3.3. Biểu đồ tương quan đồng vị

Một trong các phương thức đơn giản nhất để tìm hiểu các mối liên hệ giữa các cặp tỉ số đồng vị trong thạch luận nguồn gốc là xây dựng biểu đồ tương quan đồng vị. Đó là đồ thị x-y, hoặc x-y-z trên đó biểu diễn các cặp tỉ lệ đồng vị. Các biểu đồ tương quan hai chiều đã được sử dụng để thể hiện thành phần tương phản giữa các miền nguồn manti và vỏ (các Hình 5.10 đến 5.13), đồng thời cũng là phương tiện để nghiên cứu các quá trình hoà trộn giữa các miền nguồn có thành phần đồng vị khác nhau. Zindler và nnk. đã đề nghị biểu đồ ba chiều (¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd)-(²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb)-(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr), trên đó 4 miền nguồn bazan đại dương DM, EMI, EMII và HIMU tạo nên tứ diện (gọi là tứ diện manti).

Hình 5.16. Tiến hoá đồng vị ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd theo thời gian trong manti, vỏ lục địa và Trái đất tổng thể.

So với Trái đất tổng thể (CHUR), ở manti nghèo (DM) có tỉ lệ Sm/Nd cao và thể hiện ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd cao hơn. Vỏ lục địa có tỉ lệ Sm/Nd thấp hơn và thể hiện ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd tiến hoá chậm. Manti giàu (EM) có quan hệ gần gũi với vỏ lục địa vì cũng có ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd tiến hóa chậm. Cần chú ý trong hệ Sm-Nd vỏ lục địa thể hiện tiến hoá đồng vị chậm, trong khi đó hệ Rb-Sr lại tiến hoá nhanh (xem Hình 5.15)

Hình 5.17. Sự tiến hoá tương phản của e_Nd trong vỏ lục địa và manti. CHUR là miền nguồn chondrit đồng nhất, tương đồng với giá trị Trái đất tổng thể và thường dùng như giá trị đối sánh cho những phép đo khác. Vì thế e_Nd của CHUR = 0. Năm đường thể hiện tiến hoá của manti nghèo: đường (1), tác gỉa Liew và McCulloch (1985), giả định manti nghèo bắt nguồn từ CHUR ở 2,7 tỉ năm trước đây và tiến hoá theo đường thẳng cho đến ngày nay, giá trị e_Nd = +10; đường (2), tác giả DePaolo (1981), có thể vẽ theo phương trình 0,25t² - 3t +8,5, ở đây t là thời gian quá khứ tính bằng tỉ năm; đường (3) theo Nelson và DePaolo (1984); đường (4) theo Goldstein và nnk (1984) và xem như tiến hoá theo đường thẳng của manti nghèo giữa giá trị e_Nd = +10 ở hiện tại và bằng 0 ở 4,5 tỉ năm trước; đường (5) được xây dựng trên tài liệu MORB, ophiolit, komatit và thiên thạch và được tính toán từ phương trình của Ben Othman và nnk (1984) và của Allegre và Rouseau (1984): (¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd)_DM= At²+Bt +C với A = 1,53077´10^-5, B = -0,22073´10^-3 và C= 0,513078. Điểm (6) là các mẫu manti tàn dư 3,8 tỉ năm của Collerson và nnk (1981). Cần chú ý cả hai đường (3) và (5) sử dụng tài liệu của Claoue-Long và nnk (1984) thuộc các đá núi lửa Kambalda ngày nay đã biết là không đúng. Đường cong dưới cùng thể hiện các đá phiến sét Australia theo Allegre và Rouseau (1984) và được xem như xấp xỉ với tiến hoá của vỏ lục địa trung bình theo thời gian.

Các xu thế (trend) trên các biểu đồ tương quan đồng vị thường được luận giải như các đường hoà trộn (mixing line). Sự hoà trộn có thể xảy ra trong miền nguồn, trong lò magma, hoặc giữa dung thể và “chất gây ô nhiễm”, như đá vây quanh mà magma xâm vị (emplace) vào hoặc xuyên qua. Thành phần đồng vị được tạo nên trong quá trình hoà trộn thường nằm trên đường hyperbol, nhưng nếu các tỉ lệ đồng vị có mẫu số chung (như ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr so với ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr, ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb so với ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb) thì quá trình hoà trộn sẽ tạo nên xu thế đường thẳng.

Sự hoà trộn

Hoà trộn giữa các nguồn (Mixing between sources)

Nghiên cứu đồng vị các bazan đại dương cho thấy thành phần đồng vị của chúng là kết quả của sự hoà trộn giữa các biến thể của nguồn manti và tạo nên xu thế dạng tuyến hoặc dạng đường cong trên biểu đồ tương quan đồng vị. Biểu đồ tương quan đồng vị e_Nd - (⁸⁷Sr/⁸⁶S)_i xây dựng theo nguyên tắc của DePaolo và Wasserburg (1979) được sử dụng rộng rãi (Hình 5.18).

McCulloch và Chappell (1982) đã sử dụng biểu đồ tương quan đồng vị Nd-Sr (thông qua các trị số e) để xác định granit kiểu I và S ở Australia (Hình 5.18). Trên hình này có thể thấy tất cả các phổ thành phần đồng vị của granit được giải thích bằng quá trình hoà trộn của các magma nóng chảy từ vỏ sialic (granit kiểu S) với magma xuất sinh từ nguồn manti.

Hình 5.18. Biểu đồ tương quan đồng vị e_Nd - ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr thể hiện hai đường hyperbol hoà trộn giữa manti nghèo (DM) và manti giàu (EM) với các tỉ lệ (Sr/Nd)_DM / (Sr/Nd)_EM khác nhau. Trường nằm giữa hai đường cong thể hiện manti trộn lẫn.

Đường hoà trộn thể hiện trên Hình 5.19 được xác định theo phương trình:

Rⁱ_Mix = [Rⁱ_C Xⁱ_C F + Rⁱ_M Xⁱ_M (1-F)] / [Xⁱ_C F + Xⁱ_M (1-F)]

ở đây Rⁱ_Mix, Rⁱ_C, và Rⁱ_M - tương ứng tỉ lệ của nguyên tố i trong thành phần hỗn hợp, trong vỏ và trong manti; Xⁱ_M, Xⁱ_C - nồng độ của nguyên tố i tương ứng trong thành phần manti và vỏ; F - phần thành phần vỏ trong hỗn hợp được xác định theo biểu thức F = K/(K+M).

Hình 5.19. Biểu đồ tương quan đồng vị e_Nd-e_Sr của granit kiểu I và S tuổi Paleozoi ở Australia; biến thiên đồng vị trong hai kiểu granit có thể được luận giải do hoà trộn các nguồn vỏ và manti nghèo (theo McCulloch và Chappel, 1982)

Đường hỗn hợp có dạng hyperbol. Nếu tỉ lệ [(Sr/Nd)_M/ (Sr/Nd)_C] > 1 thì hyperbol lõm, còn nếu < 1 thì hyperbol lồi.

Nhiều ví dụ phức tạp hơn về quá trình hoà trộn giữa ba hợp phần đã được Shirey, Hawkesworth trình bày trong các công trình nghiên cứu về bazan đại dương và các magma liên quan tới đới hút chìm.

Hoà trộn trong lò magma

Sharpe (1985) đã chỉ ra rằng, các đồng vị Sr có thể dùng để nghiên cứu hoà trộn magma và sự đa dạng của magma trong thể xâm nhập phân lớp. Ông đã chứng minh sự biến đổi đồng vị Sr phụ thuộc vào độ cao phân tầng bên trong xâm nhập phân lớp Bushveld, ở phần trung tâm của thể xâm nhập (trong đới chính), tỉ lệ ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ban đầu tăng rõ rệt. Tỉ lệ ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr thay đổi từ 0,7065 ở đáy của xâm nhập tới 0,7073 ở đới trên được luận giải do có sự bổ sung và hoà trộn magma. Tỉ lệ ban đầu cao của đới chính - đới trung tâm (0,7085) thể hiện lớp lỏng khác (hầu như chắc chắn bị hỗn nhiễm với đá phiến sét) xuyên vào magma phân tầng- theo tỉ trọng.

Sự hỗn nhiễm

Hỗn nhiễm do vỏ lục địa

Quá trình hỗn nhiễm vỏ có thể hiểu theo các nghĩa khác nhau. Thông thường nhất theo nghĩa “các dung thể magma xuất sinh từ manti, sau khi tách khỏi miền nguồn, bị hỗn nhiễm bởi vỏ lục địa” (Hawkesworth và van Calsteren, 1984). Tuy nhiên cũng có thể hiểu theo nghĩa hơi khác về miền nguồn manti, mà từ đó magma sinh ra. Miền nguồn này đã bị hỗn nhiễm với vật liệu vỏ ở thời điểm nào đó trong quá khứ, ví dụ sự hợp nhất của trầm tích bị hút chìm vào trong manti. Thực tế không phải dễ dàng phân biệt được hai quá trình này theo đặc điểm hoá học của đá.

Hỗn nhiễm vỏ có thể phát sinh theo các cách khác nhau: đồng hoá vật liệu vỏ quy mô lớn, đồng hoá của quá trình nóng chảy từng phần bắt nguồn từ vật liệu vỏ và sự trao đổi có chọn lọc các nguyên tố cá biệt từ vỏ vào dung thể với sự hỗ trợ vận chuyển của chất lưu. Các thành viên tiến hoá cao hơn của phức hệ magma có nhiều khả năng cho ta những bằng chứng về quá trình hỗn nhiễm, vì chúng tồn tại lâu hơn trong vỏ lục địa.

Nhóm đồng vị bền, đặc biệt là đồng vị oxy, rất nhạy cảm đối với quá trình hỗn nhiễm vỏ và sẽ được đề cập đến trong chương sau. Trong số các đồng vị phóng xạ thì Nd kém nhạy đối với quá trình này, ngược lại, đồng vị Sr và đặc biệt đồng vị Pb rất có ý nghĩa trong việc nghiên cứu quá trình hỗn nhiễm magma. Khả năng của đồng vị Pb phát hiện ra sự hỗn nhiễm của dung thể xuất sinh từ manti do vỏ lục địa gây nên đã được Taylor và nnk (1980) minh hoạ ở Hình 5.20.

Hỗn nhiễm vỏ và các quá trình AFC

Đồng hoá và kết tinh phân đoạn (Assimilation & Fractional Crystallisation - AFC) là cơ chế phổ biến của sự hỗn nhiễm. Quá trình này trên biểu đồ tương quan đồng vị có thể làm thay đổi thành phần khác hẳn với quá trình hoà trộn đơn giản. Trên biểu đồ tương quan đồng vị Nd-Sr, quá trình hoà trộn đơn giản cho ta đường xu thế thẳng giữa magma và nguồn hỗn nhiễm, ngược lại trong quá trình AFC khi các hệ số phân bố chung (tổng thể) pha rắn/lỏng của Nd và Sr khác hẳn, khiến xu thế đi chệch khỏi đường hoà trộn đơn giản.

Hình 5.20. Tiến hoá đồng vị Pb trên biểu đồ ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb-²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb chỉ rõ tác động của hỗn nhiễm vỏ lên dung thể nguồn manti.

Đường cong tăng trưởng với m = 7,48. Tại 3,7 tỉ năm, gneis tách ra khỏi nguồn manti và tiến hoá dọc theo một loạt đường cong tăng trưởng với giá trị trung bình của m₂ = 1,16 chỉ thị cho rất nghèo U. Thành phần hiện tại của mẫu nằm ở đầu mút dưới của đường cong nối liền 3,7 tỉ năm với 0 tỉ năm. Tại thời điểm 2,85 tỉ năm, thành phần trung bình của gneis này là A. Nguồn manti tại thời điềm này với m = 7,48 có thành phần N ở 2,85 tỉ năm và dung thể tách ra từ nguồn manti tại thời điểm này sẽ nằm dọc đường thẳng giữa N và 0 tỉ năm. Magma tách ra từ manti tại 2,85 tỉ năm và bị hỗn nhiễm bởi vỏ có tuổi 3,7 tỉ năm tại 2,85 tỉ năm nằm trên đường hoà trộn AN tại điểm M. Các đá kết tinh từ dung thể M này sẽ tiến hoá dọc theo đường MP (Taylor và nnk, 1980)

Hỗn nhiễm với nước biển

Veizer (1989) xác định được tỉ lệ ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr của nước biển cao hơn so với các giá trị của manti như đã thấy trong các bazan đại dương. Sự trao đổi Sr giữa nước biển và vỏ đại dương ở sống núi giữa đại dương tạo ra tỉ lệ ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr tương tự, thậm chí trong MORB trẻ và các sulphid đi cùng. Trái lại, các đồng vị Nd tương đối kém nhạy đối với kiểu hỗn nhiễm này và trên biểu đồ Nd-Sr, tỉ lệ ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr gia tăng mạnh thì tỉ lệ ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd lại không đổi.

Các đồng vị Pb còn kém nhạy hơn nữa, không có bằng chứng nào chỉ ra được sự hỗn nhiễm với nước biển đối với chì.