Tướng và đới biến chất

Các phản ứng biến chất và tổ hợp cộng sinh khoáng vật tiêu biểu; định nghĩa tướng biến chất; xác định các vị trí các điểm vô biến và vẽ đường đơn biến biểu đồ P-T; phân biệt các loại tướng biến áp suất thấp, trung bình và cao.

BIẾN CHẤT & ĐÁ BIẾN CHẤT 21

Nhóm mica

M u s c o v it K 2 A I4[S Ì 6 Al 2 O 20 ](O H ,F )4

là hàm s ố phụ thuộc chặt chè với sự biến thiên nhiệt

đ ộ và áp suâ't [H.17].

M uscovit là khoáng vật rât phô biến không

n hừ n g trong đá m agm a m à còn trong đá biến chất

C ộng sinh có m u scovit phản ánh đ iểu kiện biến châ't

Trên hình 16 [H.16] thê h iện tô h ợp khoán g vật đặc

trưng cho trường bển v ừ n g của m uscovit.

Hình 16 Biểu đồ cân bằng của muscovit (Ms).

P h e n g it là m u sco v it có tỷ s ố Si:Al lớn hơn 3:1

kèm theo có sự thay th ế của M g, Fe2+ cho AI trong

câu trúc tinh thế, đ ổ n g thời cũ n g phản ánh đ iểu kiện

thành tạo áp suất cao P hengit cộn g sinh cù n g với

talc, kyanit, chloritoid trong các đá biến chất n hiệt độ

thâp, áp suâ't cao.

S eric it là m u sco v it d ạn g v ả y m ịn th ư ờ n g thấy

trong các đá biên chất nhiệt độ thấp.

P h log op it - B io tit K2(Mg,Fe2* M F e 3\A I, T ì )0.2[S ì ^5AI2.3O2 q 1(OH i F)4

Là khoáng vật p hô biến trong cả đá m agm a và

biến chất, n h ư n g trong đá biến chât nó có vai trò đặc

biệt khi n gh iên cửu tý s ố M g, Fe chứa trong khoáng

vật cộn g sinh cù n g với nó Ví dụ, cặp granat - biotit,

biotit - p vroxen , sự thay th ế đ ổ n g hình của M g - Fe

Hình 17 Tỷ số Mg (nhánh trái) của granat và của biotit

(nhánh phải) trong tổ hợp cộng sinh íelspat kali + AI2SÌO5 + hypersthen và thạch anh + AI2SÌO5 + muscovit + /- íelspat kali

(Theo Perchuk, 1973)

Tài liệu tham khào

B ru ce VV.D Yardley, 1995 A n In tro d u c tio n to M e ta m o rp h ic

Petrology Longman Singapore Publishers. 264 pgs.

Frank s Spear, 1993 Metamorphic Phase Equilibria and Pressure

- Temperature - Time Paths Book Cratter Inc. 799 pgs Chelsea, Michigan USA.

M iyashiro A., 1973 Metamorphism and Metamorphic Belts.

Ruskitĩ House. 472 pgs M useum Street.

Phan Trường Thị, 2005 Thạch học các đá biến chất N XB Đại học Quốc gia Hà Nội. 97 tr.

Tướng và đới biến chất

Phan Trường Thị Khoa Đ ịa chất,

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐH Q GH N).

Giới thiệu

v ể cơ bản sự gia tăng nhiệt đ ộ và áp suât tùy

thuộc vào đ ộ sâu của v ỏ Trái Đất Các tô hợp cộn g

sinh khoáng vật là sản phẩm cân bằng hóa lý tại m ột

trạng thái vật lý xác định, và d o đ ó chúng phản ảnh

đ ộ sâu thành tạo trong v ò Trái Đât N ếu n h ư Cô sinh

vật học g iú p các nhà địa chất phân chia các tầng đá

tử cô đ ến trẻ, thì Thạch học các đá biến chất là cơ sở khoa h ọc chính xác cho việc phân lớp v ỏ Trái Đâ't từ

n ôn g đ ến sâu.

G eorge Barrovv (1893 - 1912) lẩn đầu tiên phát

h iện tính phân đới biến chât ở m iền núi cao Scotish (Bắc nư ớc A nh) Lần lượt theo sự xuất hiện và biến

22 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT

mâ't của m ột s ố khoáng vật, Barovv đã v ẽ đ ư ợc bản

đ ổ phân b ố của chúng: chlorit —> biotit —» granat —»

staurolit —> kyanit —> silim anit.

Các phản ứng biến chất và tồ hợp cộng sinh

khoáng vật tiêu biểu

V ề phương d iện khoáng vật học, tính phân đới

theo trật tự từ nhiệt đ ộ thâp (chlorit) đến nhiệt độ cao

(silim anit) v ể sau với nhừng côn g trình của Escola

(1914), V M G oldschm idt (1988 - 1947) phương pháp

phân tích tướng biến chât đ ư ợc hoàn thiện Đặc biệt

trong những năm gần đây, việc sử d ụn g các nhiệt k ế

và áp k ế địa chât đâ chính xác hóa sự phân chia các

tướng biến châ't trên biếu đ ổ p - T Thoạt đẩu sự phân

đới cho ta khái niệm v ể tướng khoáng vật, nhưng

tướng biến châ't có m ột nội d u n g bao quát hơn theo

định nghĩa sau đây của F J T um er (1981).

Tướng biến chât là m ột bộ gồ m nhiều tô hợp

cộn g sinh khoáng vật biến chât, ch ú n g xuâ't h iện có

tính q uy luật trong k hôn g gian và thời gian, trở

thành tiêu chí đ ê nhận biết v ề m ối quan h ệ giữa

thành phẩn khoáng vật và thành phẩn n g u y ên thủy

của đá bị biến chất.

Trong định nghĩa trên, phải giải thích thêm là

khái niệm v ể m ột tổ hợp cộn g sinh khoáng vật, v ề

mặt hóa - lý là m ột tập h ạ p cân bằng khoáng vật

trong m ột đ iều kiện p - T xác định.

Tập hợp khoáng vật cộng sinh tiêu biểu

Trên hình 1 [H l] thấy rõ m ỗi m ột tướng biến

chất đ ư ợ c khu xứ trong m ột trường p - T xác định,

đ ó là m ột trường lư ờ n g biến (n = 2) Xuất phát từ

m ột đá n g u y ên thủy nào đ ó (k xác định), s ố lư ợn g F

của các pha k hoán g vật biến chất cân bằng cũ n g xác

định, hay còn g ọi là một tố hợp khoáng vật biên chất cân

bằng đặc trưng T h ông thư ờn g hạn c h ế s ố k = 3 cho

m ôi m ột h ệ đá n gu yên thủy đ ê tiện phân tích, s ố pha

trong m ột tổ h ợp cân bằng cũng bằng hoặc n hỏ hơn

3 D ù n g b iếu đ ồ tam giác cân đ ểu hay tam giác

v u ô n g cân th ể h iện m ối quan h ệ giữa các tồ hợp

khoáng vật cân bằng, thành phẩn n gu yên thủ y và

đư ợc đặt trong n h ũ n g ô xác định của sơ đ ổ tướng

biến chất.

N ếu lựa chọn A = s ố lư ợn g phân từ của AI2O3

(tính từ tỷ lệ % trong thành phần hóa học của đá);

F = FeO + MgO; K = K2O + N a2Ơ,

Sao cho: A + F + K = 100.

Trong m ột sô' trường hợp khác lại có th ể lựa

chọn:

F = FeO; M = M gO , sao ch o A + F + M = 100 H ay

đưa thêm c = CaO, trong tổn g A + c + F,

Đ ó là p h ư ơ n g pháp phân tích m ột h ệ phức tạp

nhiểu thành phẩn theo n h ù n g bình diện khác nhau:

A K - F; A c F ; A - F - M [H.2]

- / /** / ^ X .

*§ /

y

J

200 400 600 800 1000°c

Hình 1 Sơ đồ các tướng biến chất: Các tướng đá phiến

xanh và eclogit thuộc loạt tướng biến chất áp suất cao; các tướng đá phiến lục, am phibolit và granulit thuộc loạt tướng biến chất áp suất trung bình; còn lại - áp suất thấp

Trên hình 2 theo p hư ơn g p háp toạ đ ộ trọng tâm,

m ột đ iểm p th ể hiện thành phẩn hóa h ọc của m ột đá hay khoáng vật chứa 3 hợp phần Ví dụ trên tam giác ACF, từ p v ẽ các đ ư ờ n g so n g so n g với các cạnh:

CI + IK + KF = CF = 100%, trong đ ó CI = F%;

IK = A%; KF = c% Thử thê h iện vị trí m ột k hoán g vật trên biểu đ ồ ACF.

K hoáng vật silim anit (AI2S1O5), hay viết

AI2O3.S1O2 Trên tam giác k hôn g có SÌƠ2, n ếu chi quan tâm đ ến A - c - F nghĩa là c = 0, F = 0, vị trí của silim anit sẽ nằm tại đ iếm A.

Khoáng vật biotit (3Sia.l/2Al2aa/2K20.3(M g,Fe)

0 [0 H ]2 , trên tam giác ACF, vị trí của nó sẽ nằm trên cạnh A - F theo tỷ lệ: 6/1 hay 85%F và 15% A [H.2].

A

Hình 2 Biểu đồ tam giác thẻ hiện các tổ hợp cộng sinh

khoáng vật xuất phát từ m ột hệ hoá học của đá nguyên thủy.

T ư ơ n g tự các trường thê h iện thành phần

n g u y ê n thủ y của đá b iến chất: lân cận đ iểm A - đá sét b iến châ't (giàu AI2O3); đá m afic - siêu m afic lân cận đ iểm M, F hay cạnh F - M; đá vôi biến chât lân cận đ iểm c.

V iệc lựa chọn các tập hợp k hoán g vật cộ n g sinh tiêu biểu tuân thủ các n g u y ên tắc sau đây:

BIẾN CHẤT & ĐÁ BIẾN CHẤT 23

1- Xuât phát từ m ột n g u ồ n gố c n gu yên thủy,

thôn g thường từ đá sét, m afic bị biến chât, đặc trưng

ch o các hệ hóa học sau:

H ệ S1O2 - AI2O3 - CaO - N a2Ơ - K2O - H2O

(CK NASH): đặc trưng ch o các n hóm đá sét, đá thạch

a n h - íelspat, g r a n ito it.

Hệ SiƠ2 - AI2O3- FeO - M gO - T1O2 (ACFM): đặc

trưng cho các đá mafic.

H ệ CaO - S1O2: các đá vôi - silic.

Môi m ột h ệ đư ợc đặc trung bời m ột danh sách

các tô hợp k hoán g vật cộn g sinh tiêu biếu, sản phấm

của các phản ú n g biến châ't đ ư ợ c phát hiện trong

thiên nhiên và đ ư ợ c tính toán theo các cân bằng

nhiệt đ ộ n g học, nghĩa là ch ú n g có m ột vị trí xác định

trên b iếu đ ổ p - T.

2- Trong danh sách râ't phứ c tạp, chỉ lựa chọn m ột

s ố tổ hợp mà sự xuât hiện cũ n g n h ư biến mâ't liên

quan với n h ữ n g ranh giới địa châ't quan trọng Ví dụ,

trong các lục địa cố, đá sét hay đá m afic bị biến châ't

có tuổi Arkei ch u yển san g tuổi Proterozoi, hay từ

Tiền Cambri ch u yến san g P aleozoi hạ Theo dõi đá

m afic biến chất trong các v ị trí địa châ't khác biệt -

trong các đới hút chìm có n h ử n g phản ứng b iến châ't

khác biệt với các đai tạo núi.

3- Theo bình d iện quan sát ACF, AFM, AKF,

chọn 2 - 3 k hoán g vật cộn g sinh tiêu biểu, gác m ột

bên n h ừ n g k hoán g vật ở đ iểu kiện nào cũ n g xuất

hiện Ví d ụ thạch anh, calcit, m ột s ố felspat [H.3].

Hình 3 Hai tổ hợp khoáng vật do phản ứng biến chất.

Biotit + S ilim anit -» Granat + Cordierit Phía trái nhiệt độ

thấp hơn phía phải Theo biều đồ có thề dự đoán phản ứng

G ranat + C ordierit -» Hypecsthen + S ilim anit khi nhiệt độ

nâng cao hơn nữa.

Biểu đồ p - T của các tướng biến chất

Theo q u y tắc Gibbs: n = k + 2 - F, trong đ ó n ià s ố

bậc tự do, k- s ố h ợp phẩn và F- s ố pha k hoán g vật.

T heo đó, trên biểu đ ổ có hai b iến s ố là nhiệt đ ộ (T) và

áp suất (P), s ố bậc tự d o sẽ là:

n = 0 (vô biến) khi F = k + 2

n = 1 (đơn biến) khi F = k + 1

n = 2 (lư ờn g biến) khi F = k

N ếu xuất phát từ m ột thành phần n g u y ên thủy

của đá bị biến chât, v í d ụ đá sét b iến chất, thì k là s ố

có th ể xác định Ví dụ, trong thành phần của đá sét,

ch ú n g ta chi quan tâm đ ến các khoán g vật biến châ't

có chứa AỈ2Ơ3, ỈGO, N a Ơ, FeO và M gO Các khoáng

vật đ ó là silim anit, kyanit, cordierit, m uscovit, biotit, chlorit; s ố lư ợn g của ch ú ng có đ ến hàng chục Trong khi đ ó dựa theo khả năng thay thô đ ổ n g hình có thể

gh ép lại m ột s ố hợp phấn:

AI2O3 : hợp phẩn thứ nhâ't (K2O + NazO) : hợp phần thứ hai (FeO + M gO) : hợp phẩn thú ba.

T h eo q u y ư ớ c đó, đá sét có k = 3 N ếu vậy, sẽ có bao n h iêu đ iểm v ô b iến trên b iểu đ ồ p - T? M ỗi

đ iếm v ô b iến th eo q u y tắc G ibbs tư ơ n g ứ n g với

k + 2 k h o á n g vật N ếu A bằng s ố lư ợ n g k h oán g vật

b iến chất có chứa 3 h ợ p phần hóa h ọc n êu trên thì

SỐ đ iểm v ô b iến sê là chập (k + 2) phẩn tử của A

p hẩn tử k h oán g vật T heo s ố h ọc thì có th ế tính

th eo cô n g thức:

FA<k+2> = A ! / [ A - ( k + 2 )] !

T hông thư ờn g đá sét biến chất, s ố A có thê là 15, nếu vậy SỐ đ iểm v ô b iến trên b iểu đ ồ p - T sè là F515 = 15!/[15 - 5]!= 360.360 điểm

Tính tư ơng tự, s ố đ ư ờ n g đơn biến là 32.760

N h ư n g trong thực t ế s ố lư ợn g k hôn g lớn như vậy V iệc phát hiện n h ữ n g tổ hợp khoáng vật chập 5 (vô biến) và n h ù n g tô hợp chập 4 (đơn biến) trong thiên nhiên của các đá sét biến chất ,và tư ơng tự của các đá m afic b iến chât sẽ xác lập m ột hệ thốn g các

đ iểm v ô biôh và các đ ư ờ n g đơn biến trên biểu đổ

p - T H ệ thống đ ó phân chia các trường tổn tại của k (trường hợp lư ỡ n g biến) khoáng vật.

Vâín đ ề còn lại là v iệ c xác đ ịnh v ị trí các đ iếm vô biến và v ẽ đ ư ợ c các đ ư ờ n g đ an biến trên b iểu đổ

p - T Bằng thực n gh iệm , bằng p h ư ơ n g pháp tính toán hóa lý có thê làm đư ợc đ iểu đó H ình 4 là giản lược các đ iếm đơn biến và các đ ư ờ n g đ ơn biến tiêu biểu dựa trên quan sát thiên n hiên và địa chất của các tướng biến chât trên biếu đ ổ p - T.

Pyrophyllit A Kyanít Andalusit M Silimanit

/ \ / A ÍS torolit Anorthit ỵ \ / V Chloritoid

Grosule # \ / \ / \ / V

f \ / \ Ị y " Almadin

/ \ / \ / \ \ V v ornN.end

Caicit / \ / \ / \ x \ \ \ T a lc

r é - V • v \ # \ \ _V

Hình 4 Vị trí các khoáng vật biến chất chính trên biểu đồ ACF.

D a n h s á c h c á c tư ớ n g b iế n c h ấ t

Tướng zeolit Tướng prenit - p um peleit

24 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT

T ư ớ n g đá p h iến lục

T ư ớ n g đá p h iế n xanh

T ư ớ n g e p id o t am p h ib o lit

T ư ớ n g am p h ib o lit

T ư ớ n g gran u lit

T ư ớ n g ec lo g it

Trên hình 5 [H.5] là bản đ ổ phân đới b iến chất ờ

v ù n g núi Bù K hạng (N g h ệ A n) d o Lê D u y Bách và Phan T rường Thị thành lập (1970).

C ó thê phân biệt các loạt tư ớng biến chất áp suất thâp, trung bình và cao N h ừ n g loạt tư ớ n g đ ó đặc trưng ch o n h ữ n g đ iểu kiện địa chât râ't khác n hau và

đ ư ợc th ể h iện trên hình 5 [H.5].

Hình 5 Sơ đồ phân đới biến ch ấ t ở vùng núi Bù Khạng (Nghệ An).

Tài liệu tham khảo

M iyashiro A., 1973 M etam orphism and M etam orphic Belts.

R uskitt House, M useum Street 472 pgs.

Bruce VV.D., Yardley, 1995 An Introđuction to M etam orphic

Petrology Longmart Singapore Pubỉishers. 264 pgs.

Frank s Spear, 1993 Metamorphic Phase Equilibria and Pressure - Temperature - Time Paths, Book Cratter, Inc

Chelsea, Michigan, USA 799 pgs.

Phan Trường Thị, 2005 Thạch học các đá biến chất N X B Đại học Quô'c gia Hà N ội. 97 tr.