ĐÁ
PHUN TRÀO PALEOZOI SÔNG ĐÀ: NGUỒN GỐC VÀ ĐỘNG LỰC MANTI
NGUYỄN
HOÀNG1, NGUYỄN ĐẮC LƯ2, NGUYỄN VĂN CAN2
1Viện Địa chất, Viện KH & CN VN, Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội
2Liên đoàn Bản đồ địa chất miền Bắc, Nguyễn Văn Cừ, Long Biên, Hà Nội
Tóm tắt: Đá phun trào Paleozoi cấu trúc Sông Đà (CTSĐ) chủ yếu bao gồm đá mafic (khoảng 80%) cùng với các biến loại axit và trung tính như ryolit, andesit, trachyt và các biến loại trung gian. Phân tích đồng vị Sr, Nd và Pb được thực hiện đối với một số mẫu đại diện. Số liệu đồng vị 87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd và 206Pb/204Pb nguyên thuỷ được tính toán trên cơ sở tuổi 283 Tr.n. cho giá trị tuần tự là 0,7036 – 0,7090, 0,5119 – 0,5124, và 18,32 – 23,50. Trừ một mẫu mafic với 87Sr/86Sr = 0,7036 và 143Nd/144Nd = 0,5124 tất cả mẫu còn lại có giá trị đồng vị Sr cao hơn và Nd thấp hơn manti nguyên thuỷ tại thời điểm cách đây 283 Tr.n., theo thứ tự, là 0,7041 và 0,5123. Đá phun trào CTSĐ có giá trị các đồng vị cao cùng với dị thường âm tại các nguyên tố trường lực mạnh như Nb, Ta và Zr được giải thích là sản phẩm sản sinh từ (các) nguồn manti nhiễm vật chất vỏ, được đưa vào manti do hoạt động hút chìm cổ. Điều kiện động lực xuất hiện phun trào CTSĐ có thể (1) tách giãn thạch quyển nội mảng, hệ quả của quá trình nén ép lâu dài, (2) tách giãn thạch quyển rìa mảng theo cơ chế cung sau (back-arc). Cả hai quá trình động lực có thể liên quan đến sự phát triển và khép lại của biển Paleo-Tethys bắt đầu cách đây khoảng 400 Tr.n.
I. MỞ
ĐẦU
Cấu trúc Sông Đà (CTSĐ)
đã có nhiều tên gọi và quan niệm về cơ chế động lực thành tạo khác nhau.
Đovjikov A. và đồng nghiệp [5] gọi là võng Trias; tuy nhiên đa số cho rằng đây
là một rift nội mảng [3, 4, 19, 20]. Ngoài ra Văn Đức
Chương [21] và Lê Duy Bách [8] cho rằng có các dấu hiệu về sự tồn tại của các
phức hệ ophiolit kiểu đại dương tại đây. Nếu điều này là đúng CTSĐ sẽ không còn được xem là một rift nội mảng
vì ophiolit chỉ hình thành tại các sống đại dương và xuất hiện tại các miền mảng
va chạm và trồi nguội (obduction zone).
Đây là bài báo thứ ba trong loạt bài nghiên cứu đá núi lửa CTSĐ của chúng tôi. Trong bài báo thứ nhất chúng tôi đã chứng minh rằng đá phun trào Paleozoi CTSĐ là sản phẩm nóng chảy của quyển mềm pha trộn với vật chất manti thạch quyển trong bối cảnh động lực tách giãn thạch quyển kéo theo sự nâng lên của quyển mềm [12]. Bài thứ hai thông báo tuổi của một tổ hợp đá phun trào khu vực Đồi Bù (Hoà Bình) [13]. Mục đích của bài thứ ba này là tìm hiểu đặc điểm địa hoá nguồn và chế độ động lực của đá phun trào CTSĐ. Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, ngoài số liệu công bố dưới đây chúng tôi sẽ sử dụng các bằng chứng về địa chất, thạch học và hoá học đã thông báo trong 2 bài báo trước. Với loạt các bài báo này chúng tôi hy vọng các kết quả thu được sẽ giúp làm sáng tỏ hơn mối liên quan giữa đá núi lửa CTSĐ và khoáng hoá đồng, vàng.
II.
PHÂN TÍCH HOÁ HỌC
Mẫu được chọn lọc từ các
mẫu sau khi đã có kết quả phân tích nguyên tố chính và phụ bằng XRF. Tiêu
chí chọn lựa là mẫu tươi, hoặc tương đối ít bị biến đổi thứ sinh, đại diện từng
khu vực trên và đa chủng loại. Đồng vị Sr, Nd và Pb
được phân tích tại Sở Địa chất Nhật Bản. Quy trình hoá học và khối phổ được tóm
tắt như sau. Khoảng 25 gram mẫu được dập vụn cho đến dưới 1 mm,
sàng lọc và loại bỏ dạng bột, phần còn lại được rửa siêu âm trong nước sạch, sấy
khô. Dưới kính phóng đại, nhặt ra khoảng 1 đến 2 gram mẫu dăm
không mang ban tinh hoặc có dấu hiệu khoáng vật thứ sinh. Để loại trừ các
vật chất ngoại sinh, mẫu sau khi nhặt được rửa siêu âm 30 phút trong axit HCl
2M, sau đó tráng nhiều lần với nước siêu sạch trước khi rửa tiếp siêu âm 30 phút
trong axit HCl 3M. Mẫu lại được tráng nhiều lần với nước siêu sạch và sấy khô.
Khoảng 100 mg mẫu được phá bằng hỗn hợp axit HF và HNO3 đậm đặc theo
tỉ lệ 2:1. Sau khi mẫu được phá và cho bay hơi hoàn toàn được hoà tan trong 2 ml
axit HNO3 2M và sẵn sàng cho quá trình chiết Sr và Pb bằng phương
pháp tương tác anion với keo là Sr-spec (EiChromÔ).
Nguyên tố Sr được tách bằng axit HNO3 yếu (0,05M)
và Pb được tách bằng axit HCl 6M. Sau khi chiết Sr và Pb, mẫu dung dịch
được sử dụng để tách Nd bằng trao đổi anion, trước tiên dùng keo AG50W-X8 và
axit HCl 6M để tách các nguyên tố đất hiếm, sau đó dùng keo Ln-resin (EiChromÔ) để chiết Nd (và Sm) bằng axit HCl 0,2M.
Đồng vị Sr, Nd và Pb được đo bằng máy khối
phổ VG Sector 54 trang bị 9 cốc Faraday. Số liệu được đối chiếu và tính toán theo
các mẫu chuẩn Sr (NBS987), Nd (JNdi-1), và Pb (NBS981). Trong quá trình đo các
mẫu chuẩn có các giá trị, tuần tự là 87Sr/86Sr
= 0,710262 ± 0,00001, 143Nd/144Nd
= 0,512103 ± 0,000007, và 206Pb/204Pb = 16,907 ± 0,009, 207Pb/204Pb
= 15,452 ± 0,011, 208Pb/204Pb = 36,354 ± 0,035, Kết quả
phân tích được trình bày trên Bảng 1.
III.
KẾT QUẢ PHÂN TÍCH
Số liệu đồng vị
thu được từ phân tích này cho kết quả tại thời điểm
hiện nay. Sử dụng tuổi 283 triệu năm đã thông báo đối với phun trào khu vực Đồi
Bù (Nguyễn Hoàng và Nguyễn Đắc Lư, 2003) chúng tôi hiệu chỉnh giá trị các tỉ số
đồng vị thu được về giá trị nguyên thuỷ tức là
giá trị thời điểm đá núi lửa hình thành.
Tỉ số 87Sr/86Sri
(i: initial: nguyên thuỷ) của các đá felsic thay đổi từ 0,7055 đến 0,7065, tỉ số 143Nd/144Ndi
tương ứng là 0,5124 đến 0,5123, và các tỉ số đồng vị chì là 206Pb/204Pbi =
18,91 – 23,57, 207Pb/204Pb = 15,66 – 15,92, 208Pb/204Pb
= 39,43 – 46,91, Đồng vị chì và 87Sr/86Sri của
đá mafic có giá trị thấp, và 143Nd/144Ndi thì
cao hơn (Bảng 2). Cá biệt một mẫu mafic thấp Ti (Bản Tăng) có giá trị 87Sr/86Sri
là 0,7036 và 143Nd/144Ndi
là 0,51236 phân bố trong trường manti nghèo (thời điểm 283 Tr.n.). Nhìn chung,
giá trị các tỉ số đồng vị của đá mafic thay đổi trong khoảng hẹp hơn so với đá
felsic. Thí dụ, giá trị 87Sr/86Sri
dao động trong khoảng 0,704 đến 0,708 (phần lớn có giá trị gần 0,706).
Tương tự, giá trị
206Pb/204Pbi thay đổi từ 18,48 đến 19,75, 207Pb/204Pbi
dao động trong khoảng 15,56 đến 15,77 và 208Pb/204Pbi
tương ứng có giá trị từ 38,66 đến 40,21 (Bảng 1). Hình 1 biểu
diễn quan hệ giữa các đồng vị. Biến thiên giữa tỉ số đồng vị Sr và Nd
phát triển theo hai hướng, một là biến thiên nghịch nối
hai
trường manti nghèo và vỏ lục địa giàu. Hướng thứ hai phát triển gần như theo
một đường thẳng nằm ngang do đồng vị Sr tăng nhanh so với đồng vị Nd thay đổi
trong một khoảng giá trị rất nhỏ (H. 1a). Tỉ số 206Pb/204Pb
biến thiên thuận với
207Pb/204Pb và với 208Pb/204Pb (H.
1b và c) phản ánh quá trình tiến hoá đồng bộ của các nguyên tố mẹ là U và Th
trong tương quan 238U/204Pb,
235U/204Pb và 232Th/204Pb. Ngoại trừ một mẫu đá felsic có giá trị đồng vị
chì rất cao và phân bố riêng biệt, phần lớn các mẫu có 206Pb/204Pb
nhỏ hơn 20 và 207Pb/204Pb nhỏ hơn 15,7 phân bố chụm thành
một trường riêng.
Hình 1. Biểu đồ biến thiên đồng vị đá phun trào CTSĐ: a) 87Sr/86Sr
(nguyên thuỷ) đối với eNd, b) 206Pb/204Pbi đối với 207Pb/204Pbi
và, c) đối với 208Pb/204Pbi. Giá trị nguyên thuỷ tính theo
tuổi 283 triệu năm [12]. Phân bố các CTSĐ tơng đối với vị trí các trờng phân
bố nguồn manti nghèo (DM), giá trị đồng vị tổng silicat quả đất (BSE) giả thiết
tiến hoá từ chondrit vào thời điểm 283 Ma.
IV.
LUẬN GIẢI VÀ BÀN BẠC
1.
Nhiễm vật chất vỏ
Sự vận chuyển hoặc lưu lại trong vỏ của dung thể mafic có thể dễ dàng tương tác với vật chất vỏ quanh các thân magma. Tương tác giữa magma mafic với vật chất vỏ thông thường được thể hiện bởi Nb, Ta và các tỉ số như Nb/Y, Ta/Y thấp, ngược lại, các nguyên tố có tính không tương thích mạnh như Rb, Ba, K, v.v. có hàm lượng cao, tương đối với các nguyên tố phụ khác [7]. Biểu đồ biểu diễn tương quan các nguyên tố phụ xuất hiện dị thường âm khá mạnh tại Nb đối với tất cả đá núi lửa đang nghiên cứu và tại Zr đối với các đá mafic (H. 4 của bài báo 1 [12]). Điều này chứng tỏ tất cả các đá đang nghiên cứu đều bị ảnh hưởng vật chất vỏ.
Quá trình nhiễm vỏ cũng
bộc lộ thông qua các đồng vị Sr cao và Nd thấp và có xu hướng tiến về trường
phân bố vỏ lục địa (H. 1). Ngoại trừ mẫu mafic thấp
Ti (Bản Tăng) có các tỉ số đồng vị Sr cao và Nd thấp hơn so với giá trị trung
bình của manti nguyên thuỷ thời điểm cách đây 283 triệu năm (CHUR 283 tr.
năm 87Sr/86Sr
= 0,7041; 143Nd/144Nd = 0,5123)
tất cả các mẫu còn lại đều có giá trị Sr cao và Nd thấp hơn (Bảng 1).
Nói cách khác, hầu hết các mẫu nghiên cứu ở đây có thể bị nhiễm vật chất vỏ sau
nóng chảy hoặc là sản phẩm của nguồn nhiễm vật chất vỏ.
Hình 2. a) Quan
hệ giữa 143Nd/144Ndi và Ce/Pb chỉ ra khả năng
nhiễm vật chất vỏ của một số đá phun trào CT SĐ. Để ý một mẫu mafic thấp Ti có 143Nd/144Ndi
cao và Ce/Pb thấp, tơng tự một mẫu felsic có 143Nd/144Ndi
cao và Ce/Pb cao, khả năng nói lên bản chất nguồn hơn là tác động của các
quá trình ngoại sinh, b) quan hệ thuận giữa 87Sr/86Sri
và Nb/Y đối với phần lớn mẫu phun trào CTSĐ chứng tỏ hàm lợng Nb thấp
tơng đối với các nguyên tố phụ lân cận (H. 4, [12]) có thể là đặc điểm nguồn.
Hàm lượng Pb trong vỏ thì
cao và đồng vị Nd thì thấp, tương tác giữa vật chất manti và vỏ sẽ được thể hiện
bằng quan hệ thuận giữa đồng vị Nd và tỉ số Ce/Pb như được minh họa trên Hình
2a. Tương
tự, ảnh hưởng vật chất vỏ thông thường được thể hiện bởi quan hệ nghịch giữa
đồng vị Sr và tỉ số Nb/Y, tuy nhiên, quan hệ này lại là thuận đối với đa số mẫu
mafic CTSĐ (H. 2b). Từ quan sát này, chúng tôi chưa thể khẳng định quá
trình nhiễm vật chất vỏ xảy ra trước hay sau nóng chảy. Quan hệ nghịch giữa các
đồng vị Sr và Nd (H. 1a) và quan hệ thuận giữa đồng vị Nd với tỉ số Ce/Pb còn có
thể phản ánh quá trình pha trộn giữa các nguồn giàu và nghèo. Minh hoạ cho điều này,
quan sát trên Hình 2 đối với mẫu ryolit kiềm (VĐ502, Đồi Bù), là loại đá thông
thường được cho là sản phẩm nóng chảy vỏ do đó có đồng vị Nd và Ce/Pb thấp (hoặc
Sr cao Nb/Y thấp), nhưng trong trường hợp này các tỉ số trên của mẫu đều cao,
gần với trường manti nghèo. Hoặc mẫu VĐ3094 (bazan thấp Ti,
Bản Tăng) giá trị các đồng vị Sr thấp và Nd cao phân bố trong trường manti
nghèo, tỉ số Ce/Pb tương ứng lại mang đặc điểm vỏ. Tổng hợp các bằng
chứng trên, chúng tôi cho rằng các dị thường địa hoá nguyên tố phụ
và đồng vị đá phun trào CTSĐ nói lên bản chất phức tạp, dị phần của (các) nguồn
tham gia nóng chảy gây ra do sự pha trộn giữa nguồn nghèo và giàu.
2.
Đặc điểm nguồn và điều kiện địa động lực của phun trào CTSĐ
Trong bài báo thứ nhất [12] chúng tôi đã
chứng minh rằng đá mafic cao Ti CTSĐ có thể được thành tạo từ nóng chảy
peridotit quyển mềm pha trộn với các hợp phần mafic giàu Ti trong manti thạch
quyển (lithospheric mantle) như clinopyroxenit, werlit và amphibolit; và mafic
thấp Ti có thể là sản phẩm nóng chảy từng phần của vật chất quyển mềm pha trộn
với peridotit trong manti thạch quyển, trong đó manti thạch quyển đóng vai trò
chủ đạo.
Cấu trúc Sông Đà được đa
số các nhà địa chất cho là một rift nội lục. Tuy nhiên nếu cụm từ “nội lục” có nghĩa
là “trong lục địa” thì nó có thể dẫn tới nhầm lẫn, vì vào thời kỳ Permi phần
lãnh thổ này còn chìm sâu dưới biển [3, 6, 15, 16, 17]. Phun trào CTSĐ không thể
thuộc đới hút chìm do tỉ lệ đá mafic rất cao (80%) so với các biến loại giàu
axit. Chúng cũng không thể là magma kiểu sống đại dương (SĐD)
vì môi trường này không có đá phun trào felsic. Do vậy môi trường xuất
hiện phun trào CTSĐ phải là nội mảng (intraplate) hoặc rìa mảng có vỏ kiểu đại
dương (khác với kiểu lục địa) với cấu trúc chủ yếu là các lớp mafic và siêu
mafic. Nếu điều này là đúng thì hiện tượng nhiễm vật chất vỏ mô tả phần trên
không thể xảy ra trong vỏ trên đường đi lên của dung thể magma, chứng tỏ nguồn
đã bị nhiễm vật chất vỏ trước khi xảy ra nóng chảy. Vật chất vỏ, đặc biệt là các khoáng vật chứa nước trong các lớp trầm
tích đại dương, được đưa vào manti tại các đới hút chìm sẽ giải phóng nước dưới
dạng chất bốc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao. Chất bốc chứa nước
thoát lên vùng manti nông hơn mang theo các nguyên tố dễ hoà tan như Ba, Rb, K,
Th, v.v. và để lại phía sau các nguyên tố có trường lực mạnh như Ti, Nb, Ta, Zr
và Y. Nóng chảy manti pha trộn với một lượng nhỏ (<1%) vật chất vỏ có thể dẫn
tới dị thường trong các hệ đồng vị như Sr, Nd và Pb, và các nguyên tố như Rb,
Th, Nb và Ta (H. 4, [12]; xem thí dụ tính toán trong [11]). Manti có thể bị
nhiễm vật chất vỏ ở quy mô rộng lớn, thí dụ manti bên dưới Ấn Độ Dương [9], hoặc
chỉ hạn chế trong phạm vi gần với các đới hút chìm, thí dụ manti dọc cung đảo
tây Thái Bình Dương. Các đới hút chìm cổ đã phát triển rất rộng rãi ở phía nam
các lục địa Âu - Á song song với sự phát triển và biến mất của biển Paleo-Tethys
(khoảng 400 Ma đến 200 Ma) [17]. Tóm lại, quá trình nhiễm vật chất vỏ trong
manti nguồn của đá phun trào CTSĐ có thể mang tính khu vực và có quá trình phát
triển lâu dài, hoặc có thể mang tính cục bộ do phân bố gần kề với các đới hút
chìm.
Từ những lý giải ở trên có thể đưa ra 2 mô
hình động lực về phun trào CTSĐ, (1) căng giãn (extension) thạch quyển nội mảng
và (2) căng giãn theo cơ chế cung sau (back-arc
spreading) hệ quả của các hoạt động hút chìm mảng Paleo-Tethys.
Cơ chế căng giãn trong trường hợp thứ nhất được coi là hệ quả của các hoạt động
nén ép lâu dài và có liên quan đến các đứt gãy sâu (xem các văn liệu trích dẫn
trên). Cơ chế tương tự cũng được lý giải đối với phun
trào Paleozoi trũng
V.
KẾT LUẬN
Từ số liệu đồng vị kết
hợp với thành phần nguyên tố chính và phụ chúng tôi đưa ra các kết luận dưới
đây.
1. Các tỉ số đồng vị Sr, Nd và Pb nguyên
thuỷ theo tuổi 283 triệu năm của phun trào Paleozoi Sông Đà cao hơn các giá trị
của manti nguyên thuỷ vào thời điểm đó chứng
tỏ nguồn manti của chúng trải qua quá trình nhiễm vật chất vỏ, được đưa
vào manti thông qua hoạt động của các đới hút chìm cổ.
2. Hoạt động phun trào Paleozoi CTSĐ là
(1) kết quả của hoạt động tách giãn vỏ nội mảng liên quan đến các cơ chế
động lực thạch quyển có quan hệ sâu xa
với quá trình nén ép lâu dài dẫn tới căng giãn vỏ và sụt lún. Hoặc, (2) liên
quan đến tách giãn thạch quyển (kiểu mở cung sau), hệ quả của
động lực manti đối lưu do mảng hút chìm gây ra.
3. Hai cơ chế động lực trên không mâu
thuẫn với các bằng chứng thạch học (bài báo1) vì cả hai đều dẫn đến sự bào mòn
vỏ và nâng lên của đáy manti thạch quyển, tất yếu dẫn đến sự dâng cao của quyển
mềm và nóng chảy giảm áp.
VĂN LIỆU
1. Balykin
P.A., Poliakov G.V., Petrova T.E., Hoang Huu Thanh, Tran Trong Hoa, Ngo Thi
Phuong, Tran Quoc Hung, 1996. Petrology and evolution of
the formation of Permian-Triassic mafic-ultramafic associations in
2. Dickins J.M., 1996. Permian and Triassic events
in
3. Đào Đình
Thục, 1981. Phức hệ đá núi lửa Pecmi muộn
– Trias sớm đới địa vực cổ Sông Đà.
Địa chất, 152 : 18-22. Hà Nội.
4. Đào Đình Thục, 1981. Quá trình hình thành, phát triển và bản chất kiến tạo đới Sông Đà. Bản đồ địa chất, 49
: 12-20. Hà Nội.
5. Đovjikov A.
(chủ biên), 1965. Địa chất miền Bắc Việt
6. Fontaine, H., 2002. Permian of
7. Hofmann
A.W., 1988.
Chemical differentiation of the Earth: the relationship between mantle,
continental crust, and oceanic crust. Earth Planet. Sci.
Lett., 90 : 297-314.
8. Lê Duy
Bách, 1985.
Cấu trúc Việt
9.
Mahoney, J.J., 1988.
10.
Neumann E.-R., Dunworth E.A., Sundvoll B.A., Tollefsrund J.I., 2002. B1 basaltic lavas in
Vestfold-Jeloya area, central
11. Nguyen Hoang, Flower M.F.J., 1998. Petrogenesis of
Cenozoic basalts from
12. Nguyễn
Hoàng, Nguyễn Đắc Lư, Nguyễn Văn Can, 2004. Đá phun trào Paleozoi
Sông Đà: tuổi Rb-Sr vùng Đồi Bù.
Địa chất A/281 : 11-17, Hà Nội.
13. Nguyễn
Hoàng, Nguyễn Đắc Lư, Nguyễn Văn Can, 2004. Đá phun trào Paleozoi
Sông Đà: thạch luận và địa hoá. Địa chất A/282 : 19-32, Hà Nội.
14. Phan Cự
Tiến, Trần Quốc Hải, Lê Đình Hữu, Phan Viết Kỷ, Bùi Phú Mỹ, Nguyễn Vĩnh, 1977. Chú giải bản đồ địa chất
Tây Bắc Việt
15. Phan
Cu Tien, Dickins, J.M., 1995. Subdivision and correlation
of the Permian stratigraphy of
16. Phan Trường Thị, Lê Văn Cự, Đỗ Đình
Toát, Phan Văn Quýnh, 1974. Địa tầng và thạch học các đá núi lửa vùng Hòa Bình – Suối Rút. Địa chất, 113 : 1-15. Hà Nội.
17. Stampfli, G.M., Borel, G.D., 2002. A
plate tectonic model for the Paleozoic and Mesozoic constrained by dynamic
plate boundaries and restored synthetic oceanic isochrons. Earth Planet. Sci. Lett. 196 : 17-33.
18. Trần Trọng Hòa, 2001. Phân
chia và đối sánh các tổ hợp đá bazantoid Permi – Trias đới Sông Đà.
Địa chất, A/265 : 12-19, Hà Nội.
19. Trần Trọng Hoà, Hoàng Hữu Thành, Trần Tuấn Anh, Ngô Thị
Phượng, Hoàng Việt Hằng, 1998. Các tổ hợp đá bazantoid
cao titan Permi – Trias rift Sông Đà. Thành phần vật chất và
điều kiện địa động lực hình thành. Địa chất, 244 : 7-15. Hà Nội.
20. Trần
Văn Trị (chủ biên), 1979. Geology
of
21. Văn Đức Chương, 1995. Ophiolite zones of