NGUYỄN ĐÌNH NGUYÊN, 1 2PHẠM MINH TRƯỜNG, 1 HOÀNG HỮU HIỆP
Khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, Hà Nội 1 2 Liên hiệp Khoa học Sản xuất nước khoáng, Hà Nội.
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu cấu trúc địa chất đảo Cát Bà và đặc tính chứa nước của các thành tạo carbonat với các tầng chắn là các tập đá phiến sét, sét-silic, và cơ bản là các yếu tố nước biển, tạo ra sự khác biệt về địa chất thủy văn so với các khối đá vôi khác như ở cao nguyên Đồng Văn, các vùng Đồng Mu, Bắc Sơn ở Đông Bắc Bộ. Dựa vào kết quả nghiên cấu trúc – kiến tạo và quy luật phân bố, các tác giả đã đưa ra các kiểu mô hình chứa nước ở đảo Cát Bà. Các kiểu cấu trúc này phụ thuộc vào cấu trúc kiến tạo biến cải mạnh trong Kainozoi và cấu trúc tàn dư của chuyển động tạo núi uốn nếp Inđosini.
I. MỞ ĐẦU
Quần đảo Cát Bà là một vùng núi đá vôi, nơi các quá trình karst phát triển mạnh mẽ, hình thành các thung lũng trên đảo. Đảo Cát Bà với diện tích 298 km 2 có nhiều nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá.
Trên cơ sở nghiên cứu đặc điểm cấu trúc – kiến tạo và xây dựng mô hình cấu trúc chứa nước, ta thấy các tầng cấu trúc đá vôi bị karst hóa tạo ra các tầng chứa nước và các tầng chắn nước, chủ yếu là các tập đá phiến sét-silic, silic-vôi, vôi-silic không nứt nẻ. Đặc biệt là tầng chắn nước nước biển đã tạo cho vùng này tiềm năng lớn về nước dưới đất, đó là một đặc thù của địa chất thủy văn đá vôi trên biển. Do vậy, đối tượng nghiên cứu chính của bài báo này là cấu trúc địa chất và sự chi phối của nó tới các tầng chứa cũng như các tầng chắn nước trong phạm vi đảo Cát Bà.
Trong công trình Địa chất và khoáng sản thành phố Hải Phòng [2], Ngô Quang Toàn đã mô tả cấu trúc địa chất và tài nguyên nước đảo Cát Bà và đã thể hiện cấu trúc uốn nếp lồi và lõm bị biến cải mạnh và hai hệ thống đứt gãy TB-ĐN và ĐB-TN.
Tài liệu ảnh máy bay thực hiện năm 2003 và tài liệu đo vẽ cấu trúc địa chất tỷ lệ 1/10.000 đối với các thung lũng và 1/25.000 cho toàn đảo, kết quả lập các mặt cắt chi tiết, đo đạc địa vật lý cho phép hiểu rõ hơn về cấu trúc kiến tạo đảo Cát Bà, phục vụ cho việc thiết kế mạng lưới giếng khoan tìm kiếm thăm dò nước.
II. ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC ĐỊA CHẤT ĐẢO CÁT BÀ
1. Địa hình, địa mạo đảo Cát Bà
Đảo Cát Bà được cấu tạo chủ yếu bởi các thành tạo đá vôi, do đó địa hình có sự phân cấp lớn. Vì vậy, có thể phân chia ra làm 4 loại địa hình chủ yếu:
Địa hình núi cao sườn dốc chiếm diện tích nhỏ và phát triển trong các thành hệ đá vôi, đá vôi silic, đá vôi sét xen bột sét. Ở đây, do đặc điểm thạch học nên karst kém phát triển. Các dãy núi thường kéo dài liên tục theo phương TB-ĐN với độ cao tuyệt đối từ vài chục tới hơn 200 m. Sườn khá dốc từ 20 tới 40– Địa hình núi cao sườn dốc: 0. Lớp phủ pha tàn tích khá dày, từ gần một mét tới hơn chục mét.
– Địa hình núi đá vôi karst: Đây là địa hình đặc trưng của đảo. Địa hình này chiếm tới 90 % diện tích của đảo. Ở nhiều vùng, trên các dãy núi này còn tồn tại lớp phủ rừng nguyên sinh với thảm thực vật khá phát triển và ở đây trên bề mặt đá gốc thường có lớp phủ pha tàn tích mỏng. Các dãy núi đá vôi thường phân bố không liên tục và bị phân cắt thành các núi độc lập với cao độ tuyệt đối thường trên dưới 250 m, cao nhất là 305 m.
Các núi đá tập hợp thành các dãy kéo dài theo phương TB-ĐN, giữa chúng là các thung lũng có kích thước khác nhau, lớn nhất là hai thung lũng Trung Trang và Khe Sâu, nằm ở phần trung tâm của đảo.
Các thung lũng thường kéo dài theo phương TB-ĐN. Một số thung lũng điển hình như Khe Sâu (Hải Sơn), Đồng Cỏ, Trung Trang, trung tâm Vườn quốc gia, Tre, Bù Lu. Chúng nằm kế tiếp nhau dọc theo con đường xuyên đảo từ thị trấn Cát Bà đến Gia Luận. Kích thước của chúng thường có chiều rộng khoảng 300-400 m và chiều dài khoảng 1.500-2.000 m . Một số thung lũng độc lập như Hiền Hào, Gia Luận thì có dạng đẳng thước.
Đáy các thung lũng có độ cao khoảng 5-25 m trên mực nước biển, trên đó nhân dân trồng trọt các cây lương thực và thực phẩm.
– Địa hình rừng ngập mặn ven biển: Dạng địa hình này nằm bao quanh đảo, cao 1-4 m trên mực nước biển. Một số nơi chúng chiếm diện tích khá lớn như ở vịnh Cát Bà nằm ở phía nam, vùng Phù Long ở phía tây. Đó là những dải cát ven biển được một lớp phù sa che phủ, trên đó mọc các loại cây ưa mặn như sú, vẹt và các loại cây đặc trưng cho đầm lầy, có chỗ rộng tới 1 km và kéo dài vài ba cây số.
2. Cấu trúc kiến tạo đảo Cát Bà
2. 1. Cấu trúc đứng
Dựa vào đặc điểm bất chỉnh hợp, cấu trúc uốn nếp bên trong các thành tạo địa chất đảo Cát Bà được chia thành hai tầng cấu trúc: tầng cấu trúc tuổi Đevon-Carbon-Permi và tầng cấu trúc Kainozoi. Giữa hai tầng cấu trúc này là bất chỉnh hợp kèm gián đoạn địa tầng và cấu trúc uốn nếp, trong đó các thành tạo Kainozoi chủ yếu là các trầm tích Đệ tứ bở rời, nằm ngang, phân bố chủ yếu trong các thung lũng dọc theo đứt gãy Trung tâm và Việt Hải.
Tầng cấu trúc tuổi Đevon-Carbon-Permi được phân chia ra hai phụ tầng cấu trúc:
– Phụ tầng cấu trúc dưới có tuổi Đevon muộn – Carbon sớm.
– Phụ tầng cấu trúc trên có tuổi Carbon giữa – Permi.
Về mặt địa tầng, chúng là các thành tạo trầm tích phát triển liên tục, nhưng khác nhau về tính phân lớp. Các thành tạo Đevon-Carbon hạ chủ yếu là đá vôi phân lớp trung bình 30-40 cm, đá phiến sét, đá phiến sét silic; đá vôi dạng khối đóng vai trò thứ yếu. Bởi vậy, đặc tính của phụ tầng cấu trúc này là sự phát triển các nếp lồi và các nếp lõm. Cấu trúc uốn nếp được xác định theo sự bộc lộ của 3 tập thạch học: đá vôi phân lớp trung bình (tập dưới), đá vôi phân lớp dày và dạng khối (tập giữa) và đá vôi silic, sét-silic phân lớp mỏng (tập trên).
Tập dưới – đá vôi phân lớp trung bình xen sét-silic Đevon thượng – Carbon hạ(D3-C1)1 :
Thành phần thạch học đặc trưng của tập này là đá vôi phân lớp trung bình (Ảnh 1), dày 20-30 cm xen các lớp đá phiến silic-sét dày 2-5 m, trong đó các lớp đá phiến silic dày 5-7 cm, các lớp sét dày 1-2 mm, lót đáy là đá vôi dạng khối, màu đen, chứa nhiều bitum đặc trưng cho đá vôi Đevon.
Đá vôi phân lớp trung bình bị tái kết tinh không đồng đều, thường có độ hạt trung bình hoặc mịn. Tập đá phiến silic-sét xen trong tầng này thường bị phong hóa mạnh cho màu vàng bẩn.
Tập giữa – đá vôi dạng khối xám xanh Đevon thượng – Carbon hạ (D3-C1)2
Tập đá vôi này phân lớp dày đến dạng khối màu xám xanh, cấu tạo phân dải mờ, lộ ra chủ yếu ở phần trung tâm đảo, nơi phát triển hệ thống đứt gãy trung tâm Gia Luận – Cát Cò, bởi vậy ở đây chúng gần như tạo nên một nếp lõm bậc cao. Thành phần thạch học của tập chủ yếu đá vôi hạt vừa, hạt mịn, tái kết tinh không đồng đều, mức độ tái kết tinh thay đổi mạnh, trong một số diện tích bị phá hủy mạnh, cà nát. Có cấu trúc dạng khối, tập đá này tạo nên các dãy núi khá bền vững, kéo dài trong không gian. Chiều dày khoảng 200 m (Ảnh 2).
Tập trên – đá vôi silic, đá phiến sét-silic phân lớp mỏng, chuyển lên đá vôi silic Đevon thượng – Carbon hạ (D3-C1)3
Thành phần thạch học chủ yếu là đá phiến sét-silic, đá vôi silic phân lớp mỏng, một số chỗ rất giàu silic tạo nên các ổ silic. Bề dày của các lớp đá vôi silic thay đổi trong khoảng 10-15 cm (Ảnh 3).
Tập này nằm chỉnh hợp dưới tầng đá vôi dạng khối màu xám trắng. Bề dày của tập khoảng 200 m (Ảnh 4).
Phụ tầng cấu trúc Carbon trung – Permi gồm đá vôi dạng khối phân bố ở phần rìa của cấu trúc uốn nếp mạnh tuổi Đevon-Carbon sớm. Dấu hiệu để nhận biết tại thực địa là đá vôi dạng khối thường tạo nên kiểu địa hình phễu karst có chế độ địa chất thủy văn riêng. Khác biệt với đá vôi Đevon chúng thường có màu trắng xám, ít vật chất hữu cơ.
2.2. Cấu trúc ngang
Cấu trúc địa chất đảo Cát Bà tuy có diện tích nhỏ song rất phức tạp, vì nó nằm ở rìa võng Sông Hồng hình thành trong Kainozoi, cho nên bị biến cải rất mạnh. Giới hạn phía đông nam đảo là hệ thống đứt gãy sâu Cát Hải, phân cắt đảo Cát Bà khỏi đảo Cát Hải. Trên bản thân đảo Cát Bà, đứt gãy Trung Trang từ Gia Luận đến Cát Cò (đứt gãy dọc đường xuyên đảo) cũng là phần nối tiếp đứt gãy Sông Chanh từ đất liền kéo ra. Cấu trúc địa chất đảo Cát Bà là một nếp lồi đạt đến kích thước 10-12 km mà nhân của nó là các thành tạo của phụ tầng cấu trúc dưới (D 3-C 1) phân bố ở tây nam đảo. Phụ tầng cấu trúc trên (C 2-P) bao bọc nhân nếp lồi phân bố ở bắc, đông và đông nam đảo.
Cấu trúc đảo Cát Bà khá phức tạp và bị chi phối bới các pha kiến tạo khác nhau. Các pha kiến tạo Inđosini và Yanshan tạo ra bình đồ cấu trúc uốn nếp, pha kiến tạo Himalaya làm biến cải các cấu trúc trên, tạo ra các đới cấu trúc riêng biệt.
3.1. Hệ thống đứt gãy phương đông bắc – tây nam
Hệ thống đứt gãy này là kết quả của pha tạo núi Yanshan bắt đầu từ Creta (90 Tr.n.) làm cho các phức hệ Creta khu vực Đông Nam Á bị nâng cao mạnh mẽ và hình thành các dãy núi cánh cung và các trũng giữa núi như bể An Châu, Khorat, Bắc Calimantan, Gayan, v.v…
Hệ thống đứt gãy này là các đứt gãy thuận mặt trượt nghiêng về phía B-TB tạo nên hệ thống sụt bậc về phía bắc, do vậy đi từ bắc xuống nam đá cổ dần. Điển hình cho hệ thống đứt gãy này gồm 4 đứt gãy như các đứt gãy Xóm Trong, Trà Bầu, Trà Dài và Áng Vòng.
Đứt gãy Xóm Trong dài 8 km, góc cắm kháđứng 70-80 0. Ở vùng Xóm Trong, cùng với các đứt gãy nhỏ đã tạo thành thung lũng Gia Luận.
Đứt gãy Trà Bầu kéo dài hơn 10 km từ vụng Tùng Gấu qua núi Trà Bầu kéo qua yên ngựa giữa thung Tre và thung lũng Bù Lu và chạy sang Phù Long, chúng phân bố phần lớn ở đông bắc Vườn quốc gia. Ở một mức độ nào đó, chúng phân cắt các thành tạo Đevon thượng – Carbon hạ với Carbon trung – Permi.
Đứt gãy Trà Dài kéo dài khoảng 5 km từ thung lũng Trung Trang sang thung lũng Xuân Đám. Đứt gãy này đã tham gia vào quá trình làm trồi lộ mạch nước khoáng ở Xuân Đám. Đây là một đứt gãy nghịch thể hiện khá rõ trong mẫu lõi khoan CB29 tại thung lũng Xuân Đám, gần mạch nước khoáng nóng trồi lộ (Ảnh 5).
Đứt gãy Áng Vòng bị biến cải khá mạnh bởi các đứt gãy về sau, trên bình đồ kiến trúc hiện đại chúng thể hiện những đoạn rời rạc. Đứt gãy này chạy từ phía ngoài của Vụng Tùng Gấu qua thung lũng Áng Vòng kéo sang thung lũng Đồng Cỏ qua Minh Châu và ra vịnh Cái Giá. Chiều dài của đứt gãy này đạt gần 10 km.
(theo Phan Văn Quýnh, Nguyễn Đình Nguyên, Phạm Minh Trường, Hoàng Hữu Hiệp)
Những bằng chứng kiến tạo được lưu trữ trên đảo Cát Bà thể hiện khá rõ bởi đá vôi là môi trường lý tưởng để lưu trữ các dấu hiệu kiến tạo. Do đó, các phá hủy kiến tạo đã để lại rất nhiều dấu vết trên các thành tạo địa chất của đảo như: mặt trượt, dăm kiến tạo, phân cắt xê dịch địa tầng (Ảnh 6).
Hệ thống đứt gãy lớn và sâu ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc của đảo Cát Bà, như hệ thống đứt gãy Cát Hải bao gồm những đứt gãy phân cắt đảo Cát Bà khỏi đảo Cát Hải – Hải Phòng. Hệ thống này bao gồm cả đứt gãy Phù Long. Nó tác động mạnh mẽ tới quá trình hình thành cấu trúc đảo trong giai đoạn Kainozoi. Loạt các đứt gãy lớn bậc I và bậc II đã tạo cho đảo Cát Bà có một cấu trúc địa chất khá đa dạng.
nằm ở phía tây nam của đảo. Đây là đứt gãy sâu tham gia vào đới nâng đảo Cát Bà. Phần lớn đứt gãy chìm dưới biển, chỉ có một chút lộ ra trên đảo ở xã Xuân Đám. Phương đứt gãy theo hướng TB-ĐN, góc cắm khoảng 70-80 Đứt gãy Phù Long 0 về phía TN.
Ba đứt gãy này nằm song song nhau theo phương TB-ĐN. Đây là hệ thống đứt gãy chủ đạo làm biến cải cấu trúc đảo Cát Bà trong Kainozoi và hình thành nên cấu trúc đảo Cát Bà như ngày nay.
kéo dài từ Hiền Hào qua Liên Minh đến Liên Hòa và tiếp tục phát triển về phía ĐN thuộc kiểu đứt gãy thuận, mặt đứt gãy cắm về TN với góc cắm lớn, thay đổi trong khoảng 70-80 Đứt gãy Minh Châu 0. Đứt gãy này giao cắt với các đứt gãy B-N tạo ra một số thung lũng nhỏ, đẳng thước như các thung lũng Hiền Hào, Liên Minh, Minh Châu. Đứt gãy này phân cắt hệ tầng đá vôi phân lớp trung bình kẹp lớp silic-sét với hệ tầng đá vôi dạng khối.
cũng là một đứt gãy lớn xuyên cắt đảo cách đứt gãy Trung Tâm khoảng 2 km về phía ĐB. Đứt gãy Cái Láng Hạ xuyên cắt đảo và tạo nên địa hình lạch Cái Láng Hạ, có góc cắm dóc với phương thay đổi 220-230 Đứt gãy Cái Láng Hạ 0.
3.3. Hệ thống đứt gãy Bắc-Nam
Đây là những đứt gãy hiện đại hình thành trong Kainozoi muộn. Tuy chúng không lớn nhưng lại chi phối cấu trúc đảo Cát Bà. Đi kèm các hệ thống trên là rất nhiều đứt gãy nhỏ làm biến cải cấu trúc kiến tạo nơi đây.
Hoạt động kiến tạo trên đảo Cát Bà gắn liền với qua trình hoạt động kiến tạo khu vực và hoạt động kiến tạo ở đây có thể nói là vẫn đang tiếp diễn, mà bằng chứng quan trọng nhất là sự trồi lộ mạch nước khoáng nóng tại thung lũng Xuân Đám, xã Xuân Đám.
III. MÔ HÌNH CẤU TRÚC CHỨA NƯỚC TRÊN ĐẢO CÁT BÀ
1. Đặc điểm chung của tầng chứa nước
Theo nguyên lý chung của địa chất thủy văn thì mỗi một tầng chứa nước phải kèm theo một tầng cách nước. Tầng chứa nước trong đá vôi khác với tầng chứa nước trong trầm tích bở rời. Vì tầng chứa nước trong trầm tích bở rời chỉ phụ thuộc vào độ hạt của tầng trầm tích chứa nước, còn tầng chứa nước trong đá vôi lại phụ thuộc vào quá trình karst hóa và hệ thống khe nứt (đới dập vỡ, karst hóa và hang ngầm).
Đi từ trên xuống bao gồm:
1. Tầng chứa nước trầm tích Đệ tứ.
2. Tầng chứa nước đá vôi tuổi C 2-P.
3. Tầng cách nước (đá phiến sét silic tuổi D 3-C 1).
4. Tầng chứa nước đá vôi tuổi D 3-C 1.
5. Tầng cách nước (đá phiến sét vôi, vôi sét, silic vôi, vôi silic không nứt nẻ tuổi D 3-C 1)
6. Tầng chứa nước đá vôi tuổi D 3-C 1.
Các tầng chứa này phụ thuộc khá lớn vào các tầng chắn bên dưới, bởi nếu các tầng chắn này bị phá vỡ do đứt gãy kiến tạo và quá trình karst hóa thì nước dưới đất sẽ thoát đi, đồng thời nước biển sẽ xâm nhập lên nếu ta khai thác nước dưới đất không đúng – vượt quá lượng nước cung cấp cho nước dưới đất. Khi đó khó có thể làm ngọt nước lại được như các giếng khoan Cảng Cá, Nước Khoáng và Áng Vả đang khai thác ở thị trấn Cát Bà.
2. Các kiểu cấu trúc chứa nước đảo Cát Bà
Ở đây có thể chia ra làm 3 kiểu cấu trúc chứa nước như sau:
b) Kiểu cấu trúc thung lũng karst : Đặc trưng cho kiểu cấu trúc này có 3 tầng chứa nước:
– Tầng chứa nước mặt;
– Tầng chứa trong trầm tích Đệ tứ;
– Tầng chứa trong đới karst ngầm.
Một số giếng đào trong trầm tích Đệ tứ có mực nước tĩnh 3-4 m. Ven bờ suối thì mực nước tĩnh chỉ còn 1,5 m. Một số giếng đào với đường kính 4 m khi hút bằng máy bơm với lưu lượng 4 m 3/h thì chỉ hạ thấp xấp xỉ 1 m. Còn đa số các giếng có đường kính 0,7- 0,8 m ở các nhà dân thì chỉ đủ nước cho dân múc bằng gầu sinh hoạt hàng ngày.
Nước trong trầm tích Đệ tứ chịu ảnh hưởng của những biến động thời tiết rất rõ rệt. Cuối mùa khô, mực nước tĩnh sâu khoảng 3-4 m, nhưng sang mùa mưa mực nước dâng cao chỉ còn 0,5-0,8 m, thậm chí có ngày mưa to (10/6/2002) thì tất cả các giếng quan trắc đều tràn miệng.
Dựa trên mô hình kiểu cấu trúc thung lũng karst hệ thống giếng khoan được sử dụng khai thác nước cấp cho sinh hoạt gồm có 4 giếng khoan tại thị trấn Cát Bà và 6 giếng khoan ở thung lũng Hải Sơn, hai hệ thống này chủ yếu cấp cho thị trấn Cát Bà. Ngoài ra, còn có 1 giếng ở trung tâm Vườn quốc gia chủ yếu cấp cho sinh hoạt của
Vườn và 1 giếng ở Trạm kiểm lâm cách Vườn quốc gia khoảng 4 km về phía nam; giếng này chủ yếu phục vụ cho phòng cháy rừng.
Bảng 1. Một số giếng khoan thăm dò có triển vọng
Hình 7. Mô hình tổng hợp các tầng chứa và tầng chắn nước
IV. KẾT LUẬN
1. Đảo Cát Bà chịu tác động của ba hệ thống đứt gãy kiến tạo, bao gồm hệ thống đứt gãy ĐB-TN với pha tạo núi Yanshan; hệ thống đứt gãy TB-ĐN với pha tạo núi Himalaya và hệ thống đứt gãy theo phương á vĩ tuyến với hoạt động kiến tạo hiện đại.
3. Đảo Cát Bà có 3 kiểu cấu trúc chứa nước chính: kiểu cấu trúc hang – bọng karst, kiểu cấu trúc thung lũng karst, và kiểu cấu trúc tầng chắn là nước biển.
VĂN LIỆU
. Địa chất và khoáng sản tờ Hải Phòng tỷ lệ 1:200.000 kèm theo bản đồ. 1. Hoàng Ngọc Kỷ (Chủ biên), 2001 Cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam, Hà Nội.
Địa chất và khoáng sản thành phố Hải Phòng. 2. Ngô Quang Toàn, 1993. Bản đồ ĐC, Số đặc biệt chào mừng 35 năm chuyên ngành BĐĐC, tr. 57-66. Hà Nội.
. Báo cáo thuyết minh Sơ đồ địa chất đảo Cát Bà. 3. Phan Văn Quýnh (Chủ biên), 2007 Liên hiệp Khoa học Sản xuất địa chất nước khoáng, Hà Nội.