5.4. Tác dụng địa chất của nước dưới đất

5.4. TÁC DỤNG ĐỊA CHẤT CỦA NƯỚC DƯỚI ĐẤT 5.4.1. Khái niệm chung về nước dưới đất (ground water) 5.4.1.1. Khái niệm chung về nước dưới đất  Nước dưới đất: tất cả các loại nước (tồn tại các dạng khác nhau) ph/bố trong các lỗ hổng, kh/nứt, hang động ngầm của đất đá nằm dưới mặt đất.  Tồn tại ở 3 tr/thái: rắn, lỏng, khí và có thể chuyển đổi từ tr/thái này sang tr/thái kia.  Nước ngầm (phreatic water) là một loại trong nước dưới đất.  Nước dưới đất có diện ph/bố rộng rãi từ vùng ẩm ướt cho đến các sa mạc, ở núi cao, ở vùng cực của TĐ.  Là một loại kh/sản lỏng, phục vụ công nghiệp, sinh hoạt dân dụng (nước khoáng, nóng..), nông nghiệp.  Ph/bố trên diện rộng và có ý nghĩa q/trọng đối với hệ thực vật và hệ sinh vật đất. Chu kỳ tuần hoàn của nước 1-Nước ở tr/thái hơi: phân bố tự do trong không khí, trong kh/nứt. 3-Nước màng mỏng (thinfirm water): trên bề mặt đá (gồm các lớp phân tử nước liên kết với nhau nhờ lực phân tử). Màng càng lớn thì lực liên kết phân tử ở phía ngoài rìa càng nhỏ hơn. Do đó chúng có thể di chuyển dần từ màng dày sang màng mỏng hơn cho đến lúc cân bằng. 6-Nước ở thể rắn: ph/bố trong đá vùng đóng băng. 7-Nước kết tinh: th/gia vào TP k/vật trong ô mạng t/thể (trong thạch cao, nước = 20,9% tr/lượng). Nếu bị nung >100oC nước tách ra khỏi tinh thể. 5.4.1.2. Các trạng thái của nước dưới đất phân bố trong các đá: 2-Nước hấp phụ (hydroscopic water) = nước liên kết v/lý, các phân tử nước bám chắc vào bề mặt k/vật của đá do lực hút điện phân tử giữa d/tích bề mặt k/vật và phân tử lưỡng cực của nước. Nước tạo 1 lớp phân tử bao quanh k/vật. Khi To >105-110oC thì nước bốc hơi. 4-Nước mao quản (capillary water): ph/bố trong 1 phần hoặc cả độ cao của ống mao quản trong đá có lỗ rỗng nhỏ, ở các kh/nứt của đá, trong thổ nhưỡng. Có sức căng bề mặt lớn. 5-Nước trọng lực (nước tự do) (gravity water): ph/bố trong các lỗ hổng, các kh/nứt, chỗ rỗng của đá. Nước di chuyển do trọng lực hoặc do thủy động lực. 1-Nước ngấm thấu (thẩm thấu): do nước mưa, nước của lớp băng phủ hoặc từ các tầng chứa nước của sông, hồ ngấm xuống. Nó là phần quan trọng nhất của nước dưới đất. 2- Nước ngưng tụ: do hơi nước không khí ngưng tụ lại trong các lỗ hổng, kh/nứt của đá (khi To lỗ hổng, kh/nứt của đá < ngoài không khí). Ví dụ: thấu kính nước ngọt trong hoang mạc. 3-Nước trầm tích (nước di tích): là nước của bồn biển, hồ hay sông được giữ lại trong các tr/tích tương ứng, sau khi các tr/tích biến đổi thành đá gồm: - Nước đồng sinh cùng th/tạo với v/liệu tr/tích. - Nước hậu sinh từ bồn biển thấm vào đá đã được thành tạo. Nước di tích được bảo tồn = nước "hóa thạch". 4-Nước nguyên sinh (nước magma): từ các chất khí thoát trong lúc magma nguội đi, có To cao, độ khoáng hóa mạnh. 5-Nước thủy phân: phân giải tách ra từ các k/vật có chứa nước k/tinh. Q/trình này l/quan với sự tăng To và P. 5.4.1.3. Nguồn gốc của nước dưới đất: a)-Độ lỗ hổng - độ rỗng (porosity) p - tỷ số giữa thể tích của toàn bộ không gian rỗng (Vp) với tổng thể tích mẫu đá (V): p = (Vp/V).100%. Độ lỗ hổng l/quan với những y/tố: - Độ lỗ hổng tăng khi đá bở rời. - Đá có độ hạt đồng đều thì có độ lỗ hổng > đá có có độ hạt không đều. - Đá ở gần mặt đất ph/hóa mạnh thì có độ lỗ hổng > đá ở dưới sâu. b)-Tính thấm nước của đá - độ thấm (permeability) - kh/năng của đá cho chất lưu có độ nhớt nh/định đi qua dưới 1 đơn vi gradien áp lực. Đá sét có độ lỗ hổng 40% nhưng không thấm nước vì các lỗ hổng mao quản quá nhỏ và nước với sức căng bề mặt không thể thấm qua. Tính thấm nước  vào các y/tố sau: - Độ lỗ hổng,  lỗ hổng để cho nước chảy qua. - K/thước hạt (đá chưa gắn kết: >2mm đá dễ ngấm, <0,001mm khó thấm; đá đã gắn kết thì độ thấm l/quan k/trúc và độ gắn kết của đá). 5.4.1.4. Điều kiện tàng trữ và chuyển động của nước dưới đất: Căn cứ theo mức độ thấm, chứa nước của các đá trong các tầng, chia ra: Tầng thấm nước (permeable bed): tầng chứa các đá để cho nước ngấm thấu qua được. Tầng chứa nước (aquifer bed): tầng đá ngấm được nước, giữ lại được nước trong tầng. Tầng cách nước (impervious bed): tầng đá không cho nước thấm qua và tàng trữ lại. Độ ẩm của đá: là kh/năng giữ được trong đá lượng nước nh/định. Bảng phân chia đá theo mức độ thấm nước: Mức độ thấm nước Các loại đá chủ yếu Hệ số thấm m3/ngày đêm Thấm nước tốt Đá hòn, cuội, tầng cát, đá nhiều hang hốc > 10 Thấm nước Tầng cát, cát kết, cuội kết, các tảng đá nứt nẻ 1 - 10 Thấm nước trung bình Bột kết, đá vôi sét 0,1 - 1 Thấm nước kém Đất á cát, đất á sét 0,001 - 0,1 Không thấm nước Đất sét, đá không nứt nẻ < 0,001 c)- Sự chuyển động của nước dưới đất và phân đới theo chiều đứng: Đới thông khí: = lớp đất đá giới hạn từ mặt đất đến bề mặt nước ngầm (vị trí cao nhất của nước dưới đất vào mùa lũ). Đới biến động theo thời tiết: giới hạn bởi 2 mặt nước tự do: mặt dưới (x/hiện vào mùa khô hạn, nước chảy theo trọng lực), mặt trên (x/hiện vào mùa lũ, nước đầy và di động theo chiều ngang). a)- Đới thông khí: gồm nước và không khí trong lỗ hổng khe nứt. b)- Đới bão hòa: nước chứa đầy trong lỗ hổng, khe nứt.. Đới nước bão hòa: g/hạn giữa mặt nước tự do và mặt tầng chắn. Nước dưới đất lấp đầy trong các lỗ hổng, kh/nứt và di chuyển theo phương mặt cách nước của tầng chắn đi từ chỗ cao đến chỗ thấp. 1)- Phân loại theo nguồn gốc: có các loại nước ngấm thấu, nước ngưng tụ, nước trầm tích, nước nguyên sinh, nước thủy phân. 2)- Phân loại theo điều kiện tàng trữ: 5.4.1.5. Phân loại nước dưới đất: a)-Nước ở đới thông khí (aeration zone water): gồm nước thổ nhưỡng, nước hấp phụ, nước màng mỏng, nước mao quản. Chúng đều l/quan với lượng nước mưa và thời tiết. Nước ở đới thông khí khi đọng trên những thấu kính hoặc lớp đá nhỏ không thấm nước hay thấm nước yếu thì hình thành nước thượng tầng (perched water). Lớp đất đá chứa nước ngầm gọi là lớp chứa nước (water layer) hay tầng chứa nước (aquifer). Lớp không thấm nước dưới tầng chứa nước gọi là lớp cách thủy (aquitard) (lớp sét, đá khối). b)-Nước ngầm (phreatic water): là lớp nước đầu tiên kể từ mặt đất xuống. Nó tàng trữ trong lớp đá chứa nước (cát, cát kết). Phía dưới là lớp đá không chứa nước (sét, phiến sét). Phía trên không bị phủ bởi lớp cách thủy, do đó bề mặt của nước ngầm thoáng, không có áp lực Gương nước ngầm (water table) hoặc bề mặt thoáng của nước ngầm (phreatic surface) là bề mặt phía trên của tầng nước ngầm. Gương nước ngầm tương đối bằng phẳng ở vùng đồng bằng nhưng không bằng phẳng ở vùng núi tương đối cao, nó uốn lượn theo địa hình cao thấp. Sơ đồ ph/bố nước gian tầng không áp: 1- Tầng cách nước; 2- Tầng chứa nước; 3- Nước ngầm; 4- Nước gian tầng; 5- Miền cấp nước Quan hệ giữa nước ngầm và nước bề mặt: - Nước ngầm có quan hệ thủy lực với nước bề mặt (sông, hồ, ao ...). - Ở vùng ôn đới, nhiệt đới ẩm, sông là nơi thoát nước của nước ngầm (vào mùa khô thì nước ngầm c/cấp cho sông). - Ở vùng khí hậu khô ráo, sông c/cấp cho nước ngầm. c)- Nước gian tầng (interplayer water): -nước trọng lực nằm trong tầng chứa nước, kẹp giữa 2 tầng cách nước ổn định. 1)-Nước gian tầng không áp: không do áp lực nén mà do ảnh hưởng tr/lực trong lớp nằm nghiêng. 2)-Nước gian tầng có áp (nước artezi - nước phun) (artesian water): Artezi là tên cũ của miền Artoi của nước Pháp. Nước tự phun ra ngoài. d)- Nước khe nứt: ph/bố trong kh/nứt, trong đới ph/hủy nứt nẻ của đá. e)- Nước karst: trong các hang động của đá bị hòa tan, ăn mòn (đá vôi). 3)- Phân loại nước dưới đất theo h/lượng kh/hóa: Nước dưới đất đều có chứa một số khí (O2, N2, CO2, H2S...), ng/tố (62 ng/tố với h/lượng rất ít), tùy thuộc vào điều kiện nước đi qua loại đá nào. * Thành phần hóa học của nước dưới đất: - Khác với nước mặt, do tiếp xúc trực tiếp với đất đá, nước dưới đất là 1 d/dịch h/học phức tạp, nó chứa hầu hết các ng/tố trong vỏ TĐ. Các ng/tố và ion đóng v/trò ch/yếu chỉ khoảng 10 loại là: Cl-, HCO3-, SO42-, CO32-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+, H+. - H/lượng muối khoáng trong nước dưới đất gọi là tổng khoáng hóa tính theo g/l hoặc mg/l của muối khoáng. * Phân loại dựa trên tổng lượng muối tan trong nước = tổng độ khoáng hoá [M(g/l)], được x/định bằng cách chưng khô nước ở To=105-110oC. - Nước nhạt: khi M < 1 - Nước kh/hoá thấp: M = 1 - 10 - Nước kh/hoá cao: M = 10 - 50 - Nước muối: M > 50 b)- Phân chia dựa vào 6 ion: HCO3-, SO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+ phổ biến trong nước: 1- Nước kiềm tính: nước có chứa Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, NaHCO3. 2- Nước cứng: nước có chứa Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, CaSO4, MgCl2. 3- Nước muối: nước có chứa Na2SO4, CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2, NaCl. c)- Phân loại căn cứ theo h/lượng ion Ca, Mg trong nước. Nếu h/lượng các ion Ca, Mg nhiều thì gọi là nước cứng. Đơn vị đo độ chứa các ion nói trên gọi là độ cứng. Tổng lượng Ca2+ và Mg2+ có trong nước gọi là tổng độ cứng, phần Ca2+ và Mg2+ bị kết tủa khi đun sôi nước gọi là độ cứng tạm thời. Ca2+ (Mg2+) + CO32- = Ca(Mg) CO3 Phần Ca2+ và Mg2+ không bị kết tủa khi đun sôi gọi là độ cứng vĩnh viễn. a)- Phân chia theo h/lượng kh/hóa (theo Vernadxky V.I.) gồm 4 lớp: 1- Nước nhạt (nước ngọt): h/lượng kh/hóa trong nước: 0,2 - 1,0 g/l. 2- Nước hơi mặn: h/lượng kh/hóa trong nước: 1 - 35 g/l (có tài liệu 1-10 g/l). 3- Nước mặn: h/lượng kh/hóa 35 - 50 g/l (có tài liệu 10 - 50 g/l). 4- Nước muối: h/lượng kh/hóa 50 - 400 g/l (hoặc 500 g/l). * Nước sinh hoạt có h/lượng kh/hóa 1 g/l (≤ 2 - 3 g/l). d)- Nước khoáng: chứa những loại muối có lợi cho sức khỏe (Fe, As, Ra, Br, I ...): 1- Nước bicarbonat: có HCO3 là chính (> 25g đương lượng). 2- Nước clorua: có Cl là chính. 3- Nước sulphat: có ion SO4 là chính (> 25g đương lượng). 4- Nước có thành phần phức tạp. 5- Nước chứa nhiều anion kích thích sinh vật như Fe, As, Br, I, Li. 6- Nước khí; có chứa khí hòa tan trong nước. Ion H+ trong nước dưới đất là do nước và các acid phân ly ra, nồng độ H+ được biểu thị bằng độ pH (pH = - Lg [H+]). Căn cứ vào trị số pH: Nước có tính acid mạnh khi pH < 5 Nước có tính acid pH = 5 - 7 Nước trung tính pH = 7 Nước có tính kiềm pH = 7 - 9 Nước có tính kiềm mạnh pH > 9 Những tính chất vật lý chủ yếu của nước dưới đất gồm có: tỷ trọng, nhiệt độ, độ trong suốt, màu sắc, mùi, vị, tính dẫn điện, tính phóng xạ ... 5.4.1.6. Tính chất vật lý của nước dưới đất: Dưới t/dụng của oxy hòa tan trong nước dưới đất: + Magnetit (Fe.Fe2O3 hoặc Fe3O4)  Fe2O3 . Hydrat hóa  Fe2O3.nH2O (limonit - quặng sắt nâu). + Hydrat carbon (than)  CO2 và H2O (than đen trong đá phiến chứa than bị oxy hóa  đá phiến xẫm màu  sáng màu hơn, trắng). + MnCO3 peroxyt mangan MnO2. + Trong đá sét, phiến sét, đá vôi, do k/quả t/dụng oxy hóa của nước dưới đất tạo hình nhánh cây (dendrite) trên mặt thớ phiến hoặc ở các mặt nứt của đá = các oxyt Fe, Mn, Mg, Cu, Ni, Cr... Các dạng của dendrit trên bề mặt khe nứt và thớ phiến của đá + Sự oxy hóa diễn ra mãnh liệt đối với các sulpur, như sự thành tạo limonit từ pyrit. FeS2 + 7O + H2O = FeSO4 + H2SO4 12FeSO4 + 3O2 + 3H2O = 4Fe2(SO4)3 + 2Fe2O3 . 3H2O H2SO4 + CaCO3 = CaSO4 + CO2 + H2O CaSO4 hút nước để tạo thành thạch cao. Do đó, thường thấy trong đá đồng thời có cả sắt nâu, thạch cao và carbonat. 5.4.2. Tác dụng địa chất của nước dưới đất 5.4.2.1. Quá trình oxy hóa Nước dưới đất, ngấm thấu, nguyên sinh, hỗn hợp đều hòa tan các k/vật có trong TP đá. Theo mức độ hòa tan từ nhanh đến chậm (đ/kiện To, P b/thường): 1- Nhóm k/vật clorit: NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2, FeCl2, FeCl3 ... 2- Nhóm sulphat: CaSO4, MgSO4. 3- Nhóm carbonat: CaCO3, MgCO3, FeCO3. 4- Nhóm oxyt: SiO2.nH2O, SiO2. 5.4.2.2. Quá trình hydrat hóa Hydrat hóa là t/dụng của nước dưới đất làm cho k/vật nhận thêm các phần tử nước vào TP  th/đổi về c/trúc và các t/chất v/lý. Ví dụ: + Anhydrit hydrat hóa biến thành thạch cao: CaSO4 + 2H2O  CaSO4 . 2H2O làm cho thể tích khoáng vật hoặc đá tăng lên 33%. + Hematit hydrat hóa biến thành limonit: Fe2O3 + nH2O  Fe2O3.nH2O Limonit xốp và bở hơn hematit nhiều. 5.4.2.3. Tác dụng hòa tan - Giọt nước ngày càng to rơi khỏi trần hang xuống sàn hang  nước lại bốc hơi, Ca(HCO3)2 CaCO3 kết tủa  nhũ đá khác. - Loại nhũ đá ở trần hang = chuông đá, từ dưới lên = măng đá. - Chuông đá và măng đá mọc dài nối với nhau  cột đá. - K/quả q/trình hòa tan đá vôi bởi nước dưới đất (+nước trên mặt)  hang động karst. - Đ/kiện ph/triển karst: đá dễ hòa tan (carbonat, đá muối hạt to d>0,01mm), nhiều kh/nứt thấm nước, chứa nhiều CO2 và phải có nước lưu thông. H2O + CO2 + CaCO3  Ca(HCO3)2 - Trong q/trình di chuyển, nước ngầm mang theo Ca(HCO3)2. - Khi ở trần hang, đ/kiện To P th/đổi, kh/năng ngậm CO2 giảm đi, nước ngầm bão hòa Ca(HCO3)2 H2O, CO2 và CaCO3. - CaCO3 kết tủa, còn CO2 bay đi, nước rơi xuống sàn hang. - Vì thế ở trần hang CaCO3 kết tủa lại, tạo nên các nhũ đá. a)- Trầm tích do nước dưới đất đọng lại trên mặt đất: + Tuf vôi: tuf vôi cấu tạo từ CaCO3: Ca(HCO3)2 hòa tan : CO2  + CaCO3  + H2O + Tuf silic: từ SiO2.nH2O, do nguồn nước nóng nguyên sinh phun gián đoạn đọng lại. + Muối ăn: thành tạo khi nước mặn bốc hơi. + Quặng sắt nâu và quặng mangan: dưới t/dụng xúc tác của vi khuẩn trong chất hữu cơ, ion Fe hóa trị thấp hóa trị cao: FeCO3, FeSO4  Fe2O3, 3 H2O 5.4.2.4. Sự phân hủy silicat: = q/trình thủy phân dưới t/dụng đồng thời của CO2 và nước. Silicat  khoáng vật sét  hydroxyt Al, Fe (bauxit) + hydroxyt Si + các muối hòa tan CaCO3, K2CO3, Na2CO3 Ví dụ: CaO. Al2O3. 2SiO2 + 2H2O + CO2 = CaCO3 + 2H2O. Al2O3. 2SiO2 5.4.2.5. Tác dụng vận chuyển của nước dưới đất: - V/chuyển cơ học không đáng kể, ch/yếu là v/chuyển h/học. - Nước dưới đất mang các ion và các chất keo chứa trong nước đưa đến biển hoặc hồ. 5.4.2.6. Tác dụng tích đọng trầm tích của nước dưới đất: Đá travertine (tuf vôi có lỗ hổng lớn chứa kết hạch CaCO3). Những k/vật hay gặp đọng từ d/dịch nước: calcit, aragonit, thạch anh, calcedon, opal, barit, thạch cao ... b)- Trầm tích do nước dưới đất đọng lại trong các lỗ hổng của vỏ Trái Đất: Gỗ hóa thạch: thân gỗ xốp bị chôn vùi do t/dụng của nước dưới đất được lấp vào hoặc thay thế bởi silic vô cơ. Kết hạch: trong các lỗ hổng của k/vật và đá Geodes (hốc tinh thể): trong một vài loại đá vôi. Mạch: kh/nứt lấp đầy các hợp chất h/học tách từ d/dịch nước dưới đất: calcit, silic (thạch anh, opal, calcedon), thạch cao, fluorit, barit ... * Trầm tích cơ học (tr/tích vụn, tr/tích do trượt lở trọng lực): - Các tàn tích karst: cặn còn sót lại sau khi hòa tan mang đi. - Các tr/tích vụn: do sự sụp lở của hang động, tr/tích vụn ở sông ngầm, hồ ngầm. Travertine (sinter) = tuf vôi - nếu TP carbonat travertine, - nếu TP silic travertine silic (silica sinter). Các trầm tích trong các khe nứt và lỗ rỗng: Trượt đất - h/tượng di chuyển tự nhiên của khối đất đá do t/dụng của trọng lực + nước ngầm, x/ra ở sườn... * Các trầm tích hóa học: Trầm tích hang động: nước dưới đất chứa Ca(HCO3)2 theo các kh/ứt ngấm chảy ra ngoài. P nước bị giảm CaCO3 kết tủa thành nhũ đá. + Vú đá (stalactite), chuông đá (stalagatite). + Măng đá (stalagmite) từ dưới mọc lên. + Trụ đá (stalacto-stalagmite) = cột đá. CaCO3 , SiO2 kết tủa lắng đọng trong các kh/nứt, lỗ hổng mạch đá calcit, thạch anh hoặc các lớp trầm tích Mn, Fe  kết hạch (Ca, Fe) hoặc tinh đám, tinh hốc. 5.4.2.7. Trượt đất: