Để giải quyết yêu cầu của luận văn và ph−ơng h−ớng đ7 chọn theo nh− trình bày trong phần ph−ơng pháp luận, luận văn đ7 sử dụng các ph−ơng pháp nghiên cứu nh− sau:
3.2.1. Tổng hợp tài liệu
Trong nghiên cứu khoa học thì việc tổng quan các công trình nghiên cứu trước đó là rất quan trọng. Nó không chỉ cho biết các thông tin cơ sở về khu vực nghiên cứu nh−
đặc điểm địa hình, địa mạo, đặc điểm địa chất khu vực mà còn cả các công trình nghiên cứu đ7 tiến hành theo hướng chuyên môn của để tài. Để từ đó biết được mức độ nghiên cứu đến đâu, các kết quả nghiên cứu có thể sử dụng cho các nghiên của luận văn hay không? Phục vụ cho việc viết luận văn này, tác giả đ7 tham khảo các báo cáo thuyết minh
bản đồ các tỉ lệ có trong khu vực nghiên cứu, các luận án tiến sỹ, các bài báo và các sách chuyên khảo có liên quan.
Nhờ có tổng hợp tài liệu mà các thông tin cần thiết cho nghiên cứu chuyên đề của luận văn đ7 thống kê trong phần tài liệu tham khảo và đ−ợc trình bày tóm l−ợc trong các chương I, II của luận văn này. đồng thời sử dụng để luận giải số liệu nghiên cứu của luận văn ở các ch−ơng tiếp theo.
3.2.2 Nhóm phương pháp nghiên cứu quy mô hình học của đới đứt gÉy
Để nghiên cứu đặc điểm hình học của đới trượt có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng trong luận văn này chỉ sử dụng hai phương pháp là phân tích bản đồ địa hình và phân tích ảnh vệ tinh.
Phương pháp phân tích bản đồ
Do không có điều kiện đi khảo sát toàn bộ đới tr−ợt nên các phân tích về quy mô
của của đới đứt gẫy chủ yếu sử dụng các bản đồ địa hình ở các tỉ lệ khác nhau. Nguyên lý của phương pháp này là dựa trên các biểu hiện địa mạo để xác định chiều dài và bề rộng của đứt gẫy. Những biểu hiện địa mạo ở đây cụ thể là dựa trên các đặc điểm dị thường về
địa hình như các vách cao và dốc, hay những thung lũng sâu của địa hình định hướng dạng tuyến. Thông thường những biểu hiện này thường đặc trưng cho các đới đứt gẫy. Chi tiết về phương pháp xin xem trong giáo trình “Địa mạo đại cương” của Đào Đình Bắc và nnk, 2004.
Phân tích ảnh vệ tinh
Nếu các phân tích trên bản đồ địa hình cho phép ta vạch ra đ−ợc phần nào qui mô
của đới đứt gẫy thì trong phân tích ảnh vệ tinh có thể cho phép chúng ta xác định rõ hơn các đặc điểm này, đồng thời còn cho phép xác định một số đặc tính khác nhờ kỹ thuật chụp ảnh cũng nh− độ nét của nó đem lại.
Với ảnh vệ tinh, luận văn có thể xác định đ−ợc một phần đặc tính động học của đới trên cơ sở phân tích hệ thống các facet cũng nh− sự sê dịch có quy luật của hệ thống mạng sông suối. Ví dụ, qua ảnh vệ tinh cho thấy đứt g7y đ7 làm dịch chuyển hệ thống sông suối một cách có hệ thống. Theo chiều lệch của hệ thống sông suối chúng ta có thể xác định
được một cách tương đối đứt g7y là một đứt g7y trượt bằng phải hay trái? Ngoài ra, cho phép chúng ta xác định đ−ợc biên độ dịch chuyển ngang của đới đứt g7y cũng nhờ độ lệch của mạng sông suối này. Mặt khác, với hệ thống các facet lộ ra có quy luật d−ới dạng một
đường tuyến tính cho phép xác định biên độ dịch chuyển ngang của đứt g7y hoạt động, tương tự như đối với sự dịch chuyển của hệ thống sông suối, thêm nữa còn cho phép khẳng định đặc tính thời gian hoạt động của đứt gẫy, thông thường các hệ thống facet còn quan sát đ−ợc trên ảnh là chỉ thị cho một đới đứt gẫy hoạt khá trẻ.
3.2.3 Nhóm phương pháp xác định tính chất chuyển dịch của đới
đứt gẫy
Để xác định các tính chất chuyển dịch của đới đứt gẫy, luận văn đ7 sử dụng các tài liệu về cấu trúc đ7 khảo sát ngoài thực địa và các nghiên cứu vi cấu trúc trên lát mỏng thạch học vi cấu trúc đ−ợc tiến hành trong phòng thí nghiệm trên các mẫu đ7 thu thập.
Các nghiên cứu thế nằm của đới đứt gẫy, tính chất chuyển dịch của đứt gẫy đ−ợc nghiên cứu khá chi tiết ở các qui mô khác nhau trên cơ sở các kiến thức về nghiên cứu đứt gẫy đ7 trình bày trong giáo trình (Địa chất cấu tạo).
3.2.4. Nhóm phương pháp xác định mức độ phá hủy (biến dạng, biến chất) của đứt gẫy
Ph−ơng pháp phân tích thạch học
Ph−ơng pháp này đ−ợc thực hiện tại phòng nghiên cứu thạch học của khoa Địa chất trường Đại học Khoa học Tự nhiên với việc dùng kính hiển vi phân cực. Từ các mẫu đá
được lấy ngoài thực địa và đ7 được mài dưới dạng các lát mỏng thạch học, sau đó tiến hành soi lát mỏng. Phương pháp này cho phép xác định tên của đá, kiến trúc cấu tạo của
đá. Từ đó xác lập mức độ biến chất, biến dạng trên cơ sở các kiến thức về phân tích tổ hợp cộng sinh khoáng vật. Đồng thời xác định thứ tự của các pha biến dạng trên lát mỏng.
3.2.5 Phương pháp xác định tuổi argon 40-argon 39 (40Ar-39Ar)
Đây là ph−ơng pháp chính đ−ợc áp dụng trong luận văn này, do vậy học viên trình bày một cách chi tiết nội dung ph−ơng pháp này và xem đây cũng là nội quan trọng mà học viên phải tìm hiểu trong suốt quá trình làm luận văn. Trong phần này, luận văn giới thiệu về bản chất ph−ơng pháp và một số ví dụ ở Việt Nam.
3.2.5.1 Giới thiệu về ph−ơng pháp
Ph−ơng pháp này đ−ợc phát triển nhằm khắc phục hạn chế của ph−ơng pháp K-Ar, vì phương pháp K-Ar chỉ được sử dụng rộng r7i để phân tích đối với những trường hợp đá
được kết tinh tương đối nhanh và chưa bị biến chất như các đá phun trào. Bên cạnh đó, phương pháp K-Ar là để lại một sai số lớn về kết quả tuổi của nó, đó là một tuổi biểu kiến, do tuổi thu đ−ợc không thể xác định đ−ợc l−ợng Ar thừa hoặc mất trong hệ đồng vị của mẫu xem xét. Sự không chính xác này thường xảy ra đối với trường hợp các đá có một lịch sử phức tạp, ví dụ như các đá biến chất hoặc biến chất chồng. ưu điểm của phương pháp 40Ar-39Ar là nó giải quyết sự thiếu chính xác này của ph−ơng pháp K-Ar. Với ph−ơng pháp Ar-Ar không hoàn toàn cho kết quả chính xác 100% nh−ng có thể có đ−ợc
độ chính xác lớn hơn hẳn. Nó còn là một phương tiện hữu hiệu để tái lập lịch sử nhiệt mà một đá đ7 trải qua, nhờ đó nhiều vấn đề của địa chất đ−ợc giải thích đầy đủ hơn.
Thực tế ph−ơng pháp 40Ar-39Ar là sự cải tiến của ph−ơng pháp K-Ar nh−ng nguyên lý của nó đ7 được đề xuất từ hơn 40 năm trước đây. Những người phát minh đầu tiên ra phương pháp này phải kể đến, Amstrong (1959). Vào thời điểm đó, chính ông đ7 nghĩ ra sự áp dụng kỹ thuật kích hoạt nơtron trong việc xác định tuổi. Theo đó, mẫu khoáng vật
đ7 biết đ−ợc đặt trong một dòng nơtron nhiệt, khi đó hai phản ứng hạt nhân chính xảy ra:
(n ) Ar
Ar 41
18 40
18 ,γ
(n ) Ar
Ar 37
18 36
18 ,γ
Các đồng vị 41Ar và 37Ar đ−ợc tạo ra do kích hoạt lại là đồng vị có bản chất phóng xạ ứng với thời gian sống rất ngắn trong vòng 1,82 giờ và 35,1 ngày t−ơng ứng. Chúng chuyển đổi thành 1941K và 1737Cltheo phản ứng sau:
K
Ar 41
19 41
18 →β− (phóng xạ β-) Cl
Ar 37
17 37
18 → (bắt điện tử)
Hoạt độ của 37Ar cần phải tính để hiệu chỉnh sự hỗn nhiễm của 36Ar và hiệu chỉnh l−ợng Ar khí quyển. Hoạt độ 41Ar có đ−ợc bằng tính toán tổng l−ợng 40Ar (40Ar sinh ra do phóng xạ + 40Ar khí quyển). Việc xác định hàm l−ợng K dựa trên phản ứng sau đây :
41K (n,γ) 42K.
Đồng vị 42K là đồng vị phóng xạ và sinh ra 2042Ca trong quá trình phóng xạ β- trong 12,4 giê.
42K
19 →β− 42Ca
20
Nguyên lý này có thể áp dụng cho các mẫu chứa ít hoặc không có Ca vì nó đòi hỏi sự hiệu chỉnh khá phức tạp.
Có thể nói ph−ơng pháp 40Ar -39Ar đ−ợc xem nh− một mũi nhọn trong việc xác
định tuổi. Ưu điểm của nó sẽ đ−ợc đề cập trong trong các ví dụ trình bày ở phần sau.
3.2.5.2 Nguyên lý của ph−ơng pháp 40Ar-39Ar
Phương pháp này dựa trên hoạt độ của dòng nơtron nhanh. Để xác định các đồng vị có đ−ợc trên cơ sở tính toán hoạt độ của các đồng vị phóng xạ bằng việc đo các phổ (spectre) của các tỉ số của các khối l−ợng này. Các khoáng vật (mẫu) ch−a biết tuổi và mẫu chuẩn (standard) có tuổi đ7 biết đ−ợc đặt trong một ống thạch anh đ7 đ−ợc hút chân không. Hệ mẫu và chuẩn được kích hoạt trong 24 giờ dưới một dòng nơtron có cường độ khoảng 1013-1014 n/cm2/s. Nhằm đảm bảo có dòng đồng nhất trên toàn bộ lô mẫu, các mẫu kích hoạt trong lò phản ứng đ−ợc đặt trên một giá đỡ quay, mỗi lớp chứa khoảng 14- 16 mÉu.
Đồng vị argon nhân tạo đ−ợc sinh ra là kết quả của sự kích hoạt 39K theo phản ứng sau:
(n ) Ar
K 39
18 39
19 ,ρ
ứng với một thiết diện dòng nơtron từ 80 đến 100 mbarn.
39Ar
19 tự nó đ7 là một đồng vị phóng xạ nh−ng thời gian bán r7 là 265 năm đủ dài để có thể bỏ qua các sai số trong phép đo của một khối phổ kế:
K
Ar 39
39 →β
−u điểm của ph−ơng pháp này là các 40Ar ,36Ar và 39Ar có thể đo đ−ợc bằng khối phổ trong cùng một phân tích. Hơn thế nữa, khối l−ợng của argon 39 là một hàm của khối l−ợng Kali tổng, chỉ cần một phân tích khối phổ có thể đủ để xác định tỉ số K/Ar, một thông số quan trọng của ph−ơng trình tuổi.
Khác với phương pháp K-Ar, để có được tỉ số này phải tiến hành đo bằng hai phương pháp, trong đó Ar phải đo bằng khối phổ kế và K phải đo riêng bằng phương pháp hóa thông th−ờng.
Biết chính xác về l−ợng 39Ar sinh ra là điều rất cần thiết, chính vì thế ng−ời ta đ7 thiết lập phương trình sau đây sử dụng với mẫu chuẩn có tuổi đ7 biết được kích hoạt đồng thời với mẫu cần xác định tuổi trên cơ sở phương trình tuổi cơ bản được xây dựng từ định luật phóng xạ:
∫
∆
= E E E
S K T d
Ar 39 φ σ
39 (3.1)
hoặc: 39Ars = 39K∆TI víi I = ∫∞
0
E E
Eσ d
φ
trong đó 39K là số nguyên tử 39K trong mẫu chuẩn, 39Ars là số nguyên tử 39Ar trong mẫu chuẩn, φE Năng l−ợng dòng, σE thiết diện chiếm của phản ứng 39K → 39Ar tại năng l−ợng E, ∆T thời gian kích hoạt.
Nh− vậy khối l−ợng (40Ar*) sinh ra từ phóng xạ 40K trong tự nhiên t−ơng ứng sẽ là:
( 1)
40
40Ar∗= K ε eλts − λ
λ (3.2)
trong đó: λ =λε +λβ ; λ bằng tổng của λε (hằng số của phóng xạ 1940K do phản ứng bắt
điện tử trở thành 1840Ar) và λβ hằng số phóng xạ thành 2040Ca; tS: tuổi đ7 biết của mẫu chuÈn.
Kết hợp (3.1) và (3.2) ta đ−ợc ph−ơng trình sau:
( )
1 1 1
39 40 39
40 −
= ∆
∗ ts
e T K K Ar
Ar λ
ε
λ
λ (3.3)
Ph−ơng trình này chứa tích phân nên việc giải nó khá phức tạp, hơn nữa tỉ số
40K/39K là không đổi do vậy để giải phương trình này chúng ta đặt:
Ti
K J = K ∆
λε λ
40 39
thay J vào ph−ơng trình (3.3) ta đ−ợc:
Ar Ar J e
ts
39
40 /
1
∗
= −
λ
Mẫu chuẩn đ7 biết tuổi và mẫu cần phân tích đều đ−ợc kích hoạt cùng nhau nên chúng đều chịu ảnh hưởng cùng điều kiện kích hoạt như nhau, do vậy đại lượng J của chúng là bằng nhau. Khi đó, có thể giải phương trình tuổi bằng cách kết hợp các kết quả
từ mẫu ch−a biết tuổi và mẫu chuẩn đ7 biết tuổi. Công thức tính tuổi cuối cùng là nh− sau:
( ) ( )
( )
−
+
= ∗
∗
s t i
i Ar Ar
e Ar Ar t
s
39 40
39 40
/
1 1 /
1ln λ
λ (3.4) ở đây: s- biểu thị cho tỉ số 40Ar/39Ar của mẫu chuẩn tuổi đ7 biết ; i - biểu thị cho tỉ số
40Ar/39Ar của mẫu ch−a biết tuổi.
3.2.5.3 Hiệu chỉnh argon khí quyển và sự hỗn nhiễm của các khối l−ợng argon khác Với ph−ơng pháp K-Ar, việc hiệu chỉnh argon khí quyển dựa trên việc đo 36Ar vì
40Ar/36Ar trong khí quyển có giá trị không đổi = 295,5. Tuổi tính được từ phương trình (3.4) sẽ có ý nghĩa với điều kiện là phải hiệu chỉnh l−ợng argon khí quyển tham gia vào mẫu và tuổi chỉ có thể có giá trị nếu nh− mẫu phân tích không chứa Ca hoặc có tỉ số K/Ca cao. Ngoài ra trong quá trình kích hoạt cần phải tính đến một loạt các yếu tố hỗn nhiễm
đồng vị có thể làm thay đổi khối l−ợng cần tính. Sự hỗn nhiễm argon liên quan đến sự có mặt của Ca và K được xác định theo các phản ứng trình bày trong bảng (3.1) dưới đây:
Bảng (3.1) Sự phổ biến tự nhiên của đồng vị đ−ợc sinh ra do kích hoạt Qúa trình phóng xạ Argon sinh ra do kích hoạt Thiết diện của phản ứng Phóng xạ từ Ca
40Ca
20 (n,nα) 1836Ar (a) 96,941 (%) 0,2 (barns)
42Ca
20 (n,α) 1839Ar (b) 0,647 (%) 4,0 (barns) Phóng xạ từ K
40K
19 (n,p )1840Ar(c) 0,011672 (%)
Những sản phẩm hạt nhân không mong muốn này đ−ợc đ−a ra trên biểu đồ hình 3.1.
Hình 3.1: phổ khối l−ợng của các đồng vị argon với nguồn gốc khác nhau (tỉ lệ giữa các khối lượng là tương đối).
Sự hiệu chỉnh các khối l−ợng 36, 39 và 40 của Ar phải thông qua một phản ứng khác của Ca nh− sau:
Ar n
Ca 37
18 40
20 ( ,α)
Phản ứng này có đ−ợc bằng kích hoạt một muối canxi nguyên chất nh− CaF2, chúng ta có thể đo đ−ợc các tỉ số 39Ar/37Ar và 40Ar/37Ar. Cần chú ý 37Ar là đồng vị phóng xạ và phân r7 với thời gian bán huỷ là 35,1 ngày, do vậy cần đo độ cao của pic 37Ar ngay sau khi kết thúc kích hoạt.
Việc tính độ phóng xạ thường sử dụng theo công thức:
ti i t d
e t e Ar Ar
37 37
1 .
. 37
37 0 37
λ
λ λ
− −
=
trong đó: 37Ar0 = khối l−ợng 37Ar sinh ra tại cuối quá trình kích hoạt ; 37Ard = khối l−ợng
đo đ−ợc trên ngày phân tích ; t = thời gian kích hoạt ; ti = khoảng thời gian từ sau khi kích hoạt và tr−ớc khi phân tích ; λ37 = hằng số phóng xạ của 37Ar = 0,01974 d-1.
Nh− vậy chúng ta có thể xác định 39Ar/37Ar0 và 36Ar/37Ar0 từ việc kích hoạt muối và
đ−a vào hiệu chỉnh trên các tỉ số t−ơng ứng của các mẫu. Sự hỗn nhiễm khối l−ợng sinh ra từ 40K theo kiểu phản ứng (c) ở bảng 3.1 đ−ợc hiệu chỉnh bằng kích hoạt và phân tích một muối K tinh khiết nh− K2SO4 hoặc KF. Khi đó, việc hiệu chỉnh 40Ar/39Ar có thể xác lập từ phân tích này và nó luôn không đổi nên các đặc tính của sự kích hoạt là nh− nhau.
Khối l−ợng của 40Ar do kích hoạt từ 40K có thể đ−ợc tính và trừ đi từ 40Ar tổng theo cách t−ơng tự nh− với 40Ar khí quyển.
Cuối cùng, các khối l−ợng đ−ợc hiệu chỉnh argon từ khí quyển hay argon sinh ra do kích hoạt có thể diễn giải theo các ph−ơng trình sau đây:
40Ar *= 40Ard - (40Arkq + 40ArK)
39ArK = 39Ard - 39ArCa
36Arkq = 36Ard - 36ArCa
trong đó: d = biểu thị cho argon đo đ−ợc, * = biểu thị cho argon sinh ra từ phóng xạ tự nhiên, kq = biểu thị cho Ar có trong khí quyển, Ca = biểu thị Ar sinh ra do Canxi và K = biểu thị Ar sinh ra do Kali.
Việc hiệu chỉnh này là cần thiết trong tr−ờng hợp các khoáng vật giầu Ca hoặc chứa ít argon phóng xạ con, vì chỉ một sự biến đổi nhỏ trong các khối l−ợng tính đ−ợc của
36Ar sẽ dẫn tới sự thay đổi lớn về tỷ số 40Ar*/39Ar và vì vậy gây ra thay đổi tuổi, đặc biệt với mẫu có tuổi trẻ.
3.2.5.4 Quá trình đẩy khí, cách giải thích tuổi và biểu diễn kết quả
Nh− đề cập ở trên, tuổi của mẫu có đ−ợc bằng cách nung chảy trực tiếp sẽ là một tuổi biểu kiến. Nó hoàn toàn giống như tuổi thu được từ phương pháp K-Ar xác định bằng phương pháp hoà tan đồng vị. Ưu điểm của phương pháp này là sử dụng tỉ số (40Ar*/ 40K)
để tính tuổi. Tỉ số này có đ−ợc bằng cách xác định 39Ar thay vì xác định 40K và đồng thời chỉ tiến hành trên cùng một khối phổ mà thôi. Điều này sẽ tránh đ−ợc các sai số hệ thống do phân tích từ hai phương pháp khác nhau như đối với phương pháp K-Ar.
Hơn thế nữa ph−ơng pháp 40Ar-39Ar cũng mang lại thông tin chính xác hơn về phương diện định tuổi của một khoáng vật thông qua các quá trình mang tính đổi mới:
Các mẫu thay vì làm nóng chảy trực tiếp, nó đ−ợc nung nóng theo từng nấc (step), tức là nhiệt độ dùng để nung nóng mẫu đ−ợc điều chỉnh tăng dần theo những khoảng thời gian cố định, đầu tiên tại 1000C sau đó tại 1500C cho đến khi nóng chảy mẫu. Trong quá trình nung nóng, các khí thoát ra từ mẫu bao gồm nhiều loại khác nhau. Khi đó khí argon đ−ợc làm sạch, đ−ợc ion hoá rồi đ−ợc đo trên khối phổ kế. Khi đo tỉ số 40Ar*/39Ar thu đ−ợc sẽ t−ơng ứng với mỗi nấc nhiệt.
Để giải thích các thông số tuổi cung cấp từ ph−ơng pháp này chúng ta h7y sử dụng một vài ví dụ lý thuyết từ đó phân tích ý nghĩa của phương pháp với giả sử mẫu phải tuân thủ các điều kiện sau đây :
a) Giá trị tuổi của một mẫu xem xét có nghĩa khi nó có sự trùng hợp với một hiện t−ợng địa chất thực tế, giá trị này chỉ có thể đ−ợc đảm bảo nếu hệ đồng vị của khoáng vật
đ−ợc giữ kín từ lúc thành tạo cho đến thời điểm xác định tuổi. Điều này có nghĩa rằng không có sự thay đổi giữa các đồng vị mẹ và con trong ô mạng tinh thể.
b) 39Ar đ−ợc tạo ra do kích hoạt 39K phải phân bố nh− nhau trong ô mạng tinh thể.
Bằng nghiên cứu, ng−ời ta chỉ ra rằng quá trình kích hoạt không làm ảnh h−ởng tới ô