhất

0

0

Nhiệt độ không khí trung bình năm từ 22-29 C, cao nhất 38 C, thấp

0

5 C. Nhìn chung nhiệt độ phân bố đồng đều giữa các tháng, mùa hè nhiệt độ biến
0

0

đổi từ 26-28 C, mùa đông 15-21 C. Nhìn chung, điều kiện nhiệt độ nhƣ vậy cũng
đủ cung cấp cho cây lƣơng thực, cây màu và cây công nghiệp.
-

Lƣợng mƣa trung bình năm khá lớn dao động trong khoảng 2.016mm, năm

mƣa cao nhất 2.818mm, thấp nhất 870mm. Mùa mƣa từ tháng 5 đến tháng 10,
chiếm tới 89% tổng lƣợng mƣa năm. Mùa khô từ tháng từ tháng 11 đến tháng 4
năm sau, tháng ít mƣa 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 hƣởng

không tốt cho việc chế biến và bảo quản thức ăn, gia súc, giống cây trồng.
Gió: mùa đông thịnh hành hƣớng gió Bắc hoặc Đông Bắc với tốc độ
trung
bình 2,9-3,6m/s. Mùa hè thịnh hành gió hƣớng Nam và Đông Nam với tốc độ trung
bình 3,4-3,7m/s.
1.1.4. Dân cư và diện tích
Về dân cƣ, Hoành Bồ có dân số (1-4-1999) 55.069 ngƣời, 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).

4


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

5


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 đƣợc mô tả ở đảo Cát Bà đƣợc chia làm 2 phần:
Phần dƣới: 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 dƣới
dạng những chỏm núi ở phía bắc vùng nghiên cứu, gồm đá vôi phân lớp trung bình

6


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
đƣợc 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 đƣợc 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 Thƣợng, Khe Lao và Hà Lâu đã thu
thập đƣợc hai mảnh tuổi Anisi, nhƣ: 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 đƣợc 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 đƣợc tìm thấy dọc
theo suối Đồng Ho. Đây là hệ tầng chứa than cung cấp nguồn nhiên liệu quan trọng
nhất của nƣớc ta. Than ở đây là loại anthracit có chất lƣợng tốt, đã đƣợc khai thác
từ thế kỷ 19, và cho đến nay vẫn tiếp tục đƣợc khai thác. Dựa theo độ chứa than, hệ
tầng Hòn Gai đƣợc chia làm hai phân hệ tầng.
Phân hệ tầng dƣới (T3n-r hg1): lộ ra ở các vùng Hà Tu, Đèo Bụt, Quang

7


Hanh, Dơng Huy, Hà Lầm, Giáp Khẩu, Mông Dƣơng, đảo Cái Bầu và bắc cảng
Cuốc Bê. Theo mặt cắt Quang Hanh và đảo Cái Bầu, phân hệ tầng đƣợc 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 trƣng 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. Nhƣ 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
đƣờng 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
2

diện tích khoảng 40km . Các thành tạo trầm tích của hệ tầng Đồng Ho đƣợc lắng
đọng dọc theo đứt gãy phƣơng Đông bắc – Tây Nam hình thành trong giai đoạn
Paleogen. Các nghiên cứu trƣớc đây chỉ ra rằng hệ tầng Đồng Ho này đƣợc 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 đƣợc mô tả dọc theo suối Đồng Ho
và đƣờng 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 thƣớc 3 -12 cm, độ mài tròn khá tốt; xi măng
thƣờng 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

8


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 trƣng nhƣ 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 Dƣơng.
Sét phân lớp dày hoặc dạng khối, gắn kết yếu, vỡ dạng vỏ chai; phần dƣới 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 Dƣơng.

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
tƣơng 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 dƣới 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 (N1

1-2

tg)

Theo Trần Đình Nhân, Trịnh Dánh, 1975, hệ tầng phân bố hạn chế tại thị trấn
Trới. Mặt cắt đặc trƣng quan sát đƣợc 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 100-

9


180m.
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 nhƣ 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

10


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 thƣờng. 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 dƣới đáy
của tầng cát có quan sát đƣợc 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 chƣa 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 thƣờng 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 đƣợc các mảnh thực vật
chƣa 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 thƣờng không ổn định mà thƣờng 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 chƣa

khống chế đƣợc 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.

11


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
chƣa đƣợc khống chế do đá chìm sâu xuống bên dƣới.
Tập đá phiến sét màu đen có hàm lƣợng 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
đƣờng Trới - Bàng Bê) thay đổi từ 18m – 70m. Lộ ra trên mặt đất dài khoảng 840m,
o

o

cấu tạo đơn nghiêng với góc dốc 15 - 20 .
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 đƣợc cấu tạo bởi ba hạt cơ bản là nơtron (n), proton (p), và
electron(e). Trong đó p mang điện tích dƣơng, e mang điện tích âm còn n là hạt
không mang điện tích. Bởi vì khối lƣợng của n xấp xỉ bằng p, và khối lƣợng của elà
rất nhỏ và coi nhƣ không đáng kể (Bảng 1.1), nên khối lƣợng nguyên tử của một
nguyên tốđƣợc tập trung chủ yếu trong hạt nhân và đƣợc tính bằng tổng khối
lƣợngn + p. Một nguyên tử đƣợc 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 dƣơng 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 lƣợng tử chỉ ra
rằng số n nên bằng hoặc lớn hơn chút ít so với số p để giữ cho hạt nhân bền
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.

12


Vào năm 1919, nhà khoa học Francis W. Aston xây dựng một máy phân tích
quang phổ khối lƣợng tại trƣờng Cambridge, Vƣơng 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, nhƣng số n là
khác nhau lần lƣợt là 12, 13, và 14. Sự khác nhau về số n đã tạo ra 3 đồng vị Ne có
số khối lần lƣợt 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 tƣơng tự, và sau đó ông đã đƣợc
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, nhƣng số n có thể thay đổi. Do vậy, số khối (hay
khối lƣợng) của các nguyên tử của một nguyên tố có thể khác nhau (mặc dù là rất
nhỏ),do khối lƣợng 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
lƣợng 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 lƣợng của các hạt proton, nơtron và electron của một
nguyên tử

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

13


(topos) trong bảng hệ thống tuần hoàn (Sharp, 2007). Đồng vị của một nguyên tố
thƣờng đƣợc ký hiệu là

m
p

E , trong đó m là số khối (hay khối lƣợng) 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 thƣờng đƣợc 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 lƣợng 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 lƣợng
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 tƣơng 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 lƣợng 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 đƣợc lựa chọn giới thiệu bởi
vì chúng có một số đặc điểm quan trọng nhƣ sau:
-

Các đồng vị của các nguyên tố C, O, và N đã tồn tại hàng tỷ năm kể

từ khi chúng đƣợc hình thành trên trái đất từ các vụ nổ vũ trụ và tồn tại
trên trái đất cho đến ngày nay.

14


-

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 nhƣ 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 nƣớc 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 trƣờng, và sinh
thái trên trái đất sẽ đƣợc làm sáng tỏ cả trong quá khứ, hiện tại và có thể
dự báo các quá trình xảy ra trong tƣơng lai.
-

Trong bảng hệ thống tuần hoàn có khoảng 300 đồng vị bền và hơn

1200 đồng vị phóng xạ. Độ phổ biến tƣơng đối của các đồng vị của các
nguyên tố khác nhau thì khác nhau. Độ phổ biến tƣơng đối của một đồng
vị đƣợc 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.
-

12

Ví dụ, đồng vị phổ biến của nguyên tố carbon là C và các đồng vị
13

khác có thành phần rất nhỏ là C, và
16

14

C; đồng vị phổ biến của nguyên tố
17

18

ôxy là O và các đồng vị khác có thành phần rất nhỏ là O và O. Các đồng
vị có độ phổ biến tƣơng đối cao thƣờng có khối lƣợng nguyên tử nhỏ nên

đƣợc gọi là các đồng vị nhẹ. Còn các đồng vị có khối lƣợng nguyên tử
lớn hơn thì thƣờng có độ phổ biến tƣơng đối nhỏ và thƣờng đƣợc 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

15


vị nhẹ đƣợc 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 tƣơng đối của các đồng vị bền của nguyên tố nhẹ C, N, O

Nguyên
tố

Carbon

Nitơ

Ôxy

Nguồn: Sulzman và cộng sự (2007)
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 trƣờng cổ sinh vật học nhằm
đánh giá và làm rõ những đặc điểm của khí hậu và môi trƣờng 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 trƣờng trong tƣơng
lai (Stocker và cộng sự, 2014). Các tầng trầm tích đã đạt đƣợc các tiêu chuẩn về
môi trƣờng và khí hậu nhƣ nhiệt độ, độ ẩm và lƣợng mƣa trong quá khứ (Leng and
Marshall, 2004). Phân tích những chỉ thị nhƣ 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 đƣợc ứng dụng rộng rãi ở nhiều vùng trên thế giới (Wanner và cộng sự,

16