Các quá trình vật lý và hóa học của hồ - Chương 5

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:43

Thêm vào BST

Báo xấu

57
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Những chất đồng vị bền vững trong hồ nước ngọt và nước mặn 5.1 Lời giới thiệu Việc làm giầu lên của những đồng vị nặng (H218O và HDO) trên mặt n ớc và mặt hồ, thực sự đã đ ợc quan sát trong suốt quá trình nghiên cứu sự thay đổi của các chất đồng vị bền vững trong chu kỳ thuỷ văn, từ thời kỳ đầu (Rankama 1954). Craig (1961a) để ý rằng những thành phần cấu tạo đồng vị của n ớc từ những hồ ở Châu Phi đã bị thay thế đồng vị -18O trong -D có...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Các quá trình vật lý và hóa học của hồ - Chương 5

Ch ¬ng 5 Nh÷ng chÊt ®ång vÞ bÒn v÷ng trong hå n íc 230 http://www.ebook.edu.vn
ngät vμ n íc mÆn 5.1 Lêi giíi thiÖu ViÖc lμm giÇu lªn cña nh÷ng ®ång vÞ nÆng (H218O vμ HDO) trªn mÆt n íc vμ mÆt hå, thùc sù ®· ® îc quan s¸t trong suèt qu¸ tr×nh nghiªn cøu sù thay ®æi cña c¸c chÊt ®ång vÞ bÒn v÷ng trong chu kú thuû v¨n, tõ thêi kú ®Çu (Rankama 1954). Craig (1961a) ®Ó ý r»ng nh÷ng thμnh phÇn cÊu t¹o ®ång vÞ cña n íc tõ nh÷ng hå ë Ch©u Phi ®· bÞ thay thÕ ®ång vÞ -18O trong -D cã liªn quan tíi thμnh phÇn dßng ch¶y cña c¸c lo¹i n íc ngät kh¸c, mμ cÊu tróc thμnh phÇn cña chóng tu©n theo ® êng n íc khÝ t îng (MWL). ViÖc lμm giÇu lªn cña c¸c lo¹i ®ång vÞ nÆng nμy ®· ® îc sö dông réng r·i nh mét " dÊu hiÖu" ®Ó nhËn biÕt sù ®ãng gãp cña n íc hå vμo n íc ngÇm (Payne 1981; Darling cïng mét vμi ng êi kh¸c 1990; Krabhenhoft cïng vμi ng êi kh¸c 1990). Vμ h¬n thÕ n÷a, nã còng lμ mét phÐp ®o vÒ c©n b»ng cña n íc hå, ®Æc biÖt lμ ®o kh¶ n¨ng bèc h¬i cña n íc. Tr íc ®ã , ph ¬ng ph¸p nμy ®· ® îc kiÓm nghiÖm l¹i bëi Dincer (1968), nhãm cña Gat (1968), Pearson vμ Coplen(1978), Moser vμ Rauert (1980), Gat (1981), Zuber (1986) vμ nh÷ng ng êi kh¸c ®· tãm t¾t l¹i ®Ò tμi nghiªn cøu nμy. C¬ së cho "dÊu hiÖu cña chÊt ®ång vÞ dÔ bay h¬i " trªn bÒ mÆt n íc lμ sù ph©n ®o¹n c¸c ®ång vÞ, x¶y ra ngay t¹i mÆt tiÕp xóc gi÷a kh«ng khÝ-n íc vμ kÌm theo qu¸ tr×nh bèc h¬i. Theo Craig vμ Gordon (1965; Merlivat vμ Coartic còng nh×n nhËn vÊn ®Ò t ¬ng tù 1975 ). Sù ph©n ®o¹n bÞ t¸c ®éng bëi hai thμnh phÇn: do mét thùc tÕ lμ c¸c chÊt ®ång vÞ s¸ng h¬n ® îc thÝch øng trong qu¸ tr×nh chuyÓn tiÕp tõ láng sang h¬i. Do sù chªnh lÖch khÝ ¸p gi÷a c¸c chÊt ®ång vÞ (c¸i ® îc gäi lμ ¶nh h ëng cña tr¹ng th¸i c©n b»ng ®ång vÞ). Vμ mét t¸c ®éng n÷a (th êng ® îc gäi lμ t¸c ®éng cña ®éng lùc häc hay sù vËn chuyÓn c¸c chÊt ®ång vÞ) ®ã lμ kÕt qu¶ cña sù kh¸c nhau vÒ tèc ®é lan truyÒn cña c¸c ®ång vÞ ph©n tö n íc th«ng qua líp biªn kh«ng khÝ. H×nh 5.1 cho ta thÊy gi¶n ®å quan hÖ gi÷a hå vμ m«i tr êng. Sù thay ®æi cña c¸c chÊt ®ång vÞ bÒn v÷ng theo c¸ch: mét phÇn tö bÒ mÆt n íc tiÕp xóc víi khÝ quyÓn cã thÓ ® îc diÔn to¸n theo c«ng thøc sau: d (V . L ) F (in). in F (out ). L E. c (1) dt trong ®ã: V = thÓ tÝch cÇn nghiªn cøu F(in) = tæng l îng nhËp (nh l îng gi¸ng thuû, c¸c dßng ch¶y mÆt, vμ l îng ch¶y ra cña n íc ngÇm...) F(out)= tæng l îng tiªu hao ( bao gåm c¶ l îng n íc ngÇm bÞ rß rØ vμ l îng nhËp vμo s«ng..) E = l îng bèc h¬i 231 http://www.ebook.edu.vn
L, in, vμ c = theo thø tù lμ nh÷ng thμnh phÇn cÊu t¹o cña ®ång vÞ bÒn v÷ng trong n íc hå, n íc ngÇm trong khe nói, vμ dßng bèc h¬i. B¶ng 5.1. Sù lμm giÇu nh÷ng ®ång vÞ kim lo¹i nÆng trong c¸c tr êng hîp Tr êng hîp 1: ao hå kh« c¹n, chÊt dång vÞ ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh. ( kh«ng cã tr¹ng th¸i thuû v¨n æn ®Þnh trong tr êng hîp nμy) (1 h) ( ) Ck 0 0 0 ss a a h hh trong ®ã * 0 a (1 h).( * Ck ) h Tr êng hîp 2: C¸c yÕu tè thuû v¨n vμ chÊt ®ång vÞ ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh trong tr êng hîp hå c¹n * h( ) h( (1 h)C k ss in a in a in trong ®ã * a in * (1 h)( Ck ) Tr êng hîp 3: C¸c yÕu tè thuû v¨n vμ chÊt ®ång vÞ ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh trong tr êng hîp hå cã dßng ch¶y qua (1 h) Ck a in a in h h h F (in) (1 h) F (in) (1 h) ss in 1 . 1 . E h E h * a in trong ®ã: * (1 h)(Ck ) F (in) h (1 h). E h, chiÒu cao líp Èm, a thμnh phÇn ®ång vÞ cña ®é Èm kh«ng khÝ, 0 thμnh phÇn ®ång vÞ ban ®Çu cña n íc khi ë thÓ h¬i, in thμnh phÇn ®ång vÞcña dßng nhËp, ss thμnh phÇn ®ång vÞ ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh cña hå, * , Ck lÇn l ît lμ nh©n tè ¶nh h ëng ®Õn tr¹ng th¸i c©n b»ng cña ®ång vÞ vμ h»ng sè ®éng lùc häc. ______________________________________________________________ Trong mÆt c¾t 1.1, cho ta ph ¬ng ph¸p gi¶ quyÕt ph ¬ng tr×nh c©n b»ng nμy. B¶ng 5.1 cho ta c«ng thøc (2) vÒ sù hoμ tan cña c¸c ®ång vÞ ® îc tÝch luü phÝa ®¸y hå, n¬i cã chÕ ®é æn ®Þnh vμ ph ¬ng ph¸p ®Ó lμm kh« nh÷ng vïng bÞ ngËp n íc. Tuy nhiªn, t¹i vÞ trÝ quan tr¾c thùc tÕ hiÕm khi gÆp ® îc tr¹ng th¸i æn ®Þnh cña n íc. Kh«ng chØ ë nh÷ng hÖ thèng mÆt n íc thay ®æi ®iÓn h×nh, do qu¸ tr×nh mang tÝnh ngÉu nhiªn, mμ cßn do c¶ tÝnh thay ®æi theo mïa vèn cã ®èi víi thμnh phÇn ®ång vÞ bÒn v÷ng cña c¶ dßng nhËp vμ ®é Èm kh«ng khÝ, trong c©n b»ng thuû v¨n vμ trong mèi t ¬ng quan gi÷a tèc ®é dßng ch¶y vμo vμ tèc ®é bèc h¬i, gièng nh trong chÕ ®é tæng hîp cña hå. CÊu tróc cña c¸c ®ång vÞ trong hå ph¶n ¸nh møc ®é thay ®æi, theo c¸ch ®ã m« h×nh trë nªn phøc t¹p h¬n. HÇu hÕt nh÷ng nghiªn cøu hiÖn t¹i ®· ng¨n c¶n sù cè g¾ng ®Ó ® a ra 232 http://www.ebook.edu.vn
nh÷ng th«ng tin vÒ nh÷ng mÉu chiÕt cña n íc dùa trªn c¬ së thμnh phÇn cÊu t¹o ®ång vÞ cña c¸c chÊt hoμ tan æn ®Þnh c¬ b¶n. Sù thay ®æi c¸c sè liÖu, mïa hoÆc nh÷ng thay ®æi kh¸c khi ®ã th êng hîp thμnh lçi trong ph©n tÝch, vμ lμ nguyªn nh©n g©y ra mét vμi ®¸nh gi¸ sai cña ph ¬ng ph¸p c©n b»ng ®ång vÞ trong nghiªn cøu hå (Lewis 1970; Zimmerman vμ Ehhalt 1970). H×nh 5.1. Sù miªu t¶ cña mèi t ¬ng quan vÒ mÆt thuû v¨n gi÷a mét hå vμ m«i tr êng cña nã. X biÓu thÞ dßng trao ®æi gi÷a n íc trªn mÆt vμ l îng Èm trong khÝ quyÓn, vμ dÊu suy ra sù trao ®æi gi÷a líp n íc bªn trªn bÞ x¸o trén vμ tÇng n íc hå s©u. Tuy nhiªn, tÝnh cùc nh¹y cña mét thμnh phÇn cÊu t¹o ®ång vÞ trong hå víi sù thay ®æi cña m«i tr êng vμ nh÷ng thay ®æi cña chÕ ®é thuû v¨n cã kh¶ n¨ng ® îc sö dông phÐp ®o gi¸ trÞ nh gi¸ trÞ cña mét dông cô ®o l êng, c¶ trong tr êng hîp quan tr¾c trùc tiÕp m«i tr êng vμ sù thay ®æi cña c¸c ®¹i l îng thuû v¨n. Nh mét chØ sè cña nh÷ng ®¹i l îng cæ, nh÷ng tμi liÖu vÉn ®ang ® îc sö dông thÝch hîp, gi¶ sö nh c¸c chØ sè vÒ cacbonat trong trÇm tÝch ë hå ®Çm (Stuiver 1970; Lemeille cïng nh÷ng ng êi kh¸c 1983; Talbot 1990). Trong phÇn sau cña ch ¬ng nμy, thμnh phÇn cÊu t¹o cña nh÷ng ®ång vÞ trong c¸c hå kh¸c nhau sÏ ® îc th¶o luËn, dùa trªn c¬ së ph ¬ng ph¸p luËn vÒ nh÷ng th«ng tin cÇn thiÕt cã liªn quan, ® îc thÓ hiÖn ë phÇn 1.1. Nh÷ng th«ng tin cã liªn quan ®Õn kho chøa n íc vμ ®éng lùc trong mét hÖ thèng hå cã thÓ ® îc luËn ra tõ tμi liÖu vÒ chÊt ®ång vÞ. Nh÷ng yÕu tè c¬ b¶n ®Çu tiªn ® îc ¸p dông ®Ó lμm ®¬n gi¶n ho¸ vμ ®ång nhÊt hÖ thèng. TiÕp theo chóng ta sÏ chuyÓn sang nh÷ng vÊn ®Ò phøc t¹p h¬n vÒ hå, víi mét cÊu tróc ph©n tÇng th¼ng ®øng, mét ph¹m vi réng vÒ ®Þa chÊt hoÆc víi ®é mÆn cao. BÊt cø lóc nμo cÇn, lu«n cã s½n nh÷ng mÉu vÒ nh÷ng nghiªn cøu mμ trong ®ã cã sö dông tμi liÖu vÒ c¸c chÊt ®ång vÞ phôc vô cho viÖc thu thËp c¸c sè liÖu vÒ nghiªn cøu thuû v¨n hå, c©n b»ng n íc, sù t ¬ng t¸c gi÷a c¸c chÊt víi m«i tr êng cña nã. ChØ cã ®iÒu, trong rÊt nhiÒu tr êng hîp nã chØ thùc hiÖn ®Ó chØ 233 http://www.ebook.edu.vn
ra nh÷ng ph ¬ng ph¸p tèi u vÒ mÆt lý thuyÕt nghiªn cøu ®ång vÞ, cã thÓ ¸p dông trong t ¬ng lai. 5.1.1 Sù ph©n t¸n c¸c chÊt ®ång vÞ trong qu¸ tr×nh bèc h¬i C¸ch gi¶i quyÕt c«ng thøc (1) tuú thuéc gi¸ trÞ cña thμnh phÇn cÊu t¹o cña chÊt ®ång vÞ trong (1) ( c ). Nã kh«ng tu©n theo nh÷ng nguyªn t¾c trong ®o ®¹c. Chóng ta chØ cã thÓ t×m thÊy gi¸ trÞ cña nã trong mét sè tr êng hîp ®Æc biÖt, hy h÷u nh : khi sù bèc h¬i lμ liªn tôc kh«ng gi¸n ®o¹n (gièng nh tr êng hîp tho¸t h¬i n íc ë thùc vËt), hoÆc nh trongtr êng hîp hå ë tr¹ng th¸i c¹n kiÖt, khi ®ã viÖc xem xÐt vÒ c©n b»ng vËt chÊt cßn tuú thuéc vμo mèi t ¬ng quan gi÷a (1) vμ dßng nhËp cã ngang b»ng nhau kh«ng. NghÜa lμ: m= e. Trong nh÷ng tr êng hîp kh¸c, khi ph¶i sö dông ®Õn lý thuyÕt m« h×nh cña sù vËn chuyÓn h¬i n íc tõ bÒ mÆt vμo khÝ quyÓn. Theo c«ng thøc cña Craig vμ Gordon (1965) c ® îc cho bëi mèi quan hÖ: * ( . L h. ) a (2) (1 h) e hoÆc cã thÓ viÕt gÇn ®óng d¹ng: h. a L (2a) 1h e trong ®ã: h lμ ®é Èm t ¬ng ®èi, ® îc chuÈn ho¸ hoÆc ®ång ho¸ víi h¬i n íc ®· b·o hoμ ngay trªn bÒ mÆt chÊt láng. a lμ hμm l îng ®ång vÞ cña h¬i n íc trong khÝ quyÓn *, lÇn l ît lμ hÖ sè tr¹ng th¸i c©n b»ng vμ tæng ®¬n vÞ thμnh phÇn ph©n ®o¹n *, ® îc x¸c ®Þnh theo: * * (1 ) vμ (1 ) * Nh÷ng tham sè nμy ® îc liªn hÖ víi nhau theo quan hÖ: Trong c«ng thøc vÒ sù ph©n ®o¹n, do sù khuyÕch t¸n cña c¸c ph©n tö n íc th«ng qua líp biªn cña kh«ng khÝ, ® îc biÓu diÔn th«ng qua tham sè . §Ó biÓu diÔn tham sè nμy, dùa trªn c¬ së lý thuyÕt vÒ m« h×nh søc c¶n cña Langmuir, Craig vμ Grodon(1965) ®· ® a ra d¹ng c«ng thøc sau: i. A (1 h) 1 1 iB A B A B (1 h) 1 (3) iA A A (1 h) .C k vμ i lÇn l ît lμ søc c¶n chuyÓn ®éng : øng víi ký hiÖu i ®øng tr íc trong ®ã 234 http://www.ebook.edu.vn
lμ dμnh cho c¸c chÊt ®ång vÞ ®Æc tr ng, cßn øng víi ký hiÖu (A vμ B) ®øng tr íc lμ ë líp khuyÕch t¸n gÇn bÒ mÆt ph©n giíi vμ vïng nhiÔu ®éng bªn trªn nã. VÕ ph¶i cña c«ng thøc nμy ¸p dông khi c«ng nhËn kh«ng cã sù ph©n ®o¹n tù nhiªn do sù chuyÓn ®éng hçn lo¹n cña khÝ quyÓn. V× thÕ giíi h¹n 0 vμ iB A B nA 1 iA Giíi h¹n ® îc x¸c ®Þnh trong kho¶ng: trong tr êng hîp ® a Ck ¢ ®¬teri vμo ph©n tö n íc (giíi h¹n kho¶ng 130/00) vμ trong tr êng hîp ph©n tö ® îc d¸n nh·n O-18 (giíi h¹n lμ 150/00). Víi ®iÒu kiÖn phÇn tö giã ®iÒu hoμ trong qu¸ tr×nh bèc h¬i (giíi h¹n nμy ® îc ® a ra bëi Merlivat - 1970). Th êng th× c¸c tham sè giíi h¹n a vμ h ® îc ®o hoÆc ® îc íc l îng gÇn ®óng sao cho líp ë bªn d íi cã thÓ khuyÕch t¸n. V× thÕ B nhá kh«ng ®¸ng kÓ khi so s¸nh víi A , vμ giíi h¹n thªm trong c«ng thøc (3) cã thÓ ® îc bá qua. Ta cã thÓ viÕt ®¬n gi¶n h¬n: (1 h).C k (3a) ViÖc biÓu diÔn cã thÓ ® îc øng dông khi ta sö dông nh÷ng gi¸ trÞ cña c¸c phÇn tö giíi h¹n: h vμ a (® îc ®o b»ng cét khÝ). Nh÷ng gi¸ trÞ nμy kh«ng ph¶i lμ c¨n nguyªn cña sù h¹ thÊp mùc nø¬c trong cét khÝ, v× thÕ h vμ a kh«ng thay ®æi theo chiÒu cao. Tuy nhiªn, khi vÊn ®Ò nμy ® îc ® a ra th¶o luËn trong nh÷ng phÇn sau th× ®iÒu nμy cã thÓ sÏ kh«ng cßn ®óng n÷a. Nh khi xÐt mét hå lín víi dßng th¨ng lμ mét thμnh phÇn quan träng trong viÖc c©n b»ng n íc khÝ quyÓn hoÆc d íi nh÷ng ®iÒu kiÖn it x¸o trén trong suèt cét khÝ. Mét ®iÒu cÇn chó ý lμ: viÖc thμnh lËp c«ng thøc vÒ thμnh phÇn c¸c chÊt ®ång vÞ cña th«ng l îng b«c h¬i trong c«ng thøc (2) bao hμm kh¸i niÖm vÒ sù trao ®æi Èm gi÷a mÆt hå vμ khÝ quyÓn. Dßng kh«ng khÝ Èm quay ng îc l¹i (dßng gi¸ng) trë thμnh hiÖn t îng ®Æc tr ng nhÊt t¹i vïng biªn cña líp Èm kh«ng khÝ. Khi xÐt xa h¬n th× chó ý r»ng, chóng ta sÏ bá ®i mét vμi thμnh phÇn c¶n g©y ra sù x¸o trén cña chÊt láng theo ph îng th¼ng ®øng. Gi¶ ®Þnh trªn kh«ng ph¶i lμ lóc nμo còng hîp lý, ®Æc biÖt lμ trong ®iÒu kiÖn lÆng giã (theo Gat 1970 , Siªgnthale 1975 ). Víi e cã ® îc tõ c«ng thøc ( 2a) vμ do ph ¬ng tr×nh c©n b»ng n íc d¹ng: dV F (in) F (out ) E (4) dt Do ®ã c«ng thøc (1) cã thÓ ® îc viÕt l¹i nh sau: E h( L a) F (in) dL .( ) (5) (1 h) in L dt V V C«ng thøc nμy lμ c¬ së cho viÖc tÝnh to¸n sù tÝch luü ®ång vÞ trong c¸c thuû vùc mÆt. 235 http://www.ebook.edu.vn
Nh÷ng gi¶i ph¸p t ¬ng ®èi ®¬n gi¶n cã thÓ ® îc dïng cho hÖ thèng x¸o trén m¹nh mÏ víi ®iÒu kiÖn thuû v¨n æn ®Þnh trong c¶ hå cã dßng ch¶y ch¶y qua vμ hå ë tr¹ng thμi gÇn c¹n hay hå ®· kh« c¹n. Nh÷ng gi¶i ph¸p nμy ® îc thÓ hiÖn ë b¶ng tãm t¾t 1, vμ sÏ ® îc th¶o luËn ë phÇn 2. H×nh 5.2: §é dèc cña dßng bèc h¬i nh lμ mét hμm cña c¸c tham sè trong ph ¬ng tr×nh 6, cho 3 tr êng hîp d= (da - dn )=-12.0 vμ +10%o , theo thø tù lμ dßng MWL, dßng b¨ng. Trong viÖc so s¸nh nh÷ng thay ®æi t ¬ng øng gi÷a hai ®ång vÞ, ®Æc biÖt lμ ²H vμ 18O (nh÷ng thμnh phÇn dåi dμo nμy theo thø tù gièng nh D vμ 18, t ¬ng ® ¬ng víi møc SMOW (n íc ®¹i d ¬ng trung b×nh tiªu biÓu) (Craig 1961), nã ® îc xem nh kh«ng gièng víi nh÷ng ph©n ®o¹n ë tr¹ng th¸i c©n b»ng. ë ®©y D , ®é dèc S (trong ®ã ®èi ng îc nhau trong kh«ng gian) ® îc cho bëi D 18 18 tû lÖ cña c¸c nhãm nh©n tè ë tr¹ng th¸i c©n b»ng D* / 18*. Gi¸ trÞ cña tØ lÖ nμy dao ®éng trong kho¶ng 7,54 8,64 víi nhiÖt ®é dao ®éng trong kho¶ng 0 35 C (Majoube 1971). Khi nhiÖt ®é t =20 C nã dõng ë gi¸ trÞ b»ng 8, v× thÕ vμo kho¶ng cuèi n¨m 1961,Craig ®· ® a ra ®Þnh nghÜa vÒ ®é dèc cña nh÷ng ngÊn n íc trªn b¨ng. Theo mét c¸ch kh¸c, cã ®Þnh nghÜa t ¬ng tù vÒ ®é dèc cña nh÷ng dßng th¨ng (cña h¬i n íc). Nh÷ng ® êng nμy sÏ v¹ch ra nh÷ng ® êng biÕn thiªn cña trong qu¸ tr×nh bèc h¬i. 236 http://www.ebook.edu.vn
h( ) a in D Tõ c«ng thøc (5) ta cã: (6) S h( in ) a IN Bëi v× ®é lín cña Ck cho tÊt c¶ c¸c ®ång vÞ ®Æc biÖt lμ nh nhau (13 vμ 15%o theo thø tù cho D vμ O-18). HÖ sè nμy cho thÊy r»ng: ®é dèc cña dßng th¨ng lμ kh«ng ®¸ng kÓ so víi ®é dèc cña "dßng ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ". §é dèc cña dßng th¨ng theo c«ng thøc (6) phô thuéc vμo nh÷ng tham sè giíi h¹n cña khÝ quyÓn. Cô thÓ lμ, ®é Èm vμ thμnh phÇn cña chÊt ®ång vÞ trong h¬i Èm cña khÝ quyÓn, c¸c nhãm ®ång vÞ H2 cho ta gi¸ trÞ ®é dèc cña dßng th¨ng víi D ®èi nghÞch víi 18 trong kh«ng gian nh hμm sè ( a - in )18 víi nh÷ng gi¸ trÞ biÕn thiªn cña ®é Èm vμ víi nh÷ng gi¸ trÞ kh¸c cña d= da - dn (ë ®©y da vμ dn lÇn l ît lμ gi¸ trÞ " d-d " cña ®é Èm kh«ng khÝ vμ l îng nhËp vμo thuû vùc. Gi¸ trÞ "d-d " ®· ® îc Dansgaard ®Þnh nghÜa vμ ® îc tÝnh b»ng c«ng thøc: d=8 18 - D. Mét kh¸i niÖm t ¬ng tù còng ® îc Gat chØ ra vμo n¨m 1971, nh ng do nh÷ng gi¸ trÞ kh¸c nhau cña Ck, cô thÓ víi Gat «ng cho Ck b»ng 32 vμ 16%o lÇn l ît øng víi 18O vμ D. Ngay sau ®ã nh÷ng gi¸ trÞ 15 vμ 13%o xuÊt hiÖn vμ ®ùoc ®¸nh gi¸ lμ thùc tÕ h¬n. §iÒu nμy ® îc l u ý trong tr êng hîp khi mμ ®é Èm vμ dßng nhËp ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ®ång vÞ. Tøc lμ ë ®©y: da - dn = - * vμ d 0 th× gi¸ trÞ cña S kh«ng phô thuéc vμo ®é Èm vμ ® îc cho bëi tû sè: * C k D /( * C k ) 18 3.55 . §©y lμ tr êng hîp th êng x¶y ra ë nh÷ng vïng n»m trong lôc ®Þa (Craig vμ Horribe 1967). Nã cßn ® îc më réng h¬n víi nh÷ng ®iÓm ®Æc biÖt n»m riªng lÎ. Sù phô thuéc cña ®é dèc vμ ®é Èm th× ng îc l¹i. §é lμm giÇu thùc (cã liªn quan tíi gi¸ trÞ ban ®Çu cña in ) sÏ h íng vÒ bÒ mÆt cña ®èi t îng n íc bëi qu¸ tr×nh bèc h¬i vμ biÕn ®æi cña h¬i n íc. Víi 18O hoÆc ®¬teri th× phô thuéc vμo tÊt c¶ c¸c tham sè trong c«ng thøc (5), bao gåm nh÷ng tham sè thuû v¨n nh l îng xuÊt chuyÓn trong hå, thÓ tÝch hçn hîp.v.v. HiÓn nhiªn, b»ng ® êng ®ång vÞ ®· ® îc x¸c ®Þnh cho mét hå nμo ®ã, ng êi ta cã thÓ thu ® îc nh÷ng kÕt qu¶ vÒ ®o ®¹c nh vÒ c©n b»ng thuû v¨n vμ sù thay ®æi cña nã theo thêi gian. Cã thÓ xem minh ho¹ trong phÇn 2. 5.2 Hå cã diÖn tÝch nhá Trong môc nμy, mét hå gi¶ t ëng ® îc ® a ra ®Ó th¶o luËn. Phôc vô cho môc tiªu nμy, nh÷ng ®Æc tr ng sau coi nh ®· ® îc thõa nhËn: 1. Mét thÓ tÝch x¸o trén trong ®ã kh«ng tån t¹i tÝnh chÊt bÊt ®ång nhÊt cña c¸c thμnh phÇn ®ång vÞ theo c¶ ph ¬ng ngang vμ ph ¬ng th¼ng ®øng (¶nh h ëng cña sù ph©n tÇng theo ph ¬ng th¼ng ®øng sÏ ® îc xem xÐt ë môc 2.2). 2. Víi mét khu vùc ®Þa lý giíi h¹n, cã thÓ ® îc cho r»ng: m«i tr êng ®Æc biÖt lμ ®é Èm m«i tr êng xung quanh kh«ng bÞ ¶nh h ëng bëi th«ng l îng bèc h¬i tõ hå. C¸c nghiÖm tr¹ng th¸i æn ®Þnh cho c©n b»ng ®ång vÞ cña c¸c hå gi¶ t ëng nμy. Víi gi¶ thiÕt c¸c tham sè kh«ng thay ®æi theo thêi gian, cho ë b¶ng 1, lμ: 237 http://www.ebook.edu.vn
a in h (7) L. SS in Fin (1 h) 1 . E h Gi¸ trÞ nμy phô thuéc vμo th«ng sè h, a vμ c¸c ®Æc tr ng thuû v¨n cña hå. Cô thÓ lμ tû sè th«ng l îng dßng ch¶y: F(in)/E. NhiÖt ®é vμ c¸c th«ng sè ®iÓn h×nh nhÊt cña m«i tr êng ® îc biÓu diÔn th«ng qua mét Èn sè. T¸c ®éng cña c¶ giíi h¹n Èm (th«ng qua sù phô thuéc vμo ¸p suÊt b·o hoμ h¬i n íc cña n íc trªn bÒ mÆt) vμ hÖ sè ph©n ®o¹n tr¹ng th¸i c©n b»ng cña ®ång vÞ: * (Majoube 1971). Nh biÓu diÔn trªn h×nh 3, ®é lμm giÇu cña ®ång vÞ trong hå rÊt nh¹y víi m« h×nh thuû v¨n. NÕu ng êi ta so s¸nh hÖ thèng 3 m« h×nh vÒ sù bèc h¬i cña hå, giíi h¹n cña hå th× thu ® îc tæng kÕt nh trong b¶ng 5. Vμ hÖ thèng th«ng l îng dßng ch¶y trong hå th× hiÓn nhiªn lμ c¸c thμnh phÇn ®ång vÞ trong giíi h¹n cña hå sÏ phô thuéc vμo h íng thay ®æi cña thμnh phÇn ®ång vÞ trong dßng nhËp (thμnh phÇn ®ång vÞ trong dßng nhËp th êng xuyªn bÞ suy yÕu bëi c¸c thμnh phÇn ®ång vÞ nÆng) so víi sù lμm giμu ë møc ®é cao cña n íc trong qu¸ tr×nh bèc h¬i cña hå. Th«ng l îng thμnh phÇn ®ång vÞ cña hå gÇn nh ngang b»ng víi gi¸ trÞ cña dßng nhËp, víi th«ng sè F(in)/E t ¬ng ®èi lín. §iÒu nμy kh«ng qu¸ kinh ng¹c v× sù thay ®æi nh¹y bÐn trong tû sè th«ng l îng dßng ch¶y lμ cao nhÊt. Víi nh÷ng ®iÒu kiÖn trªn khi mμ sù bèc h¬i lμ nh©n tè chÝnh chi phèi hÖ thèng c©n b»ng n íc, tøc lμ khi ®é Èm t ¬ng ®èi ë møc thÊp vμ khi tû sè F(in)/E tiÕn ®Õn mét gi¸ trÞ ®¬n nhÊt. Thùc tÕ øng dông cña ph ¬ng tr×nh c©n b»ng ®ång vÞ trong n íc ®Ó x¸c ®Þnh thμnh phÇn c©n b»ng thuû v¨n lμ viÖc t×m gi¸ trÞ cña E hay cña suÊt chuyÓn ra khái hå, bÓ chøa. §Ó thùc hiÖn viÖc nμy, ta cÇn t×m gi¸ trÞ cña e, ®iÒu nμy ®· ® îc th¶o luËn trong phÇn ®Çu vμ ®Ó thu ® îc nã rÊt khã kh¨n do nã kh«ng thÓ rót ra ® îc trùc tiÕp tõ c¸c ®o ®¹c. §Ó nhËn ® îc e, ta ph¶i dùa vμo c«ng thøc (2) vμ ®Ó cã kÕt qu¶ ta cÇn ®Õn c¸c gi¸ trÞ cña a, h vμ gi¸ trÞ trung b×nh hîp lý cña thμnh phÇn ph©n ®o¹n, tÝnh to¸n cho qu¸ tr×nh víi thêi ®o¹n ®ñ dμi t ¬ng øng víi thêi gian n íc c tró trong hå. §iÒu nμy thÓ hiÖn nh÷ng vÊn ®Ò gÇn nh kh«ng gi¶i quyÕt ® îc bëi sù biÕn ®éng cña c¸c th«ng sè nμy, vμ lμ nguyªn nh©n gay nªn tÝnh bÊt ®Þnh t ¬ng ®èi cña ph ¬ng ph¸p nμy. 238 http://www.ebook.edu.vn
H×nh 5.3: X©y dùng ® êng ®ång vÞ ( = ss - in ) th«ng qua th«ng l îng dßng ch¶y trong hå ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh. Khi hμm cña ®é Èm (h) vμ tû sè th«ng l îng dßng ch¶y (F(in)/E; khi tû sè F(in)/E=1 t ¬ng øng víi nã lμ hå bÞ c¹n kiÖt, kh«ng cã dßng ra khái hå. Gi¸ trÞ lμm hå c¹n ( c¸i ® îc gäi lμ sù bèc h¬i n íc cña hå) ® îc cho tr íc ®Ó so s¸nh). Ng êi ta cho r»ng: c¸c dßng nhËp vμ l îng Èm trong khÝ quyÓn ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ®ång vÞ víi c¸c ®èi t îng n íc kh¸c, v× thÕ a - in =- * Welhan vμ Fritz (1977) ®· th¶o luËn vÒ c¸c nç lùc trong viÖc ®o ®¹c c¸c th«ng sè nμy b»ng viÖc sö dông c¸c thïng bèc h¬i nh lμ mét m« h×nh cña hå. Tuy nhiªn, ®iÒu nμy ®· ® îc Allison vμ ®ång sù (1979) chØ ra r»ng víi ph ¬ng ph¸p nh vËy sÏ kh«ng cho kÕt qu¶ thùc sù tèt do thêi gian hoμ nhËp cña c¸c thïng nμy lμ ng¾n h¬n so víi hÖ thèng tù nhiªn. ThËt vËy, mét kh¶ n¨ng høa hÑn h¬n cã thÓ chän ®· ® îc Dincer nªu ra (1968). Néi dung cña nã lμ sö dông mét "hå ®¹i biÓu" cã chÕ ®é thuû v¨n ®· biÕt vμ n»m trong cïng mét vïng nghiªn cøu. Tõ c¸c gi¸ trÞ ®ång vÞ cña hå nμy, c¸c gi¸ trÞ ®· ® îc träng sè ho¸ cÈn thËn cña a vμ h cã thÓ ® îc suy ra. Mét hå ®ång nhÊt vμ c¹n kiÖt sÏ cung cÊp cho hμm tèt nhÊt. H íng tiÕp cËn cã lîi nμy ®· ® îc Merlivat (1970) sö dông ®Ó gi¶i thÝch cho hÖn thèng c¸c hå ë Thæ NhÜ Kú vμ còng ® îc Gat vμ Levy(1978) nªu ra trong mét tr êng hîp t ¬ng tù. Thμnh phÇn thªm vμo cña ph ¬ng tr×nh c©n b»ng n íc cã thÓ ® îc x¸c ®Þnh nÕu nÕu c«ng thøc c©n b»ng thø ba ® îc ® a vμo ®Ó kÕt hîp víi hai ph ¬ng tr×nh c©n b»ng cña n íc vμ ®ång vÞ. Sù kÕt hîp phÐp gi¶i cña 3 ph ¬ng tr×nh: c©n b»ng n íc, c©n b»ng ®ång vÞ vμ c©n b»ng ®é mÆn. Theo thø tù, trong hÖ thèng nμy: ®é mÆn lμ æn ®Þnh, kh«ng tÝnh c¸c nguån mÆn kh¸c ë xa, so víi ®é mÆn trong hå ® îc c¸c nh¸nh s«ng mang vμo. VÝ dô, Dincer cïng céng sù 239 http://www.ebook.edu.vn
(1979) cho thÊy sù kh¸c biÖt gi÷a tæn thÊt n íc bëi bèc h¬i so víi sù tho¸t h¬i n íc bëi thùc vËt cña trong ®Çm lÇy Okavango. §ã lμ mét vÝ dô ®¬n gi¶n ® îc so s¸nh víi sù tÝch tô ®ång vÞ nÆng (duy nhÊt E) ®èi víi ®é muèi (CS, c¸i mμ t¨ng nªn bëi sù kÕt hîp th«ng l îng tho¸t - bèc h¬i n íc (E + T). Trªn c¬ së kh«ng quan t©m ®Õn sè h¹ng dßng ch¶y, mét c«ng th c tiÕp theo ® îc t×m thÊy: (E T (1 h). .C S dC E (8) h( L) d a Tõ kÕt qu¶ cña Dincer, ® îc thÓ hiÖn trong h×nh 4, mét quan tr¾c mμ cã sù gãp phÇn cña bèc tho¸t h¬i n íc ®èi víi tæn thÊt n íc lμ hín nhÊt (xÊp xØ 71%) trong suèt mïa hÌ t¹i vÞ trÝ n íc thÊp nh ng phÇn lín kh«ng ®¸ng kÓ trong suèt mïa ®«ng. 5.2.1. Sù thay ®æi theo mïa vμ n¨m Trong hÇu hÕt c¸c tr êng hîp, c¸c th«ng sè chi phèi c¸c thμnh phÇn ®ång vÞ cña hå qua c¸c mïa, nã ¶nh h ëng ®Õn viÖc lμm giÇu cña c¸c ®ång vÞ nÆng trong hå. Theo c¸ch ®ã, tèc ®é bèc h¬ith êng x¶y ra m·nh liÖt trong suèt mïa hÌ. Vμ thμnh phÇn ®ång vÞ trong gi¸ng thuû thay ®æi theo chu kú vμ dßng ch¶y mÆt t¹o thμnh dßng nhËp vμo hå. TÊt c¶ dßng ch¶y ngÇm ®ãng gãp vμo nguån cña n íc hå cã thÓ ® îc coi lμ æn ®Þnh h¬n vÒ thμnh phÇn ®ång vÞ trong n¨m, thùc tÕ ®· ® îc Stichler vμ Moser-1979; Krabbenhoft cïng céng sù 1990 x¸c minh lμ in thay ®æi theo tõng mïa phô thuéc vμo ®Æc tÝnh thuû v¨n trong hå theo mïa. T¹i hÇu hÕt c¸c vïng trong lôc ®Þa, thμnh phÇn ®ång vÞ cña ®é Èm khÝ quyÓn gÇn s¸t víi thμnh phÇn ®ång vÞ cña gi¸ng thuû. V× thÕ ®é sai lÖch gi÷a thμnh phÇn ®ång vÞ cña h¬i n íc khÝ quyÓn ( a) vμ cña gi¸ng thuû tån tÞa gÇn víi quan hÖ c©n b»ng a - P =- *. Tuy nhiªn, nh÷ng th«ng sè kh¸c kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i biÕn ®æi trong sù hoμ hîp vμ phô thuéc vμo thêi tiÕt. VÒ mÆt nμy lμ nh÷ng ®iÒu kiÖn ®Þa lý vμ thuû v¨n quy ®Þnh, vÒ mÆt kh¸c lμ sù chanh chÊp qua l¹i gi÷a nh÷ng ®iÒu kiÖn vÒ ®Þa h×nh, ®Þa chÊt.. Tõ ph ¬ng tr×nh (5), hiÓn nhiªn r»ng c©u tr¶ lêi vÒ thμnh phÇn ®ång vÞ trong hå thay ®æi lμ do th«ng sè ®Çu vμo phô thuéc vμo kÝch cì cña hå hay bÓ chøa. SÏ chÝnh x¸c h¬n nÕu biÕt thêi gian c tró cña n íc trong hå. Víi hå cùc n«ng, t¹i mäi thêi ®iÓm n íc gÇn nh æn ®Þnh vÒ thμnh phÇn ®ång vÞ, víi nhãm th«ng sè tøc thêi. Vμ thμnh phÇn ®ång vÞ cña hå sÏ biÕn ®æi rÊt m¹nh khi c¸c th«ng sè nμy thay ®æi. MÆt kh¸c, víi thÓ tÝch x¸o trén lín h¬n, c©u tr¶ lêi vÒ thμnh phÇn ®ång vÞ cña hå Ýt biÕn ®éng h¬n khi m«i tr êng thay ®æi. Trong hÇu hÕt c¸c hå, thêi gian c tró cña n íc trong hå cã ®é lín lμ n¨m hay vμi n¨m vμ l©u h¬n, thμnh phÇn ®ång vÞ æn ®Þnh cña n íc hå chØ dao ®éng xung quanh thμnh phÇn ®ång vÞ æn ®Þnh tr¹ng th¸i trung b×nh. Thùc vËy, l îng ®ång vÞ ph¶n øng l¹i trong n íc hå do mét thay ®æi nhÊt ®Þnh trong c¸c tham sè ®Çu vμo cã thÓ ® îc sö dông nh lμ mét ®o ®¹c nh¹y c¶m cña c¸c biÕn thuû v¨n F(in)/V hay F(in)/E. Zimmermann vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1976) ®· lÊy u ®iÓm cña mét 240 http://www.ebook.edu.vn
tr êng hîp nh vËy trong mét nghiªn cøu vÒ sù x¸o trén vμ c¸c ®Æc tr ng qua dßng ch¶y cña s«ng Niger ®i qua hå chøa nh©n t¹o Kainji. H×nh 5.4. TÝch luü cña sù lμm giμu ®ång vÞ ë ®Çm lÇy Okavango, Botswana nh lμ mét hμm sè cña ®é muèi t¨ng cho c¸c tû lÖ kh¸c nhau cña sù bèc h¬i víi tæng l îng dßng bèc tho¸t h¬i. (Dincer vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1979). B»ng viÖc so s¸nh sù thay ®æi trong thμnh phÇn ®ång vÞ cña dßng ch¶y ra tõ hå 241 http://www.ebook.edu.vn
chøa víi thμnh phÇn chÊt ®ång vÞ thay ®æi theo mïa cña s«ng Niger, cã thÓ x¸c ®Þnh tû lÖ thÓ tÝch x¸o trén h÷u dông so víi thÓ tÝch hå chøa nh mét tæng thÓ. Tû sè nμy thay ®æi tõ xÊp xØ 10% ë chç n íc thÊp (biÓu hiÖn r»ng s«ng ®· ®i vßng hÇu hÕt thÓ tÝch cña hå ë thêi ®iÓm ®ã) tíi gi¸ trÞ b»ng 60 - 80% trong suèt thêi kú lò thêi ®o¹n. H×nh 5.5 m« pháng ph¶n øng cña thμnh phÇn chÊt ®ång vÞ cña mét hå «n ®íi ® îc lÝ t ëng ho¸ cho nh÷ng thay ®æi theo mïa trong c¸c tham sè bªn ngoμi, dùa trªn sè liÖu cho hå Tiberias, mét hå Êm ®Æt trong m«i tr êng khÝ hËu §Þa Trung H¶i b¸n hoang m¹c ë phÝa trªn thung lòng Jordan (Israel). Trong tr êng hîp nμy nh÷ng thay ®æi trong thμnh phÇn ®ång vÞ cña n íc ch¶y vμo trong suèt mét n¨m ® îc nhËn thÊy lμ bÞ giíi h¹n, bëi v× c¸c dßng ch¶y vμo chñ yÕu lμ tõ c¸c hÖ thèng s«ng ® îc n íc ngÇm cung cÊp; nh÷ng thay ®æi nμy tõ mïa ®«ng sang mïa xu©n vμ vμo trong mïa hÌ ®¬n thuÇn lμ tõ gi¸ trÞ 6.9 0/00 tíi 18 6.3 0/00 vμ cuèi cïng lμ tíi 18 5.9 0/00. 18 H×nh 5.5. Thay ®æi theo mïa trong thμnh phÇn ®ång vÞ cña mét hå «n ®íi dùa trªn c¸c tham sè ® îc ® a ra bëi Gat (1970) cho hå Tiberias. Gi¸ trÞ æn ®Þnh tr¹ng th¸i ( ss ® îc ® a ra cho c¸c gi¸ trÞ trung b×nh cña c¸c tham sè sau: F (in) V 0.683 30.4; 2.71; 5.4; 33 ; 14.4; 105 h . C¸c gi¸ trÞ trong c¸c in a E E permil t ¬ng øng. ¶nh h ëng cña tÝnh biÕn ®éng theo mïa tham sè lμ c¸c gi¸ trÞ cho vμ D trong 18 trong c¸c tham sè nμy ®Õn viÖc tÝch luü ®ång vÞ æn ®Þnh tr¹ng th¸i ® îc chØ ra trong trang kÌm theo. Sù x¸o trén cña gi¸ng thuû mïa ®«ng ®Þa ph ¬ng, cã c¸c gi¸ trÞ gi÷a -3 tíi - 18 0 5 /00, t¹o ra c¸c gi¸ trÞ ®éng vÞ cña nhãm dßng ch¶y vμo thËm chÝ Ýt biÕn ®éng 242 http://www.ebook.edu.vn
h¬n. H¬n n÷a, ¶nh h ëng cña chu tr×nh hμng n¨m cña thμnh phÇn ®ång vÞ cña l îng Èm khÝ quyÓn [c¸c gi¸ trÞ a 18 O thay ®æi trong ph¹m vi tõ xÊp xØ -12 tíi - 150/00 (Tzur 1971)] bÞ c¶n trë bëi ®é Èm thÊp mμ chiÕm u thÕ hÇu hÕt n¨m, trung b×nh lμ kho¶ng 50%. Nh÷ng thay ®æi trong c¸c tham sè thuû v¨n [vÝ dô F(in)/E], vμ, cho mét ph¹m vi , ®é Èm h¹n chÕ h¬n hiÓn nhiªn lμ cã ¶nh h ëng nhÊt. Ng îc l¹i, ng êi ta ®· nhËn thÊy r»ng thay ®æi h¹n dμi trong c©n b»ng thuû v¨n bá qua c¸c ¶nh h ëng cña nh÷ng thay ®æi theo mïa. ThÓ tÝch cña dßng ch¶y vμo hμng n¨m thay ®æi qua c¸c n¨m nghiªn cøu (1950-1970) bëi nhiÒu h¬n mét nh©n tè, do c¸c ®iÒu kiÖn h¹n h¸n vμ (nh ® îc chØ ra trong h×nh 5.6) ph¶n øng ®ång vÞ cña thμnh phÇn ®ång vÞ cña n íc hå ®èi víi nh÷ng thay ®æi nμy trong tèc ®é xuyªn qua dßng ch¶y trong hå, lªn tíi h¬n 2% trong 18 , bëi viÖc v ît xa biªn ®é mïa xÊp xØ b»ng 0.50/00 (Gat 1970). Thùc vËy, c¸c ¶nh h ëng cña sù thay ®æi trong tèc ®é qua dßng ch¶y tréi h¬n h¼n cña tÊt c¶ c¸c tham sè m«i tr êng kh¸c. V× vËy thμnh phÇn ®ång vÞ cña hå ®¸p øng nh mét tr ëng nhãm thuû v¨n cho khu vùc nμy, nhiÒu h¬n nhiÒu so víi thμnh phÇn ®ång vÞ cña gi¸ng thuû, mμ kh«ng cã t ¬ng quan thËt tèt víi l îng m a tõng mïa. 5.2.2. C¸c hå n íc ngät s©u HÇu hÕt c¸c hå s©u h¬n ph¸t triÓn mét sù ph©n tÇng mËt ®é theo ph ¬ng th¼ng ®øng trong suèt bé phËn cña chu tr×nh hμng n¨m, trong khi ®ã c¸c hå rÊt s©u vμ ®Æc biÖt lμ c¸c hå n íc mÆn cã thÓ thÓ hiÖn sù ph©n tÇng h¹n dμi. §Ó nh¾c l¹i mét sè thuËt ng÷ nghiªn cøu vÒ hå sö dông trong ch ¬ng nμy, cÇn nhí r»ng trong mét hå mμ bÞ ph©n tÇng (do mét profile nhiÖt ®é vμ/hoÆc ®é muèi theo ph ¬ng th¼ng ®øng), khu vùc cã mËt ®é nhá h¬n h¬n bªn trªn ® îc gäi lμ tÇng n íc n«ng mËt ®é nhá, víi líp s©u h¬n cã mËt ®é lín lμ t©ng n íc s©u mËt ®é lín. C¸c hå mμ ®· tr¶i qua mét chu tr×nh hμng n¨m cña sù ®¶o lén do mét sù tÝch luü nhiÖt ®é theo mïa trong mïa hÌ, ® îc gäi lμ x¸o trén th êng niªn. C¸c hå víi hai sù ®¶o lén hμng n¨m, ®iÓn h×nh nh diÔn ra ë c¸c khu vùc l¹nh, lμ x¸o trén b¸n th êng ®¬n niªn. C¸c hå mμ kh«ng ®Òu ®Æn ®¶o lén chu tr×nh x¸o trén hμng n¨m, vμ ® îc ph©n tÇng th êng xuyªn h¬n, ® îc gäi lμ c¸c hå x¸o trén dμi h¹n (Hutchinson 1957). Trong tr êng hîp sau mét gradient mËt ®é m¹nh cã thÓ ng¨n c¶n trao ®æi vËt chÊt gi÷a líp bªn trªn bÞ x¸o trén vμ n íc d íi s©u h¬n cho tÊt c¶ c¸c môc ®Ých thùc tÕ (Lerman 1971), vμ tÇng n íc n«ng mËt ®é nhá sau ®ã cã thÓ ® îc coi nh mét hÖ thèng "thay ®æi" riªng biÖt víi mét thÓ tÝch kh«ng ®æi bªn trªn mét ®¸y ¶o. Tuy nhiªn, trong hÇu hÕt c¸c hoμn c¶nh kh¸c, vÝ dô trong tr êng hîp cña mét sù ph©n tÇng nhiÖt, ph¶i lÊy vμo trong tÝnh to¸n mét sù trao ®æi cña vËt chÊt ngang qua chç ®ét biÕn nhiÖt. H¬n n÷a, thÓ tÝch x¸o trén h÷u dông thay ®æi qua mét chu tr×nh hμng n¨m. Khi ®ét biÕn nhiÖt tÝch luü vμ tiªu tan, c¸c líp n íc s©u h¬n ® îc hîp nhÊt vμo trong tÇng n íc n«ng mËt ®é nhá. T¹i thêi ®iÓm ®¶o lén cña c¸c khèi n íc hå ¶nh h ëng nμy lμ cùc h¹n. 243 http://www.ebook.edu.vn
§Ó tÝnh to¸n cho sù trao ®æi vËt chÊt qua vÞ trÝ ®ét biÕn nhiÖt ®é nμy, c¸c sè h¹ng bæ xung ph¶i ® îc thªm vμo cho RHS cña ph ¬ng tr×nh (5). NÕu hyp biÓu thÞ l îng chÊt ®ång vÞ cña líp s©u h¬n bªn d íi vÞ trÝ ®ét biÕn nhiÖt ®é, th× nh÷ng sè h¹ng bæ xung nμy cã thÓ ® îc viÕt b»ng: X epi hyp V . hyp . hyp L, L V V trong ®ã sè h¹ng ®Çu tiªn tÝnh to¸n cho trao ®æi vËt chÊt gi÷a tÇng n íc n«ng mËt ®é nhá vμ tÇng n íc s©u d íi ®¸y t¹i thÓ tÝch kh«ng ®æi cña líp x¸o trén, vμ sè h¹ng thø hai m« t¶ sù kÕt hîp cña mét thÓ tÝch V cña n íc hypolimnic vμo trong líp bÞ x¸o trén bëi mét ®iÓm bÊt th êng nhiÖt ®é h¹ xuèng. Sè h¹ng trao ®æi th êng kh«ng ®¸ng kÓ l¾m [®é lín cña nã cã thÓ ® îc ®o ®¹c b»ng nh÷ng thay ®æi vÒ gi¸ trÞ cña hyp ], quy ®Þnh r»ng sù trao ®æi lμ qu¸ tr×nh duy nhÊt g©y nªn mét thay ®æi ®ång vÞ trong tÇng n íc s©u d íi ®¸y. MÆc dï giøa 0 trÞ cña L ®iÓn h×nh lμ kh«ng lín l¾m (cì 1 /00 trong 18 ), toμn bé sè hyp h¹ng V / V L cã thÓ lμ lín ®¸ng kÓ trong c©n b»ng ®ång vÞ, bëi v× sù hyp tréi h¬n cña V liªn quan tíi c¸c thμnh phÇn thuû v¨n kh¸c cña ph ¬ng tr×nh c©n b»ng n íc trong suèt c¸c thêi kú cña ® êng tû träng h¹ xuèng nhanh chãng, nh ® îc minh ho¹ bªn d íi. Nã ®i mμ kh«ng nãi r»ng ®iÒu nμy më ra nh÷ng kh¶ n¨ng cña viÖc kh¸m ph¸ ra sù kÕt hîp nμo ®ã cña c¸c khèi n íc tõ mét phæ vμo trong mét phæ kh¸c, b»ng viÖc theo sau nh÷ng thay ®æi trong thμnh phÇn ®ång vÞ trong suèt sù tÝch luü hay tiªu mßn cña sù ph©n tÇng. Mét profile ®ång vÞ theo ph ¬ng th¼ng ®øng râ rμng lμ h÷u Ých nhÊt trong viÖc thiÕt lËp cho ph¹m vi nμo c¸c khèi n íc d íi s©u h¬n thùc sù biÓu thÞ mét hÖ thèng ®ãng kÝn, trong tr êng hîp nμo thμnh phÇn ®ång vÞ cña tÇng n íc s©u d íi ®¸y ® îc mong ®îi lμ bÊt biÕn miÔn lμ sù ph©n tÇng vÉn gi÷ kh«ng bÞ ®ông ch¹m ®Õn. Xem nh mét vÝ dô cã thÓ chÊp nhËn ® îc tr êng hîp cña hå Tiberias, mét hå x¸o trén th êng niªn, 40 m s©u víi mét thêi gian n íc c tró trung b×nh b»ng cì 5 n¨m mμ c©n b»ng mÆt n íc cña nã ®· ® îc th¶o luËn tr íc ®©y. Hå ®ã ® îc t×m thÊy lμ trong mét tr¹ng th¸i bÞ x¸o trén tõ kho¶ng th¸ng 12 tíi th¸ng 3: mét dÞ th êng nhiÖt ®é tÝch luü trong suèt mïa xu©n, ®μo s©u thªm tõ mét vÞ trÝ ë -5m vμo th¸ng 4 tíi 18 - 19 m cuèi mïa hÌ cho ®Õn khi nã æn ®Þnh ho¸ vμo mïa thu vμ ®Çu mïa ®«ng t¹i mét ®é s©u xÊp xØ b»ng -25 m. Nh÷ng sù ph©n tÇng ® îc kÕt thóc bëi mét sù ®¶o lén mμ th êng diÔn ra trong suèt th¸ng 12 (Oren 1962). Nh÷ng ®o ®¹c ®ång vÞ ® îc Gat b¸o c¸o (1970; H×nh 5.7) thÓ hiÖn n íc tÇng d íi s©u ®Ó b¶o toμn thμnh phÇn cña hå trong suèt th¸ng 3, chØ nh sù ph©n tÇng b¾t ®Çu, nh ® îc mong ®îi. Trong suèt thêi kú sù ph©n tÇng nhiÖt ®é mïa hÌ, n íc trªn mÆt ® îc lμm giμu h¬n trong c¸c chÊt ®ång vÞ nÆng so víi tÇng n íc s©u d íi ®¸y vμ dÞ th êng nhiÖt ®é ® îc ph¸c ho¹ b»ng profile ®ång vÞ. B¶n ®å lång cña H×nh 5.7 biÓu hiÖn ¶nh h ëng cña sù ph©n tÇng vμ cña sù 244 http://www.ebook.edu.vn
thay ®æi thÓ tÝch x¸o trén ®èi víi sù tiÕn triÓn cña thμnh phÇn ®ång vÞ trong n¨m. Ng êi ta chó ý riªng ¶nh h ëng cña viÖc phô thuéc cña dÞ th êng nhiÖt ®é b»ng xÊp xØ 5 m vμo th¸ng 9, mμ dÉn tíi mét tÝnh gi¸n ®o¹n ®¸ng kÓ trong ® êng cong ®ång vÞ. H×nh 5.6. So s¸nh gi÷a nh÷ng thay ®æi dμi h¹n trong (® êng cong bªn trªn) cña n íc hå Tiberias 1 vμ trung b×nh 5 n¨m cña l îng dßng ch¶y vμo (® êng cong bªn d íi). C¸c vßng tuÇn hoμn ®Çy ®ñ biÓu thÞ dßng ch¶y vμo hμng n¨m trong suèt n¨m thuû v¨n tr íc (th¸ng 10 -th¸ng 9). (LÊy tõ h×nh 5.7 cña Gat 1970). Krabbenhoft vμ nh÷ng ng êi kh¸c (1990) ®· m« t¶ mét x¸o trén b¸n th êng ®¬n niªn, hå bÞ b¨ng bao phñ ë trung t©m phÝa b¾c Wiscosin: hå Sparkling, mét hå mét lßng ch¶o ®¬n gi¶n vÒ mÆt ®Þa m¹o, s©u 20 m, víi mét thêi gian n íc c tró gÇn 10 n¨m. Kh«ng cã c¸c cöa ra vμ cöa vμo trªn mÆt, vÒ b¶n chÊt nã lμ mét hå n íc ngÇm cöa sæ víi dÊu hiÖu bèc h¬i cña n íc hå sÏ dÔ dμng ® îc nhËn ra ë phÇn h¹ l u cña tÇng ngËm n íc. H×nh 5.8 thÓ hiÖn profile ®ång vÞ trong sù ph©n tÇng mïa ®«ng (thêi kú bÞ b¨ng bao phñ) vμ mïa hÌ t ¬ng øng. Mét khu«n mÉu thó vÞ lμ sù rót hÕt ra t ¬ng ®èi cña c¸c chÊt ®ång vÞ nÆng trong (bªn d íi b¨ng) n íc bÒ mÆt vμo mïa ®«ng, ® îc c¸c t¸c gi¶ quy cho sù lμm giμu cã lùa chän cña c¸c chÊt ®ång vÞ nÆng trong b¨ng, cho phÐp n íc th¸o hÕt h¬n. Thùc vËy Ragotzkie vμ Friedman (1965) ®· gîi lªn mét sù më réng t ¬ng tù cho tÝnh to¸n l îng ®ång vÞ thÊp h¬n cña hå Vanda, Èntctica, so víi n íc ch¶y vμo tõ b¨ng tan. MÆt kh¸c, trong suèt mïa hÌ, profile ®ång vÞ trong 245 http://www.ebook.edu.vn
hå Sparkling lμ b×nh th êng, víi mét tÇng n íc n«ng mËt ®é nhá ® îc lμm giμu vÒ mÆt ®ång vÞ ®· ë trªn ®Ønh cña n íc tÇng d íi s©u bÞ th¸o hÕt ra h¬n vÒ mÆt ®ång vÞ. C¸c profile ®ång vÞ cho hai hå x¸o trén dμi h¹n s©u, trong tr êng hîp ë thung lòng Rift thuéc ch©u Phi, ®· ® îc tr×nh bμy. Hå Malawi, víi mét ®é s©u lín nhÊt b»ng 785 m, vμ hå Tanganyika (s©u 1470 m) ®Òu thÓ hiÖn mét dÞ th êng nhiÖt ®é gi÷a 100 vμ 250 m mμ qua ®ã mét sù chªnh lÖch ®ång vÞ ® îc duy tr×. Mét profile hai bËc ®· ® îc t×m thÊy ë hå Malawi (Gonfiantini vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1979) víi c¸c gi¸ trÞ 18 t¨ng tõ +1.650/00 ë tÇng n íc n«ng mËt ®é nhá tíi +1.920/00 ë ®íi chuyÓn tiÕp, vμ tíi +2.08 0.050/00 ë tÇng n íc d íi s©u. Trong hå Tanganyika, Craig (1974) t×m thÊy mét sù t¨ng dÇn dÇn c¸c gi¸ trÞ ®ång vÞ qua ®iÓm dÞ th êng nhiÖt ®é, tõ gi¸ trÞ trªn mÆt b»ng +3.40/00 trong 18 tíi gi¸ 0.030/00 ë ®é s©u h¬n 200 m. trÞ b»ng +4.19 Trong tr êng hîp cña c¸c hå ch©u Phi nμy n íc ® îc lμm giμu trong c¸c lo¹i ®ång vÞ nÆng vμ c¸c gi¸ trÞ ®ång vÞ cña chóng ®æi chç quan hÖ víi ® êng n íc b¨ng (Craig 1961a). Tuy nhiªn, d íi c¸c ®iÒu kiÖn l¹nh h¬n vμ Èm ít dÊu hiÖu bèc h¬i lμ Ýt râ rμng h¬n; nh lμ tr êng hîp cña hå Baikal, trong ®ã gi¸ trÞ ®ång vÞ trung b×nh lμ D = -1170/00 vμ 18 =-160/00 n»m gÇn víi MWL (Ferronsky vμ Polyakov 1982). 5.2.3. C¸c khèi mÆt n íc t¹m thêi H×nh 5.9 tr×nh bμy kh¸i qu¸t mét sè khèi mÆt n íc n«ng vμ t¹m thêi vμ theo sù tiÕn triÓn thuû v¨n vμ tiÕn triÓn ®ång vÞ cña chóng tõ mét giai ®o¹n ®ang lÊp ®Çy vμo thêi kú kh« h¹n. Trong tÊt c¶ c¸c hÖ thèng nμy thμnh phÇn chÊt ®ång vÞ gÇn nh lμ cña n íc b¨ng ®ang pha lo·ng trong c¸c pha lμm ngËp n íc, trong khi c¸c lo¹i ®ång vÞ nÆng ® îc lμm giμu trong c¸c pha bèc h¬i ë vÞ trÝ møc n íc thÊp nhÊt. CÊp ®é cña sù lμm giμu râ rμng lμ lín h¬n cao h¬n vai trß cña sù bèc h¬i trong c©n b»ng n íc tæng céng. §©y lμ cã së cho c¸c øng dông thùc tÕ cña nh÷ng ®o ®¹c ®ång vÞ ®Ó ®Þnh l îng c¸c c©n b»ng thuû v¨n trong nh÷ng hÖ thèng nh vËy. Bëi v× mét sè c¸c tham sè trong ph ¬ng tr×nh (5) thay ®æi qua chu tr×nh tån t¹i cña hÖ thèng t¹m thêi, mét sù tÝch hîp sè th êng ph¶i ® îc thùc hiÖn ®Ó tÝnh to¸n cho viÖc thay ®æi thμnh phÇn ®ång vÞ cña hå. Nh÷ng chi tiÕt râ rμng lμ phô thuéc vμo c¸c hoμn c¶nh riªng. Tuy nhiªn, mét ®Æc tÝnh chung thó vÞ cña nh÷ng hå t¹m thêi nμy lμ mét tèc ®é ® îc t¨ng nhanh h¬n cña sù thay ®æi trong thμnh phÇn ®ång vÞ vÒ phÝa cuèi cña c¸c chu tr×nh tån t¹i cña nh÷ng hÖ thèng nμy, khi c¸c thÓ tÝch cña chóng rót l¹i. Mét t×nh huèng ®Æc biÖt ® îc biÓu thÞ b»ng c¸c hå ®ång b»ng ngËp lôt, mμ bÞ trμn ngËp bëi n íc s«ng ch¶y qua t¹i thêi kú n íc cao. C¸c hå mμ sau ®ã cã thÓ ® îc h×nh thμnh ë c¸c vïng tròng cña ®ång b»ng thay ®æi trong thÓ tÝch cña chóng mét c¸ch m¹nh mÏ khi c¸c s«ng ®ã rót xuèng, vμ chóng thùc sù cã thÓ kh« h¹n hoÆc bÞ rót n íc hoμn toμn. 246 http://www.ebook.edu.vn
H×nh 5.7. Thμnh phÇn chÊt ®ång vÞ æn ®Þnh cña n íc hå Tiberias trong suèt nh÷ng n¨m 1963-1969, thÓ hiÖn nh÷ng thay ®æi theo mïa vμ dμi h¹n. C¸c profile ®ång vÞ theo ph ¬ng th¼ng ®øng cho n¨m 1968- 1969 ® îc ® a ra ë trªn ®Ønh. §å thÞ lång thÓ hiÖn c¸c gi¸ trÞ ® îc tÝnh to¸n hμng th¸ng cña cña 18 n íc trªn mÆt hå Tiberias trªn sù gi¶ sö cña mét hÖ thèng bÞ x¸o trén (- - -) vμ ph©n tÇng (-x-x-) t ¬ng øng. Trong tr êng hîp sau ®é s©u dÞ th êng nhiÖt ®é ® îc Oren m« t¶ (1962) ® ® îc gi¶ sö . (theo Gat, 1970) C¸c nghiªn cøu ®ång vÞ cã thÓ ® îc sö dông ®Ó ph©n biÖt gi÷a n íc b¾t nguån tõ s«ng ch¶y qua, sù rót n íc côc bé, hay n íc cßn l¹i tõ c¸c chu tr×nh tr íc ®©y cña hå (mμ th êng thÓ hiÖn dÊu hiÖu ®ång vÞ cña c¸c qu¸ tr×nh bèc h¬i). Mét nghiªn cøu vÒ hÖ thèng nh vËy lμ nghiªn cøu cña Martinelli vμ c¸c céng sù (1989) vÒ hÖ thèng hå ë vïng b·i båi rõng rËm Amazonian. Thμnh phÇn ®ång vÞ cña nh÷ng hå nμy thay ®æi tõ gi¸ trÞ ®ång vÞ ®Æc tr ng cña dßng ch¶y chÝnh cña vïng Amazonas vμ c¸c s«ng nh¸nh cña nã tíi gi¸ trÞ ®· ® îc lμm giμu h¬n, g©y ra bëi viÖc tham gia cña n íc tõ c¸c dßng ch¶y mÆt l©n cËn vμ sù gi¸ng thuû trong vïng t¨ng lªn. Bëi c¸c thμnh phÇn ®ång vÞ cña tÊt c¶ c¸c nh÷ng thμnh phÇn trªn n»m trªn MWL, nªn thμnh phÇn ®ång vÞ cña nh÷ng hå nμy sÏ tån t¹i trong suèt vßng tuÇn hoμn cña nã, nh minh ho¹ trªn gi¶n ®å h×nh 5.10. Tuy nhiªn, ®é lÖch khái MWL cña ® êng bèc h¬i sÏ minh ho¹ cho sù mÊt n íc bëi sù bèc h¬i trong hÖ thèng hå, møc ®é dÞch chuyÓn däc theo ® êng bèc h¬i 247 http://www.ebook.edu.vn
nh vËy lμ phÐp ®o mèi quan hÖ n íc mÊt ®i bëi c¬ chÕ nμy. H×nh 5.8. C¸c profile ®ång vÞ mïa ®«ng vμ mïa hÌ ë hå Sparkling, Wisconsin. (Krabbenhoft vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1990). H×nh 5.9. Ba hÖ thèng hå sím tμn thÓ hiÖn sù tiÕn triÓn cña ®é s©u (thÓ tÝch) n íc theo thêi gian, vμ sù tÝch luü cña sù lμm giμu trong c¸c lo¹i ®ång vÞ nÆng nh mét hμm cña sù gi¶m thÓ tÝch (S¬ ®å RHS). E vμ L thay cho c¸c dßng bèc h¬i vμ tho¸t ra t ¬ng øng. 248 http://www.ebook.edu.vn
H×nh 5.10. Thμnh phÇn ®ång vÞ cña c¸c hå ®ång b»ng ngËp lôt: Hå A lμ mét tr êng hîp mμ thμnh phÇn ®ång vÞ cña hå gi¶m trªn MWL, hiÓn nhiªn lμ mét sù x¸o trén cña n íc s«ng vμ tho¸t n íc côc bé vμ dßng ch¶y mÆt. Hå B lμ mét tr êng hîp mμ thμnh phÇn ®ång vÞ cña n íc hå gi¶m tíi ®óng MWL, do sù bèc h¬i. Trong tr êng hîp nμy thμnh phÇn nguån (S) ® îc tÝnh to¸n b»ng sù ngo¹i suy ng îc trë l¹i tíi MWL theo "® êng bèc h¬i" ® vÏ. (Theo Martinelli vμ nh÷ng ng êi kh¸c, 1989). Trong mét sè tr êng hîp t¹m thêi, sÏ kh«ng cã sù ® a n íc láng ra ngoμi vμ c¸c ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho tÝch tô ®é muèi. C¸c vÝ dô cho hÖ thèng hå n íc mÆn sÏ ® îc th¶o luËn chi tiÕt h¬n trong phÇn 5.5. 5.3 Sù t¸c ®éng qua l¹i vμ hÖ thèng t¸i cÊp Trong c¸c tr êng hîp th¶o luËn, sÏ dÉn tíi viÖc xem xÐt c¸c hå nh thùc thÓ thô ®éng trong m«i tr êng nã t¹o ra, thμnh phÇn ®ång vÞ cho tr íc cña c¶ l îng n íc vμo, ®é Èm khÝ quyÓn x¸c ®Þnh bëi qu¸ tr×nh qui m« lín vμ kh«ng bÞ ¶nh h ëng bëi qu¸ tr×nh bèc h¬i ®Þa ph ¬ng. T ¬ng tù nh tr êng hîp tÝnh tíi c¸c hå nhá vμ ®éc lËp. Tuy nhiªn, mèi t¸c ®éng qua l¹i gi÷a hå vμ m«i tr êng cña nã kh«ng thÓ bá qua trong tr êng hîp cã c¶ sù bèc h¬i vμ vØa nhá cña hå ë n¬i mμ dßng ch¶y vμo mét hå ® îc lμm giμu bëi ®ång vÞ nÆng , b¶o toμn bëi mét phÇn n íc ch¶y vμo hå kh¸c. B©y giê ta sÏ th¶o luËn sù t¸c ®éng qua l¹i nh vËy cã ¶nh h ëng nh thÕ nμo tíi sù tÝch tô ®ång vÞ trong n íc hå vμ trong m«i tr êng xung quanh. Sù t¸c ®éng qua l¹i gi÷a n ¬c hå vμ n íc trong c¸c hèc ë bªn trªn líp trÇm tÝch hoÆc ë bê hå sÏ ® îc tÝnh tãan sau trong mèi quan hÖ víi ®é mÆn cña hå, n¬i mμ sù t¸c ®éng nμy rÊt lín. Tr êng hîp hay gÆp lμ tr êng hîp mμ c¸c vØa nhá cña hå däc theo c¶ dßng ch¶y bÒ mÆt vμ dßng ch¶y ngÇm th× l îng n íc ch¶y ra cña hå th îng l u ® îc ph©n bè cho l îng n íc vμo cña hå h¹ l u. Khi ®iÒu 249 http://www.ebook.edu.vn