3.2. Tiến hoá của các miền nguồn manti theo thời gian

Thành phần đồng vị của các miền nguồn manti thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào tỉ lệ nguyên tố mẹ/con. Những thay đổi này có thể biểu diễn trên biểu đồ tiến hoá đồng vị, trên đó trục hoành thể hiện thời gian, còn trục tung thể hiện tỉ lệ các đồng vị. Những biểu đồ như vậy có thể thiết lập cho mỗi hệ thống đồng vị bằng cách đo thành phần đồng vị của manti tại thời nay từ các dung nham hiện đại và bằng cách tính toán tỉ lệ đồng vị ban đầu từ các biểu đồ đẳng thời của các dung thể nguồn manti cổ.

Tiến hoá đồng vị Sr theo thời gian

Điểm bắt đầu tiến hoá đồng vị Sr là tỉ số ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr tại thời điểm sinh thành Trái đất. Người ta lấy giá trị này từ thành phần đồng vị của thiên thạch achondrit bazan, được xem như tương đồng với thành phần của tinh vân mặt trời tại lúc hình thành các hành tinh. Giá trị đó được kí hiệu là BABI (Bazan Achondrit Best Initial) và bằng 0,69897 ± 0,000032.

Các giá trị ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr của Trái đất tổng thể hiện thời thay đổi, nhưng dao động trong khoảng 0,7045 - 0,7052 với tỉ lệ Rb/Sr trong khoảng 0,030 - 0,032. Vì vậy tạo nên dải rộng đường tiến hoá của ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (Hình 5.14). Bell (1982) đã tính thành phần đồng vị của manti nghèo bên dưới tỉnh Superior, Canada, xem như tiến hoá từ manti nguyên thuỷ (PM) tại thời điểm 2,8 tỉ năm (Hình 5.14, đường 1). Điều đó không giống với đường tiến hoá của Ben Othman (1984) (Hình 5.14, đường 2) và thành phần hiện thời của manti nghèo do Zindler và Hart đưa ra.

Jahn và nnk (1980) đã cho rằng tỉ lệ đồng vị ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr của các đá magma mafic và felsic tuổi Arkei nằm phân tán trên và dưới đường cong Trái đất tổng thể. Điều này chứng tỏ nguồn manti đa dạng về thành phần đồng vị, thậm chí cả trong Arkei. Tuy nhiên tỉ lệ ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr cao trong các đá cổ có thể liên quan với cả quá trình biến chất trao đổi. Vì vậy để nghiên cứu sự tiến hoá của manti tốt nhất sử dụng hệ đồng vị khác mà ở đó các đồng vị mẹ và con kém linh động hơn. Chính vì thế, khoảng hơn chục năm gần, đây đồng vị Nd được nghiên cứu mạnh mẽ.

Trong quá trình hình thành vỏ lục địa, Rb đi từ manti vào vỏ đã dẫn đến mô hình tiến hoá đồng vị Sr khác hẳn nhau trong hai miền nguồn (Hình 5.15). Tỉ lệ Rb/Sr trong vỏ lục địa cao hơn khiến cho sự tăng trưởng ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr nhanh hơn hẳn so với trong manti, vì thế ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr hiện tại đo được trong vỏ là 0,7211, trong khi đó ở manti nghèo tỉ lệ này tăng không đáng kể từ khi hình thành Trái đất đến ngày nay chỉ đạt 0,7045.

Có nhiều ví dụ trong văn liệu sử dụng biểu đồ tiến hoá đồng vị như thể hiện ở Hình 5.15. Đưa lên trên biểu đồ này các tỉ lệ đồng vị stronti ban đầu của các mẫu đá magma nghiên cứu đã biết tuổi, so sánh với các đường tiến hoá của manti và vỏ để xác định miền nguồn thích hợp.

Tiến hoá đồng vị Nd theo thời gian

Thành phần đồng vị ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd của Trái đất tổng thể (BSE) được xem như xấp xỉ thành phần chondrit (CHUR). Thành phần của CHUR hiện thời và tại 4,6 tỉ năm trước đây được trình bày trong Bảng 5.5 và tiến hoá của CHUR theo thời gian được thể hiện trên Hình 5.16. Ở đây, tỉ lệ Sm/Nd của vỏ lục địa phân dị cao hơn so với CHUR và thể hiện sự tiến hoá chậm của tỉ lệ ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd theo thời gian. Điều này hoàn toàn ngược với với hệ đồng vị Rb-Sr, ở đó tỉ lệ đồng vị ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr của vỏ tiến hoá rất nhanh theo thời gian so với manti.

Hình 5.14. Tiến hóa đồng vị Sr theo thời gian. Trường tô màu xám thể hiện tiến hoá của Trái đất tổng thể từ 4,6 tỉ năm tới ngày nay. Giá trị ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr trong khoảng 0,7045 - 0,7052 phản ánh các tỉ lệ Rb/Sr trong khoảng 0,030 - 0,032. Đường manti nghèo (1) theo Bell và nnk (1982) chỉ thị cho sự tách biệt nguồn manti nghèo khỏi manti nguyên thuỷ ở thời điểm 2,8 tỉ năm bên dưới tỉnh Superior, Canada. Đường (2), theo Ben Othman và nnk (1984), được thiết lập trên cơ sở tài liệu của MORB, ophiolit, komatit và thiên thạch; đường cong này thể hiện phương trình (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr) = At²+Bt+C với A = -1,54985776´ 10^-4, B = -1,6007234 và C = 0,70273029, ở đây t là thời gian tính bằng tỉ năm. (3) Manti nghèo hiện thời theo McCullock và Black (1984). Thành phần manti giàu hiện thời (EM I và EM II) theo Zindler và Hart (1986) và thành phần bazan giàu Samoa theo White và Hofmann (1982). Dải tỉ lệ ban đầu ở khoảng 2,6 - 2,7 tỉ năm của các đá magma mafic và felsic, theo Jhan và nnk. (1980)

Các công trình nghiên cứu bazan hiện đại và granit cả cổ lẫn hiện đại chỉ rõ nhiều đá magma được bắt nguồn từ thành phần manti có tỉ lệ Sm/Nd cao hơn và giàu ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd so với CHUR, đó chính là manti nghèo. Hiện nay có một số mô hình về nguồn manti nghèo này và được mô tả sinh động so với CHUR trên Hình 5.17 thông qua kí hiệu epsilon (e_Nd).

Hình 5.15. Tiến hóa của ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr theo thời gian trong vỏ lục địa và manti. Tại thời điểm 2,7 tỉ năm sự phân dị manti dẫn đến thành tạo vỏ lục địa mới. Vỏ mới kế thừa tỉ lệ ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ban đầu (= 0,7014) của manti mẹ, nhưng lại có tỉ lệ Rb/Sr (= 0,17) khác hẳn với trong manti (= 0,03). Tỉ lệ Rb/Sr trong vỏ lục địa cao hơn đã khiến tăng nhanh tỉ lệ ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr theo thời gian trong vỏ so với trong manti. Vì vậy, giá trị ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr đo được tại thời điểm hiện tại trong vỏ lục địa là 0,7211, còn trong manti là 0,7045. Các tỉ lệ ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ghi ở cạnh phải biểu đồ chỉ các tỉ lệ đồng vị ban đầu trong các dung thể được thành tạo từ vỏ lục địa (0,7140) và từ manti (0,7034) tại thời điểm 1,0 tỉ năm trước đây

Những khác biệt chủ yếu giữa các mô hình khác nhau về manti nghèo là: (a) thời điểm manti nghèo tách ra khỏi Trái đất tổng thể và (b) không biết quá trình nghèo kiệt của manti xảy ra theo đường thẳng hay biến thiên phức tạp theo thời gian. Liew và McCulloch cho rằng miền nguồn chondrit bị nghèo đất hiếm nhẹ xảy ra trong khoảng từ 2,5 đến 3,0 tỉ năm, ứng với giai đoạn chính hình thành vỏ Trái đất; đồng thời họ cũng giả thiết trong manti nghèo tiến hoá ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd theo đường thẳng từ thời đó đến ngày nay. Một số lại cho đường tiến hoá của đồng vị Nd tiến triển theo đường hyperbol có phương trình dạng At²+ Bt + C với các thông số A, B và C khác nhau.

Tiến hoá đồng vị Pb theo thời gian

Sự tiến hoá đồng vị Pb theo thời gian đã được đề cập trong phần “Phương pháp định tuổi theo Pb bình thường”. Như trên đã trình bày, đối với hệ đồng vị chì có 3 sơ đồ phân rã khác nhau, nên không thể biểu diễn các tài liệu trên cùng một dạng biểu đồ tỉ lệ đồng vị - thời gian t. Giải pháp tốt nhất là dùng biểu đồ đường phù hợp (concordia diagram) được xây dựng cho cho các tỉ số ²³⁸U/²⁰⁴Pb (kí hiệu là m) khác nhau (xem Hình 5.4).