Nghiên cứu địa chất thủy văn vùng Nam Định bằng kỹ thuật đồng vị

120 35(2), 120-129 Tạp chí CÁC KHOA HỌC VỀ TRÁI ĐẤT 6-2013 NGHIÊN CỨU ĐỊA CHẤT THỦY VĂN VÙNG NAM ĐỊNH BẰNG KỸ THUẬT ĐỒNG VỊ HOÀNG VĂN HOAN1, PHẠM QUÝ NHÂN2, ĐẶNG ĐỨC NHẬN3, FLEMMING LARSEN4, WAGNER FRANK5, ROLAND PURTSCHERT6, CHRISTOPH GERBER6 E - mail: hoanghoandctv@gmail.com 1Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội 2Trung tâm Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước, Hà Nội 3Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, Hà Nội 4Cục Địa chất Đan Mạch, Copenhagen, Denmark 5Viện Khoa học Địa chất và Tài nguyên Liên bang, Hannover, Germany 6Đại học Bern, Bern, Switzerland Ngày nhận bài: 25 - 2 - 2013 1. Mở đầu Việt Nam có hơn 3.260 km bờ biển với điều kiện địa chất, địa thủy văn khác nhau đã hình thành và tồn tại nhiều khối nước nhạt đa dạng về cấu trúc, về dạng tồn tại cũng như nguồn bổ cập. Tại Nam Định, tồn tại một thấu kính nước nhạt lớn trong tầng chứa nước Pleistocen và Neogen dọc dải ven biển từ Giao Thủy đến Nghĩa Hưng. Đới thấu kính nước nhạt này được đánh giá có trữ lượng khai thác tiềm năng đạt 203.445 m3/ng.đ [5]. Tuy nhiên, đã có nghiên cứu sâu về sự hình thành đới thấu kính nước dưới đất này cũng như việc dự báo trữ lượng khai thác bền vững, hạn chế xâm nhập mặn và nghiên cứu nguồn bổ cập cho đới thấu kính nước nhạt, nhưng chưa có nghiên cứu nào sử dụng tổ hợp các phương pháp đồng vị để nghiên cứu toàn diện hơn về nước dưới đất khu vực này. Kỹ thuật đồng vị trong địa chất thủy văn được sử dụng lần đầu tiên từ những năm 80 của thế kỷ trước, để nghiên cứu nước dưới đất ở miền Bắc Việt Nam [2]. Tuy nhiên, ứng dụng kỹ thuật thủy văn đồng vị ở Việt Nam cho đến đầu thế kỷ XXI nói chung còn nhiều hạn chế do năng lực trang thiết bị của các phòng thí nghiệm trong nước cũng như quan hệ và hỗ trợ quốc tế còn chưa rộng và chưa sâu. Trong những năm gần đây, giao lưu và hợp tác giữa các nhà khoa học địa chất thủy văn Việt Nam và quốc tế phát triển mạnh mẽ đã giúp cho ngành khoa học này được phổ biến rộng rãi và không ngừng phát triển ở nước ta. Nghiên cứu địa chất thủy văn đồng vị tại vùng Nam Định đã xác định được tuổi của nước dưới đất, quan hệ thủy lực của các tầng, nguồn gốc và nguồn bổ cập cho nước dưới đất của khối nước nhạt phía đông nam tỉnh Nam Định. 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Nghiên cứu nguồn gốc nước dưới đất dựa trên mối tương quan giữa thành phần đồng vị bền của nước (2H và 18O) Deuteri (D hay 2H) và 18O là hai đồng vị bền của Hydro và Oxy và là thành phần cấu tạo của phân tử nước. Trong tự nhiên, nước luôn luôn vận động theo chu trình nước mà theo đó thành phần đồng vị của nước sẽ thay đổi trong các quá trình chuyển pha từ lỏng sang hơi, hơi sang lỏng hoặc rắn,... Thành phần đồng vị của nước được thể hiện qua ký hiệu delta (δ). Thành phần đồng vị Deuteri và Oxy 18 theo định nghĩa được tính bằng công thức: 2 2 2 2 1 .10002 2 R R Rsample ref sampleH R Rref ref δ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞−⎜ ⎟ ⎜ ⎟= = −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (1) 121 1000.118 18 18 1818 18 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= ref sample ref refsample R R R RR Oδ (2) Trong đó 2Rsample, 2Rref là tỷ số đồng vị 2H/1H, tương ứng, trong mẫu nghiên cứu và mẫu chuẩn; 18Rsample và 18Rref là tỷ số đồng vị 18O/16O, tương ứng, trong mẫu nghiên cứu và trong mẫu chuẩn. Thành phần đồng vị được biểu diễn bằng phần nghìn (‰). Mẫu chuẩn (reference) sử dụng trong phân tích thành phần đồng vị bền của nước là mẫu VSMOW (Mẫu nước đại dương trung bình do Phòng Thủy văn Đồng vị của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế, IAEA, Vienna, Áo) chuẩn bị và cung cấp cho các phòng thí nghiệm phân tích trên phạm vi toàn cầu. Mối tương quan tuyến tính giữa δ2H và δ18O trong nước mưa trên phạm vi toàn cầu gọi là đường nước khí tượng toàn cầu [13] và của khu vực gọi là đường nước khí tượng khu vực. Đường nước khí tượng khu vực được sử dụng cùng với mối quan hệ δ2H-δ18O trong các mẫu nước nghiên cứu để giải thích nguồn gốc các tầng chứa nước phạm vi khu vực. Trên cơ sở sự khác nhau về tỷ số đồng vị 2H/1H và tỷ số đồng vị 18O/16O của nước đại dương và nước khí tượng cũng như các nguồn nước mặt có liên quan để so sánh với kết quả của mẫu nghiên cứu mà đánh giá về nguồn gốc hay mức độ hòa trộn của các nguồn gốc trong mẫu nghiên cứu. Tuổi của nước dưới đất (t) được định nghĩa là khoảng thời gian từ khi nước biển, nước mưa hoặc nước từ sông, suối, hồ xâm nhập vào tầng chứa nước để trở thành nước dưới đất, chấm dứt các quá trình trao đổi chất giữa nước với không khí của khí quyển, đến khi xuất lộ hoặc đến thời điểm lấy mẫu nghiên cứu [12]. Tuổi tuyệt đối của mẫu nước ước tính theo quy luật phóng xạ và được thể hiện bằng công thức: 1 2 0ln 0,693 T A t At = (3) Trong đó T1/2 là chu kỳ bán rã của đồng vị phóng xạ, là khoảng thời gian để hoạt độ phóng xạ chỉ còn lại một nửa so với hoạt độ ban đầu A0; At là hoạt độ của đồng vị tại thời điểm đo. Đồng vị Triti (3H) là thành phần của phân tử nước, Carbon 14 (14C) trong bicarbonat hòa tan trong nước, các đồng vị khí trơ như Neon 20 (20Ne), Argon 39 (39Ar) hòa tan trong nước là các đồng vị phóng xạ được sử dụng rộng rãi trong phép định tuổi tuyệt đối của nước dưới đất, làm cơ sở cho việc xác định hướng vận động của nước dưới đất [1]. Sai số của phép định tuổi mẫu nước phụ thuộc chủ yếu vào độ chính xác của các phép đo phóng xạ định lượng hoạt độ A0 và At (công thức 3). Thực tế là rất khó xác định chính xác hoạt độ phóng xạ của các đồng vị tan trong nước tại thời điểm bắt đầu xâm nhập vào tầng chứa nước (A0). Để kết quả phân tích có thể trao đổi và thảo luận giữa các phòng thí nghiệm, một số giải pháp kỹ thuật đã được đưa ra. Đó là đo hoạt độ phóng xạ của mẫu so với hoạt độ của một chuẩn đã biết tuổi một cách chính xác, mô hình hóa hộp đen với các giả thiết kiểu dòng chảy như piston, phân tán hoặc theo hàm mũ [10] và kết hợp định tuổi bằng hai đồng vị song song, ví dụ 3H kết hợp với 14C [9, 15]. Sử dụng mẫu chuẩn biết chính xác tuổi được áp dụng phổ biến trong kỹ thuật định tuổi bằng phương pháp Carbon 14 [12]. Mẫu chuẩn trong trường hợp này là axit oxalic sản xuất từ mía đường được trồng chính xác vào năm 1950, thời điểm trước giai đoạn bùng nổ công nghiệp trên thế giới. Hoạt độ 14C của mẫu chuẩn được ký hiệu là 14Aref và hoạt độ của mẫu được đo so sánh với 14Aref. Khi đó công thức định tuổi nước bằng phương pháp 14C có dạng: 14 14 1401 2 1 2 0ln ln14 14 140,693 0,693 A AT T areft A A at tref = = (4) Trong đó a được gọi là tỷ số hoạt độ và có tên gọi là phần trăm Carbon cận đại (percent of Modern Carbon, pMC) vì so với chất chuẩn niên đại cận đại và T1/2 của 14C là 5.730 năm. Tương tự như phương pháp Carbon 14, phương pháp Argon 39 cũng áp dụng giải pháp đo so sánh tỷ số 39Ar/40Ar trong mẫu nước với tỷ số đó trong không khí. Tỷ số 39Ar/40Ar trong không khí được coi là Argon cận đại và có tên gọi là pMAr (percent of Modern Argon). Các đồng vị sử dụng để định tuổi nói trên là nhân phóng xạ beta tức là phát ra chùm điện tử và hoạt độ được đo hoặc bằng máy đếm nhấp nháy lỏng hoặc bằng khối phổ kế gia tốc. Phương pháp sau có chi phí rất cao nên không có nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới có khả năng triển khai. 122 Trước khi nước xâm nhập vào tầng chứa nước, trong tầng thông khí có thể có một số quá trình hóa học như hòa tan calcit, oxy hóa các vật chất hữu cơ đất hoặc khoáng hóa các hợp chất hữu cơ đất do hoạt động của các chủng vi sinh vật. Các quá trình này đều tạo ra khí carbonic nghèo 14C, do vậy phương pháp định tuổi nước sử dụng đồng vị 14C trong bicarbonat cần phải có những hiệu chính cho hiệu ứng pha loãng đồng vị 14C trong đới thông khí, nếu không sai số tuổi của nước có thể lên đến hàng nghìn năm [7]. Có hai phương pháp hiệu chính hiệu ứng pha loãng 14CO2, đó là theo thành phần địa hóa của mẫu nước [11] và theo thành phần đồng vị bền Carbon 13 trong bicarbonat [14]. Phương pháp định tuổi mẫu nước trẻ bằng đo tỷ số hoạt độ của 3H và hàm lượng Heli 3 (3He) trong mẫu nước, còn gọi là phương pháp Triti/Heli, không cần phải quan tâm đến hoạt độ A0 của 3H vì 3He là con trực tiếp của 3H [4]. Kết hợp phương trình phân rã 3H (tương tự biểu thức 1) và phương trình tích lũy 3He sẽ được phương trình định tuồi nước bằng phương pháp 3H/3He: 3 3 .( 1)tHe H et t λ−= − (5) Trong đó 3Het và 3Ht, tương ứng, đều là hàm lượng của 3He và hoạt độ của 3H tại thời điểm đo. Phương pháp Triti/Heli đòi hỏi phải có thiết bị khối phổ kế đo hàm lượng tuyệt đối nên cũng chỉ có một số ít phòng thí nghiệm trên thế giới có khả năng phân tích và giá thành cũng đắt. Ở Việt Nam chỉ có thiết bị đếm nhấp nháy lỏng và hệ làm giàu Triti bằng điện phân nên vẫn phải áp dụng phương pháp đo nhấp nháy lỏng truyền thống có giới hạn phát hiện là 0,4 TU (1 TU=0,118 Bq/L nước, tương đường hàm lượng 1 nguyên từ 3H trong 1018 nguyên tử Hydro). 3. Công tác lấy mẫu và phân tích mẫu 3.1. Vị trí nghiên cứu và địa điểm lấy mẫu Tổng số có 49 lỗ khoan và cụm lỗ khoan lấy mẫu nước dưới đất trên địa bàn nghiên cứu từ năm 2010 đến 2012. Với tổng số 150 mẫu được lấy từ các tầng chứa nước Holocen, Pleistocen, Neogen và Trias, cùng với mẫu nước mặt của sông Đáy và sông Ninh Cơ, nước biển vùng Giao Thủy và nước mưa vùng Nam Định. Mẫu được lấy theo đúng qui trình hướng dẫn chuyên ngành [8]. Trong tổng số 150 mẫu đã lấy phục vụ nghiên cứu trong ba năm 2010, 2011 và 2012 có 50 mẫu nước lấy vào năm 2010 (31 mẫu phân tích đồng vị bền, 19 mẫu phân tích đồng vị phóng xạ 14C), 72 mẫu lấy vào năm 2011 (50 mẫu phân tích đồng vị bền, 6 mẫu phân tích 39Ar, 8 mẫu 3H và 8 mẫu Ne/He), năm 2012 lấy và phân tích 28 mẫu đồng vị bền, trên phạm vi các huyện Ý Yên, Mỹ Lộc, Nam Trực, Trực Ninh, Xuân Trường, Giao Thủy, Hải Hậu và Nghĩa Hưng thuộc tỉnh Nam Định và huyện Gia Viễn thuộc tỉnh Ninh Bình. Vị trí lấy mẫu thể hiện trên hình 1. 3.2. Kỹ thuật phân tích mẫu Tỷ số đồng vị 39Ar/40Ar được phân tích bằng phương pháp khối phổ kế tại phòng thí nghiệm của Đại học Bern, Thụy Sỹ. Tỷ số 3H/3He cũng được phân tích bằng phương pháp khối phổ kế tại phòng thí nghiệm của Đại học Bremen, CHLB Đức. Thành phần đồng vị bền 2H và 18O được phân tích bằng phương pháp tỷ số khối phổ tại phòng thí nghiệm Thủy văn Đồng vị, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, Việt Nam và bằng phương pháp kích thích Laser tại phòng thí nghiệm của Cục Địa chất Đan Mạch (GEUS). Hoạt độ phóng xạ của đồng vị 14C được phân tích bằng kỹ thuật hấp thụ và đếm nhấp nháy lỏng, trong khi đó hoạt độ của đồng vị 3H được phân tích bằng đếm nhấp nháy lỏng có làm giàu mẫu bằng phương pháp điện phân tại phòng thí nghiệm Thủy văn Đồng vị, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân, Việt Nam. Chương trình đảm bảo và kiểm soát chất lượng các kết quả phân tích được tiến hành thông qua phân tích các mẫu chuẩn do IAEA cung cấp và phân tích so sánh giữa hai phòng thí nghiệm Đại học Bern và phòng thí nghiệm Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đối với 5 mẫu nước lấy từ các lỗ khoan Q108b, Q109a, Q110a, Q92a và Q92. Kết quả cho thấy mức chênh lệch thành phần đồng vị bền của các mẫu nước nằm trong khoảng sai số 5- 7‰ cho cả Deuteri và Oxy 18. 123 h. giao thñy h. kiÕn x−¬ng biÓn ®«n g h. xu©n tr−êng h. vò th− tp.th¸i b×nh h. h¶i hËu tp.Nam ®Þnh h. nam trùc TØnh Nam ®Þnh H. nghÜa h−ng h.kim s¬n h. b×nh lôc h. vô b¶n tp.ninh b×nh h. nga s¬n h. thanh liªm tx.bØm s¬n tx.tam ®iÖp h. hμ trung gia viÔn Ranh giíi mÆn nh¹t tÇng chøa n−íc Pleistocen Ranh giíi mÆn nh¹t tÇng chøa n−íc tr−íc §Ö tø Lç khoan lÊy mÉu ®ång vÞ 5 Km 100 TÇng chøa n−íc ®Êt ®¸ nøt nÎ, karst TÇng chøa n−íc ®Êt ®¸ bë rêi BiÓn, s«ng ngßi, kªnh m−¬ng chó gi¶i A §−êng mÆt c¾tB VÞ trÝ lÊy mÉu n−íc mÆt vμ n−íc biÓn GV01 ND02 Q225a Q92 ND01 OB-09 OB-12 OB-16 OB-03 OB-02 OB-13 OB-10 OB-14 OB-06 OB-04 OB-01 OB-15 OB-11 OB-07 OB-08 NB-3 NM-1 NB-2 NB-1 LK14 LK35 LK54 Q108b Q109b Q110a Q111 Q220T Q221N Q222b Q223N Q224A Q226N Q227A Q228A Q229N NM-2 Hình 1. Sơ đồ vùng nghiên cứu và vị trí lấy mẫu 4. Kết quả và thảo luận 4.1. Thành phần đồng vị bền của các mẫu nước nghiên cứu Kết quả phân tích thành phần đồng vị bền (δ2H và δ18O) của các mẫu nước được thể hiện trong bảng 1 và 2 [6]. Thành phần đồng vị bền của nước mưa tại thành phố Nam Định năm 2011 được trình bày trong bảng 3. Bảng 1. Thành phần đồng vị bền (δ2H và δ18O) của nước trong các tầng chứa nước và nước mặt trong vùng nghiên cứu (tháng 5/2010) TT LK Tầng chứa nước δ 18O (‰) δ 2H (‰) TT LK Tầng chứa nước δ 18O (‰) δ 2H (‰) 1 Q108 qh -3,54 -23,43 17 Q223a qp -8,99 -72,58 2 Q111 qh -0,86 -2,12 18 Q224a qp -7,68 -55,43 3 Q224b qh -3,04 -23,15 19 Q225a qp -6,30 -40,79 4 Q228c qh -5,05 -33,21 20 Q227a qp -7,25 -43,97 5 Q108a qh -6,43 -45,73 21 Q228a qp -8,96 -75,26 6 Q109 qh -6,76 -48,27 22 Q229a qp -6,13 -41,60 7 Q221b qh -7,46 -42,74 23 Q229n N -7,75 -57,81 8 Q228b qp -6,91 -42,61 24 Q109b N -6,84 -47,47 9 Q221b qp -7,04 -47,72 25 Q221n N -7,70 -59,23 10 Q226a qp -7,28 -41,93 26 Q223n N -8,65 -68,56 11 Q108b qp -6,44 -46,82 27 Q226n N -7,19 -46,29 12 Q92 qp -5,78 -36,51 28 Q220T T1 -6,92 -43,25 13 Q109a qp -7,43 -51,32 29 Q92a T2 -7,32 -44,04 14 Q110a qp -6,83 -46,37 30 NM-1* - -8,23 -55,91 15 Q221a qp -7,97 -61,18 31 NM-2* - -7,58 -52,26 16 Q222b qp -6,24 -42,17 * mẫu nước sông 124 Bảng 2. Thành phần đồng vị bền (δ2H và δ18O) của các mẫu nước lấy từ các tầng chứa nước khác nhau vào mùa mưa (tháng 8/2011) và mùa khô (tháng 3/2012) Mùa mưa (tháng 8 năm 2011) Mùa khô (tháng 3 năm 2012) TT Lỗ khoan Độ sâu (m) δ18O (‰) δ2H (‰) δ18O (‰) δ2H (‰) 1 OB-01 7,6 -3,72 -30,11 -4,53 -29,35 2 OB-02 8,5 -3,46 -26,03 -4,48 -28,75 3 OB-03 59,5 -6,69 -44,23 -6,72 -45,75 4 OB-04 8,3 -2,69 -20,99 -3,39 -21,58 5 OB-06 6,7 -6,26 -43,12 -6,76 -44,24 6 OB-07 7,3 -4,54 -34,25 -5,85 -38,87 7 OB-08 8,1 -5,68 -40,95 -6,07 -41,93 8 OB-09 6,1 -8,25 -55,00 -5,61 -31,50 9 OB-10 8,0 -4,82 -35,23 -5,19 -35,52 10 OB-11 7,8 -3,77 -30,34 -3,98 -29,41 11 OB-12 7,6 -5,90 -40,97 -6,03 -41,54 12 OB-13 6,7 -2,38 -19,72 -3,25 -21,90 13 OB-14 8,4 -3,58 -25,00 -4,06 -27,47 14 OB-15 8,8 -4,24 -33,30 -5,06 -34,50 15 OB-15-1 95,0 -7,19 -50,74 -7,48 -51,32 16 OB-16 9,6 -3,90 -29,91 -3,88 -29,04 17 Q223a 106,0 -8,40 -59,25 -8,23 -58,37 18 Q223n 136,0 -8,65 -58,38 -8,57 -60,52 19 Q224a 100,0 -7,34 -53,62 -7,65 -54,62 20 Q224b 45,0 -2,17 -21,23 -3,20 -21,66 21 Q225a 110,0 -7,08 -50,14 -7,31 -49,99 22 Q225b 67,0 -6,90 -50,86 -7,33 -50,66 23 Q226a 104,0 -4,52 -43,90 -7,63 -51,69 24 Q226n 150,0 -6,97 -50,81 -7,65 -52,35 25 Q227 145,0 -7,73 -51,69 -7,47 -52,77 26 ND01 120,0 -7,70 -49,49 -7,37 -50,59 27 ND02 140,0 -6,78 -44,61 -6,50 -45,67 28 ND02-1 15,0 -6,89 -49,30 -7,21 -48,34 Bảng 3. Thành phần đồng vị bền (δ2H và δ18O) trong nước biển và nước mưa khu vực nghiên cứu lấy vào năm 2011 Thời gian δ18O (‰) δ2H (‰) Thời gian δ 18O (‰) δ 2H (‰) Tháng 2 -2,50 -6,82 Tháng 9 -10,03 -68,62 Tháng 3 -4,38 -17,09 Tháng 10 -11,07 -75,28 Tháng 4 -2,75 -9,58 Tháng 11 -7,21 -42,81 Tháng 5 -4,66 -32,49 Tháng 12 -4,50 -16,69 Tháng 6 -9,99 -69,23 NB-1 -1,32 -10,25 Tháng 7 -8,06 -54,44 NB-2 -1,29 -12,29 Tháng 8 -11,92 -88,11 NB-3 -2,12 -18,91 (Mẫu NB-1, NB-2, NB-3: là mẫu nước biển ven bờ khu vực huyện Giao Thủy, Nam Định - hình 1) 4.2. Hoạt độ phóng xạ của đồng vị 14C Bảng 4 trình bày kết quả phân tích tỷ số hoạt độ phóng xạ (14a) của đồng vị 14C trong DIC của các mẫu nước thuộc các tầng chứa nước ở độ sâu khác nhau [6]. Đơn vị tính hoạt độ là pMC và tính theo công thức 14a = (14Amẫu/14Aref) × 100 với 14Amẫu là hoạt độ 14C trong DICơi của mẫu nghiên cứu, 14Aref là hoạt độ của 14C trong mẫu axit oxalic 2 (ox2) do NIST cung cấp và được phân tích theo cùng một quy trình xử lý mẫu và đo phóng xạ bằng đếm nhấp nháy lỏng. 4.3. Kết quả nghiên cứu đồng vị khí trơ và Triti Bảng 5 trình bày kết quả phân tích các đồng vị khí trơ và Triti trên tuyến mặt cắt địa chất thủy văn AB (hình 1) trong vùng nghiên cứu. Bảng 4. Tỷ số hoạt độ phóng xạ của 14C trong DIC của các mẫu nước lấy từ các tầng chứa nước khác nhau [6] TT Lỗ khoan Độ sâu (m) 14a (pMC) Tuổi (năm) TT Lỗ khoan Độ sâu (m) 14a (pMC) Tuổi (năm) 1 Q220T 100,0 47,8 ± 1,7 3700 11 Q228a 120,0 18,9 ± 3,5 11400 2 Q221n 127,0 21,6 ± 2,2 11300 12 Q229a 85,0 53,1 ± 1,6 2900 3 Q221a 70,0 41,6 ± 1,7 5900 13 Q229n 150,0 16,7 ± 4,1 12400 4 Q222b 115,0 28,3 ± 2,5 9100 14 Q108b 80,0 51,1 ± 1,4 3300 5 Q223n 138,0 14,7 ± 3,2 14500 15 Q109a 135,0 19,2 ± 3,7 11300 6 Q224a 100,0 28,0 ± 2,2 9200 16 Q109b 170,6 30,8 ± 2,0 7400 7 Q225a 110,0 23,3 ± 3,2 9700 17 Q110a 93,6 36,2 ± 1,8 6000 8 Q226n 151,5 16,5 ± 3,1 13500 18 Q92 70,0 74,6 ± 1,1 1100 9 Q226a 105,0 21,8 ± 2,2 10200 19 Q92a 43,0 54,1 ± 2,5 850 10 Q227a 155,5 15,8 ± 3,6 12900 125 Bảng 5. Kết quả phân tích thành phần đồng vị bền và các đồng vị khí trơ và Triti trong các mẫu nước lấy ở độ sâu khác nhau theo mặt cắt AB (hình 1) TT Lỗ khoan Độ sâu (m) 39a (pMAr) δ18O (‰) δ2H (‰) Ne/He 3He/4He δ3He (%) 3H (TU) 1 GV01 70,0 103 ± 7 -8,42 -62,3 3,93 1.29E-06 -6,6 2,03 ± 0,24 2 Q108b 80,0 27 ± 7 -8,13 -57,3 0,52 1.92E-07 -86,1 0,07 ± 0,14 3 Q109a 135,0 25 ± 5 -7,68 -54,4 0,75 3.29E-07 -76,2 0,24 ± 0,24 4 Q110a 93,6 13 ± 5 -7,74 -54,6 0,89 5.00E-07 -63,9 0,58 ± 0,26 5 ND01 132,0 9 ± 5 -7,22 -50,6 0,04 2.43E-07 -82,4 1,06 ± 0,25 6 ND02 139,0 43 ± 6 -6,35 -45,7 0,58 2.38E-07 -82,8 0,71 ± 0,22 7 Q92a 75,0 - -8,17 -57,2 0,25 3.07E-07 -77,8 0,70 ± 0,32 8 Q92 43,0 - -8,36 -59,7 0,34 3.03E-07 -78,1 0,37 ± 0,23 4.4. Thảo luận kết quả 4.4.1. Nguồn bổ cập và nguồn gốc nước dưới đất trong vùng nghiên cứu Mối tương quan giữa các thành phần đồng vị bền (δ2H và δ18O) của các mẫu nước dưới đất trong vùng nghiên cứu đã được thiết lập cùng với đường nước khí tượng địa phương và trình bày trên hình 2 và hình 3, qua đây một số nhận định và đánh giá được rút ra như sau: -100 -80 -60 -40 -20 0 20 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 δ 18O (‰) δ 2 H (‰ ) Pleistocen Nước mưa Nam Định Nước mặt Nước biển Holocen Neogen & Triat Đường nước khí tượng địa phương qp được cung cấp bởi Neogen và Triat qp được bổ cập từ nước có nguồn gốc khí tượng qh được cung cấp bởi nước khí tượng và nước biển Hình 2. Mối tương quan thành phần đồng vị bền của nước lấy từ các tầng chứa nước khác nhau trong vùng nghiên cứu - Đối với nước mưa vùng Nam Định: đường nước khí tượng địa phương khu vực Nam Định có tương quan δ2H = 8,4218O + 15,23 (hình 2). Tuy mới chỉ có một năm quan trắc theo tháng với 11 số liệu nhưng thấy trùng hợp tốt với đường nước khí tượng khu vực Hà Nội quan trắc liên tục trong 7 năm từ 2004 đến 2010 (Đặng Đức Nhận, số liệu chưa công bố). Vì số liệu quan trắc còn ít nên chưa có thể bàn về ảnh hưởng của lượng mưa, độ ẩm tương đối, nhiệt độ khí quyển,... đến thành phần đồng vị bền của nước mưa trên khu vực nghiên cứu. Tuy nhiên, mối tương quan của thành phần đồng vị bền trong nước khí tượng trên khu vực nghiên cứu là có ích để thảo luận khả năng bổ cập nước khí tượng cho nước trong các tầng chứa nước phân bố sâu. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 δ 18O (‰) C hi ều s âu (m ) Holocen trên Pleistocen & Neogen Hình 3. Mức độ biến đổi của δ18O theo chiều sâu các tầng chứa nước Holocen trên, Pleistocen và Neogen - Thành phần đồng vị bền của nước trong tầng Holocen nằm trên đường nước bị bốc hơi và có thành phần hòa trộn giữa nước biển và nước khí tượng. Thành phần đồng vị nặng trung bình của nước là tương đối giàu, đặc biệt nước trong lỗ khoan Q111 có δ18O = -0,86‰ so với VSMOW, ngang bằng nước biển. Hơn nữa, khoảng biến động cũng lớn, từ -2,5 đến -8,3‰ (hình 3). Có thể thấy nước tầng Holocen có nguồn gốc từ nước biển và nước khí tượng. Tuy nhiên, do sự phân bố của tầng chứa nước Holocen, cũng như cấu trúc địa chất của khu vực không đồng đều nên nguồn gốc và chất lượng nước của tầng Holocen phụ thuộc vào vị trí lỗ khoan và mạng lưới sông ngòi trong vùng. 126 - Thành phần đồng vị bền của nước trong tầng chứa nước Pleistocen ở một số lỗ khoan được bổ cập từ tầng Neogen và Trias (Q221a, Q223a và Q228a), nhưng ở một số lỗ khoan mối quan hệ thành phần đồng vị bền nằm sát đường nước khí tượng địa phương (Q225b, Q226a và Q227a) chứng tỏ nước trong tầng chứa nước qp ở các vị trí này được bổ cập từ nước khí tượng. Đa phần nước tầng qp được bổ cập từ tầng Neogen và Trias. Mối quan hệ thủy lực giữa tầng qp với nước đại dương là rất yếu, do vậy độ mặn của nước trong tầng Pleistocen không cao. - Tầng Neogen và Trias là các tầng chứa nước nứt nẻ, karst có tuổi trước Đệ tứ, có thể có nguồn gốc chôn vùi hoặc thời gian vận động trong tầng chứa nước lâu. Mối tương quan giữa δ2H và δ18O của nước trong tầng Neogen, Trias và Pleistocen cho thấy ba tầng chứa nước này có quan hệ thủy lực với nhau và khả năng tầng qp được bổ cập từ tầng Neogen và Trias là hiện thực (hình 2). Kết quả quan trắc thành phần đồng vị bền của nước trong các lỗ khoan theo mùa cho thấy có sự thay đổi về mối tương quan giữa δ2H và δ18O trong mẫu nước lấy vào mùa mưa và mùa khô. Về mùa mưa δ2H = 5,98δ18O - 7, nhưng về mùa khô δ2H = 7,1 δ18O + 1,6 (hình 4 và hình 5). Sự biến đổi này chủ yếu diễn ra trong tầng chứa nước qh, tầng qp biến động rất nhỏ. Điều này cho thấy chất lượng nước trong tầng qh phụ thuộc vào mức độ bổ cập của nước khí tượng và nước biển, trong khi đó chất lượng nước tầng qp ít phụ thuộc vào nguồn nước khí tượng, chứng tỏ rằng nước từ tầng Neogen và Trias là nguồn bổ cập chủ yếu cho tầng Pleistocen. -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 δ 18O (‰) δ 2 H (‰ ) Mùa mưa 2011 Mùa khô 2012 Đường nước khí tượng địa phương Mùa mưa Mùa khô δ2H = 5.98*δ18O - 7 δ2H = 7.1*δ18O + 1.6 Hình 4. Sự thay đổi theo mùa thành phần đồng vị bền trong các mẫu nước lấy từ độ sâu khác nhau -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 δ 18O (‰) δ 2H (‰ ) Mùa mưa 2011 Mùa khô 2012 Tầng chứa nước Pleistocen, và Neogen Tầng chứa nước Holocen Hình 5. Sự biến đổi theo mùa của các tầng chứa nước 4.4.2. Xác định hướng dòng chảy nước dưới đất trên cơ sở kết quả xác định thời gian lưu của nước trong tầng chứa nước Kết quả phân tích hàm lượng 14C và tuổi của nước trong tầng chứa nước tại các lỗ khoan trong các tầng chứa nước Neogen và Trias trên toàn vùng nghiên cứu (bảng 4 và hình 6) cho thấy: 50 10 Km Lç khoan tÇng Pleistocen §−êng ®¼ng tuæi (n¨m) VÞnh B¾c Bé S«ng Hång S¬ ®å ®¼ng tuæi tÇng chøa n−íc Pleistocen Thμnh phè Nam §Þnh Þ Þ Þ§Êt ®¸ nøt nÎ karstt t r t t t r tt t r t Q108b Q109a Q110a Q221a Q222b Q224a Q225aQ226a Q227a Q228a Q229a Q92 Hình 6. Sơ đồ đẳng tuổi tầng chứa nước Pleistocen vùng nghiên cứu - Thời gian lưu của nước trong tầng chứa nước Pleistocen lớn nhất đạt 12.900 năm (lỗ khoan Q227a) và thời gian ngắn nhất là 1.100 năm (lỗ khoan Q92) và phụ thuộc vào mức độ bổ cập từ các tầng Neogen và Trias (hình 7). - Nước trong tầng chứa nước Pleistocen ở trung tâm khối thấu kính nước nhạt có thời gian 127 lưu lớn (hình 6). Điều này cho thấy hướng vận động của nước dưới đất trong tầng Pleistocen có hướng từ rìa vào trung tâm. 50 10 Km Thμnh phè Nam §Þnh Þ Þ Þ§Êt ®¸ nøt nÎ karstt t r t t t r tt t r t §−êng ®¼ng tuæi (n¨m) Lç khoan tÇng N vμ T VÞnh B¾c Bé S¬ ®å ®¼ng tuæi tÇng chøa n−íc Neogen vμ Triat S«ng Hång Q109b Q220T Q221N Q223N Q226N Q229N Q92a Hình 7. Sơ đồ đẳng tuổi tầng chứa nước Neogen và Trias vùng nghiên cứu - Nước trong tầng chứa nước nứt nẻ, Karst có hướng vận động theo hướng tây bắc - đông nam và từ hướng tây, tây - bắc ra biển (hình 8). Năm 2004 Bùi Học và cộng sự [3] đã nghiên cứu thành phần đồng vị trong nước dưới đất vùng Nam Định và xác định hàm lượng 14C trong nước tầng chứa nước qp và Trias có xu hướng tăng lên theo chiều sâu, có nghĩa là nước càng sâu tuổi càng trẻ. Hiện tượng này được nhóm tác giả giải thích là do quá trình carbonat hoá sinh ra trong quá trình thành tạo các lớp than trong tầng Neogen nằm bên dưới tầng chứa nước qp đã sinh ra một lượng khí CO2 không chứa đồng vị 14C. Carbonic nghèo 14C tan trong tầng Neogen bổ cấp lên tầng qp làm loãng hàm lượng 14C trong tầng qp với mức độ khác nhau tùy thuộc theo độ sâu và như vậy làm tăng tuổi nước trong tầng [3]. Trong nghiên cứu này, với việc kết hợp giữa đặc điểm địa chất, địa hình địa mạo, địa chất thủy văn với các kết quả xác định thành phần đồng vị bền, hoạt độ đồng vị phóng xạ 14C, 3H và thành phần đồng vị khí trơ 39Ar/40Ar, δ3He trong các lỗ khoan theo tuyến mặt cắt, một mô hình khái niệm về hướng và nguồn bổ cập nước cho khối thấu kính nước nhạt trong vùng nghiên cứu đã được xây dựng, từ đó giải thích xu hướng nước càng sâu tuổi càng trẻ như kết quả phân tích trình bày ở trên. Hình 8 trình bày mô hình khái niệm về nguồn cung cấp, hướng vận động theo tuyến mặt cắt AB, qua đây nhận thấy hướng vận động của nước trong tầng nứt nẻ Karst là tây bắc - đông nam và nước di chuyển từ các đất đá nứt nẻ karst này cung cấp cho tầng chứa nước Pleistocen, điều này giải thích tại sao nước dưới đất trong đất đá nứt nẻ tầng Neogen và Trias ở một số lỗ khoan có tuổi trẻ hơn nước trong tầng chứa nước Pleistocen như đã trình bày ở trên. Tuy nhiên, do mức độ nứt nẻ, khe nứt không đồng đều, kết hợp với tính thấm của tầng Pleistocen không đồng nhất và đẳng hướng nên khả năng và mức độ cung cấp nước từ tầng Neogen và Trias cho tầng Pleistocen không đồng đều theo chiều sâu cũng như theo diện nhận định này khá phù hợp với kết quả về thành phần đồng vị bền của nước trong tầng Pleistocen (hình 2). Mặt khác, hiện trạng khai thác trong vùng cũng không đồng đều dẫn đến hướng dòng chảy bị chi phối. Sơ đồ đẳng tuổi tầng chứa nước Pleistocen (hình 6) hoàn toàn phù hợp với sơ đồ đẳng áp của tầng này. Q111 -260 -280 -180 -200 -100 -120 -240 -220 -140 -160 120 80 100 -60 -80 -40 -20 0m 20 60 40 12m 93,6m Q110 248m LK54Q109 170,6m §Êt ®¸ thÊm n−íc kÐm hoÆc kh«ng thÊm n−íc; - Tuæi cña n−íc d−íi ®Êt (n¨m)850 B 150m Q108 LK35 80m LK14 67m TÇng chøa n−íc ®Êt ®¸ bë rêi; H−íng dÞch chuyÓn n−íc d−íi ®Êt Q92 75m TÇng chøa n−íc khe nøt, karst; GV01 -280 -200 -220 -240 -260 70m 100 120 140 A 20 80 60 40 0m -20 -40 -80 -60 -180 -100 -120 -140 -160 6.000 11.300 7.400 3.300 1.100 850 n−íc hiÖn t¹i (3H = 2,03 TU) Hình 8. Mô hình khái niệm hướng vận động của nước dưới đất theo mặt cắt địa chất thủy văn (đường AB, hình 1) 128 5. Kết luận Qua kết quả nghiên cứu địa chất thủy văn đồng vị vùng Nam Định cho thấy: - Nước dưới đất phân bố từ độ sâu 43m đến 168,6m có quan hệ thủy lực với nhau. - Quan hệ thủy lực giữa nước mặt và nước dưới đất trong vùng nghiên cứu bị ảnh hưởng và thay đổi theo mùa, tầng chứa nước Holocen trên bị ảnh hưởng mạnh mẽ hơn các tầng chứa nước phân bố sâu hơn như tầng chứa nước Pleistocen, Neogen và Trias. - Kết quả nghiên cứu sâu địa chất thủy văn đồng vị theo mặt cắt có thể nhận định khối nước nhạt vùng nghiên cứu được bổ cập theo hướng tây bắc - đông nam. Nước nhạt trong trầm tích Pleistocen được cung cấp bởi nước từ tầng chứa nước khe nứt, karst từ phía tây, tây bắc và từ dưới lên. - Kỹ thuật thủy văn đồng vị đã giúp trả lời được một số câu hỏi còn chưa rõ ở những giai đoạn nghiên cứu trước như tuổi và nguồn gốc của khối thấu kính nước nhạt trên địa bàn tỉnh Nam Định. Để có thể làm sáng tỏ những vấn đề còn chưa giải thích được trong nghiên cứu này như xác định tốc độ bổ cập, lưu lượng bổ cập của nước dưới đất, cần nghiên cứu chi tiết hơn về diện, số lượng mẫu cũng như sử dụng không những chỉ các đồng vị tự nhiên mà còn có các đồng vị nhân tạo trong nước để giải thích các vấn đề về đặc điểm địa chất thủy văn. TÀI LIỆU DẪN [1] Alvarado J. A. C, Purtchert R., Barbecot F., Chabault C., Rueedi J., Schneider V., Aeschbach-Hertig W., Kipfer R., Loosli H.H., 2007: Constraining the age distribution of highly mixed groundwater using 39Ar: a Multiple environmental tracer (3H/3He, 85Kr, 39Ar, and 14C) study in the semiconfined Fontainebleau sand aquifer. Water Resources Res., doi: 10.1029/2006WR005096, 2007. [2] Bùi Học, 2003: Giáo trình địa chất thủy văn đồng vị. Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội, 59 trang. [3] Bùi Học (chủ biên), 2004: Kết quả nghiên cứu thành phần đồng vị trong nước ngầm vùng Nam Định. Báo cáo tổng kết nghiên cứu điều tra tổng hợp tài nguyên nước dưới đất tỉnh Nam Định. Đề xuất một số phương pháp quy hoạch khai thác sử dụng hợp lý và bền vững, Hà Nội. [4] Clark I., and Fritz P., 1997: Environmental Isotopes in Hydrogeology. Taylor & Francis Group Publisher, ISBN: 1566702496. [5] Đoàn Văn Cánh, Lê Thị Lài, Hoàng Văn Hưng, Nguyễn Đức Rỡi, Nguyễn Văn Nghĩa, 2005: Groundwater Resource of Nam Định Province, J. of Geology, B/25, Hà Nội. [6] Frank Wagner, Dang Tran Trung, Hoang Đai Phuc, Falk Lindenmaier, 2011: Assessment of Groundwater Resources in Nam Dinh Province. Final Technical Report of improvement of Groundwater Protection in Vietnam, Hanoi. [7] Geyh M. A., 1992: The 14C time-scale of groundwater. Correction and linearity. In: Isotope techniques in water resource development 1991. IAEA, Vienna: 167-177. [8] IAEA, 2001: Sampling procedure for hydrology. Water Resources Programme. IAEA, Vienna, 2001. [9] Jordan H., Bui Hoc, 1992: Aufgaben der Hydrogeologie in Vietnam und die Anforderungen an die Wasserversorgung von Hanoi. Z. dt. Geol. Ges., 143: 367-374. [10] Malozsewski P., and Zuber A., 1982: Determining the turnover time of groundwater systems with the aid of environmental tracers. I. Models and their applicability. J. Hydrol. 57: 207-231. [11] Munnich K. O., 1968: Isotopen-Datierung von grundwasser. Naturwiss., 55: 158-163. [12] Mook W.G., 1980: Cabon-14 in hydrogeological studies. In: Fritz, P. and Fontes, J.C. (eds) Handbook of Environmental Isotope Geochemistry, Vol. 1, Elsevier Science Publishing Company, Amsterdam, p.49-74. [13] Rozanski K., Agaruas-Agaruas L., and Ginfiantini R., 1993: Isotopic pattern in modern global precipitation. In: Climate change in continental isotopic record (P.K. Swart, K. L. Lohman, J. A. McKenzie, and S. Savin eds.). Geophys. Monogr., 78: 1-37. [14] Salem O., Visser J. M., Deay M., and Gonfiantini R., 1980: Groundwater flow patterns in 129 the western Lybian Arab Jamahitiya evaluated from isotope data. In: Arid Zone Hydrology: Investigation with Isotope Techniques. IAEA, Vienna: 165-179. [15] Verhagen B. Th., Mazor E., and Shellshop J. P. F., 1974: Radiocarbon and tritium evidence for direct recharge to groundwater in the Northern Kalahari. Nature, 249: 642-644. [16] Yurtsever Y., and Payne B. R., 1979: Application od environmental isotopes to groundwater investigations in Qata. Isotope Hydrology 1978 Vol. II, IAEA, Vienna: 465-490. SUMMARY Hydrological characteristics of groundwater in the Nam Dinh area from isotopic results This paper presents the results of isotopic hydrogeological studies in the years from 2010 to 2012 to evaluate the hydraulic system and the change of the hydraulic relationship between aquifers in Nam Dinh Province. Using isotopes of water such as Deuteri (2H), Oxygen 18 (18O), Tritium (3H) and the Carbon 14 (14C) in the total dissolved inorganic carbon (DIC), Argon 39 (39Ar) dissolved in water. The relationship between the stable isotopic composition of water (δ2H and δ18O) as well as the age of the water in the aquifers, which allows to come to the conclusion that the regional aquifers are hydraulic interrelated to each other and fresh water lens of Pleistocene aquifer in the southeastern of Nam Dinh province is provided by the Neogen and Triassic fractured and karstic aquifers, in the northwest. Hydraulic relationship between the aquifers in the study area changes with seasons, including changes in the hydraulic relationship between surface water, sea water, and the change in the Holocene aquifer is stronger than Pleistocene, Neogen and Triassic aquifers. Groundwater in the depth from 43m to 168.6m below ground surface have hydraulic relationship with each other. Based on the age by radioactive isotopes 14C and 39Ar/40Ar isotopic ratios and 3H in the water samples it had been determined that groundwater flow direction of the Pleistocene aquifer, Neogen and Triassic is from Northwest to Southeast.