2.2. Nhóm các nguyên tố trường lực mạnh (HFS-High Field Strength)

Nhóm này có nhiều nguyên tố nhất, bao gồm các nguyên tố Sc, Y, Th, U, Pb, Zr, Hf, Ti, Nb, Ta và các nguyên tố đất hiếm (REE): La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu. Đôi khi gộp vào nhóm này cả Y (ytri), bán kính nguyên tử của nó gần gũi với REE. Các nguyên tố trường lực mạnh kém linh động hơn trong các quá trình địa chất khác nhau, sự phân bố chúng cho phép phán đoán bản chất các đá magma khác nhau.

Phụ nhóm nguyên tố đất hiếm (REE-Rare Earth Elements) rất có ích để nghiên cứu các quá trình địa hoá trong thạch luận magma, trầm tích và biến chất. Thường người ta chia ra đất hiếm nhẹ (LREE) có số nguyên tử thấp (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu) và đất hiếm nặng (HREE) có số nguyên tử cao (Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), đôi khi tách ra đất hiếm trung gian (MREE): Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho.

Tất cả các nguyên tố đất hiếm có đặc tính hoá học, vật lý tương tự nhau và bền vững ở trạng thái hoá trị 3, còn bán kính ion của chúng xấp xỉ nhau. Vài nguyên tố có hoá trị khác 3 như Ce⁴⁺ và Eu²⁺ cần phải chú ý khi luận giải.

Một đặc điểm quan trọng của REE là các nguyên tố có số hiệu chẵn bền vững hơn các nguyên tố số lẻ và trong tự nhiên có hàm lượng cao hơn. Vì thế đường cong phân bố các nguyên tố có dạng ziczac (Hình 1.1a). Điều đó dẫn đến khi lập đồ thị phân bố các nguyên tố đất hiếm phải dùng thủ tục chuẩn hoá theo mẫu chuẩn, tức là lấy hàm lượng các nguyên tố trong đá chia cho hàm lượng các nguyên tố tương ứng của mẫu chuẩn. Ngoài ra, trên đồ thị cần biểu diễn các nguyên tố có hàm lượng khác nhau (tới nhiều bậc). Nếu với thước tỉ lệ chi tiết, đồ thị trở nên khó đọc, với thước tỉ lệ thô có thể không thấy sự khác biệt về hàm lượng nhỏ mà đôi khi lại có ý nghĩa quan trọng. Để xoá đi những quá khác biệt về hàm lượng, thường sử dụng tỉ lệ logarit; tức là trên một trục của đồ thị (thường là trục tung) đặt không phải trị số tuyệt đối của hàm lượng mà đặt giá trị logarit thập phân của chúng, điều đó cho phép trên một hình vẽ với mức độ chi tiết đủ để thể hiện các nguyên tố cách biệt đến 3-4 bậc hàm lượng. Khi nghiên cứu một vài đối tượng tự nhiên, sự khác biệt về hàm lượng của các nguyên tố chỉ thị có thể đạt 5-6 bậc (khác biệt một triệu lần).

Hình 1.1. Biểu đồ hàm lượng nguyên tố đất hiếm chưa chuẩn hoá (a) có dạng ziczac; khi được chuẩn hoá theo chondrit (b) đồ hình có dạng mềm mại

Thủ tục chuẩn hoá được sử dụng rất rộng rãi không chỉ đối với các nguyên tố đất hiếm, vì thế ở đây sẽ dừng lại mô tả chi tiết hơn.

Trên một trục tọa độ của biểu đồ (trục hoành) thể hiện các nguyên tố, thí dụ như tất cả các nguyên tố đất hiếm. Theo trục khác (trục tung), biểu diễn không phải hàm lượng tuyệt đối của các nguyên tố, mà tỉ lệ của hàm lượng các nguyên tố trong mẫu nghiên cứu so với các hàm lượng trong mẫu chuẩn nào đó, được gọi là trị số chuẩn hoá và được ký hiệu bằng chữ N, ví dụ Ce_N. Đối với các nguyên tố đất hiếm, người ta dùng thiên thạch chondrit hoặc bazan nguyên thuỷ của sống núi giữa đại dương (MORB) làm vật chuẩn cho các đá magma và biến chất (theo magma). Chuẩn chondrit được sử dụng nhiều hơn vì theo quan niệm hiện nay, nó là vật chất hành tinh nguyên thuỷ không phân dị sau khi xuất hiện hệ Mặt trời. Chuẩn MORB được sử dụng hiếm hơn và là bazan nguyên thuỷ không phân dị.

Các biểu đồ số nguyên tử - hàm lượng chuẩn hoá của nguyên tố có tỉ lệ logarit. Các điểm thể hiện các nguyên tố trên biểu đồ được nối với nhau bằng các đường (Hình 1.1b). Dễ dàng thấy được đường cong hàm lượng được chuẩn hoá có dạng mềm hơn so với các đường hàm lượng tuyệt đối có dạng ziczac.

Đối với các đá magma, điểm Europi thường nhảy ra khỏi đường cong chung và được gọi là dị thường Europi. Nếu điểm nằm cao hơn đường cong (xem Hình 1.2, đường 2) đó là dị thường dương. Còn nếu thấp hơn – dị thường âm (xem Hình 1.2, đường 3). Các dị thường Europi có thể xác định bằng cách so sánh hàm lượng đo được (Eu) với hàm lượng mong đợi (Eu^*) đạt được bằng cách nội suy các giá trị đã được chuẩn hoá của Sm và Gd. Do đó tỉ số Eu/Eu^* là số đo của dị thường Europi. Taylor và McLennan (1985) đề nghị lấy giá trị trung bình hình học của hàm lượng Sm và Gd (là hai nguyên tố đứng kề cận với Eu) đã được chuẩn hoá như là tiêu chuẩn đánh giá dị thường Europi.

Eu/Eu^* = [(Sm_N).(Gd_N)]^1/2

Tỉ số này lớn hơn 1,0 chỉ thị cho dị thường dương, trong khi đó trị số nhỏ hơn 1,0 là dị thường âm.

Khi luận giải các tài liệu địa hoá, hàm lượng tuyệt đối của REE cũng như dạng đồ hình các hàm lượng đã được chuẩn hoá đều rất quan trọng. Đồ hình có thể gần song song với trục X (Hình 1.2, đường 1), độ nghiêng dương (Hình 1.2, đường 2), độ nghiêng âm (Hình 1.2, đường 3) hoặc có dạng chữ V (Hình 1.2, đường 4). Trong trường hợp thứ hai có thể nói đất hiếm nặng giàu hơn đất hiếm nhẹ; ở trường hợp thứ ba- đất hiếm nặng nghèo; còn trong trường hợp thứ tư- nghèo đất hiếm trung gian.

Cần chú ý hàm lượng các nguyên tố đất hiếm trong cùng một loại chuẩn (ví dụ chondrit) có thể có sự khác nhau ở các tác giả khác nhau. Vì vậy trong báo cáo (hoặc trong các bài viết) nhất thiết phải chỉ rõ mẫu chuẩn theo tác giả nào dùng để chuẩn hoá các mẫu nghiên cứu.

Các Bảng 1.1 và 1.2 đưa ra hàm lượng REE và các nguyên tố vết trong các mẫu chuẩn thường dùng nhất theo các tác giả khác nhau.

Hình 1.2. Các đường cong phân bố REE được chuẩn hoá theo chondrit (giải thích xem trong phần viết)

Các nguyên tố đất hiếm là một trong những nguyên tố kém linh động nên các quá trình biến đổi nhiệt dịch và biến chất nhiệt độ thấp ít ảnh hưởng tới chúng. Do đó hàm lượng của REE phản ánh đúng đắn nhất thành phần các đá magma nguyên sinh và mức độ nóng chảy vật chất manti.

Hàm lượng REE trong các đá magma phụ thuộc vào thành phần vật chất nguyên sinh (protholith), từ đó magma nóng chảy; phụ thuộc vào điều kiện P-T nóng chảy, hỗn nhiễm do nóng chảy đá vây quanh hoặc pha trộn magma có thành phần khác nhau.