Tài liệu: Vai trò của nước dưới đất trong sự hình thành và phát triển các quá trình địa chất động lực công trình

Tài liệu Vai trò của nước dưới đất trong sự hình thành và phát triển các quá trình địa chất động lực công trình NỘI DUNG: CHƯƠNG 1: Khái niệm chung về nước dưới đất Khái niệm Gồm tất cả các loại nước tồn tại dưới các dạng khác nhau trong các khe nứt và lỗ hổng của đất đá. Tồn tại ở 3 trạng thái: rắn, lỏng, khí và có thể chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái kia. Nước ngầm là một loại trong nước dưới đất Phân bố ở khắp mọi nơi. Nước ngầm la 1 loại nước dưới đất Có ý nghĩa quan trọng đối với con người và tự nhiên. Tài nguyên tái tạo được nếu quản lý tốt. Nước khoáng có lợi cho sức khỏe. Trạng thái nước dưới đất Nước hấp phụ: tồn tại ở dạng phân tử trên bề mặt khoáng vật theo lực hút tĩnh điện Nước màng mỏng: màng nước mỏng trên bề mặt đá Nước mao quản : phân bố trong 1 phần hoặc cả độ cao của ống mao quản trong đá có lỗ rỗng nhỏ, ở các khe nứt của đá, trong thổ nhưỡng. Có sức căng bề mặt lớn. Nước trọng lực: di chuyển do trọng lực hoặc do thuỷ động lực Nước ở thể rắn : phân bố trong đá vùng đóng băng. Nước kết tinh: tham gia vào thành phần khoáng vật Nguồn gốc Nước ngấm thấu: nước trên mặt ngấm xuống. Nước ngưng tụ từ hơi nước : do hơi nước không khí ngưng tụ lại trong các lỗ hổng, khe nứt của đá. Ví dụ: thấu kính nước ngọt trong hoang mạc. Nước trầm tích: có nguồn gốc biển, hình thành cùng với trầm tích. Nước đồng sinh cùng thanhf tạo với vật liệu trầm tích. Nước hậu sinh từ bồn biển thấm vào đá đã được thành tạo. Nước di tích được bảo tồn bằng nước "hóa thạch". Nước nguyên sinh- nước magma: nhiệt độ cao, thành phần khác với nước mặt. Nước thủy phân: nước phân giải tách ra từ các khoáng vật chứa nước kết tinh Điều kiện tàng trữ và chuyển động của nước dưới đất Liên qua đến độ lỗ hổng và tính thấm của nước Độ lỗ hổng Là mức độ rỗng của đá. Tỉ số giữa thể tích toàn bộ lỗ hổng v và thể tích V của đá Đá bở rời có độ lỗ hổng lớn. Đá có hạt đều độ lỗ hổng > đá hạt không đều Đá gần mặt đất có độ lỗ hổng lớn hơn đá dưới sâu Tính thấm nước của đá: khả năng để cho nước thấm qua các lỗ hổng của đá, phụ thuộc - Độ lỗ hổng, đường kính lỗ hổng. - Kích thước hạt 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. Phân loại nước dưới đất Nước ở đới thông khí: nước mao quản, nước hấp phụ,nước màng mỏng, thổ nhưỡng, thấu kính nước, nước đụn cát. Nước ngầm: Nước dưới đất phân bố ở tầng nước ngầm đầu tiên trên mặt của tầng cách nước đầu tiên kể từ trên mặt xuống. Gương nước ngầm bằng bề mặt nước ngầm là bề mặt phía trên của tầng nước ngầm 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. Nước gian tầng: nước trọng lực nằm trong tầng chứa nước, giữa 2 tầng cách nước Nước gian tầng không áp: nước chảy do trọng lực Nước gian tầng có áp: nước phân bố trong các cấu tạo lõm hay đơn nghiêng, do sự chênh lệch độ cao giữa miền cấp nước và miền thoát nước tạo miền áp lực nên nước tự phun khi khoan đến tầng chứa nước. Nước khe nứt: phân bố trong khenứt, trong đới phân hủy nứt nẻ của đá. Nước karst: trong các hang động của đá bị hòa tan, ăn mòn (đá vôi). Chương 2 Tác động của nước dưới đất Nước ngầm trong đất luôn luôn di chuyển, quá trình di chuyển cùng với các hoạt động địa chất của nầm ngầm đã gây ra : Phá huỷ khoáng vật của đá , vận chuyển sản phẩm, tích đọng trầm tích . Tính ăn mòn. Ăn mòn rửa trôi. Do sự hòa tan của Ca(OH)2 xảy ra mạnh dưới sự tác dụng của nước mềm (là loại nước có tổng độ cứng từ 1.5÷3.0 mgđl/l) và sau đó cuốn trôi đi làm mất tính dính kết nội bộ, làm giảm cường độ của đá xi măng. Khi Ca(OH)2 bị hòa tan 15÷30% thì cường độ của đá xi măng giảm đến 40÷50%. Ăn mòn cacbonic. Khi khí CO2 tự do có nồng độ vượt nồng độ khí CO2 cân bằng thì một lượng khí CO2 sẽ tham gia phản ứng hòa tan thành phần Canxit có trong bê tông gọi là khí CO2 ăn mòn theo phản ứng: CaCO3 + H2O + CO2 ® Ca2+ + 2HCO3 – Ăn mòn Axit. Axit tác dụng với Ca(OH)2 trong đá xi măng tạo ra những muối tan (CaCl2 ) và muối tăng thể tích (CaSO4 .2H2O) HCl + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2H2O H2SO4 + Ca(OH)2 = CaSO4.2H2O Quá trình oxy hóa Dưới tác 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 kết quả tác 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. Quá trình hydrat hóa Hydrat hóa là tác dụng của nước dưới đất làm cho khoáng vật nhận thêm các phần tử nước vào thành phần ® thay đổi về cấu trúc và các tính chất vật 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. Tác dụng hòa tan Nước dưới đất, ngấm thấu, nguyên sinh, hỗn hợp đều hòa tan các khoáng vật có trong TP đá. Theo mức độ hòa tan từ nhanh đến chậm 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. Điều kiện có karst hóa: đá dễ hòa tan (carbonat, đá muối hạt to d>0,01mm), nhiều khe nứt thấm nước, chứa nhiều CO2 và phải có nước lưu thông. H2O + CO2 + CaCO3 ® Ca(HCO3)2 - Trong qúa trình di chuyển, nước ngầm mang theo Ca(HCO3)2. - Khi ở trần hang, điều kiện nhiệt độ áp suất thay đổi, khả 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. - 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. Sự phân hủy silicat: Bằng qúa trình thủy phân dưới tác 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 Tác dụng vận chuyển của nước dưới đất: - Vận chuyển cơ học không đáng kể, chủ yếu là vận chuyển hoá học. - Nước dưới đất mang các ion và các chất keo chứa trong nước đưa đến biển hoặc hồ. Tác dụng tích đọng trầm tích của nước dưới đất 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 Trầm tích do nước dưới đất đọng lại trong các lỗ hổng của vỏ Trái Đất Những khoáng vật hay gặp đọng từ dung dịch nước: calcit, aragonit, thạch anh, calcedon, opal, barit, thạch cao ... Mạch: khe nứt lấp đầy các hợp chất hoá học tách từ dung 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. * Các trầm tích hóa học: Trầm tích hang động: nước dưới đất chứa Ca(HCO3)2 theo các khe nứt 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) bằng cột đá. CaCO3 , SiO2 kết tủa lắng đọng trong các khe nứt, lỗ hổng ® mạch đá calcit, thạch anh hoặc các lớp trầm tích Mn, Fe ® kết hạch (Ca, Fe) hoặc ® tinh đám, tinh hốc. Trượt đất Hiện tượng di chuyển tự nhiên của khối đất đá do tác dụng của trọng lực + nước ngầm, xảy ra ở sườn... Chương 3 : ví dụ minh hoạ Hiện tượng karst phải có tính hoà tan, có thành phần hoá học gồm muối khoáng và nhiệt độ của nước cũng ảnh hưởng tới quá trình karst hoá nhiệt độ càng cao thì phản ứng hoà tan đá càng nhanh Nước phải vận động để đảm bảo cho phản ứng hoà tan đất đá xảy ra liên tục, không bị bão hoà, lớp đất đá liên tục bị hoà tan và cuốn đi . Hiện tượng xói ngầm Nước ngầm lôi cuốn các hạt đất nhỏ, chảy qua các lổ hổng giửa các hạt lớn hay các khe nứt trong tầm trầm tích bở rời, hoặc nước ngầm hoà tan muối khoáng trong tầng trầm tích, tạo ra các lỗ rỗng, các khe rãnh ngầm Thường xảy ra trong các tầng cát sét hay bột sét nguồn gốc vũng vịnh hay biển Hiện tượng cát chảy Đất bão hoà nước và khi đào các công trình Áp lực thuỷ động của dòng nước ngầm truyền vào các hạt đất khi mở hố móng, hố đào làm cho hạt đất di chuyển theo hướng gradien thấm. Hiện tượng đầm lầy Do mực nước ngầm dâng cao hoặc do nước trên mặt không có lối thoát đọng lại. Đầm lầy cũng có thể được thành tạo trên mặt bãi bồi của sông ở chỗ tiếp xúc với thềm vì ở đó thường có nhiều nước ngầm rỉ ra. nước dưới đất ở gần mặt đất. Ngoài ra còn các hoạt động địa chất ảnh hưởng bởi nước dưới đất như : Hiện tượng trượt lở , xói lở dòng ngầm , bờ sông , ... Nước dưới đất có vai trò quan trọng trong sự hình thành và phát triển các quá trình địa chất động lực công trình Nguồn : Internet