Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.3. Xác định tiến hóa của hệ thống sông
3.3.1. Các phương pháp xác định tiến hóa của hệ thống sông 3.3.1.1. Phương pháp phân tích khối và các nguyên tố vết
Các nguyên tố của khối mẫu được phân tích bằng tia X với máy quang phổ chân không Phillip 2404 XRF. Các đường cong của mỗi nguyên tố được xác định và đối chiếu với đường cong chuẩn. Phương pháp Reichen được sử dụng để xác định tổng hàm lượng Fe trong Fe2O3. Kết quả phân tích khối và nguyên tố vết được nêu ở phụ lục 3.4. Các nguyên tố vết được xác định bằng máy PerkinElement Elan 9000 ICP – MS chính xác tới < 2% .
3.3.1.2. Phương pháp đồng vị Sr và Nd
Mẫu đo được xác định định lượng hàm lượng Rb, Sr. Mẫu Sr được phân tích trong máy quang phổ đa XG Sector 54-30 tại trung tâm kiểm
nghiệm môi trường Scottish (UK). Mẫu Rb được phân tích trong máy quang phổ đơn VG 54E. Mẫu Sm- Nd đuợc phân tích trong máy dò vi lượng ICP- MS. Kết quả phân tích được trình bày trên bảng phụ lục 3.5.
3. 3.1.3. Phương pháp đồng vị Pb của feldspar mảnh vụn
Để hiểu rõ nguồn gốc tiến hoá của Sông Hồng, chúng tôi đo Pb trong hạt cát K-feldspar đơn, sử dụng máy dò ion Cameca IZ70 phân giải cao tại ĐH Edinburgh. Phương pháp này cho phép xác định đồng vị trên các hạt có kích thước cỡ cát bột để xác định sự tập trung của các hạt feldspar không đồng nhất. Các phân tích đuợc tiến hành từ mỗi mẫu để xác định khoảng dao động của tỉ số đồng vị trong các mẫu đơn và để xác định sự tập trung nhỏ của các hạt có đặc điểm đồng vị khác nhau (bảng phụ lục 3.6 và 3.7).
Để giảm rủi ro của sự pha tạp Pb thứ sinh từ nguồn bên ngoài hạt feldspar, các phép phân tích được tiến hành ở phần chính của mẫu, cách xa đới dập vỡ, đới vùi và đới biến đổi. Chúng tôi chỉ phân tích vật liệu không biến đổi bị bào mòn từ nguồn phong hoá mạnh, các nhiễm bẩn bề mặt xuất hiện trong quá trình chuẩn bị của các hạt đều được bỏ qua.
3. 3.1.4. Phương pháp đồng vị Pb khối
Chúng tôi chọn ba mẫu để phân tích Pb trên máy ICP-MS đa năng WHOI hiệu chỉnh chính xác cho khối thiết bị. Các phân tích này có độ chính xác về các tỉ số 206Pb/204Pb, 207Pb/204Pb và 208Pb/204Pb là 15–30 ppm và đưa khoảng giá trị dao động từ 17 ppm (2σ) cho 207Pb206Pb, tới 117 ppm (2σ) cho
208Pb/204Pb. Kết quả phân tích được trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1: Kết quả phân tích đồng vị Pb khối Mẫu 206Pb/204Pb 207Pb/204Pb 208Pb/204Pb
LK 41.444m 18.89466 15.70745 39.46809 LK81.1108m 18.83811 15.72161 39.28490 LK 200.2643m 18.79203 15.71457 39.21047
3.3.2. Kết quả xác định tiến hóa hệ thống sông Hồng 3.3.2.1. Vỏ phong hoá
Độ bền của vỏ phong hoá trong bể Sông Hồng có thể đánh giá được thông qua chỉ số biến đổi hoá học (CIA) dựa trên sự chuyển động của Na, K và Ca trong các chất lỏng ngậm nước so với Al tập trung lại ở phần còn lại của vỏ phong hoá. CIA được tính theo công thức:
100
2 2
* 3
2
3
2
O K O Na CaO
O Al
O CIA Al
CIA được xác định từ khối lượng phân tử của các oxit. Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng P2O5 để hiệu chỉnh lượng photphat. Sau đó hiệu chỉnh cho Carbonat được tiến hành dựa trên tỷ số hợp lý Ca/Na cho vật liệu Silicat lục địa. Giá trị CIA có thể thay đổi lớn hơn 3% so với giữ liệu phân tích XRF và có thể sử dụng thay cho cường độ phong hoá.
Trên hình 3.9 là bản đồ châu thổ Sông Hồng với các giá trị tính toán của CIA được đánh dấu tại các điểm lấy mẫu. Màu sắc được dùng để phân biệt giữa sông chính và các nhánh. CIA khá thấp ở vùng thượng lưu như vùng Lào Cai có giá trị 64 cho thấy phong hoá vật lý gây ra sự xói mòn cao. Tuy nhiên, một vài nhánh lại cho giá trị CIA cao đến 82, cho thấy phong hoá hoá học diễn ra mạnh mẽ hơn dọc theo cùng trung lưu của sông ít nhất tại các vùng thấp hơn. Giá trị CIA tại một số nhánh lớn hơn khác như vùng dẫn lưu dãy Núi Con Voi thấp cho thấy sự phong hoá vật lý mạnh mẽ tại các vùng cao hơn. CIA thay đổi từ 64 tại Lào Cai đến 65 đối với cát gần Hà Nội, ở khu vực sông giữa 2 khu địa điểm này có giá trị CIA cao hơn. Tại các nhánh nhỏ của Sông Đà, giá trị CIA cao, quá trình phong hoá hóa học diễn ra mạnh và không chiếm ưu thế về dòng trong các nhánh sông chính.
Mối quan hệ giữa tỷ số Si/Ti với giá trị CIA của sông Hồng, song Mekong và sông Châu Giang được thể hiện trên hình 3.10. Giá trị CIA của Sông Hồng thấp hơn so với sông Châu Giang và sông Mekong, điều này phản
ánh khoáng vật học ảnh hưởng tới trị số CIA và môi trường bào mòn vật lý cao hơn. Thông thường giá trị tỷ số Si/Ti có xu hướng tỷ lệ nghịch với CIA, trầm tích giàu cát và quarzit thường có xu hướng có giá trị CIA thấp trong khi đó sét lại có giá trị CIA cao hơn. Giá trị CIA cao được tìm thấy ở các sông Mekong và sông Châu Giang. Các mẫu giếng khoan cũng cho một loạt giá trị CIA, mặc dù các mẫu cổ cho giá trị CIA cao hơn.
Hình 3.9: Bản đồ chỉ số biến đổi hoá học (CIA) châu thổ Sông Hồng Đặc trưng đồng vị Sr cũng thể hiện cường độ phong hoá hoá học vì nó cũng phản ánh cường độ phong hoá hoá học trong Silicat cũng như tỷ lệ carbonat đối với Silicat trong vùng. Hình 3.11 đánh dấu sự thay đổi của tỷ số
87Sr/Sr86 dọc theo hạ lưu và thấy rằng tỷ số này tại sông chính thay đổi khi nhiều nhánh hợp lại. Đặc điểm nổi bật nhất là giá trị 87Sr/Sr86 của sông Hồng ổn định cho đến khi sông Lô hợp với sông Chảy cho giá trị 87Sr/Sr86 cao hơn nhiều so với khu vực khác. Tỷ số 87Sr/86Sr của bể sông Hồng lại giảm sau khi đạt mức cực đại tại khu vực hợp dòng.
Minh giải tài liệu lớp phong hoá
Tài liệu của chúng tôi có cùng kết quả với tài liệu của Liu [35], vật liệu sông Hồng chịu ảnh hưởng phong hoá hoá học ít hơn sông Mekong. Tuy nhiên nếu mở rộng phân tích tại các vùng thượng lưu thì có thể thấy được nhiều dấu hiệu sự xói mòn của các vùng thượng lưu của khu vực như vùng Lào Cai. Giá trị CIA cao tại một số nhánh trũng cho thấy phong hoá hoá học diễn ra mạnh mẽ tại một số vùng thấp có nhiều vật liệu vụn từ các nhánh sông đổ ra sông chính để đổ ra biển.
Minh giải dữ liệu đồng vị Sr rất phức tạp vì hệ thống đồng vị bị chi phối bởi cả nguồn gốc và hệ thống phong hoá. Giá trị 87Sr/86Sr của trầm tích sông Lô và sông Chảy cao cho thấy phần hệ thống dẫn lưu có cường độ phong hoá hoá học mạnh hơn so với sông Đà và thượng lưu sông Hồng. Tuy nhiên cần lưu ý rằng Sông Lô thoát nước trên vùng rộng lớn của Carbonat Pleozoi thuộc biên giới nền Dương Tử cổ và tại đó có thể xác định được nhiều đồng vị khác nhau. Tính toán cho thấy khoảng 50% Sr ở vùng hạ lưu, nơi giao nhau giữa sông Lô – sông Hồng là từ sông Lô. Tuy nhiên tại các vùng hạ lưu xa hơn thì Sr từ sông Lô chỉ đạt 25%. Ngược lại lượng Sr của sông Đà có lượng đồng vị nằm chủ yếu ở nhánh chính của sông Hồng. Kết quả cho thấy không có sự thay đổi lớn về lượng 87Sr/86Sr của sông Đà trước khi đổ ra biển.
Mối quan hệ giữa 87Sr/86Sr, cường độ phong hoá, nguồn gốc phong hoá có thể đánh giá được thông qua so sánh các giá trị 87Sr/86Sr với CIA, Sr và عNd (hình 3.12). Đồ thị CIA (hình 3.12a) không chỉ ra được mối quan hệ có trật tự Sr với phong hoá hoá học. Trên đồ thị 3.12b chỉ ra mối quan hệ giữa hàm lượng Sr và giá trị 87Sr/86Sr, với giá trị 87Sr/86Sr thấp trong trầm tích chứa lượng Sr lớn, mối quan hệ này chỉ ra các nhân tố ảnh hưởng đến 87Sr/86Sr. Đồ thị hình 3.12c cho thấy giá trị εNd càng thấp thì giá trị 87Sr/Sr86 dường như có xu hướng lai càng cao, xác định nguồn gốc chính là do Sd chi phối. Tuy nhiên xu hướng này cũng chỉ là sự phân bố điển hình. Ví dụ như tại lưu vực sông Hồng thuộc phía Nam Lào Cai عNd có giá trị 13, ứng với 87Sr/86Sr có giá trị
0,71593. Trong khi đó, ở sông Hồng giá trị εNd chỉ cao hơn một chút (13,4) mà giá trị lại cao hơn nhiều (0,767424).
Hình 3.12: Tài liệu phân tích CIA, Sr, عNd và 87Sr/86Sr 3.3.2.2. Xác định nguồn gốc
Các nguyên tố đất hiếm (REE)
Số liệu các nguyên tố đất hiếm trong trầm tích được sử dụng để xây dựng biểu đồ đa nguyên tố chuẩn hóa. Hình 3.13 biểu diễn kết quả các nguyên tố hiếm chuẩn hoá trầm tích sông hiện đại (1989). Các kết quả cho
Hình 3.10: Mối quan hệ CIA với Si/Ti Hình 3.11: Phân bố 87Sr/Sr86 trong khu vực nghiên cứu
thấy một khoảng biến thiên hẹp và chặt chẽ các đặc tính của các nguyên tố đất hiếm (REE). Các nguyên tố đất hiếm nhẹ (LREE) có mặt ở khắp mọi nơi, có thể tìm thấy ở khu vực lớn có sự bào mòn của dòng sông ở phần phía trên của vỏ lục địa. Hàm lượng Eu mất đi tương đối ít và rất nhiều mẫu giống nhau.
Lượng Gd, Tb và Dy khá phong phú, đặc biệt là các mẫu lấy được tại Hà Nội song cũng có thể thấy chúng ở khu vực sông Đà nhưng ít hơn và ở một số nhánh sông nhỏ hơn (mẫu VN05060709 và VN05060804). Những mẫu này cho thấy ở khu vực sườn dốc có các nguyên tố đất hiếm nặng và trung bình (HREEs). Ngược lại ở khu vực sông Lô thì HREEs có ở những vùng có địa hình bằng phẳng hơn nhưng ở khu vực dốc thì HREEs phong phú hơn.
Hình 3.13: Kết quả phân tích các nguyên tố hiếm chuẩn hóa ở sông Đà, sông Lô, sông Chảy và sông Hồng
Để so sánh chúng tôi đã xây dựng đồ thị của các mẫu ở dòng sông hiện đại và mẫu cát lấy được từ Hà Nội. Đặc điểm của REE của các mẫu lấy lên từ giếng khoan được trình bày trên hình 3.14. Hầu như tất cả các trầm tích sông cổ chứa lượng LREEs trung bình, ngoại trừ mẫu trầm tích trẻ nhất Ma 6.8 (LK 64, 741m). Sự suy giảm Eu tương đối ít thấy hơn và được so sánh với các
trầm tích hiện đại và chỉ nổi bật ở mẫu LK 200, 2643m. Đặc tính này có thể do feldspar được tách ra trong từ cát trong quá trình lựa chọn khoáng vật.
Hình 3.14: Kết quả phân tích nguyên tố hiếm chuẩn hóa theo Chondrite C1 của các giếng khoan trong khu vực
Hình 3.15: So sánh mối quan hệ của La/Yb với TiO2 và عNd
Để so sánh các mẫu cổ và các mẫu hiện đại, chúng tôi đã xây dựng đồ thị thể hiện phong phú của LREE (La/Yb) dựa vào hàm lượng TiO2 (hình 3.15a). TiO2 tập trung trong các khoáng vật oxit và là chất phản ánh hàm lượng trong thành phần khoáng vật của thành hệ. Tỉ số La/Yb thể hiện mức độ giàu LREE của trầm tích. Hình 3.15a chỉ ra rằng trầm tích ở sông Đà giàu LREE hơn hầu hết trầm tích ở các sông hiện đại nằm gần với mỏ giếng khoan
tại 37, 12 và 9.1 Ma. Tại sông Hồng các giá trị La/Yb biến thiên trong khoảng rộng. Nói chung hàm lượng TiO2 cao hơn so với tại các nhánh sông của nó.
Mẫu lấy tại Hà Nội có tỉ số La/Yb thấp nhất mặc dù ở gần sông Lô. Hàm lượng TiO2 rất thấp ở các mẫu giếng khoan tại 17, 24 và 33 Ma đã phản ánh thành phần thạch học, ví dụ như chúng giàu thạch anh hơn. Thực tế, thành phần REE của các trầm tích sông không cho thấy hiệu quả khi dựa vào nguồn gốc bởi vì rất ít các chất tồn tại cùng nhau trong quá trình biến đổi.Đồng vị Neodym Nd
Đồng vị (Nd) được sử dụng để nghiên cứu nguồn gốc trầm tích vì nó là nguyên tố điển hình không bị vận chuyển bởi các chất lưu. Ngoài ra từ quá trình phong hoá và quá trình vận chuyển trầm tích không làm phân đoạn các đồng vị. Kết quả là dấu hiệu của các đồng vị đo được của bất kì loại trầm tích nào cũng có thể phản ánh thành phần chủ yếu của nguồn vật liệu và không bị thay thổi bởi các phản ứng trong nước. Các nghiên cứu về ứng dụng của đồng vị Nd để xác định nguồn gốc của trầm tích ven biển bị mòn từ những phần khác của Châu Á trong Neogene [9,10, 35] cho thấy, phương pháp này phù hợp với nguồn trầm tích trong sông Hồng. Chúng tôi đã tổng hợp các kết quả nghiên cứu với các kết quả của Liu [35] để đưa ra bức tranh hoàn thiện hơn về sự thay đổi đồng vị Nd trong sông Hồng.
Ta có thể thấy một loạt các giá trị عNd đối với trầm tích sông Hồng ở hình 3.16. Giá trị عNd thay đổi đáng kể dọc theo dòng sông, عNd = -11,5 ở lưu vực gần châu thổ chỉ lớn hơn một ít so với giá trị ع Nd = -10,8 tại các sông ở Lào Cai. Tuy nhiên, sự biến thiên của đồng vị lớn tại nguồn và các nhánh sông nhỏ hơn. Thông thường các giá trị âm (-14,5 đến -11,3 và chỉ thị của quá trình bào mòn từ vỏ lục địa cổ sinh ra do phóng xạ) xác định được tại phía bắc của sông Lô và sông Chảy, trong khi các giá trị عNd cao hơn (-10,8 đến 10,0, đi cùng với các lớp vỏ cổ hơn) xác định được tại sông Đà. Do đó, có thể có được những giá trị cao nhất tại các nhánh sông nhỏ hơn, biến thiên trong khoảng giá trị từ -27 tới -6. Những giá trị này cho thấy tính không đồng nhất
tại phần vỏ có tỉ lệ nhỏ, được tính trung bình bằng độ dẫn nước lớn hơn. Giá trị عNd = -6 đặc biệt cao đưa ra khi có phần vỏ nguyên sinh.
Hình 3.16: Bản đồ phân bố Nd dọc theo sông Hồng
Ngược lại, giá trị rất thấp (عNd = -27) tương ứng với lớp vỏ cổ tương đối ổn định được tìm thấy tại Xangtze, và thấp hơn là loại móng được biết đến ở khối Indochina [30]. Giá trị عNd của trầm tích và của đá gốc là khác nhau do phần nhô lên khỏi mặt đất có sự biến thiên rất lớn (hình 3.17a). Phương pháp thống kê có thể dùng để ước tính các khả năng và xác định các dấu vết tiêu biểu cho mỗi loại đá. Rất nhiều loại đá ở Đông Nam Á có giá trị عNd nằm trong khoảng -18 và -4 và hầu hết các loại đá có giá trị nằm trong khoảng này. Điều này khiến cho Nd không phải là một công cụ để xác định nguồn gốc tốt ở khu vực Đông Nam Á so với một số vùng nơi mà có sự tách biệt lớn giữa các loại đá khác nhau. Tuy nhiên, sự biến thiên theo hướng dòng chảy có thể được sử dụng để xác định các khối trầm tích.
Hình 3.17b cho thấy dòng sông Hồng chính bắt đầu từ giá trị عNd vào khoảng -11 cạnh Lào Cai tới -11,5 cạnh
khu vực châu thổ. Một điều cần để ý là khi đo giá trị عNd hiếm khi phản ánh được thành phần trong những nhánh sông nhỏ.
Sự ổn định của giá trị عNd cho thấy rằng những nhánh sông nhỏ không ảnh hưởng tới toàn thể khối đá.
Đồng vị Chì (Pb)
Để có thể hiểu rõ hơn về nguồn gốc của sông Hồng hiện đại, có thể xác định hàm lượng đồng vị Pb trong từng hạt cát riêng biệt của K-feldspar sử dụng Ion Microprobe có độ phân giải cao.
Chọn feldspar kali là loại khoáng vật vụn phổ biến và chứa hàm lượng chì cao nên cho phép xác định đồng vị một cách
chính xác. Sử dụng nó như là một chất chỉ thị để chứng minh nguồn gốc thông qua những nghiên cứu sơ bộ ban đầu sử dụng cả quang phổ kế để đo độ ion hoá theo phương pháp nhiệt truyền thống và máy dò ion. Để khai thác phương pháp này, một số phép phân tích đã được tiến hành trên từng mẫu nhằm đưa ra các tỉ số đồng vị và để tìm ra mật độ của những hạt bé với các đặc điểm đồng vị riêng biệt. Đã thống kê được hơn 50 hạt phân tích từ trầm tích hỗn hợp đạt độ chính xác đến 95%.
Hình 3.18 trình bày kết quả phân tích trầm tích cát ở 5 dòng sông hiện đại, 4 trong số đó là thuộc hệ thống sông Hồng, các sông còn lại từ thượng nguồn Dương Tử. Trong từng trường hợp, thành phần hạt vụn được so sánh với các đồng vị có trong đá móng ở Đông Nam Á. Vị trí của các vùng nguồn
Hình 3.17: Phân bố đồng vị Nd của sông Hồng cổ