Bài viết với các nội dung: cấu trúc của trái đất, thành phần hóa học của trái đất, thành phần hóa học của vỏ trái đất, thành phần vỏ lục địa, thành phần của thủy quyển, thành phần hóa học của nước biển, thành phần khí quyển trong lòng đất...
Trang 1Thành phần hóa học của Trái Đất
N g u y ề n V ă n Phô V i ệ n Đ ịa chât,
V iệ n H à n lâ m K h o a h ọ c v à C ô n g n g h ệ V i ệ t N a m
Giới thiệu
Trái Đâ't, cũng n hư bất kỳ m ột hành tinh n gu yên
thủy nào khác của hệ Mặt Trời, đã xuất h iện vào
khoảng 4,6-4,8 tỷ năm v ề trước nhờ quá trinh tập
hợp vật chât bụi vũ trụ ở nhiệt đ ộ thâp hơn nhiệt độ
n óng chảy của nó Theo các s ố liệu hiện có thì giai
đoạn phát triển sớm của Trái Đất là quá trình phân
dị hóa học với quy m ô toàn hành tinh Q uá trình này
dân tới sự thành tạo nhân ở tâm và m anti n gu yên
sinh bao quanh có thành phần silicat Sụ thành tạo
vỏ đại d ư ơ n g và v ỏ lụ c địa có thành phẩn
alum osilicat là các sự kiện m uộn hơn, liên quan tới
quá trình hóa lý trong chính m anti Các hoạt đ ộn g
địa chất đã và đ ang tiếp d iễn, tạo ra các tập hợp đa
d ạng các đá m agm a và trầm tích, đ ổ n g thời tạo ra
m ột lớp vỏ nước bóc m òn và các chất khí của khí
quyển.
Cấu trúc của Trái Đất
Câu trúc bên trong của Trái Đât là kết quà của
quá trình phân dị vật chât trong Trái Đâ't Các lớp
(quyển) đ ư ợ c xác đ ịnh m ột cách tin cậy nhờ các s ố
liệu địa chân thu đ ư ợ c theo m ức đ ộ phản xạ, khúc xạ
só n g d ọc (P) và só n g n gang (S) Theo các tài liệu hiện
có thì m ô hình cấu trúc Trái Đâ't g ồm các lớp đ ổng
tâm k ế cận nhau và khác biệt nhau bởi trạng thái lý
học và thành phẩn hóa học [H l] từ ngoài vào trong
n h ư sau:
1) N goài cù n g là khí q uyến đ ư ợc phân thành các
tầng.
2) Lớp silicat rắn bên ngoài vỏ Trái Đất g ồm bảy
m àng kiến tạo chính riêng biệt và n hiều m ảng kiến
tạo nhỏ khác nằm trên m ột lớp chất rắn dẻo v ỏ Trái
Đât phân cách với m anti bởi b ể m ặt gián đoạn
M ohorovic (gọi tắt là M oho) và đ ộ d ày thay đ ổ i từ 5
đ ến lOkm đ ối với v ỏ đại d ư ơ n g và 20-70km đ ối với
v ỏ lục địa Lớp v ỏ và phần trên cù n g của m anti đư ợc
gợi là thạch quyển; các m ảng kiến tạo đ ư ợc thành
tạo trên thạch quyến.
3) D ưới thạch q u yển là q u yến m ềm (astheno-
sp here từ tiếng H y Lạp a + sthenos có nghĩa là "không
có lực"+ sphere là q uyển, v ì th ế g ọi là khu v ự c yếu
hay "mểm"), nằm n gay phía dưới thạch quyến, ở độ
sâu từ 100-200km d ưới b ể m ặt Trái Đât, có thê m ờ
rộng tới độ sâu 400km.
4) D ưới q u yển m ềm là m anti có b ề dày khoảng
2.900km và là nơi có đ ộ nhớt cao nhất N h ừ n g sự
thay đ ối quan trọng trong cấu trúc tinh thê b ên trong
lớp phủ xuất h iện tại đ ộ sâu 410 và 660km d ư ới mặt
đất, trải qua m ột đới ch u yên tiếp ngăn cách manti trên và dưới.
5) Ở dưới manti, nhân ngoài có d ạng chất lỏng
m ềm nằm trên nhân trong rắn N hân trong có th ể quay với tốc đ ộ góc hơi cao hơn so với phần còn lại của hành tinh, khoảng 0,1 -0,5° m ỗi năm.
Hình 1 Cấu trúc Trái Đất (Theo Bullen, 1963).
Thành phần hóa học của Trái Đất Thành phần manti của Trái Đắt
M anti của Trái Đất đ ư ợ c chia thành 3 phần dựa trên các ranh giới tại 413 và 984km Manti trên giữa
M oh o và ranh giới khoảng 400km k hôn g đ ổn g nhât
d o có sự n ón g chảy cục bộ Các xen olit của các đá siêu m afic đ ư ợ c tạo thành từ đới này cho thấy m anti trên bao gồm olivin, pyroxen và granit v ó i m ột
lư ợn g n h ỏ hơn spinel, am phibol và p hlogopit
C h u yến tiếp ở giữ a đ ộ sâu 400 và l.OOOkm là vù ng pha trung ch u yển có áp suât đủ tạo ra orthosilicat Fe
và M g từ cấu trúc olivin sang câu trúc sp inel Có lè, trong pha ch u yên tiếp này xảy ra n h ữ n g quá trình
m ạnh gây n ên n hừ n g ch u yển đ ộ n g m agm a và kiến tạo ở các đới nằm trên Manti dưới ở sâu hơn l.OOOkm có thê là đ ồn g nhất, giàu Fe hơn m anti trên (H en derson , 1982).
Thành phần hóa h ọc của m anti rât khó xác định chính xác bởi lẽ k hôn g th ể trực tiếp n gh iên cứu và rất k hôn g đ ổ n g nhất M ặc dù vậy, các xenolit siêu
m afic cũ n g n h ư các thiên thạch đá cũ n g cung cấp
n hữ n g thôn g tin hữu ích Thêm vào đ ó m ột khối
lư ợn g lớn peridotit kiểu alpin cũ n g có thê đ ư ợc bắt
n g u ồ n từ m anti trên tại các ranh giớ i hội tụ của các
m ảng V iệc xác đ ịnh thành phẩn hóa học của m anti phải chú ý đến các đặc trưng địa vật lý như tỷ trọng, tốc đ ộ só n g địa chấn; nhiệt sinh ra d o phân rã Ư, Th
Trang 2574 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT
và K H ơn nữa, m anti có th ế tạo ra các kiểu m agm a
basalt chính d o n ón g chảy cục bộ dưới điều kiện lý
học g iố n g n h ư các basalt p h ổ b iến trong thạch quyến
của Trái Đằ't N h ữ n g đ ặc đ iểm n ày gần g iố n g với
m ột loại đá có tên là pyrolit d o R in gw ood (1966) tạo
ra bằng cách kết hợp p eridotit với basalt theo tỳ lệ
3:1 Thành phẩn hóa h ọc của m an ti tư ơng tự như
thành phẩn hóa học mà M asson (1966) đưa ra dựa
trên thiên thạch và n ó cũ n g tựa n h ư thành phần hóa
học d o H u tchison (1974) dự a trên các bao th ế toleit
trong các đá m agm a D ự a vào cách xác định trên,
thành phẩn hóa h ọc của m anti đ ư ợ c thê hiện ờ
Bảng 1.
Bảng 1.Thành phần hóa học của manti Trái Đất
Hợp phần Mẩu 1’ Mẩu 2“ Mẫu 3 Mẩu 4
*pyrolit (R ingw ood,1966)
“ thiên thạch (M assn,1966)
***lherzolit (H utchison, 1974)
**** D im itriev (1969)
Thành phần hóa học của vỏ Trái Đắt
V ỏ Trái Đất trên m an ti k h ôn g chi gồ m các v ỏ lục
địa mà còn bao gồm cả v ỏ đại d ư ơng Bề d ày trung
bình của v ỏ Trái Đất k h oản g 35km dưới lục địa và
khoảng 5-8km dưới đại d ư ơ n g, v ỏ đại d ư ơ n g khác
biệt với v ỏ lục địa v ề thành phẩn và n gu ổn gốc v ỏ
lục địa chủ y ếu gồm các đá m agm a và b iến chất Các
đá trầm tích và p h u n trào ch iếm phẩn n h ỏ của v ỏ lục
địa n h ư n g ch ú n g lại có m ặt ở n gay trên m ặt của lục
địa nên vai trò của ch ú n g cũ n g k hôn g kém phần
quan trọng.
N g h iên cửu thành p hẩn hóa h ọc của vỏ Trái Đất
và các loại đá khác nhau là m ột trong n hữ n g mục
tiêu chủ yếu của địa hóa học, v ì đ ó là nơi lưu giữ
lư ợn g lớn các n g u y ên tố k h ôn g tư ơng thích của Trái
Đất và d o đó, n ó có tầm q uan trọng trong tính toán
cân bằng khôi lư ợn g địa hóa của toàn Trái Đất.
Thành phần vỏ lục địa
N h iều n ghiên cửu v ể thành phẩn lớp vỏ lục địa
đư ợc thực hiện trong n h ữ n g năm qua đằ chắt lọc nên
bức tranh vê' thành phần của v ỏ Trái Đất hiện nay.
Các nguyên tô' chính: Thành phần hóa h ọc của vỏ
lục địa đã đ ư ợ c n h iều tác giả xác định bằng nhiều cách khác nhau: 1) trung b ìn h hóa m ột s ố lượng lớn các m ẫu phân tích; 2) kết h ợ p các kết quả phân tích của các loại đá khác nhau đ ư ợ c điều chinh đ ún g theo
tỳ lệ khôi lư ợ n g của chúng; 3) phân tích đá trầm tích thành tạo từ lụ c địa; 4) kết hợp giữa thành phần đá acid và m afic th eo tỷ lệ khác nhau; và 5) m ô hình hóa.
H ầ u h ết các kết quả tính toán v ể thành phẩn các
n g u y ê n tố ch ín h của v ỏ Trái Đất đã đư ợc đư a ra đ ều
có n h ữ n g q u y lu ật ch u n g v ể sự phân b ố các n gu yên
tố chính: đ ểu rơi v à o đ ộ lệch chuẩn trung bình 20%
và d o đ ó, thành p h ần của v ỏ Trái Đất đ ư ợc côn g b ố
là h ợ p lý [Bảng 2] V ới đ ộ chính xác 0,1%, thì chỉ 10
n g u y ê n tố tạo đá ch ín h đã ch iếm 99,7% v ỏ Trái Đât.
Bảng 2. Thành phần các nguyên tổ chính của vỏ lục địa
(theo % trọng lượng)
S1O2 59,12 59,19 60,06 59,4 59,3 57,3
AI2O3 15,34 15,82 15,52 15,6 15,0 15,9
Cộng: 99,00 99.03 100,0 100,0 100,0 100,1
1 C la rke và VVashington (1 92 4 )
2 G o ld s c h m itd t (1 95 4 )
3 D aly (1 9 1 4 )
5 P o ld e rv a a rí ( 1 9 5 5 )
6 R o n o v và Y a ro s h e v s k y (1 97 6 )
6 T a y lo r và M c L e n n a n (1 98 6 )
Các nguyên tô' vêh H àm lư ợn g m ột s ố n g u y ên tố
v ết đã đ ư ợ c các tác giả cô n g b ố có n h ừ n g khác biệt
d o trình đ ộ p h â n tích của từ n g thời kỳ, so n g cũ n g có
đ ộ lệch ch u ẩn trong k h oản g 20% Taylor và
M cL ennan (1985) đã xác đ ịn h hàm lư ợn g các n gu yên
t ố v ết tron g v ò lục địa Cả hai loại s ố liệu bằng đem
vị h àm lư ợ n g q u y ư ớ c p p m hay theo 106 n g u y ên tử
Si Sự khác b iệt v ề đ ộ p h ổ b iến của các n g u y ên tố đât
h iếm riên g lẻ tron g v ỏ lục địa của Trái Đ ất là d o cấu trúc hạt n h ân và đ ặc tính địa hóa của chúng.
Đ ổ thị củ a các y ế u t ố làm giàu trên hình 2 cho thấy v ỏ lục địa Trái Đ ất già u các n g u y ê n tố ưa đá (lith op h ile), n h ư n g n g h è o h ơn hầu hết các n g u y ên tố
ưa sắt (sid ero p h ile) và ưa lưu huỳn h (chalcophile) so với h ệ M ặt Trời [H 2] N g o ạ i lệ là có sự n g h èo đi các
n g u y ê n tố M g và o , d o ch ú n g được tập trung trong
Trang 3m anti và hàm lượng Cr, M n cũ n g thâp h ơn trong
Mặt Trời H ơn nữa, m ột s ố n g u y ê n tố ưa lưu h u ỳn h
như Pb và TI lại có xu th ế g iàu lên tới 1,3-7,0 lẩn so
với Mặt Trời Sự làm già u Pb tron g các đá của vỏ
Trái Đất có th ế giải thích b ằn g quá trình p h ân rã Ư
và Th là n h ữ n g n gu yên tố p h ó n g xạ chủ y ếu đ ư ợc
tập trung ờ v ỏ Trái Đâ't Sự có m ặt vớ i h àm lư ợn g
cùa TI cao trong v ỏ Trái Đ ât có th ê d o khả n ă n g thay
th ế của n ó cho K* trong các k h o á n g v ậ t của kali, bâ't
châp thuộc tính ưa lưu h u ỳ n h (ch a lco p h ile) của nó.
•5+2- ơ>
i+ 1-
0 ■
•p- -1
6 1
0 - 2 -
£-3 -L
Be
LìA b
Số thừ tự nguyên tử Giàu lên trong vỏ lục điạ
KCaTi
Na Ạl
, Ỹ
N ghèo đi trong vộ
S r Z r N b
ạ s - r £ X \
Mo
G e\se
+2-
3 + 1 -
õ) 0 -
Jg -1 '
ỉt
Ag1n3^Sb-5Cs-'~
Ị Cd
»n trong vỏ - Ltí- W
Re
Th g
N ghèo đi trong vỏ lục địa
•Au
Sổ thư tự nguyèn từ
80 90 92
Các kết quả n ghiên cứu cho thấy có sự khác biệt giữ a thành phần hóa học của v ỏ lụ c địa (khiên lục
đ ịa + các đai u ốn n ếp trẻ) và v ỏ đại d ư ơ n g (vù n g đại
d ư ơ n g sảu) So với v ỏ lục địa thì v ỏ đại d ư ơ n g có thành phần trung bình của các n g u y ên tổ Fe2C>3+FeO,
M gO , CaO, MnO, P2 O 5 và T1O2 cao hơn; còn SÌƠ2, AỈ2Ơ3, N a2Ơ và K2O thấp hơn.
Thành phần của thủy quyển
Thủy q uyển bao gồm toàn bộ các loại nước tự
n h iên trên Trái Đât liên hệ với nhau thôn g qua chu trình nước Trong chu trình này, nơi tích tụ nước lớn
n hất là các đại d ư ơ n g chiếm tới 97,20% tống lượng
n ư ớ c của thủy quyển, tiếp đ ến là các khối băng ở
N am cực và Bắc cực (2,05%) và nước ngầm dưới sâu (0,78%) Phẩn còn lại gồm nước ngầm n ôn g (0,38%),
h ổ (0,01%) và sôn g (0,0001%).
T h à n h p h ầ n h ó a h ọ c c ù a n ư ớ c b iển
N ư ớ c biển là d u n g dịch tự nhiên có n ồng độ chất hòa tan cao, tạo ra các trị số nồng đ ộ và hoạt tính có
n h ử n g nét khác biệt đáng kể Sự phân b ố của các
n g u y ên tố trong nước biển rât khác nhau; nếu coi toàn
b ộ vật chât hòa tan (độ m uối) của đại d ư ơng là 100% thì trong đ ó có hơn 95% là các ion chính [Bảng 3] và tât cả các n gu yên tố còn lại chi chiếm 4,2% N h ư vậy, thành phần hóa học của nước biển chủ yếu được xác
đ ịnh bởi m ột s ố ít các n gu yên tố và ion.
(theo Pilson, 1998)
Hình 2 Đ ộ phổ biến của các nguyên tố trong vỏ lục địa
Trái Đất theo 106 nguyên tử Si (hình trên) Hệ số làm giàu
của các nguyên tố trong vỏ lục địa so với độ phổ biến của
chúng trong hệ M ặt Trời (hình d ư ớ i) (theo T aylo r và
McLennan, 1985).
T hành p h ầ n vò đ ạ i d ư ơ n g
Mặc d ù chưa khoan qua đ ư ợ c lớ p v ỏ đ ại d ư ơ n g,
son g các nhà địa chất có b ằ n g ch ử n g đ ể h iếu đ ư ợ c
câu tạo và thành phẩn v ò đ ại d ư ơ n g Sự tính toán
thành phần của v ỏ đại d ư ơ n g d ự a trên p h ân tích
op hiolit (các phẩn v ỏ đại d ư ơ n g đ ư ợ c bảo tổn trên
các lục địa), so sánh cấu trúc của lớ p vỏ đại d ư ơ n g
theo kết quả thí n gh iệm củ a v ậ n tốc só n g đ ịa chấn
trong các loại đá đã biết, các m ẫu thu hổi từ đ á y đại
dư ơng, nhât là từ các số n g n ú i và các đ ớ i đ ứ t gãy,
bằng tàu lặn và các lõi k hoan C ác đá n ú i lửa đ ổ sộ
nhất của d ãy núi giữ a đại d ư ơ n g là b asalt sư ờ n núi
có n gu ồn gố c từ m agm a th o leiit thâp kali C ác đá
này có hàm lư ợn g thấp của các n g u y ê n tố ưa đá ion
lớn (LILE) và có hàm lư ợ n g cao các n g u y ê n t ố đât
h iếm nhẹ (LREE), các n g u y ê n t ố d ễ bay h ơ i và các
n gu yên tố khác k h ôn g tư ơ n g thích C ó th ể tìm thây
basalt đ ư ợ c làm giàu các n g u y ê n tố k h ô n g tư ơng
thích, n h ư n g r ấ t h iếm và th ư ờ n g đi liền v ớ i đ iểm
n ón g của d ã y núi giữ a đại d ư ơ n g
Cation
Anion
Các chât khí hòa tan chủ y ếu là N2, Ơ2, CO2 và
H2S, có hàm lư ợn g liên quan trực tiếp tới h oạt đ ộn g
củ a sinh vật trong biến N h ữ n g n gh iên cứu chi tiết
v ề đặc tính hóa h ọc của nước b iến thư ờn g tập trung
v à o ba loại phản ứ n g trao đ ổi chính: 1) giữ a n ư óc
b iển với khí quyển; 2) giữa n ư ớc b iển với các trầm tích đáy; và 3) giữa nước biển vớ i sinh vật Cả O2 và
C O2 đ ều đ ư ợ c trao đ ổi với khí quyển; m ặt khác,
ch ú n g đ ư ợ c tạo ra nhờ các quá trình sinh học Các sin h vật b iến bô su n g và tiêu thụ m ột s ố n g u y ên tố,
cụ th ế là carbon, oxy, nitro, p hosp hor, silic và nhiều
Trang 4576 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT
n g u y ê n t ố v ết khác N h iề u p hản ứ n g xảy ra tại các
trung tâm tách giãn , nơi p h u n trào đ áy b iến h oạt
đ ộ n g Bản chất và q u y m ô của các p h ản ứ n g hóa h ọc
b ên d ư ớ i và bên trên đ á y b iến tù y th u ộ c v à o n h iệt đ ộ
và tỷ lệ n ư ớ c-đ á M ột s ố n g u y ê n t ố đ ư ợ c g iả i p h ó n g
v à o d u n g d ịch ờ n h iệt đ ộ cao và đ ư ợ c b asalt g iữ lại
ở n h iệt đ ộ thấp Sự rửa lũa các kim loại từ đá và k h ử
SO42 thàn h H2S trong n ư ớ c có th ế là n g u y ê n nhân
tạo ra d u n g d ịch q uặn g.
T h à n h p h ầ n c ù a n ư ớ c lụ c đ ịa
T h ành p hẩn hóa h ọ c của n ư ớ c trên lụ c đ ịa khác
v ớ i n ư ớ c b iển d o tính đa d ạn g, p h ụ th u ộc v à o đ iều
k iện địa lý và h óa lý của d ò n g ch ảy H ai loại n ư ớ c
lụ c địa chủ y ếu là n ư ớ c sô n g -h ồ và n ư ớ c ngầm
N ước sông-hổ: T hành p h ần n ư ớ c sô n g và hô' biến
đ ố i th eo các y ế u tố địa p h ư ơ n g và thời gian, v ề tôn g
th ê thàn h p h ần của n ư ớ c sô n g -h ổ p h ụ th u ộc v à o loại
đ ât đá m à n ư ớ c ch ả y qua h oặc tiếp xú c và thành
p hần n h ừ n g n g u ồ n n ư ớ c từ các su ố i nhán h h ay n ư ớ c
n gẩm C ác h ợ p p hẩn q u an trọng n hất của n ư ớ c sô n g
h ổ là H C O r, C a2+, SiCh, SƠ42 , C1, N a +, M g2+ và K \
T ổn g lư ợ n g k h o á n g h óa tru ng b ình chi v à o k h oản g
120ppm Đ ộ p H của n ư ớ c sô n g và h ổ còn p hụ th u ộc
v à o h àm lư ợ n g d io x id carbon củ a khí q u yển , n goại
trừ trư ờ n g h ợ p k h ô n g tiếp xú c trực tiếp vớ i khí
q u y ể n n h ư các h ổ n ư ớ c sâu H àm lư ợ n g C O2 và đ ộ
p H của n ư ớ c cũ n g ch ịu ảnh h ư ở n g của quá trình
sin h ra C O2 d o h ô h âp và p hân h ủ y của sin h vật.
N ước ngẩm: H ầu h ết n ư ớ c d ư ớ i đ ất là n ư ớ c n gẩm
(n ư ớ c p h ân b ố ở b ên d ư ớ i g ư ơ n g n ư ớ c n gầm )
N g ư ờ i ta đã p h ân ra 2 loại n ư ớ c n g ầ m ch ín h là n ư ớ c
nhạt (loại đ iển h ình nhât) và n ư ớ c k h o á n g (đ ặc tru n g
bởi vật chât hòa tan v ó i h àm lư ợ n g cao trên vài
n g h ìn mg/1) T hành p h ần k h o á n g vật của các đá chứa
có ảnh h ư ở n g trực tiếp tới thành p hẩn củ a n ư ớ c
n gầm C ác an ion chủ đ ạ o tron g n ư ớ c n gầm đ ố i vớ i
tất cả các loại đ á chứa là H C O3' C òn các cation chủ
đ ạ o là N a +, C a2*, M g 2+ vớ i tý lệ khác n hau , tù y th u ộc
v à o thàn h p h ần loại đá ch ứ a H àm lư ợ n g silic còn
p hụ th u ộ c v à o m ứ c đ ộ phá h ủ y các k h o á n g vật
silicat củ a đá ch ứ a N ư ớ c tù’ các đá m agm a v à đá v ô i
th ư ờ n g có đ ộ p H từ 6,5 đ ến 8,0, còn n ư ớ c từ cát kết
và p h iế n sét thì có trị s ố p H d a o đ ộ n g từ 4,0 đ ế n >9,0.
Thành phần hóa học của khí quyển
Khí q u y ể n là ló p v ỏ d ạ n g khí n g o à i cù n g của Trái
Đ ất, k hối lư ợ n g chủ y ế u (tới 9/10) tập trung ở đ ộ cao
d ư ớ i 16km , trên lOOkm k h ôi lư ợ n g k h ôn g đ á n g kể
N g o à i ra, các chất khí còn có ở b ên d ư ớ i m ặt đất.
T h à n h p h ầ n k h í q u y ể n trê n m ặ t đ ấ t
N g à y n a y n h ờ các v ệ tinh có lắp đặt các thiết bị
n ên v iệ c n g h iên cử u khí q u y ể n khá thu ận lợi, thu
đ ư ợ c các th ô n g tin ch ín h xác v ể thành phần và trạng
thái của khí q u yến
ơ tầng trên của khí q u yến xảy ra quá trình phân ly
và ion hóa các khí d ư ớ i tác d ụ n g của bức xạ Mặt Trời
D o quá trình phân ly này, các khí từ trạng thái phân
tử ch u yên sa n g trạng thái n g u y ê n tử Các bức xạ tủ ngoại của M ặt Trời g ồ m các đ iện tử, proton, a và các hạt cơ bản khác đi v à o tầng trên khí q uyến gây ion hóa các khí D ần d ần tầng trên khí q uyên hòa lẫn với khí k h ôn g gian giừ a các hành tinh (có m ật đ ộ lCPcặp ion /cm 3) C hính tầng đ iện ly g ồ m các hạt bị ion hóa bị thu hút vào từ trường Trái Đ ất và thực h iện chuyến
đ ộn g d ọc theo h ư ớ n g lự c từ trường.
T hành p hần h óa h ọc chủ y ế u cùa k h ô n g khí là N2,
O2, Ar và C O2, ch iếm tới 99,99% k h ô n g khí khô Thú
đ ến là Ơ3, H2 và các khí trơ n h ư H e, N e, Kr, Xe và
Rn M ột p hẩn n h ỏ n h ư n g khá q uan trọng của khí
q u yến là các hạt k eo n hỏ, bụi khí có thành phần và
n g u ồ n g ố c khác n hau từ V ũ Trụ, các chất thải côn g
n g h iệp , sản p h ẩm củ a các v ụ n ô hạt nhân Tuy
n hiên, có th ê n ó i thàn h p h ầ n của khí q u yển nhìn
ch u n g khá đ ổ n g nhât R iên g p hẩn trên của khí q uyển
cỏ khác b iệt v ề thàn h phẩn d o xảy ra các quá trình
q u an g hóa.
T h à n h p h ầ n k h í q u y ể n tro n g lò n g đ ấ t
Khi đ ề cập đ ến khí q u y ể n , n h iều nhà khoa h ọc bô
su n g thêm khái n iệm "khí q u y ể n trong lòn g đất" (V ernadski, 1924) T hành p hần của các khí d ư ớ i đất
liên q uan tới các đá và các đ iều kiện n hiệt đ ộ n g ở nơi
ch ú n g tổn tại Khi n h iệt đ ộ tăng cao, h àn g loạt các
h ợp chât trở thàn h trạng thái khí hoặc d o đ ặc tính vật lý, h o ặ c d o p h ân h ủ y các k h o á n g vật, trong đ ó có
h ợp p h ần tự d o ở trạng thái khí M ột phẩn đ án g k ể các khí d ư ớ i đ ât là các khí trơ, m ột s ố trong đ ó có
n g u ồ n g ố c p h ó n g xạ.
D o n h iệ t đ ộ và áp su ất b ên tron g Trái Đ ất tăng lên n ên trạng thái k h í-lỏ n g cũ n g thay đ ối Ở dưới sâu, m ỗi khi n h iệ t đ ộ v ư ợ t quá đ iểm tới hạn của
nư ớc (+374°C), n ư ớ c ở trạng thái hơi có khà n ăng hòa
tan rất lớn v à o d u n g th ế silicat và thoát ra ngoài
th ôn g qua p h u n trào n ú i lửa C ó th ể n ói quá trình
p h u n trào cù a h ành tinh đ ư ợ c x em n h ư m ột sự thoát
khí rất lớ n từ lò n g đât D o đ ó, v iệ c n g h iên cứu thành phẩn khí n ú i lửa đã thu h ú t sự q uan tâm đ ặc biệt của các nhà đ ịa chất, bời v ì n ó p h ản ánh đ ú n g thành phần khí từ các tấn g sâu củ a v ỏ Trái Đ ất và phẵn trên m anti Các khí ch ù y ế u b ao gồm : H2 hhS, SƠ2,
CƠ2, S2 (khí) và h ơ i n ước.
Tài liệu tham khảo
B e m e r E K a n d R A B e m e r , 1 9 8 7 T h e G l o b a l V V ater C y c le
P r e n t ic e H a ỉ ỉ E n g le ĩv o o d C l if f s N I 3 9 7 p g s
B r u l a n d K v v , 1 9 8 3 T r a c e e l e m e n t s i n s e a v v a te r C h e m ic a l
O c e a tío g r a p h y A c a d P re s V o l 8, C h a p 4 5 : 1 5 7 -2 2 0
C a r ls o n R w # P e a r s o n D G , a n d J a m e s D E., 2004 P h y sic al,
c h e m ic a l, a n d c h r o n o lo g ic a l c h a r a c te r is tic s o f C o n tin e n tal
Trang 5D r e v e r J ỉ., 1988 T h e g e o c h e m i s t r y o f n a t u r a l v v a te rs P r e n t ic e T a y l o r s R , a n d s M M c L e n n a n , 1 9 8 5 T h e C o n t i n e n t a l c r u s t :
H í ì ll, E n g le ĩv o o d C l if f s , 4 3 7 p g s I t s c o m p o s i t i o n a n d e v o l u t i o n B la c k ĩv e ll S c i e n t if ic
P u b ỉic a t io n s 3 1 2 p g s O x f o r d
Chu trình địa hóa
N guyền V ã n Phô V iệ n Đ ịa chất,
V iệ n Hàn lâm K h o a học và C ô n g nghệ V iệ t N am
Giới thiệu
Vật chât trong Trái Đâ't lu ô n vận đ ộ n g Q uá trình
vận đ ộn g và ch u y ên hóa vật châ't th ô n g qua các bổn
chứa khác nhau tron g toàn b ộ h ệ đ ịa hóa của Trái
Đất tạo nên các chu trình đ ư ợ c g ọ i là chu trình địa
hóa Trong chu trình n ày, v ậ t châ't ch u y ên biến tuần
hoàn m ột cách liên tục n hư m ột cỗ m áy, trong đ ó các
bồn chứa khác n h au liên h ệ v ớ i n hau b ằng các
đ ư ờ n g dân C hính n h ờ các đ ư ờ n g d ần n à y mà vật
chất di ch u yên từ b ổn ch ứ a n ày sa n g bổn ch ứ a khác,
trong đ ỏ xảy ra các quá trình ch u y ể n hóa, trộn lẫn và
phân b ố lại các n g u y ê n tố, d o đ ó chu trình n ày m ang
tính tiến hóa và k h ô n g lặp lại h oàn toàn.
Chu trình địa hóa
Chu trình địa h óa tron g p h ạm v i Trái Đ ất có thê
gồm chu trình địa hóa lớn (tổ n g thê), chu trình địa
hóa n h ỏ (từng g ia i đ o ạ n nhât đ ịn h ) và chu trình địa
hóa của các n g u y ê n tố.
Chu trình địa hóa lớn
C ác n g u y ê n tô' p h ô biên q u y ế t đ ịn h đ ặc tính hóa
h ọ c của v ỏ Trái Đâ't; ch ú n g tham gia v à o chu trình
tổ n g th ế trong Trái Đâ't và đ ư ợ c g ọ i là chu trình lớn [H l], tron g đ ó th ế h iện m ôi liê n q u an giừ a các quá trình tron g thạch q u y ể n Trái Đâ't vớ i th ủ y q u y ể n , khí
q u y ể n và sinh q u yển
Đ ối với thạch q uyển, chu trình địa hóa h ọc bắt đầu
vớ i quá trình kết tinh m agm a gẩn trên m ặt và ở d ư ớ i sâu Khi các đá n ày bị đưa lên trên m ặt, ch ú n g bị
p h o n g hóa thành các k h oán g vật thứ sinh Các k h oán g vật th ứ sinh đ ó đ ư ợ c vận ch u yên và lắng đ ọ n g trong
b ổn chứa trâm tích Các trầm tích bị n hân chìm và trải qua quá trình thành đá tạo thành các đá trầm tích Các
đá trầm tích có thê tiếp tục bị n hấn ch ìm tói đ ộ sâu lớn và bị biến dạng, tái kết tinh đ ê thành các đá biến châ't Các đá biến chât lại có thê tiếp tục rơi v à o đ ộ sâu lớn và n hiệt đ ộ cao, bị n ón g ch ảy và ch u y ến thành các
d u n g th ể m agm a (bồn chứa m agm a).
Tạo đá
Bỉến chất
Kết tình
Vật chất nguyên sinh
Sinh quyển
Thủy quyển
Hinh 1 Chu trin h vận động vậ t ch ấ t trong phạm vi vỏ T rái Đất, trong đó chù yếu bao gồm các bồn
chửa m agm a, trầm tích và biến chất C á c hướng m ũi tên ch ỉ rõ các quá trình địa chất - địa hóa
Trang 6578 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT
D u n g tích các b ổn chứa và thời gian lưu trú của
từng n gu yên tố trong m ỗi bổn chứa lại phụ thuộc
vào tính chât của các n g u y ê n tố Thời gian lu n giữ
các n gu yên tố trong các bồn chứa có th ế đư ợc xác
định bằng côn g thức toán học sau:
A
T ~ (dA/dT)
trong đó: A là tổn g lư ợ n g n gu yên tố (hay hợp chất)
có trong bổn chứa; dA /dT là tốc đ ộ đẩu vào hay đẩu
ra của n g u y ên tố.
Chu trình địa hóa nhỏ
Vật chất k h ôn g nhâ't thiết phải vận ch u yên đ ú n g
trình tự của toàn bộ chu trình lớn m ột cách hoàn hảo
C húng có thê vận đ ộ n g trong m ột khuôn khô nào đó
theo con đ ư ờ n g n gắn hay trong m ột giai đ oạn nhât
định tạo thành chu trình địa hóa nhỏ M ỗi chu trình
nhỏ củ n g có th ể có các bổn chứa Ví dụ: các đá trầm
tích bị p h on g hóa, các n gu yên tố đư ợc giải p hón g
đ ư ợc vận ch uyển ra biển; sau đ ó lại đ ư ợ c lắng đ ọn g
và qua quá trình thành đá đ ê tạo thành các đá trầm
tích mới Trầm tích biến trong đới hút chìm có th ể bị
nhấn xu ống tới đ ộ sâu lớn và bị b iến đổi hoặc n ón g
chảy trực tiếp thành các d u n g thê m agm a, rổi kết
tinh thành các đá m agm a.
Chu trình địa hóa của các nguyên tố
Các n gu yên tố khác nhau có sự vận đ ộ n g khác
nhau trong tự n hiên và tạo ra các chu trình riêng,
Tuy nhiên, sự vận đ ộ n g của m ột n g u y ên tố không
xảy ra tách biệt vớ i n g u y ê n tố khác Ví dụ: chu trình
lưu h u ỳn h [H.2] là tập hợp các quá trình di chu yến
của lưu h uỳn h tới h oặc từ các k h oán g vật (gồm cả
d ạng hòa tan) và các cơ th ế sốn g.
SH
so4 - - 2 5 Ị _ -► H;s
HÔ háp kỵ khí
Oxy hỏa
T r S s
Vi khuân thạch dưỡng
Vi khuẳn quang dưỡng
Hình 2 Chu trình vận động của lưu huỳnh hữu cơ trong
phạm vi vỏ Trái Đất, trong đó bao gồm hai quá trinh chính
là đồng hóa và phân hủy
Địa hóa của quá trình magma
Tính đa d ạng v ề thành phần m agm a và các đá
m agm a d ư ờ n g n h ư tuân thu theo hai quá trình khác
nhau xảy ra ở đ ộ sâu và áp suâ't khác nhau: ĩ) Quá
trình n óng ch ảy cụ c b ộ các đá khác nhau; và 2) Q uá trình kết tinh p h ần đ oạn m agm a n g u y ê n sinh và
m agm a m ới p hát sin h D ư ớ i đ â y giớ i thiệu v ể địa hóa của các n g u y ê n t ố chính, các n g u y ê n tố vết và các đ ổn g vị tron g đá m agm a.
Các nguyên tố chính trong các đá m agma Thành p hẩn hóa h ọ c và sự p h ân b ố các n g u y ên tô chính trong các đá m agm a khác n hau đ ư ợc thê h iện
n h ư sau.
- Các nguyên t ố ưa đá (lith o p h ile) - Na, Al, Ca, Sc,
Ti, V, Mn và Sr tập trung n hất trong các đá thành phần basalt, tru ng tính, n h ư n g n g h è o trong các đá siêu m afic và các đá granit n g h è o Ca.
- Các nguyên tô'ưa sắt (sid ero p h ile) (Fe, Co, N i, Au
và nhóm Pt) - tập trung m ạn h trong các đá siêu
m afic và hàm lư ợ n g giảm th eo h àm log trong các đá basalt và granit C h ú n g đi vớ i M g và Cr là n h ừ n g
n gu yên tố ưa đá, n h ư n g lại có hành v i g iố n g các
n gu yên tố ưa sắt.
- Các nguyên tô' ưa lưu huỳnh (ch alcop hile) (Cu,
Zn, Ga, A g, C d, s , A s và Sb) - đ ư ợ c làm giàu m ạnh nhất trong các đá m agm a m a íic và trung tính và
n gh èo trong các đá siêu m afic và các granit thâp Ca
N goại lệ p h ải k ể đ ế n In, H g, TI và Pb là n h ừ n g
n gu yên tố đi cù n g vớ i các n g u y ê n tố ưa đá tạo nên khoáng vật đ ộ c lập (k h ô n g tư ơ n g hợp) và tập trung trong các loại gran it thấp Ca M ặt khác, các n g u y ên
t ố ưa lưu h u ỳ n h đ ư ợ c liên kết vớ i các kim loại n hóm
ưa sắt M o và Re.
Các nguyên tố vết trong m agm a Các n g u y ê n t ố v ế t có thê đ ư ợ c phân ra thành hai
nhóm : I) Các nguyên tô'tương hợp là các n g u y ên tố có
thế đi vào các k h o á n g vật đ ư ợ c kết tinh từ d u n g thê
m agm a, 2) Các nguỵên tô' không tương hợp là các
n gu yẻn t ế k h ó thay t h ế ch o các n g u y ê n t ố chính trong ô m ạng tinh th ế k h oán g vật và có xu th ế tập trung trong d u n g th ể tàn dư.
H ệ s ố p h â n b ó c á c n g u y ê n tố v ế t
Đ ê xác đ ịn h các n g u y ê n t ố k h ôn g tư ơ n g hợp người ta sử d ụ n g p h ư ơ n g p h áp xác đ ịnh hệ s ố phân
b ố giữa pha lỏ n g và p h a rắn th eo cô n g thức:
trong đó: K d là h ệ s ổ p hân b ố N em st; Ci m là hàm
lư ợn g n g u y ê n tô v ết i trong k h oán g vật đ ư ợ c kết
tinh; Ci l là hàm lư ợ n g n g u y ê n t ố i trong d u n g thê m à
khoáng vật đ ư ợ c kết tinh từ đó.
Các hệ s ô p h ân b ô k h oán g vật - d u n g th ế cùa m ột
s ố n gu yên t ố v ết đ ư ợ c thê h iện ờ Bảng 1.
Trong n g h iê n cứu quá trình kết tinh m agm a đối với m ột loại đá đã ch o, n g ư ờ i ta cần phải tính hệ s ố phân b ố thô D:
Trang 70 - ^ ( 0 K trong đ ó co j l à p h ẩn trăm trọng lượng
1=1
của k hoán g vật có ch ứ a n g u y ê n t ố i trong đá; K d là
h ệ S Ố p h â n b ố c ủ a n g u y ê n t ố i g i ữ a k h o á n g v ậ t v à
d u n g th ế cùng tổn tại C ác trị s ố Kn riên g lẻ đ ư ợc th ể
hiện trên Bảng 1.
Bảng 1 Hệ số phân bố khoáng vật-dung thể.
Am phibol
Biotit
Clinopyroxen
Granat
Felspat K
Olivin
O rthopyroxen
Plagioclas
Spinel
(Theo Paul C R agland, 1989)
Mô hình hóa các nguyên tố vết
Mô hình hóa các n g u y ê n tô v ết là v iệ c thiết lập
các m ô hình toán h ọ c d à n h ch o quá trình n ó n g chảy
cụ c b ộ và quá trình kết tinh (R ollin son , 1993).
Mô hình nóng chảy cục bộ tron g m ô h ìn h này chất
lỏn g đ ư ợ c d u y trì tron g cân b ằ n g v ớ i chât rắn tàn dư
Có hai k iêu n ó n g ch ảy từ n g phần: n ó n g chảy từng
đ ọ t và n ó n g chảy p h ân đ oạn
Mồ hình nóng chảy từ n g đợt (từng mẻ) trong đ ó pha
lỏn g n ằm trong cân b ằ n g v ớ i vật liệ u tàn d ư cho đến
khi đ iểu kiện ch o p h é p tách thàn h "mẻ" ra khỏi
m agm a n g u y ê n th ủ y N ồ n g đ ộ n g u y ê n t ố vết trong
d u n g th ế lỏn g (C l ) có q u an h ệ v ớ i n ồ n g đ ộ n gu yên
tố đ ó trong n g u ồ n ch ư a bị n ó n g ch ảy (Co) và n ồn g
đ ộ của n g u y ê n t ố v ế t tron g v ậ t liệu tàn d ư chưa
n ón g ch ảy (Cs) có q uan h ệ v ớ i n g u ồ n chưa n ón g
chảy (Co) Rõ ràng m ứ c đ ộ n ó n g ch ảy tù n g phần tăng
lên khiến n h iều k h o á n g vật bị b iến mâ't, làm cho giá
trị D b iến đ ối k h ô n g liê n tục.
Đ ổ th ị trên h ìn h 3 p h ản án h m ố i tư ơ n g quan giữa
Cu và Co với F tron g trư ờ n g h ợ p D k h ôn g đối Các
đ ư ờ n g co n g th ể h iện h ành v i của các n g u y ê n t ố vết
d ối với m ỗi quá trình [H 3a] N ồ n g đ ộ n g u y ê n tố
k hôn g tư ơ n g h ợ p trong d u n g th ể có thê đ ạt giá trị
1/F (khi D = 0), đ ạt giá trị rất cao khi m ứ c đ ộ n óng
chày rất thấp và đ ạt cự c đại là 1/D (F = 0).
M ô hình n ó n g ch ả y p hân đ o ạ n m ô tả sự phân
đoạn trong khi c h ư n g cất, tron g đ ó m ột lư ợn g chât
lỏn g đ ư ợ c tạo thành cân bằng với pha tàn dư và sau
đ ó đ ư ợc tách khỏi hệ Sụ biến thiên n ồn g đ ộ ở đây
m ạnh hon nhiều so với trường hợp n ón g chảy tửng
m ẻ [H.3b] G iới hạn tăng của n gu yên tố k hôn g tương hợp trong d u n g th ế vẫn là 1/D, n h ư n g giới hạn của
n g u y ên tố tương hợp tiến tới v ô cù n g lớn khi F tiến tới 1 D u n g th ể vẫn cân bằng với pha tàn dư, d o đó
n ồn g đ ộ n g u y ên tố vết trong pha này C r = D C l còn lớn hơn.
thẻ so với nguồn ban đầu (C 1 /C 0 ) trong suốt quá trình nóng chảy cục bộ với m ức độ nóng chảy (F) biến đổi Các đườna cong đư ợc đánh số biểu thị các trị số của hệ
số phân bo thô (D) Khi nóng chảy với m ức độ nhỏ thì các nguyên tố tương hợp giảm đi nhiều so với nguồn, còn các nguyên tố không tương hợp được giàu lên cực đại (1/F); b) Độ làm giàu của các nguyên to vết trong phần tàn dư so với nguồn ban đầu (C 1 /C 0 ) với m ức độ nóng chảy (F) biến đổi (theo R Rollinson, 1993).
Mò hình kết tinh phân đoạn trong trường hợp này
Co là n ồng đ ộ n gu yên thủy của m ột n gu yên tố trong
m agm a n gu yên sinh, còn C l là nồng đ ộ của n gu yên tố
đ ó sinh ra trong quá trình n óng chảy từng phần F bây giờ trờ thành thành phẩn của chât lỏng n gu yên thủy còn lại D o đ ó ta có: Cl/Co = F(D-1) Sự làm giàu n guyên
tố không tương hợp (D < 1) hoàn toàn giốn g với trường hợp d u n g dịch cân bằng cho đ ến khi trên 75%
d u n g thê m agm a đư ợc kết tinh, khi đ ó nó nhanh
ch ón g đạt giá trị 1/F N ồn g đ ộ của chúng trong pha lỏng nhanh chóng giảm xu ống dưới 1/D.
Các nguyên tố đất hiếm trong magma
D o có n h ữ n g sự khác biệt v ể bán kính ion giữa các n g u y ên tố n hóm đất hiếm n ên trong d u n g th ể
m agm a các n g u y ên tố đất hiếm nhẹ kém tương hợp hơn các n g u y ên tố đất h iếm nặng [Bảng 2] Từ đó dẫn đ ến sự khác biệt v ể hệ s ố phân b ố của ch ú ng trong d u n g thê có chứa granat (khó n ón g chảy) và
d u n g th ể peridotit (dễ n ón g chảy) Q uá trình n óng chảy cục bộ p eridotit chứa granat làm phân dị m ạnh
m ẽ các n g u y ê n tố đất hiếm: các n g u y ên tổ đất hiếm
n ặng ở lại trong chất rắn, còn các n g u y ên tố đất hiếm nhẹ tham gia vào d u n g th ể m ới [H.4] N g o à i ra, trong quá trình n ón g chảy peridotit k hôn g chứa granat (ở m ứ c n ôn g hơn) thì k hôn g th ể h iện sự phân
dị giữa các n g u y ên tổ đâ't hiếm.
Trang 8580 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT
Bảng 2 Chỉ số các nguyên tố đất hiếm trong các đá m agma.
57 La 1,26 24,20 0,3670 65,9 0,14 102,0
58 Ce 1,22 53,70 0,9570 56,1 0,14 087,0
67 Ho 1,10 01,33 0,0551 15,6 — —
68 Er 1,08 03,70 0 ,2 4 9 0 14,9 0,08 023,8
r- bán kính ion Ả của các nguyên tổ đất hiểm hóa trị 3
(VVhittaker & M untus, 1970).
C- hàm lượng (ppm ) các nguyên tố đ ất hiếm trong đá basalt
chuẩn (Taylor & M c Lem an, 1978).
Kcr hệ số phân bố trung bình đối vớ i p lagioclas trong cá c đá
m agm a (H enderson, 1982).
C kt hàm lư ợng trung bình (pp m ) trong ch o n drit carbon
(Evensen et al., 1978).
4 0 PL- C/C mtrong dung thể tàn dư sau khi đã loại 40%
plagioclas khỏi dung thẻ ban đầu.
T heo Paul C R agland, 1989.
REE
H ìn h 4 Hàm lư ợ ng các nguyên tố đ ất hiếm đ ư ợ c chuẩn
hóa theo chondrit của các dung thề đư ợ c tạo ra bằng quá
trình nóng chảy cân bằng của p e rid o tit và p e rid o tit chứa
granat REEch là tỷ số hàm lư ợ ng của nguyên tố đ ất hiếm
trong mẫu trên hàm lư ợ ng cùa chính nó trong ch o n drit F là
phần dung thể đư ợ c tạ o ra do nóng ch ả y cục bộ (Theo Paul
c Hess, 1989).
Đ ổ thị hàm lư ợ n g của các n g u y ê n tố đ ất h iếm
th ư ờ n g khác b iệt n hau đ ô i vớ i các loại đá m agm a
khác nhau và th ư ờ n g p hát h iện đ ư ợ c các d ị th ư ờ n g
europi Thí dụ, đ ổ thị của các n gu yên tố đất hiếm của basalt số n g núi giữa đại d ư ơ n g (MORB) đư ợc
th ể h iện trên hình 5 [H.5] Đ ổ thị basalt sốn g núi giữ a đại d ư ơ n g là m ột đ ư ờ n g cong đi lên, còn
n hiều loại basalt khác có đ ổ thị cũ n g là đ ư ờ n g cong
đi xu ố n g BCR-1 [H.5] Các đá basalt sốn g núi giũa đại d ư ơ n g có thiên h ư ớ n g tạo ra các đô' thị hàm
lư ợn g các n g u y ên tố đât h iếm son g so n g với nhau,
n h u n g khác nhau v ề tống hàm lư ợn g các n gu yên tố đất hiếm
2
theo chondrit đối với các basalt sống núi giữa đại dương (M O RB),đá basalt chuẩn BCR-1 vả đá mới được tạo ra (40PI) đư ợc tính theo quá trình loại bỏ plagioclas khỏi dung thẻ có thành phần BCR-1 Đá mới sinh ra có m ột dị thường âm nhỏ của europi (theo Paul c Ragland, 1989).
Europi là m ột n gu yên tố đ ư ợ c sử d ụ n g rằt hữu
hiệu trong việc luận giải quá trình k ế t tinh m agm a
Khi m agm a có trạng thái oxy hóa thấp thì Eu2* xuất hiện, bởi vì kích thước và đ iện tích của nó cho p hép thay th ế cho Ca2+ trong felspat plagioclas D o vậy, đổ thị hàm lư ợn g các n g u y ên tố đất hiếm thường thể
h iện các dị th ư ờ n g d ư ơ n g (giàu lên tương đổi) hoặc
âm (n gh èo đi tư ơng đ ối) của eu rop i so với n gu yên tố đất hiếm k ề cạnh [H.5] Dị thư ờn g âm của europi là kết quả của quá trình thành tạo và tách plagioclas khỏi d u n g th ế đ ang kết tinh Các đá tích lũy
p lagioclas sê có dị thường eu rop i dương Tương tự
n hư vậy, quá trình n ón g chảy cục bộ các đá n gu yên sinh, trong đ ó plagioclas bị g iữ lại trong vật chât tàn
dư, sẽ tạo ra d u n g thê m agm a có dị thư ờn g europi
âm Tóm lại, từ n h ữ n g vấn đ ể d iễn giải trên v ế các
n gu yên tố đất hiếm , có thê thây rằng các đá có hàm lượng các n g u y ên tố đât h iếm ít nhiều khác biệt so với trị SỐ hàm lư ợn g của ch ú ng trong chondrit theo
n hữ n g chiểu h ư ớ n g sau đây:
1) Giàu lên h oặc n gh èo đi tất cả các n g u y ên tố đât hiếm;
Trang 92) Giàu hoặc n gh èo kiệt tương đối của các
nguyên tố đ ấ t hiếm nhẹ so với các n gu yên tô đất
hiếm nặng;
3) Có các dị thư ờn g europi d ư ơ n g hoặc âm.
Mồi biến đổi này (hoặc thậm chí không có biến
đối) đư ợc p hát hiện trong m ỗi loại đá đều là n hữ n g
thông tin đ án g tin cậy vê' quá trình thành tạo và lịch
sù tiến hoá của m agm a tạo nên loại đá đó.
Các đồng vị trong magma
Tý lệ các đ ổ n g vị trong các đá m agm a là n hữ n g
tiêu chuấn đ ặc trưng cho khu vự c n gu ồn mà từ đó
các m agm a m ẹ sinh ra Tỷ lệ này không thay đổi
trong quá trình kết tinh m agm a nếu không có sự can
thiệp của các quá trình biến chất hay hỗn nhiễm từ
ngoài D o đ ó, ta có th ể biê't đ ư ợ c v ề khu vực n gu ồn
cung cấp (bồn chứa) của các đá m agm a và bản chất
cùa manti trên, bời v ì m agm a đ ư ợ c thành tạo trong
cả hai khu v ự c này Có hai bổn chứa m agm a khác
nhau trong manti: M anti trên bị n gh èo đi các n gu yên
tố không tư ơ n g hợp d o sự vắt kiệt vật châ't đ ể cung
cấp cho quá trình tạo v ỏ lục địa, đây là n gu ồn của
hầu hết các basalt số n g n ú i giữ a đại d ư ơng, manti
giàu có thành phẩn g iố n g chondrit k hôn g bị b iến đổi
và mặc nhiên đ ư ợ c côn g nhận là n gu ồn gốc của các
đá và có hàm lư ợn g các n g u y ên tố k hôn g tư ơng hợp
cao Sự tổn tại m anti giàu đòi hỏi phải có sự b ổ su n g
vật chất vỏ ch o các khu vự c khác nhau của manti Có
lè chính sụ h út chìm hay tác d ụ n g tương hỗ giữ a vỏ
v ói m anti tại ranh giới M oh orovic đà có tác d ụ n g
thúc đẩy quá trình bô su n g vật chất v ỏ vào manti.
Địa hoá của quá trình phong hóa
Đâ't và v ỏ p h on g hoá bao phủ b ể m ặt đư ợc tạo ra
d o sự phân h u ỷ các đá m agm a, biến châ't và trầm
tích dưới tác đ ộ n g của các tác nhân của khí q uyển và
sinh học bên ngoài So với các quá trình sinh h ọc và
cơ học thực thụ thì quá trình phân h u ỷ hoá h ọc các
đá tươi, d ạ n g khối rắn chắc thành các vật liệu bở rời
là tác nhân p h o n g hoá quan trọng nhât Bởi vậy chỉ
có các quá trình p h on g hoá hoá h ọc đ ư ợ c xem xét tại
đây Sản p h ẩm của quá trình p h on g hóa là n gu ồn
chủ yếu tạo ra đất và các trầm tích trong các châu thổ
n hờ xói m òn và tích tụ; m ặt khác các sản phẩm
p h on g hóa cũ n g tạo n ên các d ạng khoáng sản khác
nhau như: b auxit, kaolin, sắt nâu, v.v P hong hóa
còn góp p h ần vào quá trình tiêu thụ CƠ2 của khí
quyển và cu n g cấp các chât hòa tan tạo n ên đ ộ
khoáng hóa của nư ớc m ặt và n ư ớc ngầm , tạo ra đ ộ
m uối biển.
Các phản ửng phong hóa
Các phản ứ n g p h on g hóa hóa h ọc p h ổ b iến nhât
là thủy phân, hòa tan, hâp thụ, oxy hóa-khử và
hydrat hóa.
T h ủ y p h â n
T h ủ y p hân là p h ản ứ n g giừ a các ion cua k h oán g vật và các ion của n ư ớ c (O H và H +) Phản ú n g này
đ ặc b iệt h ừ u h iệu trong quá trình p h o n g hóa các
k h o á n g vật silicat và alu m osilicat, bởi v ì b ề m ặt các tinh thê có tích đ iện T h ù y p hân trong tự n h iên
th ư ờ n g d iễn ra thu ặn lợi là n h ờ có C O2 tron g n ư ớc tạo ra H2CO3 V í dụ:
2NaAlSÌ3Ơ8 + 2H2CO3 + 9H2O -> 2Na+ + 4H4S1O4 +
A hSÌ205(0H )4+ 2HCƠ3
D ạn g tổn g quát của phản ứ n g thủ y p hân n h ư sau: Silicat n g u y ê n sin h + H2O + C O2 —> Các ion (Na*, Ca2+, M g 2+, K+, H4S1O4) + k h o á n g vật thứ sin h.
H ò a tan
H òa tan là quá trình p hân ly k h o á n g vật thành các ion, các p hân tủ và các tập h ợ p phân tử k eo phân tán V ề bản châ't, hòa tan tư ơ n g tự n h ư th u ỷ phân
H òa tan tư ơ n g đ a n g là các p h ản ứ n g k h ô n g tạo ra pha rắn m ới, còn trong hòa tan k h ô n g tư ơ n g đ a n g thì pha rắn m ới đ ư ợ c tạo ra N h iề u phàn ứ n g hòa tan các silicat tron g quá trình p h o n g hóa là các phản ứ n g hòa tan k h ô n g tư ơ n g đ ang.
H y d r a t h ó a
H yd rat hóa g ồ m sự kết h ợ p củ a các ion H + và
O H v à o h ợ p chất T rong n h iều trư ờn g h ợp, các ion
H + và O H trở thàn h m ột bộ p h ận câu thành của
m ạn g tinh th ế k h o á n g vật H yd rat hóa còn tạo đ iểu kiện thuận lợi ch o các p h ản ứ n g phân h ủ y khác n h ờ
có sự trư o n g n ở ô m ạn g tinh thế, làm tăn g d iện tích
b ề m ặt ch o p h ản ứ n g.
O x y h ó a - k h ử
O xy hóa là p hản ứ n g xảy ra g iừ a các h ợp châ't và oxy, đ iên h ìn h là o x y h óa Fe2+- và S2* Kết quả d ễ thây của p hản ứ n g n ày là tách ra m ột h ay n h iề u đ iện tử
k h ỏi h ợ p chât, làm ch o cấu trúc b ển d ần trở n ên kém bền Các đá chứa Fe2* th ư ờ n g là các đá m afic, khi bị
p h o n g h ó a Fe2+ kết h ợ p vớ i n g u y ê n tử o x y và hậu quả làm p h ân h ủ y đá.
Fe2SiƠ4 + Vi O2 + 2 H2O —» Fe2Ơ3 + H 4S 1O 4
Lun h u ỳ n h có hóa trị -2 tron g các k h oán g vật
su lfur Q u á trình o x y h óa d o tác n h ân v i sin h trong quá trình p h o n g h óa tạo ra SO42 tron g đ ó lư u h u ỳ n h
có h óa trị +6 Phản ứ n g o x y h óa p h ô b iến có liên
q u an tới p yrit là:
2FeS2 + 2H2O + 7 02 <=> 2Fe2+ + 4 H + + 4SƠ42-pyrit
A cid su lfu ric là m ột acid m ạn h tham gia vào quá trình p h o n g hóa ở bất kỳ nơi n ào n ó có m ặt Phản
ứ n g o x y h óa - k h ử có liên q u an tới h ợ p chât lưu
Trang 10582 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT
h u ỳn h đ ó n g vai trò quan trọng trong thành phẩn
hóa học của nước tự nhiên và trong quá trình tạo đá.
Các sản phẳm phong hóa
Các sản phấm của quá trình p h on g hóa các đá
thường gặp đư ợc xếp thành 2 nhóm sản phẩm
p h on g hóa: 1) Các k hoán g vật tàn dư; và 2) Các ion
hòa tan.
C ác k h o á n g vậ t tàn d ư
Các khoáng vật tàn d ư bao gồm các k hoán g vật
n gu yên sinh bển v ừ n g k h ôn g chịu tác đ ộ n g của quá
trình p h on g hóa và các k hoán g vật thứ sinh đư ợc
thành tạo mới, bền v ừ n g trong đ iều kiện p h on g hóa
Các khoáng vật n g u y ên sinh bển v ữ n g trước p h on g
hóa chủ yếu gồm : thạch anh, m u scovit và các
khoáng vật phụ nặng như: rutil, ilm enit và zircon
Còn các khoáng vật thứ sinh bển chủ yếu là các
khoáng vật sét với ba nhóm chính: kaolinit,
m ontm orillonit và illit hoặc hydrom ica N g o à i ra, các
oxid - hydroxid sắt và n hôm rất p hô b iến trong các
sản phẩm p h on g hóa Đ ại d iện của n hóm này là
lim on it (Fe2Ơ3.nH20) và gibbsit (Al(OH)3).
C ác s ả n p h ẳ m h ò a tan
Các sản phẩm p h on g hóa hòa tan bao gồm các
hợp phần đư ợc giải p h ó n g từ sự phân h ủ y các
khoáng vật n gu yên sin h và k hôn g được sử d ụ n g khi
thành tạo các khoáng vật thứ sinh không tan T h ông
thường, thành phần của các h ợp phẩn hòa tan phản
ảnh thành phẩn của đá gố c [Bảng 3] Các sản phấm
p h on g hóa hòa tan của các đá carbonat là Ca2*, M g2+,
CƠ32 Trái lại, các đá silicat lại ch o ra các n g u y ên tố
kiềm , kiềm thổ, k eo silic d ư thừa d o kết quả của quá
trình thuỷ phân các k hoán g vật silicat n g u y ên sinh
Tỷ lệ phần trăm của các hợp phần này dao đ ộ n g tuỳ
thuộc vào đặc tính acid hay base của các đá m ẹ
C hẳng hạn, trong trường hợp các đá có thành phẩn
base thì calci và m agnesi chiếm chủ đạo, còn các đá
granit, các đá p hiến íelsit và các th ể trầm tích sét lại
cho ra kali và natri n h iều hơn.
Bảng 3 Các sản phẩm phong hoá của các loại đá thường
gặp nhất.
Hành vỉ của các nguyên tố trong quá trinh phong hóa
Tác đ ộ n g của quá trình p h on g hóa h óa học tới thành phẩn hóa h ọc các đá có thê đ ư ợ c xác định
b ằng cách so sánh hàm lư ợn g oxid của các n gu yên tô chính trong đá còn tươi với đá đã bị p h o n g hóa Tuy nhiên, đ ê xác đ ịnh sự tăng hoặc giảm hàm lượng thực sự của các n g u y ên tố d o hậu quả của quá trình
p h on g hóa hóa h ọc phải dự a trên sự giả định m ột trong n h ữ n g n g u y ên tố chính k h ôn g bị biến đôi trong tổng lư ợn g n gu yên tố T h ông th ư ờ n g A I2 O 3 là hợp phần hầu n h ư không lin h đ ộn g C ác s ố liệu
n ghiên cứu quá trình p h on g hóa gran ito gn eis cho thây có sự giảm đi nhanh hàm lư ợn g của N a2Ơ, CaO
và M gO , trong khi đ ó hàm lư ợn g K2O và S1O2 giảm chậm hơn theo quá trình này [H.4] C ùn g với sự tăng lên của A I2 O 3 thì Fe2Ơ3 cũng tăng lên Q uá trình này
đ ư ợc gọi là íeralit hoá, rất đ iến hình ch o quá trình
p h on g hoá ở các m iền nhiệt đới.
Hình 4 Giản đồ biến thiên hàm lượng các nguyên tố trong
quá trình phong hóa granitogreis Tỷ lệ logarit trên trục tung biểu diễn thành phần phần trăm phân tử gam của các
o xid Thành p h ầ n p h ầ n trăm p h â n tử g a m A I2O 3 trên trụ c hoành thẻ hiện hướng tiến triển của quá trình phong hóa, hàm lượng AI 2 O 3 càng cao chứng tỏ m ức độ phong hỏa càng mạnh.
Các ion hòa tan di ch uyến khỏi địa đ iếm p hon g hóa và đi vào d u n g dịch, chủ yếu là các ion kim loại kiềm và kiềm thổ H ành vi của các ion trong các phàn
ứng p hon g hóa được gọi là thếion thê h iện bằng Q =
z/r trong đ ó z là đ iện tích của đơn v ị hóa trị và r là bán kính ion [H.5] Các ion được phân ra thành ba nhóm hành vi chính: 1) Các n gu yên tố kim loại có Q thâp (<3) tương ứng với các cation d ễ tan; 2) Các
n guyên tố có Q giữa 3 và 12, tương ứ ng với các oxid
và hydroxid lường tính khó tan; 3) Các n gu yên tố á kim có Q lớn hơn 12 tương ứ n g các n g u y ên tố thường tạo với oxy thành các phức anion tan.
Đá
gốc
Các khoáng vặỉ
nguyên sinh
Các khoáng vật tàn dư
Các ion hòa tan Felspat Các khoáng vật sét Na*, K +
Granit
Các khoáng vật
Fe-Mg
Các khoáng vật sét + H em atit + Goethit M g*2 Felspat Các khoáng vật sét Na+, Ca*2
Basalt Các khoáng vật
Fe-Mg
Các khoáng vật sét + Hem atit + Goethit M g+2