Xác định tầng chứa và quan trắc biến động môi trường nước dưới đất tại khu công nghiệp bắc Thăng Long - Quang Minh, Hà Nội bằng phương pháp địa vật lý thủy văn

221 36(3), 221-232 Tạp chí CÁC KHOA HỌC VỀ TRÁI ĐẤT 9-2014 XÁC ĐỊNH TẦNG CHỨA VÀ QUAN TRẮC BIẾN ĐỘNG MÔI TRƢỜNG NƢỚC DƢỚI ĐẤT TẠI KHU CÔNG NGHIỆP BẮC THĂNG LONG - QUANG MINH, HÀ NỘI BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ THỦY VĂN NGUYỄN VĂN GIẢNG1, NGUYỄN BÁ DUẨN1, LÊ NGỌC THANH2, NOBORU HIDA3 Email: giangnv@igp-vast.vn 1Viện Vật lý Địa cầu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 2Viện Địa lý Tài nguyên Tp. Hồ Chí Minh, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 3Trường Đại học Akita - Nhật Bản Ngày nhận bài: 5 - 5 - 2014 1. Mở đầu Các nguồn nƣớc mặt ở ao hồ sông suối ngày một cạn dần và chất lƣợng cũng bị suy giảm do ảnh hƣởng của quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh chóng ở các đô thị lớn và vùng lân cận ở Việt Nam hiện nay. Vì vậy, nƣớc dƣới đất đƣợc xác định là nguồn tài nguyên đóng vai trò vô cùng quan trong để sử dụng trong dân sinh cũng nhƣ phát triển kinh tế hiện nay, đặc biệt là tại các vùng rộng lớn nhƣ đồng bằng Sông Hồng hay đồng bằng sông Cửu Long. Ở đó cần thiết phải tiếp cận đến các mô hình quản lý nguồn nƣớc hiệu quả theo hƣớng phát triển bền vững đối với các tầng chứa nƣớc theo không gian và thời gian. Các thành tựu phát triển mạnh mẽ của ngành điện tử và tin học đã thúc đẩy ngành sản xuất thiết bị địa vật lý phát triển và hoàn thiện cả về phần cứng cũng nhƣ phần mềm đáp ứng đƣợc đòi hỏi thực tế sử dụng ngày nay cả trên phƣơng diện độ chính xác và giá thành khảo sát,... Các công nghệ địa vật lý đo vẽ trên mặt đất đã chứng tỏ hiệu quả và không thể thay thế đối với những nhiệm vụ yêu cầu của công tác địa chất thủy văn. Dựa vào các đặc trƣng vật lý khác nhau của môi trƣờng địa chất gần mặt đất nhƣ đất, đá, nƣớc mà ngƣời ta lựa chọn từng tổ hợp các công nghệ địa vật lý thích hợp trong khảo sát cấu trúc địa chất địa phƣơng [11, 14, 15, 20, 32]. Bảng 1 dƣới đây trình bày tính hiệu quả của một số công nghệ địa vật lý áp dụng cho khảo sát xác định tầng chứa nƣớc trong địa chất thủy văn. Bảng 1. Tổng hợp một số phương pháp địa vật lý ứng dụng để xác định tầng chứa nước [11] Phương pháp địa vật lý Độ sâu tới đá gốc Độ sâu tới tầng chứa nước Cấu trúc cột địa tầng Giá thành khảo sát tính theo hệ số/km tuyến đo Điện trở suất dòng 1 chiều x x x 1 Địa chấn khúc xạ/phản xạ x x x 5 Điện từ cảm ứng x x x 4 Trọng lực x x 6 Từ thăm dò x x 2 Georadar x x x 3 Dựa vào bảng tổng hợp này ngƣời ta sẽ lựa chọn đƣợc một tổ hợp phƣơng pháp đo vẽ địa vật lý tối ƣu cho từng đối tƣợng nghiên cứu điều kiện địa chất thủy văn cụ thể [9, 11, 15] Nhƣ chúng ta đều biết, dựa vào giá trị điện trở suất trong các phép đo sâu điện đối xứng (VES) [12, 28, 32] để theo dõi sự biến đổi trong từng lớp đất đá mà ở đó có cấu trúc của tầng chứa nƣớc. Trên thực tế có những lớp cấu trúc với bề dày rất nhỏ gần mặt đất vẫn có thể tách đƣợc khi minh giải địa chất tài liệu VES [3, 28]. Trong tổ hợp các phƣơng pháp điện trở suất và các phƣơng pháp điện từ đã có thể đánh giá đƣợc tổng độ khoáng hóa của nƣớc thông qua 222 giá trị điện trở suất và độ dẫn điện của chúng [22, 31]. Đặc biệt, có công nghệ đo sâu cộng hƣởng từ (MRS) đƣợc sử dụng là phƣơng pháp trực tiếp xác định nồng độ của nƣớc dƣới đất trong các lớp cấu trúc [10, 16]. Tuy nhiên, công nghệ này lại thƣờng gặp phải nhiễu rất lớn khi tiến hành đo vẽ tại các vùng có nhiều mạng lƣới điện cao thế hiện nay [4]. Dựa vào các thông số vật lý đặc trƣng, ngƣời ta có thể xác định đƣợc kích thƣớc của tầng chứa trong cấu trúc trầm tích [20, 31]; các đới cấu trúc xung yếu liên quan đến dập vỡ; các tham số về độ rỗng, hàm lƣợng sét, độ thấm [33]; chất lƣợng của nƣớc [3, 27]; quan sát đƣợc hƣớng vận chuyển của nƣớc [26]; đánh giá đƣợc tiềm năng khai thác của tầng chứa nƣớc cho tƣơng lai. Đối với những đô thị lớn nhƣ Hà Nội, nơi đang khai thác một lƣợng lớn nƣớc dƣới đất cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất thì rất cần một chiến lƣợc bảo vệ nguồn nƣớc để hạn chế rủi ro đến mức thấp nhất. Thực hiện điều này phải dựa trên cơ sở khoa học chắc chắn về nguồn nƣớc ngầm, điều kiện địa chất thủy văn, môi trƣờng sinh thái và hiện trạng đang khai thác [5, 10, 17]. Bằng các phƣơng pháp khảo sát thích hợp ta có thể đánh giá đƣợc các thông số của nguồn nƣớc nhƣ độ pH, độ dẫn điện (EC), tổng độ khoáng hóa (TDS), hàm lƣợng các cation và anion nhƣ Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Cl-, HCO3 - , No3 - và SO4 2- có đối sánh với các giá trị chuẩn do Tổ chức Y tế thế giới quy định [34]. Khu vực nghiên cứu đƣợc lựa chọn có diện tích 50 km 2 ở phía bắc Hà Nội (hình 1) đƣợc giới hạn bởi sông Hồng ở phía nam và sông Cà Lồ ở phía bắc, bao gồm diện tích khu công nghiệp Bắc Thăng Long và Quang Minh. Nguồn nƣớc dƣới đất đang khai thác hàng ngày phục vụ hoạt động công nghiệp do nhà máy nƣớc khai thác ở độ sâu 50- 70m, còn nguồn nƣớc dƣới đất khai thác phục vụ cho 12.000 hộ (65.000 nhân khẩu) ở độ sâu 8-25m. Điều cần làm rõ ở đây là hiện trạng phân bố của các tầng chứa nƣớc, chất lƣợng của nƣớc, có sự liên kết giữa nƣớc của các tầng chứa với nƣớc của các sông hay không, và mức độ thay đổi cả về chất và lƣợng của nƣớc dƣới đất trong quá trình khai thác theo thời gian. Để giải quyết các nhiệm vụ này đã lựa chọn và sử dụng công cụ địa vật lý thủy văn, bao gồm phƣơng pháp đo sâu đối xứng (VES), đo ảnh điện 2D (ERI), đo địa chấn khúc xạ, đo điện từ tần số rất thấp (VLF) cùng với các phƣơng pháp quan trắc và phân tích thủy văn cho khu vực nghiên cứu. Hình 1. Sơ đồ khu vực nghiên cứu và vị trí các điểm lấy mẫu nước H1, H2, H3, H4, H5, OW1-D, OW2-D và OW3-D 223 2. Khái quát về điều kiện tự nhiên và cấu tạo địa chất khu vực nghiên cứu. Khu vực nghiên cứu khá bằng phẳng, có độ cao mặt đất 6-10m so với mặt nƣớc biển. Quá trình tiến hóa của các trầm tích gần trên mặt diễn ra từ Pleistocen đến Đệ tứ [2, 8]. Trong suốt thời kỳ Đệ tứ khu vực này đã trải qua 5 chu kỳ biển tiến và biển thoái. Chu kỳ thứ nhất xảy ra vào thời kỳ đầu của Pleistocen với các vật liệu trầm tích nhƣ cuội sỏi và cát hạt thô. Chu kỳ thứ hai và thứ ba ứng với Pleistocen giữa-muộn (Q1 2-3hn) và muộn (Q1 3 vp). Chu kỳ thứ tƣ là thời kỳ chuyển giao giữa cuối Pleistocen và đầu Holocen. Chu kỳ thứ năm là thời kỳ Holocen muộn với các vật liệu liên quan đến cát nguồn gốc biển. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều quan điểm khác nhau về hệ tầng phụ của Holocen trong tiến hóa của vùng châu thổ Sông Hồng [18, 24]. Thời gian hình thành các trầm tích này khoảng 3000 năm trƣớc công nguyên (BC) theo các nghiên cứu về cổ địa lý gần đây [13]. Các hoạt động Tân kiến tạo ở đây đã tạo ra các dải cấu trúc có dạng bậc thang mà hệ tầng Vĩnh Phúc đƣợc coi nhƣ ranh giới của Pleistocen/Holocen trong châu thổ sông Hồng [18, 29]. Nhƣ vậy, khu vực nghiên cứu bao gồm các trầm tích đã trải qua năm chu kỳ tiến hóa mà trên cột địa tầng sẽ có năm ranh giới từ Pleistocen muộn đến Đệ tứ. Đây là đặc điểm địa chất quan trọng trong công tác minh giải tài liệu địa vật lý. 3. Đo vẽ và minh giải địa vật lý 3.1. Các phương pháp điện trở suất DC Phƣơng pháp VES và mặt cắt ảnh điện 2D (ERI) đƣợc sử dụng để xác định phân bố giá trị điện trở suất của đất đá trong khu vực nghiên cứu bằng các phép đo dùng dòng điện một chiều. Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp này đƣợc mô tả chi tiết trong [14, 22, 32]. Độ sâu nghiên cứu hiệu dụng bằng 10-20% của khoảng cách cực đại giữa hai cực phát dòng (AB) tùy thuộc vào cấu trúc của điện trở suất đất trong môi trƣờng nghiên cứu [28]. Giá trị điện trở suất của môi trƣờng bất đồng nhất của nửa không gian phía dƣới đƣợc xác định bằng việc phân chia ra các lớp đất đá theo phân lớp ngang [31] đƣợc biểu thị bằng các mặt cắt địa điện. Trong trƣờng hợp mặt cắt địa điện 2D đƣợc thành lập dựa trên cơ sở một tập hợp các mặt cắt 1D [23, 33]. 3.1.1. Đo sâu đối xứng Đo sâu điện đối xứng (VES) là phƣơng pháp truyền thống đƣợc sử dụng hiệu quả trong việc tìm kiếm nƣớc dƣới đất nhờ sự phân tách giá trị điện trở suất của các cấu trúc địa chất gần mặt đất có sự khác biệt rất lớn từ một vài Ωm cho đến hàng ngàn Ωm và độ sâu khảo sát thông thƣờng đạt đƣợc khoảng 100-150m. Do phƣơng pháp này đáp ứng đƣợc yêu cầu nghiên cứu trong khu vực nên đã đƣợc lựa chọn để đo 28 điểm VES theo mạng lƣới phủ kín khu vực khảo sát với kích thƣớc thiết bị cho hai cực phát dòng AB=1000m và cho hai cực thu thế MN=100m bằng hệ thiết bị SUPERSTING R1/IP + 4 cực do AGI Geometrics [1] chế tạo. Trong minh giải số liệu đo VES đã sử dụng mô hình tiệm cận giao diện trực tiếp ngƣời và máy để có thể tiếp cận đến mô hình cấu trúc gần đúng nhất với thực tế thông qua việc lựa chọn các giá trị điện trở suất và bề dày tƣơng ứng của từng lớp trong dải rất rộng từ 0,1 đến hàng ngàn Ωm [28] nhằm khắc phục nguyên lý tƣơng đƣơng trong bài toán địa điện. Đồng thời cũng tham khảo số liệu của các cột địa tầng lỗ khoan quan trắc gần đó một cách có chọn lọc để nâng cao độ chính xác trong phép phân tích tài liệu địa điện [10-12, 15]. Cơ sở không thể thiếu trong việc lựa chọn mô hình phân tích số liệu VES là bảng giá trị điện trở suất đƣợc xác định đặc trƣng cho từng điểm đo theo mẫu chuẩn (bảng 2). Bảng 2. Giá trị điện trở suất của các mẫu chuẩn trong khu vực nghiên cứu (Các mẫu vật liệu này được đo ngoài thực địa bằng các thiết bị test nhanh của nhóm GS. N. Hida và mẫu được đo trong phòng thí nghiệm về thổ nhưỡng ở ĐH. Akita, Nhật Bản) Tên mẫu Thời gian thu thập xác định Loại vật liệu Điện trở suất (m) Đại Mạch (OW1) 26/5/2008 Cát khô 1000-1200 Đại Mạch (OW1) 26/5/2008 Cát ẩm 200-300 Đại Mạch (OW1) 26/5/2008 Cát bão hòa nước 50-80 Chi Đông (OW2) 11/6/2008 Đất khô 120-140 Chi Đông (OW2) 11/6/2008 Đất ẩm 20-30 Thượng Lệ (OW3) 18/7/2008 Sét ẩm 20-40 Thượng Lệ (OW3) 18/7/2008 Sét bão hòa nước 10-20 Thượng Lệ (OW3) 18/7/2008 Bùn ướt 12-15 224 Nhƣ chúng ta đã biết, các thành tạo trầm tích có độ rỗng lớn thì thƣờng chứa nƣớc và có điện trở suất thấp. Đối với các trầm tích bở rời gần mặt đất thì giá trị điện trở suất của nƣớc dƣới đất dao động trong khoảng từ 10 đến 100 m và phụ thuộc vào tổng độ khoáng hóa có trong nƣớc ngầm. Nhƣng đối với một số loại đá khác nhƣ đá granit hay bazalt có thể nằm trong dải hàng ngàn m khi chúng ở trạng thái khô. Kết quả minh giải số liệu VES ở đây cho phép xác định đƣợc 2 tầng chứa nƣớc; tầng chứa nƣớc thứ nhất nằm ở độ sâu từ -10 đến -24m và đƣợc xếp vào tầng chứa nƣớc Holocen với điện trở suất là 15-50 m (hình 2a). Tầng chứa nƣớc thứ hai, ở độ sâu từ -30 đến -60m, đƣợc xếp vào tầng chứa nƣớc Pleistocen và có giá trị điện trở suất trong dải 30-60 m (hình 2b). Nƣớc dƣới đất ở cả hai tầng chứa này đều thuộc nƣớc nhạt vì giá trị của điện trở suất của chúng đề trong dải 15-60 .m. Hình thái của từng tầng chứa nƣớc này đƣợc xây dựng thông qua phân bố theo không gian của chúng bằng các giá trị độ sâu đến đỉnh và độ sâu đến đáy của từng tầng chứa và đƣợc trình bày trong các hình 2a, b. Hình 2. Sơ đồ phân bố độ sâu tới đỉnh và đáy: a- tầng chứa nước Holocen (Qh) và b- tầng chứa nước Pleistocen (Qp) theo tài liệu VES 3.1.2. Kết quả đo ảnh điện 2D Đo ảnh điện 2D (ERI) dựa trên cơ sở đo sâu điện đa cực mà áp dụng trong khu vực nghiên cứu ở đây đã sử dụng kiểu thiết bị Wenner của 56 điện cực với khoảng cách các cực là 10m và cũng bằng hệ thiết bị SUPERSTING R1/IP. Các hình vẽ giả mặt cắt (pseudo-section) đƣợc xây dựng cho tuyến đo cạnh lỗ khoan quan trắc OW1, OW2 và OW3. Ở đây xin trích giới thiệu giả mặt cắt DM0412 cho tuyến OW1 đƣợc trình bày trong hình 3. Trong minh giải số liệu ERI theo các mô hình cấu trúc đã chấp nhận sai số tính toán của mô hình là <10%, nhƣ vậy có thể đánh giá chất lƣợng của tài liệu đo theo ERI là tốt. Từ các giả mặt cắt địa điện ta có thể minh giải các lớp cấu trúc gần mặt đất mà ở đây xin trích giới thiệu cho tuyến DM0412 (OW1) bằng 4 lớp cấu tạo trình bày trong bảng 3. Kết quả khảo sát bằng đo sâu điện đối xứng (VES) tại điểm số 24 nằm cạnh tuyến đo bằng phƣơng pháp điện đa cực (MRI) có tọa độ λ = 105,7833E và φ=21,15000N nhƣ sau: đƣờng cong đo sâu VES đƣợc phân chia thành 5 lớp cấu trúc (và một lớp đất trồng phủ trên mặt) với bề dày và giá trị điện trở suất từng lớp theo thứ tự từ trên xuống dƣới nhƣ sau: 1,2m và 156,8 Ωm; 11,5m và 126,8 Ωm 14,6m và 34,5 Ωm; 8,9m và 51,2 Ωm; 33,5m và 59,6 Ωm; và 135 Ωm. Bằng cấu trúc các lớp của đƣờng cong VES này, chúng ta cũng có thể giải đoán ra 2 lớp đặc trƣng cho 2 tầng chứa nƣớc. (b) (a) 225 Hình 3. Giả mặt cắt DM0412 (OW1) theo tài liệu MRI (Hình trên là giả mặt cắt theo giá trị điện trở suất biểu kiến đo được; Hình giữa là giả mặt cắt điện trở suất biểu kiến tính theo mô hình; Hình dưới là mặt cắt điện trở suất biểu kiến theo nghịch đảo) Bảng 3. Tổng hợp bề dày và điện trở suất của các lớp theo tài liệu MRI của tuyến DM0412 gần lỗ khoan quan trắc OW1 Lớp Bề dày (m) Điện trở suất (Ωm) Cấu tạo địa tầng 1 0-13 20-30 Đất mặt 2 13-25 30-50 Tầng chứa nước (Qh) 3 25-33 50-60 Tầng chắn nước 4 33-60 60-85 Tầng chứa nước (Qp) 3.2.Phương pháp địa chấn khúc xạ Địa chấn khúc xạ đƣợc lựa chọn để sử dụng cho khu vực nhiên cứu này nhằm tạo thành tổ hợp các phƣơng pháp địa vật lý trong việc xác định mặt móng đá gốc, các đới cấu trúc nứt nẻ, các ranh giới thành tạo địa chất liên quan đến tầng chứa nƣớc, lớp cách nƣớc trong mô hình cấu trúc địa chất thủy văn. Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp địa chấn khúc xạ đã đƣợc mô tả khá chi tiết trong [7, 9, 14, 30]. Điều cần quan tâm ở đây là việc lựa chọn thiết bị và kích thƣớc thiết bị để sử dụng phù hợp với mục đích nghiên cứu. Thiết bị Terraloc MK6, 24 kênh do ABEM chế tạo đã đƣợc sử dụng với khoảng cách giữa các geophone là 5 m và các tuyến đo đề đƣợc thực hiện trùng khớp với các tuyến đo ERI miêu tả ở phần trên. Trong khuôn khổ của bài báo, xin trích giới thiệu một tuyến đo địa chấn khúc xạ cạnh lỗ khoan quan trắc OW1 có chiều dài 560m và theo hƣớng nam-bắc. Kết quả minh giải tài liệu địa chấn khúc xạ theo các tuyến đo OW1 và OW2 nhận đƣợc mô hình cấu trúc địa chất gồm 4 lớp với các giá trị vận tốc truyền sóng địa chấn từ lớp sát mặt đất đến lớp đá gốc nằm trong dải từ 500 đến 2500 m/sec (hình 4 cho tuyến OW1). Cụ thể nhƣ sau: - Lớp thứ nhất có vận tốc truyền sóng địa chấn từ 500 đến 1000m/sec, nằm ở độ sâu từ mặt đặt máy đến -12m cho tuyến OW1 và đến -8m cho tuyến OW2. - Lớp thứ hai có vận tốc truyền sóng địa chấn từ 1000 đến 1500 m/sec và ở độ sâu từ -12 đến -25m cho tuyến OW1 và từ -8 đến -20m cho tuyến OW2. Lớp này tƣơng ứng với tầng chứa nƣớc Holocen theo tài liệu địa điện. - Lớp thứ ba có vận tốc truyền sóng địa chấn từ 1500 đến 2000m/sec và ở độ sâu từ -25 đến -37m cho tuyến OW1 và từ -20 đến -32m cho tuyến OW2. - Lớp thứ tƣ có vận tốc truyền sóng địa chấn từ 2000 đến 2500m/sec và ở độ sâu từ -37 đến -57m cho tuyến OW1 và từ -32 đến -46m cho tuyến OW2. Đây là lớp tƣơng ứng với tầng chứa nƣớc Pleistocen. 226 Hình 4. Mặt cắt địa chấn theo tuyến OW1 (Lớp 1: Đất phủ; Lớp 2: Cát, sét =Qh; Lớp 3: Bùn, sét; Lớp 4: Cát, sạn sỏi = Qp; Lớp 5: Đá móng) Nhƣ vậy, độ sâu lớp đá gốc đƣợc xác định bằng tài liệu địa chấn khúc xạ là -57m cho tuyến OW1 và - 46m cho tuyến OW2 với vận tốc truyền sóng địa chấn >2500m/sec. Đây là kết quả khá phù hợp với mô hình cấu trúc địa chất của khu vực nghiên cứu và cũng khá tƣơng đồng với tài liệu địa điện. 3.3. Phương pháp điện từ tần số rất thấp (VLF) VLF là một công nghệ khá hiệu quả sử dụng trong khảo sát cấu trúc địa chất tầng để góp phần đánh giá điều kiện địa chất thủy văn cho khu vực nghiên cứu. Mục đích khảo sát VLF ở đây nhằm khoanh vùng những đới cấu trúc có độ dẫn cao liên quan đến dập vỡ, bở rời chứa nƣớc hoặc là các đƣờng truyền dẫn của nƣớc. Bởi vì kỹ thuật VLF là đo ghi cƣờng độ của trƣờng thứ cấp và cũng chính là trƣờng cảm ứng tạo bởi một nguồn dƣới mặt đất khi đƣợc một đài phát sóng VLF ở xa có tần số từ 15 đến 30 kHz tác động vào. Thiết bị đƣợc sử dụng để khảo sát ở đây là VLFWadi do ABEM chế tạo. Các tuyến đo VLF cũng đƣợc thiết lập trùng với các tuyến đo ERI với bƣớc đo là 5m. Bằng cách đo các điểm trên từng tuyến, chúng ta thu đƣợc giá trị về độ lớn của trƣờng và sự lệch pha của nó gây ra bởi một thành tạo địa chất bị nứt nẻ, dập vỡ có chứa nƣớc ngầm [25]. Chuỗi số liệu đo đƣợc xử lý loại bỏ nhiễu trên bề mặt bằng phép lọc Fraser và Karous-Hjelt, sau đó đƣợc minh giải để tiếp cận đến nguồn gây ra dị thƣờng VLF bằng các mặt cắt mật độ của dòng [21, 32]. Hình 5c dƣới đây trình bày mặt cắt mật độ dòng của tuyến VLF đo tại OW1 với bƣớc đo 5m. Nhìn vào mặt cắt mật độ dòng ta thấy sự xuất hiện của các dị thƣờng VLF nhƣ ở đoạn tuyến từ mét thứ 20 đến mét thứ 55 có biên độ dị thƣờng lớn nhất (-60 đến +60) hay ở đoạn tuyến từ mét thứ 330 đến mét thứ 370 hoặc từ 410 đến 435 có biên độ dị thƣờng VLF trong khoảng -20 đến +20. Với dạng dị thƣờng đơn lẻ có phƣơng gần nhƣ thẳng đứng thƣờng liên quan đến nguồn là các đới chứa nƣớc và trong cấu trúc địa chất thủy văn đƣợc giải đoán là các cửa sổ địa chất thủy văn. Tổng hợp các kết quả khảo sát bằng địa vật lý cho một tuyến cạnh lỗ khoan OW1 cho thấy mặt cắt cấu trúc địa chất tầng nông đƣợc xác định bằng tài liệu MRI 2D và địa chấn khúc xạ khá tƣơng đồng trình bày trong hình 5a, b với 5 lớp cấu trúc bao gồm 2 tầng chứa nƣớc. Trong đó lớp chứa nƣớc liên quan đến tầng Qh đƣợc xếp vào tầng chứa nƣớc không áp và tầng Qp là tầng chứa nƣớc có áp và có tiềm năng trong khu vực nghiên cứu. Dựa vào kết quả khảo sát của VLF trên cùng tuyến này, cho thấy mặt cắt mật độ của VLF có xuất hiện nhiều dị thƣờng liên quan đến các đới chứa nƣớc và dẫn nƣớc đƣợc coi là các cửa sổ thủy văn trong khu vực này. Từ kết quả này, nếu liên kết để lý giải sự thay đổi gần nhƣ tuyến tính giữa mực nƣớc ngầm hạ thấp dần (hình 6) đang khai thác trong tầng chứa Pleistocen ở lỗ khoan OW1 với độ dẫn điện tăng dần quan trắc đƣợc cũng tại lỗ khoan này (hình 7) thì thấy đang có sự thay đổi về chất và về lƣợng của nƣớc ngầm tại đây. 227 Hình 5. Tổng hợp các mặt cắt cấu trúc của tuyến OW1 theo tài liệu (a)-2D MRI; (b)- địa chấn khúc xạ và (c)-mật độ dòng của VLF Hình 6. Sơ đồ cột địa tầng 3 lỗ khoan sâu quan trắc OW1, OW2 và OW3 (Qh = tầng chứa nước Holocen; Qp = tầng chứa nước Pleistocen) Hình 7. Đường cong phân bố mực nước quan sát được tại các lỗ khoan OW1-D, OW2-D và OW3-D trong khoảng thời gian từ 8/2008 đến 12/2012 228 4. Đặc điểm địa chất thủy văn Dựa vào các kết quả khảo sát bằng tổ hợp địa vật lý trên khu vực nghiên cứu và kết hợp với các lỗ khoan quan trắc mực nƣớc, độ dẫn và nhiệt độ liên tục từ tháng 7 năm 2008 đến tháng 12 năm 2012, kết hợp với kết quả lấy mẫu và phân tích các mẫu nƣớc thu thập trong khu vực nghiên cứu và lân cận đã cho phép rút ra những đặc điểm về địa chất thủy văn đặc trƣng cho khu bắc Thăng Long và Quang Minh, Hà Nội. Trong khoảng thời gian 2007-2012, 16 mẫu nƣớc đã đƣợc thu thập ở các vị trí khác nhau và trình bày trong bảng 4. Vị trí của các mẫu H1, H2 lấy tại hai bờ sông Hồng ở Hà Nội, H3, H4 lấy tại hai bờ sông Cà Lồ tại Mê Linh - Đông Anh, H5 lấy tại hồ Đại Lải, OW1-D, OW2-D và OW3-D là các mẫu lấy tại 3 lỗ khoan quan trắc (hình 6). Bảng 4. Phân bố các điểm lấy mẫu nước và một số thông số đo được của mẫu trong thời gian 2007-2012 Ký hiệu mẫu Vị trí Tọa độ Mùa mưa Mùa khô λ φ h (m) a.s.l Ngày giờ (LT=UT-7) Nhiệt độ (C) pH Độ dẫn (mS/m) TDS (mg/l) Ngày giờ (LT=UT-7) Nhiệt độ (C) pH Độ dẫn (mS/m) TDS (mg/l) H1 Bờ phải sông Hồng - tây 10548.444’E 2105.396’N 8,0 11:00 27/06/2007 26,7 7,0 15,8 259 H2 Bờ phải sông Hồng - đông 10548.716’E 2105.445’N 8,0 08:30 23/07/2010 27,1 7,1 16,3 265 13:00 31/01/2008 23,2 7,0 17,7 329 H3 Bờ trái Cà Lồ - tây 10544.223’E 21 0 14.314’N 9,0 11:45 23/07/2010 30,9 7,8 18,1 402 12:00 31/01/2008 22,4 7,6 28, 456 H4 Bờ trái Cà Lồ - đông 10544.221’E 2114.314’N 9,0 14:30 21/03/2008 23,8 7,7 29,0 443 H5 Hồ Đại Lải 10542.239’E 2119.552’N 15,0 10:20 20/03/2008 28,4 7,4 5,8 285 OW1-D Quan trắc OW1-D 10545.346’E 2106.951’N 2106.951’N 10,0 12:00 10/07/2008 25,2 7,0 23,5 223 08:00 4/12/2012 24,6 7,8 25,2 261 OW2-D Quan trắc OW2-D 10545.008’E 2112.430’N 10,0 15:30 10/07/2008 25,0 6,4 11,4 203 12:00 4/12/2012 24,7 7,1 17,4 248 OW3-D Quan trắc OW3-D 10544.091’E 2110.405’N 8,0 14:00 10/07/2008 25,2 6,3 49,6 347 10:25 4/12/2012 24,5 6,9 38,7 403 5. Kết quả và thảo luận Kết quả phân tích các mẫu nƣớc cho ta biết đƣợc chất lƣợng của nƣớc, đặc biệt đối với một số điểm đƣợc lấy và phân tích nƣớc theo mùa khô và mùa mƣa trong năm. Các kết quả phân tích chỉ số cation và anion của nƣớc mẫu đƣợc trình bày trong bảng 5 cho các mẫu thu thập vào mùa mƣa và bảng 6 cho các mẫu thu thập vào mùa khô. 229 Bảng 5. Kết quả phân tích các mẫu lấy vào mùa mưa (N. Hida và cộng sự thực hiện 2007-2012) Tên mẫu Cl - (mg/l) NO3 - (mg/l) SO4 2- (mg/l) HCO3 - (mg/l) Na + (mg/l) K + (mg/l) Mg 2+ (mg/l) Ca 2+ (mg/l)  18 O (‰) D (‰) H1 1,865 3,072 9,038 96,894 3,057 1,606 4,841 29,376 -8,1 -54,6 H2(23-07-2010) 1,560 4,237 20,185 166,133 5,426 2,132 5,184 28,537 -10,2 -84,1 H3(23-07-2010) 8,344 7,356 41,215 152,276 12,934 8,904 4,968 27,465 -7,7 -41,3 OW1-D(10-07-2008) 1,510 2,650 0,252 112,838 8,206 3,970 4,346 21,654 -7,2 -49,5 OW2-D(10-07-2008) 1,835 0,151 1,882 63,778 6,917 2,640 2,807 10,640 -6,5 -47,6 OW3-D(10-07-2008) - - 4,720 - - 8,095 - - -5,8 -42,0 Bảng 6. Kết quả phân tích các mẫu lấy vào mùa khô (N. Hida và cộng sự thực hiện 2007-2012) Ký hiệu mẫu Cl - (mg/l) NO3 - (mg/l) SO4 2- (mg/l) HCO3 - (mg/l) Na + (mg/l) K + (mg/l) Mg 2+ (mg/l) Ca 2+ (mg/l)  18 O (‰) D (‰) H2(31-01-2008) 2,761 2,933 11,939 118,971 4,526 1,686 6,068 32,629 -8,8 -61,7 H3(31-01-2008) 12,496 5,417 23,537 110,385 8,897 7,000 6,318 34,710 -6,5 -32,1 H4 10,795 10,118 23,277 121,424 7,152 6,905 6,698 39,775 -5,1 -35,7 H5 3,257 1,311 6,258 15,945 2,363 0,920 1,448 4,713 -2,4 -28,3 OW1-D(4-12-2012) 1,018 1,034 0,176 83,374 5,164 2,135 5,445 25,449 -5,8 -42,6 OW2-D(4-12-2012) 1,367 0,114 1,087 37,662 4,769 1,363 4,027 15,228 -6,0 -40,9 OW3-D(4-12-2012) 1,764 0,212 2,973 44,897 5,133 6,112 6,728 16,552 -3,9 -34,2 Theo kết quả phân tích trong bảng 6 cho thấy thứ tự của lƣợng cation và anion cho các mẫu nƣớc lấy vào mùa mƣa nhƣ sau: Ca2+ > Na+ > Mg2+ > K+ và HCO3 - > SO4 2- > Cl - > NO3 -, còn đối với mẫu nƣớc ngầm lấy từ lỗ khoan quan trắc OW1-D vào mùa khô: Ca 2+ > Mg 2+ > Na + > K + và HCO3 - > Cl - > NO3 - > SO4 2-. Đối với mẫu nƣớc ngầm của OW1- D lấy vào mùa mƣa có thứ tự hơi khác nhƣ sau: Ca 2+ > Na + > Mg 2+ > K + và HCO3 - > NO3 - > Cl - > SO4 2-. Thứ tự ion của các mẫu nƣớc ngầm lấy từ lỗ khoan quan trắc OW2-D và OW3-D cũng tƣơng tự nhƣ OW1-D vào mùa mƣa. Giá trị độ pH đƣợc xác định cho các mẫu nƣớc mặt Sông Hồng, Sông Cà Lồ và hồ Đại Lải đều từ 7 đến 7,5; còn đối với nƣớc dƣới đất OW1-D từ 7,0 đến 7,8; OW2-D từ 6,4 đến 7,1; OW3-D từ 6,3 đến 6,9. Từ các kết quả phân tích mẫu nƣớc nhƣ trên, ta có thể phần nào lý giải có sự tác động qua lại giữa nƣớc Sông Hồng với nƣớc ngầm tại OW1-D. Còn đối với kết quả phân tích đồng vị của các mẫu nƣớc cũng cho thấy cả hai giá trị 18O và D đều cao hơn một chút vào mùa mƣa so với mùa khô. Khi xem xét biến thiên của mực nƣớc ngầm, độ dẫn điện và nhiệt độ của nƣớc trong các giếng quan trắc OW1-D, OW2-D, OW3-D và các giếng khai thác nƣớc cho sinh hoạt hàng ngày của chủ nhà nằm cách 5m OW1-S, OW2-S, OW3-S đƣợc đo đều đặn 5 ngày một lần đã chỉ ra rằng độ sâu của mực nƣớc ngầm đã hạ xuống từ -8m đến -16m cho khoảng thời gian quan trắc từ 2008 đến 2012 đối với OW1-D (hình 7). Vị trí của lỗ khoan quan trắc OW1-D nằm trong tuyến các lỗ khoan đang khai thác hàng ngày 20.000 m 3/ngày của Nhà máy nƣớc Bắc Thăng Long và cũng chỉ cách nƣớc Sông Hồng 450m về phía bắc. Mực nƣớc của OW2-D và OW3-D cũng đƣợc quan trắc đều nhƣ OW1-D nhƣng mức độ hạ thấp không đáng kể, do vị trí của chúng nằm xa khu vực đang khai thác phục vụ cấp nƣớc cho sản xuất công nghiệp. Đối với độ dẫn điện đƣợc quan trắc thƣờng kỳ trong cả 3 lỗ khoan sâu OW1-D; OW2-D và OW3- D cho thấy sự biến đổi rất ít trong chuỗi thời gian dài, ngƣợc lại đối với 3 lỗ khoan đang khai thác hàng ngày ở tầng nông hơn phục vụ nƣớc sinh hoạt thì đều có xu thế tăng dần từ năm 2008 đến 2012 (hình 8). Hình 8. Đường cong phân bố giá trị độ dẫn điện đo được tại các lỗ khoan OW1-S, OW2-S và OW3-S trong khoảng thời gian từ 8/2008 đến 12/2012 Trên hình 8 cho thấy giá trị độ dẫn điện của 3 lỗ khoan đang khai thác nƣớc ở tầng Holocen trong độ sâu 20-25m có biến thiên từ 20 đến 55 mS/m đối với OW1-S, từ 10 đến 40 mS/m đối với OW2- 230 S và từ 40 đến 70 mS/m đối với OW3-S. Cả 3 lỗ khoan này đều đang khai thác hàng ngày từ 15 đến 20 m 3 phục vụ nƣớc sinh hoạt và theo kết quả khảo sát bằng VLF ở trên thì tại các điểm này đều có tồn tại các đới dẫn nƣớc từ trên mặt xuống đƣợc gọi là cửa sổ thủy văn. Đây cũng chính là điều kiện làm gia tăng ô nhiễm nguồn nƣớc ngầm Holocen từ nƣớc mặt trong khu vực nghiên cứu [6, 10, 12]. Nếu xây dựng mô hình tính toán cho nƣớc dƣới đất (GMS) áp dụng cho khu vực nghiên cứu có diện tích 50 km2, chọn hệ số thấm ngang K cho tầng chứa thứ nhất (Qh) là 9,66 m/ngày, hệ số rỗng n là 0,26; còn cho tầng chứa nƣớc thứ hai (Qp) có K=32,12 m/ngày và n=0,29; hệ số nhả nƣớc trọng lực, Sy = 0,18 thì nhận đƣợc trữ lƣợng khai thác tiềm năng nƣớc ngầm ở đây là 17.800 + 38.700 = 56.500 m 3/ngày và nhƣ vậy có thể khai thác an toàn ở mức 32.000 m3/ngày. Trong đó có thể phân ra cho nhà máy nƣớc khai thác ở tầng Qp là 20.000 m 3/ngày và các giếng khai thác nƣớc sinh hoạt ở tầng Qh là 6.000 m3/ngày. Với mức độ khai thác hiện tại thì các nhà máy sản xuất trong khu công nghiệp cũng đảm bảo đủ nƣớc và nƣớc sinh hoạt cũng đảm bảo khai thác bền vững. Nếu nƣớc ở tầng Qp khai thác nhiều lên thì khả năng ngấm xuống từ tầng Qh là hiện hữu thông qua các cửa sổ thủy văn, nhƣ vậy chất lƣợng nƣớc của tầng Qp cũng sẽ biến động theo chiều hƣớng tiêu cực trong khu vực này. 5. Kết luận Các phƣơng pháp địa vật lý nhƣ đo sâu điện trở suất, đo ảnh điện 2D, đo địa chấn khúc xạ và đo điện từ tần số rất thấp đã tạo thành một tổ hợp phƣơng pháp áp dụng có hiệu quả trong việc xác định tầng chứa nƣớc, khoanh định các đới cấu trúc dẫn nƣớc cho khu vực nghiên cứu.Trong đó, đo sâu VES và đo sâu mặt cắt ảnh điện 2D giúp ta không những phân chia đƣợc các ranh giới địa tầng mà còn có cơ sở để đánh giá chất lƣợng của nƣớc ngầm thông qua giá trị độ dẫn điện của từng lớp. Với hai tầng chứa nƣớc đƣợc xác định thì tầng chứa nƣớc Pleistocen đƣợc đánh giá là có tiềm năng khai thác, còn tầng chứa nƣớc Holocen đƣợc đánh giá là rất dễ bị ô nhiễm bởi các hoạt động của nƣớc mặt thông qua các cửa sổ thủy văn. Nƣớc dƣới đất của cả hai tầng đang khai thác có chất lƣợng đạt yêu cầu cho nƣớc sinh hoạt và đạt trữ lƣợng cho nƣớc sản xuất công nghiệp trong khu vực, song xu hƣớng hạ thấp mực nƣớc ngầm là hiện hữu và để khai thác sử dụng theo hƣớng bền vững thì cần chú ý cân bằng khai thác giữa hai tầng để tránh suy giảm về chất lƣợng nƣớc do đặc điểm cấu tạo địa chất thủy văn và mối quan hệ giữa nƣớc sông và nƣớc ngầm tạo ra. Nên khống chế số lƣợng khai thác tổng thể nƣớc ngầm trong khu vực này đến 32.000 m3/ngày là hợp lý, nhất là về mùa khô hàng năm. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này đƣợc tài trợ bởi Quỹ hỗ trợ nghiên cứu cơ bản về khoa học và công nghệ quốc gia (NAFOSTED) của Đề tài mã số 105.04-2011.05. TÀI LIỆU DẪN [1] AGI, 2003: The SuperSting with Swift automatic resistivity and IP system instruction manual, Advanced Geosciences, Inc., Austin, Texas, U.S.A. [2] Lê Đức An, 1996: Sự dao động của mực nƣớc biển vùng thềm lục địa Việt Nam. Tc. Các KH về TĐ, T.18, (4), 365-367. [3] J. Asfahani and B. A. Zakhem, 2013: Geoelectrical and Hydrochemical Investigations for Characterizing the Salt Water Intrusion in the Khanasser Valley, Northern Syria, Acta Geophysica vol. 61, no. 2, Apr. 2013, 422-444 DOI: 10.2478/s11600-012-0071-3. [4] G. Beziuk, 2012: Near Surface Geophysical Surveys with a High Frequency Mutual Impedance Measuring System, Acta Geophysica vol. 60, no. 1, Feb. 2012, 140-156 DOI: 10.2478/s11600-011- 0064-7. [5] Bui D D, Kawamura A, Tong T N, Amaguchi H, Nakagawa N, 2012: Spatio-temporal analysis of recent groundwater-level trends in the Red River Delta, Vietnam. Hydrogeology Journal 20: 1635-1650 DOI 10.1007/s 10040-012-0889-4. [6] Dan N V, Dzung N T, 2002: Current status of groundwater pollution in Hanoi area. Proceedings of the International Symposium on Environment and Injure for Community Health Caused by Pollution during the Urbanization and Industrialization. Hanoi Dec. 28-29, 2002. VNU Hanoi, p.55-69. [7] P. Derecke, 1980: The generalized reciprocal method of seismic refraction interpretation, Society of Exploration Geophysicists, 104. 231 [8] Nguyễn Địch Dỹ, 1998: Nghiên cứu quy luật địa tầng Đệ Tứ ở Việt Nam và một số đề xuất. TC. Các KH về TĐ, T.20, (4), 258-265. [9] Fagin S.W., 1991: Seismic modelling of geologic structures: Applications to Exploration problems. Geophysical Development, V. 2, SEG, 3-92. [10] N.V. Giang, T.D. Nam, M. Bano, 2012: Groundwater investigation on sand dunes area in southern part of Vietnam by Magnetic Resonance Sounding, Acta Geophysica vol. 60, no. 1, 157- 172 DOI: 10.2478/s11600-011-0064-7. [11] N. V. Giang, 2005: Application of Geophysical Methods for Engineering Geology in Vietnam. Advances in Natural Sciences, vol. 5, no. 3, 325-332. [12] Nguyễn Văn Giảng, 1998: Kết quả bƣớc đầu quan sát ô nhiễm môi trƣờng nƣớc dƣới đất ở Hà Nội bằng số liệu địa điện. TC Các KH về TĐ, 20(1), 21-26. [13] Golonka J, Krobicki M, Pajak J, Giang NV, Zuchiewicz W, 2006: Global plate tectonics and paleogeography of southeast Asia. AGH University of Science and Technology, Arkadia, Krakow, Poland pp. 1-128, ISBN 83-88927-10-8. [14] Griffiths D.H. and King R.F., 1986: Applied geophysics for geologists & engineers. Pergamon Press, Inc., 240. [15] Guerin R., 2005: Borehole and surface- based hydrogeophysics. Hydrogeology J., 13(1), 251-254. [16] H. Haynes, A.M. Ockelford, E. Vignaga and W.M. Holmes, 2012: A New Approach to Define Surface/Sub-Surface Transition in Gravel Beds, Acta Geophysica vol. 60, no. 6, Dec. 2012, 1589- 1606 DOI: 10.2478/s11600-012-0067-z. [17] V. H. Hiếu, L.T.P.Quỳnh, Josette G, Etcheber H, D.T. Thúy, H.T. Cường, 2012: Bƣớc đầu khảo sát hàm lƣợng carbon hữu cơ không tan (POC) trong môi trƣờng nƣớc vùng hạ lƣu hệ thống Sông Hồng. TC. Các KH về TĐ, T. 34, (1); 65-69. [18] Hori K., Tanabe S., Saito Y., Haruyama S., Viet N., Kitamura A., 2004: Delta initiation and Holocene sea-level change: Example from the Red river delta, Vietnam. Sed. Geol., 164, 237-249. [19] Hubbard S.S., Rubin Y., 2000: Hydrogeological parameter estimation using geophysical data: a review of selected techniques. J. of Contaminant Hydrology 45, 3-34. [20] Hubbard S.S., Rubin Y.,Majer E., 1999: Spatial Correlation Structure Estimation Using Geophysical and Hydrogeological Data. Water Resources Research, 35, 1809-1825. [21] Karous M., Hjelt S.E., 1983: Linear filtering of VLF dip-angle measurements. Geophysical Prospecting, 31, 782-894. [22] Keller G.V. and Frischknecht F.C., 1966: Electrical methods in geoelectric prospecting, Pergamon Press, Inc., 517. [23] Loke. M. H., 2004: Tutoral: 2-D and 3-D electrical imaging survey. [24] Trần Nghi, Ngô Quang Toàn, 1991: Đặc điểm chu kỳ trầm tích và lịch sử tiến hóa địa chất Đệ Tứ của châu thổ Sông Hồng, Tạp chí Địa chất số 206-207, tr. 65-77. [25] Ogilvy, R.D. and Lee, A.C., 1991: Interpretation of VLF-EM in-phase data using current density pseudo-sections. Geophysical Prospecting, 39, 567-580. [26] Owen, S.J.; Jones, N.L., and Holland, J.P., 1996: A comprehensive modeling environment for the simulation of groundwater flow and transport. Engineering with Computers 12 (3-4), 235-242. doi:10.1007/BF01198737. [27] F. F. Pedersen, N.V. Giang, 2002: Saltwater Intrusion in Aquifer-TEM Mapping around Gialoc- Haiduong, Vietnam. Advances in Natural Sciences, Vol.3, No.3, 289-295. [28] Pham V. N., D. Boyer, N. T. K. Thoa, N.V.Giang, 1994: Deep Ground water Investigation in South Vietnam by Combined VES/MTS Methods, Ground Water, vol.32, N.4, July-August, 675-683. [29] Rangin C, Klein M, Roques D, Le Pichon X and Trang L V, 1995: The Red river fault system in the Tonkin Gulf, Vietnam. Tectonophysics, 243; 209-222. [30] Rubin Y. and Hubbard S.S, 2005: Hydrogeophysics, Series: Water Science and Technology Library, Springer, Vol. 50, 523. 232 [31] Sandberg S.K., Slater L.D., Versteeg R., 2002: An integrated geophysical investigation of the hydrogeology of an anisotropic unconfined aquifer. J. of Hydrology. 267, 227-243. [32] Telford, W.M.; L.P. Geldart, R.E. Sheriff, 1990: Applied Geophysics (2nd ed.), 480. [33] Vickery A., Hobbs B.A., 2003: Resistivity imaging to determine clay cover and permeable units at an ex-industrial site. Near Surface Geophys., 1, 21-30. [34] WTO, 2004: Guidelines for drinking water quality; Training Pack, WTO, Geneva, Switzerland. SUMMARY HydroGeophysics Techniques to Aquifer Locating and Monitoring for Industrial zone north Thanglong and Quangminh, Hanoi Geophysical methods were applied for hydrogeological targets in many countries including Vietnam. This paper presents results of using complex geophysical techniques as well as 2D electrical resistivity imaging (ERI), vertical electrical sounding (VES), very low frequency (VLF) and seismic refraction for geological structure investigation to aquifers locate and to assess of hydrogeological condition for groundwater potential in North Thanglong and Quangminh industrial zones, Hanoi, Vietnam. The locations of two aquifers are determined by their depth and thickness on the basis of resistivity and seismic velocity values which were proved by stratifications of three boreholes to 40-60m of depth on study area. There are connecting from surface water to shallow aquifer by hydraulic windows from VLF data. The deeper aquifer can be considered as potential groundwater for supplying in the area. Groundwater level, electrical conductivity and water temperature were measured in six monitoring wells, complemented by anion, cation and stable isotope analyses of ground and surface water. This study also reviews, compiles and comprehensively analyzes spatiotemporal variations of hydrological and hydrogeological characteristics of shallow and deep groundwater aquifers in area and in nearby Red River water. The results show that groundwater in both shallow and deep aquifers was fresh, but mainly calcium-bicarbonate type. With the goal of devising sustainable water use regulations, more research must be directed toward long-term monitoring of groundwater and surface water quality, as well as toward detailed investigation of the hydraulic characteristics of local aquifers in the study area Key words: Hydro-Geophysics, hydrogeological condition, aquifer, industrial zone.