Bài giảng Chương 9: Hoạt động địa chất của nước dưới đất

CHƯƠNG 9HOẠT ĐỘNG ĐỊA CHẤT CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤTNước dưới đất tồn tại trong các khe hở của đất đá tạo lên đới bão hòa nước bên dưới bề mặt trái đất.Trạng thái tồn tại của nước dưới đất ở cả ba thể: rắn, lỏng và khí, tùy theo vị trí địa lý, điều kiện khí hậu mà tỉ lệ giữa ba trạng thái của nước dưới đất có thể thay đổi. Trong phần lớn các trường hợp thì nước dưới đất ở trạng thái lỏng chiếm tỉ lệ cao nhất.Độ sâu tồn tại của nước dưới đất thay đổi từ 0 m đến vài km bên dưới bề mặt trái đất.Khả năng tàng trữ và lưu thông nước dưới đất phụ thuộc vào hai yếu tố chính:CÁC THUỘC TÍNH CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤTĐộ rỗng: Ở độ sâu khoảng một vài km bên dưới bề mặt trái đất, các đá thường chứa các khe nứt hay lỗ hổng được lấp đầy bởi nước và không khí. Tỉ lệ % thể tích của lỗ hổng+khe nứt/tổng thể tích của khối đá được gọi là độ rỗng. Các tầng cát, sỏi có độ rỗng ~40% trong khi tầng bùn có độ rỗng có thể đạt ~90%. Thông thường các đá bở rời có độ rỗng lớn hơn các đá đã gắn kếtĐộ thấm: khả năng của đất, đá có khả năng cho nước lưu thông qua nó. Thông thường đất/đá có độ rỗng cao cũng có độ thấm cao nhưng độ thấm phụ thuộc mạnh vào kích thước và sự liên thông của các lỗ hổng. (vd: sét có độ rỗng rất cao nhưng độ thấm lại rất thấp).Một phần nước trên mặt (nước mưa, nước sông/hồ, nước băng tan) thấm xuống các khe nứt/lỗ hổng bên dưới bề mặt trái đất dưới tác dụng của trọng lực.Các khe nứt/lỗ hổng chỉ tồn tại đến một độ sâu nhất định (vài km) nên nước chỉ thấm đến một độ sâu nhất định và bị khống chế bởi tầng đá không nứt nẻ bên dưới (tầng chắn nước).Theo thứ tự từ dưới lên trên, nước dưới đất được chia thành hai đới:Đới nước bão hòa: là đới chứa nước nằm trực tiếp trên bề mặt cách nước, ở đó các lỗ hổng trong đá được lấp đầy và bão hòa nước, nước di chuyển theo phương ngang là chính. Đới chưa bão hòa (đới thông khí): có các phân tử khí phân tán trong nước; nằm bên trên đới bão hòa. Trong đới này nước di chuyển theo chiều thẳng đứng là chủ đạo. Bề mặt ngăn cách hai đới nước này được gọi là mặt tự do (water table). Ở một số nơi tầng chắn nước nằm bên trên mặt tự do (nằm trong đới thông khí) tạo lên tầng chứa nước bão hòa cục bộ gọi là nước thượng tầng (perched water).Hoặc nước di chuyển ngược lên phía trên dưới tác dụng của lực hút tĩnh điện gọi là nước mao dẫn Tầng chứa nước là các tầng đá có chứa một lượng nước có giá trị kinh tế có thể khai thác phục vụ cho con người. Tầng chứa nước phải có độ rỗng và độ thấm để tàng trữ và lưu thông nướcThành phần hóa học của nước dưới đất:Nước dưới đất thường có phân tán một số loại khí: O2, N2, CO2, H2S,Khoảng 62 nguyên tố vi lượng hòa tan trong nước: Na+, K+, Mg2+, Ca2+, SO42-, HCO3-,Hàm lượng muối khoáng hòa tan trong nước gọi là tổng lượng khoáng hóa (mg/l).Nước ngọt (nhạt): Hàm lượng khoáng hóa = 0.2 – 1g/lNước lợ: Hàm lượng khoáng hóa = 1 – 35 g/lNước mặn: Hàm lượng khoáng hóa = 35 – 50 g/lNước muối: Hàm lượng khoáng hóa = 50 – 400 g/lNước sinh hoạt: Hàm lượng khoáng hóa ≤ 1 g/lNước có tính kiềm: chứa Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, NaHCO3.Nước cứng: 6 – 9 mol/l của Ca, Mg Nước hơi cứng: 3 – 6 mol/l của Ca, MgNước mềm: 1,25 – 3 mol/l của Ca, MgNước rất mềm: Ca, Mg ≤ 1,25 mol/lĐỘNG THÁI CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤTTầng chứa nước giống như một miếng bọt xốp có thể chứa và lưu thông nước.Nước dưới đất di chuyển với tốc độ chậm: ~4 cm/ngày và phụ thuộc vào độ rỗng, độ thấm và độ chênh cao của mặt tự do. Có những nơi đá nứt nẻ mạnh hoặc có hang động karst, nước dưới đất di chuyển với tốc độ rất nhanh.Nưới dưới đất di chuyển từ nơi có mặt tự do cao nhất về nơi có mặt tự do thấp nhất. Thông thường mặt tự do ở các địa hình núi đôif phân bố cao hơn so với mặt tự do ở các địa hình thấp.Về mùa khô mặt tự do có xu thế thoải dần cho đến khi nằng ngang.Ở vùng nhiều mưa (a), dòng chảy trên mặt nằm thấp hơn mặt tự do, khi quá trình xâm thực dọc cắt qua mặt tự do, nước dưới đất chảy ra bổ sung nguồn nước cho dòng chảy trên mặt – lý do tại sao dòng chảy trên mặt vẫn có nước chảy trong thời gian không có mưa.Ở vùng sa mạc (b), dòng chảy trên mặt nằm cao hơn mặt tự do nên nước trên mặt thấm xuống bổ sung cho nước dưới đất – lý do tại sao nhiều con sông chảy qua sa mạc bị khô kiệt (không tính đến yếu tố bốc hơi)Nếu mặt tự do giao cắt với mặt địa hình, nước dưới đất sẽ chảy ra trên bề mặt địa hình. Nơi nước chảy ra gọi là điểm lộ thủy văn (spring).Khi một tầng chứa nước nằm nghiêng được bao bởi hai tầng chắn nước ở trên và dưới thì được gọi là tầng chứa nước artesian.Nước ở phần thấp của tầng chứa nước artesian chịp áp lực của trọng lực bên trên nên nếu ta đào giếng hoặc khoan vào vị trí thấp thì nước sẽ tự dâng lên trong giếng hoặc lỗ khoan mà không cần bơm – đó là hiện tượng artersian.Điểm lộ thủy vănHOẠT ĐỘNG ĐỊA CHẤT CỦA NƯỚC NGẦMTác dụng bào mòn: Do nước dưới đất di chuyển chậm nên tác dụng bào mòn cơ học không đáng kể. Chỉ những hơi có các hang động ngầm, hoặc các hệ thống khe nứt phát triển mạnh mới ghi nhận được sự bào mòn cơ học đáng kể.Tác dụng bào mòn chủ yếu của nước ngầm diễn ra theo phương thức hòa tan hóa học vd: CaCO3(kết tủa) + CO2 + H2O ↔ Ca2+ (HCO3)- (hoạt động karst).Tác dụng vận chuyển trầm tích: Tương tự như trên, tác dụng vận chuyển hóa học chiếm ưu thế trong khi vận chuyển co học không đáng kể. Trong đới thông khí trầm tích được vận chuyển theo phương thẳng đứng từ trên xuống dưới trong khi tại đới bão hòa trầm tích vận chuyển theo phương nằm ngang là chủ yếu.Tác dụng trầm tích: Chủ yếu lắng đọng các trầm tích hóa học, các vật liệu còn sót trong các hang động ngầm,.MỘT SỐ HIỆN TƯỢNG ĐỊA CHẤT ĐẶC BIỆT LIÊN QUAN ĐẾN NƯỚC DƯỚI ĐẤTHang ngầm: Nếu nước dưới đất có tính acid chảy qua các khe nứt của đá carbonate (đá vôi) sẽ xảy ra hiện tượng hòa tan, vật liệu hòa tan được nước mang đi làm cho các khe nứt được mở rộng dần tạo thành hang karst.Hang karst thường phân bố ở độ cao của mặt tự do hoặc nằm ngay bên dưới nó. Khi mặt tự do hạ thấp, hang trở thành hang khô, nếu nước tiếp tục đi từ đới thông khí xuống sẽ lắng đọng cho ta các măng, nhũ, cột đá,Nếu mái của các hang ngầm không đủ bền đề chống lại sức nặng của các tầng đá nằm trên sẽ bị sập tạo thành các hố sụt.Địa hình phát triển trên các thành tạo đá vôi hoặc đá dễ hòa tan khác sẽ có những đặc trưng riêng gọi là địa hình karstNước nóng (hot spring) và họng phun (Geyser): Nước khi di chuyển xuống dưới bề mặt của trái đất sẽ được hấp thụ nhiệt, đốt nóng rồi đi lên mặt đất tạo thành các điểm lộ nước nóng do sự chênh lệch tỉ trọng giữa nước nóng (nhẹ) với nước lạnh (nặng). Quá trình cấp nhiệt diễn ra theo ba cách:Địa nhiệt (gradient địa nhiệt ~30oC/km): để nước đạt đến nhiệt độ ~100oC nước phải di chuyển đến độ sâu ~ 3km – điều này hiếm khi xảy ra.Trong vỏ trái đất có thể tồn tại một số lò magma có nhiệt độ cao và phân bố ở độ sâu không lớn nên có thể cung cấp nhiệt cho nước dưới đất.Trong thành phần của nước dưới đất có một số khoáng vật sunfua khi bị phong hóa hóa học có thể giải phóng ra một lượng nhiệt đáng kể.Hố sụt karstPhần lớn các điểm lộ nước nóng chảy ra từ từ.Một số chỗ có cấu trúc đặc biệt, khi nước lạnh đi xuống, bị đốt nóng di chuyển lên phía trên, họng dẫn nước bị khóa lại (?) làm tăng áp suất buồng chứa nước nóngĐến thời điểm thích hợp áp suất buồng chứa đủ lớn để khai thông họng dẫn nước làm cho nước nóng phun lên mặt đất theo từng đợt tạo lên các họng phun (geyser)KHAI THÁC NƯỚC DƯỚI ĐẤT VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN Nước dưới đất là nguồn tài nguyên rất có giá trị vì:Nguồn cung cấp nước sạch phong phú: ~60 lần so với các bồn chứa nước trên mặt.Lưu trữ dưới đất nên có thể cung câp được cả cho mùa khôNước dưới đất có thể di chuyển từ địa hình ẩm đến vùng khô hạn nên có thể cung cấp nước cho các vùng hạn hán.Sử dụng trong khai thác địa nhiệtTuy nhiên việc khai thác thái quá hoặc không quy hoạch cẩn thận sẽ dẫn đến các vấn đề liên quan đến ô nhiễm môi trường và thảm họa thiên nhiên.Một số khu vực có thể sử dụng nước dưới đất làm môi trường vận tải địa nhiệt cung cấp cho các nhà máy nhiệt điện hoặc lò sưởi.Tuy nhiên chỉ có một số nơi có sự phân bố nông của các lò magma và có nguồn nước dưới đất để phục vụ cho việc khai thác địa nhiệt tự nhiên. Ở những nơi có vòm magma nông nhưng không có nước dưới đất thì người ta có thể bơm cấp nước nhân tạo, tuy nhiên giá thành khai thác sẽ cao hơn. Sự suy kiệt nước dưới đất:Nếu tốc độ khai thác cao hơn tốc độ bổ sung, nước dưới đất sẽ bị suy giảm về trữ lượng.Nón suy kiệt tập trung tại vị trí lỗ khoan khai thác (b). Nếu đá có độ rỗng, độ thấm tốt, nguồn cung cấp dồi dào thì nước sẽ được phục hồi nhanh chóng.Nếu tiếp tục khai thác với sản lượng vượt quá mức cung cấp, mặt tự do sẽ bị hạ thấp (c), hệ quả là tạo ra sự sụt lún địa hìnhSự nhiễm mặn:Có hai loại nước tồn tại ở đới ven biển: nước ngọt và nước mặn.Nước ngọt nổi trên bề mặt của nước mặn do có tỉ trọng nhỏ hơn.Nếu nước ngọt bị khai thác thái quá, nước mặn sẽ xâm nhập vào tầng nước ngọt gây lên hiện tượng nhiễm mặn. Sự ô nhiễm nước dưới đất: do sự nhiễm bẩn từ các chất gây ô nhiễm trên mặt đất thấm xuống hoặc do sự phân rã của các khoáng vật gây hại cho con người xảy ra ngay trong lòng đất (phóng xạ).Nguồn ô nhiễm có hai loại: ô nhiễm điểm (ở những nơi cố định, quy mô nhỏ) và ô nhiễm phi điểm (ở diện rộng: cánh đồng, sông nước thải,)Chất gây ô nhiễmnhẹ hơn nướcChất gây ô nhiễmNặng hơn nước