Chương 1 KHÁI QUÁT LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU KHU VỰC KHÁI QUÁT LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU KHU VỰC
2.1. Cơ sở lý luận
Rhyolite là đá magma phun trào giàu silic, có mặt nhiều nơi trên trái đất xuất hiện ở nhiều môi trường kiến tạo như plume manti, các rift, các khu vực nén ép va chạm lục địa. Chúng ít gặp môi trường đại dương nhưng thường xuyên gặp ở môi trường lục địa hơn (Loren A. Raymond, 2002).
Rhyolite có thành phần khoáng vật tương đối đơn giản. Ngoài thạch anh và sanidine, ban tinh khác phổ biến bao gồm biotit, plagioclas, anorthoclase. Trong đó các khoáng vật hiếm gặp ở dạng nền và ban tinh bao gồm fayalite, hypersthene, hornblend, riebeckite, acmite, ilmenit, zircon, sphene, apatit ... (Loren A. Raymond, 2002).
Về kiến trúc, rhyolite thường từ toàn thủy tinh, dạng porphyr là phổ biến.
Về cấu tạo, do rhyolite có độ nhớt cao dẫn đến và hình thành trong quá trình phun trào nên có cấu tạo đặc trưng dạng dòng chảy.
Về môi trường thành tạo: rhyolite hình thành trong các môi trường kiến tạo tương tự như bazan, nhưng nó chỉ phong phú trong môi trường lục địa.
Các đặc điểm hóa học cũng cho thấy rhyolites từ môi trường khác nhau (và kể cả những đại diện cho các phần khác nhau của một chu kỳ phun trào trong cùng một môi trường) khác nhau
Hành vi địa hoá của các nguyên tố vết trong hệ thống magma
Khi manti của trái đất bị nóng chảy, nguyên tố vết biểu lộ sự ưa pha lỏng (dung thể) hoặc ưa pha rắn (khoáng vật). Những nguyên tố vết ưa pha khoáng vật hơn được mô tả là nguyên tố tương hợp (compatible), còn nguyên tố nào ưa pha lỏng được mô tả là nguyên tố không tương hợp (incompatible) - có nghĩa là chúng là nguyên tố không tương hợp trong cấu trúc khoáng vật.
Nguyên tố không tương hợp còn gọi là nguyên tố ưa magma ẩm (hydromagmatophile).
Những nguyên tố cation nhỏ có điện tích cao được biết đến là cation có trường bền vững cao (HFS) và thế ion >2,0 bao gồm nhóm đất hiếm (REE), Sc, Y, U, Th, Hf, Ta, Nb, Ti, P và những nguyên tố cation lớn có điện tích thấp được gọi là nguyên tố với cation có trường bền vững thấp (LFS) với thế ion <2.0 gồm Cs, Rb, K và Ba, ngoài ra có thêm Sr, Eu+2, Pb+2. Những nguyên tố có trường bền vững thấp còn được gọi là những nguyên tố ưa đá có ion lớn (large ion lithophile element-LILE).
Nhóm nguyên tố đồng vị
Các đồng vị phóng xạ được sử dụng trong địa hoá theo 2 hướng chính là: dùng để xác định tuổi của đá và khoáng vật (hướng Địa niên đại - Geochronology) và sử dụng trong thạch luận nguồn gốc để xác định các quá trình địa chất, các miền nguồn (hướng Địa chất đồng vị - Isotope Geology hay Địa hoá học đồng vị - Isotope Geochemistry).
Hiện nay có 2 kỹ thuật dùng trong tính toán Địa niên đại là biểu đồ đẳng thời (isochron diagram) và tính toán tuổi mô hình (model age calculation).
* Biểu đồ đẳng thời (isochron) là đồ thị biến thiên 2 chiều đo tỷ lệ đồng vị mẹ/con cho một tập mẫu cùng nguồn gốc (cogentic). Ở đó tập mẫu xác
định một đường thẳng (đường đẳng thời) và độ dốc của đường đó tương ứng với tuổi của tập mẫu.
* Tuổi mô hình (model age) là độ dài thời gian tập mẫu được tách ra khỏi nguồn manti nơi nó bắt đầu hình thành. Tuổi mô hình được áp dụng với hệ thống đồng vị Sm-Nd dưới 2 dạng chủ yếu sau:
- Tuổi mô hình TCHUR (Chrondritic Uniform Rervoir - tuổi nguồn chrondrit duy nhất): tuổi mô hình là thời gian mà ở thời điểm đó mẫu tách ra khỏi vùng nguồn manti của nó, đồng thời cũng vào thời điểm đó mẫu phân tích và CHUR có cùng tỷ số.
- Tuổi mô hình manti nghèo (TDM - Depleted mantle model age).
* Khái niệm về tuổi địa chất
+ Tuổi nguội lạnh (Cooling age): đối với đá biến chất tuổi nguội lạnh là thời gian sau biến chất cực đại, ở nhiệt độ đó khoáng vật đã được kết tinh vào thời điểm biến chất cực đại và chuyển qua nhiệt độ đóng đối với khoáng vật đó. Đối với đá magma, tuổi nguội lạnh là thời gian sau khi magma được đông cứng, vào thời điểm đó khoáng vật cũng được kết tinh và chuyển qua nhiệt độ đóng của nó.
+ Tuổi biến chất (Metamorphic age): Tuổi biến chất được xác định bởi thời gian mà ở đó đá bị biến chất cực đại. Đối với đá biến chất cao thì thời gian biến chất cực đại được tính vào lúc hệ Rb-Sr, Pb-Pb trong đá được phân bố lại.
+ Tuổi thành tạo vỏ (Crust formation age): Là thời gian thành tạo mảng mới của vỏ lục địa bởi phân đoạn của vật liệu từ manti.
* Đánh giá tuổi với đá tổng
+ Hệ thống Rb-Sr được dùng rộng rãi cho phương pháp đồng vị đá tổng. Tuy nhiên chúng là nguyên tố linh động nên hệ thống đồng vị thường bị ảnh hưởng mạnh của dung dịch nhiệt dịch muộn.
+ Đồng vị Pb: Pb-Pb isochron có thể sử dụng cho dãy đá thuộc kiểu từ granit đến bazan và có thể dùng để chỉ ra tuổi lắng đọng của một vài trầm tích.
+ Hệ thống Sm-Nd: Nguyên tố Sm, Nd ít linh động hơn Rb, Sr, Th, U, Pb có thể được dùng tốt đối với magma felsic có tuổi trẻ, trong khi đồng vị hoá Rb-Sr và Pb bị nhiễu.
* Đánh giá tuổi với khoáng vật
+ U-Pb của zircon: Trong biểu đồ 206Pb/238U và 207Pb/235U đường cong phù hợp (concordia) là đường cong xác định quỹ tích phù hợp cho phân huỷ của cả 235U và 238U. Zircon magma trong đá felsic có thể dùng xác định thời gian của quá trình kết tinh từ trên đường cong không phù hợp (discordia).
Granit bị nóng từ vỏ cổ có thể chứa zircon thừa hưởng (zircon từ vỏ cổ).
Trong trường hợp này phần đường thấp có thể chỉ tuổi kết tinh của zircon mới (kết tinh magma) và đường phía trên là tuổi nguồn vỏ. Phương pháp U-Pb cũng được áp dụng cho các khoáng vật sfen, monazit, epidot.
2.1.2. Phân loại
Phân loại đá magma dùng biểu đồ oxit - oxit
Đối với đá magma phun trào có rất nhiều biểu đồ phân loại theo thành phần hoá học, chúng khá đơn giản nhưng có hiệu quả khi sử dụng và phù hợp với phân loại theo thành phần khoáng vật của Streckeisen, nhưng tốt nhất trong các biểu đồ đó là biểu đồ TAS. Biểu đồ này dựa vào tương quan tổng
hàm lượng của Na2O và K2O (tổng kiềm - TA) và hàm lượng SiO2 (S) (Le Bas et al, 1986).
Phân chia các kiểu granit (granit-types) a. Các kiểu thạch luận granit (petrologic types)
Nhìn chung đa số các đá granit là sản phẩm nóng chảy từng phần của thạch quyển (trừ granit loạt tholeit nguồn manti - kiểu M). Bởi vậy theo nguồn gốc của dung thể magma các đá granit có thể phân ra 3 kiểu sau:
Kiểu I-granit gồm các đá granit được kết tinh từ dung thể magma bắt nguồn từ sự nóng chảy từng phần của các đá magma ban đầu.
Kiểu S-granit gồm các đá granit được kết tinh từ dung thể magma hình thành từ quá trình nóng chảy từng phần của các đá trầm tích vỏ lục địa.
Kiểu A-granit được thành tạo bên trong tấm lục địa do quá trình nóng chảy từng phần lớp vỏ dưới (lower crust) bởi tác dụng của vòm nhiệt dâng lên từ manti (plume mantle) trong các rift lục địa, hoặc các tách giãn sau va chạm (nói chung là trong chế độ phi tạo núi - anorogen). Ngoài ra các granit kiểu A còn được hình thành do sự kết tinh tinh phân đoạn magma bazan á kiềm trong mảng lục địa. Tiếp đầu ngữ A ở đây bao hàm ý nghĩa vừa là “anorogen”- không tạo núi, vừa là “alkaline”-kiềm và “anhydro”-không chứa nước hay
“khô” và có đặc điểm địa hóa thuộc loạt kiềm (alkalic).
Tổng hợp những tiêu chuẩn quan trọng cho việc phân biệt các kiểu granit A, S, I, M theo Chappell và White (1974, 1977, 1983), , White (1979), Collins (1982), , Pitcher (1982), White và nnk (1986), Whalen, Chappell (1987) ... được trình bày trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Tiêu chí phân chia các kiểu granit Đặc điểm Kiểu A Kiểu O (tạo núi)
Kiểu S Kiểu I Kiểu M
SiO2 60-80% 65-79% 53-76% 54-73%
Al2O3/(Na2O+K2O
+CaO) (phân tử) thay đổi >1,1 <1,1 <1,2 Na2O >2,8% <3,2% hoặc thay
đổi >3,2% >3,2%
Na2O/K2O cao, tổng
kiềm lớn thấp, tính potasic,
K2O>5% cao, tính sodic rất thấp Fe+3/Fe+2+Fe+3 trung bình thấp, <0,35 >0,35 Cao
Eu thấp thấp thấp-đến cao ?
Cr, Ni thấp thấp cao ?
(87Sr/86Sr)i 0,703-
0,712 >0,708 <0,708 0,702-0,714 εNd ? thấp và biến thiên
ít
cao và biến thiên
rộng ?
Thể sót hiếm
trầm tích biến chất, aplit, thạch
anh màu sữa amphibolit, diorit đá horblendit, granit
Khoáng vật CIPW ? >1% corindon <1% corindon ? Khoáng vật modal
Khoáng vật modal
biotit, pyroxen kiềm, amphibol kiềm, fluorit, magnetit
muscovit, biotit, sillimanit,
ilmenit, garnet
horblend, biotit, sfen, magnetit
horblend, clinopyroxen, biotit,
magnetit
Dãy đá phổ biến granit kiềm đến
anorthosit
leucogranit đến
granodiorit lranit đến gabro diorit thạch anh đến gabro kiềm vôi Đá núi lửa liên
quan
rhyolite
kiềm dòng tro silic dòng tro rhyolite, dacit, andezit
andezit, dacit, rhyolite,
tholeit b. Các kiểu granit kiến tạo (tectonic types)
Các kiểu kiến tạo của granit theo Pearce (1984) là:
- Granit dãy núi giữa đại dương (Ocean Ridge Granit - ORG) có những đặc trưng là: khối lượng nhỏ, thành phần thạch học chủ yếu là tonalit và plagiogranit, độ nhôm trung bình, thuộc loại kiềm vôi - vôi. Thành phần
khoáng vật mafic chủ yếu là clinopyroxen và amphibol (horblend). Phần lớn granit này liên quan với quá trình kết tinh phân đoạn của olivin, clinopyroxen và plagioclas từ magma bazan mẹ. Hàm lượng nguyên tố vết phụ thuộc vào bản chất nguồn manti của magma mẹ. Nhìn chung mang đặc điểm chỉ thị của nguồn manti nghèo (DM).
- Granit cung núi lửa (Volcanic Arc Granit - VAG) thường tạo các xâm nhập không liên tục có cấu tạo đới trong các miền cung đảo và các thể batholit lớn dạng kéo dài ở rìa các lục địa tích cực (ACM). Đó là các xâm nhập tonalit và granodiorit kiểu I, với đặc điểm kiềm vôi (CA), độ chứa nhôm trung bình (MA), thành phần khoáng vật mafic thường gặp là pyroxen và biotit. Về bối cảnh địa chất granit kiểu này có thể thay đổi từ đại dương đến lục địa, theo thành phần thạch hoá chúng chuyển từ tholeit qua kiềm vôi (Peccerillo và Taylor, 1976). Mở đầu của dãy biến thiên này là các đá granitoid liên quan với bối cảnh cung đảo đại dương (OA), tholeit sơ khai gồm diorit thạch anh, tonalit và khoáng vật màu là horblend và kết thúc là granit kiểu rìa lục địa tích cực gồm chủ yếu là granodiorit và granit với khoáng vật màu là biotit ± horblend.
Nhìn chung granit cung núi lửa mang đặc điểm của đới hút chìm điển hình của vỏ đại dương xuống vỏ lục địa hoặc đới va chạm cung đảo - lục địa (kiểu Andes) với sự giàu các nguyên tố lithofil bán kính ion lớn (LILE) và các nguyên tố có trường lực cao (HFSE). Sự có mặt thường xuyên của amphibol cho thấy các nguyên tố nêu trên đã tham gia một phần vào các khoáng vật này (các nguyên tố REE nặng) đã bị nghèo đi so với bazan đại dương.
- Granit nội mảng (Within Plate Granit - WPG): Bao gồm các thể xâm nhập kích thước nhỏ trong các bối cảnh rift lục địa hoặc đảo đại dương, ở đó granit thường thuộc loại quá bão hoà kiềm (Peralkaline) thuộc loạt kiềm và
thuộc kiểu A-granit với thành phần thạch học chủ yếu là syenit thạch anh, granit và granit kiềm có chứa các khoáng vật pyroxen và amphibol Na (sodic). Về mặt địa hoá chúng rất giàu nhóm các nguyên tố lithofil bán kính ion lớn (LILE) và cả nhóm các nguyên tố có trường lực cao (HFSE), điều đó chứng minh cho nguồn gốc manti giàu (EM).
- Granit đồng va chạm (Syn_COLG): Nếu liên quan đến quá trình va chạm lục địa-cung đảo là thành tạo cuối cùng trong chu kỳ magma cung núi lửa thì tạo granit kiểu I có độ chứa nhôm trung bình, với biotit là khoáng vật mafic phổ biến hơn cả. Nếu liên quan với va chạm lục địa-lục địa thì tạo granit kiểu S mang đặc điểm quá bão hoà nhôm, muscovit và biotit là các khoáng vật đặc trưng nhất (granit 2 mica).
- Granit sau va chạm (post_COLG) tạo nên các diện tích lớn nhất trong các dải tạo núi, có thể chuyển từ kiểu A-granit sang kiểu I-granit, thuộc loạt kiềm-vôi, quá bão hoà đến rất bão hoà nhôm, khoáng vật màu gồm biotit ± horblend. Thành phần của chúng thay đổi tuỳ thuộc vào bản chất của nguồn thạch quyển. Nếu bắt nguồn từ nêm manti bên trên tấm hút chìm sẽ cho granit kiểu I. Nếu bắt nguồn từ thạch quyển bên dưới của rìa thụ động sẽ cho granit kiểu A.
2.1.3. Hoạt động magma của rift lục địa
Trên hình 2.1 là sơ đồ phân bố các rift lục địa kể từ Đệ Tam cho đến ngày nay. Trong quá khứ địa chất cũng phát hiện được rift lục địa bị chôn vùi và biến dạng, ví dụ rift Gardar ở Greenland tuổi Trước Cambri, rift Oslo ở Nauy tuổi Pecmi,.. Trong số các rift đã được nghiên cứu thì rift Đông Phi được nghiên cứu kỹ càng nhất. Khối lượng đá núi lửa ở đây đo được 500.000 km3 chỉ tính riêng trên lãnh thổ Kenya và Ethiopia.
Các rift lục địa phát triển trên vùng thạch quyển bị căng giãn đồng thời ở vùng trung tâm lún chìm, vỏ nằm dưới ở hai bên cánh nâng cao bị vát mỏng. Dọc theo đới rift dòng nhiệt nâng cao đồng thời địa hình nâng cao cùng với hoạt động magma phát triển mạnh mẽ. Thông thường đới rift rộng vài chục km và kéo dài từ vài chục đến hàng trăm km. Hoạt động núi lửa liên quan ngay từ giai đoạn mới phôi thai rift cho đến những giai đoạn căng giãn mạnh mẽ tạo nên những bồn trũng rift thực sự.
Nghiên cứu quá trình phát triển các hệ thống rift lục địa dẫn đến những giả thuyết về động lực gây nên tách giãn lục địa. Liệu rift có phải được phát sinh do những cột manti gây nên dịch trượt lục địa dọc theo những đới yếu sẵn (mô hình hay là manti bị dâng cao làm cho lục địa bị kéo toạc trong khi thạch quyển bị siết ép (mô hình tĩnh) (hình 2.2).
Hai mô hình trên đặc trưng bởi dị thường dòng nhiệt nâng cao và cấu trúc địa chấn cũng bất thuờng.
Hoạt động magma của đới rift lục địa có thành phần thay đổi khá rộng và khác với sự đơn điệu của magma tràn ngập lục địa. Thành phần bazan thay đổi từ kiểu á kiềm cho đến bazan kiềm và basanit đói silic như nephelinite, trong một số trường hợp siêu cao kali. Trong một số rift magma cacbonatit cộng sinh cùng với magma nghèo silic khác. Ngoài ra khác với magma tràn ngập lục địa, magma rift lục địa còn có mặt khối lượng lớn magma thành phần felsic như trachyte, phonolit và rhyolite. Thông thường các đá núi lửa được đặc trưng bởi tướng phun nổ, giàu thành phần tuf.
Hình 2.1. Sự phân bố toàn cầu các rift lục địa có tuổi Đệ Tam - Hiện đại (1 - 8). Đồng thời có chú thích thêm những rift cổ (9 -12). 1- Trung Châu Âu; 2 -
3- Miền Rio Grande (Bắc Mỹ); 4- Tỉnh Garder; 5- Rift Oslo; 6- Rift Baikal;
7- Rift Đông Phi; 8- Rift Cameroon; 9- Đông Nam Úc; 10- Rift Hồng Hải và vịnh Aden; 11- Bán đảo Kola; 12 . Rift Monteregian
Khoáng vật học và thạch học các đá magma rift lục địa Thường gặp ba kiểu tổ hợp núi lửa sau:
- Loạt phonolit - basanit - Loạt bazan kiềm - trachyt - Loạt bazan - rhyolite
Hình 2.2. Hai mô hình thành tạo rift (theo Keen, 1985) Trong các loạt đó gặp các khoáng vật tạo đá như sau:
Olivin, Clinopyroxen giàu canxi, hornblen, biotit, plagiocla, apatit, ilmenit, manhetit. Trong đá kiềm còn gặp nephelin.
Những magma siêu mafic siêu kali tạo nên những đá kiềm như ugandit, mafurit, katungit.
Địa hóa và đồng vị các đá magma rift lục địa
Trong bảng 2.2, 2.3 trình bày thành phần hoá học của các đá thuộc đới rift lục địa.
Bảng 2.2.Thành phần hoá học của các đá thuộc đới rift lục địa (loạt basanit - phonolit) (theo Price và nnk, 1985)
Oxit (%) Basanit Mugearit Benmoreit Trachyt Phonolit SiO2
TiO2
Al2O3
Fe2O3
FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5
H2O CO2
ppm Rb Ba Sr Pb Th U La Ce Y Zr Nb Sc V Ni Cu Zn Ga F
41.43 3.64 11.87 2.74 11.55 0.23 10.52 11.10 2.33 1.48 0.94 0.87 0.07 52 622 1230 4 5
<1 73 100 26 197 59 22 350 137 84 100 16 -
50.07 2.23 16.37 1.63 9.32 0.25 2.93 5.96 5.71 2.74 1.18 0.28 0.89 56 1028 1375 8 5 1 81 149 29 283 86 9 113 2 38 113 18 -
58.28 0.81 15.99 1.69 7.11 0.31 0.74 2.79 6.69 4.16 0.51 0.27 0.01 88 1337 481 11 13 2 96 161 44 545 127 7 14
<1 14 111 22 1164
65.04 0.22 15.77 0.90 2.84 0.17 0.15 0.99 6.98 5.57 0.10 0.49 0.07 168 236 26 29 39 2 228 314 88 1119 301 2
<1
<1 7 157 30 3564
55.74 0.85 18.26 1.51 4.63 0.25 1.01 2.57 8.53 4.82 0.41 0.36 0.02 94 1324 881 12 15
<1 107 167 33 545 145 3 23
<1 11 107 21 1455
Theo hai bảng trình bày trên, thành phần thạch học và hoá học của các đới rift lục địa khá đa dạng khi đối sánh giữa các rift thuộc vị trí địa lý khác
nhau. Vấn đề quan trọng là phải xác lập chúng thuộc loạt magma nào rồi mới tiến hành đối sánh giữa các vùng địa lý khác nhau.
Biểu đồ nhện (hình 2.3) giúp đối sánh giữa các rift lục địa khác nhau và đối sánh với các đá thuộc các kiểu kiến tạo khác nhau như MORB và OIB.
Bảng 2.3. Thành phần hoá học loạt bazan - trachyt
Oxit (%) Bazan Ferrobazan Benmoreit Trachyt
SiO2
TiO2
Al2O3
Fe2O3
FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5
ppm Sc Cr Co Ni Rb Sr Ba Y La Ce Nd Sm Eu Tb Yb Lu Zr Hf Nb Ta Th
47.93 2.11 15.01 2.99 8.96 0.20 6.94 12.05 2.69 0.80 0.32 37 83 47 76 15 428 300 24 24.7 - - 5.48 1.86 0.90 2.6 0.41 112 2.90 35 1.4 2.5
47.48 3.09 14.31 3.40 10.21 0.25 5.43 10.83 3.07 1.29 0.64 30 97 44 67 30 415 510 45 45.2 - 51 9.42 2.69 1.28 3.4 0.61 183 4.7 55 2.6 5.0
58.48 1.57 16.16 1.59 4.78 0.21 2.14 4.61 5.53 0.04 0.39 14 20 14 - 67 337 1040 44 76.7 128 57 10.83 3.39 1.32 3.6 0.58 259 9.0 113 5.2 10.4
63.65 0.94 14.12 2.01 6.03 0.27 0.04 1.31 6.34 5.22 0.07 5.6 - 1.1 - 115 10 160 93 152 185 91 17.9 3.17 2.4 8.9 1.64 764 17.7 207 11.1 19.4
Hình 2.3. Biểu đồ nhện của các rift lục địa: a) Phía tây Đông Phi; b) Phía đông Đông Phi (∆- basanit, ♦- bazan kiềm, •- bazan chuyển tiếp) c) Rift Rio Grande (°- hầu hết bị hỗn nhiễm; •- hỗn nhiễm ít hơn; ∆- MORB và OIT); d)
Tholeit đảo đại dương (OIT).
Mô hình thạch luận
Thành phần hóa học của magma phun trào trong các đới rift lục địa phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trước hết là thành phần của nguồn manti rất đa dạng, sau nữa là độ sâu của quá trình nóng chảy, tốc độ di chuyển magma lên bề mặt trái đất và tích chứa vào các kho lưu trú trong vỏ Trái đất. Trong các kho lưu trú còn xảy ra những quá trình hỗn nhiễm vật liệu của vỏ và quá trình kết tinh phân đoạn, những yếu tố đó càng làm cho thành phần magma thêm đa dạng.
Một vấn đề cơ bản trong nghiên cứu Rift lục địa là vai trò tương đối của nguồn manti thuộc quyển mềm và thạch quyển. Khi trái đất căng giãn thạch quyển bị làm mỏng liên tục, điều này kích thích sự phát triển những đới