SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐỊA VẬT LÝ ĐIỆN TRONG ĐỊA CHẤT THỦY VĂN ĐỂ XÁC ĐỊNH RANH GIỚI MẶN/NHẠT TẦNG CHỨA NƯỚC PLEISTOCEN VÙNG PHỐ NỐI, HƯNG YÊN

HOÀNG VĂN HOAN, PHẠM QUÝ NHÂN

Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội

Tóm tắt: Việc ứng dụng các phương pháp địa vật lý để giải quyết các vấn đề địa chất, địa chất thuỷ văn đã được các nhà khoa học sử dụng từ lâu. Tuy nhiên, việc sử dụng các phần mềm trên máy tính để tính toán định lượng các thông số địa chất thuỷ văn thông qua các số liệu địa vật lý thì mới được áp dụng ở nước ta trong những năm gần đây. Dựa vào kết quả xử lý số liệu đo sâu điện, đo bằng hệ cực Schlumberger kết hợp với lấy mẫu nước phân tích tổng hàm lượng chất rắn hoà tan, ta có thể xác định tương quan giữa giá trị điện trở suất của tầng chứa nước với tổng hàm lượng chất rắn hoà tan, trên cơ sở đó xác định ranh giới mặn/nhạt của tầng chứa nước vùng nghiên cứu.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế quốc dân, việc nghiên cứu địa chất đòi hỏi độ chính xác cao và thời gian thi công ngắn. Để giải quyết tốt các nhiệm vụ đặt ra, cần phối hợp có hiệu quả nhiều phương pháp nghiên cứu, áp dụng tốt các thành tựu mới của khoa học công nghệ, trong đó có phương pháp địa vật lý. Trong địa chất thuỷ văn, phương pháp địa vật lý đóng vai trò quan trọng trong tìm kiếm, thăm dò và khai thác nước dưới đất [4].

Đối tượng nghiên cứu chính của địa chất thuỷ văn là các tầng chứa nước, trong đó các tầng chứa nước lỗ hổng ở các vùng đồng bằng ven biển là đối tượng nghiên cứu quan trọng, vì đây là nguồn cung cấp nước chính cho các thành phố, khu công nghiệp, khu dân cư…. Một trong những vấn đề đang được các nhà quản lý nói chung và các nhà địa chất thuỷ văn nói riêng quan tâm là chất lượng nước dưới đất, mà cụ thể là tổng hàm lượng chất rắn hoà tan (TDS) hay độ tổng khoáng hoá; sự biến thiên của TDS theo diện, cũng như theo chiều thẳng đứng đang là vấn đề cấp bách cần được quan tâm đầu tư đúng mức.

Việc xác định ranh giới mặn/nhạt các tầng chứa nước giúp chúng ta tính toán được lưu lượng khai thác cho từng vùng cụ thể. Để giải quyết được vấn đề này, hiện nay có hai phương pháp, đó là: 1) điều tra khảo sát kết hợp khoan lấy mẫu nước dưới đất phân tích tổng hàm lượng chất rắn hoà tan, số lượng lỗ khoan khảo sát quyết định mức độ chính xác của ranh giới; phương pháp này đòi hỏi nhiều thời gian và chi phí rất cao; 2) điều tra, khoan khảo sát và phân tích thành phần hoá học của nước kết hợp phương pháp địa vật lý, đo điện trở suất tầng chứa để xác định ranh giới mặn/nhạt; phương pháp này cho kết quả nhanh chóng, chi phí thấp và có độ tin cậy cao.

II. ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA TẦNG CHỨA NƯỚC

Đất đá có thể xem như một tập hợp gồm ba pha: pha cứng (đất đá hay khoáng vật); pha lỏng (nước trong tầng chứa) và pha khí (khí trong các lỗ hổng). Điện trở suất của pha lỏng thường có giá trị nhỏ nhất. Vì vậy, điện trở suất của đất đá chứa nước chủ yếu do điện trở suất của nước quyết định (trừ trường hợp tầng chứa nước có xen các lớp sét).

Nước tự nhiên là các chất điện phân chứa các loại ion khác nhau. Khi ta tạo ra điện trường thì các ion đó sẽ chuyển dịch và xuất hiện dòng điện. Mật độ dòng điện phụ thuộc vào mật độ, loại ion và tốc độ di chuyển của chúng [4].

Điện trở suất của chất điện phân (nước) ρ_w được xác định theo công thức sau:

, (1)

nếu c_a = c_c = C

thì ,

với , (*)

trong đó: c_a và c_c - mật độ của anion và cation và hàm lượng anion và cation thông thường c_a = c_c = C;

v_a và v_c - tốc độ di chuyển của anion và cation;

f_a và f_c - độ linh động của anion và cation, phụ thuộc vào hàm lượng muối hoà tan và thành phần hóa học của chúng.

Về bản chất dẫn điện của đất đá có thể chia ra hai loại dẫn điện - điện tử và ion [7].

Loại dẫn điện điện tử xảy ra ở phần khung của khoáng vật tạo đá, hay nói cách khác phần tử tải điện là các electron. Loại dẫn điện này chỉ phổ biến trong các thân quặng sulfur, đa kim, graphit, kim loại ...

Loại dẫn điện ion xảy ra trong đất, đá lỗ hổng, khe nứt lấp đầy dung dịch. Phần tử tải điện là các ion. Khi có tác động của trường điện bên ngoài, các ion dịch chuyển định hướng tạo nên dòng điện. Loại dẫn điện ion thường gặp trong đất đá trầm tích.

Archie (1942) khi nghiên cứu độ dẫn điện của các tầng chứa nước, đã chỉ ra rằng điện trở suất của một tầng chứa tỷ lệ thuận với điện trở suất của nước lấp đầy trong các lỗ hổng và tỷ lệ nghịch với độ lỗ hổng của tầng chứa nước. Mối quan hệ này được biểu diễn dưới dạng định luật Archie như sau:

(2)

với: và từ (*):, a » 1 ,

trong đó: ρ_buk - điện trở suất của tầng chứa nước, F - hệ số cấu thành tầng chứa nước; ρ_w - điện trở suất của nước lấp đầy các lỗ hổng của tầng chứa nước; a - hệ số, phụ thuộc vào đất (a = 0,4; 1,4); k - độ lỗ hổng của đất đá; n - hệ số cấu trúc (n = 1,3; 2,2).

Đối với tầng chứa nước xác định thì hệ số cấu thành tầng chứa nước (F) không thay đổi. Như vậy, điện trở suất của các tầng chứa nước chỉ biến đổi do tính chất của nước trong tầng chứa nước thay đổi (do nhiễm mặn, nhiễm bẩn, ...).

III. XÁC ĐỊNH RANH GIỚI MẶN/NHẠT TẦNG CHỨA NƯỚC PLEISTOCEN VÙNG PHỐ NỐI, HƯNG YÊN

1. Đặc điểm địa chất thuỷ văn vùng nghiên cứu và cơ sở xác định tuyến đo

Tầng chứa nước Pleistocen (qp) vùng nghiên cứu (huyện Yên Mỹ, Hưng Yên) có tiềm năng trữ lượng lớn. Tuy nhiên, một vấn đề đặt ra ở đây là phía đông nam vùng này tồn tại một ranh giới mặn/nhạt, mà ở đó độ tổng khoáng hoá trong tầng chứa nước bắt đầu vượt qua giới hạn cho phép (TDS > 1 g/l) [9]. Chính vì vậy, việc xác định sự có mặt của ranh giới này là vấn đề cấp thiết phục vụ cho quy hoạch và khai thác nước dưới đất.

Theo các kết quả điều tra địa chất thuỷ văn, ở đây có 3 tầng chứa nước. Tầng chứa nước thứ nhất là tầng Holocen (qh) với chiều dày khoảng 7,7 m, thành phần thạch học là cát hạt vừa đến hạt mịn. Tầng thứ hai là tầng Pleistocen thượng có chiều dày khoảng 18 m, thành phần thạch học là các hạt vừa đến hạt thô. Tầng thứ ba là tầng Pleistocen hạ có chiều dày khoảng 40 m, thành phần thạch học là cát, cuội, sỏi. Đây là tầng chứa nước chính (đối tượng nghiên cứu), có trữ lượng lớn trong vùng nghiên cứu. Nước của tầng này phân bố ở độ sâu từ 44 đến 46 m.

Để xác định ranh giới mặn/nhạt tầng chứa nước tại vùng Phố Nối, Hưng Yên, chúng tôi đã tiến hành các công việc theo trình tự như sau:

- Thu thập tài liệu liên quan đến việc xác định ranh giới mặn/nhạt vùng nghiên cứu như hiện trạng khai thác, sử dụng nước và các tài liệu quan trắc nước dưới đất, các lỗ khoan tìm kiếm thăm dò trong khu vực để sơ bộ khoanh vùng khu vực tồn tại ranh giới mặn/nhạt;

- Điều tra, khảo sát thực địa theo tuyến. Các tuyến khảo sát được xác định dựa trên kết quả tài liệu thu thập và kết quả phân tích đánh giá chất lượng nước bằng các thiết bị thí nghiệm hiện trường;

- Xác định các tuyến đo sâu điện, các tuyến này có hướng vuông góc với ranh giới mặn/nhạt giả định, đã được vạch sơ bộ qua các kết quả thu thập tài liệu cũng như khảo sát và thí nghiệm thực địa, chiều dài và số điểm trên tuyến phụ thuộc vào kết quả điều tra khảo sát thực địa;

Hình 2. Ranh giới mặn/nhạt ở độ sâu 52-57 m,
tầng chứa nước Pleistocen vùng Phố Nối, Hưng Yên

- Tiến hành khoan một số lỗ khoan tại vị trí một số điểm đo sâu điện và đặt ống lọc trong tầng chứa nước Pleistocen, tiến hành lấy mẫu phân tích thành phần hoá học (chủ yếu là chỉ tiêu Cl^- và TDS);

- Xử lý số liệu đo điện trở suất ngoài thực địa, lập các mặt cắt địa điện, xác lập phương trình hồi quy biểu diễn mối tương quan giữa giá trị điện trở suất và hàm lượng TDS của nước trong tầng chứa nước (tại cùng một độ sâu). Từ phương trình hồi quy đó, lấy giá trị TDS = 1000 mg/l (giới hạn mặn/nhạt của nước dưới đất trong ăn uống sinh hoạt), từ đó tìm ra giá trị điện trở suất tương ứng. Giá trị điện trở suất tương ứng với hàm lượng TDS < 1000 mg/l là vùng nước nhạt và giá trị điện trở suất tương ứng với hàm lượng TDS ³ 1000 mg/l là vùng nước mặn.

2. Ranh giới mặn/nhạt ở độ sâu từ 52 đến 57 m tầng chứa nước Pleistocen hạ vùng Phố Nối, Hưng Yên

Độ dẫn điện của đất đá bở rời bão hoà nước có mối tương quan chặt chẽ với độ dẫn điện của nước trong tầng chứa nước. Công thức (1) thể hiện mối tương quan của độ dẫn điện với tính chất của chất điện phân (nước trong tầng chứa nước) trong đó độ linh động của anion (f_a) và cation (f_c) phụ thuộc vào hàm lượng muối hoà tan và thành phần hóa học của chúng. Do đó, tổng hàm lượng chất rắn hoà tan được lựa chọn là thông số đặc trưng cho độ dẫn điện của nước ρ_w trong tầng chứa nước.

Mặt khác, thông số này còn là chỉ tiêu đánh giá, phân loại chất lượng nước ngầm trong ăn uống và sinh hoạt. Trong phạm vi của bài báo này, ranh giới mặn nhạt được hiểu là ranh giới của tầng chứa nước ở độ sâu từ 52 đến 57 m có tổng hàm lượng chất rắn hoà tan lớn hơn hoặc bằng 1000 mg/l (là mặn) và nhỏ hơn 1000 mg/l (là nhạt).

Để thiết lập phương trình tương quan chúng tôi sử dụng cặp số liệu: giá trị TDS của tầng chứa nước qp và giá trị điện trở suất đo được bằng phương pháp đo sâu điện tại lỗ khoan lấy mẫu nước phân tích TDS tại cùng độ sâu thuộc tầng chứa nước qp. Từ các cặp giá trị này, chúng tôi thiết lập đồ thị quan hệ qua phần mềm Microsoft EXCEL. Từ đó tìm ra phương trình tương quan giữa ρ_w và TDS.

Các phương trình (1) và (2) cho thấy phương trình tương quan có dạng: y = ax^-a với a » 1. Hình 1 là đồ thị tương quan giữa điện trở suất và tổng hàm lượng chất rắn hoà tan, phương trình quan hệ như sau:

y = 4914,3x ^-0,7224 (3)

trong đó: y - điện trở suất của tầng chứa nước (ohm.m), x - tổng hàm lượng chất rắn hòa tan (mg/l).

Hệ số tương quan R² = 0,93

Từ phương trình quan hệ (3) chúng tôi xác định được ranh giới mặn/nhạt qua các giá trị điện trở suất đo được trên các tuyến đo tại khu vực nghiên cứu. Tương ứng giá trị TDS = 1000 mg/l, giá trị điện trở suất tương ứng là 33,4 ohm.m.

Đặc điểm ranh giới mặn/nhạt tầng chứa nước trên quan điểm địa chất thủy văn vùng nghiên cứu là một đới (theo diện) và có chiều sâu bề mặt tiếp xúc thay đổi từ nông đến sâu về hướng vùng chứa nước nhạt (theo chiều thẳng đứng). Trên mặt cắt, ranh giới này có dạng hình nêm.

Tuy nhiên, ở những khoảng độ sâu nhất định, ranh giới mặn/nhạt có thể coi là dạng tuyến. Từ các kết quả khoan, lấy mẫu phân tích tổng hàm lượng chất rắn hòa tan và kết quả đo sâu điện chúng tôi xác định được ranh giới mặn/nhạt của tầng chứa nước Pleistocen ở độ sâu từ 52 đến 57 m.

III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận. Qua kết quả đo đạc ngoài thực địa và xử lý số liệu trong phòng kết hợp với việc phân tích mẫu nước dưới đất ở vùng Phố Nối, Hưng Yên, chúng tôi đi đến kết luận như sau: Cơ sở khoa học áp dụng để xác định ranh giới mặn/nhạt của nước dưới đất ở vùng Phố Nối, Hưng Yên là hoàn toàn đúng đắn và có hiệu quả qua việc xác định tương quan giữa điện trở suất của tầng chứa nước và TDS của nước. Từ đó có thể sử dụng hợp lý phương pháp đo sâu điện VES thay thế việc khoan thăm dò để xác định ranh giới mặn/nhạt. Điều này mang lại hiệu quả cao, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

Kiến nghị. Để xác định được ranh giới mặn/nhạt tại vùng nghiên cứu một cách chi tiết hơn, cụ thể là xác định lưỡi mặn, cần bố trí các chùm lỗ khoan thăm dò theo tuyến vuông góc với ranh giới mặn/nhạt đã được vạch ra trong nghiên cứu này. Tại mỗi chùm lỗ khoan có các lỗ ở độ sâu (chiều sâu đặt ống lọc) khác nhau. Từ đó có thể xác định được tương quan giữa điện trở suất và tổng hàm lượng chất rắn hoà tan ở các độ sâu khác nhau, qua đó xác định được ranh giới mặn/nhạt ở các độ sâu khác nhau và xác định chi tiết hơn hình dạng của ranh giới mặn/nhạt vùng nghiên cứu giúp cho việc tính toán, đánh giá khả năng khai thác hiệu quả và an toàn của tầng chứa nước khu vực nghiên cứu.

VĂN LIỆU

1. ABEM Intrusment AB, 1993. LUND Imaging System, Instruction Manual.

2. Loke M.H., 2000. Electrical Imaging 2D and 3D, User’s man for Res2Dinv.

3. Mai Thanh Tân, 1992. Bài giảng phương pháp địa vật lý trong điều tra địa chất. Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội.

4. Ngô Văn Bưu, 1996. Địa vật lý trong địa chất thuỷ văn và môi trường. Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội.

5. Nguyễn Như Trung, Nguyễn Trọng Nga, 2002. Phương pháp thăm dò điện dòng một chiều trong môi trường bất đồng nhất ngang. Bài giảng dành cho nghiên cứu sinh và cao học. Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội.

6. Nguyễn Trọng Nga, 2004. Giáo trình thăm dò điện. Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội.

7. Phạm Hồng Hải, 2005. Ứng dụng phương pháp thăm dò điện trở nghiên cứu ranh giới nhiễm mặn nước ngầm vùng Hải Phòng. Luận văn thạc sĩ khoa học. Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội.

8. Pham Quy Nhan et al, 2006. Hydrogeological investigation of saline groundwater boundary at proposal Thanglong Industrial Zone project site. University of Mining and Geology, Hà Nội.

9. Reynolds J.M., 2002. An introduction to applied and environmental geophysics. Published by John Wiley, England.