CHƢƠNG 2 : MẪU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.2. Quá trình biến đổi illit-smectit
Quá trình hình thành, biến đổi, chuyển đổi của các khoáng vật sét là một đề tài thú vị thu hút nhiều nhà khoa học. Nghiên cứu của Wilson (1999) cho thấy có ba cơ chế hình thành khống vật sét đó là: (1) hình thành từ q trình phong hóa đá mẹ hoặc các vật liệu đã phong hóa, (2) hình thành từ sự biến đổi các khống vật sét có trƣớc, (3) kết tinh từ dung dịch keo. Trong đó q trình hình thành khống vật sét từ đá gốc là một quá trình đa dạng và phức tạp. Nó phản ánh các loại đá mẹ khác nhau cũng nhƣ quá trình biến đổi và quá trình hình thành khống vật mới. Quá trình biến đổi của các khoáng vật sét trong tự nhiên diễn ra rất đa dạng. Một trong những quá trình phổ biến nhất là sự biến đổi giữa smectit và illit. Sự biến đổi này là sự biến đổi thuận nghịch, trong đó chiều thuận là quá trình hình thành smectit từ illit (cịn gọi là q trình montmorillonit hóa) và chiều nghịch là q trình hình thành illit từ smectit (cịn gọi là q trình illit hóa).
3.2.1. Q trình smectit hóa illit
Q trình smectit hóa illit hay cịn gọi là q trình montmorillonit hóa là q trình hình thành smectit từ illit. Quá trình biến đổi illit thành smectit chịu ảnh hƣởng mạnh
Phạm Thị Nga - 21 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học
mẽ của các tác nhân phong hóa bao gồm các yếu tố về khí hậu nhƣ nhiệt độ, lƣợng mƣa và địa hình (Buey et al., 1998; Romero et al., 1992; Wilson, 1999)
Q trình smectit hóa illit diễn ra chủ yếu dƣới tác động của q trình rửa trơi axit. Quá trình này thƣờng xảy ra tại khu vực có sẵn nƣớc ngầm và khả năng thoát nƣớc tốt. Nƣớc ngầm mang môi trƣờng axit dễ dàng rửa trôi K ở lớp xen giữa. Q trình rửa trơi ở lớp trên cùng của vỏ phong hóa là lớn nhất, do đó q trình biến đổi cũng xảy ra mạnh mẽ nhất. Quá trình biến đổi illit thành smectit hình thành các sản phẩm trung gian là khống vật sét lớp xen IS-ml. Cụ thể:
Illit IS-ml smectit
Khi sự rửa trôi tăng cƣờng, sự biến đổi illit – smectit khơng xảy ra mà hình thành kaolinit và các khống vật chứa nhơm hydroxit.
3.2.3. Q trình illit hóa smectit
Q trình illit hóa smectit (hay là q trình illit hóa) là q trình biến đổi smectit thành illit. Q trình illit hóa diễn ra trong điều kiện nhiệt độ thấp, thƣờng liên quan đến q trình thành đá do chơn lấp, biến chất nhiệt độ thấp, biến chất tiếp xúc và sự thay đổi nhiệt dịch. Các phản ứng biến đổi smectit thành illit xảy ở kích cỡ hạt sét trong đá trầm tích do ảnh hƣởng của sự chơn vùi.
Có 2 cơ chế của sự hình thành illit từ smectit:
Biến đổi ở trạng thái rắn (solid-state transformation) (Shutov et. al., 1969; Hower et al., 1976): Q trình illit hóa diễn ra ở trạng thái rắn với sự thay thế dần dần smectit thành illit trong từng lớp. Quá trình này thƣờng có sự tham gia của các dung dịch hoạt động nhƣ chất xúc tác hoặc chất mang. Sự thay thế smectit bởi illit xảy ra trong hệ kín.
Hòa tan và tái kết tủa: bao gồm sự hịa tan hồn tồn smectit và kết tủa dần dần sét lớp xen IS-ml hoặc illit. Quá trình này làm thay đổi đáng kể cấu trúc và kiến trúc ban đầu của khống vật tiền thân. Q trình này có thể diễn ra theo 2 cách: hịa tan dần dần smectit trong các phản ứng ở quy mô rất nhỏ đi kèm với sự hình thành pha khống vật mới (Ahn & Peacor, 1986), hoặc sự hịa tan trƣớc đó của smectit gây nên sự hình thành dần dần của illit (Eberl & Środoń, 1988; Eberl et al., 1990).
Phạm Thị Nga - 22 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học
Q trình illit hóa xảy ra theo những cơ chế khác nhau trong những mơi trƣờng khác nhau có liên quan đến độ thấm của đá và nhiệt độ (Inoue et al., 1990; Yau et al., 1987; Inoue & Kitagawa, 1994, Robert et al., 1991, Harvey & Browne, 1991). Trong bentonit và các vật liệu có độ thấm thấp khác nhƣ đá phiến sét, bùn kết…, illit đƣợc tạo thành từ smectit theo con đƣờng biến đổi dần dần ở trạng thái rắn. Xung quanh các lớp smectit bị phá hủy dần dần bằng sự thay thế Al cho Si, hình thành các khống vật sét lớp xen illit/smectit (IS-ml). Q trình illit hóa theo cơ chế này khơng làm thay đổi hình thái và tinh thể của các hạt smectit ban đầu. Ngƣợc lại, trong mơi trƣờng có độ thấm cao hoặc rỗng (nhƣ cát kết), illit đƣợc tạo thành theo cơ chế hịa tan hồn toàn smectit và tái kết tủa, các hạt illit lớn lên từ các đám hạt phyllosilicat mỏng, thƣờng có dạng thanh. Sự biến đổi này làm thay đổi đáng kể cấu trúc và kiến trúc của smectit ban đầu.
Sự biến đổi smectit thành illit diễn ra trong từng lớp cấu trúc trong khống vật hình thành khống vật sét lớp xen illit/smectit. Ở giai đoạn biến đổi đầu tiên, smectit biến đổi thành khoáng vật sét lớp xen illit/smectit với các lớp illit và lớp smectit sắp xếp ngẫu nhiên. Ở các giai đoạn biến đổi tiếp theo, sự sắp xếp các lớp cấu trúc trở nên có trật tự hơn và hàm lƣợng lớp illit tăng lên.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình illit hóa bao gồm nhiệt độ và hàm lƣợng K. Trong mơi trƣờng có sẵn K, thì nhiệt độ là tác nhân chủ yếu ảnh hƣởng đến q trình illit hóa, các nhân tố thứ yếu điều khiển quá trình biến đổi này phải kể đến là thời gian, tỉ lệ đá/nƣớc, thành phần dung dịch và đá, áp suất… Theo nghiên cứu của Velde (1985), Velde et al. (1986), sự tăng hàm lƣợng lớp illit trong pha khoáng vật sét lớp xen illit/smectit gây ra do sự biến đổi nhiệt độ trong q trình tạo đá, chứ khơng phải do sự thay đổi hàm lƣợng K có sẵn. Cụ thể, sự tăng nhiệt độ làm tăng hàm lƣợng illit trong pha IS-ml, đồng thời làm cho cấu trúc của khoáng vật IS-ml trở nên trật tự hơn. Những nghiên cứu trƣớc đó cho thấy sự thay đổi cấu trúc của khoáng vật IS-ml từ kiểu xếp chồng ngẫu nhiên (R=0) với hàm lƣợng lớp illit 30-40% sang kiểu xếp chồng trật tự thấp (R=1) với 40-60% lớp illit diễn ra ở nhiệt độ khoảng 80oC. Sự chuyển dịch từ IS-ml có cấu trúc R=1 sang IS-ml trật tự cao (R=3) với hàm lƣợng lớp illit >75% diễn ra ở khoảng 180oC.
Phạm Thị Nga - 23 - Luận văn Thạc sĩ Khoa học