Đặc điểm tinh thể khoáng vật học, phổ quang học và nguồn gốc thành tạo zircon vùng mỏ krông năng, đắk lắk, việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -BÙI THỊ SINH VƢƠNG ĐẶC ĐIỂM TINH THỂ-KHOÁNG VẬT HỌC, PHỔ QUANG HỌC VÀ NGUỒN GỐC THÀNH TẠO ZIRCON VÙNG MỎ KRÔNG NĂNG, ĐẮK LẮK, VIỆT NAM Chuyên ngành: Khoáng vật học địa hóa học Mã số: 60440201 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS LÊ THỊ THU HƢƠNG XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG Giáo viên hƣớng dẫn: Chủ tịch hội đồng chấm luận văn thạc sỹ khoa học TS Lê Thị Thu Hƣơng PGS TS Hoàng Thị Minh Thảo Hà Nội - 2016 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, trƣớc tiên học viên xin chân thành cảm ơn giảng dạy nhiệt tình thầy cô Khoa Địa chất - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội suốt thời gian học viên học tập, nghiên cứu trƣờng Học viên xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới tiến sĩ Lê Thị Thu Hƣơng, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn tận tình trình học viên thực hoàn thành luận văn Cô ngƣời truyền cho học viên lòng đam mê với địa chất, thử thách học viên theo cách khác nhau; cho học viên cách làm việc, nghiên cứu cách khoa học hiệu Học viên xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới Tiến sĩ Christoph Lenz, viện nghiên cứu Khoáng vật học tinh thể học, trƣờng đại học Vienna, ngƣời giúp học viên thực phép đo quang phổ phát quang cho học viên lời khuyên, gợi ý quý báu trình luận giải kết phép đo Luận văn kết đề tài: “Ứng dụng phƣơng pháp phổ dao động Raman nghiên cứu cấu trúc phân đới zircon v ng Tây Nguyên, Việt Nam thuộc trung tâm nghiên cứu hỗ trợ châu Á (ARC), ĐHQGHN Cảm ơn quỹ ARC hỗ trợ tài cho học viên Cuối c ng học viên xin cảm ơn gia đình bạn bè, ngƣời cạnh, khuyến khích động viên để học viên hoàn thành luận văn Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên B i Thị Sinh Vƣơng i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC BẢNG viii MỞ ĐẦU Chƣơng – ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ, KINH TẾ XÃ HỘI VÀ ĐỊA CHẤT CỦA TỈNH ĐẮK LẮK, TÂY NGUYÊN 1.1 Vị trí địa lý 1.2 Đặc điểm dân số, kinh tế-xã hội v ng 1.3 Đặc điểm địa chất v ng Đắk Lắk 1.3.1 Địa tầng 1.3.2 Các đá magma xâm nhập 1.3.3 Kiến tạo 10 Chƣơng – TỔNG QUAN VỀ ZIRCON VÀ TỔNG QUAN TÀI LIỆU 11 NGHIÊN CỨU 11 2.1 Đặc điểm tinh thể 11 2.2 Hiện tƣợng metamict hóa zircon phá hủy phóng xạ 13 2.3 Tổng quan tài liệu nghiên cứu 16 Chƣơng – MẪU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 3.1 Mẫu nghiên cứu 20 3.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu 21 ii 3.2.1 Phân tích vi đầu dò điện tử 21 3.2.3 Quang phát quang (PL) 23 3.2.4 Quang phổ Raman 24 3.2.5 Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR) 26 Chƣơng – ĐẶC ĐIỂM TINH THỂ - KHOÁNG VẬT HỌC 29 VÀ NGUYÊN NHÂN GÂY MÀU CỦA ZIRCON VÙNG MỎ KRÔNG NĂNG, ĐẮK LẮK, VIỆT NAM 29 4.1 Thành phần hóa học mẫu zircon v ng nghiên cứu 29 4.2 Sự có mặt Dy3+ cấu trúc zircon 32 4.3 Đặc tính quang phổ hấp thụ UV - Vis - NIR nguyên nhân gây màu zircon34 Chƣơng 5- ĐẶC ĐIỂM PHỔ QUANG HỌC, MỨC ĐỘ METAMICT HÓA 36 VÀ NGUỒN GỐC THÀNH TẠO ZIRCON VÙNG MỎ KRÔNG NĂNG, 36 ĐĂK LĂK, TÂY NGUYÊN, VIỆT NAM 36 5.1 Đặc điểm phổ quang học 36 5.1.1 Quang phổ phát quang (PL) 36 5.1.2 Quang phổ Raman 39 5.1.3 Đặc tính quang phổ hồng ngoại (FTIR) 40 Đánh giá mức độ metamict hóa zircon v ng mỏ Krong Năng, Đăk Lăk 43 5.2.1 Mối tƣơng quan mức độ metamict hóa đặc tính phát quang Dy3+ Nd3+ 43 5.2.2 Mức độ metamict hóa tác động tới hình thái dao động v3 (SiO4) 45 5.2.3 Sự xuất chiếm ƣu thê nhóm OH- cấu trúc zircon: đặc trƣng zircon cao (metamict hóa thấp) 47 5.2.4 Hàm lƣợng nguyên tố phóng xạ nguyên tố tạp zircon47 iii 5.3 Nguồn gốc thành tạo zircon v ng mỏ Krông Năng, Đăk Lăk 49 5.3.1 Hàm lƣợng Hf tỷ lệ Zr/Hf zircon 49 5.3.2 Tỷ lệ Th/U zircon 50 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC A 59 Thành phần hóa học mẫu zircon v ng mỏ Krông Năng, Đăk Lăk, Việt Nam59 Tính toán công thức hóa học mẫu zircon v ng mỏ Krông Năng, Đăk Lăk63 PHỤ LỤC B 65 Quang phổ hấp thụ FTIR mẫu zircon v ng mỏ Krông Năng, Đăk Lăk: vùng 400-2000 cm-1 65 Quang phổ hấp thụ FTIR mẫu zircon v ng mỏ Krông Năng, Đăk Lăk: vùng 2000-4000 cm-1 69 PHỤ LỤC C 72 Quang phổ Raman mẫu zircon v ng mỏ Krông Năng, Đăk Lăk 72 PHỤ LỤC D 78 Quang phổ hấp thụ UV - Vis - NIR mẫu zircon v ng mỏ Krông Năng, Đăk Lăk 78 iv CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT UV - Vis - NIR V ng cực tím - nhìn thấy - hồng ngoại gần FTIR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FWHM Độ rộng toàn phần nửa cực đại PL Quang phát quang EMPA Phân tích vi đầu dò điện tử EDS Quang phổ phân tán lƣợng v DANH MỤC HÌNH Hình Bản đồ tỉnh Đắk Lắk Nguồn: Mapofworld (www.mapofworld.com) Hình Bản đồ địa chất v ng Tây Nguyên Hình Mặc d xuất mỏ địa phƣơng khác nhau, mẫu zircon từ tỉnh khu vực Tây Nguyên có đặc điểm hình thái màu sắc tƣơng tự nhau, có màu từ phớt vàng tới nâu đen (hyacinth) .9 Hình Cấu trúc zircon mặt (100); trục thẳng đứng c, trục nằm ngang b (a2) Khối 12 mặt ZrO8 đƣợc phủ màu xám sáng; tứ diện SiO4 v ng kẻ sọc Theo Anderson (1963) 11 Hình Cấu trúc zircon, v ng trung tâm liên kết Zr với nguyên tử O 12 xung quanh 12 Hình Một số mẫu zircon mỏ Krông Năng, Đắk Lắk, có màu từ vàng cam 20 tới nâu phớt đỏ .20 Hình JEOL 8900 Superprobe .22 Hình Hình ảnh bề mặt mẫu vị trí điểm đo EDS thuộc hai v ng màu: v ng màu vàng (phổ 3); v ng màu nâu (phổ 4, 5, 6) 23 Hình Quang phổ kế Horiba Jobin Yvon LabRAM-HR 800 .24 Hình 10 Quang phổ kế vi Raman Renishaw RM800 26 Hình 11 Quang phổ kế FTIR (Model NEXUS 670) .27 Hình 12 Quang phổ kế UV - VIS - NIR (Model Lambda 900) .28 Hình 13 Biểu đồ hàm lƣợng nguyên tố vị trí B (Si + P + Al + Fe) nguyên tố vị trí A (tất ion dƣơng khác) zircon .32 vi Hình 14 Quang phổ EDS zircon có mặt Dy3+trong vùng màu nâu 33 Hình 15 Quang phổ EDS zircon có mặt Dy3+ vùng 33 màu vàng 33 Hình 16 Phổ hấp thụ UV - Vis - NIR mẫu zircon đại diên (Zr-tn-r 03) vùng 400-700 nm .35 Hình 17 Phổ hấp thụ UV - Vis - NIR bốn mẫu zircon đai diện v ng 35 200-1600 nm 35 Hình 18 Hình ảnh mapping phổ PL thể phân bố cƣờng độ mô hình chuyển đổi 4F9/2 → 6H13/2 Dy3+ 37 Hình 19 Hình ảnh phát quang mẫu zircon cƣờng độ phát quang Dy3+ đƣợc minh họa theo mã màu .37 Hình 20 Phổ phát quang đặc trƣng (bƣớc sóng kích thích = 473 nm ) mẫu zircon vùng nhìn thấy tới v ng hồng ngoại .38 Hình 21 Quang phổ Raman mẫu zircon đại diện 40 Hình 22 Phổ hấp thụ FTIR mẫu zircon v ng 400-2000 cm-1 41 42 Hình 23 Phổ hấp thụ FTIR mẫu zircon v ng 2000-4000 cm-1 42 Hình 24 Phổ phát quang liên quan tới trình chuyển đổi 4F9 / → 6H13 / ion Dy3+, phân mức I II đƣợc hình 44 Hình 26 Biểu đồ thể tỉ lệ thuận hàm lƣợng UO2 tổng hàm lƣợng Al+Ca+P+Fe với hệ số tƣơng quan khoảng 0,9 48 Hình 27 Biểu đồ thể so sánh hàm lƣợng P tổng hàm lƣợng Al+REE+Y 49 vii DANH MỤC BẢNG Bảng Các đặc điểm loại zircon khác 14 Bảng Thành phần hóa học mẫu zircon đại diện cho màu khác nhau, từ zircon màu nhạt, phớt vàng, phớt đỏ tới nâu sẫm 30 Bảng Vạch phát quang đặc trƣng ion đất zircon tự nhiên .39 Hình 25 Phổ phát quang liên quan tới trình chuyển đổi 4F3 / → 4I9 / .44 ion Nd3+ 44 Bảng Kết phổ nghiên cứu Lenz Nasdala (2015) (mẫu M144 mẫu Rata) mẫu zircon v ng nghiên cứu (Zr-tn-r 03) 45 Bảng Vị trí giá trị FWHM đỉnh ν3 (SiO4) zircon v ng nghiên cứu 46 Bảng Một số tỷ lệ đƣợc xác định từ thành phần hóa học mẫu zircon v ng mỏ Krông Năng, Đăk Lăk 51 viii MỞ ĐẦU Ở Việt Nam, tỉnh Tây Nguyên ngày trở nên tiếng với loại sapphia (màu xanh, lục vàng), peridot, granat nhƣ zircon thứ sinh có giá trị thƣơng mại lớn Zircon v ng thƣờng c ng với sapphia đƣợc khai thác mỏ sa khoáng (chủ yếu alluvi) liên quan đến bazan tỉnh Đắk Lắk, Kon Tum, Đắk Nông, Gia Lai Lâm Đồng Mặc d xuất mỏ địa phƣơng khác nhau, nhƣng xuất zircon loại hình mỏ tƣơng đồng, thể c ng nguồn gốc liên quan đến phun trào magma bazan toàn khu vực Tây Nguyên Hình thái tinh thể zircon mỏ sa khoáng kết hợp hình tháp lăng trụ bốn phƣơng Trong mỏ, màu sắc zircon thay đổi từ không màu đến nâu nhạt, nâu đậm, có kết hợp màu nâu phớt đỏ, nâu phớt vàng Cho tới nay, zircon Tây Nguyên đƣợc nhà thạch học, kiến tạo học nƣớc nghiên cứu nhƣ khoáng vật chủ cặp đồng vị uranium - chì nhằm xác định tuổi địa chất củakhu vực (Garnier et al., 2005) Tuy nhiên, đặc tính cấu trúc tinh thể khoáng vật, đặc điểm ngọc học ứng dụng, nhƣ đặc tính quang phổ hƣớng nghiên cứu mở Nghiên cứu đặc tính ngọc học giúp đánh giá chất lƣợng zircon đặc điểm cấu trúc tinh thể lại cung cấp tiêu chí để xác định mức độ phá hủy phóng xạ (metamict hóa) Bởi ý nghĩa khoa học quan trọng, tƣợng metamict hóa zircon đƣợc nhà khoa học giới đặc biệt ý Hiện tƣợng đƣợc đặc trƣng giảm mức độ kết tinh, giảm cƣờng độ hấp thụ đỉnh phổ Raman phổ hồng ngoại, giảm số khúc xạ lƣỡng chiết suất; giảm tỉ trọng độ cứng Zircon đƣợc sử dụng rộng rãi việc định tuổi nên việc hiểu biết mối quan hệ độ kết tinh mức độ phá hủy phóng xạ có vai trò quan trọng; đặc biệt lĩnh vực định tuổi vết phân hạch, đƣợc xem nhân tố ảnh hƣởng đến dấu vết thành tạo đƣợc lƣu lại Ở bậc đại học, học viên tiến hành nghiên cứu, đánh giá sơ zircon vùng mỏ Krông Năng, Đắk Lắk Trong đó, mẫu zircon đƣợc nghiên cứu 0.20 433 Zr-tn-r 06 light mix 0.15 868 Absorbance 611 0.10 978 0.05 0.00 500 1000 1500 2000 -1 Wavenuber (cm ) Hình 6B Quang phổ hấp thụ FTIR mẫu Zr-tn-r 06 sáng màu mix 68 Quang phổ hấp thụ FTIR mẫu zircon vùng mỏ Krông Năng, Đăk Lăk: vùng 2000-4000 cm-1 Zr-V2-Colorless 0.5 0.4 3197 Absorbance 0.3 2758 0.2 3095 2505 2865 0.1 0.0 2000 3420 2500 3000 3500 4000 -1 Wavenumber (cm ) Hình 7B Quang phổ hấp thụ FTIR mẫu Zr-V2-Colorless Zr-tn-c 02 0.4 2374 0.2 3324 Absorbance 3197 2756 2505 3385 3420 0.0 2000 2500 3000 3500 4000 -1 Wavenumber (cm ) Hình 8B Quang phổ hấp thụ FTIR mẫu Zr-V2-Yellowish 69 1.0 Zr-V3-Reddish 3197 2865 3334 3385 3420 Absorbance 2756 0.8 2501 0.6 2000 2500 3000 3500 4000 -1 Wavenumber (cm ) Hình 9B Quang phổ hấp thụ FTIR mẫu Zr-V3-Reddish Zr-tn-r 03 0.7 Absorbance 0.5 2918 2854 2756 0.6 3334 3385 3420 3197 2341 2501 0.4 0.3 2000 2500 3000 3500 4000 -1 Wavenumber (cm ) Hình 10B Quang phổ hấp thụ FTIR mẫu Zr-tn-r 06 brown 70 Zr-tn-r 062 0.6 Absorbance 2856 2920 3385 3420 3198 0.4 2334 2366 2756 2505 2000 2500 3000 3500 4000 -1 Wavenumber (cm ) Hình 11B Quang phổ hấp thụ FTIR mẫu Zr-tn-r 06 sáng màu mix 0.80 Zr-tn-r 08 brown 0.75 0.70 3199 2756 0.50 2344 0.55 3385 3420 2584 2920 0.60 2366 Absorbance 0.65 0.45 2502 0.40 2000 2500 3000 3500 4000 -1 Wavenumber (cm ) Hình 12B Quang phổ hấp thụ FTIR mẫu Zr-tn-c 08 brown 71 PHỤ LỤC C Quang phổ Raman mẫu zircon vùng mỏ Krông Năng, Đăk Lăk Zr-tn-r 03 brown 1008 Intensity (a.u) 15000 10000 439 5000 974 215 357 202 225 400 800 1200 -1 Raman shift (cm ) Hình 1C Quang phổ Raman mẫu Zr-tn-r 03 brown 72 Zr-tn-r 03 light 30000 1008 25000 Intensity (a.u) 20000 15000 10000 439 974 5000 214 357 202 225 0 200 400 600 800 1000 1200 -1 Raman shift (cm ) Hình 2C Quang phổ Raman mẫu Zr-tn-r 03 sáng màu Zr-tn-r 06 brown Intensity (a.u) 18000 1008 12000 439 6000 974 214 202 225 357 400 800 1200 -1 Raman shift (cm ) Hình 3C Quang phổ Raman mẫu Zr-tn-r 06 brown 73 Zr-tn-r 06 Intensity (a.u) 18000 1008 12000 439 6000 214 202 225 974 357 400 800 1200 -1 Raman shift (cm ) Hình 4C Quang phổ Raman mẫu Zr-tn-r 06 Zr-tn-r 08 1008 Intensity (a.u) 10000 5000 439 974 214 202 225 357 400 800 1200 -1 Raman shift (cm ) Hình 5C Quang phổ Raman mẫu Zr-tn-r 08 74 5000 Zr-V1 357 Intensity (a.u) 4000 3000 439 225 2000 202 1008 1000 974 400 800 1200 -1 Raman shift (cm ) Hình 6C Quang phổ Raman mẫu Zr-V1 Zr-V2 light 357 5000 Intensity (a.u) 4000 1008 3000 439 225 2000 202 1000 974 400 800 1200 -1 Raman shift (cm ) Hình 7C Quang phổ Raman mẫu Zr-V2 sáng màu 75 357 Zr-V2 4000 439 Intensity (a.u) 3000 225 2000 1008 202 1000 974 400 800 1200 -1 Raman shift (cm ) Hình 8C Quang phổ Raman mẫu Zr-V2 Zr-V4 1008 Intensity (a.u) 10000 439 357 5000 974 225 202 400 800 1200 -1 Raman shift (cm ) Hình 9C Quang phổ Raman mẫu Zr-V4 76 357 3000 Zr-V3 brown Intensity (a.u) 1008 2000 439 225 202 1000 974 400 800 1200 -1 Raman shift (cm ) Hình 10C Quang phổ Raman mẫu Zr-V3 brown 15000 Zr-V3 light 1008 357 Intensity (a.u) 10000 439 225 5000 202 974 215 400 800 1200 -1 Raman shift (cm ) Hình 11C Quang phổ Raman mẫu Zr-V3 sáng màu 77 PHỤ LỤC D Quang phổ hấp thụ UV - Vis - NIR mẫu zircon vùng mỏ Krông Năng, Đăk Lăk Zr-tn-r 03 brown 2.5 Absorbance 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 400 800 1200 1600 Wavelength (nm) Hình 1D Quang phổ hấp thụ UV - Vis - NIR mẫu Zr-tn-r 03 brown 2.5 Zr-colorless Absorbance 2.0 1.5 1.0 655 0.5 400 800 1200 Wavelenght (nm) 78 1600 Hình 2D Quang phổ hấp thụ UV - Vis - NIR mẫu Zr-colorless Zr-light yellow 2.0 Absorbance 1.6 1.2 0.8 0.4 400 800 1200 1600 Wavelength (nm) Hình 3D Quang phổ hấp thụ UV - Vis - NIR mẫu Zr-sáng màu yellow Zr-SP 04 core Absorbance 400 800 1200 Wavelength (nm) 79 1600 Hình 4D Quang phổ hấp thụ UV - Vis - NIR mẫu Zr-SP04 core SP04-core 02 Absorbance 400 800 1200 1600 Wavelength (nm) Hình 5D Quang phổ hấp thụ UV - Vis - NIR mẫu Zr-SP 04-core 02 Zr-SP04 core 03 Absorbance 1505 400 800 1200 Wavelength (nm) 80 1600 Hình 6D Quang phổ hấp thụ UV - Vis - NIR mẫu Zr - SP 04 core 03 Zr-SP 04 rim Absorbance 653 400 800 1200 1600 Wavelength (nm) Hình 7D Quang phổ hấp thụ UV - Vis - NIR mẫu Zr-SP 04 rim Absorbance Zr-SP04 rim 400 800 1200 1600 Wavelength (nm) Hình 8D Quang phổ hấp thụ UV - Vis - NIR mẫu Zr-SP04 rim 02 81 82 ... màu zircon3 4 Chƣơng 5- ĐẶC ĐIỂM PHỔ QUANG HỌC, MỨC ĐỘ METAMICT HÓA 36 VÀ NGUỒN GỐC THÀNH TẠO ZIRCON VÙNG MỎ KRÔNG NĂNG, 36 ĐĂK LĂK, TÂY NGUYÊN, VIỆT NAM 36 5.1 Đặc điểm phổ quang học. .. này, học viên khắc phục hạn chế bậc đại học, tiếp tục sâu vào nghiên cứu chi tiết đặc điểm tinh thể - khoáng vật học, phổ quang học zircon phƣơng pháp khác để đƣa đánh giá xác zircon v ng mỏ Krông. .. dấu vết thành tạo đƣợc lƣu lại Ở bậc đại học, học viên tiến hành nghiên cứu, đánh giá sơ zircon vùng mỏ Krông Năng, Đắk Lắk Trong đó, mẫu zircon đƣợc nghiên cứu phƣơng pháp ngọc học, quang phổ UV