III. ĐồNG Vị PHóNG Xạ TRONG NGHIÊN CứU THạCH LUậN NGUồN GốC.
1- Vai trò của các hệ thống đồng vị trong việc nhận biết các miền nguồn và các quá trình.
và các quá trình.
Các nguyên tố khác nhau đợc sử dụng trong nghiên cứu đồng vị phóng xạ trong Địa chất học thay đổi rất lớn về đặc điểm hóa học và vật lý, các hệ thống đồng vị khác nhau cũng thay đổi độ nhạy của chúng đối với các quá trình thạch luận riêng biệt. Những thay đổi này có thể bắt nguồn từ hai nguyên nhân sau đây:
+ Những nguyên tố “mẹ”và nguyên tố “con”trong những điều kiện nào đó có thể tiến hóa theo những cách khác nhau, bởi vậy chúng sẽ trở nên khác biệt nhau.
Tính không tơng hợp (incompatibility) của các nguyên tố vết đợc sắp xếp theo trật tự: Rb > Th > U > Pb > (Nd, Hf) > (Sr, Sm, Lu).
Và nh vậy mức độ không tơng hợp của Rb > Sr và Nd > Sm
Giá trị này chỉ thị cho qui mô tập trung của từng nguyên tố trong vỏ so với manti nghèo. Thí dụ: Rb là nguyên tố tập trung nhiều nhất trong vỏ so với manti nghèo; còn Sr, Sm và Lu tập trung ít nhất trong vỏ.
Có sự tơng phản giữa hệ thống đồng vị Sm - Nd (trong đó cả 2 nguyên tố Sm và Nd có chung những đặc điểm hóa - lý rất tơng đồng), với hệ thống đồng vị Rb - Sr (trong đó hai nguyên tố Rb và Sr khác biệt nhau rất rõ rệt).
Dới đây sẽ trình bày ngắn gọn các đặc điểm cơ bản của các hệ thống đồng vị (đợc tổng hợp trong bảng IV.4).
a- Hệ thống đồng vị Rb - Sr.
Cả hai nguyên tố Rb và Sr là những nguyên tố vết (trace elements), hàm l- ợng của chúng đợc xác định chủ yếu bằng ppm. Rb là nguyên tố kiềm (nhóm 1) với hóa trị +1. Giống nh các nguyên tố kiềm khác, Rb hòa tan rất nhanh trong n - ớc và dung dịch lỏng, bởi vậy nó thuộc vào nhóm nguyên tố rất linh động (mobile). Rb có bán kính ion ~ 1,48A0, chính bán kính ion lớn này ngăn cản nó đi vào trong nhiều khoáng vật, do đó Rb thuộc nhóm nguyên tố không tơng hợp (incompatible). Tuy nhiên bán kính ion của Rb hoàn toàn tơng đồng với bán kính ion của kali (1,33A0), nên nó dễ dàng thay thế kali trong tự nhiên. Do bản chất không tơng hợp của mình, nguyên tố Rb tập trung nhiều trong vỏ và có hàm lợng nghèo trong manti.
Sr là nguyên tố kiềm thổ (thuộc nhóm IIA) có hóa trị +2. Những nguyên tố kiềm đất cũng dễ hòa tan trong nớc và dung dịch lỏng, nhng không nh các nguyên tố kiềm. Bởi vậy Sr là nguyên tố linh động vừa phải (trung bình). Bán kính ion của Sr = 1,13A0 đủ lớn để nó không đi vào trong nhiều khoáng vật - cũng thuộc nhóm nguyên tố không tơng hợp, nhng không phải là nguyên tố không tơng hợp cao. Nó thờng thay thế Ca (có bán kính ion ≈ 0,99A0) với mức độ khác nhau. Sr rất dễ dàng thay thế Ca trong plagioclas với hệ số phân bố rắn / lỏng ≈ 2, đồng thời kém thuận lợi hơn trong clinopyroxen (Cpx) với hệ số phân bố chỉ khoảng 0,1. Trong các đá magma và biến chất mức độ cao, phần lớn Sr nằm trong plagioclas. Sr cũng có thể thay thế Ca trong những khoáng vật khác nh calcit, apatit, sphen... Sr cũng tập trung nhiều ở trong vỏ so với manti, nhng không tới mức độ nh Rb.
Tỷ số Rb/Sr trong Trái đất vào khoảng 0,029 (mặc dù chúng ta không biết đợc chính xác). Trong manti tỷ số này thấp hơn rất nhiều, ngợc lại trong vỏ lại cao hơn nhiều. Các đá bắt nguồn từ manti (nh basalt) cũng có tỷ số Rb/Sr thấp, vì vậy rất khó xác định tuổi của các đá magma mafic và siêu mafic bằng ph ơng pháp Rb - Sr. Tuy nhiên, quá trình phân dị magma có xu hớng làm tăng tỷ số Rb/Sr do Sr bị vận chuyển bởi quá trình kết tinh phân đoạn của plagioclas, còn Rb đợc giữ lại trong dung thể. Trong các đá magma acid (giàu SiO2) tỷ số Rb/Sr
thờng lớn hơn 1 (tỷ số Rb/Sr ≈ 1 tơng ứng với tỷ số Rb87/Sr86 ≈ 2,9, phụ thuộc mức độ nào đó vào tỷ số Sr87/Sr86). Chính vì lẽ đó, việc xác định tuổi đồng vị bằng phơng pháp Rb - Sr thờng áp dụng có hiệu quả đối với các đá magma acid.
Một điều có thể bắt gặp trong các mẫu đá tổng khi các mẫu là các đại diện khác nhau của loạt phân dị cùng nguồn magma (comagma) hoặc trong các mẫu khoáng vật khi có mặt cả khoáng vật chứa kali (K) và khoáng vật chứa calci (Ca), lúc đó có sự thay đổi lớn trong tỷ số Rb/Sr. Trong trờng hợp đó việc xác định đờng đẳng thời sẽ dễ dàng hơn và do đó tuổi đồng vị của đá và khoáng vật sẽ tính toán chính xác hơn.
Điều bất lợi hệ trọng nhất của hệ thống đồng vị Rb - Sr chính là tính linh động (mobility) của các nguyên tố này, đặc biệt là Rb. Do đặc tính dễ hòa tan các nguyên tố Rb và Sr dễ dàng vị vận chuyển bằng dung dịch, chúng có thể đợc mang tới hoặc mang đi khỏi hệ thống. Những khoáng vật này cũng là đối tợng của quá trình biến chất hoặc biến đổi từng phần trong điều kiện nhiệt độ tơng đối thấp. Vì vậy, hệ thống đồng vị Rb - Sr sử dụng có hiệu quả để xác định tuổi cho các đá magma acid không bị biến chất hoặc biến đổi.