Đặc điểm địa chất, địa nhiệt nguồn nước khoáng nóng khu vực mỹ lâm, tỉnh tuyên quang
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.75 MB, 85 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA ĐỊA CHẤT
HOÀNG VĂN HIỆP
ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, ĐỊA NHIỆT NGUỒN NƯỚC KHOÁNG NÓNG
KHU VỰC MỸ LÂM, TỈNH TUYÊN QUANG
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Hà Nội - 2016
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA ĐỊA CHẤT
HOÀNG VĂN HIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, ĐỊA NHIỆT NGUỒN NƯỚC KHOÁNG NÓNG
KHU VỰC MỸ LÂM, TỈNH TUYÊN QUANG
Chuyên ngành: Khoáng vật học và Địa hóa học
Mã ngành: 60440201
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
PGS.TS. Vũ Văn Tích
Hà Nội - 2016
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập tại Khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học
Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội cũng như thời gian thực hiện luận văn, bên
cạnh sự nỗ lực của bản thân, học viên đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ hết sức
quý báu. Học viên xin gửi lời cảm ơn đến:
1. PGS.TS. Vũ Văn Tích đã luôn tận tâm chỉ bảo, định hướng công việc
chuyên môn và các kĩ năng sống cho học viên. Hơn nữa, thày còn rất chu đáo
hươń g dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên môn, tạo điều kiện cho học viên
được tham gia đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu, đánh giá tổng thể tiềm năng các
bồn địa nhiệt vùng Tây Bắc” mã số KHCN-TB.01T/13-18 để học viên có đủ cơ
sở dữ liệu, đi thực địa, hỗ trợ kinh phí để học viên thực hiện luận văn.
2. Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô giáo hiện đang
công tác tại Khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc
gia Hà Nội đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện cho học viên được sử
dụng các trang thiết bị trong các Phòng thí nghiệm Địa chất môi trường và Thích
ứng biến đổi khí hậu, Phòng thí nghiệm Đồng vị bền… và góp ý chuyên môn cho
học viên trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
3. Xin chân thành cảm ơn đến tập thể nghiên cứu địa nhiệt (NCS. Trần
Trọng Thắng, NCS. Phạm Xuân Ánh, ThS. Phạm Hùng Thanh) đã luôn đồng
hành và có những góp ý quý báu cho học viên trong suốt quãng thời gian học tập
và thực hiện luận văn của mình.
Và cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và
những người đã luôn bên cạnh động viên, khích lệ học viên trong quá trình thực
hiện luận văn.
Do thời gian và kiến thức có hạn nên luận văn không tránh khỏi những sai
sót, tác giả mong nhận được các ý kiến đóng góp từ các Thầy, Cô giáo và các bạn
đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có thể triển khai các hươń g nghiên
cứu tiếp theo.
Học viên
Hoàng Văn Hiệp
i
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................i
MỤC LỤC................................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH................................................................................................ix
MỞ ĐẦU..................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài............................................................................................ 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................................................................................... 2
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊA NHIỆT VÀ ĐỊA CHẤT KHU VỰC.............4
1.1. Tổng quan về Địa nhiệt Trái đất...................................................................................... 4
1.1.1. Khái niệm về Địa nhiệt và lịch sử nghiên cứu...............................................4
1.1.2. Nguồn gốc của Địa nhiệt...............................................................................7
1.1.3. Cơ chế hình thành và các biểu hiện của địa nhiệt trên bề mặt......................8
1.1.4. Các kiểu địa nhiệt..........................................................................................9
1.2. Mối tương quan giữa các ứng dụng của Địa nhiệt và nhu cầu cuộc sống.........11
1.2.1. Khai thác nước khoáng nóng.......................................................................11
1.2.2. Khai thác năng lượng Địa nhiệt cho sấy khô nông sản...............................13
1.2.3. Khai thác năng lượng Địa nhiệt cho sưởi ấm..............................................14
1.2.4. Khai thác năng lượng Địa nhiệt cho phát điện............................................16
1.3. Đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu....................................................................... 17
1.3.1. Đặc điểm cấu trúc địa chất và kiến tạo khu vực nghiên cứu.......................17
1.2.2. Đặc điểm magma trong khu vực nghiên cứu...............................................20
1.2.3. Đặc điểm trầm tích .....................................................................................21
1.2.4. Đặc điểm đứt gãy.........................................................................................22
1.4. Lịch sử nghiên cứu địa nhiệt nguồn Mỹ Lâm............................................................22
1.5. Tiểu kết................................................................................................................................. 25
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP LUẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÁC
KẾT QUẢ...............................................................................................................26
2.1. Phương pháp luận............................................................................................................. 26
2.2. Các phương pháp nghiên cứu........................................................................................ 26
2.2.1. Phương pháp địa chất cấu trúc...................................................................26
2.2.2. Phương pháp địa hoá...................................................................................27
2.2.3. Phương pháp địa nhiệt kế............................................................................30
ii
2.3. Các kỹ thuật phân tích trong phòng thí nghiệm.......................................................31
2.3.1. Phương pháp phân tích các Cation theo các phương pháp phân tích trong
phòng thí nghiệm...................................................................................................31
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu đồng vị (Deuterium và oxignen).........................34
2.4. Các kỹ thuật sử dụng........................................................................................................ 35
2.4.1. Thu thập tài liệu, thông tin...........................................................................35
2.4.2. Thu thập mẫu ngoài thực địa.......................................................................35
2.4.3. Tiến hành khoan khảo sát, đo địa vật lý và các thông số vật lý tại khu vực
nghiên cứu..............................................................................................................37
2.5. Các kết quả........................................................................................................................... 42
Chương 3:...............................................................................................................45
LUẬN GIẢI NHIỆT ĐỘ VÀ NGUỒN GỐC THÀNH TẠO ..............................45
NƯỚC KHOÁNG NÓNG MỸ LÂM – TUYÊN QUANG..................................45
3.1. Nhiệt độ thành tạo............................................................................................................. 45
3.2. Nguồn gốc thành tạo......................................................................................................... 46
3.2.1. Xác định nguồn gốc của dung dịch địa nhiệt theo tương quan của ba hợp
phần Cl- - SO42- - HCO3-.....................................................................................46
3.2.2. Xác định nguồn gốc của dung dịch địa nhiệt theo tương quan của ba hợp
phần K - Na - Mg1/2..............................................................................................47
3.2.3. Xác định nguồn gốc của dung dịch địa nhiệt theo tương quan tỷ lệ đồng vị
bền của Hydro (2H hay Deuterium) và Oxy (18O)................................................49
3.3. Đề xuất một số giải pháp khai thác sử dụng nước khoáng Mỹ Lâm - Tuyên
Quang............................................................................................................................................ 52
3.3.1. Ứng dụng cho ngành nông nghiệp (sấy khô nông sản)...............................54
3.3.2. Ứng dụng trong sản nước khoáng...............................................................57
3.3.3. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế.......................................................................60
3.3.4. Ứng dụng phát điện.....................................................................................64
KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ....................................................................................67
1. Kết luận.................................................................................................................................... 67
2. Kiến nghị - Định hướng nghiên cứu................................................................................ 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................68
PHỤ LỤC...............................................................................................................73
iii
DANH MỤC BẢNG
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................i
MỤC LỤC................................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH................................................................................................ix
MỞ ĐẦU..................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài............................................................................................ 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................................................................................... 2
Hình i. Sơ đồ vị trí khu vực nghiên cứu (Bản đồ địa hình tỉ lệ 1/10.000)................................................................3
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊA NHIỆT VÀ ĐỊA CHẤT KHU VỰC.............4
1.1. Tổng quan về Địa nhiệt Trái đất...................................................................................... 4
1.1.1. Khái niệm về Địa nhiệt và lịch sử nghiên cứu...............................................4
1.1.1.1. Khái nhiệm.......................................................................................................................................................................... 4
1.1.1.2. Lịch sử nghiên cứu địa nhiệt....................................................................................................................................... 4
Hình 1.1. Hoàng tử Piero Ginori Conti và hệ thống phát điện địa nhiệt .................................................................5
đầu tiên năm 1904 tai Larderello, Italia............................................................................................................................... 5
1.1.2. Nguồn gốc của Địa nhiệt...............................................................................7
1.1.3. Cơ chế hình thành và các biểu hiện của địa nhiệt trên bề mặt......................8
Hình 1.2. Phân bố các mảng và kiểu ranh giới của chúng [49]...................................................................................8
Hình 1.3. Các dạng biểu hiện của nguồn địa nhiệt thường quan sát được.............................................................9
trên mặt đất [24]............................................................................................................................................................................ 9
1.1.4. Các kiểu địa nhiệt..........................................................................................9
Hình 1.4. Ví dụ minh họa về các loại hình bồn chứa khai thác năng lượng địa nhiệt (theo IGC, 2011),
trong đó: (1) Bồn nhiệt độ cao; (2) Bồn nhiệt độ trung bình; (3) Bồn nhiệt độ thấp; (4) Bồn nhiệt xuất
lộ trực tiếp........................................................................................................................................................................................ 11
1.2. Mối tương quan giữa các ứng dụng của Địa nhiệt và nhu cầu cuộc sống.........11
1.2.1. Khai thác nước khoáng nóng.......................................................................11
1.2.2. Khai thác năng lượng Địa nhiệt cho sấy khô nông sản...............................13
Hình 1.5. Trao đổi nhiệt trong hệ thống địa nhiệt.......................................................................................................... 14
1.2.3. Khai thác năng lượng Địa nhiệt cho sưởi ấm..............................................14
Hình 1.6. Mô tả công nghệ khai thác năng lượng địa nhiệt phục vụ sưởi ấm tại siêu thị EDEKA AktivMarkt Koch ở Shoemberg - Đức.............................................................................................................................................. 16
1.2.4. Khai thác năng lượng Địa nhiệt cho phát điện............................................16
Hình 1.7. Sơ đồ tổ máy phát điện ứng dụng công nghệ chu kỳ nhị nguyên.........................................................17
sử dụng năng lượng địa nhiệt................................................................................................................................................ 17
1.3. Đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu....................................................................... 17
v
1.3.1. Đặc điểm cấu trúc địa chất và kiến tạo khu vực nghiên cứu.......................17
Hình 1.8. Vị trí địa lý nguồn địa nhiệt Mỹ Lâm trong vùng Tây Bắc [3]................................................................18
1.2.2. Đặc điểm magma trong khu vực nghiên cứu...............................................20
1.2.3. Đặc điểm trầm tích .....................................................................................21
1.2.4. Đặc điểm đứt gãy.........................................................................................22
1.4. Lịch sử nghiên cứu địa nhiệt nguồn Mỹ Lâm............................................................22
Hình 1.9. Sơ đồ phân bố các đứt gãy, bồn trầm tích khu vực bồn địa nhiệt Mỹ Lâm.......................................23
Bảng 1.1. Tổng hợp kết quả phân tích dung dịch địa nhiệt nguồn Mỹ Lâm........................................................23
1.5. Tiểu kết................................................................................................................................. 25
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP LUẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÁC
KẾT QUẢ...............................................................................................................26
2.1. Phương pháp luận............................................................................................................. 26
2.2. Các phương pháp nghiên cứu........................................................................................ 26
2.2.1. Phương pháp địa chất cấu trúc...................................................................26
2.2.2. Phương pháp địa hoá...................................................................................27
2.2.2.1. Phương pháp nghiên cứu biểu đồ nguồn gốc HCO3 - Cl - SO4...................................................................27
Hình 2.1. Các hàm lượng Cl, SO4 và HCO3 liên quan của các nước địa nhiệt theo khối lượng [17, 18].27
2.2.2.2. Phương pháp nghiên cứu biểu đồ nguồn gốc K - Na - Mg1/2....................................................................28
Hình 2.2. Biểu đồ tam giác Na-K-Mg1/2 [17, 18]............................................................................................................ 29
2.2.3. Phương pháp địa nhiệt kế............................................................................30
2.3. Các kỹ thuật phân tích trong phòng thí nghiệm.......................................................31
2.3.1. Phương pháp phân tích các Cation theo các phương pháp phân tích trong
phòng thí nghiệm...................................................................................................31
Bảng 2.1. Chuẩn bị dung dịch chuẩn đối với phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử..................................32
Hình 2.3. Các bước dựng đường chuẩn và thiết lập thông số cho máy, đèn catot............................................33
Hình 2.4. Phân tích mẫu............................................................................................................................................................. 33
Hình 2.5. Hệ thống phân tích khối phổ kế ICP/OES: ULTIMA 2 – Horiba.............................................................34
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu đồng vị (Deuterium và oxignen).........................34
2.4. Các kỹ thuật sử dụng........................................................................................................ 35
2.4.1. Thu thập tài liệu, thông tin...........................................................................35
2.4.2. Thu thập mẫu ngoài thực địa.......................................................................35
Hình 2.6. Vị trí lấy mẫu nước khoáng nóng (dung dịch địa nhiệt) tại Lỗ khoan 13 ở điểm địa nhiệt Mỹ
Lâm, Tuyên Quang: a-Khảo sát tại Lỗ khoan 13, b-Bảo quản mẫu sau khi thu thập lấy mẫu....................36
Bảng 2.2. Mô tả mẫu và xử lý mẫu tại thực địa [2]........................................................................................................ 36
Hình 2.7. Thu thập mẫu tại khu vực Lỗ khoan 13........................................................................................................... 36
2.4.3. Tiến hành khoan khảo sát, đo địa vật lý và các thông số vật lý tại khu vực
nghiên cứu..............................................................................................................37
Hình 2.8. Tiến hành đo khí địa nhiệt tại khu vực nghiên cứu....................................................................................37
vi
Hình 2.9. Đo điện trở suất tại khu vực nghiên cứu......................................................................................................... 38
Hình 2.10. Hiệu chỉnh thiết bị đo trước khi thực hiện................................................................................................... 38
Hình 2.11. Kết quả đo điện trở suất mô tả trên phần mềm sử dụng.......................................................................38
Hình 2.12a. Kết quả đo địa chấn đa kênh........................................................................................................................... 39
Hình 2.12b. Kết quả đo địa chấn đa kênh........................................................................................................................... 39
Hình 2.13. Khoan khảo sát tại thực địa............................................................................................................................... 40
Hình 2.14. Đo lưu lượng và các thông số lỗ khoan......................................................................................................... 41
Hình 2.15. Kết quả đo nhiệt độ, độ dẫn điện, điện trở suất lỗ khoan......................................................................41
Hình 2.16. Kết quả đo lưu lượng............................................................................................................................................ 41
2.5. Các kết quả........................................................................................................................... 42
Bảng 2.3. Kết quả phân tích các cation trong dung dịch nhiệt tại nguồn Mỹ Lâm...........................................42
Bảng 2.4. Kết quả phân tích các anion và hàm lượng SiO2 trong ..........................................................................42
dung dịch nhiệt tại nguồn Mỹ Lâm........................................................................................................................................ 42
Bảng 2.5. Thành phần đồng vị bền của dung dịch địa nhiệt Mỹ Lâm [9] .............................................................43
Bảng 2.6. Thành phần hoá học nguồn địa nhiệt Mỹ Lâm theo các kết quả nghiên cứu phục vụ luận giải
nhiệt độ nguồn cấp, ..................................................................................................................................................................... 44
nguồn gốc thành tạo.................................................................................................................................................................... 44
Chương 3:...............................................................................................................45
LUẬN GIẢI NHIỆT ĐỘ VÀ NGUỒN GỐC THÀNH TẠO ..............................45
NƯỚC KHOÁNG NÓNG MỸ LÂM – TUYÊN QUANG..................................45
3.1. Nhiệt độ thành tạo............................................................................................................. 45
Bảng 3.1. Kết quả tính toán nhiệt độ dưới sâu theo các địa nhiệt kế.....................................................................45
3.2. Nguồn gốc thành tạo......................................................................................................... 46
3.2.1. Xác định nguồn gốc của dung dịch địa nhiệt theo tương quan của ba hợp
phần Cl- - SO42- - HCO3-.....................................................................................46
Hình 3.1. Biểu đồ ba hợp phần Cl- - SO42- - HCO3-, xem xét nguồn gốc của nguồn nhiệt Mỹ Lâm [16,
35]. Số liệu biểu diễn theo kết quả nghiên cứu của luận văn (ML-01-Tb (*), 2015) và các nghiên cứu từ
trước (M.Autret (1941); Phòng thí nghiệm Dầu khí (1981); Đại học Dược Hà Nội (1984); Tiệp Khắc
(1988); Đại học Mỏ Địa chất (1999); Cao Duy Giang (2912). Ghi chú: các miền phân biệt nguồn gốc
nước theo các vùng như nước trưởng thành (Mature waters), nước ngoại vi hay nước khí tượng
(Peripheral waters), nước núi lửa (Volcanic waters) và nước bốc hơi (Steam heated waters)................47
3.2.2. Xác định nguồn gốc của dung dịch địa nhiệt theo tương quan của ba hợp
phần K - Na - Mg1/2..............................................................................................47
Hình 3.2. Biểu đồ ba hợp phần K - Na - Mg1/2, xem xét nguồn gốc của nguồn nhiệt Mỹ Lâm [16, 35]. Số
liệu biểu diễn theo kết quả nghiên cứu của luận văn (ML-01-Tb (*), 2015) và các nghiên cứu từ trước
(M.Autret (1941); Phòng thí nghiệm Dầu khí (1981); Đại học Dược Hà Nội (1984); Tiệp Khắc (1988);
Đại học Mỏ Địa chất (1999); Cao Duy Giang (2012). Ghi chú: vùng gạch chéo là miền cần bằng từng
phần (partial Equilibration), miền không gạch chéo (immature waters) là miền nước chưa thực sự
cân bằng và cân bằng toàn phần hay nước trưởng thành.........................................................................................48
3.2.3. Xác định nguồn gốc của dung dịch địa nhiệt theo tương quan tỷ lệ đồng vị
bền của Hydro (2H hay Deuterium) và Oxy (18O)................................................49
vii
Hình 3.3. Biểu đồ thể hiện mối tương quan δD (‰) (Delta Deuterium) và δ18O (‰) (Delta Oxygen 18)
được xây dựng trên cơ sở các kết quả phân tích thành phần đồng vị bền D (2H) và 18O [9, 35]. là
biểu thị cho tỷ lệ đồng vị của dung dịch địa nhiệt Mỹ Lâm.........................................................................................50
Hình 3.4. Cơ chế hoạt động của nguồn địa nhiệt Mỹ Lâm theo nguồn gốc khí tượng theo mô hình của
White, D.E., và nnk (1971) [47]............................................................................................................................................... 51
Hình 3.5. Sơ đồ tiềm năng địa nhiệt bồn địa nhiệt Mỹ Lâm........................................................................................52
3.3. Đề xuất một số giải pháp khai thác sử dụng nước khoáng Mỹ Lâm - Tuyên
Quang............................................................................................................................................ 52
Bảng 3.2. Khả năng sử dụng địa nhiệt theo cấp nhiệt độ (Lindal B., 1973) [21]...............................................53
3.3.1. Ứng dụng cho ngành nông nghiệp (sấy khô nông sản)...............................54
Bảng 3.3. Sản lượng sản xuất nông nghiệp của tỉnh Tuyên Quang năm 2014...................................................54
Hình 3.6. Sơ đồ máy sấy băng chuyền cho chè, rau củ và trái cây...........................................................................56
Hình 3.7. Sơ đồ công nghệ sấy khô nông sản bằng trống............................................................................................ 56
3.3.2. Ứng dụng trong sản nước khoáng...............................................................57
Hình 3.8. Mô hình thiết bị lọc cát thạch anh...................................................................................................................... 58
Hình 3.9. Hệ thống tiệt trùng nước UV Model no.420GH............................................................................................. 59
Hình 3.10. Thiết bị lọc Micro.................................................................................................................................................... 59
Hình 3.11. Mô hình thiết bị rót chai....................................................................................................................................... 60
3.3.3. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế.......................................................................60
Hình 3.12. Khảo sát và thăm quan vực điều dưỡng và du lịch Mỹ Lâm cùng ....................................................61
Ban Chủ nhiệm đề tài mã số KHCN-TB.01T/13-18......................................................................................................... 61
Hình 3.13. Hệ thống máy bơm nhiệt..................................................................................................................................... 62
Hình 3.14. Nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt..................................................................................................... 62
Hình 3.15. Lưu đồ năng lượng của một hệ thống bơm địa nhiệt dùng cho sưởi...............................................63
Hình 3.16. Lắp đặt cột ống sinh thái cho sưởi toà nhà................................................................................................. 63
3.3.4. Ứng dụng phát điện.....................................................................................64
Hình 3.17. Sơ đồ nhà máy điện địa nhiệt sử dụng công nghệ Chu kỳ Nhị nguyên.............................................65
KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ....................................................................................67
1. Kết luận.................................................................................................................................... 67
2. Kiến nghị - Định hướng nghiên cứu................................................................................ 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................68
PHỤ LỤC...............................................................................................................73
viii
DANH MỤC HÌNH
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................i
MỤC LỤC................................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH................................................................................................ix
MỞ ĐẦU..................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài............................................................................................ 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...................................................................................... 2
Hình i. Sơ đồ vị trí khu vực nghiên cứu (Bản đồ địa hình tỉ lệ 1/10.000)................................................................3
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊA NHIỆT VÀ ĐỊA CHẤT KHU VỰC.............4
1.1. Tổng quan về Địa nhiệt Trái đất...................................................................................... 4
1.1.1. Khái niệm về Địa nhiệt và lịch sử nghiên cứu...............................................4
1.1.1.1. Khái nhiệm.......................................................................................................................................................................... 4
1.1.1.2. Lịch sử nghiên cứu địa nhiệt....................................................................................................................................... 4
Hình 1.1. Hoàng tử Piero Ginori Conti và hệ thống phát điện địa nhiệt .................................................................5
đầu tiên năm 1904 tai Larderello, Italia............................................................................................................................... 5
1.1.2. Nguồn gốc của Địa nhiệt...............................................................................7
1.1.3. Cơ chế hình thành và các biểu hiện của địa nhiệt trên bề mặt......................8
Hình 1.2. Phân bố các mảng và kiểu ranh giới của chúng [49]...................................................................................8
Hình 1.3. Các dạng biểu hiện của nguồn địa nhiệt thường quan sát được.............................................................9
trên mặt đất [24]............................................................................................................................................................................ 9
1.1.4. Các kiểu địa nhiệt..........................................................................................9
Hình 1.4. Ví dụ minh họa về các loại hình bồn chứa khai thác năng lượng địa nhiệt (theo IGC, 2011),
trong đó: (1) Bồn nhiệt độ cao; (2) Bồn nhiệt độ trung bình; (3) Bồn nhiệt độ thấp; (4) Bồn nhiệt xuất
lộ trực tiếp........................................................................................................................................................................................ 11
1.2. Mối tương quan giữa các ứng dụng của Địa nhiệt và nhu cầu cuộc sống.........11
1.2.1. Khai thác nước khoáng nóng.......................................................................11
1.2.2. Khai thác năng lượng Địa nhiệt cho sấy khô nông sản...............................13
Hình 1.5. Trao đổi nhiệt trong hệ thống địa nhiệt.......................................................................................................... 14
1.2.3. Khai thác năng lượng Địa nhiệt cho sưởi ấm..............................................14
Hình 1.6. Mô tả công nghệ khai thác năng lượng địa nhiệt phục vụ sưởi ấm tại siêu thị EDEKA AktivMarkt Koch ở Shoemberg - Đức.............................................................................................................................................. 16
1.2.4. Khai thác năng lượng Địa nhiệt cho phát điện............................................16
Hình 1.7. Sơ đồ tổ máy phát điện ứng dụng công nghệ chu kỳ nhị nguyên.........................................................17
sử dụng năng lượng địa nhiệt................................................................................................................................................ 17
1.3. Đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu....................................................................... 17
ix
1.3.1. Đặc điểm cấu trúc địa chất và kiến tạo khu vực nghiên cứu.......................17
Hình 1.8. Vị trí địa lý nguồn địa nhiệt Mỹ Lâm trong vùng Tây Bắc [3]................................................................18
1.2.2. Đặc điểm magma trong khu vực nghiên cứu...............................................20
1.2.3. Đặc điểm trầm tích .....................................................................................21
1.2.4. Đặc điểm đứt gãy.........................................................................................22
1.4. Lịch sử nghiên cứu địa nhiệt nguồn Mỹ Lâm............................................................22
Hình 1.9. Sơ đồ phân bố các đứt gãy, bồn trầm tích khu vực bồn địa nhiệt Mỹ Lâm.......................................23
Bảng 1.1. Tổng hợp kết quả phân tích dung dịch địa nhiệt nguồn Mỹ Lâm........................................................23
1.5. Tiểu kết................................................................................................................................. 25
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP LUẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÁC
KẾT QUẢ...............................................................................................................26
2.1. Phương pháp luận............................................................................................................. 26
2.2. Các phương pháp nghiên cứu........................................................................................ 26
2.2.1. Phương pháp địa chất cấu trúc...................................................................26
2.2.2. Phương pháp địa hoá...................................................................................27
2.2.2.1. Phương pháp nghiên cứu biểu đồ nguồn gốc HCO3 - Cl - SO4...................................................................27
Hình 2.1. Các hàm lượng Cl, SO4 và HCO3 liên quan của các nước địa nhiệt theo khối lượng [17, 18].27
2.2.2.2. Phương pháp nghiên cứu biểu đồ nguồn gốc K - Na - Mg1/2....................................................................28
Hình 2.2. Biểu đồ tam giác Na-K-Mg1/2 [17, 18]............................................................................................................ 29
2.2.3. Phương pháp địa nhiệt kế............................................................................30
2.3. Các kỹ thuật phân tích trong phòng thí nghiệm.......................................................31
2.3.1. Phương pháp phân tích các Cation theo các phương pháp phân tích trong
phòng thí nghiệm...................................................................................................31
Bảng 2.1. Chuẩn bị dung dịch chuẩn đối với phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử..................................32
Hình 2.3. Các bước dựng đường chuẩn và thiết lập thông số cho máy, đèn catot............................................33
Hình 2.4. Phân tích mẫu............................................................................................................................................................. 33
Hình 2.5. Hệ thống phân tích khối phổ kế ICP/OES: ULTIMA 2 – Horiba.............................................................34
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu đồng vị (Deuterium và oxignen).........................34
2.4. Các kỹ thuật sử dụng........................................................................................................ 35
2.4.1. Thu thập tài liệu, thông tin...........................................................................35
2.4.2. Thu thập mẫu ngoài thực địa.......................................................................35
Hình 2.6. Vị trí lấy mẫu nước khoáng nóng (dung dịch địa nhiệt) tại Lỗ khoan 13 ở điểm địa nhiệt Mỹ
Lâm, Tuyên Quang: a-Khảo sát tại Lỗ khoan 13, b-Bảo quản mẫu sau khi thu thập lấy mẫu....................36
Bảng 2.2. Mô tả mẫu và xử lý mẫu tại thực địa [2]........................................................................................................ 36
Hình 2.7. Thu thập mẫu tại khu vực Lỗ khoan 13........................................................................................................... 36
2.4.3. Tiến hành khoan khảo sát, đo địa vật lý và các thông số vật lý tại khu vực
nghiên cứu..............................................................................................................37
Hình 2.8. Tiến hành đo khí địa nhiệt tại khu vực nghiên cứu....................................................................................37
x
Hình 2.9. Đo điện trở suất tại khu vực nghiên cứu......................................................................................................... 38
Hình 2.10. Hiệu chỉnh thiết bị đo trước khi thực hiện................................................................................................... 38
Hình 2.11. Kết quả đo điện trở suất mô tả trên phần mềm sử dụng.......................................................................38
Hình 2.12a. Kết quả đo địa chấn đa kênh........................................................................................................................... 39
Hình 2.12b. Kết quả đo địa chấn đa kênh........................................................................................................................... 39
Hình 2.13. Khoan khảo sát tại thực địa............................................................................................................................... 40
Hình 2.14. Đo lưu lượng và các thông số lỗ khoan......................................................................................................... 41
Hình 2.15. Kết quả đo nhiệt độ, độ dẫn điện, điện trở suất lỗ khoan......................................................................41
Hình 2.16. Kết quả đo lưu lượng............................................................................................................................................ 41
2.5. Các kết quả........................................................................................................................... 42
Bảng 2.3. Kết quả phân tích các cation trong dung dịch nhiệt tại nguồn Mỹ Lâm...........................................42
Bảng 2.4. Kết quả phân tích các anion và hàm lượng SiO2 trong ..........................................................................42
dung dịch nhiệt tại nguồn Mỹ Lâm........................................................................................................................................ 42
Bảng 2.5. Thành phần đồng vị bền của dung dịch địa nhiệt Mỹ Lâm [9] .............................................................43
Bảng 2.6. Thành phần hoá học nguồn địa nhiệt Mỹ Lâm theo các kết quả nghiên cứu phục vụ luận giải
nhiệt độ nguồn cấp, ..................................................................................................................................................................... 44
nguồn gốc thành tạo.................................................................................................................................................................... 44
Chương 3:...............................................................................................................45
LUẬN GIẢI NHIỆT ĐỘ VÀ NGUỒN GỐC THÀNH TẠO ..............................45
NƯỚC KHOÁNG NÓNG MỸ LÂM – TUYÊN QUANG..................................45
3.1. Nhiệt độ thành tạo............................................................................................................. 45
Bảng 3.1. Kết quả tính toán nhiệt độ dưới sâu theo các địa nhiệt kế.....................................................................45
3.2. Nguồn gốc thành tạo......................................................................................................... 46
3.2.1. Xác định nguồn gốc của dung dịch địa nhiệt theo tương quan của ba hợp
phần Cl- - SO42- - HCO3-.....................................................................................46
Hình 3.1. Biểu đồ ba hợp phần Cl- - SO42- - HCO3-, xem xét nguồn gốc của nguồn nhiệt Mỹ Lâm [16,
35]. Số liệu biểu diễn theo kết quả nghiên cứu của luận văn (ML-01-Tb (*), 2015) và các nghiên cứu từ
trước (M.Autret (1941); Phòng thí nghiệm Dầu khí (1981); Đại học Dược Hà Nội (1984); Tiệp Khắc
(1988); Đại học Mỏ Địa chất (1999); Cao Duy Giang (2912). Ghi chú: các miền phân biệt nguồn gốc
nước theo các vùng như nước trưởng thành (Mature waters), nước ngoại vi hay nước khí tượng
(Peripheral waters), nước núi lửa (Volcanic waters) và nước bốc hơi (Steam heated waters)................47
3.2.2. Xác định nguồn gốc của dung dịch địa nhiệt theo tương quan của ba hợp
phần K - Na - Mg1/2..............................................................................................47
Hình 3.2. Biểu đồ ba hợp phần K - Na - Mg1/2, xem xét nguồn gốc của nguồn nhiệt Mỹ Lâm [16, 35]. Số
liệu biểu diễn theo kết quả nghiên cứu của luận văn (ML-01-Tb (*), 2015) và các nghiên cứu từ trước
(M.Autret (1941); Phòng thí nghiệm Dầu khí (1981); Đại học Dược Hà Nội (1984); Tiệp Khắc (1988);
Đại học Mỏ Địa chất (1999); Cao Duy Giang (2012). Ghi chú: vùng gạch chéo là miền cần bằng từng
phần (partial Equilibration), miền không gạch chéo (immature waters) là miền nước chưa thực sự
cân bằng và cân bằng toàn phần hay nước trưởng thành.........................................................................................48
3.2.3. Xác định nguồn gốc của dung dịch địa nhiệt theo tương quan tỷ lệ đồng vị
bền của Hydro (2H hay Deuterium) và Oxy (18O)................................................49
xi
Hình 3.3. Biểu đồ thể hiện mối tương quan δD (‰) (Delta Deuterium) và δ18O (‰) (Delta Oxygen 18)
được xây dựng trên cơ sở các kết quả phân tích thành phần đồng vị bền D (2H) và 18O [9, 35]. là
biểu thị cho tỷ lệ đồng vị của dung dịch địa nhiệt Mỹ Lâm.........................................................................................50
Hình 3.4. Cơ chế hoạt động của nguồn địa nhiệt Mỹ Lâm theo nguồn gốc khí tượng theo mô hình của
White, D.E., và nnk (1971) [47]............................................................................................................................................... 51
Hình 3.5. Sơ đồ tiềm năng địa nhiệt bồn địa nhiệt Mỹ Lâm........................................................................................52
3.3. Đề xuất một số giải pháp khai thác sử dụng nước khoáng Mỹ Lâm - Tuyên
Quang............................................................................................................................................ 52
Bảng 3.2. Khả năng sử dụng địa nhiệt theo cấp nhiệt độ (Lindal B., 1973) [21]...............................................53
3.3.1. Ứng dụng cho ngành nông nghiệp (sấy khô nông sản)...............................54
Bảng 3.3. Sản lượng sản xuất nông nghiệp của tỉnh Tuyên Quang năm 2014...................................................54
Hình 3.6. Sơ đồ máy sấy băng chuyền cho chè, rau củ và trái cây...........................................................................56
Hình 3.7. Sơ đồ công nghệ sấy khô nông sản bằng trống............................................................................................ 56
3.3.2. Ứng dụng trong sản nước khoáng...............................................................57
Hình 3.8. Mô hình thiết bị lọc cát thạch anh...................................................................................................................... 58
Hình 3.9. Hệ thống tiệt trùng nước UV Model no.420GH............................................................................................. 59
Hình 3.10. Thiết bị lọc Micro.................................................................................................................................................... 59
Hình 3.11. Mô hình thiết bị rót chai....................................................................................................................................... 60
3.3.3. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế.......................................................................60
Hình 3.12. Khảo sát và thăm quan vực điều dưỡng và du lịch Mỹ Lâm cùng ....................................................61
Ban Chủ nhiệm đề tài mã số KHCN-TB.01T/13-18......................................................................................................... 61
Hình 3.13. Hệ thống máy bơm nhiệt..................................................................................................................................... 62
Hình 3.14. Nguyên lý hoạt động của máy bơm nhiệt..................................................................................................... 62
Hình 3.15. Lưu đồ năng lượng của một hệ thống bơm địa nhiệt dùng cho sưởi...............................................63
Hình 3.16. Lắp đặt cột ống sinh thái cho sưởi toà nhà................................................................................................. 63
3.3.4. Ứng dụng phát điện.....................................................................................64
Hình 3.17. Sơ đồ nhà máy điện địa nhiệt sử dụng công nghệ Chu kỳ Nhị nguyên.............................................65
KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ....................................................................................67
1. Kết luận.................................................................................................................................... 67
2. Kiến nghị - Định hướng nghiên cứu................................................................................ 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................68
PHỤ LỤC...............................................................................................................73
xii
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Địa nhiệt hiện nay được xem là loại tài nguyên tái tạo quan trọng trong
phát triển kinh tế xã hội. Trên bề mặt trái đất hiện nay có nhiều kiểu nguồn địa
nhiệt khác nhau. Do nguồn gốc, đặc tính vật lý - hoá học khác nhau dẫn tới các
ứng dụng có thể khai thác từ chúng là khác nhau. Vì vậy, việc xác định nhiệt độ
thành tạo và nguồn gốc của chúng có ý nghĩa quan trọng không chỉ đối với định
hướng sử dụng mà còn giúp luận giải đặc tính khoa học địa chất của chúng.
Ở Việt Nam hiện nay có nhiều nguồn xuất lộ nước khoáng nóng phân bố
trong phạm vi cả nước. Tuy nhiên trên thực tế hiện nay, nhiệt độ nguồn cấp dưới
sâu của chúng hiện vẫn đang là một dấu hỏi lớn vì phần lớn nước lộ trên bề mặt
là nước đã có sự pha trộn dẫn đến suy giảm nhiệt độ trong quá trình đi lên bề
mặt. Thêm vào đó, nguồn gốc của chúng hiện nay chưa được nghiên cứu rõ ràng
phục vụ cho các nghiên cứu, ứng dụng chuyên sâu trong thực tế. Do đó định
hướng sử dụng khai thác còn chưa phát triển, rất khó để có thể thu hút đầu tư từ
các tổ chức, doanh nghiệp trong nước và nước ngoài để khai thác cho các nhu
cầu đó mặc dù lợi ích kinh tế từ việc khai thác các nguồn năng lượng này là rất
lớn.
Khu vực Tây Bắc (theo phạm vi chỉ đạo của Ban chỉ đạo Tây Bắc bao
gồm phần phía Tây của cả phần Đông và Tây Bắc Bộ về mặt địa lý tự nhiên) có
xuất hiện nhiềm điểm nước khoáng nóng tiềm năng hiện đang được khai thác và
sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Tuy nhiên có một điểm khoáng nóng
hiện đang được khai thác nhiều nhất phục vụ cho một số nhu cầu như tắm
khoáng, du lịch và chữa bệnh đó là nguồn khoáng nóng Mỹ Lâm (Tuyên Quang).
Các nghiên cứu, thăm dò trước đó đối với nguồn nước khoáng nóng này mới chỉ
tập trung vào đánh giá các thông số vật lý, thành phần hóa học các nguyên tố
trong dung dịch nhiệt phục vụ phân loại và định danh nước khoáng nóng mà
chưa làm sáng tỏ được một số đặc điểm quan trọng về điều kiện nguồn gốc thành
tạo, nhiệt độ nguồn cấp dưới sâu.
Chính vì vậy, nghiên cứu này tập trung vào việc xác định nhiệt độ và
nguồn gốc thành tạo của nguồn nước khoáng Mỹ Lâm - Phú Lâm - Yên Sơn Tuyên Quang góp phần luận giải một số câu hỏi khoa học liên quan làm cơ sở để
định hướng sử dụng cho phát triển kinh tế khu vực với tiêu đề luận văn: “Đặc
điểm địa chất, địa nhiệt nguồn nước khoáng nóng khu vực Mỹ Lâm, tỉnh Tuyên
1
Quang”.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Mục tiêu chính của đề tài cần phải giải quyết đó là:
+ Xác định được nhiệt độ thành tạo nước nóng Mỹ Lâm - Tuyên Quang;
+ Xác định được nguồn gốc thành tạo nước nóng Mỹ Lâm - Tuyên Quang;
+ Luận giải mối liên hệ giữa nhiệt độ thành tạo và nguồn gốc nhằm định
hướng ứng dụng cho khai thác sử dụng năng lượng địa nhiệt tại khu vực nghiên
cứu.
- Trên cở sở đó, những nhiệm vụ chính cần phải thực hiện nhằm giải quyết
các mục tiêu nói trên của đề tài bao gồm:
+ Nghiên cứu đặc điểm địa chất khu vực nguồn nước nóng Mỹ Lâm,
Tuyên Quang trên cơ sở các tài liệu đã có kết hợp với khảo sát thực địa tại khu
vực nghiên cứu.
+ Tiến hành khảo sát, lấy mẫu, phân tích thành phần hóa học của nước
khoáng nóng tại khu vực Lỗ khoan 13 hiện đang được cho khai thác phục vụ các
nhu cầu sử dụng của khu vực.
+ Trên cở sở các kết quả phân tích thành phần hoá học, tiến hành tính toán
nhiệt độ thành tạo của dung dịch nhiệt tại khu vực.
+ Tiến hành luận giải nguồn gốc thành tạo và mối liên hệ với nhiệt độ
thành tạo nhằm đưa ra các giải pháp ứng dụng các công nghệ cho khai thác năng
lượng địa nhiệt tại khu vực nghiên cứu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính: nhiệt độ thành tạo và nguồn gốc của nguồn
địa nhiệt Mỹ Lâm.
Phạm vi nghiên cứu:
Nguồn nhiệt Mỹ Lâm nằm cách thành phố Tuyên Quang 14 km về phía
Đông Nam và cạnh quốc lộ 37 thuộc xã Phú Lâm, huyện Yên Sơn. Vị trí toạ độ
của nguồn địa nhiệt này đó là: 21°46'03"-105°07'31".
Nguồn địa nhiệt Mỹ Lâm hiện nay đang được khai thác và sử dụng cho
tắm khoáng và chữa bệnh. Đây là một trong các nguồn địa nhiệt có tiềm năng
cho khai thác năng lượng địa nhiệt sử dụng cho phát điện (Hình i) cũng như phục
2
vụ cho nhiều mục đích ứng dụng trực tiếp khác như sấy khô nông sản, làm trang
trại…[9].
Hình i. Sơ đồ vị trí khu vực nghiên cứu (Bản đồ địa hình tỉ lệ 1/10.000)
3
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊA NHIỆT VÀ ĐỊA CHẤT KHU VỰC
1.1. Tổng quan về Địa nhiệt Trái đất
1.1.1. Khái niệm về Địa nhiệt và lịch sử nghiên cứu
1.1.1.1. Khái nhiệm
Địa Nhiệt (Geothermal) là từ cổ xuất phát từ ngôn ngữ của Hi Lạp trong
đó “Geo” nghĩa là trái đất (Earth) “therme” nghĩa là nhiệt (Heat) - là nguồn nhiệt
năng có sẵn trong lòng đất [24].
Cụ thể hơn, nguồn năng lượng nhiệt này thông thường tập trung ở khoảng
vài km dưới bề mặt Trái Đất (phần trên cùng của vỏ Trái Đất). Nguồn nhiệt
lượng liên tục từ lòng đất này được ước đoán tương đương với với một khoảng
năng lượng cỡ 42 triệu MW trong khi phía bên trong lòng đất thì vẫn tiếp tục
nóng hằng tỷ năm nữa, đảm bảo một nguồn nhiệt năng gần như vô tận. Chính vì
vậy, Địa nhiệt được liệt vào dạng năng lượng tái tạo. Nguồn nhiệt lượng này
được chuyển lên mặt đất qua dạng hơi hoặc nước nóng khi chúng chảy qua các
tầng đất đá trên đường dịch chuyển lên phía trên bề mặt đất.
Địa nhiệt là dạng năng lượng sạch và bền vững. So với các dạng năng
lượng tái tạo khác như gió, thủy điện hay điện mặt trời, địa nhiệt không phụ
thuộc vào các yếu tố thời tiết và khí hậu. Địa nhiệt cũng có hệ số công suất rất
cao và nguồn địa nhiệt luôn sẵn sàng cho sử dụng.
1.1.1.2. Lịch sử nghiên cứu địa nhiệt
a) Lịch sử nghiên cứu phục vụ khai thác và sử dụng trên thế giới
Địa nhiệt với biểu hiện trực tiếp thông thường nhất đó là sự xuất hiện của
các mạch nước nóng thiên nhiên xuất lộ trực tiếp trên mặt đất được con người
biết đến và khai thác sử dụng bằng các phương thức thô sơ từ xa xưa cho một số
mục đích sinh hoạt hàng ngày như tắm rửa, nấu ăn hoặc chữa bệnh cụ thể: người
Maoris ở New Zealand và các thổ dân da đỏ Châu Mĩ đã sử dụng nước từ các
suối nước nóng cho các mục đích nấu ăn, chữa bệnh hàng nghìn năm trước,
người Hy Lạp và La Mã cổ đại đã có các spa địa nhiệt nóng, người dân ở
Pompeii sống ở rất gần dãy núi Vesuvius khai thác nước nóng từ trái đất để sưởi
ấm ngôi nhà của họ, người Roman sử dụng nước địa nhiệt cho điều trị các bệnh
về mắt và da, người Nhật Bản đã rất thích chăm sóc sức khỏe bằng địa nhiệt hàng
4
thế kỉ trước (Nersesian, Roy L. 2010).
Dần dần, như một hệ quả tất yếu của việc phát triển theo thời đại, việc sử
dụng địa nhiệt được nâng cấp theo tầm cao mới phục vụ nhiều mục đích khác
nhau đặc biệt là việc sử dụng tiềm năng của các bồn địa nhiệt như một nguồn
năng lượng (sưởi ấm nhà ở, sấy nông sản, phát điện…). Tuy nhiên việc sử dụng
địa nhiệt như là một nguồn năng lượng này mới được chú ý từ đầu thế kỷ 20 trở
lại đây.
Trong việc sử dụng địa nhiệt vào mục đích phát điện, Italia là nước đi tiên
phong. Hoàng tử Piero Ginori Conti đã chứng minh tính khả thi của công nghệ
nhà máy điện địa nhiệt năm 1904, tại trường hơi khô ở Larderello, Italia (Hình
1.1). Từ đó, nhà máy địa nhiệt trên thế giới được xây dựng với công suất ban đầu
rất nhỏ là 20KWe nhưng chỉ sau hơn 10 năm (1916) đã tăng lên 12000 KWe và
hiện nay đạt đến 100 Mwe. Việc khai thác năng lượng địa nhiệt tiếp tục được sản
xuất ngay sau đó (ngoại trừ trong khoảng thời gian thế chiến thứ 2) và vẫn được
sản xuất đến ngày nay.
Hình 1.1. Hoàng tử Piero Ginori Conti và hệ thống phát điện địa nhiệt
đầu tiên năm 1904 tai Larderello, Italia
Tiếp theo đó, một số nước khác cũng bắt đầu chú ý đến dạng năng lượng
mới này và tiến hành điều tra thăm dò và khai thác khá sớm như Nhật, Hoa Kỳ,
Iceland, New-Zealand, Indonesia...và thậm chí Philipines hiện nay cũng là một
trong những nước đứng đầu thế giới về việc khai thác sử dụng năng lượng địa
nhiệt.
5
b) Lịch sử nghiên cứu địa nhiệt tại Việt Nam
Ở nước ta, nghiên cứu về địa nhiệt chủ yếu tập trung vào hai hướng:
Nghiên cứu nước nóng và nước khoáng, nghiên cứu địa nhiệt như là một nguồn
năng lượng tái tạo mới.
Đối với hướng nghiên cứu nước khoáng và nước nóng, công trình nghiên
cứu đầu tiên được tìm thấy là công trình nghiên cứu của G. Lambert vào năm
1910 về nguồn nước khoáng Vĩnh Hảo, trong đó đã chỉ ra đây là nguồn có chất
lượng. Đến năm 1923-1926 Madrolle đã có nghiên cứu nước nóng nước khoáng
cho 19 nguồn ở trên lãnh thổ Việt Nam (Madrolle C. 1923). Sau này hàng loạt
nhiều công trình nghiên cứu, thành lập bản đồ nước nóng, nước khoáng trên lãnh
thổ nước ta đã được tiến hành. Cho tới nay đã phát hiện hàng trăm điểm lộ nước
khoáng nóng trên phạm vi cả nước. Các kết quả nghiên cứu của Cao Duy Giang
ở khu vực Tây Bắc Bộ và Đông Bắc Bộ trong hai thời kỳ khác nhau đều có kết
quả tương tự với như nghiên cứu của Hoàng Hữu Quý và nnk, tức là đánh giá
được các nhiệt độ dưới sâu của nguồn địa địa nhiệt xuất lộ trên bề mặt và một
đánh giá về tiềm năng trong các nguồn của khu vực. Các nghiên cứu về các điểm
xuất lộ nước khoáng này là tiền đề quan trọng việc tiến hành nghiên cứu sâu hơn
về tiềm năng địa nhiệt Việt Nam cho các mục đích khách nhau mà trước mắt là
nghiên cứu các bồn địa nhiệt, làm cơ sở cho nghiên cứu ứng dụng cao hơn về
phát điện sử dụng năng lượng địa nhiệt.
Đối với các nghiên cứu địa nhiệt ở nước ta như là một nguồn tài nguyên
năng lượng tái tạo mới được tiến hành vào năm 1981 bởi chuyên gia địa nhiệt
Mỹ - Jame Koenig dưới sự tài trợ của UNDP (Koenig J. 1981). Vào năm 1982,
theo yêu cầu của Tổng Cục Địa Chất, Cục Địa Chất Pháp (BRGM) đã cử chuyên
gia địa nhiệt A.Gadalia sang giúp chúng ta lập dự án nghiên cứu địa nhiệt, đi
khảo sát một số điểm và sau đó lập dự án xây dựng 1-2 nhà máy điện địa nhiệt có
quy mô nhỏ với mục đích thử nghiệm. Năm 1983, kết hợp với kết quả của đề tài
nghiên cứu đánh giá tiềm năng năng lượng địa nhiệt, Võ Công Nghiệp đã kết hợp
với chương trình năng lượng mới của Bộ Điện lực nhằm tổ chức nghiên cứu thử
nghiệm sử dụng năng lượng địa nhiệt để sấy một số nông thổ sản như: chè, cùi
dừa, sắn, khoai, chuối và cây thuốc tại Mỹ Lâm, Tuyên Quang và Hội Vân, Bình
Định với kết quả khả quan. Năm 1993, nhóm các chuyên gia địa nhiệt KRTA của
Newzealand cùng các nhà địa chất Việt Nam đã khảo sát nghiên cứu các nguồn
địa nhiệt tiềm năng ở Nam Trung Bộ Việt Nam cho mục tiêu năng lượng. Năm
1998 và 2004, các đề tài “Nghiên cứu, đánh giá tiềm năng năng lượng của các
6
nguồn địa nhiệt vùng Bắc Trung Bộ” và “Nghiên cứu, đánh giá tiềm năng năng
lượng của các nguồn địa nhiệt vùng Tây Bắc đồng bằng Bắc Bộ” do Cao Duy
Giang làm chủ biên đã được hoàn thành và hiện nay đề tài “Nghiên cứu, đánh giá
tiềm năng năng lượng của các nguồn địa nhiệt vùng Đông Bắc Bắc Bộ” đang
được Cao Duy Giang đã tiến hành. Ngoài ra cũng có một số nghiên cứu chuyên
đề nhỏ lẻ khác, xong cũng chỉ mang tính chất nghiên cứu rất sơ lược.
Gần đây, các công trình nghiên cứu của Vũ Văn Tích và những người
khác ở khu vực Uva tỉnh Điện Biên cho một tiềm năng lớn về khai thác năng
lượng địa nhiệt cho phát điện. Tuy nhiên tất cả các dự án nghiên cứu phát triển
này đều đã chưa đi đến kết quả hoàn chỉnh thành công do nhiều nguyên nhân
khác nhau.
Nhìn chung, hàng loạt công trình nghiên cứu khu vực về nước khoáng
nước nóng (NKNN) do các nhà địa chất thuỷ văn Việt Nam thực sự đã cho một
cái nhìn tổng quan về tài nguyên địa nhiệt toàn lãnh thổ Việt Nam. Riêng về
phương diện địa nhiệt đã có những công trình tổng hợp quan trọng của Dadalia
(Pháp), Koening (Mỹ), Maurder (New Zerland). Đặc biệt phải kể đến những
công trình: "Đánh giá tài nguyên địa nhiệt làm cơ sở thiết kế, khai thác, sử dụng
thử nghiệm vào mục đích năng lượng ở một số vùng triển vọng” của Võ Công
Nghiệp và nnk (1987), “Nghiên cứu sử dụng năng lượng địa nhiệt Hội Vân để
sấy khô” của Hoàng Văn Chước và nnk (1989), được xem là những viên gạch đặt
nền móng cho ngành khoa học địa nhiệt ở Việt Nam.
1.1.2. Nguồn gốc của Địa nhiệt
Các nghiên cứu về địa nhiệt nói chung trên thế giới đã được tiến hành từ
rất lâu chủ yếu tập trung và phát triển vào đầu thế kỷ thứ 19 với các nghiên cứu
cơ bản về nguồn gốc và nguyên nhân của nguồn địa nhiệt. Các kết quả nghiên
cứu này cho thấy địa nhiệt là nhiệt lượng được phát sinh và lưu giữ trong lòng
trái đất với các kiểu nguồn gốc (do các hoạt động địa chất tác động mà hình
thành nên) như sau:
- Nhiệt tàn dư tự nhiên của Trái đất: được lưu giữ ở bên trong Trái đất với
nhiệt độ rất cao (khoảng 2500oC) và giảm dần từ bên trong ra bên ngoài của trái
đất. Quy luật này được thể hiện theo địa nhiệt cấp, diễn giải theo địa nhiệt cấp
(gradient địa nhiệt), trung bình cứ xuống sâu 100m nhiệt độ trái đất tăng lên 2,53oC.
- Nhiệt được phát sinh do quá trình nguội lạnh của khối dung nham
7
magma: do không thoát ra được bề mặt nên nằm lại trong lớp vỏ trái đất và nguội
dần, tỏa nhiệt sang xung quanh làm cho các lớp đất đá ở quanh nó nóng lên.
- Nhiệt được sinh ra do quá trình phân rã của các quá trình phóng xạ của
các nguyên tố phóng xạ trong các đá;
- Hoạt động của đứt gẫy hiện đại là kênh dẫn dòng nhiệt và hơi nóng trong
lòng đất lên bền mặt.
1.1.3. Cơ chế hình thành và các biểu hiện của địa nhiệt trên bề mặt
Như chúng ta đã biết, vỏ Trái đất không phải là một khối vật chất liền
mạch mà bị phân chia ra thành các mảng lớn. Do động lực của đối lưu nhiệt phía
bên dưới, các mảng này có thể dịch chuyển ra xa nhau (đới phân kỳ) hoặc hút
vào nhau (đới hội tụ), hoặc trượt ngang qua nhau ở một vận tốc rất chậm (vài
cm/năm) (Hình 1.2).
Tại các đới phân kỳ ở giữa các đại dương (Spreading center) và tại các rift
lục địa, vỏ Trái đất được “tái sinh”. Tại các đới hội tụ, các mảng có thể trượt
trồm lên nhau (Subduction). Ở rìa của mảng trượt chìm, magma có thể phun trào
lên mặt đất trở thành lava. Tuy nhiên, đa phần magma không phun trào lên đến
bề mặt đất mà chỉ thường đun nóng một diện tích khổng lồ các lớp đất đá bên
dưới bề mặt đất, đồng thời đun nóng các dòng nước ngầm (bắt nguồn từ nước
mưa thấm qua bề mặt đất hoặc len theo các đứt gãy bề mặt xuống sâu trong lòng
đất). Nước ngầm bị đun nóng có thể đi lên mặt đất dưới dạng hơi nước hoặc dưới
dạng nước nóng. Đây chính là nguồn địa nhiệt mà con người khai thác hiện nay
[24].
Hình 1.2. Phân bố các mảng và kiểu ranh giới của chúng [49].
8
Trên thực tế, các dạng biểu hiện của nguồn nhiệt thường quan sát được
trên bề mặt đất như lỗ/khe núi lửa (fumarole), suối nước nóng (hot spring), bọt
bùn (mud pot) và một số dạng khác [24].
Hình 1.3. Các dạng biểu hiện của nguồn địa nhiệt thường quan sát được
trên mặt đất [24].
1.1.4. Các kiểu địa nhiệt
Ngày nay trên thế giới đã phân chia địa nhiệt ra làm 3 loại: Thủy địa nhiệt
(Hydrothermal), Địa nhiệt tầng sâu (Enhanced Geothermal System) và Địa nhiệt
tầng nông (Geothermal Heat Pump):
+ Thủy địa nhiệt (Hydrothermal): là dạng địa nhiệt được tích trữ trong các
chất lưu, để có thể thu được các nguồn nhiệt, cần thiết phải có môi trường để đưa
nhiệt từ dưới sâu lên trên mặt đất, môi trường đó chính là nước, bùn nóng, khí
nóng bốc hơi...(Hình 1.3). Vì vậy một hệ địa nhiệt thường phải có đủ các yếu tố:
nguồn nhiệt, nước hay còn gọi là “dung dịch địa nhiệt” và bồn chứa nước ở dưới
lòng đất mà ở đó nước (khí, bùn lỏng...) được đun nóng lên.
+ Địa nhiệt tầng sâu (Enhanced Geothermal System): Đây là nhiệt theo
gradient về chiều sâu của vỏ trái đất, theo đó càng đi sâu vào lòng trái đất thì
nhiệt lượng càng cao. Do đó, việc tìm kiếm các khu vực vỏ trái đất xuất lộ nguồn
nhiệt lớn giúp cho việc khai thác nguồn năng lượng này cho phát triển kinh tế.
Hiện nay một số nước trên thế giới đã khai thác tốt tiềm năng này như: Mỹ, Đức,
Australia, Pháp, Nhật Bản và sắp tới là cả Hàn Quốc. Việc khai thác nguồn năng
9
lượng này đã được phát triển ở mức cao về công nghệ, đặc biệt là công nghệ khai
thác năng lượng này cho phát điện và sưởi ấm.
+ Địa nhiệt tầng nông (Geothermal Heat Pump - là một phần của địa
nhiệt): nói đến việc khai thác sự chênh lệch giữa nhiệt độ không khí trên bề mặt
và trong lòng đất tại một vị trí nào đó trên trái đất, nhờ một dung dịch trung gian
có thể chuyền nhiệt, để hấp thụ và phát tán nhiệt, để làm cân bằng nhiệt giữa hai
môi trường dưới lòng đất và không khí. Nhờ đó mà tiết kiệm được năng lượng để
sưởi ấm hoặc làm mát các tòa nhà và công trình dân dụng công cộng khác trên bề
mặt đất. Công nghệ địa nhiệt tầng nông (Geothermal Heat Pump) chủ yếu nghiên
cứu ở tầng nông của vỏ trái đất cỡ vài chục mét - vì thế nên gọi là địa nhiệt tầng
nông. Hiện nay ở nước ta hầu như chưa có nghiên cứu nào đáng kể về sử dụng
địa nhiệt tầng nông và dĩ nhiên là hầu như chưa ứng dụng được nhiều đối với loại
ứng dụng này.
Các nghiên cứu trước đó về địa nhiệt đã đề cập và chỉ ra rằng biểu hiện
xuất lộ trên bề mặt của nguồn địa nhiệt là rất đa dạng. Nó có thể chỉ là một điểm
bùn nóng, có thể chỉ là điểm nước khoáng nóng, tuy nhiên để thu được nhiệt từ
dưới bề mặt cần sự hiện diện của một chất lưu có chức năng vận chuyển (thường
là nước) và do đó tùy theo độ sâu mà công tác khoan thăm dò và khai thác đến
một độ sâu đủ lớn để đạt được nhiệt độ có thể phục vụ các hoạt động cần thiết
phục vụ con người. Nhiệt độ của chất mang và phương thức sử dụng là một trong
những nhân tố quan trọng trong phân loại các bồn chứa, theo đó các nhà nghiên
cứu đã xác định được bốn loại bồn địa nhiệt như sau (Hình 1.4):
- Bồn nhiệt độ cao: Trong một khối magma granit tầng sâu dưới một tầng
đá trầm tích, nước lạnh được bơm xuống và nước nóng được chiết xuất một cách
như vậy, từ đó tạo ra hơi nước nóng để sản xuất điện.
- Bồn nhiệt độ trung bình: Nước ngầm nóng được rút ra từ một tầng nước
ngầm sâu để trao đổi nhiệt trong một hệ thống sưởi ấm đô thị, và nước lạnh được
tái bơm vào nguồn ban đầu;
- Bồn nhiệt độ thấp: Nhiệt được khai thác thông qua một bộ thiết bị trao
đổi nhiệt chôn vùi, cung cấp thông qua một chất mang có nhiệt độ ổn định để làm
nóng một ngôi nhà vào mùa đông và làm lạnh trong mùa hè (công nghệ GSHPGeothermal source heat pump).
- Bồn nhiệt xuất lộ trực tiếp: Một quá trình đối lưu nhiệt tự nhiên gây ra
bởi một quá trình lưu thông nước ngầm.
10
Hình 1.4. Ví dụ minh họa về các loại hình bồn chứa khai thác năng lượng địa
nhiệt (theo IGC, 2011), trong đó: (1) Bồn nhiệt độ cao; (2) Bồn nhiệt độ
trung bình; (3) Bồn nhiệt độ thấp; (4) Bồn nhiệt xuất lộ trực tiếp.
1.2. Mối tương quan giữa các ứng dụng của Địa nhiệt và nhu cầu cuộc sống
1.2.1. Khai thác nước khoáng nóng
Theo từ điển bách khoa Việt Nam [42]: “Nước khoáng là nước dưới đất
hoặc nước suối tự nhiên ở sâu trong lòng đất hoặc phun chảy lên mặt đất có hòa
tan một số muối khoáng (muối vô cơ) nào đó có hoạt tính sinh học (CO 2, H2S,
As…), có tác dụng chữa và phòng bệnh, bồi bổ sức khỏe. Một số loại nước
khoáng có tính chất phóng xạ và nhiệt độ tăng cao khi mới phun ra ở miệng suối.
Theo thành phần có những loại nước khoáng Cacbonat, nước khoáng chứa sắt,
nước khoáng chứa Dihydrosunphua…
Cho đến nay, rất nhiều tài liệu nghiên cứu khoa học trên thế giới và tại
Việt Nam đã công bố các kết quả khả quan khi sử dụng nước khoáng chữa bệnh.
Nhìn chung, các nhóm bệnh đó tập trung vào bệnh cơ xương khớp, hô hấp,
chuyển hóa, ngoài da. Mô hình đánh giá hiệu quả khá đầy đủ bao gồm nhóm sử
dụng nước khoáng chữa bệnh và nhóm đối chứng. Cụ thể một số bệnh có thể
chữa bằng cách sử dụng nước khoáng như:
- Các bệnh cơ xương khớp, hệ vận động: Nhóm bệnh này thường được
chữa trị tại nguồn nước khoáng nhiệt độ tương đối cao, chứa lưu huỳnh, nguyên
tố phóng xạ (Radon, Radi, Urani…). Nghiên cứu chữa bệnh viêm khớp dạng thấp
bằng mô hình song song dùng nước khoáng Radon (1,3 kBq/l)/ CO 2 với nhóm
11
đối chứng là nước có CO2 nhân tạo hoặc nghiên cứu chữa bệnh kết hợp nước
khoáng Radon và bài tập thể dục cho viêm cứng đốt sống đã cho thấy Rn thực sự
có tác dụng [14, 41, 49].
- Bệnh tăng huyết áp (Arterial hypertension): Nguồn nước khoáng chứa
Radon rất có lợi cho các bệnh nhân tăng huyết áp. Trong các thử nghiệm lâm
sàng, mức độ tăng huyết áp được cải thiện. Với nồng độ Radon 40nCi/l, huyết áp
người bệnh trước chữa bệnh 183,3 ± 3,32/106,6 ± 2,02 đã giảm còn 153,1 ± 3,06/
90,0 ± 2,06 [4].
- Bệnh ngoài da (Dermatologie): Bệnh vẩy nến (arthropathic psoriasis)
được điều trị bằng tắm bồn và đắp bùn đã làm giảm xung huyết. Chữa vẩy nến
dạng phân tán, đặc biệt đi kèm với ngứa bằng việc kết hợp sử dụng nước khoáng
và thuốc rất thành công nhưng không được chỉ định cho vẩy nến ban đỏ
(erythrodermal), ngoài da mụn mủ. Ngoài ra, bệnh sẩn ngứa mạn tính ở người
lớn, rất khó chữa nhưng có thể đáp ứng tốt bởi liệu pháp tắm nước khoáng.
- Bệnh chuyển hóa (Metabolic disease): Thực nghiệm tại nguồn NK
Radon Misasa (Nhật Bản): 20 bệnh nhân từ 50 - 70 tuổi được lấy mẫu máu sau
khi hít thở bầu không khí với hàm lượng Radon 2080 Bq/m 3. Tổng lượng
cholesterol trong máu và mức độ oxy hoá mỡ của các bệnh nhân viêm khớp mãn
tính đã giảm. Lượng cholesterol trước và sau chữa bệnh từ 105 ± 4 (mg/dl) giảm
xuống còn 84 ± 6 (mg/dl) trong khi nhóm chứng vẫn giữ nguyên. Mức độ oxy
hoá mỡ từ 1,00 ± 0,10 (mmol/mL) còn 0,73 ± 0,07 (mmol/mL) [50].
- Điều trị hen phế quản và hen dị ứng. Các công trình nghiên cứu
trước đó đã giúp phát hiện vai trò hệ miễn dịch trong chữa bệnh [25, 39, 40].
Tuy nhiên thực tế hiện nay, việc khai thác và sử dụng nước khoáng tại
Việt Nam còn rất khiêm tốn. Trong tổng số 164 nguồn nước khoáng Miền Bắc
Việt Nam đã thống kê, chỉ có 27 nguồn đang thực sự đóng góp vào cuộc sống
hàng ngày của con người, bao gồm 12 nguồn để tắm và đóng chai, thành lập khu
điều dưỡng ở 8 nguồn, 7 nguồn còn lại làm nước sinh hoạt cho cư dân địa
phương. Các cơ sở lâu năm trong lĩnh vực khai thác nước khoáng chữa bệnh và
hồi phục chức năng có những bước đổi thay về đầu tư, quy mô, được nâng cấp về
trang thiết bị như: Viện điều dưỡng Mỹ Lâm (Tuyên Quang), Viện điều dưỡng
và hồi phục chức năng Quang Hanh (Quảng Ninh). Nhiều nguồn nước khoáng
được khai thác và xây dựng thành những khu du lịch nghỉ dưỡng theo kiểu du
lịch sinh thái như Tản Đà (Hà Nội), Sông Thao (Phú Thọ). Sở du lịch Nghệ An
12
