Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng trầm tích biển vịnh Hạ Long

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của nghiên cứu này là xác định lịch sử phát sinh ô nhiễm trong vịnh Hạ Long, trên cơ sở xác định tốc độ lắng đọng trầm tích cùng với hàm lượng một số kim loại nặng làm tiền đề cho công tác quản lý và bảo vệ di sản thiên nhiên thế giới được UNESCO công nhận.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng trầm tích biển vịnh Hạ Long

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------ Phạm Bảo Ngọc ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRẦM TÍCH BIỂN VỊNH HẠ LONG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Phạm Bảo Ngọc ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRẦM TÍCH BIỂN VỊNH HẠ LONG Chuyên ngành: Khoa học Môi trƣờng Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRỊNH VĂN GIÁP Hà Nội - 2014
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến TS. TRỊNH VĂN GIÁP đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài cũng nhƣ hoàn thành luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cán bộ trong phòng Môi trƣờng, Trung tâm Quan trắc phóng xạ và đánh giá tác động môi trƣờng – Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân – Viện Năng Lƣợng Nguyên Tử Việt Nam. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Chủ nhiệm và các thành viên tham gia đề tài ―Nghiên cứu định lƣợng mức độ ô nhiễm trong trầm tích biển ở vịnh Hạ Long bằng kỹ thuật hạt nhân‖, mã số ĐTCB/11/04-03 đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho em thực hiện đề tài, giúp em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Khoa Môi trƣờng trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt 2 năm học vừa qua. Với vốn kiến thức mà em đƣợc tiếp thu trong quá trình học tập sẽ là hành trang quý báu để em có thể hoàn thành tốt công việc sau này. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, ngƣời thân và bạn bè, những ngƣời đã luôn động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện về vật chất và tinh thần cho em trong suốt thời gian học tập và làm luận văn. EM XIN TRÂN TRỌNG CẢM ƠN. Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học viên PHẠM BẢO NGỌC
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................3 1.1. Giới thiệu khu vực nghiên cứu ..........................................................................3 1.2. Nguồn gốc các nguyên tố hóa học trong đại dƣơng [34].................................5 1.3. Các nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng biển [1], [4].............................................7 1.4. Đánh giá tốc độ bồi lắng đáy biển bằng kỹ thuật đồng vị sử dụng 210Pb, 210 Po ............................................................................................................................8 1.4.1. Xác định tuổi tuyệt đối của trầm tích bằng 210Pb, 210Po..............................8 1.4.2. Tốc độ trầm tích .........................................................................................11 1.5. Giá trị giới hạn hàm lƣợng các KLN trong trầm tích ..................................17 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU .........................................................................................................18 2.1. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu ..........................................18 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................18 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................18 2.1.3. Phương pháp nghiên cứu...........................................................................18 2.2. Kỹ thuật lấy mẫu, bảo quản mẫu trầm tích ..................................................18 2.3. Kỹ thuật xử lý mẫu và phân tích thành phần hóa học ................................20 2.4. Kỹ thuật xử lý và phân tích kim loại nặng ....................................................23 2.5. Kỹ thuật xử lý và phân tích 210Pb, 210Po .........................................................25 2.6. Địa điểm nghiên cứu ........................................................................................30 2.6.1. Vị trí lấy mẫu cửa sông Bình Hương .........................................................30 2.6.2. Vị trí lấy mẫu cửa Lạch cầu 20 .................................................................31 2.7. Kiểm soát chất lƣợng kết quả phân tích ........................................................32 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..............................34 3.1. Tốc độ lắng đọng trầm tích tại các vị trí lấy mẫu vịnh Hạ Long .................34 3.1.1. Kết quả tốc độ lắng đọng trầm tích tại các vị trí lấy mẫu .........................34 3.1.2. So sánh với kết quả các công trình khoa học khác trên địa bàn ...............38
3.2. Hàm lƣợng kim loại nặng trong trầm tích vịnh Hạ Long ............................39 3.2.1. Kết quả hàm lượng kim loại nặng (Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb) trong trầm tích vịnh Hạ Long ........................................................................................39 3.2.2. Đánh giá kết quả kim loại nặng trong trầm tích vịnh Hạ Long ................44 3.3. Thành phần cấp hạt trong trầm tích vịnh Hạ Long .....................................50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................52 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................54
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU ANSTO Cơ quan Năng lƣợng nguyên tử Australia (Australian Nuclear Science and Technology Organisation) CRM Các chất chuẩn có chứng chỉ IAEA Cơ quan Năng lƣợng nguyên tử quốc tế ICP-MS Khối phổ cảm ứng plasma KLN Kim loại nặng QCVN Quy chuẩn Việt Nam SQGs Bộ tài liệu hƣớng dẫn tiêu chí chất lƣợng trầm tích (Sediment quality guideline) TN Tổng nitơ (Total Nitrogen) TOC Tổng Cacbon hữu cơ (Total Organic Carbon) TP Tổng photpho (Total Phosphorus) TT-BTNMT Thông tƣ của Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần nguyên tố hóa học trong nƣớc biển ........................................5 Bảng 1. 2. Phân nhóm các nguyên tố hóa học theo bốn nhóm chính .........................7 Bảng 1. 3. Giá trị giới hạn của các thông số trong trầm tích ....................................17 Bảng 2. 1. Kết quả kiểm tra quốc tế các nhân phóng xạ bằng phổ kế gamma…….33 Bảng 2. 2. Kết quả kiểm tra quốc tế nhân phóng xạ 210Po bằng phổ kế alpha ..........33 Bảng 3. 1. So sánh tốc độ trầm tích S đánh giá bằng 210Pbvà 210Po………………..37 Bảng 3. 2. Tốc độ trầm tích trong một số công bố trƣớc đây ...................................38 Bảng 3. 3. Hàm lƣợng KLN trung bình trong các mẫu trầm tích .............................44 Bảng 3. 4. Các giá trị trung bình, cực đại, cực tiểu về hàm lƣợng KLN ..................44 Bảng 3. 5. Nồng độ các KLN (ppm) trong trầm tích khu vực Quảng Ninh .............45 Bảng 3. 6. Nồng độ các KLN (ppm) trong trầm tích Quảng Ninh (tiếp theo) ..........46 Bảng 3. 7. Các giá trị ngƣỡng TEL, PEL ..................................................................47 Bảng 3. 8. Sản lƣợng khai thác than từ năm 1995 đến năm 2012 ............................48
DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1. Địa hình thành phố Hạ Long ......................................................................3 Hình 1. 2. Nguồn phát sinh các nguyên tố hóa học trong nƣớc đại dƣơng .................6 Hình 1. 3. Quá trình phân bố giữa pha nƣớc và pha sa lắng của ................................6 Hình 1. 4. Quan hệ tuyến tính theo logarit tự nhiên của 210Pbxs và thời gian ...........13 Hình 2. 1. Ống lấy mẫu trầm tích………………………………………………….19 Hình 2. 2. Sơ đồ các bƣớc xử lý, phân tích thành phần hóa học trong mẫu trầm tích ...................................................................................................................................22 Hình 2. 3. Ứng dụng phƣơng pháp phân tích ICP-MS trong các lĩnh vực ...............25 Hình 2. 4. Sơ đồ xử lý mẫu phân tích 210Pb ..............................................................26 Hình 2. 5. Sơ đồ xử lý mẫu phân tích 210Po ..............................................................28 Hình 2. 6. Phổ năng lƣợng alpha của 210Po sau khi chiết tách từ trầm tích ..............29 Hình 2. 7. Ảnh chụp từ vệ tinh vị trí lấy mẫu cửa sông Bình Hƣơng .......................30 Hình 2. 8. Ảnh chụp vị trí lấy mẫu cửa sông Bình Hƣơng .......................................30 Hình 2. 9. Vị trí lấy mẫu cột trầm tích cột M2, cột M3, cột 13 ................................31 Hình 2. 10. Ảnh chụp cửa Lạch cầu 20 từ vệ tinh khu vực Cẩm Phả .......................31 Hình 2. 11. Vị trí lấy mẫu Cột 8 gần cầu 20, phƣờng Cẩm Thịnh ............................32 Hình 3. 1. Đánh giá 210Pb dƣ trong cột M2, S là tốc độ lắng đọng trầm tích……..34 Hình 3. 2. Đánh giá 210Pb dƣ trong cột M3, S là tốc độ lắng đọng trầm tích............35 Hình 3. 3. Đánh giá 210Po dƣ trong cột M2, S là tốc độ lắng đọng trầm tích............35 Hình 3. 4. Đánh giá 210Po dƣ trong cột M3, S là tốc độ lắng đọng trầm tích............36 Hình 3. 5. Đánh giá 210Po dƣ trong cột 8, S là tốc độ lắng đọng trầm tích ...............36 Hình 3. 6. Đánh giá 210Po dƣ trong cột 13, S là tốc độ lắng đọng trầm tích .............37 Hình 3. 7. Sự phân bố hàm lƣợng KLN theo chiều sâu của cột M2 .........................40 Hình 3. 8. Sự phân bố hàm lƣợng KLN theo năm của cột M2 .................................40 Hình 3. 9. Sự phân bố hàm lƣợng KLN theo chiều sâu của cột M3 .........................41 Hình 3. 10. Sự phân bố hàm lƣợng KLN theo năm của cột M3 ...............................41 Hình 3. 11. Sự phân bố hàm lƣợng KLN theo chiều sâu của cột 8...........................42 Hình 3. 12. Sự phân bố hàm lƣợng KLN theo năm của cột 8 ...................................42
Hình 3. 13. Sự phân bố hàm lƣợng KLN theo chiều sâu của cột 13.........................43 Hình 3. 14. Sự phân bố hàm lƣợng KLN theo năm của cột 13 .................................43 Hình 3. 15. Hiệu ứng sinh học bất lợi theo các khoảng nồng độ ..............................47 Hình 3. 16. Tƣơng quan giữa hàm lƣợng Cu và sản lƣợng khai thác than ...............48 Hình 3. 17. Tƣơng quan giữa hàm lƣợng Zn và sản lƣợng khai thác than ...............49 Hình 3. 18. Tƣơng quan giữa hàm lƣợng Pb và sản lƣợng khai thác than................49 Hình 3. 19. Tƣơng quan giữa hàm lƣợng Co và sản lƣợng khai thác than ...............49
MỞ ĐẦU Vấn đề bảo vệ môi trƣờng biển luôn nhận đƣợc sự quan tâm của các nhà khoa học, nhà quản lý cũng nhƣ toàn xã hội. Đã có nhiều nghiên cứu, đánh giá ô nhiễm môi trƣờng biển thông qua việc xác định hàm lƣợng các kim loại nặng (KLN) hay các chất độc hại khác trong môi trƣờng trầm tích đáy và nƣớc biển. Nguyên nhân của việc gia tăng tích tụ KLN trong trầm tích biển đƣợc cho là bắt nguồn từ sự phát triển công nghiệp, hoạt động khai thác khoáng sản, dẫn đến hàng loạt các rủi ro, ảnh hƣởng trực tiếp đến cuộc sống của ngƣời dân ven biển cũng nhƣ hủy hoại môi trƣờng sinh thái. Trong những năm qua, các nghiên cứu về ô nhiễm môi trƣờng biển nói chung và ô nhiễm KLN trong trầm tích biển nói riêng đã đƣợc tiến hành ở nhiều nơi trên thế giới, nhiều công trình đã đƣợc công bố nhƣ những công trình của các tác giả Trần Đức Thạnh và Lƣu Văn Diệu [11], B. Owen và Sandhu [15], Meng W et al [29], v.v… Các kỹ thuật sử dụng đồng vị 210Pb, 226Ra, 137Cs ra đời đã cho phép các nhà khoa học tính toán đƣợc dòng (flux) KLN và các chất ô nhiễm khác thay đổi theo thời gian nhƣ trong nghiên cứu của Farmer [20], Ligero et al [28], B. Zourarah et al [17]. Sự tồn tại của các KLN trong trầm tích biển ảnh hƣởng đến các sinh vật đáy rồi đi vào chuỗi thức ăn và cuối cùng là con ngƣời. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã có sự kết hợp giữa phân tích hàm lƣợng KLN trong sinh vật sống bám đáy (ngao, sò, ốc, hến), cá và hàm lƣợng KLN trong môi trƣờng trầm tích biển để nghiên cứu quá trình tích tụ ô nhiễm theo chuỗi thức ăn nhƣ nghiên cứu của các tác giả Islam MD và Tanaka M [26], Dauvin [18]. Việt Nam là đất nƣớc có đƣờng bờ biển dài (khoảng hơn 3200 km) và vùng biển đặc quyền kinh tế rộng gấp nhiều lần diện tích đất liền. Lợi thế về tự nhiên này cũng đặt ra không ít khó khăn về công tác quản lý và bảo vệ các hệ sinh thái vùng ven biển, điển hình là một loạt các vấn đề về tài nguyên và môi trƣờng diễn ra gần đây trong phạm vi biển và đới bờ, trong đó có những nguyên nhân tại chỗ, khu vực và quốc tế. Vì vậy, việc tiến hành các chƣơng trình điều tra, khảo sát và đánh giá chất lƣợng môi trƣờng là điều cần thiết. 1
Những năm gần đây trong khu vực bờ biển đông nam Trung Quốc, nƣớc bạn đã tiến hành xây dựng một số nhà máy điện nguyên tử, thí dụ nhƣ nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành, tỉnh Quảng Đông. Một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc là Guor-Cheng Fang, Hung-Chieh Zhang [24] đã tiến hành nghiên cứu đánh giá lịch sử ô nhiễm môi trƣờng biển vịnh Đại Á trong 100 năm qua nhằm có tìm hiểu và đánh giá về quá trình, nguồn gốc gây ô nhiễm (do tự nhiên hay do tác động của con ngƣời). Kỹ thuật sử dụng trong nghiên cứu của các nhà khoa học Trung Quốc là lấy mẫu cột trầm tích biển, phân tích hàm lƣợng kim loại nặng trong các lát cắt trầm tích cùng với đồng vị 210Pb. Trên cơ sở hoạt độ của đồng vị 210Pb, các nhà khoa học 210 xác định thời gian bồi tụ sa lắng cùng với kim loại nặng. Kỹ thuật sử dụng Pb cũng đã đƣợc áp dụng để đánh giá tốc độ bồi tích lòng hồ và cửa sông ở Việt Nam [9]. Dựa trên những thành quả nghiên cứu của các công trình khoa học trƣớc đó và nhu cầu đánh giá hàm lƣợng kim loại nặng phục vụ công tác quản lý bảo vệ môi trƣờng sinh thái vịnh Hạ Long, trong khuôn khổ luận văn sẽ thực hiện: “Đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng trầm tích biển vịnh Hạ Long”. Nội dung nghiên cứu bao gồm: - Đánh giá tốc độ lắng đọng trầm tích tại các vị trí lấy mẫu trong vịnh Hạ Long dựa vào kỹ thuật đồng vị xác định 210Pb, 210Po. - Đánh giá nồng độ một số kim loại nặng tại các vị trí khảo sát trong trầm tích vịnh Hạ Long, so sánh nồng độ các chỉ tiêu này với Quy chuẩn Việt Nam và một số công trình nghiên cứu khoa học khác cũng đƣợc thực hiện tại vịnh Hạ Long. Mục đích của nghiên cứu này là xác định lịch sử phát sinh ô nhiễm trong vịnh Hạ Long, trên cơ sở xác định tốc độ lắng đọng trầm tích cùng với hàm lƣợng một số kim loại nặng làm tiền đề cho công tác quản lý và bảo vệ di sản thiên nhiên thế giới đƣợc UNESCO công nhận. 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu khu vực nghiên cứu Thành phố Hạ Long là trung tâm văn hóa, kinh tế, chính trị của tỉnh Quảng Ninh, thuộc vùng duyên hải Bắc Bộ. Thành phố Hạ long đƣợc thành lập ngày 27 tháng 12 năm 1993, trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của thị xã Hồng Gai. Dân số Tính đến ngày 01/4/ 2009, thành phố có 215.795 ngƣời với 55.172 hộ dân. Địa hình Thành phố Hạ Long có địa hình đa dạng và phức tạp, hình thành lâu đời trên lãnh thổ Việt Nam, bao gồm đồi núi, thung lũng, vùng ven biển và hải đảo, đƣợc chia thành 3 vùng rõ rệt: Hình 1. 1. Địa hình thành phố Hạ Long Vùng đồi núi phía bắc và đông bắc (phía bắc quốc lộ 18A) chiếm 70% diện tích đất của Thành phố, có độ cao trung bình từ 150m đến 250m, chạy dài từ Yên Lập đến Hà Tu, đỉnh cao nhất là 504 m. Dải đồi núi này thấp dần về phía biển, độ dốc trung bình từ 15-20 %, xen giữa là các thung lũng nhỏ hẹp. Vùng ven biển ở phía nam quốc lộ 18A, độ cao trung bình từ 0,5 đến 5 m. 3
Vùng hải đảo là toàn bộ vùng vịnh, nhiều hòn đảo lớn nhỏ, chủ yếu là đảo đá. Riêng đảo Tuần Châu rộng trên 400 ha. Qua khảo sát địa chất cho thấy, kết cấu địa chất của thành phố Hạ Long chủ yếu là đất sỏi sạn, cuội sỏi, cát kết, cát sét ổn định và có cƣờng độ chịu tải cao từ 2,5 đến 4,5 kg/cm2. Khí hậu Khí hậu vùng ven biển, mỗi năm có 2 mùa rõ rệt, mùa đông từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, mùa hè từ tháng 5 đến tháng 10. Nhiệt độ trung bình hằng năm là 23,70C; mùa hè nhiệt độ trung bình là 34.90C. Về mùa đông, nhiệt độ trung bình là 13,70C. Lƣợng mƣa trung bình năm là 1832 mm, phân bố không đều theo 2 mùa. Mùa hè, mƣa từ tháng 5 đến tháng 10, chiếm từ 80- 85% tổng lƣợng mƣa cả năm. Mùa đông là mùa khô, ít mƣa, tính từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, chiếm khoảng 15-20 % tổng lƣợng mƣa cả năm. Lƣợng mƣa ít nhất là vào các tháng 12 và tháng 1 (khoảng 4 - 40 mm). Do những đặc điểm về địa hình và vị trí địa lý, thành phố Hạ Long có 2 loại hình gió mùa hoạt động khá rõ rệt: gió Đông Bắc về mùa đông và gió Tây Nam về mùa hè. Tốc độ gió trung bình là 2,8 m/s, hƣớng gió mạnh nhất là gió Tây Nam, tốc độ 45 m/s. Khu vực Hạ Long là vùng biển kín nên ít chịu ảnh hƣởng của những cơn bão lớn, sức gió mạnh nhất trong các cơn bão thƣờng là từ cấp 9 đến cấp 10. Sông ngòi và chế độ thủy triều: Các sông chính chảy qua địa phận Thành phố bao gồm: sông Diễn Vọng, sông Vũ Oai, sông Man, sông Trới, cả bốn sông này đều đổ vào vịnh Cửa Lục rồi chảy ra vịnh Hạ Long. Riêng sông Míp đổ vào hồ Yên Lập. Các con suối chảy dọc sƣờn núi phía nam thuộc phƣờng Hồng Gai, Hà Tu, Hà Phong. Các sông và suối ở thành phố Hạ Long đều có đặc điểm nhỏ, ngắn, lƣu lƣợng nƣớc không nhiều. Chế độ thuỷ triều của vùng biển Hạ Long chịu ảnh hƣởng trực tiếp của chế độ thủy triều vịnh Bắc Bộ, biên độ dao động thuỷ triều trung bình là 3,6 m. Nhiệt độ nƣớc biển ở lớp bề mặt trung bình là 180C đến 30,80C; độ mặn nƣớc biển trung bình 21,6 % (vào tháng 7) cao nhất là 32,4 % (vào tháng 2 và tháng 3 hàng năm). 4
1.2. Nguồn gốc các nguyên tố hóa học trong đại dƣơng [34] Thành phần nguyên tố hóa học trong nƣớc biển xuất phát từ quá trình phong hóa khoáng chất trong vỏ trái đất. Ngoài ra, núi lửa và các đƣờng thông địa nhiệt cũng bổ sung liên tục vào nƣớc biển một lƣợng các nguyên tố C, B, Br, F, S, O, Fe, Mn. Nhìn chung, nguồn gốc thành phần hóa học của nƣớc biển có hai nguồn là nguồn tự nhiên và nguồn nhân sinh. Thành phần nguyên tố hóa học trong nƣớc đại dƣơng đƣợc trình bày ở bảng 1.1. Bảng 1.1. Thành phần nguyên tố hóa học trong nƣớc biển Các Nồng độ Các Nồng độ Các Nồng độ nguyên tố (‰ hoặc nguyên (ppm hoặc nguyên (ppb hoặc µg/l) chính g/l) tố phụ mg/l) tố vết Cl 19 O 6,0 Kr 0,2 (khí trơ) Na 11 B 5,0 Ni 0,15 Mg 1,3 Si 2,0 Ne 0,12 S 0,9 F 1,3 Cu 0,1 (kim loại nặng) Ca 0,4 Ar 0,43 W 0,1 K 0,38 Li 0,18 Xe 0,05 Br 0,067 Rb 0,12 Au 0,004 (kim loại trơ) C 0,028 P 0,06 La 0,003 N 0,011 I 0,06 Ag 0,001 Sr 0,008 Ba 0,02 Yb 0,0008 (đất hiếm) Mo 0,01 Eu 0,00001 Os 0,000007 Các nguyên tố hóa học trong nƣớc biển có đặc tính môi trƣờng rất khác nhau, thể hiện ở khả năng hấp phụ trên các hạt lơ lửng hoặc tạo phức với các hợp chất hữu cơ, hay đơn giản là quá trình hòa tan với ion Cl- hoặc phân tử nƣớc biển. Có thể phân chia nguồn phát sinh, quá trình phân bố giữa pha nƣớc và pha sa lắng của các nguyên tố hóa học trong nƣớc đại dƣơng nhƣ hình 1.2 và 1.3 dƣới đây. 5
Từ sông ngòi: Từ khí quyển: Từ vũ trụ - Phong hoá - Bụi - Mƣa - Xói mòn - Khuyếch tán khí Đại dƣơng Hoạt động của Xói lở ven bờ con ngƣời Khuếch tán từ Từ các nguồn địa nhiệt: Từ nƣớc ngầm: trầm tích đáy - Núi lửa, các lỗ thông - Thải ngầm biển khuếch tán khí - Các lỗ rò rỉ Hình 1. 2. Nguồn phát sinh các nguyên tố hóa học trong nƣớc đại dƣơng Hình 1. 3. Quá trình phân bố giữa pha nƣớc và pha sa lắng của các nguyên tố hóa học trong nƣớc biển Từ hai hình 1.2 và 1.3 nhận thấy, các nguyên tố sau khi đi vào môi trƣờng biển có một phần rời khỏi môi trƣờng nƣớc để hấp phụ vào các hạt lơ lửng và lắng đọng xuống đáy đại dƣơng dƣới dạng trầm tích. Nhƣ vậy các nguyên tố khi xâm nhập vào nƣớc biển tồn tại ở hai pha là pha nƣớc và pha sa lắng. Vì nguồn phát sinh là khác nhau nên phân bố của các nguyên tố giữa các pha là phức tạp và phụ thuộc vào các quá trình sinh địa hóa. Nhìn chung, các nguyên tố 6
hóa học chính trong đại dƣơng có thể chia thành bốn nhóm chính [34] đƣợc trình bày trong bảng 1.2 dƣới đây. Bảng 1. 2. Phân nhóm các nguyên tố hóa học theo bốn nhóm chính Nhóm nguyên tố Nguyên tố hóa học Nhóm bền vững Kim loại kiềm, kiểm thổ, nhóm halogen Nhóm dinh dƣỡng Cd, N, Si, As, Fe, Ni, Zn và đất hiếm Nhóm có tính gạn lọc Al, Bi, Ce, Pb, Ni, Th, Fe, Co, Mn, Hg Nhóm có tính kiểm soát thế oxy hoá khử Cl, As, Fe, Mn, Se, I, Pu Sự tƣơng tác của KLN với các hợp chất hữu cơ và các chất dinh dƣỡng là rất phức tạp do có sự biến động về nguồn, thuộc tính hoá lý và ảnh hƣởng của hàng loạt các quá trình vật lý, hoá học và sinh học. Các ảnh hƣởng này càng mạnh mẽ tại ven bờ nơi diễn ra các hiện tƣợng tự nhiên nhƣ bão lũ, xói mòn, rửa trôi, các hoạt động của con ngƣời nhƣ đổ thải, nạn phá rừng gây xói mòn v.v… Sự có mặt của KLN với hàm lƣợng cao có nguy cơ làm suy thoái môi trƣờng biển mà hệ lụy là hiện tƣợng thủy triều đỏ (Harmful Algal Bloom). Thủy triều đỏ là hiện tƣợng nở hoa của loài tảo lục trên diện rộng khi hàm lƣợng dinh dƣỡng cũng nhƣ KLN trong nƣớc biển tăng cao. Vi tảo hấp thụ nhiều KLN làm tăng độc tố toxin trong tảo. Các loài thủy sinh ăn phải loài tảo lục nhiễm độc này sẽ chết, con ngƣời ăn phải hải sản nhiễm độc (loài động vật đáy nhƣ ngao, sò v.v…) cũng tử vong. Nguyên nhân chính khiến hàm lƣợng KLN trong môi trƣờng biển tăng cao là do các hoạt động sản xuất của con ngƣời nhƣ khai mỏ, luyện kim, mạ v.v… Bởi vậy nghiên cứu quan trắc thành phần hóa học, trong đó có KLN trong môi trƣờng biển là rất quan trọng và cần thiết, các kết quả quan trắc sẽ một phần giúp nhà quản lý xây dựng chiến lƣợc bảo vệ và phát triển bền vững kinh tế biển. 1.3. Các nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng biển [1, 4] Một điều chắc chắn là con ngƣời càng đẩy nhanh tốc độ phát triển kinh tế trên lƣu vực sông, ven biển thì mức độ gây tổn thƣơng đến môi trƣờng biển càng cao. Thực tế con ngƣời đã phải chịu nhiều thiệt hại do những hành vi thiếu ý thức 7
trong khai thác và sử dụng tài nguyên biển. Các chất thải không qua xử lý từ các lƣu vực sông và vùng ven biển ngày càng nhiều, làm cho nhiều vùng biển ven bờ có nguy cơ bị thiếu ôxy trên diện rộng, khiến một số loài sinh vật biển bị đe doạ. Các chất thải có nguồn gốc lục địa đƣợc đƣa vào vùng biển nƣớc ta thƣờng là thuốc trừ sâu từ các vùng sản xuất nông nghiệp, chất thải hữu cơ từ các vùng nuôi trồng thuỷ sản ven biển, chất thải sinh hoạt và bệnh viện từ các khu đô thị, khu dân cƣ tập trung, chất thải từ mỏ từ các khu công nghiệp. Các sông lớn ở Việt Nam trƣớc khi đổ ra biển đều chảy qua các khu dân cƣ tập trung, khu công nghiệp và vùng nông nghiệp phát triển. Vì vậy, nguồn thải từ nƣớc sông cũng ảnh hƣởng không nhỏ đến chất lƣợng nƣớc biển ven bờ. Hàng năm hơn 100 con sông đổ ra biển khoảng 880 km3 nƣớc, 270-300 triệu tấn phù sa, kéo theo nhiều chất có thể gây ô nhiễm biển nhƣ các chất hữu cơ, dinh dƣỡng, KLN và nhiều chất độc hại khác. Sự gia tăng dân số vùng ven biển cũng làm tăng lƣợng chất thải sinh hoạt và thải vào biển qua hệ thống sông ngòi, kênh rạch. Lƣợng chất thải tăng mạnh nhất ở các khu đô thị ven biển, nơi tập trung các hoạt động du lịch, kinh tế xã hội và thu hút lao động từ các tỉnh thành khác. Nhƣ vậy, có thể thấy các nguồn gây ô nhiễm biển ven bờ chủ yếu là từ đất liền do các hoạt động nhân sinh gây ra. 1.4. Đánh giá tốc độ bồi lắng đáy biển bằng kỹ thuật đồng vị sử dụng 210 Pb, 210Po 1.4.1. Xác định tuổi tuyệt đối của trầm tích bằng 210Pb, 210Po a. Giới thiệu Để hiểu đƣợc các quá trình đang và sẽ diễn ra trong môi trƣờng, chúng ta phải dựa một phần vào những thông tin về môi trƣờng đã xảy ra trong quá khứ gần đây. Do đó, ngƣời ta quan tâm nhiều đến những đối tƣợng đang lƣu giữ các sự kiện trong quá khứ về sự thay đổi môi trƣờng. Những đối tƣợng nhƣ thế bao gồm trầm tích hồ, trầm tích biển gần bờ hoặc xa bờ và các vùng tích lũy than bùn. Để xây dựng lại lịch sử các sự kiện diễn ra trong môi trƣờng dựa vào trầm tích nhƣ tốc độ trầm tích và xói mòn đất, sự axit hóa nƣớc bề mặt, nhiễm bẩn kim loại hoặc các nguyên tố phóng xạ v.v… đều đòi hỏi việc xác định tuổi địa chất tin 8
cậy. Dựa trên các thành tựu mới về công nghệ thu nhận và xử lý các tín hiệu hạt nhân, kỹ thuật xác định tuổi địa chất bằng các đồng vị phóng xạ đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đặt ra, do đó, hiện nay nó đƣợc ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu. Trong số các đồng vị đƣợc sử dụng nhiều nhất để xác định tuổi trầm tích trẻ là đồng vị 210Pb. Đồng vị 210Pb có thể đƣợc xác định trực tiếp bằng phân tích phổ gamma hoặc thông qua phân tích đồng vị con 210Po dựa trên sự thu nhận phổ alpha, với giả thiết rằng cân bằng phóng xạ giữa 2 đồng vị này đạt đƣợc. Trong đa số trƣờng hợp, giả thiết này đối với trầm tích là thỏa mãn đƣợc. b. Tóm tắt phƣơng pháp Đồng vị 210Pb (T1/2 = 22,26 năm) là một trong số các đồng vị trong dãy phân 210 226 rã phóng xạ uran. Sự mất cân bằng giữa Pb và đồng vị mẹ của nó, Ra (T1/2 = 222 1600 năm) nảy sinh do sự khuếch tán của đồng vị phóng xạ khí trung gian Rn. Radon có thể thoát khỏi mặt đất do sự giật lùi của hạt nhân khi phát , hoặc do sự khuếch tán với tốc độ trung bình khoảng 42 nguyên tử/phút đối với 1 cm2 bề mặt 222 210 trái đất. Trong khí quyển, Rn phân rã thành Pb qua một loạt các đồng vị sống 210 ngắn sau đó Pb rơi trở lại mặt đất. Khi rơi lắng xuống mặt nƣớc, bụi phóng xạ 210 Pb bị hấp thụ vào các hạt trầm tích trong nƣớc hồ hoặc nƣớc biển, lắng đọng xuống đáy và sau đó bị vùi xuống các lớp sâu hơn do sự tích lũy trầm tích liên tục. 210 210 226 Sự vƣợt trội của Pb trong trầm tích so với lƣợng Pb cân bằng với Ra theo quy luật phân rã phóng xạ này đƣợc ứng dụng để đánh giá tuổi trầm tích. Các nguyên tắc tƣơng tự cũng có thể đƣợc dùng để xác định tuổi bất kỳ môi trƣờng nào đang tích tụ dần, miễn là chúng nhận đƣợc nguồn 210Pb từ khí quyển. Lƣợng 210Pb vƣợt trội so với 210Pb cân bằng với 226Ra thƣờng đƣợc ký hiệu 210 là Pbexc (210Pb excess). Lớp trầm tích tại bề mặt tiếp xúc bùn/nƣớc sẽ nhận đƣợc sự bổ sung 210Pbexc từ khí quyển cho đến khi bị các lớp trầm tích khác phủ lên. Khi không còn đƣợc bổ sung thêm 210Pb, lƣợng 210 Pbexc trong trầm tích sẽ giảm đi theo quy luật hàm mũ. Nếu ký hiệu  (Bq.cm-2.y-1) là thông lƣợng rơi lắng 210 Pb từ khí 210 quyển, lƣợng Pb cung cấp cho lớp trầm tích sẽ là: P = . (1.1) 9
trong đó  là hệ số vận chuyển 210 Pb từ không khí vào trầm tích, có độ lớn phụ thuộc vào các quá trình địa vật lý và địa hoá. Nếu ký hiệu r (g.cm-2.y-1) là tốc độ cung cấp trầm tích, hoạt độ 210 Pbexc ban đầu của lớp trầm tích sẽ là: Co = P/r = ./r (1.2) Giả sử các quá trình diễn ra sau khi trầm tích lắng đọng không làm thay đổi 210 đáng kể sự phân bố ban đầu của Pbexc cũng nhƣ phân bố của trầm tích, hoạt độ 210 Pbexc còn lại sau khoảng thời gian t sẽ tuân theo quy luật sau: C = Co.e-t (1.3)  là hằng số phân rã phóng xạ của 210Pb;  = ln2/22,26  0,03114 y-1 (1.4) 210 Khi đo đƣợc hoạt độ phóng xạ Pbexc của lớp trầm tích, có thể xác định đƣợc tuổi t của trầm tích nếu biết hoạt độ ban đầu Co. Hoạt độ Co đƣợc suy ra từ một số giả thiết tƣơng ứng với các điều kiện thực tế. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy rằng, trong một vùng không quá lớn để dẫn đến sự khác biệt về điều kiện khí tƣợng, thông lƣợng rơi lắng 210 của Pb có thể thăng giáng đáng kể trong từng khoảng thời gian ngắn, nhƣng nó không thay đổi nhiều hàng năm và có thể xem là không đổi. Nếu nhƣ môi trƣờng lƣu vực ổn định trong thời gian cần nghiên cứu thì tốc độ cung cấp trầm tích sẽ không đổi, kết quả là hàm lƣợng 210Pbexc tại thời điểm ban đầu của các lớp trầm tích Co = P/r cũng không đổi: Co = C(0) (1.5) trong đó C(0) là hàm lƣợng 210Pbexc trong lớp trầm tích bề mặt. Hàm lƣợng 210Pbexc của lớp trầm tích tuổi t sẽ là: C (t )  C (0).e t (1.6) Từ đó, tuổi t của lớp trầm tích có độ sâu x, hàm lƣợng C(t) đƣợc xác định bởi 210 biểu thức (1.7), dựa trên hàm lƣợng Pbexc của lớp trầm tích bề mặt C(0) và của lớp trầm tích C(t): 1 C (0) t ln (1.7)  C ( x) 10
1.4.2. Tốc độ trầm tích Đề tài sử dụng kỹ thuật 210Pb, 210Po để nghiên cứu tốc độ trầm tích. Các đồng 210 210 238 vị Pb và Po là đồng vị phóng xạ tự nhiên thuộc chuỗi phóng xạ U có sơ đồ phân rã nhƣ sau: 238 U Ra α 222Rn α 226 218 Po α Pb β- 214 214 Bi β- (1622 năm) (3,8 ngày) (26,6 tháng) Pb α 210Po 206 β- 210 Bi β- 210 Pb α 214 Po (bền vững) (22,3 năm) Đồng vị 238U trong tự nhiên nói chung phân bố khá đều trong lớp vỏ trái đất (trừ một số ít trƣờng hợp tập trung thành mỏ phóng xạ không xét ở đây). Đồng vị 238 U có chu kỳ bán rã hàng tỷ năm, nó bắt đầu phân rã sinh ra các sản phẩm con 226 238 cháu là chất rắn cho đến đồng vị Ra. Các sản phẩm phân rã này sinh ra từ U 238 tồn tại luôn trong đất đá bên cạnh U và sau một thời gian dài, hoạt độ phóng xạ 238 của các đồng vị này bằng với hoạt độ phóng xạ của đồng vị mẹ là U. Tiếp theo 226 222 222 sau Ra là đồng vị Rn. Do Rn ở dạng khí trơ, không bị bắt giữ bởi các phản 222 ứng hóa học nên nó có tính linh động cao. Rn sinh ra ở lớp ngoài cùng của cấu trúc vật chất chứa 226Ra dễ dàng thoát khỏi pha rắn và đi vào môi trƣờng không khí hoặc nƣớc. 222Rn có thể tập trung cao trong các khe nứt, hang động và các dòng suối 222 ngầm. Khi trong lòng đất có hiện tƣợng đứt gãy, có thể có một lƣợng lớn Rn thoát ra bay lên mặt đất, ngƣời ta sử dụng mối liên hệ này để dự đoán động đất. Về 226 tổng thể, nồng độ Ra trên bề mặt đất là khá đồng đều nên tốc độ thoát ra của 222 Rn bay vào khí quyển là ổn định ở các lục địa trên thế giới. Hiện tƣợng giãn nở mặt đất do nóng lạnh trong ngày, do độ xốp của đất làm cho tốc độ thoát khí 222Rn có thay đổi, nhƣng về dài hạn thì tốc độ bổ sung 222Rn vào khí quyển là không đổi. 222 Rn trong khí quyển tiếp tục bị phân rã tạo nên các sản phẩm phóng xạ con cháu là chất rắn nhƣ 214Pb, 214Bi và 210Pb. Các sản phẩm này bị hấp phụ bởi sol khí, bụi khí và dần dần lắng đọng xuống mặt đất, mặt nƣớc. Nhƣ vậy, có thể hiểu tốc độ bổ sung 210 Pb vào môi trƣờng nƣớc là không đổi. Có thể mô tả quá trình bổ sung này thành nhiều bƣớc nhƣ sau: 210Pb bám vào sol khí, bụi khí lắng đọng xuống mặt nƣớc và đi xuống đáy biển một cách từ từ; 210Pb trong khí quyển theo nƣớc mƣa rơi xuống mặt 11