Quá trình biến đổi Illit-Smectit: Lấy ví dụ sét Kinnekulle - Thụy Điển và sét Di Linh - Việt Nam : Luận văn ThS. Địa chất: 60 44 02 01

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - PHẠM THỊ NGA QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI ILLIT-SMECTIT: LẤY VÍ DỤ SÉT KINNEKULLE - THỤY ĐIỂN VÀ SÉT DI LINH - VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - PHẠM THỊ NGA Q TRÌNH BIẾN ĐỔI ILLIT-SMECTIT: LẤY VÍ DỤ SÉT KINNEKULLE - THỤY ĐIỂN VÀ SÉT DI LINH - VIỆT NAM Chuyên ngành: Địa chất học Mã số: 60440201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HOÀNG THỊ MINH THẢO XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG Giáo viên hướng dẫn Chủ tịch hội đồng chấm luận văn thạc sĩ khoa học PGS.TS Hoàng Thị Minh Thảo PGS.TS Nguyễn Văn Vượng Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN 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 Đặc biệt, học viên xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Hồng Thị Minh Thảo, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn tận tình chu đáo trình học viên thực hoàn thành luận văn Học viên xin chân thành cảm PGS TS Jörn Kasbohm - Jörn-KasbohmConsulting, CHLB Đức giúp đỡ bảo truyền đạt kinh nghiệm quý báu thời gian học viên học tập nghiên cứu, nhƣ giúp đỡ trình thu thập phân tích mẫu Kinnekulle – Thụy Điển Học viên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, ngƣời thân bạn bè tạo điều kiện tốt nhất, bên cạnh động viên cổ vũ để học viên hoàn thành luận văn Cuối cùng, học viên xin cảm ơn Hội đồng bảo vệ luận văn Thạc sĩ: PGS TS Nguyễn Văn Vƣơng (Chủ tịch Hội Đồng), PGS TS Nguyễn Văn Phổ (Phản biện 1), TS Nguyễn Thị Minh Thuyết (Phản biện 2), TS Nguyễn Thùy Dƣơng (Thƣ ký), TS Phạm Văn Thanh (Ủy viên) có góp ý quý báu để học viên hoàn thiện luận văn cách tốt Trân trọng cảm ơn ! Hà Nội ngày 30 tháng 12 năm 2015 Học viên Phạm Thị Nga Phạm Thị Nga - iii - Luận văn Thạc sĩ Khoa học MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT VÙNG DI LINH – LÂM ĐỒNG VÀ KINNEKULLE – THỤY ĐIỂN 1.1 Đặc điểm địa chất vùng Di Linh – Lâm Đồng 1.2 Đặc điểm địa chất vùng Kinnekulle – Thụy Điển CHƢƠNG 2: MẪU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .9 2.1 Mẫu nghiên cứu 2.1.1 Mẫu bentonit Di Linh-Việt Nam .9 2.1.2 Mẫu bentonit Kinnekulle-Thụy Điển 10 2.2 Các phƣơng pháp nghiên cứu 11 2.2.1 Phƣơng pháp Huỳnh quang tia X (XRF) 11 2.2.2 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 12 2.2.2 Phƣơng pháp Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 12 CHƢƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ KHỐNG VẬT SÉT VÀ Q TRÌNH BIẾN ĐỔI ILLIT-SMECTIT 15 3.1 Tổng quan khoáng vật sét 15 3.1.1 Illit 16 3.1.2 Smectit .17 3.1.3 Khoáng vật sét lớp xen illlit-smectit (IS-ml) 19 3.2 Quá trình biến đổi illit-smectit .20 3.2.1 Q trình smectit hóa illit 20 3.2.3 Quá trình illit hóa smectit 21 3.3 Ý nghĩa trình biến đổi .23 CHƢƠNG 4: ĐẶC ĐIỂM CỦA SÉT DI LINH VÀ SÉT KINNEKULLE 24 4.1 Đặc điểm sét Di Linh .24 4.1.1 Đặc điểm hóa học sét Di Linh 24 4.1.2 Đặc điểm khoáng vật sét Di Linh 25 Phạm Thị Nga - iv - Luận văn Thạc sĩ Khoa học 4.2 Đặc điểm sét Kinnekulle 31 4.2.1 Đặc điểm hóa học sét Kinnekulle 31 4.2.2 Đặc điểm khoáng vật sét Kinnekulle .33 CHƢƠNG 5: QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI ILLIT-SMECTIT 41 5.1 Quá trình biến đổi illit thành smectit sét Di Linh 41 5.1.1 Đặc điểm trình biến đổi .41 5.1.2 Cơ chế hình thành smectit từ illit 43 5.1.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình smectit hóa illit 45 5.2 Q trình biến đổi smectit thành illit sét Kinnekulle 47 5.2.1 Đặc điểm q trình illit hóa smectit sét Kinnekulle 47 5.2.2 Cơ chế biến đổi smectit thành illit 53 5.2.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình illit hóa 56 KẾT LUẬN .60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 Phạm Thị Nga -v- Luận văn Thạc sĩ Khoa học CHỮ VIẾT TẮT IS-ml Khoáng sét lớp xen illit/smectit IS-ml R0 Khoáng sét lớp xen illit/smectit xen lớp ngẫu nhiên IS-ml R1 Khoáng sét lớp xen illit/smectit xen lớp đặn XRD Nhiễu xạ tia Roentgen XRF Huỳnh quang tia X TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM-EDX Kính hiển vi điện tử truyền qua kết hợp với hệ thống tán xạ tia X diVS-ml Khoáng sét lớp xen di-vermicullit/smectit KSV-ml Khoáng sét lớp xen kaolinit-smectit-vermiculit CSV-ml Khoáng sét lớp xen chlorit-smectit-vermiculit Phạm Thị Nga -i- Luận văn Thạc sĩ Khoa học DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1: Bản đồ hành khu vực nghiên cứu .4 Hình 2: Sơ đồ địa chất mỏ bentonit Di Linh, tỉnh Lâm Đồng Hình 3: Đặc điểm địa tầng vùng Kinnekulle Hình 4: Moong khai thác bentonit Di Linh .9 Hình 5: Bentonit xám trắng xen kẽ bazan bị phong hóa (trái) bentonit màu vàng, nâu vàng, xám xanh (phải) 10 Hình 6: Lõi khoan Mossen-3 thu thập vùng đồi Kinnekulle 10 Hình 7: Trình tƣ địa tầng lớp bentonit Kinnekulle 11 Hình 8: Mơ hình cấu trúc tinh thể illit 16 Hình 9: Mơ hình cấu trúc tinh thể smectit 18 Hình 10: Mơ hình cấu trúc khống vật sét lớp xen illit-smectit .20 Hình 11: Giản đồ XRD mẫu tồn phần sét Di Linh – Lâm Đồng 26 Hình 12: Phổ XRD mẫu định hƣớng sét Di Linh bao gồm mẫu làm khô tự nhiên (AD) mẫu bão hòa ethylen glycol (EG) .27 Hình 13: Ảnh TEM sét bentonit Di Linh (7000x) .28 Hình 14: Ảnh TEM hạt goethit sét Di Linh 30 Hình 15: Sự biến đổi thành phần hóa học lớp bentonit .33 Hình16: Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột sét Kinnekulle 34 Hình 17: Sự biến thiên hàm lƣợng thạch anh theo độ sâu lớp bentonit Kinnekulle .36 Hình 18: Ảnh TEM đại diện cho mẫu Kinnekulle B_A (18A), B_C (18B), B_F (18C), B_I (18D) B_L (18E) .39 Hình 19a: Hình ảnh TEM hạt IS-ml với phần rìa bị smectit hóa 42 Hình 19b Ảnh TEM-ED thể thay đổi cấu trúc phần rìa phần tâm hạt .42 Hình 20: Sự biến đổi thành phần hóa học thể q trình smectit hóa theo chiều từ rìa vào tâm hạt IS-ml .42 Hình 21: Tƣơng quan biến đổi hàm lƣợng K điện tích lớp với hàm lƣợng lớp smectit đơn vị cấu trúc [O10(OH)2] hạt diVS-ml bentonit Di Linh 44 Phạm Thị Nga - ii - Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hình 22: Ảnh hƣởng lƣợng mƣa đến hình thành khống vật sét q trình phong hóa đá macma acid (a) bazo (b) .46 Hình 23: Hàm lƣợng smectit lớp bentonit Kinnekulle tăng theo độ sâu .47 Hình 24: Sự biến thiên hàm lƣợng illit lớp bentonit Kinnekulle 48 Hình 25: Giản đồ XRD mẫu định hƣớng bão hịa ethylen glycol mẫu sét Kinnekulle .49 Hình 26: Các hạt IS-ml với phần rìa hạt rõ nét (Ảnh trái - mẫu Kinnekulle B_A; Ảnh phải - mẫu Kinnekulle B_C 51 Hình 27: Sự khác hình thái hạt IS-ml, phụ thuộc chủ yếu vào hàm lƣợng lớp cấu trúc 51 Hình 28: Sự biến đổi hàm lƣợng lớp illit cấu trúc IS-ml theo độ sâu 52 Hình 29: Ảnh hƣởng pH tới hòa tan Al Si 54 Phạm Thị Nga - iii - Luận văn Thạc sĩ Khoa học DANH SÁCH BẢNG Trang Bảng 1: Hàm lƣợng lớp illit IS-ml xác định giá trị đỉnh nhiễu xạ mẫu sét bão hòa ethylen glycol .13 Bảng 2: Thành phần hóa học mẫu sét Di Linh so sánh với số mẫu sét điển hình giới .24 Bảng 3: Thành phần khoáng vật mẫu sét Di Linh 26 Bảng 4: Cơng thức cấu trúc [giá trị trung bình theo đơn vị (OH)2O10] pha diVS-ml bentonit Di Linh (thành phần < µm), tính phƣơng pháp TEM-EDX 29 Bảng 5: Thành phần khoáng vật sét bentonit Di Linh thành phần cấp hạt 9), Al Si bị hịa tan Nhƣ vậy, pH mơi trƣờng có ảnh hƣởng lớn đến q trình illit hóa smectit Cụ thể, q trình illit hóa Phạm Thị Nga - 54 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học thƣờng xảy môi trƣờng acid Al cấu trúc smectit bị hịa tan bị mang Trong mơi trƣờng kiềm, q trình illit hòa dễ dàng xảy Al Si cấu trúc smectit bị hòa tan thay đồng hình cho Trong mơi trƣờng kiềm có sẵn Al hịa tan, q trình illit hóa diễn mạnh mẽ hàm lƣợng Al có sẵn môi trƣờng xâm nhập thay vào vị trí Si bị hịa tan cấu trúc smectit, hình thành illit với hàm lƣợng Al lớp tứ diện lớn Al3+ thay cho Si4+ làm tăng điện tích lớp, điện tích tăng đến giá trị cho phép, K lớp bị khử nƣớc, lấp đầy vào khoảng cách lớp, K+ có bán kính ion nhỏ bị cố định lớp xen lớp xen ko thể giãn nở đƣợc, biến đổi smectit thành illit Điện tích cần thiết để khử K lớp khoảng -0,75 / (OH)2O10 (Eberl, 1980) Về mặt cân hóa học, q trình illit hóa kèm với cố định ion K lớp lớp có bổ sung hàm lƣợng Al lớp tứ diện Phản ứng biến đổi smectit thành illit diễn theo cách khác Theo nghiên cứu Hower et al (1976), hình thành illit từ smectit mơi trƣờng có sẵn ion Al hòa tan diễn theo phản ứng: smectit + K+ + Al3+→1 illit + Na+ + Ca2+ + Si4+ + Fe2+ + Mg2+ +H2O Sự hình thành illit từ smectit mơi trƣờng khơng có Al hòa tan theo nghiên cứu Boles & Franks (1979) diễn theo phản ứng: 1.6 smectit + K+→1illit + Na+ + Ca2+ + Si4+ + Fe2+ + Mg2+ + O2−+ OH− +H2O Đối với sét Kinnekulle, hàm lƣợng K ln có sẵn lớp bentonit đƣợc hình thành từ lắng đọng tro núi lửa môi trƣờng biển chứa sẵn hàm lƣợng đáng kể K+ nƣớc biển tro núi lửa Q trình phong hóa sản phẩm núi lửa có thành phần acid hình thành hàm lƣợng định Al3+ hịa tan Điều kiện hồn tồn thích hợp để diễn q trình illit hóa Sự thay đồng hình Al3+ cho Si4+ diễn song song với giải phóng ion Si4+ từ smectit vào mơi trƣờng Ion Si4+ giải phóng từ smectit kết tủa dƣới dạng thạch anh, cristobalit silic vơ định hình nhiệt độ xuống thấp Hình ảnh mẫu sét Kinnekulle dƣới phân tích TEM cho thấy hạt IS-ml nhìn chung giữ đƣợc hình thái ban đầu hạt smectit Các hạt IS-ml có dạng giống nhƣ smectit nhƣng dày với phần rìa rõ ràng (Hình 26) Nhƣ vậy, thấy q trình illit hóa smectit sét Kinnekulle diễn trạng thái rắn, Phạm Thị Nga - 55 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học lớp smectit bị biến đổi dần thành lớp illit bổ sung cố định cation K + lớp xen thay Al3+ cho Si4+ lớp bát diện Ở giai đoạn biến đổi đầu tiên, smectit biến đổi thành khoáng vật sét lớp xen illit/smectit với lớp illit lớp smectit xếp ngẫu nhiên Ở giai đoạn biến đổi tiếp theo, xếp lớp cấu trúc trở nên có trật tự hàm lƣợng lớp illit tăng lên 5.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình illit hóa Đối với lớp bentonit tuổi Ordovic Kinnekulle, tác nhân ảnh hƣởng đến q trình biến đổi smectit thành illit nhiệt độ, pH hàm lƣợng K có sẵn Lớp bentonit Kinnekulle chịu ảnh hƣởng nhiệt độ hoạt động magma dòng magma xuyên cắt qua lớp trầm tích lên hình thành lớp diabas với độ sâu hàng chục m Nghiên cứu Pusch & Madsen (1995) cho biết lớp diabas có độ dày khoảng 60m cách lớp bentonit tuổi Ordovic nghiên cứu khoảng 90m Nhiệt độ từ lớp xâm nhập diabas có ảnh hƣởng mạnh mẽ đến lớp bentonit phía dƣới Do lớp đất đá nằm lớp bentonit lớp diabas chủ yếu đá vôi không giữ nhiệt nên lƣợng nhiệt từ lớp bentonit nhận đƣợc từ xâm nhập diabas lớn Nghiên cứu lịch sử nhiệt lớp bentonit Kinnekulle tuổi Ordovic hóa thạch nón (conodont) cho biết nhiệt độ lớp đá vôi cách ranh giới phía lớp bentonit 10m khoảng 110-200oC (nguồn) Grandien địa nhiệt độ sâu đƣợc tính tốn khơng vƣợt q 0,05oC/cm Nhƣ vậy, nhiệt độ lớp bentonit nhân đƣợc từ lớp diabas phía vào khoảng 60-150oC Nghiên cứu lịch sử nhiệt lớp bentonit cho thấy lớp nhân đƣợc lƣợng nhiệt từ phun trào diabas để tăng nhiệt độ từ nhiệt độ ban đầu (khoảng 20oC) đến 150oC vòng 300 năm; nhiệt độ lớp bentonit tiếp tục đƣợc giữ 130oC khoảng 300 năm sau giảm xuống cịn 100-130oC khoảng 400 năm; sau tiếp tục giảm xuống, trở nhiệt độ ban đầu thời gian nguội lạnh dài khoảng 2000 năm (Pusch & Madsen (1995) Ở mức nhiệt độ này, trình biến đổi smectit thành illit diễn với tăng lên hàm lƣợng illit IS-ml, hạt smectit ban đầu bị biến đổi thành IS-ml với lớp illit smectit xếp ngẫu nhiên, hình thành IS-ml xếp có trật tự Nếu nhiệt độ phân tán đặn lớp bentonit trình illit hóa phần lớp bentonit diễn với cƣờng độ tƣơng tự độ dày lớp bentonit nhỏ (2m) Tuy nhiên, bentonit loại vật chất có tính chất truyền nhiệt nên Phạm Thị Nga - 56 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học nhiệt độ đƣợc lƣu giữ phần lớp bentonit nhiều so với phần phía dƣới, có nghĩa nhiệt độ phần lớp bentonit cao tƣơng đối so với phần phía dƣới Đây nguyên nhân làm cho phần lớp bentonit bị illit hóa mạnh mẽ (nhƣ trình bày trên) Sự xuất perowskit khống vật thƣờng đƣợc tìm thấy đới biến chất tiếp xúc nhiệt phần lớp bentonit cho thấy ảnh hƣởng nhiệt phần mạnh mẽ Độ pH ảnh hƣởng đến hòa tan ion cấu trúc khống vật có ảnh hƣởng đến q trình illit hóa smectit Đối với lớp bentonit Di Linh, pH phần lớp khác nhau, liên quan đến tƣơng tác phần với đá vây quanh Từ trình tự địa tầng lõi khoan thu thập Kinnekulle cho thấy lớp bentonit (lớp B) nằm xen kẹp lớp đá phiến sét màu xám phía lớp đá vơi màu xám phía dƣới Sự ảnh hƣởng đá vây quanh làm thay đổi pH phần phần dƣới lớp bentonit so với phần trung tâm Cụ thể đá phiến sét đá vôi mang môi trƣờng kiềm tƣơng tác với ranh giới ranh giới dƣới lớp bentonit làm cho hai phần có độ kiềm mạnh so với phần lớp không tiếp xúc với đá vây quanh Môi trƣờng kiềm tạo tiếp xúc thúc đẩy trình illit hóa smectit, q trình illit hóa phần phần dƣới lớp illit diễn mạnh mẽ Nghiên cứu ảnh hƣởng đá vây quanh đến pH phần lớp bentonit cần có phân tích chi tiết Hàm lƣợng K có sẵn đá vây quanh lớp benttonit (đá phiến sét đá vôi) yếu tố quan trọng phản ứng biến đổi smectit illit Nghiên cứu Nadeau & Reynolds (1981) hàm lƣợng lớp illit IS-ml hình thành mơi trƣờng có chứa Ca thấp so với môi trƣờng không chứa Ca Nghiên cứu Eberl (1978); Roberson & Lahann (1981) cho thấy tốc độ q trình illit hóa phụ thuộc khơng nhỏ vào tỉ lệ K+/(Ca2+, Mg2+) Sự có mặt caion hóa trị II ức chế phản ứng smectit-illit Đối với lớp bentonit Kinnekulle, hàm lƣợng K+ phong phú lớp đá phiến sét phía lớp bentonit có vai trị thúc đẩy phản ứng illit hóa smectit, làm cho thành phần smectit phần lớp bentonit tiếp giáp với lớp đá phiến sét bị biến đổi mạnh mẽ Phần ranh giới phía lớp bentonit có hàm lƣợng K cao cịn có ngun nhân lớp đƣợc bão hòa với nƣớc biển có sẵn K+ khoảng thời gian dài Phạm Thị Nga - 57 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học so với phần trung tâm Phần phía dƣới tiếp xúc trực tiếp với lớp đá vôi, xâm nhập cation Ca2+ Mg2+ làm hạn chế trình illit hóa Tốc độ biến đổi smectit phần lớp bentonit có khác nhau, cụ thể phần bị illit hóa mạnh mẽ nhất, phần phía dƣới sau phần lớp bentonit bị illit hóa yếu Sự khác nhau đƣợc lí giải yếu tố ảnh hƣởng đến q trình biến đổi có tác động không đồng đến phần lớp smectit Từ phân tích tóm tắt yếu tố ảnh hƣởng đến q trình illit hóa phần lớp bentonit nhƣ sau: - Phần lớp bentonit chịu ảnh hƣởng mạnh mẽ nhiệt độ phun trào diabas phía nằm vị trí gần lớp diabas với khả truyền nhiệt bentonit giữ lại lƣợng nhiệt lớn phần phía lớp bentonit Sự ảnh hƣởng nhiệt độ làm cho trình illit hóa phần diễn mạnh mẽ so với phần phía dƣới Thêm vào đó, hàm lƣợng K+ Al3+ dồi có sẵn lớp đá phiến sét mang môi trƣờng kiềm thúc đẩy phản ứng biến đổi smectit thành illit Si cấu trúc smectit bị hịa tan mơi trƣờng kiềm đƣợc thay Al3+ có sẵn, K+ đƣợc bổ sung cố định lớp xen giữa, hình thành lớp illit khơng có khả trƣơng nở - Phần lớp bentonit bị giới hạn hai phần bentonit, không tiếp xúc với đá vây quanh, hàm lƣợng K độ pH thấp đáng kể so với phần phía phần phía dƣới Nhiệt độ phần bentonit thấp đáng kể so với phần phía khả truyền nhiệt Do smectit bị biến đổi chậm chạp hơn, q trình illit hóa yếu - Phần dƣới cách lớp diabas xa so với hai phần trên, tăng nhiệt độ theo gradient địa nhiệt không đáng kể lớp bentonit tƣơng đối mỏng, nhiệt độ phần phía dƣới thấp so với hai phần Tuy nhiên phần lại tiếp xúc trực tiếp với lớp đá vơi nằm phía dƣới nên có tính kiềm mạnh so với hai phần Vì pH cao thúc đẩy q trình illit hóa nên hàm lƣợng lớp illit đƣợc hình thành phần cao so với phần So với phần lớp bentonit, phần dƣới bị illit hóa yếu nhiệt độ phần dƣới thấp Bên cạnh yếu tố trên, q trình illit hóa cịn bị ảnh hƣởng thành phần smectit ban đầu độ rỗng đá Thành phần hóa học smectit ban đầu cƣờng Phạm Thị Nga - 58 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học hóa ức chế q trình illit hóa Smectit có chứa cation hóa trị I (Na, K) bị illit hóa dễ dàng so với smectit có chứa cation hóa trị II (Mg, Ca) cation hóa trị II có lƣợng hydrat hóa cao địi hỏi phải có điện tích lớp lớn khử nƣớc (Sucha et al,1993; Eberl 1980) Độ thấm độ rỗng đá ảnh hƣởng đến tốc độ chế biến đổi smectit thành illit Bentonit Kinnekulle có độ rỗng kém, độ thấm tốt, smectit có xu biến đổi thành illit theo lớp trang thái rắn, khác với q trình illit hóa cách hịa tan tái kết tủa thƣờng xảy đá cát kết Lớp bentonit với độ rỗng thấp hạn chế trình vận chuyển hợp phần hệ môi trƣờng bên ngồi, hệ thống biến đổi tƣơng đối kín hạt khoáng vật biến đổi từ từ Trong điều kiện bồn chứa rác thải hạt nhân, sử dụng bentonit làm tầng chắn kỹ thuật, nhiệt độ đƣợc sinh từ q trình phát xạ làm biến đổi thành phần smectit thành illit Hơn nữa, số mơ hình bồn chứa chơn rác thải vịm muối (điển hình Đức Mỹ) (Herbert et al, 2011), hàm lƣợng K có sẵn vịm muối có tác động thúc đẩy q trình illit hóa Q trình biến đổi smectit thành illit làm giảm chất lƣợng bentonit việc sử dụng nhƣ chất đệm chất bịt kín bồn chứa rác thải hạt nhân (Meunier & Velde, 2004; Pusch, R & Kasbohm, 2002) cần có nghiên cứu chi tiết ảnh hƣởng q trình illit hóa đến bền vững bồn chứa sử dụng bentonit làm tầng chắn kỹ thuật Phạm Thị Nga - 59 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học KẾT LUẬN Quá trình biến đổi illit-smectit q trình hai chiều, q trình hình thành smectit từ illit hay cịn gọi q trình smectit hóa đƣợc coi chiều thuận, ngƣợc lại trình biến đổi smetit thành illit (quá trình illit hóa) đƣợc coi chiều nghịch Luận văn tiến hành nghiên cứu hai loại sét sét Di Linh Việt Nam sét Kinnekulle Thụy Điển để phân tích q trình biến đổi illit smectit Các mẫu đƣợc thu thập tiến hành nghiên cứu phƣơng pháp phân tích khống vật đại nhƣ phƣơng pháp huỳnh quang tia X (XRF) phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) phƣơng pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Những kết thu đƣợc từ phân tích tiến hành mẫu sét Di Linh sét Kinnekulle thể trình biến đổi illit smectit Đặc điểm chế trình biến đổi đƣợc nghiên cứu chi tiết Những kết nghiên cứu mẫu sét Di Linh cho thấy trình biến đổi từ illit thành smectit dƣới tác động tác nhân phong hóa Bentonit Di Linh có thành phần khống sét lớp xen di-vermicullit-smectit (diVS-ml, IS-ml với điện tích hàm lƣợng K thấp), thạch anh, muscovit ferrihydrit Ngồi cịn có kaolinit, KVS-ml, chlorit, goethit, anatas chiếm hàm lƣợng vết mẫu Các khoáng vật diVS-ml gồm hai nhóm: nhóm tập hợp hạt dạng đám mây diVS-ml xen lớp ngẫu nhiên có thành phần lớp smectit >90% chiếm hàm lƣợng lớn mẫu; nhóm hạt có dạng hình dạng dị thƣờng với phần rìa rời rạc diVS-ml xen lớp đặn có thành phần lớp smectit thấp Q trình biến đổi từ illit (di-vermicullit) thành smectit đƣợc phát hạt khoáng vật nghiên cứu chi tiết phƣơng pháp TEM-EDX Các hạt illit dạng bị biến đổi theo chiều từ rìa vào trung tâm, smectit đƣợc hình thành từ illit kèm với suy giảm hàm lƣợng K tăng hàm lƣợng Fe Quá trình oxi hóa Fe2+ cấu trúc illit thành Fe3+ phong hóa làm cho lực liên kết lớp cấu trúc yếu K dễ dàng bị rửa trơi Q trình phong hóa làm rửa trôi phần ion Al3+ lớp bát diện illit thay ion Fe3+ mơi trƣờng bên ngồi Q trình biến đổi khơng xảy tự nhiên mà cịn xảy sử Phạm Thị Nga - 60 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học dụng vật liệu bentonit, chẳng hạn nhƣ sử dụng để cô lập chất thải bồn chứa rác thải hạt nhân điều kiện bentonit đƣợc tiếp xúc với nƣớc ngầm Nghiên cứu XRF, XRD TEM mẫu sét Kinnekulle cho thấy biến đổi smectit thành illit dƣới ảnh hƣởng nhiệt độ pH Thành phần khống vật bentonit Kinnekulle có bao gồm smectit, illit, muscovit, thạch anh, calcit hàm lƣợng nhỏ kaolinit, albit lepidocrocit Hàm lƣợng smectit gồm phần lớn khoáng vật sét lớp xen illit/smectit với hàm lƣợng lớp illit khác mẫu nghiên cứu Nghiên cứu ghi nhận đƣợc biến đổi khác phần lớp smectit Tốc độ biến đổi smectit phần lớp bentonit khác yếu tố gây biến đổi smectit tác động lên phần lớp bentonit cách không đồng Phần bị illit hóa mạnh mẽ nhất, tiếp đến phần dƣới, phần bị illit hóa yếu Q trình illit hóa smectit diễn hịa tan Si lớp tứ diện smectit, thay vào cation Al3+ có sẵn mơi trƣờng Sự thay làm tăng điện tích lớp xen smectit, K lớp bị khử nƣớc, lấp đầy lớp xen Hàm lƣợng K+ có sẵn mơi trƣờng đƣợc bổ sung thêm vào lớp xen giữa, K+ với kích thƣớc nhỏ bị cố định lớp xen khiến lớp cấu trúc khơng cịn khả trƣơng nở, biến smectit thành illit Quá trình biến đổi smectit thành illit diễn lớp cấu trúc smectit trạng thái rắn hình thành khống vật sét lớp xen illitsmectit với hàm lƣợng lớp illit tăng dần Quá trình biến đổi smectit illit tiếp tục diễn theo xu hƣớng khác phụ thuộc vào điều kiện mơi trƣờng Q trình smectit hóa xảy dƣới tác động tác nhân phong hóa q trình illit hóa lại bị ảnh hƣởng mạnh mẽ biến chất nhiệt độ thấp Q trình biến đổi xảy sử dụng bentonit làm tầng chắn kỹ thuật bồn chứa rác thải hạt nhân, làm thay đổi đặc tính tầng chắn bentonit, ảnh hƣởng đến độ bền vững hệ thống bồn chứa Nghiên cứu q trình biến đổi khống vật bentonit cho phép đƣa định hƣớng sử dụng bentonit cách có hiệu Nghiên cứu trình biến đổi illit-smectit tự nhiên cung cấp kết ban đầu nhằm tiến tới nghiên cứu trình biến đổi thí nghiệm mơ điều kiện bồn chứa rác thải hạt nhân Phạm Thị Nga - 61 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Đoàn Sinh Huy, 1982 Báo cáo nghiên cứu tỉ mỉ sét Bentonit Tam Bố - Di Linh – Lâm Đồng Trung tâm Thông tin Lƣu trữ - Tổng cục Địa chất Khoáng sản Việt Nam Kiều Quý Nam, 1996 Bản chất nguồn cung cấp vật liệu trình hình thành mỏ sét bentonit Tam Bố Tạp chí Khoa học Trái đất, 18(4), 314-318 Kiều Quý Nam, 2004 Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc khả sử dụng bentonit Lâm Đồng xử lý nguồn nƣớc ô nhiễm Tạp chí Khoa học Trái đất, 26(4), 486-492 Lê Công Hải (Chủ biên), 1979 Đặc điểm thành phần vật chất sét Bentonit vùng Di linh Báo cáo địa chất Lƣu trữ Viện Nghiên cứu Địa chất Khống sản Hà Nội Lê Đỗ Bình, Kiều Công Đức, 1998 Đặc điểm chất lƣợng định hƣớng sử dụng Bentonit Việt Nam Tạp chí Kinh tế địa chất & nguyên liệu khoáng, Hà Nội, số – 1998 (14), 1- Tiếng Anh Ahn J H & Peacor D R., 1986 Transmission and analytical electronmicroscopy of the smectite-to-illite transition Clays & Clay Minerals 34, 165-179 Altane S.P., Bethke C.M., 1988 Interlayer order in illite/smectite American Mineralogist, 73, 766-774 Bergmann J., Friedel P., Kleeberg R., 1998 BGMN - a new fundamental parameters based Rietveld program for laboratory X-ray sources, it's use in quantitative analysis and structure investigations Commission of Powder Diffraction, International Union of Crystallography CPD Newslett, 20, 5-8 Bethke C.M., Vergo N., Altaner S.P., 1986 Pathways of smectite illitization Clays and Clay Minerals, 34, 125-135 10 Boles J.R., Franks S.G., 1979 Clay diagenesis in Wilcox sandstones of southwest Texas: implications of smectite diagenesis on sandstone cementation J Sediment Petrol 49:55–70 11 Borchardt G., 1989 Smectites, in: Minerals in Soil Environments Soil Science Society of America Madison, Wisconsin, 675-727 12 Brusewitz, A M., 1986 Chemical and physical properties of Paleozoic potassium bentonites from Kinnekulle, Sweden Clays and clay minerals, 34(4), 442-454 Phạm Thị Nga - 62 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học 13 Buey C.S., Barrios M.S., Romero E.G., Dominguez Diza M.C., Montoya M.D., 1998 Electron microscopic study of the illite-smectite transformation in the bentonites from Cerro del Aguila (Toledo, Spain) Clay Minerals, 33, 501-510 14 Christidis G.E., 2008 Do bentonites have contradictory characteristics? An attempt to answer unanswered questions Clay Minerals, 43, 515-529 15 Christidis, G E., 2009 Application of Electron Microscopy to the study of smectites and zeolites 16 Eberl D & Środoń J., 1988 Ostwald ripening and interparticle-diffraction effects for illite crystals American Mineralogist, 73, 1335–1345 17 Eberl D.,1978 The reaction of montmorillonite to mixed-layer clay: the effect of interlayer alkali and alkaline earth cations Geochimica et Cosmochimica Acta, 42, 1-7 18 Eberl D D., 1980 Akali cation selectivity and fixation by clay minerals Clays and Clay Minerals 28, 161-172 19 Eberl D D., 1984 Clay mineral formation and transformation in rock and soils Phil Trans R Soc Lond A 311, 241-257 20 Eberl D., Środoń J., Kralik M., Taylor B., and Peterman Z., 1990 Ostwald ripening of clays and metamorphic minerals Science, 248,474–477 21 Fanning D S., Keramidas V Z & El-Desoky M A., 1989 Micas: In: Minerals in Soil Environments, 2nd edn (eds J B.Dixon & B S Weed), pp 551-634 Book Series No 1, Soil Science Society of America, Madison, WI 22 Güven N., 1988 Smectites, in: Bailey S.W (Ed.), Hydrous Phyllosilicates Mineralogical Society of America, Washington DC, 497-560 23 Harvey C & Browne P., 1991 Mixed-layer clay geothermometry in the Wairakei geothermal field, New Zealand Clays and Clay Minerals, 39, 614–621 24 Henning K.H & Störr M., 1986 Electron micrographs TEM, SEM of clays and clay minerals Schriftenreihe für Geologische Wissenschaften, 25 Akademie-Verlag, Berlin p 325 25 Hoang-Minh T., 2006: Characterization of Clays and Clay Minerals for Industrial Applications: Substitution Non-natural Additives by Clays in UV Protection Dissertation - Ernst-Moritz-Arndt University Greifswald 26 Hoang-Minh T., Nguyen-Thanh L., Nguyen T.-D., Nguyen D.-T., Lai L.T., Thuyet N.T.T, Kasbohm J., Pusch R., Knutsson S., 2014 Mineralogical characterization of Di Linh bentonite, Vietnam: A methodological approach of X-ray diffraction and transmission electron microscopy 13th International Symposium on Mineral Exploration, 22-24/9/2014, Hanoi, Vietnam Proceedings, 143-148 Phạm Thị Nga - 63 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học 27 Hower J, Eslinger E.V, Hower M.E, Perry E.A.,1976 Mechanism of burial and metamorphism of argillaceous sediments: Mineralogical and chemical evidence Geol Soc Am Bull, 87:725–737 28 Inoue A and Kitagawa R., 1994 Morphological characteristics of illitic clay minerals from a hydrothermal system American Mineralogist, 79, 700–711 29 Inoue A., Watanabe T., Kohyama N., and Brusewitz A., 1990 Characterization of illitization of smectite in bentonite beds at Kinnekulle, Sweden Clays and Clay Minerals, 38, 241–249 30 Kasbohm J., Tarrah J., Henning K H., 2002 Transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen an Feinfraktionen der Ringversuchsprobe “Ton Stoob”, in F Ottner & S Gier (Hrsg.), Beiträge zur Jahrestagung Wien, 18.9-20.9 2002 Berichte der DTTG e.V., Band 9, 71-84 Deutsche Ton- und Tonmineralgruppe 31 Köster H.M., 1977 Die Berechnung kristallchemischer Strukturformeln von 2:1 Schichtsilikaten unter Berücksichtigung der gemessenen Zwischenschichtladungen und Kationenaustausch-kapazitäten, sowie die Darstellung der Ladungsverteilung in der Struktur mittels Dreiecks-koordinaten Clay Minerals, 12, 45-54 32 Meunier A., & Velde B., 1989 Solid solutions in I/S mixed layer minerals and illite American Mineralogist, 74, 1106-1112 33 Meunier A & Velde B., 2004 Illite: Origin, Evolution and Metamorphism Springer, New York 34 Moore, D.E., & Reynolds, R.C 1997 X-Ray Diffraction and the Identification and Analysis of Clay Minerals (2nd Ed) Oxford University Press, 400 p 35 Murray H.H & Leininger R.K., 1956 Effect of weathering on clay minerals Clays and Clay Minerals, 4, 340-347 36 Nadeau P H & Reynolds R.C.,1981 Burial and contact metamorphism in the Mancos shale Clays & Clay Minerals 29, 249-259 37 Newman, A.C.D., & Brown, G., 1987 The chemical constitution of clays In A.C.D Newman (Ed.), Chemistry of Clays and Clay Minerals Mineralogical Society Monograph, (pp 1-128) Longman Technical and Scientific, Harlow, Essex 38 Newman A.C.D., 1987 Chemistry of clays and clay minerals John Wiley & Sons 39 Nguyen-Thanh L., Herbert H.J., Kasbohm J., Hoang-Minh T., Ferreiro-Mählmann R., 2014 Effects of chemical structure on stability of smectites in short-term alteration experiments Clays and Clay Minerals, 62, 425-446 40 Parham W E., 1996 Lateral variations of clay mineral assemblages in modern and ancient sediments Proc Int Clay Conf (Jerusalem) 1, 135-145 Phạm Thị Nga - 64 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học 41 Pollastro R.M., 1993 Considerations and applications of the illite/smectite geothermometer in hydrocarbon-bearing rocks of Miocen to Mississppian age Clays and Clay Minerals, 41(2), 119-133 42 Pusch R., 2001 The buffer and backfill handbook Part1: Definitions, basic relationships, and laboratory methods, SKB Technical Report SKB TR-02 20, Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, Stockholm, Sweden 43 Pusch R & Kasbohm J., 2002 Alteration of MX-80 by hydrothermal treatment under high salt content conditions Technical Report Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co, No TR 02-06, Stockholm, Sweden, 39 pp 44 Pusch R & Madsen F.T., 1995 Aspects on the illitization of the Kinnekulle bentonites Clays and clay minerals, 43(3), 261-270 45 Pusch R., & Yong, R.N., 2006 Microstructure of smectite clays and engineering performance Francis & Taylor, 352 p 46 Pusch R., Knutsson S., Al-Taie L., Mohammed M.H., 2012 Optimal ways of disposal of highly radioactive waste Natural Science, 4, Special issue, 906-918 47 Rieder M., Cavazzini G., Dýakonov Y.S., Frank-Kamenetskii V.A., Gottardi G., Guggenheim S., Koval P.V., Muller G., Neiva A.M.R., Radoslovich E.W., Robert, J.L., Sassi F.P., Takeda H., Weiss Z., Wones D.R., 1998 Nomenclature of the micas The Canadian Mineralogist, 36, 905-912 48 Rimmer S.M and Eberl D.D., 1982 Origin of an underclay as revealed by vertical variations in mineralogy and chemistry Clays & Clay Minerals, 30, 422-430 49 Roberson H and Lahann R., 1981 Smectite to illite conversion rates: Effects of solution chemistry Clays and Clay Minerals, 29, 129–135 50 Robert M., Elsass F., Andreoli C., and Środoń J., 1991 The cycle of 2:1 clay minerals transformation in sediments and soils New applications of high resolution transmission microscopy Proceedings of the 7th Euroclay Conference, Dresden, 875–879 51 Romero R., Robert M., Elsass F and Garcia C., 1992 Evidence by transmission microscopy of weathering microsystems in soils developed from crystalline rocks Clay Minerals, 27, 21-33 52 Shutov V., Drits V., and Sakharov B.,1969 On the mechanism of a postsedimentary transformation of montmorillonite into hydromica Proceedings of the International Clay Conference, Tokyo Israel University Press, 523–531 53 Środoń J., Elsass F., McHardy W.J & Morgan D.J., 1992 Chemistry of illitesmectite inferred from TEM measurements of fundamental particles Clay Minerals, 27, 137-158 Phạm Thị Nga - 65 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học 54 Sucha V., Kraus I., Gerthofferova H., Petes J., and Serekova M., 1993 Smectite to illite conversion in bentonites and shales of the East Slovak basin Clay Minerals, 28, 243–253 55 Velde B., 1992 Introduction to clay minerals: chemistry, origins, uses, and environmental significance London: Chapman and Hall 198p 56 Velde B., 1985a Possible chemical controls of illite/smectite composition during diagenesis: Mineral Mag 49, 387- 391 57 Velde B., 1985b Clay Minerals: A Physico-chemical Explanation of Their Occurrence: Elsevier, Amsterdam, 427pp 58 Velde B., Suzuki T., and Nicot E., 1986 Pressure – temperature – composition of illite/smectite mixed-layer minerals: Niger delta mudstones and other samples Clays and Clay Minerals, 34 (4), 435-441 59 Vicente M.A., Elsass F., Molina E & Robert M., 1997 Palaeoweathering in slates from the Iberian Hercynian Massif (Spain), investigation by TEM of clay mineral signatures Clay Minerals, 32, 435-451 60 Wilson M.J., 1999 The origin and formation of clay minerals in soils: past, present and future perspectives Clay Minerals, 34, 7-25 61 Yau Y., Peacor D., and McDowell S., 1987 Smectite-to-illite reactions in Salton Sea shales: A transmission and analytical electron microscopy study Journal of Sedimentary Petrology, 57, 335–342 Phạm Thị Nga - 66 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học