Bài viết với các nội dung: cấu trúc của trái đất, thành phần hóa học của trái đất, thành phần hóa học của vỏ trái đất, thành phần vỏ lục địa, thành phần của thủy quyển, thành phần hóa học của nước biển, thành phần khí quyển trong lòng đất...
ĐỊA HĨA HỌC 573 Thành phần hóa học Trái Đất N g u y ề n V ă n Phô V iệ n Đ ịa chât, V iệ n H n lâ m K h o a h ọ c v C ô n g n g h ệ V iệ t N a m Giới thiệu Trái Đâ't, m ột hành tinh n guyên thủy khác hệ Mặt Trời, xuất vào khoảng 4,6-4,8 tỷ năm v ề trước nhờ trinh tập hợp vật chât bụi vũ trụ nhiệt độ thâp nhiệt độ nóng chảy Theo s ố liệu có giai đoạn phát triển sớm Trái Đất trình phân dị hóa học với quy m tồn hành tinh Quá trình dân tới thành tạo nhân tâm m anti n guyên sinh bao quanh có thành phần silicat Sụ thành tạo vỏ đại d ương vỏ lục địa có thành phẩn alum osilicat kiện m uộn hơn, liên quan tới q trình hóa lý manti Các hoạt đ ộng địa chất tiếp diễn, tạo tập hợp đa dạng đá m agm a trầm tích, đ ổn g thời tạo lớp vỏ nước bóc m òn chất khí khí đất, trải qua m ột đới chuyên tiếp ngăn cách manti 5) Ở manti, nhân ngồi có dạng chất lỏng m ềm nằm nhân rắn N hân quay với tốc đ ộ góc cao so với phần lại hành tinh, khoảng 0,1 -0,5° m ỗi năm Cấu trúc Trái Đất Câu trúc bên Trái Đât kết quà trình phân dị vật chât Trái Đâ't Các lớp (quyển) xác định m ột cách tin cậy nhờ s ố liệu địa chân thu theo m ức đ ộ phản xạ, khúc xạ són g dọc (P) són g ngang (S) Theo tài liệu có m hình cấu trúc Trái Đâ't gồm lớp tâm k ế cận khác biệt trạng thái lý học thành phẩn hóa học [H l] từ ngồi vào sau: Hình Cấu trúc Trái Đất (Theo Bullen, 1963) Thành phần hóa học Trái Đất Thành phần manti Trái Đắt 2) Lớp silicat rắn bên vỏ Trái Đất gồm bảy m àng kiến tạo riêng biệt nhiều m ảng kiến tạo nhỏ khác nằm m ột lớp chất rắn dẻo v ỏ Trái Đât phân cách với m anti b ể mặt gián đoạn M ohorovic (gọi tắt M oho) độ d ày thay đ ổi từ đến lOkm v ỏ đại dư ơng 20-70km vỏ lục địa Lớp vỏ phần m anti gợi thạch quyển; m ảng kiến tạo thành tạo thạch quyến Manti Trái Đất đư ợc chia thành phần dựa ranh giới 413 984km Manti M oho ranh giới khoảng 400km không đ nhât d o có n óng chảy cục Các xenolit đá siêu m afic đư ợc tạo thành từ đới cho thấy m anti bao gồm olivin, pyroxen granit v ó i lượng nhỏ spinel, am phibol phlogopit C huyến tiếp độ sâu 400 l.OOOkm vùng pha trung chuyển có áp suât đủ tạo orthosilicat Fe M g từ cấu trúc olivin sang câu trúc spinel Có lè, pha chuyên tiếp xảy n hữ n g trình m ạnh gây nên nhừng chuyển đ ộn g m agm a kiến tạo đới nằm Manti sâu l.OOOkm có thê đ ồng nhất, giàu Fe m anti (H enderson, 1982) 3) Dưới thạch quyến m ềm (asthenosphere từ tiếng H y Lạp a + sthenos có nghĩa "khơng có lực"+ sphere quyển, th ế gọi khu vự c yếu hay "mểm"), nằm phía thạch quyến, độ sâu từ 100-200km bể mặt Trái Đât, có thê m rộng tới độ sâu 400km 4) Dưới q uyển m ềm m anti có b ề dày khoảng 2.900km nơi có đ ộ nhớt cao N n g thay đối quan trọng cấu trúc tinh thê bên lớp phủ xuất đ ộ sâu 410 660km mặt Thành phần hóa học m anti rât khó xác định xác lẽ khơng th ể trực tiếp nghiên cứu không đ ổn g Mặc dù vậy, xenolit siêu m afic n hư thiên thạch đá cung cấp thơng tin hữu ích Thêm vào m ột khối lư ợng lớn peridotit kiểu alpin có thê bắt n gu ồn từ m anti ranh giới hội tụ m ảng V iệc xác định thành phẩn hóa học m anti phải ý đến đặc trưng địa vật lý tỷ trọng, tốc độ són g địa chấn; nhiệt sinh phân rã Ư, Th 1) N gồi khí quyến phân thành tầng 574 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT K Hơn nữa, m anti có th ế tạo kiểu magma basalt d o n óng chảy cục điều kiện lý học giốn g basalt p h ổ biến thạch quyến Trái Đằ't N h ữ n g đặc điểm n ày gần giốn g với m ột loại đá có tên pyrolit R ingw ood (1966) tạo cách kết hợp p eridotit với basalt theo tỳ lệ 3:1 Thành phẩn hóa h ọc m an ti tương tự thành phẩn hóa học mà M asson (1966) đưa dựa thiên thạch tựa thành phần hóa học H utchison (1974) dựa bao toleit đá m agm a D ựa vào cách xác định trên, thành phẩn hóa học m anti thê Bảng Bảng1.Thành phần hóa học manti Trái Đất Hợp phần Mẩu ’ 45,2 375 8,0 35 3,1 0,57 43 14 06 13 0,17 Mẩu “ 48,1 31 127 3,1 23 1,1 0,55 0,42 0,34 0,12 0,12 Mẫu 44,5 300 8,0 35 3,25 028 0,41 0,11 — 0,04 0,009 0,15 99,93 Mẩu 45,5 42,2 8,3 3,8 21 04 — 0,2 — 0,1 H ầu hết kết tính tốn v ể thành phẩn n g u y ên tố v ỏ Trái Đất đưa có n h ữ n g q uy luật ch u ng v ể phân b ố n guyên tố chính: đ ểu rơi v o đ ộ lệch chuẩn trung bình 20% d o đó, thành phần v ỏ Trái Đất công b ố h ợp lý [Bảng 2] V ới đ ộ xác 0,1%, 10 n g u y ên tố tạo đá chiếm 99,7% vỏ Trái Đât Bảng2.Thành phần nguyên tổ vỏ lục địa (theo % trọng lượng) Họp phần S1O2 59,12 59,19 60,06 59,4 59,3 57,3 TỈO2 1,05 0,79 15,34 15,82 0,90 1,2 0,7 0,9 15,9 15,52 15,6 15,0 Fe20 FeO 3,08 3,41 3,55 2,3 2,4 — 3,80 3,58 4,06 5,0 5,6 9,1 MnO 0,12 0,11 0,21 0,1 — MgO 3,49 3,30 3,56 0,1 4,2 4,9 5,3 CaO 5,08 3,84 3,07 5,62 6,6 7,2 7,4 3,05 3,28 3,3 2,5 3,1 *pyrolit (R ingw ood,1966) k 2o 3,13 3,93 2,88 2,3 2,1 1,1 “ thiên thạch (M assn,1966) P2O5 0,30 0,2 0,2 — — 1,15 0,22 0,54 0,36 0 Si02 MgO FeO AI2O3 CaO Na20 Cr20 MnO Các ngun tơ' chính: Thành phần hóa học vỏ lục địa đ ợc nhiều tác giả xác định nhiều cách khác nhau: 1) trung b ình hóa m ột s ố lượng lớn m ẫu phân tích; 2) kết hợp kết phân tích loại đá khác đ ợc điều chinh theo tỳ lệ khôi lư ợn g chúng; 3) phân tích đá trầm tích thành tạo từ lục địa; 4) kết hợp thành phần đá acid m afic theo tỷ lệ khác nhau; 5) m hình hóa — — 100,0 — — — — 100,0 — 100,0 — 100,1 P2O5 k20 tìo NiO Tổng: — 98,8 — 99,95 — — 102,6 ***lherzolit (H utchison, 1974) **** D im itriev (1969) Thành phần hóa học vỏ Trái Đắt Vỏ Trái Đất m an ti không chi gồm v ỏ lục địa mà bao gồm v ỏ đại dương Bề d ày trung bình v ỏ Trái Đất khoản g 35km lục địa khoảng 5-8km đại dư ơng, v ỏ đại d ơng khác biệt với vỏ lục địa v ề thành phẩn n guổn gốc v ỏ lục địa chủ yếu gồm đá m agm a biến chất Các đá trầm tích phun trào chiếm phẩn n hỏ v ỏ lục địa chúng lại có m ặt n gay mặt lục địa nên vai trò ch ú ng không phần quan trọng N gh iên cửu thành phẩn hóa học vỏ Trái Đất loại đá khác m ột mục tiêu chủ yếu địa hóa học, nơi lưu giữ lượng lớn n gu yên tố k g tương thích Trái Đất d o đó, có tầm quan trọng tính tốn cân khơi lượng địa hóa tồn Trái Đất Thànhphầnvỏlụcđịa N hiều nghiên cửu v ể thành phẩn lớp vỏ lục địa thực n hữ n g năm qua đằ chắt lọc nên tranh vê' thành phần v ỏ Trái Đất AI2O3 Na20 h 2o Cộng: 3,32 99,00 99.03 C la rke VVashington (1924) G o ld s c h m itd t (1 95 ) D aly (1 91 ) P o ld e rv a a rí ( 19 5 ) R o n o v Y a ro s h e v s k y (1976) T a y lo r M c L en n a n (1986) Các nguyên tô' vêh H àm lượng m ột s ố n gu yên tố vết đ ợ c tác giả cô n g b ố có n n g khác biệt trình đ ộ p hân tích từ ng thời kỳ, son g có đ ộ lệch ch u ẩn khoảng 20% Taylor M cLennan (1985) xác đ ịn h hàm lư ợng nguyên tố v ết v ò lục địa Cả hai loại s ố liệu đem vị hàm lư ợ n g q u y ớc p p m hay theo 106 n gu yên tử Si Sự khác biệt v ề đ ộ p h ổ b iến n gu yên tố đât h iếm riêng lẻ v ỏ lục địa Trái Đất d o cấu trúc hạt nhân đặc tính địa hóa chúng Đ ổ thị y ếu tố làm giàu hình cho thấy v ỏ lục địa Trái Đ ất giàu n g u y ên tố ưa đá (lithop hile), n h n g n g h èo hầu hết n gu yên tố ưa sắt (sid ero p h ile) ưa lưu huỳnh (chalcophile) so với hệ M ặt Trời [H.2] N g o i lệ có n gh èo n g u y ên tố M g o , d o ch ú ng tập trung ĐỊA HÓA HỌC manti hàm lượng Cr, M n cũ n g thâp Mặt Trời Hơn nữa, m ột s ố n g u y ê n tố ưa lưu huỳn h Pb TI lại có xu th ế giàu lên tới 1,3-7,0 lẩn so với Mặt Trời Sự làm giàu Pb đá vỏ Trái Đất có th ế giải thích b ằng q trình phân rã Ư Th n hữ n g n guyên tố p h ó n g xạ chủ yếu tập trung v ỏ Trái Đâ't Sự có m ặt với hàm lượng cùa TI cao vỏ Trái Đ ât có thê d o khả n ăn g thay th ế n ó cho K* k hốn g vật kali, bâ't châp thuộc tính ưa lưu h u ỳn h (ch alcop hile) 15 20 25 0-2 - 10 s-r£ X \ Mo 15 ỉt 42 G e\se 20 25 30 35 40 »n vỏ 3+1 - õ) Jg -1 ' Sr Z rN b KCaTi +2Ag1n3^Sb-5Cs-'~ Ị Cd 44 Th g - Ltí- W Re Nghèo vỏ lục địa •Au Pd 45 Thành phần thủy Thủy bao gồm toàn loại nước tự n hiên Trái Đât liên hệ với thơng qua chu trình nước Trong chu trình này, nơi tích tụ nước lớn đại d ơng chiếm tới 97,20% tống lượng nư ớc thủy quyển, tiếp đến khối băng N am cực Bắc cực (2,05%) nước ngầm sâu (0,78%) Phẩn lại gồm nước ngầm n ông (0,38%), h ổ (0,01%) sôn g (0,0001%) T hành p h ầ n h óa h ọ c c ù a n c b iển lên vỏ lục điạ N ghèo vộ £-3 -L Các kết nghiên cứu cho thấy có khác biệt thành phần hóa học vỏ lục địa (khiên lục địa + đai uốn nếp trẻ) vỏ đại dư ơng (vùng đại d n g sảu) So với v ỏ lục địa v ỏ đại d ơng có thành phần trung bình n gu yên tổ Fe2C>3+FeO, M gO, CaO, MnO, P2O5 T 1O cao hơn; SÌƠ 2, AỈ2Ơ3, N a 2Ơ K2O thấp 30 Số thừ tự nguyên tử Giàu •5+2Be ơ> i+1- LìA b Na Ạl 0■ , Ỹ •p 6- -11 Ỏ Mg 575 N ớc biển dung dịch tự nhiên có nồng độ chất hòa tan cao, tạo trị số nồng độ hoạt tính có n ng nét khác biệt đáng kể Sự phân b ố n gu yên tố nước biển rât khác nhau; coi toàn b ộ vật chât hòa tan (độ m uối) đại dương 100% có 95% ion [Bảng 3] tât ngun tố lại chi chiếm 4,2% N hư vậy, thành phần hóa học nước biển chủ yếu xác định m ột s ố nguyên tố ion •Ir 50 55 60 65 70 75 80 90 92 Bàng Các ion nước biển (theo Pilson, 1998) Sổ thư tự nguyèn từ Hình Đ ộ phổ biến nguyên tố vỏ lục địa Trái Đất theo 106 nguyên tử Si (hình trên) Hệ số làm giàu nguyên tố vỏ lục địa so với độ phổ biến chúng hệ M ặt Trời (hình d i) (theo T aylo r McLennan, 1985) T hành p h ầ n vò đ i d n g Mặc d ù chưa khoan qua đ ợ c lớ p v ỏ đại dư ơng, song nhà địa chất có b ằn g ch n g đ ể h iếu đư ợc câu tạo thành phẩn v ò đại d n g Sự tính tốn thành phần v ỏ đại d n g dựa phân tích ophiolit (các phẩn vỏ đại d n g đ ợ c bảo tổn lục địa), so sánh cấu trúc lớp vỏ đại d n g theo kết thí n ghiệm vận tốc só n g địa chấn loại đá biết, m ẫu thu hổi từ đ y đại dương, nhât từ số n g n ú i đới đ ứ t gãy, tàu lặn lõi khoan Các đá n ú i lửa đ ổ sộ dãy núi đại d n g basalt sư n núi có n guồn gốc từ m agm a tholeiit thâp kali Các đá có hàm lượng thấp n g u y ê n tố ưa đá ion lớn (LILE) có hàm lư ợ n g cao n g u y ê n tố đât nhẹ (LREE), n g u y ê n tố d ễ bay nguyên tố khác k hơng tư n g thích C ó th ể tìm thây basalt làm giàu n g u y ê n tố k h ôn g tư ơng thích, n hư n g rấ t th n g liền vớ i đ iểm n óng d ãy núi đại d n g Các ion Nồng độ Log thời gian (g/kg) lưu trú (nàm) Cation Na* 10,871 7,7 Mg2+ 1,284 7,0 Ca2* 0,4119 5,9 K+ Sr2* 0,399 6,8 0,00794 6,8 Anion Cl 19,353 7,9 SO 2* 2,712 6,9 HCO Br 0,126 4,9 0,067 8,0 H PO 0,0257 7,0 F 0,00130 5,7 Các chât khí hòa tan chủ yếu N 2, Ơ 2, CO H 2S, có hàm lư ợng liên quan trực tiếp tới hoạt đ ộng sinh vật biến N hữ n g nghiên cứu chi tiết v ề đặc tính hóa học nước biến thường tập trung v ba loại phản ứ ng trao đổi chính: 1) nư óc biển với khí quyển; 2) nước biển với trầm tích đáy; 3) nước biển với sinh vật Cả O C O đư ợc trao đổi với khí quyển; mặt khác, chúng đư ợc tạo nhờ q trình sinh học Các sinh vật biến bơ su ng tiêu thụ m ột s ố n gu yên tố, cụ th ế carbon, oxy, nitro, phosphor, silic nhiều 576 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT n g u y ê n tố vết khác N h iều phản ứ n g xảy trung tâm tách giãn, nơi p hu n trào đ áy biến hoạt đ ộn g Bản chất q uy m phản ứ n g hóa học bên d ới bên đ áy b iến tù y th u ộc v o nhiệt đ ộ tỷ lệ n ớc-đá M ột s ố n g u y ê n tố đ ợc giải p h ó n g vào d u n g dịch n h iệt đ ộ cao đ ợ c basalt g iữ lại nhiệt đ ộ thấp Sự rửa lũa kim loại từ đá k SO 42 thành H 2S n c có th ế n g u y ên nhân tạo d u n g dịch quặng T h n h p h ầ n c ù a n c lụ c đ ịa Thành phẩn hóa h ọc n c lục địa khác với n c biển d o tính đa d ạng, phụ thu ộc v o đ iều kiện địa lý h óa lý d ò n g chảy H loại nư ớc lụ c địa chủ yếu n ớc sô n g -h n ớc ngầm Nước sông-hổ: T hành phần n ớc sô n g hô' biến đ ối theo y ếu tố địa p h n g thời gian, v ề tông thê thành p hần n c sô n g -h ổ phụ thu ộc v o loại đ ât đá mà nước ch ảy qua tiếp xú c thành phần n h n g n g u n n ớc từ su ố i nhánh h ay nư ớc n gẩm Các h ợp phẩn quan trọng n c sô n g h ổ H C O r, C a2+, SiCh, SƠ42 , C1, N a +, M g2+ K \ T lư ợ n g k hốn g hóa trung bình chi v o khoản g 120ppm Đ ộ pH n ớc sô n g h ổ phụ thuộc v o hàm lư ợn g d ioxid carbon khí q uyển, ngoại trừ trường hợp k h ôn g tiếp xúc trực tiếp với khí q u yển n h h ổ n ớc sâu H àm lư ợ n g C O đ ộ p H nước cũ n g chịu ảnh h n g trình sin h C O d o h ô hâp phân h ủ y sin h vật Nước ngẩm: H ầu hết n c d i đất n ớc n gẩm (nư ớc p hân b ố bên d i g n g n ớc ngầm ) N g i ta phân loại n ớc n gầm nư ớc nhạt (loại đ iển hình nhât) nước k hốn g (đặc tru ng vật chât hòa tan v ó i hàm lư ợ n g cao vài n gh ìn mg/1) Thành p hần k h oán g vật đá chứa có ảnh h n g trực tiếp tới thành phẩn nư ớc ngầm Các anion chủ đ o n ớc ngầm đ ối với tất loại đ chứa H C O 3' C òn cation chủ đ ạo N a +, C a2*, M g2+ với tý lệ khác nhau, tù y thu ộc v o thành p hần loại đá chứa H àm lư ợ n g silic phụ th u ộc v o m ứ c đ ộ phá h ủ y k ho n g vật silicat đá chứa N c tù’ đá m agm a đá v ô i thư ờn g có đ ộ pH từ 6,5 đ ến 8,0, nước từ cát kết p h iến sét có trị s ố pH d ao đ ộ n g từ 4,0 đ ến >9,0 Thành phần hóa học khí Khí q u yển ló p v ỏ d n g khí n gồi cù n g Trái Đất, khối lư ợ n g chủ y ếu (tới 9/10) tập trung đ ộ cao d i 16km, lOOkm k hôi lư ợ n g k hôn g đ n g kể N g o i ra, chất khí có bên d ới m ặt đất T h n h p h ầ n k h í q u y ể n trê n m ặ t đ ấ t tầng khí q uyến xảy q trình phân ly ion hóa khí d ới tác d ụ n g xạ Mặt Trời D o q trình phân ly này, khí từ trạng thái phân tử ch u yên san g trạng thái n g u y ên tử Các xạ tủ ngoại Mặt Trời gồ m đ iện tử, proton, a hạt khác o tầng khí quyến gây ion hóa khí D ần dần tầng khí qun hòa lẫn với khí khơng gian giừ a hành tinh (có m ật đ ộ lCPcặp ion/cm 3) C hính tầng đ iện ly gồ m hạt bị ion hóa bị thu hút vào từ trường Trái Đ ất thực chuyến đ ộng d ọc theo h n g lực từ trường Thành phần h óa học chủ y ế u cùa k h ơn g khí N 2, O 2, Ar C O 2, ch iếm tới 99,99% k h ơn g khí khơ Thú đ ến Ơ3, H khí trơ n h H e, N e, Kr, Xe Rn M ột phẩn n h ỏ n h n g quan trọng khí q uyến hạt k eo nhỏ, bụi khí có thành phần n gu ồn g ố c khác từ Vũ Trụ, chất thải công n gh iệp , sản phẩm v ụ n ô hạt nhân Tuy nhiên, có thê n ói thành p hần khí nhìn chung đ ổ n g nhât R iêng phẩn khí cỏ khác biệt v ề thành phẩn d o xảy trình q uang hóa T h n h p h ầ n k h í q u y ể n tro n g lò n g đ ấ t Khi đ ề cập đ ến khí q u yển , n hiều nhà khoa h ọc bô su ng thêm khái n iệm "khí q u yển lòng đất" (V ernadski, 1924) T hành phần khí d ới đất liên quan tới đá đ iều kiện nhiệt đ ộn g nơi ch ú ng tổn Khi n hiệt đ ộ tăng cao, h àng loạt hợp chât trở thành trạng thái khí d o đặc tính vật lý, h oặc d o p hân h ủy k ho n g vật, đ ó có hợp phần tự d o trạng thái khí M ột phẩn đ k ể khí d i đ ât khí trơ, m ột s ố đ ó có n gu ồn g ố c p h ó n g xạ D o n h iệt đ ộ áp suất bên Trái Đất tăng lên nên trạng thái k h í-lỏn g cũ n g thay đối Ở sâu, m ỗi n h iệt đ ộ vư ợ t đ iểm tới hạn nước (+374°C), n ớc trạng thái có khà hòa tan lớn v o d u n g th ế silicat ngồi thơn g qua p h u n trào núi lửa C ó th ể nói trình phun trào cùa hành tinh đ ợ c xem n hư m ột khí lớn từ lò n g đât D o đ ó, v iệc n gh iên cứu thành phẩn khí n ú i lửa thu h út quan tâm đặc biệt nhà địa chất, bời n ó phản ánh đ ún g thành phần khí từ tấng sâu v ỏ Trái Đ ất phẵn m anti Các khí chù y ếu bao gồm : H hhS, SƠ 2, CƠ 2, S (khí) nước Tài liệu tham khảo B e m e r E K a n d R A B e m e r , 198 T h e G lo b a l VVater C y cle P r e n t ic e H a ỉỉ E n g le ĩv o o d C lif f s N I p g s B r u la n d N g y n ay n h v ệ tinh có lắp đặt thiết bị nên v iệ c n gh iên cửu khí q u y ển thuận lợi, thu đ ợ c th ơn g tin xác v ể thành phần trạng thái khí q uyến K v v , 198 T r a c e e l e m e n t s in s e a v v a te r C h e m ic a l O c e a tío g r a p h y A c a d P re s V o l 8, C h a p 45: 157-220 C a r ls o n R w # P e a r s o n D G , a n d J a m e s D E., 2004 P h y sical, c h e m ic a l, and c h r o n o lo g ic a l c h a r a c te ris tic s of C o n tin en tal m a n tle R e ie iv s o f G e o p h y s ic s , 43: 8755-1209/0 /2 0 R G 0 56 ĐỊA HÓA HỌC D r e v e r J ỉ., 1988 T h e g e o c h e m i s t r y o f n a t u r a l v v a te rs P r e n tic e H í ì ll, E n g le ĩv o o d C lif f s , p g s 577 T a y l o r s R , a n d s M M c L e n n a n , 1985 T h e C o n tin e n ta l c r u s t: I ts c o m p o s itio n and e v o lu tio n B la c k ĩv e ll S c ie n t if ic P u b ỉic a tio n s 31 p g s O x f o r d Chu trình địa hóa Nguyền V ã n Phô V iệ n Đ ịa chất, V iệ n Hàn lâm K h o a học C ô n g nghệ V iệ t Nam Giới thiệu Vật chât Trái Đâ't lu ôn vận đ ộng Q uá trình vận đ ộng ch u n hóa vật châ't th ơn g qua bổn chứa khác toàn b ộ h ệ địa hóa Trái Đất tạo nên chu trình đ ợ c gọi chu trình địa hóa Trong chu trình này, vật châ't ch u yên biến tuần hoàn m ột cách liên tục m ột cỗ m áy, bồn chứa khác n hau liên h ệ vớ i đường dân C hính n h đ n g dần n ày mà vật chất di chuyên từ b ổn chứa san g bổn chứa khác, đ ỏ xảy trình ch u y ển hóa, trộn lẫn phân b ố lại n g u y ên tố, d o đ ó chu trình n ày m ang tính tiến hóa k h ơn g lặp lại hồn tồn Chu trình địa hóa lớn Chu trình địa hóa Các n g u y ên tô' p hô biên q u y ết đ ịn h đ ặc tính hóa h ọ c v ỏ Trái Đâ't; ch ú n g tham gia v o chu trình tổ n g th ế Trái Đâ't đ ợ c g ọ i chu trình lớn [H l], đ ó th ế h iện m ôi liên quan giừ a trình thạch q u y ển Trái Đâ't với th ủ y q u yển , khí q u y ển sinh q uyển Đ ối với thạch quyển, chu trình địa hóa học bắt đầu với q trình kết tinh m agm a gẩn m ặt dư ới sâu Khi đá bị đưa lên mặt, ch ú ng bị p h o n g hóa thành khống vật thứ sinh Các khống vật thứ sinh đ ó đ ợc vận ch u yên lắng đ ọ n g bổn chứa trâm tích Các trầm tích bị nhân chìm trải qua trình thành đá tạo thành đá trầm tích Các Chu trình địa h óa phạm v i Trái Đ ất có thê gồm chu trình địa hóa lớn (tổn g thê), chu trình địa hóa nhỏ (từng giai đ oạn nhât đ ịnh ) chu trình địa hóa n gu y ên tố đá trầm tích có thê tiếp tục bị nhấn ch ìm tói đ ộ sâu lớn bị biến dạng, tái kết tinh đ ê thành đá biến châ't Các đá biến chât lại có thê tiếp tục rơi o đ ộ sâu lớn nhiệt độ cao, bị n óng chảy ch u yến thành d u n g th ể m agm a (bồn chứa m agm a) Tạo đá Bỉến chất Sinh Kết tình Thủy Vật chất nguyên sinh Hinh Chu trin h vận động vậ t chất phạm vi vỏ Trái Đất, chù yếu bao gồm bồn chửa m agm a, trầm tích biến chất C ác hướng mũi tên ch ỉ rõ q trình địa chất - địa hóa tạo nên vận động vật chất C ác ô vuông bồn chử a 578 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT D un g tích bổn chứa thời gian lưu trú n guyên tố m ỗi bổn chứa lại phụ thuộc vào tính chât n gu yên tố Thời gian lu n giữ n guyên tố bồn chứa có th ế xác định cơng thức tốn học sau: A Các nguyên tố đá magma T ~ (dA/dT) đó: A tổng lư ợng n guyên tố (hay hợp chất) có bổn chứa; dA /dT tốc độ đẩu vào hay đẩu n gu n tố Chu trình địa hóa nhỏ Vật chất khơng nhâ't thiết phải vận chun trình tự tồn chu trình lớn m ột cách hồn hảo C húng có thê vận đ ộn g m ột khn khơ theo đ ường ngắn hay m ột giai đoạn nhât định tạo thành chu trình địa hóa nhỏ M ỗi chu trình nhỏ củ n g có th ể có bổn chứa Ví dụ: đá trầm tích bị p hong hóa, n guyên tố giải phóng vận chuyển biển; sau lại lắng đ ọng qua trình thành đá đ ê tạo thành đá trầm tích Trầm tích biến đới hút chìm bị nhấn xuống tới đ ộ sâu lớn bị biến đổi n óng chảy trực tiếp thành d u n g thê m agm a, rổi kết tinh thành đá m agm a Chu trình địa hóa ngun tố Các n guyên tố khác có vận đ ộn g khác tự nhiên tạo chu trình riêng, Tuy nhiên, vận đ ộn g m ột n gu yên tố không xảy tách biệt với n gu yên tố khác Ví dụ: chu trình lưu huỳnh [H.2] tập hợp trình di chuyến lưu huỳnh tới từ khoáng vật (gồm d ạng hòa tan) th ế sống Đồng hóa Lưu huỳnh hữu (protein) SH Thực vật Vi khuần / so4 Nám vi khuán »- Ị _ -► HƠ háp kỵ khí trình nóng chảy cục đá khác nhau; 2) Quá trình kết tinh p hần đoạn m agm a n g u y ên sinh m agm a phát sinh D ới đ â y giới thiệu v ể địa hóa n g u y ên tố chính, n g u y ên tố vết đ vị đá m agm a ).H;s Thành phẩn hóa h ọ c phân b ố n gu n tơ đá m agm a khác thê sau - Các nguyên tố ưa đá (lith op h ile) - Na, Al, Ca, Sc, Ti, V, Mn Sr tập trung đá thành phần basalt, trung tính, n h n g n g h è o đá siêu m afic đá granit n g h è o Ca - Các nguyên tô'ưa sắt (sid erop h ile) (Fe, Co, N i, Au nhóm Pt) - tập trung m ạnh đá siêu m afic hàm lư ợ n g giảm theo hàm log đá basalt granit C h ú n g với M g Cr nhừ ng n guyên tố ưa đá, n h n g lại có hành vi g iố n g n guyên tố ưa sắt - Các nguyên tô' ưa lưu huỳnh (chalcophile) (Cu, Zn, Ga, Ag, Cd, s, A s Sb) - đ ợ c làm giàu m ạnh đá m agm a m aíic trung tính nghèo đá siêu m afic granit thâp Ca N goại lệ phải k ể đ ến In, H g, TI Pb nhừ ng nguyên tố cù n g với n g u y ê n tố ưa đá tạo nên khoáng vật đ ộ c lập (kh ông tư n g hợp) tập trung loại granit thấp Ca M ặt khác, n gu yên tố ưa lưu h u ỳ n h đ ợ c liên kết với kim loại nhóm ưa sắt Mo Re Các nguyên tố vết m agm a Các n g u y ên t ố v ết có thê đ ợ c phân thành hai nhóm: I) Các ngun tơ'tương hợp n gu n tố vào k hốn g vật đ ợ c kết tinh từ d u n g thê m agm a, 2) Các nguỵên tô' khơng tương hợp n guyẻn t ế khó thay th ế ch o n g u y ên tố m ạng tinh th ế khốn g vật có xu th ế tập trung d u n g th ể tàn dư H ệ số p h â n b ó c c n g u y ê n tố v ế t Đ ê xác đ ịn h n g u y ê n tố k hôn g tư ơng hợp người ta sử d ụ n g p h n g pháp xác định hệ s ố phân b ố pha lỏ n g pha rắn theo cô n g thức: Oxy hỏa T rS s Vi khuân thạch dưỡng Vi khuẳn quang dưỡng Hình Chu trình vận động lưu huỳnh hữu phạm vi vỏ Trái Đất, bao gồm hai q trinh đồng hóa phân hủy đó: K d h ệ s ổ phân b ố N em st; Cim hàm lượng n g u y ên tơ v ết i khốn g vật đ ợc kết tinh; Cil hàm lư ợ n g n g u y ên tố i d un g thê mà khoáng vật đ ợ c kết tinh từ Địa hóa q trình magma Các hệ sơ phân b khốn g vật - d u n g th ế cùa m ột s ố n guyên tố v ết đ ợ c thê h iện Bảng Tính đa dạng v ề thành phần m agm a đá m agm a dư ờng tuân thu theo haiquá trình khác xảy đ ộ sâu áp suâ'tkhác nhau: ĩ) Quá Trong n g h iên cứu trình kết tinh m agm a m ột loại đá cho, n g i ta cần phải tính hệ số phân b ố thơ D: ĐỊA HĨA HỌC K - ^ ( đ ó co j p hẩn trăm trọng lượng 1=1 khống vật có chứa n g u y ê n tố i đá; Kd SỐ p h â n b ố c ủ a n g u y ê n t ố i g iữ a k h o n g v ậ t v dung th ế tổn Các trị s ố Kn riêng lẻ thể hệ Bảng Bảng Hệ số phân bố khoáng vật-dung thể a Am phibol Đá mafic Đá íelsic Biotit Đ m aĩic Đ íelsic Clinopyroxen Đá m afic Đ felsic Granat Đá mafic Đ íelsic Felspat K Đ íelsic Rb Sr Ce Eu Yb 0,300 0,010 0,500 0,020 0,30 1,00 1,00 4,00 1,00 7,00 3,000 3,000 0,080 0,200 0,03 0,30 0,03 0,30 0,03 0,30 0,010 0,050 0,100 0,500 0,30 0,90 0,90 2,00 1,00 2,00 0,001 0,010 0,001 0,020 0,05 0,60 0,90 0,70 30,00 40,00 0,400 6,000 0,04 1,10 0,01 0,004 0,005 0,01 0,01 0,01 0,010 0,010 0,02 0,05 0,30 0,100 0,060 2,000 5,000 0,14 0,13 0,30 2,00 0,07 0,05 0,010 0,010 0,08 0,03 0,02 579 lỏng đư ợc tạo thành cân với pha tàn dư sau tách khỏi hệ Sụ biến thiên n ồng độ m ạnh hon nhiều so với trường hợp n óng chảy tửng m ẻ [H.3b] Giới hạn tăng nguyên tố không tương hợp d un g th ế 1/D, n hư ng giới hạn n gu yên tố tương hợp tiến tới v ô lớn F tiến tới D un g th ể cân với pha tàn dư, nồng độ n gu yên tố vết pha C r = D C l lớn Olivin Đ maíic O rthopyroxen Đ mafic Plagioclas Đ m aíic Đ íelsic Spinel Đ m aíic (Theo Paul C R agland, 1989) Mơ hìnhhóacácnguntốvết Mơ hình hóa n g u y ê n tơ vết v iệc thiết lập m hình tốn h ọc d àn h ch o trình n ón g chảy cục trình kết tinh (R ollinson, 1993) Mơ hình nóng chảy cục m h ình chất lỏng đ ợc d u y trì cân b ằn g vớ i chât rắn tàn dư Có hai kiêu n ón g chảy từ n g phần: n ó n g chảy đ ọt n ón g chảy p hân đoạn Mồ hình nóng chảy từ ng đợt (từng mẻ) đ ó pha lỏng nằm cân b ằn g vớ i vật liệu tàn d đ iểu kiện ch o p h ép tách thành "mẻ" khỏi m agm a n gu yên thủ y N n g đ ộ n g u y ê n tố vết dun g th ế lỏn g (C l) có q uan h ệ vớ i n n g đ ộ n guyên tố đ ó n g u n chưa bị n ó n g chảy (Co) n ồng đ ộ n gu yên tố v ết tron g vật liệu tàn d chưa nóng chảy (Cs) có quan h ệ vớ i n g u n chưa n óng chảy (Co) Rõ ràng m ức đ ộ n ó n g chảy tù n g phần tăng lên khiến nhiều k hoán g vật bị biến mâ't, làm cho giá trị D biến đối k h ôn g liê n tục Đ ổ thị h ìn h p hản ánh m ối tư ơng quan Cu Co với F trường h ợ p D k hôn g đối Các đ ờng g th ể h iện hành v i n g u y ên tố vết dối với m ỗi trình [H 3a] N n g độ n gu y ên tố không tư ơng h ợ p d u n g th ể có thê đạt giá trị 1/F (khi D = 0), đạt giá trị cao m ứ c đ ộ nóng chày thấp đạt cực đại 1/D (F = 0) M hình n ón g ch ảy phân đ oạn m ô tả phân đoạn ch n g cất, đ ó m ột lượng chât Hình 3.a) Độ làm giàu nguyên tố v ế t dung thẻ so với nguồn ban đầu (C 1/C ) suốt q trình nóng chảy cục với m ức độ nóng chảy (F) biến đổi Các đườna cong đánh số biểu thị trị số hệ số phân bo thơ (D) Khi nóng chảy với m ức độ nhỏ nguyên tố tương hợp giảm nhiều so với nguồn, nguyên tố không tương hợp giàu lên cực đại (1/F); b) Độ làm giàu nguyên to vết phần tàn dư so với nguồn ban đầu (C 1/C ) với m ức độ nóng chảy (F) biến đổi (theo R Rollinson, 1993) Mò hình kết tinh phân đoạn trường hợp Co nồng đ ộ n guyên thủy m ột nguyên tố m agm a nguyên sinh, Cl nồng độ nguyên tố đ ó sinh q trình nóng chảy phần F trờ thành thành phẩn chât lỏng n guyên thủy lại D o đ ó ta có: Cl/Co = F(D-1) Sự làm giàu nguyên tố khơng tương hợp (D < 1) hồn tồn giốn g với trường hợp dung dịch cân 75% dung thê m agm a kết tinh, đ ó nhanh chóng đạt giá trị 1/F N ồng đ ộ chúng pha lỏng nhanh chóng giảm xuống 1/D Các nguyên tố đất magma D o có n hữ n g khác biệt v ể bán kính ion n gu yên tố nhóm đất nên d un g thể m agm a n gu yên tố đất nhẹ tương hợp n gu yên tố đất nặng [Bảng 2] Từ dẫn đến khác biệt v ể hệ s ố phân b ố chúng d un g thê có chứa granat (khó n óng chảy) d un g thể peridotit (dễ n óng chảy) Q trình nóng chảy cục peridotit chứa granat làm phân dị mạnh m ẽ n g u y ên tố đất hiếm: n gu yên tổ đất n ặng lại chất rắn, n gu yên tố đất nhẹ tham gia vào d u n g thể [H.4] N gồi ra, q trình n óng chảy peridotit khơng chứa granat (ở m ức n ơng hơn) khơng th ể phân dị n gu yên tổ đâ't 580 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT Bảng Chỉ số nguyên tố đất đá magma z Đ ất r c Cm C/CM Ko 40PL 57 La 1,26 24,20 0,3670 65,9 0,14 102,0 58 Ce 1,22 53,70 0,9570 56,1 0,14 087,0 59 Pr 1,22 06,50 0,1370 47,4 — — 60 Nd 1,20 28,50 0,7110 40,1 0,08 064,1 61 Pm — — 62 Sm 1,17 06,70 ,2310 63 Eu 1,15 ,9 64 Gd 1,14 06,55 65 Tb 1,12 66 Dy 67 Ho 68 — — 29,0 0,08 046,4 ,0870 22,4 0,32 031,7 0,3060 21,4 0,10 033,9 01,08 0,0580 18,6 — — 1,11 06,39 0,3810 16,8 0,09 026,7 1,10 01,33 0,0551 15,6 — — Er 1,08 03,70 0,2490 14,9 0,08 023,8 69 Tm 1,07 00,51 0,0356 14,3 — — 70 Yb 1,06 03,48 0,2480 14,0 0,07 022,5 71 Lu 1,05 00,55 0,0381 14,4 0,08 023,0 europi Thí dụ, đ ổ thị n guyên tố đất basalt sốn g núi đại d ơng (MORB) th ể hình [H.5] Đ ổ thị basalt sống núi đại d ơng m ột đ ờng cong lên, nhiều loại basalt khác có đ ổ thị đ ờng cong xu ống BCR-1 [H.5] Các đá basalt sống núi giũa đại d ơng có thiên hư ớng tạo đô' thị hàm lượng n gu yên tố đât son g son g với nhau, n h u n g khác v ề tống hàm lư ợng n guyên tố đất r- bán kính ion Ả nguyên tổ đất hiểm hóa trị (VVhittaker & M untus, 1970) C- hàm lượng (ppm ) nguyên tố đất đá basalt chuẩn (Taylor & M c Lem an, 1978) Kcr hệ số phân bố trung bình plagioclas đá m agm a (H enderson, 1982) Ckt hàm lượng trung bình (ppm ) ch o n drit carbon (Evensen et al., 1978) PL- C/Cm dung thể tàn dư sau loại 40% plagioclas khỏi dung thẻ ban đầu T heo Paul C R agland, 1989 57 61 $5 69 Hình Hàm lượng nguyên tố đất chuẩn hóa theo chondrit basalt sống núi đại dương (MORB),đá basalt chuẩn BCR-1 vả đá tạo (40PI) tính theo q trình loại bỏ plagioclas khỏi dung thẻ có thành phần BCR-1 Đá sinh có dị thường âm nhỏ europi (theo Paul c Ragland, 1989) REE H ình Hàm lư ợ ng nguyên tố đất đ ợ c chuẩn hóa theo chondrit dung thề đư ợ c tạo q trình nóng chảy cân pe rid o tit peridotit chứa granat REEch tỷ số hàm lư ợ ng nguyên tố đất mẫu hàm lượng cùa chondrit F phần dung thể đư ợ c tạo nóng ch ả y cục (Theo Paul c Hess, 1989) Đ ổ thị hàm lư ợ n g n gu yên tố đất h iếm thư ờn g khác biệt đ ôi với loại đá m agm a khác thư ờn g phát h iện đ ợc d ị thư ờn g Europi m ột n guyên tố đư ợc sử d ụn g rằt hữu hiệu việc luận giải trình k ết tinh m agm a Khi m agm a có trạng thái oxy hóa thấp Eu2* xuất hiện, kích thước đ iện tích cho phép thay th ế cho Ca2+ felspat plagioclas D o vậy, đổ thị hàm lư ợng n gu yên tố đất thường thể dị thư ờng dư ơng (giàu lên tương đổi) âm (nghèo tương đối) europi so với n guyên tố đất k ề cạnh [H.5] Dị thường âm europi kết trình thành tạo tách plagioclas khỏi d un g th ế kết tinh Các đá tích lũy plagioclas sê có dị thường europi dương Tương tự vậy, q trình n óng chảy cục đá nguyên sinh, đ ó plagioclas bị g iữ lại vật chât tàn dư, tạo dung thê m agm a có dị thường europi âm Tóm lại, từ nhữ ng vấn đ ể diễn giải v ế n guyên tố đất , có thê thây đá có hàm lượng n gu yên tố đât h iếm nhiều khác biệt so với trị SỐ hàm lư ợng chúng chondrit theo chiểu hư ớng sau đây: 1) hiếm; Giàu lên n ghèo tất n gu yên tố đât ĐỊA HÓA HỌC 2) Giàu n ghèo kiệt tương đối nguyên tố đ ấ t nhẹ so với n guyên tô đất nặng; 581 Thủy phân Mồi biến đổi (hoặc chí khơng có biến đối) phát loại đá thơng tin đ tin cậy vê' q trình thành tạo lịch sù tiến hoá m agm a tạo nên loại đá T hủy phân p hản ứ n g giừ a ion cua khoáng vật ion n ớc (O H H +) Phản ú n g đặc biệt h u h iệu trình p h o n g hóa k hốn g vật silicat alu m osilicat, v ì b ề m ặt tinh thê có tích đ iện T hùy phân tự n hiên th n g d iễn thuặn lợi n h có C O nước tạo H2CO3 Ví dụ: Các đồng vị magma AhSÌ205(0H )4+ 2HCƠ3 3) Có dị thường europi d ơng âm NaAlSÌ 3Ơ8 + Tý lệ đ ổn g vị đá m agm a tiêu chuấn đặc trưng cho khu vực n guồn mà từ m agm a m ẹ sinh Tỷ lệ khơng thay đổi q trình kết tinh m agm a khơng có can thiệp q trình biến chất hay hỗn nhiễm từ ngồi D o đó, ta biê't v ề khu vực n guồn cung cấp (bồn chứa) đá m agm a chất cùa manti trên, bời m agm a thành tạo hai khu vự c Có hai bổn chứa m agm a khác manti: Manti bị n ghèo n guyên tố không tương hợp vắt kiệt vật châ't đ ể cung cấp cho trình tạo v ỏ lục địa, n guồn hầu hết basalt sốn g núi đại dương, manti giàu có thành phẩn giốn g chondrit không bị biến đổi công nhận n guồn gốc đá có hàm lượng n gu yên tố k hông tương hợp cao Sự tổn m anti giàu đòi hỏi phải có bổ sung vật chất vỏ ch o khu vự c khác manti Có lè sụ hút chìm hay tác d ụn g tương hỗ vỏ vói m anti ranh giới M ohorovic đà có tác d ụn g thúc đẩy q trình bô su n g vật chất v ỏ vào manti 2H2CO3 + 9H2O -> Na+ + 4H4S1O4 + D ạng tổng quát phản ứ n g thủy phân sau: Silicat n g u y ê n sinh + H 2O + C O —> Các ion (Na*, Ca2+, M g 2+, K+, H 4S 1O ) + k hốn g vật thứ sinh H ò a tan H òa tan q trình phân ly k hoán g vật thành ion, phân tủ tập hợp phân tử k eo phân tán V ề châ't, hòa tan tư ơng tự n h th u ỷ phân H òa tan tư n g đ a n g phản ứ n g k h ô n g tạo pha rắn m ới, hòa tan k h ôn g tư n g đ an g pha rắn m ới đ ợc tạo N h iều phàn ứ n g hòa tan silicat tron g q trình p h o n g hóa phản ứ n g hòa tan k h ôn g tư n g H y d t hóa H yd rat hóa g m kết hợp ion H + O H v o hợp chất T rong n hiều trường hợp, ion H + O H trở thành m ột p hận câu thành m ạng tinh th ế k ho n g vật H ydrat hóa tạo điểu kiện thuận lợi cho phản ứ n g phân h ủ y khác n hờ có trư on g n m ạng tinh thế, làm tăng d iện tích b ề m ặt ch o phản ứ ng Địa hoá q trình phong hóa O xy hóa - k h Đâ't v ỏ p hon g hoá bao phủ bể mặt tạo d o phân h u ỷ đá m agm a, biến châ't trầm tích tác đ ộn g tác nhân khí sinh học bên ngồi So với q trình sinh học học thực thụ q trình phân huỷ hố học đá tươi, d ạn g khối rắn thành vật liệu bở rời tác nhân p h on g hố quan trọng nhât Bởi có q trình p hon g hố hố học xem xét Sản phẩm trình p hong hóa nguồn chủ yếu tạo đất trầm tích châu thổ nhờ xói m òn tích tụ; m ặt khác sản phẩm p hong hóa cũ n g tạo nên dạng khoáng sản khác như: bauxit, kaolin, sắt nâu, v.v Phong hóa góp p hần vào q trình tiêu thụ CƠ khí cu n g cấp chât hòa tan tạo nên độ khống hóa nước mặt nước ngầm , tạo độ m uối biển O xy hóa phản ứ n g xảy giừ a hợp châ't oxy, đ iên h ình o xy h óa Fe2+- S2* Kết d ễ thây phản ứ n g n ày tách m ột hay n h iều đ iện tử k hỏi hợp chât, làm ch o cấu trúc dần trở nên bền Các đá chứa Fe2* th n g đá m afic, bị p h o n g h óa Fe2+ kết hợp với n g u y ê n tử o x y hậu làm p hân h ủy đá Fe2SiƠ4 + Vi O + H 2O —» Fe2Ơ3 + H 4S1O fayalit h em atit Lun h u ỳ n h có hóa trị -2 khốn g vật sulfur Q uá trình o x y h óa d o tác nhân vi sin h trình p h o n g h óa tạo SO 42 đ ó lư u h u ỳ n h có h óa trị +6 Phản ứ n g o x y h óa p h b iến có liên quan tới pyrit là: 2FeS2 + H 2O + 2Fe2+ + H + + 4SƠ42- Các phản ửng phong hóa Các phản ứ n g p hon g hóa hóa học p hổ biến nhât thủy phân, hòa tan, hâp thụ, oxy hóa-khử hydrat hóa pyrit A cid su lfuric m ột acid m ạnh tham gia vào q trình p h o n g hóa nơi n n ó có mặt Phản ứ n g o x y h óa - k có liên quan tới hợp chât lưu 582 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT huỳnh đ ón g vai trò quan trọng thành phẩn hóa học nước tự nhiên trình tạo đá Hành vỉ nguyên tố trinh phong hóa Tác đ ộn g q trình p hong hóa hóa học tới thành phẩn hóa học đá có thê đ ợc xác định Các sản phẳm phong hóa cách so sánh hàm lư ợng oxid n guyên tơ Các sản phấm q trình p hong hóa đá thường gặp xếp thành nhóm sản phẩm phong hóa: 1) Các khống vật tàn dư; 2) Các ion hòa tan đá tươi với đá bị p h on g hóa Tuy nhiên, đ ê xác định tăng giảm hàm lượng thực n gu yên tố hậu q trình p hon g hóa hóa học phải dựa giả định m ột n hữ ng n gu n tố k hơng bị biến đôi C ác k h o n g vật tàn d Các khoáng vật tàn dư bao gồm khoáng vật n guyên sinh vừ n g k hông chịu tác đ ộn g q trình p hong hóa khống vật thứ sinh thành tạo mới, bền vừ n g điều kiện p hon g hóa Các khống vật n gu yên sinh vữ n g trước p hong hóa chủ yếu gồm: thạch anh, m uscovit khoáng vật phụ nặng như: rutil, ilm enit zircon Còn khống vật thứ sinh chủ yếu khống vật sét với ba nhóm chính: kaolinit, m ontm orillonit illit hydrom ica N goài ra, oxid - hydroxid sắt nhôm phô biến sản phẩm phong hóa Đ ại diện nhóm lim onit (Fe2Ơ3.nH20) gibbsit (Al(OH)3) tổng lượng n guyên tố T hông thư ờn g A I2 O hợp phần không linh đ ộng Các s ố liệu nghiên cứu trình p hon g hóa granito gn eis cho thây có giảm nhanh hàm lượng N a 2Ơ, CaO MgO, hàm lư ợng K 2O S 1O giảm chậm theo trình [H.4] C ùng với tăng lên A I2 O Fe2Ơ3 tăng lên Q trình gọi íeralit hố, đ iến hình cho q trình p hon g hố m iền nhiệt đới C ác s ả n p h ẳ m h òa tan Các sản phẩm p hon g hóa hòa tan bao gồm hợp phần giải p h ón g từ phân hủy khống vật n gun sinh khơng sử d ụ n g thành tạo khống vật thứ sinh khơng tan T hơng thường, thành phần hợp phẩn hòa tan phản ảnh thành phẩn đá gốc [Bảng 3] Các sản phấm p hong hóa hòa tan đá carbonat Ca2*, M g2+, CƠ32 Trái lại, đá silicat lại cho n gu yên tố kiềm, kiềm thổ, keo silic dư thừa kết trình thuỷ phân khoáng vật silicat n gu yên sinh Tỷ lệ phần trăm hợp phần dao đ ộn g tuỳ thuộc vào đặc tính acid hay base đá mẹ Chẳng hạn, trường hợp đá có thành phẩn base calci m agnesi chiếm chủ đạo, đá granit, đá phiến íelsit th ể trầm tích sét lại cho kali natri nhiều Bảng Các sản phẩm phong hoá loại đá thường gặp Đá gốc Các khoáng vặỉ nguyên sinh Felspat Granit Basalt Đá vơi Các khống vật tàn dư Các khống vật sét Các ion hòa tan Na*, K + Mica Các khoáng vật sét K+ Thạch anh Thạch anh — Các khoáng vật Fe-Mg Các khoáng vật sét + Hem atit + Goethit Mg*2 Felspat Các khoáng vật sét Na+, Ca*2 Các khoáng vật Fe-Mg Các khoáng vật sét + Hem atit + Goethit M g+2 Magnetit Hem atit + Goethit Calcit Khơng có — Ca+2, C 3‘2 Hình Giản đồ biến thiên hàm lượng nguyên tố q trình phong hóa granitogreis Tỷ lệ logarit trục tung biểu diễn thành phần phần trăm phân tử gam o xid Thành p h ầ n p h ầ n trăm p h â n tử g a m AI2O trụ c hoành thẻ hướng tiến triển q trình phong hóa, hàm lượng AI O cao chứng tỏ m ức độ phong hỏa mạnh Các ion hòa tan di chuyến khỏi địa điếm phong hóa vào d ung dịch, chủ yếu ion kim loại kiềm kiềm thổ Hành vi ion phàn ứng phong hóa gọi thếion thê Q = z/r đ ó z điện tích đơn v ị hóa trị r bán kính ion [H.5] Các ion phân thành ba nhóm hành vi chính: 1) Các ngun tố kim loại có Q thâp ( rpH20 Á p suất chất lun đ ón g vai trò quan trọng q trình thấm lọc khuếch tán Sự di chuyển kiểu thấm lọc chất lưu xảy với điều kiện Ps> P f Trong trường hợp Ps = P f chi có th ể có di chuyên vật chất theo ch ế khuyếch tán râ't hạn c h ế đ ón g vai trò khơng đáng kê biến châ't Các q trình biến chất B iế n c h ấ t k h u vự c Biến chất khu vự c dẫn đến thay đổi thành phần khoáng vật kiến trúc đá ban đẩu Theo m ức đ ộ hoạt đ ộng, tồn q trình biến chất chia thành tư ớng biến châ't Các tướng biến châ't m iền bền v ữ n g v ể m ặt nhiệt đ ộn g học khoáng vật tố hợp cộng sinh chúng đ ợc xác định theo tương quan với yếu tố biến chất - nhiệt độ áp suât Sơ đổ tồng th ế tư ớng biến châ't th ể H ình 10 N hìn chung biến chất khu vực 588 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT q trình đắng hóa thành phẩn đá n guyên thủy (các đá bị biến chất) đ óng vai trò định đặc tính địa hóa đá biến chât Nhiệt độ °c 200 400 600 800 1000 B iế n c h ấ t đ ộ n g lự c Biến chât đ ộng lực xảy đới đ ứ t gãy kiến tạo điểu kiện tăng cao giảm áp su ất cục chuyến đ ộng kiến tạo Trong trình biến chất xảy ra, đá khoáng vật bị biến d ạn g phá hủy tạo thành dạng dăm kiến tạo, đá bị cà nát (cataclasit) m ylonit hóa Trong trình biến chất đ ộn g lực, di ch u yến n g u y ên tố k hông đáng kể B iế n c h ắ t d o va đ ập Hình 10 Sơ đồ tổng thẻ tướng biến chất A Đường gradient địa nhiệt cao, P-thấp, T cao; B Đường gradient địa nhiệt binh thường, p cao, T cao; c Đường gradient địa nhiệt thấp (đới hút chìm), T thấp, p cao; D Đường nóng chảy phần granit có tham gia nước B iế n c h ấ t tiếp x ú c Biến chât tiếp xúc xảy đới tiếp xúc khối m agm a xâm nhập với đá vây quanh Tác nhân biến chât tiếp xúc nhiệt độ hoạt đ ộn g chất lưu Trong trường hợp tác nhân nhiệt từ khối xâm nhập, trình biến chất đư ợc gọi biến chât nhiệt tiếp xúc Quá trình dẫn tới thay đổi thành phẩn khoáng vật tái kết tinh khống vật Các đá hình thành biến chât nhiệt tiếp xúc phổ biến đá sừ ng với kiến trúc hạt biến tinh (granoíel) đặc trưng N hìn chung trình biến chât nhiệt tiếp xúc q trình đ ẳng hóa Trong trường hợp có hoạt đ ộn g tích cực chât lưu thường xảy trình biến chất trao đối (xem phẩn dưới) Thành phẩn khoáng vật đới biến châ't tiếp xúc phụ thuộc vào thành phần đá vây quanh thành phẩn khối xâm nhập [H ll] Biến chất va đập xảy b ể m ặt d o va đập thiên thạch rơi xu ống Trái Đất Yếu tố đ ây áp suất, tâm va đ ập áp suâ't có th ể đạt tới 10.000 MPa nhiệt độ tới 10.000°c, d o phạm vi h ọng va đập (hay gọi astroblem ) đá chịu nén ép, dập vờ, n ó n g chảy bay Đ ặc điểm co biến chât d o va đập thành tạo khoáng vật áp suât cao k hôn g đặc trưng cho điểu kiện Trái Đất, số đ ó phái k ế đến lonsdaleit kim cương (các d ạn g thù hình khác carbon) stisovit coesit (các d ạng thù hình khác thạch anh) hay ringvvoodit (dạng thù hình áp suất cao olivin), v.v B iế n c h ấ t tra o đ ổ i Biến châ't trao đ ối trình biến chât kéo theo sụ thay đối thành phẩn hóa học cúa đá có m ang đến m ang vật châ't mà k hôn g thay đ ổi th ể tích trạng thái rắn Tác nhân cùa trình biến chât trao đối chât lun có hoạt tính hóa học cao (du ng dịch, khí) phần lớn có quan hệ n guồn g ố c với hoạt động m agm a hậu m agm a Korịinsky D s (1951) đưa c h ế thâm lọc khuếch tán trình biến chât trao đổi Trong trường hợp thâVn lọc, hợp phần hòa tan đ ợc m ang d un g dịch di chuyển theo khe nứt không gian hạt Trong trương h ợ p khuếch tán, di chuyển vật chât n h o trình khuếch tán d o có chênh lệch v ề n n g đ ộ chúng d u n g dịch lỗ rỗng (th n g phát triển biến chất trao đ ổi hai chiểu - bim etasom atism ) Trong tự nhiên c h ế thấm lọc p hô biến Đặc trưng biến chất trao đ ổi tính phân đới Theo chiểu tăng lên m ức đ ộ biến châ't trao đổi s ố khoáng vật m ỗi đới giảm đ i m ột tạo thành đới đá đơn khoán g phẩn trục cột biến chất S iê u b iế n c h ấ t Hình 11 Sơ đồ biến chất tiếp xúc Sự biến đổi thành phần khoáng vật đới biến chất tiếp xúc phụ thuộc vào thành phần đá vây quanh khối xâm nhập granit Là m ột d ạng biến chât n hiệt đ ộ n g kết hợp với trình biến chất trao đổi trước tạo nhữ ng khơng gian có thành phẩn eutecti m agm a granit (pegm atit), biến chất n hiệt đ ộ n g làm nóng chảy n hữ n g phận eutecti Sản phẩm biến chất bao gồm n hữ n g th ể pegm atit m agm a nằm đá biến chât, thường đá biến chât cao ĐỊA HÓA HỌC Thành phần đá biến chất Các đặc điếm vể thành phẩn hóa học cua đá biến chất phần lớn định bời thành phần vật chất đá n gu yên thủy: trâm tích (thành phần sét, cát, marne, carbonat), m agm a với độ silic khác từ siêu m afic đến acid thành phẩn khác Thành phần khoáng vật đá biến chât phụ thuộc vào thành phần đá ban đẩu, nhiệt đ ộ áp suất thành tạo T hành p h ầ n hóa h ọc Các đá biến châ't phơ biến nhât chia thành năm nhóm theo đặc điểm đá ban đẩu: 1) M etapelit đá tạo thành từ đá p elit (sét, phiến sét, argilit) 2) Các đá đ ợc tạo thành từ đá thạch anhíelsp at thạch anh (các đá m agm a acid, cát kết, đá silic) 3) M etacarbonat đá tạo thành tù đá trầm tích carbonat (đá vơi, d olom it) thường chứa tạp chât thạch anh khoáng vật sét 4) M etabasit đá tạo thành từ đá m agm a m afic trung tính bao gồm tuf chúng, m arne chứa lượng đáng k ế Ca, Al, Mg, Fe 5) Các đá giàu Mg tạo thành từ đá siêu m aíic th ể địa chất khác giàu M g Fe Thành p h ần khoảng vật Sụ đa dạng v ể thành phẩn hóa học đá n gu yên thủy, đ iều kiện hóa lý khác q trình biến chất dẫn đến hình thành khống vật khác đá biến chất, đ ó có nhừ ng khoáng vật p hổ biến đá m agm a đá biến chất [H.12] C hẳng hạn íelspat (plagioclas, íelsp at kali) thạch anh, mica, horblend, phần lớn p yroxen, olivin N gồi gặp khống vật đặc trung ch o đá trầm tích calcit, dolom it M ột sơ' lượng lớn khống vật có thành phan đá biến chất (chủ yếu m ức đ ộ biến chất yếu) lại có m ặt đá m agm a d ạng khoáng vật phụ nhu chloritoid, staurolit, andalusit, silim anit, 589 kyanit, cordierit, m ột số granat, vesubial, vvollastonit, glaucophan khoáng vật khác Một SỐ k h o n g v ậ t tạ o đ c h ín h đ m a g m a n h nephelin, leucit, pyroxen kiểm lại không đặc trung gặp đá biến chất Tư liệu Việt Nam Trong n ng thập ký gần đây, địa hóa n gu yên tố vết, n gu yên tố đâ't đ ổn g vị đà đ ó n g góp nhiều nghiên cứu thạch luận học m agm a biến chất V iệt N am Trên sở áp d ụng p hư ơn g pháp địa hóa đại, cơng trình nghiên cứu khơng d n g lại nhừ ng m ô tả đá mà xem xét tới tiến hóa thê m agm a theo không gian, thời gian bối cảnh kiến tạo chúng N h đ ó nhiều cơng trình góp phẩn quan trọng việc làm sán g tỏ chất c h ế địa đ ộ n g lực phát triến câu trúc tồn lãnh thơ V iệt Nam Q trình p hon g hóa nhiệt đới ấm Việt N am đư ợc nhiều nhà địa chất nghiên cún theo nhiều góc đ ộ khác Phần lớn cơng trình chù yếu tập trung vào nghiên cứu phân loại vỏ phong hóa basalt Tây N guyên; bời lè vỏ p hong hóa basalt có liên quan tới quặng hóa bauxit laterit Gần đ ây n ng nghiên cứu v ề trình p hon g hóa đá khác triển khai N h n g phương pháp m ới tiếp cận, tính tốn chi số p h on g hóa, đánh giá c h ế tốc độ phong hóa đá m ối liên quan với m ức đ ộ tiêu thụ C Ơ cùa khí lưu vực Các nhà trầm tích học Việt N am m rộng v iệc nghiên cứu trầm tích đại, q trình lắng đ ọn g so sánh chúng với quan sát đá trầm tích cổ Các kết nghiên cứu q trình trầm tích đại đư ợc áp d ụng vào việc nghiên cứu đá trầm tích cổ m ột cách có hiệu thơng qua c c SỐ liệ u đ ịa h ó a n g u y ê n tố v ế t v đ ổ n g v ị Tài liệu tham khảo D r e v e r J I (E d ), 1985 T h e c h e m is tr y o f w e a th e r i n g D R e id e ỉ P u b ỉ C o D o r d r e c h t 31 p g s Pyrophyllit A Kyanit H e s s p c , 1989 O r ig in o f I g n e o u s ro c k s H a v a r d U n iv e r s it y P re s s 3 p g s C a m b r id g e M e y b e c k M , 1987 G lo b a l c h e m ic a l v v e a th e r in g o f s u r íic ia l r o c k s e s t i m a t e d fr o m r iv e r d is s o lv e d lo a d s A m e r ic a n Ị o u r n a l o f M in e r a lo g y V o l 287: 40 -4 V V eaver, C E 1989 C la y s , m u d s a n d s h a le s D e v e lo p m e n ts in S e d im e n to lo g y 4 E ls e v ie r 81 p g s VVhite A F a n d A E B lu m , 1995 E ffe c ts o f c lim a te o n c h e m ic a l v v e a th e r in g in v v a te rs h e d s G e o c h im C o s m o c h im A c t a , : 29-1747 Y V inter D J 2001 A n i n t r o d u c t i o n to I g n e o u s a n d M e ta m o r p h ic P e tr o lo g y P r e n tic e H a ỉl p g s H ì n h Vị trí khống vật biến chất biểu đồ AC F dựa cơng thức hố học chúng T r ầ n N g h i, 2010 T r ầ m tíc h lu ậ n tr o n g đ ịa ch â't b iể n v d ầ u k h í N X B Đ i h ọ c Q u ố c g ia H N ộ i 328 tr 590 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT T r ầ n T r ọ n g H ò a v n n k , 13 H o t đ ộ n g m a g m a v s in h k h o n g n ộ i m ả n g m iề n B ắc V iệ t N a m N X B K h o a h ọ c v C ô n g N g u y ễ n V ă n P h ổ , 201 P h o n g h ó a n h iệ t đ i ẩ m V iệ t N a m N X B K h o a h ọ c v C ô n g n g h ệ 36 tr H N ộ i ng h ệ tr H N ộ i Địa hóa đồng vị N g u y ễ n V ă n P h ổ , P h m T íc h X u â n V iệ n Đ ịa c h ấ t, V iệ n H n lâ m K h o a h ọ c v C ô n g n g h ệ V iệ t N a m Giới thiệu Địa hóa đ ổn g v ị khuynh hư ớng nghiên cửu địa hóa dựa hàm lượng tương đối tuyệt đ ối từ thành phẩn đ v ị n gu yên tố Trái Đất Đánh giá phân b ố đ ổn g vị có n guồn gốc p hóng xạ phân rã đ ổn g vị m ẹ tạo phương pháp hiệu đ ế xác định tuổi tuyệt đối vật thể N gh iên cứu đ vị có n guồn gốc p hón g xạ, cụ th ế stronti, chì n eod ym cho lượng thơng tin v ề phân dị vật chất hành tinh, v ể lịch sử xa xưa Trái Đất trình m uộn Sự phân b ố đ ổn g vị công cụ hữu ích đê xác định nhiệt đ ộ đưa kết luận v ể n guồn gốc đá, quặng d u n g dịch Bằng cách hay cách khác, đ ổn g vị cung cấp nhìn sâu sắc v ề đặc tính hóa học trình tạo b ể m ặt vật chất Trái Đất Tất n gu yên tố với z > 83 (Bi) có hạt nhân khơng đ ổn g vị phóng xạ Các hạt nhân n guyên tử chúng tự phát xạ biên thành hạt nhân n gu vên tố khác Các sản phẩm m ới tạo có th ể có tính phóng xạ m ạnh đ ồn g vị m ẹ (nhu 226Ra ^ R n sản phẩm 238U) s ố lượng đ ổn g vị tự nhiên bảo tổn nhờ cân tốc độ thành tạo phân rã Bảng Phân loại đồng vị xạ theo nguồn gốc Đồng vị Chu kỳ bán rã (năm) / Các đồng vị có nguồn gốc Trái Đắt 40K 1,25.10® 4.7.1010 1.39.1010 4.47.109 7,13.10® 87Rb 232Th 238u 235u II Các đồng vị có nguồn gốc vú trụ 3H 10Be 12,3 1,5.10® 14c 5,730 III Các đồng vị nhân tạo 137Cs 239Pu 241Am 30 2.41.104 433 Các đ n g v ị c ó n g u n g ố c từ Vũ trụ Các đ ổ n g v ị p h ó n g xạ n hẹ hình thành khí q u y ến n h tư ơng tác hạt neutron (tử tia vũ trụ) với hạt nhân nitro, oxy argon cùa khí q u yến M ột s ố đ ồn g vị p hón g xạ liên tục đư ợc hình thành n h phản ứng hạt nhân với hạt n ăn g lư ợ n g cao Vù Trụ (14c , D, 10Be) Phân loại đồng vị Các đ n g v ị c ó n g u n g ố c n h â n tạo Theo n guồn gốc phát sinh, đ vị Trái Đất có th ể phân thành: đ ổn g vị có n guồn gốc Trái Đâ't, đ ổn g vị từ Vũ Trụ đ vị nhân tạo Các đ ổn g vị đ ộ phô biến chúng thê Bảng N h iều đ ổ n g v ị nhân tạo bô su n g bể m ặt Trái Đ ất nhữ ng thập kỷ gần nhu 137Cs, 239P u/ 241A m từ lò phản ứ n g hạt nhân v ụ n ổ hạt nhân N gồi có khoảng 3.000 đ n g vị p h ó n g xạ tạo ng chưa phát h iện tự nhiên Phân loại theo nguồn gốc Các đồng vị có nguồn gốc Trái Đất Các đ vị có n guổn gốc Trái Đất bao gồm đ vị có liên quan tới q trình hình thành Trái Đất Trong s ố 94 n guyên tố có tự nhiên Trái Đất có tất 339 đ vị, có 255 đ vị tự nhiên chưa bị phân rã thời điếm Phân loại theo tính phóng xạ T h eo tính p h ó n g xạ, đ ổn g vị có th ể chia thành hai loại: đ ổ n g v ị đ v ị phóng xạ Các đ ổ n g vị b ền có hạt nhân k hơng có khả phân rã đ ể tạo nhữ ng n g u y ên từ m ới, tức hạt nhân ch ú n g không thay đổi theo thời gian, nhu đ ổ n g vị 12c 13c Các đ ổn g vị p hón g xạ có ... biến chât cao ĐỊA HÓA HỌC Thành phần đá biến chất Các đặc điếm vể thành phẩn hóa học cua đá biến chất phần lớn định bời thành phần vật chất đá n gu yên thủy: trâm tích (thành phần sét, cát, marne,... trọng thành phẩn hóa học nước tự nhiên trình tạo đá Hành vỉ nguyên tố trinh phong hóa Tác đ ộn g q trình p hong hóa hóa học tới thành phẩn hóa học đá có thê đ ợc xác định Các sản phẳm phong hóa. .. hóa h ọc m an ti tương tự thành phẩn hóa học mà M asson (1966) đưa dựa thiên thạch tựa thành phần hóa học H utchison (1974) dựa bao toleit đá m agm a D ựa vào cách xác định trên, thành phẩn hóa