3.1 Nhận biết các miền nguồn đồng vị

Trên cơ sở đặc điểm tương quan giữa các đồng vị Sr, Nd và Pb Taylor (1984) đã chia ra 3 miền nguồn đồng vị trong vỏ lục địa. Năm 1986 Zindler và Hart mô tả 5 kiểu thành phần đồng vị đặc trưng trong manti. Đặc điểm đồng vị của các miền nguồn được thể hiện trong Bảng 5.7 và được biểu diễn trên một loạt biểu đồ tương quan tỉ lệ đồng vị.

Trước khi đi vào xem xét thành phần miền nguồn, cần dừng lại khái niệm và cách tính giá trị e (epsilon).

Thông số epsilon e

Ta đã biết các tỉ lệ đồng vị đem so sánh với CHUR hoặc DM (xem ở trên) khá là nhỏ. Vì thế De Paolo và Wasserburg đưa ra “thông số epsilon”. Giá trị e chính là thước đo độ lệch của mẫu hoặc tập mẫu so với giá trị trong miền nguồn đồng nhất và có thể sử dụng như thông số chuẩn hoá cho các mẫu có tuổi khác nhau. Nó thường được tính cho Nd (e_Nd), mặc dù có một số người tính cho cả đồng vị Sr (e_Sr). Cách tính e_Nd và e_Sr hoàn toàn tương tự nhau

Cách tính giá trị epsilon e_Nd

Các giá trị epsilon được sử dụng trong 3 cách khác nhau, thể hiện ở 3 cách tính toán: cho đường đẳng thời , tại thời điểm thành tạo đá và hiện thời .

(a) Giá trị epsilon tính cho đường đẳng thời

Những giá trị epsilon thường được tính cho các đường đẳng thời Sm-Nd, là số đo khác biệt giữa tỉ lệ đồng vị ban đầu của tập mẫu so với CHUR tại thời điểm hình thành. Chúng được tính theo biểu thức:

(5.48)

ở đây (¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd)_i là tỉ lệ ban đầu xác định được bằng thực nghiệm của tập mẫu tại thời điểm thành tạo (thời điểm t) và được tính toán nhờ đường đẳng thời; (¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd)_CHUR,t là tỉ lệ đồng vị của CHUR tại thời điểm t và được tính bằng biểu thức

(5.49)

Những giá trị của CHUR được lấy từ Bảng 5.5. Cần lưu ý là những phòng thí nghiệm khác nhau sử dụng các giá trị chuẩn hoá khác nhau cho tỉ lệ ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd và cần lựa chọn giá trị chính xác cho CHUR.

(b)Giá trị epsilon tính cho các đá đơn lẻ tại thời điểm hình thành ()

Các giá trị e^t_Nd được tính tại thời điểm t (thời gian thành tạo các đá) theo biểu thức:

(5.50)

ở đây được tính từ biểu thức (5.49) và tỉ lệ đồng vị của mẫu đá tại thời gian t được tính theo biểu thức:

(5.51)

Trong tính toán e^t_Nd cho các mẫu riêng lẻ, giá trị t có thể lấy từ đường đẳng thời, hoặc được xác định độc lập từ các phương pháp địa thời khác.

(c) Giá trị epsilon tính cho các đá riêng lẻ tại thời điểm hiện tại ()

Giá trị được tính theo biểu thức:

(5.52)

Độ lớn của giá trị phản ánh mức độ nghèo Nd theo thời gian so với miền nguồn đồng nhất CHUR.

Ý nghĩa của thông số e

Trị số và dấu e^t_Nd đặc trưng cho giá trị “ban đầu” của e_Nd trong đá tại thời điểm kết tinh và nó cho những thông tin về nguồn magma:

- Trị số e dương chứng tỏ dung thể magma xuất sinh từ miền nguồn có tỉ lệ Sm/Nd lớn hơn so với CHUR, đó là nguồn manti nghèo (DM);

- Trị số e âm nói lên miền nguồn có tỉ lệ Sm/Nd thấp hơn CHUR, đó chính là nguồn manti giàu (EM) hoặc nguồn vỏ;

- Cuối cùng, nếu e = 0, chứng tỏ magma đã được thành tạo từ miền nguồn manti có thành phần đồng vị Nd tương tự với chondrit từ khi hình thành Trái đất cho đến thời điểm t.

Ngoài ra, các giá trị e_Nd của các mẫu riêng lẻ được tính toán nhằm kiểm tra tính cùng nguồn gốc hoặc vai trò hỗn nhiễm của các mẫu đá khi xây dựng đường đẳng thời.

Các nguồn manti đại dương (Oceanic mantle sources)

Các đá magma bazan trẻ ghi nhận trực tiếp thành phần đồng vị của miền nguồn, vì thời gian tồn tại của chúng không đủ để đồng vị mẹ kịp phân rã sinh thành đồng vị con. Do đó Zindler và Hart (1986) đã sử dụng thành phần đồng vị hiện tại của các bazan đại dương trẻ để phân ra 5 miền nguồn manti và được thể hiện các trên biểu đồ (từ Hình 5.10 đến 5.13) và Bảng 5.8. Dưới đây nêu tóm tắt đặc điểm của các nguồn manti đại dương.

Nguồn manti nghèo (Depleted Mantle-DM)

Được đặc trưng là tỉ lệ ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd cao và ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb thấp. DM là hợp phần chủ yếu trong nguồn của nhiều MORB (các Hình 5.10, 5.12 và 5.13). Các bazan sống giữa đại dương nghèo đồng vị là kết quả nóng chảy của manti nghèo tàn dư của Trái đất.

Hình 5.10. Biểu đồ tương quan đồng vị ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd - ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr thể hiện
các miền nguồn manti đại dương chủ yếu của Zindler và Hart (1986): DM- manti nghèo; BSE- Trái đất tổng thể; EMI và EMII- manti nghèo kiểu I và II; HIMU- manti có tỉ lệ U/Pb cao; PREMA- manti thịnh hành. Dãy manti (mantle array) được xác định nhờ nhiều bazan đại dương; dãy manti cho phép xác định giá trị ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr của thành phần tổng thể Trái đất

Nguồn manti HIMU (nguồn manti cao m ) (High m mantle - HIMU)

Giá trị m trong địa hoá đồng vị Pb là tỉ lệ ²³⁸U/²⁰⁴Pb. Các tỉ lệ ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb và ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb cao đã thấy ở một số đảo đại dương (OIB), cùng với tỉ lệ ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr thấp (= 0,7029) và ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd trung bình chỉ ra miền nguồn manti giàu U và Th so với Pb. Sự làm giàu này có lẽ xảy ra trong khoảng 1,5 - 2,0 tỉ năm. Bản chất sự làm giàu urani chưa biết rõ, nhưng có một số mô hình giảỉ thích về nguồn gốc của manti HIMU: đó là do vỏ đại dương bị biến đổi hoà trộn vào trong manti, sự mất chì do Pb từ manti đi vào nhân Trái đất và chì (cả Rb) di chuyển nhờ chất lưu biến chất trao đổi trong manti.

Nguồn manti giàu (Enriched Mantle-EM)

Manti giàu đặc trưng có các trị số ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr thay đổi, ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd thấp và ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb, ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb cao ở giá trị ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb đã cho. Zindler và Hart (1986) đã phân ra hai kiểu manti giàu: kiểu I (EM I) có ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr thấp và kiểu II (EM II) có ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr cao. Một ví dụ đáng quan tâm và có tầm cỡ về manti giàu (EM II) đã được Hart (1984) nhận ra ở Nam Bán cầu và được biết như dị thường DUPAL (gọi theo các tác giả DUPre và ALlegre (1983), những người đầu tiên nhận ra dị thường đồng vị). Manti giàu được nhận ra khi chú ý Đường Bắc Bán cầu (Northern Hemisphere Reference Line- NHRL). Đường này là dãy các bazan sống giữa đại dương và các đảo đại dương sắp thành tuyến trên các biểu đồ ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb - ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb và ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb - ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb (H.5.12). Phương trình các đường này là:

²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb = 0,1084 (²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb) + 13,491

²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb = 1,209 (²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb) + 15,627

Hình 5.11. Biểu đồ tương quan đồng vị, trên đó chỉ vị trí tương đối của các miền nguồn manti giàu và nghèo. Đa phần các nguồn manti nằm ở góc phần tư phía trái, còn hầu hết các đá nguồn vỏ nằm dạt về góc phần tư "giàu" phía dưới bên phải. Vỏ trên và vỏ dưới chiếm vị trí khác nhau trong góc phần tư "vỏ" (phỏng theo De Paolo và nnk, 1979)

Dị thường đồng vị được Hart (1984) thể hiện trong thuật ngữ D7/4 và D8/4, được xem là độ lệch theo chiều đứng so với NHRL cho tập số liệu đã cho (DS - Data-Set):

D7/4 = [(²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb)_DS - (²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb)_NHRL] ´ 100

D8/4 = [(²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb)_DS - (²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb)_NHRL] ´ 100

Một kí hiệu tương tự được dùng cho ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr:

DSr = [(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_DS - 0,7] ´ 10 000

Giải thích tốt nhất cho nguồn gốc của manti giàu là có liên quan với đới hút chìm, nơi vật liệu vỏ thâm nhập vào manti (Hình 5.22). EM II liên quan với vỏ lục địa trên và có thể là hiện thân cho sự tái sinh của trầm tích lục nguyên, vỏ lục địa, vỏ đại dương hoặc đảo đại dương bị biến đổi. Sự làm giàu cũng có thể là hệ quả quá trình trộn lẫn của thạch quyển dưới lục địa với manti. EM I liên quan với lớp vỏ dưới và có thể đại diện cho vật liệu lớp vỏ dưới bị tái sinh, được quá trình biến chất trao đổi manti làm giàu. Weaver (1991) quan niệm EM I và EM II được thành tạo do sự hoà trộn giữa manti HIMU với trầm tích đại dương bị hút chìm.

Nguồn manti thịnh hành (Prevalent Mantle-PREMA)

Đây là nguồn manti thường gặp nhất của bazan đảo đại dương, bazan cung đảo nội dương (intra-oceanic island arc) và bazan lục địa có ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd = 0,5130 và ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0,7033. Đặc điểm đồng vị đó chỉ ra rằng có thành phần manti đồng nhất. Zindler và Hart (1986) đề nghị gọi kiểu manti này là là nguồn manti thịnh hành (PREMA) có tỉ lệ ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb = 18,2 đến 18.

Trái đất tổng thể (Bulk Silicat Earth- BSE) = Nguồn nguyên sinh đồng nhất

Có lẽ có tồn tại hợp phần manti mang đặc điểm hoá học của Trái đất tổng thể (Trái đất không có nhân). Thành phần này tương đồng với thành phần của manti nguyên thuỷ đồng nhất đã được hình thành trong quá trình khử khí của hành tinh và trong quá trình sinh thành nhân Trái đất, xảy ra trước khi hình thành các lục địa. Một vài bazan đại dương có thành phần đồng vị hoàn toàn tương dồng với thành phần của Trái đất tổng thể, mặc dù hiện nay không có tài liệu địa hoá cần thiết chứng tỏ còn tồn tại miền nguồn manti này.

Đi theo con đường của Zindler và Hart, một số nhà bác học đã cố gắng mô tả các đặc điểm các nguyên tố vết của các miền nguồn manti (Bảng 5.9).

Hình 5.12. (a) Biểu đồ ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb - ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb chỉ vị trí đường tham chiếu Bắc Bán cầu (NHRL). Giá trị Trái đất tổng thể (BSE) lấy từ Allegre và nnk., (1988); (b) Biểu đồ ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb - ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb chỉ vị trí của đường tham chiếu Bắc Bán cầu (NHRL), độ nghiêng của nó cho tuổi 1,77 tỉ năm và đường địa thời. Các đá núi lửa vẽ phía trên đường NHRL nói lên có tín hiệu DUPAL. Các miền nguồn của Zindler và Hart: DM- manti nghèo; BSE- Trái đất tổng thể; EM I và EM II- manti giàu; HIMU- manti có tỉ lệ U/Pb cao; PREMA- manti thịnh hành. EM II cũng trùng với trường trầm tích biển khơi (oceanic pelagic sediment)

Hình 5.13. Các biểu đồ tương quan đồng vị: (a) ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr - ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb và (b) ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd. Trên cả hai biểu đồ thể hiện vị trí của các miền nguồn manti của Zindler và Hart (1986): DMM- manti nghèo của MORB; BSE- Trái đất tổng thể; EMI và EMII- manti nghèo; HIMU- manti có tỉ lệ U/Pb cao; PREMA- manti thịnh hành

Bảng 5.8. Đặc điểm đồng vị của các miền nguồn vỏ và manti (tỉ lệ đồng vị hiện thời để trong ngoặc đơn) (theo Rollinson H., 1995)

	^87Sr - ^86Sr	^147Sm - ^143Nd	^238U - ^206Pb	^235U - ^207Pb	^232Th - ^208Pb
Nguồn vỏ lục địa
Vỏ trên	Rb/Sr cao ^87Sr/ ^86Sr cao	Sm/Nd thấp ^143Nd/^144Nd thấp (Epsilon âm)	U/Pb cao ^206Pb/^204Pb cao	U/Pb cao ^207Pb/^204Pb cao	Th/Pb cao ^208Pb/^204Pb cao
Vỏ giữa	Rb/Sr (0,2-0,4) cao vừa; ^87Sr / ^86Sr = (0,72-0,74)	Tiến hoá Nd chậm trong vỏ liên quan tới nguồn chondrit	U nghèo kiệt; ^206Pb/^204Pb thấp	U nghèo kiệt; ^207Pb/^204Pb thấp	Th cao vừa; ^208Pb/^204Pb cao vừa
Vỏ dưới	Rb nghèo; Rb/Sr< 0,04; ^87Sr/ ^86Sr thấp (0,702-0,705)		U nghèo kiệt mạnh; ^206Pb/^204Pb rất thấp (< 14,0)	U nghèo kiệt mạnh; ^207Pb/^204Pb rất thấp (< 14,7)	Th nghèo kiệt mạnh; ^208Pb/^204Pb rất thấp
Thạch quyển dưới lục địa
Arkei Proterozoi tới nay	Rb/Sr thấp Rb/Sr cao	Sm/Nd thấp Sm/Nd thấp
Nguồn bazan đại dương (Zindler và Hart, 1986)
Manti nghèo	Rb/Sr thấp; ^87Sr/^86Sr thấp	Sm/Nd cao; ^143Nd/^144Nd cao (Epsilon dương)	U/Pb thấp; ^206Pb/^204Pb thấp (<17,2-17,7)	U/Pb thấp; ^207Pb/^204Pb thấp (<15,4)	Th/U = 2,4 ±0,4 ^208Pb/^204Pb thấp (<37,2-37,4)
HIMU	Rb/Sr thấp; ^87Sr/^86Sr thấp (0,7029)	Sm/Nd trung bình (<0,51282)	U/Pb cao; ^206Pb/^204Pb cao (>20,8)	U/Pb cao; ^207Pb/^204Pb cao	Th/Pb cao
Manti giàu
EM I	Rb/Sr thấp; ^87Sr/^86Sr = ± 0,705	Sm/Nd thấp; ^143Nd/^144Nd < 0,5112*	U/Pb thấp; ^206Pb/^204Pb (17,6-17,7)	U/Pb thấp; ^207Pb/^204Pb (15,46-15,49)	Th/Pb thấp ^208Pb/^204Pb (38,0-38,2)
EM II	Rb/Sr cao; ^87Sr/^86Sr > 0,722	Sm/Nd thấp; ^143Nd/^144Nd (0,511-0,5121)*	^207Pb/^204Pb và ^208Pb/^204Pb cao tại ^206Pb/^204Pb đã cho
PREMA	^87Sr/^86Sr = 0,7033	^143Nd/^144Nd = 0,5130*	^206Pb/^204Pb = (18,2-18,5)
Trái đất tổng thể	^87Sr/^86Sr = 0,7052	^143Nd/^144Nd = 0,51264* (= chondrit)	^206Pb/^204Pb = 18,4 ± 0,3	^207Pb/^204Pb = 15,58 ± 0,08	Th/U = 4,2 ^208Pb/^204Pb = 38,9 ± 0,3

* Được chuẩn hoá theo ¹⁴⁶Nd/¹⁴⁴Nd = 0,7219

Bảng 5.9. Tỉ lệ nguyên tố vết không tương hợp trong các miền nguồn vỏ và manti (trích trong Rollinson H., 1995)

	Zr/Nb	La/Nb	Ba/Nb	Ba/Th	Rb/Nb	K/Nb	Th/Nb	Th/La	Ba/La
Manti ng.thuỷ	14,8	0,94	9,0	77	0,91	323	0,117	0,125	9,6
NMORB	30	1,07	1,7-8,0	60	0,36	210-350	0,025-0,071	0,067	4,0
EMORB			4,9-8,5			205-230	0,06-0,08
Vỏ LĐ	16,2	2,2	54	124	4,7	1341	0,44	0,204	25
HIMU OIB	3,2-5,0	0,66-0,77	4,9-6,9	49-77	0,35-0,38	77-179	0,078-0,101	0,107-0,133	6,8-8,7
EMI OIB	4,2-11,5	0,86-1,19	11,4-17,8	103-154	0,88-1,17	213-432	0,105-0,122	0,107-0,128	13,2-16,9
EMII OIB	4,5-7,3	0,89-1,09	7,3-13,3	67-84	0,59-0,85	248-378	0,111-0,157	0,122-0,163	8,3-11,3

Các miền nguồn vỏ lục địa

Thành phần đồng vị của các đá thuộc vỏ lục địa thay đổi rất mạnh và các tỉ lệ đồng vị chỉ có thể so sánh một cách chính xác, nếu như tất cả các mẫu có cùng một tuổi. Những khác biệt về thành phần như vậy có liên quan nhiều nhất tới thông số chuẩn hoá đưa vào tính toán tuổi của mẫu. Một trong những điểm cốt yếu là tuổi mô hình chondrit của thành phần Trái đất (CHUR) và sự tiến hóa của nó theo thời gian. Đối với các đồng vị Nd, điều này có thể định lượng trong thông số epsilon. Các đặc điểm đồng vị chính của miền nguồn vỏ được trình bày trong Bảng 5.8.

Vỏ lục địa trên (Upper continental crust) đặc trưng có tỉ lệ Rb/Sr và ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr cao. Mặt khác, tỉ lệ đồng vị Nd thấp như là hậu quả sự làm giàu nguyên tố đất hiếm nhẹ và tỉ lệ Sm/Nd thấp đặc trưng cho vỏ lục địa trên. U và Th được làm giàu trong vỏ lục địa trên khiến cho các tỉ lệ đồng vị ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb và ²⁰⁸Pb cao.

Vỏ lục địa giữa (Middle continental crust) được xem là diện rộng của gneis tướng amphibolit trong vùng granit-gneis. Các đá này chậm tiến triển ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd và tỉ lệ ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr thấp hơn trong vỏ trên. Tuy nhiên nghèo kiệt U và tỉ lệ ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb và ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb có thể thấp hơn so với manti. Thori cũng thấp hơn trong vỏ trên, nhưng không nghèo kiệt như urani.

Vỏ lục địa dưới (Lower continental crust) đặc trưng bởi tướng biến chất granulit và thường rất nghèo Rb. Do đó nó có tỉ lệ ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr thấp không khác biệt nhiều so với manti hiện đại. Điều này có nghĩa granit xuất sinh từ vỏ dưới và granit xuất sinh từ manti sẽ có tỉ lệ đồng vị ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr hoàn toàn tương tự nhau. Các tỉ lệ U/Pb và Th/Pb trong vỏ dưới thấp hơn trong manti hiện đại, do đó các tỉ lệ đồng vị ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb và ²⁰⁸Pb rất thấp và có thể dùng để phân biệt vỏ dưới và các miền nguồn manti.

Thạch quyển dưới lục địa (Subcontinental lithosphere) có thành phần đồng vị rất hay biến động theo vị trí và tuổi. Ví dụ, thạch quyển dưới lục địa Scotland theo Menzies và Halliday không đồng nhất về đồng vị Nd-Sr, mang đặc điểm cả hai miền nguồn manti giàu EM I và EM II. Một vài sự biến thiên có liên quan với tuổi của thạch quyển dưới lục địa.

Thạch quyển dưới lục địa tuổi Arkei nằm kề dưới thạch quyển giàu (EMI) có Rb/Sr, Sm/Nd thấp. Thạch quyển dưới các đai động Proterozoi lại rất giống với manti nghèo (DM) nhận thấy dưới đại dương cổ. Các thạch quyển dưới lục địa tuổi từ Pretorozoi đến Phanerozoi lại đặc trưng giàu Rb và REE nhẹ và giàu Sr phóng xạ sinh và đồng vị Nd không phóng xạ. Điều này tương tự như manti giàu EM II đã mô tả ở trên và trong Bảng 5.8.