3. Các modul và chỉ số thạch hoá dùng cho đá trầm tích

Để nghiên cứu các đá trầm tích, người ta sử dụng hàng loạt các modul – tỉ lệ của các thành phần thạch sinh khác nhau. Nhờ các modul có thể tiến hành phân loại các đá trầm tích chính xác hơn, khôi phục đặc điểm thạch luận nguồn gốc của các nguồn vật liệu, tái tạo đặc tính hoá-lí và địa động lực của bối cảnh tích tụ trầm tích. Phương pháp nghiên cứu này áp dụng không chỉ đối với các đá trầm tích hạt vụn và sét, mà còn cho các trầm tích tương đồng chưa được gắn kết và cả cho các đá trầm tích bị biến chất (parametamorphic).

1. Modul thuỷ phân (HM): Al₂O₃+TiO₂+Fe₂O₃+FeO) / SiO₂

Modul thuỷ phân dành để làm sáng tỏ một trong những khuynh hướng phong hoá hoá học: tách các sản phẩm thuỷ hoá (kaolinit, các oxid nhôm, sắt, mangan) ra khỏi oxid silic. HM rất hiệu nghiệm đối với các đá lục nguyên và silic, ngoại trừ các đá giàu FeO dưới dạng carbonat và sulphat. Theo trị số HM các đá lục nguyên và silic được phân ra như sau: a) < 0,10: silisit (đá silit, phtanit, jasma, lidit,...); b) 0,10 – 0,20: silisit chứa sét (đá phiến silic-sét), cát kết và bột kết thạch anh ít khoáng; c) 0,20 – 0,30: silisit sét (đá phiến sét-silic), cát kết và bột kết thạch anh đa khoáng; d) 0,30 – 0,50: đá sét, một số grauwack và e) > 0,50: đá sét thuỷ hoá, chứa hoặc kaolinit, hoặc các oxid Al, Fe, Mn tự do.

2. Modul nhôm silic (AM): Al₂O₃/SiO₂

AM cũng phản ánh khuynh hướng phong hoá hoá học như HM và giữa chúng có mối tương quan với nhau. Sự phá vỡ mối liên quan chỉ ra có vật chất lạ trong đá (ví dụ AM thấp khi HM cao chứng tỏ xuất hiện vật chất nguồn núi lửa).

Theo trị số AM, các đá lục nguyên và silic được chia ra: a) < 0,10: cát kết thạch anh và đá silic; b) 0,10 – 0,22: cát kết; c) 0,22 – 0,35: đá sét và d) > 0,35 các đá thuỷ hoá liên quan tới vỏ phong hoá.

Dưới tên “modul silic”, tỉ lệ này được dùng để phân loại bauxit. Tất cả các đá có modul cao hơn 0,85 được xếp vào alit. Đá có modul bằng hoặc gần bằng 0,85 thuộc sialit.

3. Modul femic (FM): (FeO+ Fe₂O₃+MgO) / SiO₂

Modul femic sử dụng khá hiệu quả để phân loại grauwack, tuy nhiên chỉ có thể sử dụng cho các đá không chứa dolomit. Trước kia modul này được tính theo số lượng phân tử và kí hiệu bằng chữ F. Ngày nay tất cả đều tính theo phần trăm khối lượng. Theo giá trị FM các đá lục nguyên và silic được phân loại như sau: a) 0,03 – 0,05: cát kết thạch anh và đá thạch anh; b) 0,05 – 0,20: cát kết và c) 0,20: các đá thuỷ hoá liên quan với vỏ phong hoá sắt và quặng sắt.

Cần chú ý khi phân định cát kết, grauwack được kéo lên khoảng trên do chúng có lượng lớn các khoáng vật sẫm màu, vì thế một số trường hợp ranh giới giữa các đá cát và sét thường lại không rõ ràng.

4. Modul titan (TM): TiO₂/Al₂O₃

Việc sử dụng modul titan dựa trên hai khuynh hướng hành vi ngược nhau của titan và nhôm trong quá trình phong hoá hoá học, lắng đọng trầm tích và thành đá. Khi phá huỷ ô mạng tinh thể của alumosilicat, nhôm và titan bị thuỷ hoá và có thể di chuyển dưới dạng dung dịch keo và huyền phù. Về mặt hoá học, hai nguyên tố kể trên tương đối giống nhau, nên trong trường hợp này, chúng cùng giàu lên trong thành phần sét của vỏ phong hoá. Mặt khác, các khoáng vật của titan, chủ yếu là rutil và ilmenit, là những khoáng vật rất bền vững nên được tích tụ trong các phần thô của vỏ phong hoá, trong khi đó nhôm bị mất dần trong quá trình phân huỷ hoá học các khoáng vật silicat. Tuy nhiên cần nhớ hải miên và các sinh vật khác có khả năng hấp thu titan và như vậy hàm lượng titan được nâng cao trong các đá silic nguồn gốc sinh vật, như spongolit.

Đại lượng TM chịu ảnh hưởng của hai yếu tố: hàm lượng titan trong vật liệu tham gia vào trầm tích và mức độ phân chọn cơ học của vật liệu trầm tích. Do đó trị số cực đại TM đặc trưng cho các đá trầm tích trưởng thành như cát kết thạch anh được phân chọn tốt, cực tiểu – cho các đá argilit của các tầng flysh. Vì thế trị số cao của TM sẽ thấy ở các trầm tích gần bờ, còn thấp nhất trong các trầm tích nước sâu. Theo trị số TM, các đá cát và sét được phân loại tuỳ thuộc vào điều kiện tướng và khí hậu (Bảng 3.2).

5. Modul natri (NM): Na₂O/Al₂O₃

Modul natri phản ánh quá trình phong hoá hoá học đá, khi đó plagioclas bị phá huỷ. Trong cát, NM thường cao hơn trong sét. NM rất có hiệu quả dùng để phân biệt grauwack, nó có trị số cao nhất. Theo trị số NM, các đá lục nguyên và silic được phân ra như sau:
a) < 0,01: đặc trưng cho trầm tích thuỷ hoá; b) 0,01– 0,05: các trầm tích silic; c) 0,05 – 0,20: các trầm tích lục nguyên và d) > 0,20: đặc trưng chỉ cho grauwack.

Bảng 3.2. Phân chia hoàn cảnh tướng các trầm tích lục nguyên theo TM

Hoàn cảnh tướng	Điều kiện khí hậu	Đá sét	Cát kết - bột kết
Lục địa và hồ	Khô	0,048	0,058
	Ẩm	0,051	0,070
Biển gần bờ	Khô	0,052	0,052
	Ẩm	0,057	0,078
Biển mở (pelagic)	Khô	0,053	0,060
	Ẩm	0,048	0,055
Tất cả các kiểu tướng	Khô	0,028	0,057
	Ẩm	0,054	0,072
	Trung bình	0,053	0,069

6. Modul kali (KM): K₂O/Al₂O₃

Modul kali cho ta những thông tin quan trọng về sự phân bố kali và nhôm trong các khoáng vật tạo đá. KM < 0,10: trong đá chủ yếu chlorit (nếu tỉ lệ Na₂O/K₂O nhỏ) hoặc plagioclas; KM = 0,10 – 0,30: hydromica + chlorit (± plagioclas), khi tỉ lệ Na₂O/K₂O thấp thì trong đá chỉ có hydromica + chlorit; KM = 0,30 – 0,90: hydromica + orthoclas; KM > 0,90 : orthoclas + silicat không nhôm chứa kali (như stilpnomilan) hoặc khi Na₂O/K₂O cao trong đá gồm chủ yếu orthoclas + plagioclas, chỉ đặc trưng cho arkoz.

7. Modul tổng kiềm (NM + KM): Na₂O+K₂O/Al₂O₃

Modul tổng kiềm còn được gọi là “chỉ thị felspat” giúp ích rất nhiều khi chẩn đoán vật liệu núi lửa trong các đá. Đối với các đá lục nguyên hạt vụn và sét, trị số modul tổng kiềm không quá 0,20 – 0,40, trị số này tương ứng với hàm lượng chuẩn của mica và felspat. Hàm lượng felspat trong đá tăng sẽ dẫn đến modul tổng tăng. Modul cũng được tăng trong trường hợp nếu kiềm tham gia vào thành phần các silicat nghèo nhôm: amphibol kiềm, hydromica sắt,... Cả hai khuynh hướng: tăng hàm lượng felspat trong đá và tăng độ chứa sắt của silicat - đặc trưng cho vật liệu núi lửa thành phần bazơ. Theo modul này, các đá chia ra thấp kiềm (nhỏ hơn 0,20), kiềm bình thường (0,20 - 0,40), nâng cao kiềm (0,40 - 0,70), cao kiềm (0,70 - 1,00) và siêu kiềm (lớn hơn 1,00).

8. Modul sắt (FeM): (FeO+Fe₂O₃+MnO) / (Al₂O₃+TiO₂)

Modul sắt, thường được dùng cùng với modul thuỷ hoá, đặc trưng cho các sản phẩm pelit thuỷ hoá. Các đá lục nguyên và silic theo modul sắt được chia ra nghèo sắt (nhỏ hơn 0,20), sắt bình thường (0,20 - 0,60), sắt nâng cao (0,60 - 1,00), cao sắt (1,00 - 3,00) và rất cao sắt (lớn hơn 3,00). Sắt hoặc mangan ở trong đá dưới dạng sulphur hoặc carbonat, có thể có ảnh hưởng lớn đến thông số này. Điều đó có nghĩa các trị số cao của modul sắt không phải lúc nào cũng tương ứng độ chứa sắt nguyên sinh của vật chất pelit, mà có thể liên quan với pyrit hóa biểu sinh hoặc liên quan với tái phân bố sắt và mangan (thành tạo các kết hạch) trong carbonat khi thành đá.

9. Modul plagioclas (PM): (Na₂O+CaO) / K₂O

Modul này được dùng cho các đá ẩn tinh, ở đó khó xác định thành phần sét hay vôi chiếm chủ yếu. Đối với đá sét, đặc trưng trị số modul plagioclas thấp, trong khi đó ở trầm tích carbonat trị số này cao nhờ giàu CaO và thấp K₂O.

10. Chỉ số trưởng thành của Pettijon (1976): SiO₂/Al₂O₃

Giá trị cao của chỉ số đặc trưng cho cát kết giàu thạch anh, chứa lượng không lớn sét hoặc alumosilicat hạt vụn. Trị số thấp chỉ ra cát kết chưa trưởng thành chứa sét và alumosilicat hạt vụn. “Độ trưởng thành” của các đá trầm tích do tính bền vững tương đối của các khoáng vật trong các điều kiện phong hoá quyết định. Nó được tăng lên theo hướng của dãy:

OlivinđpyroxenđhorblendđarnorthitđalbitđfelspatKđ hydromuscovitđthạch anh.

Kết quả cuối cùng của quá trình này là biến đổi hoàn toàn vật liệu nguyên thuỷ và lắng đọng cát thạch anh sạch tổ hợp với các đá sét và carbonat. Những thành viên cuối cùng của dãy “trưởng thành” liên quan chuyển tiếp dần dần với các trầm tích có độ trưởng thành không cao có chứa các mảnh vụn không chỉ của các khoáng vật mà còn của các đá khác nhau – granitoid, phun trào và đá phiến biến chất với tỉ lệ khác nhau tuỳ thuộc vào thành phần miền xói lở, địa hình, độ xa vận chuyển và cường độ phong hoá.

11. Chỉ số phong hoá hoá học (CIA): 100Al₂O₃/(Al₂O₃+ CaO+Na₂O+K₂O)

Chỉ số này là chỉ tiêu về khí hậu của miền xói lở. Khác với các modul trước, chỉ số này được tính theo số lượng phân tử của các oxid. Cường độ phong hoá hoá học tương quan trực tiếp với cổ khí hậu. Trong hoàn cảnh ẩm ướt, tỉ lệ nhôm và kiềm trong sản phẩm phong hoá được tăng lên là do có sự vận chuyển đến của các sản vật từ felspat calci, natri và kali. Với hoàn cảnh khô và băng giá, các vật liệu hạt nhỏ mịn ít bị biến đổi, đặc trưng chủ yếu các khóang vật sét với hàm lượng nhôm nhỏ và số lượng đáng kể felspat chưa bị biến đổi hoặc bị biến đổi yếu được vận chuyển đến miền tích tụ. Với tư cách là tiêu chuẩn để phân định các trầm tích được hình thành trong hoàn cảnh khí hậu ấm và lạnh, giá trị của CIA bằng 70. Các đá không bị phong hoá, trị số CIA khoảng 50, trong khi đó các loại bị phong hoá mạnh có CIA gần 100.

12. Chỉ thị về tướng các đá trầm tích

Chỉ số Fe/Mn là một trong những chỉ thị về tướng của các đá trầm tích. Chỉ số này giảm khi tăng độ sâu và khi chuyển từ tướng thềm lục địa sang tướng biển khơi. Sự khác nhau rõ rệt hơn khi phân định grauwack rìa lục địa thụ động và grauwack cung đảo đại dương. Các trầm tích hấp thụ Mn từ nước biển, đặc biệt mạnh mẽ ở điều kiện nước sâu, đã gây nên khuynh hướng giảm tỉ lệ Fe/Mn.

Tính toán chỉ số Fe/Mn được tiến hành theo khối lượng các nguyên tố trong đá, bằng cách lấy hàm lượng các oxid nhân với các hệ số tương ứng (Bảng 3.3).

Bảng 3.3. Hệ số tính chuyển hàm lượng oxid (%) và nguyên tố

Nguyên tố - oxid	Hệ số	Oxid – nguyên tố	Hệ số
Fe^+2đ FeO	1,28648	FeOđ Fe^+2	0,77731
Fe^+3đ Fe2O3	1,42972	Fe2O3đ Fe^+3	0,69944
Mnđ MnO	1,29128	MnOđ Mn	0,77443
Niđ NiO	1,27262	NiOđ Ni	0,78578
Tiđ TiO2	1,66806	TiO2đ Ti	0,59950
Zrđ ZrO2	1,35080	ZrO2đ Zr	0,74030

Theo chỉ số Fe/Mn, các đá trầm tích, trong đó kể cả đá carbonat, được phân ra như sau: nước sâu (Fe/Mn < 40); nước nông (40-80); nước nông ven bờ, chủ yếu là lục nguyên (80-160).

Chỉ số Ti/Zr để đánh giá độ dài di chuyển của vật liệu lục nguyên. Khi di chuyển dài, chỉ số Ti/Zr của các đá thành phần hạt vụn sẽ giảm; đó là do khoáng vật zircon được bảo tồn tốt hơn so với các khoáng vật chứa titan. Chỉ số titan-zircon nâng cao đặc trưng cho sét biển khơi và đặc biệt carbonat; điều này có liên quan trực tiếp với vai trò chính của vật chất bazit bị phá huỷ khi thành tạo thành phần lục nguyên của các trầm tích đại dương. Thường thường các mảnh vụn khoáng vật xuất hiện khi xói lở bazit được vận chuyển đến bồn trầm tích cũng được biểu hiện ở sự biến thiên các tỉ lệ Sc/Zr và Ni/Zr. Trong hoàn cảnh đó thường phát hiện thấy các sản phẩm xói lở dưới nước của các bazit (như các hạt pyroxen, amphibol đơn tà) trong phần nặng của trầm tích.