THẠCH LUẬN GRANIT PHỨC HỆ PLEI MAN KÔ:
BẰNG CHỨNG TỪ ĐẶC ĐIỂM KIẾN TRÚC
VÀ THÀNH PHẦN HOÁ HỌC KHOÁNG VẬT
MASAAKI OWADA1,
YASUHITO OSANAI2, NOBUHIKO NAKANO2, PHẠM BÌNH3,
TSUYOSHI TOYOSHIMA4, TOSHIAKI TSUNOGAE5, TRẦN NGỌC NAM6
1Trường Đại
học Yamaguchi, Nhật Bản; 2Trường Đại học Kyushu, Nhật Bản;
3Viện Nghiên cứu Địa chất và Khoáng sản, Hà Nội
4Trường Đại học Niigata, Nhật Bản; 5Trường Đại học
Tsukuba, Nhật Bản;
6Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế (Chủ biên bản tiếng Việt)
Tóm tắt: Địa khối Kon Tum là một trong những đới va chạm lục địa quan trọng trong
quá trình hình thành lục địa châu Á vào Permi muộn. Địa khối này bao gồm các
loại đá biến chất nhiệt độ cao và áp suất cao và các đá xâm nhập từ mafic đến
axit. Granit chứa granat vùng sông Ba, thuộc phần đông nam địa khối Kon Tum,
nhiều chỗ thể hiện cấu tạo migmatit kèm theo các thể sót gneis pelit (các đá
gneis granat-orthopyroxen và gneis granat-biotit). Các đá granit này chứa hai
loại granat: loại granat không tự hình chứa nhiều bao thể và loại granat tự
hình không chứa bao thể. Kiến trúc của granat không tự hình phản ánh kiến trúc
của đá gneis pelit. Kết hợp đặc điểm kiến trúc và thành phần hoá học khoáng vật
cho thấy granat không tự hình được thành tạo nhờ các phản ứng biến chất, trong
khi đó các khoáng vật granat tự hình kết tinh trực tiếp từ dung thể granit.
Điều kiện biến chất của đá gneis granat-orthopyroxen được xác định bằng các
tính toán địa nhiệt-áp kế nằm trong khoảng nhiệt độ 790-900ºC và áp suất
5,4-6,5 kbar. Các điều kiện nhiệt độ - áp suất (P-T) này cắt qua đường cong
nóng chảy trong hệ pelit. Kiến trúc khoáng vật trong điều kiện biến chất này
cho thấy quá trình nóng chảy cục bộ của các gneis pelit đóng vai trò quan trọng
trong việc tạo nguồn magma cho granit chứa granat. Có thể giả định rằng nguồn
nhiệt cung cấp cho quá trình nóng chảy cục bộ là nguồn magma bazan dưới mảng
liên quan với điểm nóng manti hậu va chạm lục địa trong Permi muộn.
I. MỞ ĐẦU
Quá trình hình thành magma granit có ý nghĩa quan trọng trong việc tìm hiểu sự phân dị và trưởng thành vỏ lục địa, bởi vì hầu hết magma granit đều được thành tạo bằng con đường nóng chảy cục bộ vật liệu vỏ Trái đất trong các môi trường kiến tạo khác nhau, đặc biệt là ở điều kiện dưới sâu của vỏ tại các đới va chạm lục địa. Tại các đới va chạm lục địa thường gặp các vật liệu thuộc phần thấp của vỏ Trái đất, đó là những đá biến chất thuộc kiểu áp suất thấp - nhiệt độ cao. Những đá này lưu giữ nhiều thông tin từ các quá trình nóng chảy cục bộ, cho phép chúng ta khai thác để tìm hiểu quá trình thành tạo granit.
Địa khối Kon Tum được giải thích như phức hệ nhân Archei của lục địa Đông Dương [8]. Các kết quả nghiên cứu lịch sử biến chất địa khối Kon Tum cho thấy tiến trình biến chất thuận chiều kim đồng hồ, từ trường bền vững kim cương đến các điều kiện thuộc tướng granulit độ sâu trung bình của vỏ qua trường biến chất nhiệt độ siêu cao (UHT) với áp suất cao và thể hiện quá trình phần sâu của vỏ trong thời gian va chạm lục địa [15, 19]. Các tài liệu tuổi đồng vị cho thấy các đá biến chất ở địa khối Kon Tum ghi nhận một lịch sử biến chất phức tạp từ Mesoproterozoi đến Paleozoi sớm, và bị tái tạo trong Permi muộn [11, 19]. Kết quả định tuổi U-Pb zircon và Th-U-Pb monazit cho các đá biến chất nhiệt độ cao (HT) đến siêu cao (UHT) và các đá magma tìm thấy dọc theo đới trượt Đăk Tô Kan thuộc phần phía nam của địa khối Kon Tum (Hình 1) thu được các giá trị tuổi nằm trong khoảng 250 - 260 triệu năm (Tr.n.) [4, 14, 16, 18, 19, 25]. Như vậy, hoạt động magma và hoạt động biến chất HT-UHT có thời gian trùng hợp với nhau, xảy ra trong khoảng 250 - 260 Tr.n..
Lục địa châu Á được thành tạo do sự sáp nhập các vi lục địa trong thời gian từ Permi muộn đến Trias [9, 13]. Như vậy, địa khối Kon Tum có thể coi là phần vỏ lục địa tái tạo, bao gồm các đá bị biến chất dưới các điều kiện HT-UHT vào cuối Permi trong quá trình thành tạo lục địa châu Á kể trên.
Các đá granit thường được dùng để tìm hiểu thành phần và bản chất phần thấp vỏ lục địa. Vì vậy các granit ở địa khối Kon Tum có thể lưu giữ nhiều thông tin về đặc điểm và quá trình kiến tạo của địa khối trong quá trình thành tạo lục địa châu Á. Bài báo này giới thiệu đặc điểm xuất lộ ở thực địa, thành phần thạch học, khoáng vật của các granit Plei Man Ko và gneis pelit đi kèm, và thảo luận về nguồn gốc magma granit. Các ký hiệu viết tắt tên khoáng vật trong bài sử dụng theo đề xuất của Kretz [10].
Hình 1. Sơ đồ địa chất địa khối Kon Tum (theo [28])
II. TÓM TẮT VỀ ĐẶC
ĐIỂM ĐỊA CHẤT ĐỊA KHỐI KON TUM
Địa khối Kon Tum ở Việt
Các đá biến chất lộ ra dọc đới trượt Đak To
Hình 2. Vết lộ granit Grt, gabro hạt mịn và gneis Grt-Opx.
III. ĐẶC ĐIỂM
THẠCH HỌC ĐÁ GRANIT VÀ GNEIS ĐI KÈM
Đá granit Grt có thành phần khoáng vật chính gồm plagioclas (Pl), thạch anh (Q), felspat kali (Kfs), granat (Grt), biotit (Bt) và ít muscovit (Hình 3A,B). Khoáng vật phụ có apatit, zircon, monazit và khoáng vật quặng. Các khoáng vật granat trong granit Grt được phân thành hai loại: một loại có dạng tự hình và một loại không tự hình. Granat không tự hình chứa các pha bao thể gồm Bt và Q không tự hình, trong khi đó Grt tự hình (hoặc bán tự hình) hoàn toàn không chứa pha bao thể (Hình 3A,B).
Các đá gneis pelit gồm gneis Grt-Opx và gneis Grt-Bt. Thành phần khoáng vật chính của gneis Grt-Opx gồm Pl, Qtz, Opx, Grt với một ít Bt và Kfs (Hình 3C, D). Khoáng vật phụ có apatit, zircon và các khoáng vật quặng. Các khoáng vật Opx và Grt không tự hình chứa các bao thể là Bt và Q kích thước nhỏ, hình dạng không tự hình (Hình 3C). Bt và Qtz mọc xen thay thế các tinh thể Opx bán tự hình (Hình 3D). Đá gneis Grt-Bt có các khoáng vật chính gồm Pl, Qtz, Bt, Grt và Kfs; khoáng vật phụ có apatit, zircon và các khoáng vật quặng. Các tinh thể Grt không tự hình cũng chứa các bao thể là Bt và Q không tự hình kích thước nhỏ.
Hình 3. Ảnh lát mỏng thạch học granit Grt và gneis Grt-Opx.
IV. ĐẶC ĐIỂM THÀNH
PHẦN HOÁ HỌC KHOÁNG VẬT
Các phân tích thành phần hoá học khoáng vật được thực hiện bằng thiết bị vi dò điện tử EPMA (Shimadzu, V6) tại trường Đại học Yamaguchi, Nhật Bản. Số liệu phân tích thực hiện ở điều kiện vận hành thiết bị với điện áp 15kV và dòng điện vi dò 15 nA, đường kính tia dò là 5 µm cho các phân tích định lượng. Các oxit ZAF được sử dụng làm mẫu chuẩn để hiệu chỉnh số liệu phân tích. Kết quả phân tích thành phần các khoáng vật được biễu diễn trên các giản đồ trình bày trong các Hình 4 - 6 và được tóm tắt dưới đây.
Granat. Các tinh thể granat không tự hình trong đá granit Grt có chứa hàm lượng hợp phần grossular cao hơn so với granat tự hình (Hình 4). Granat trong đá gneis Grt-Opx có hàm lượng hợp phần pyrop thấp, nhưng lại cao hàm lượng grossular hơn nếu so sánh với granat không tự hình trong granit Grt. Đặc điểm granat trong gneis Grt-Bt có thành phần trung gian, nằm giữa hai loại đá granit Grt và gneis Grt-Opx vừa kể (Hình 4).
Biotit. Hình 5 trình bày giản đồ XMg - XF cho biotit đã phân tích. Thành phần pha Bt bao thể trong các tinh thể Grt không tự hình trong đá granit Grt có các chỉ số XMg và XF cao hơn so với Bt trong hỗn hợp nền (Hình 5). Đá gneis Grt-Opx có các giá trị XF thấp nhất trong số các mẫu đã phân tích, trong khi đó Bt cả pha bao thể lẫn pha nền trong đá gneis Grt-Bt có giá trị XMg và XF trung bình, chúng phủ chồng lên Bt pha bao thể trong granit Grt (Hình 5).
Plagioclas. Hàm lượng anorthit (An) của plagioclas trong các mẫu phân tích được thể hiện trên Hình 6. Đá gneis Grt-Opx có hàm lượng An = 70-80 (Hình 6). Mặt khác, hàm lượng An trong granit Grt và gneis Grt-Bt một cách tương ứng là An = 34-46 và An = 40-52 (Hình 6).
Hình 4. Giản đồ pyrop (Pyr)-almanđin (Alm)-grossular (Grs) cho granat
Hình 5. Giản đồ XMg-XF cho biotit
Hình 6. Biến thiên hàm lượng anorthit trong plagioclas
V. NHẬN XÉT VÀ
THẢO LUẬN
Điều kiện áp suất - nhiệt độ (P-T) của quá trình biến chất các đá gneis Grt-Opx được xác định dựa vào các phương pháp địa nhiệt - áp kế truyền thống. Các thông số hoá học sử dụng trong tính toán và kết quả tính toán được liệt kê trong Bảng 1 và trình bày trên Hình 7. Điều kiện biến chất P-T của đá gneis Grt-Opx được xác định nằm trong khoảng 5,4-6,5 kbar và 790-900ºC. Các điều kiện này cắt qua đường cong nóng chảy trong hệ pelit [29].
Bảng 1. Điều kiện áp suất (P; 100 MPa = 1kbar) và
nhiệt độ (T) của gneis Grt-Opx.
(Sử dụng tính toán - T1: [7], T2: [21], T3: [1], T4: [24], P1: [17], P2: [2])
Granat |
Orthopyroxen |
Plagioclas |
|||||
XMg |
Xalm |
Xgrs |
Xprp |
XMg |
XFe |
XAl |
Xan |
0,245 |
0,660 |
0,100 |
0,214 |
0,448 |
0,552 |
0,077 |
0,763 |
P = 500 MPa |
T = 800ºC |
|
|
||||
T1 |
T2 |
T3 |
T4 |
P1 |
P2 |
|
|
783 |
901 |
849 |
837 |
540 |
550 |
|
|
P = 600 MPa |
T = 900ºC |
|
|
||||
T1 |
T2 |
T3 |
T4 |
P1 |
P2 |
|
|
789 |
909 |
862 |
842 |
540 |
650 |
|
|
Các khoáng vật orthopyroxen và granat trong đá gneis Grt-Opx có chứa các bao thể là các tinh thể biotit và thạch anh bán tự hình, kích thước nhỏ (Hình 3C). Kiến trúc đan xen của biotit và thạch anh thay thế orthopyroxen (Hình 3D) cho thấy các phản ứng phân rã khoáng vật xảy ra tại những nơi nằm giữa Opx và dung thể granit nóng chảy. Từ các quan sát kiến trúc này có thể xác định phản ứng biến chất tạo ra các đá gneis Grt-Opx liên quan với quá trình nóng chảy cục bộ như sau :
Bt + Pl nghèo Ca + Qtz = Grt + Opx + Pl giàu Ca + Kfs + L (dung thể lỏng).
Granat trong granit Grt tuy có sự khác nhau về thành phần giữa hai loại tinh thể tự hình và không tự hình, nhưng thành phần hoá học của chúng hoàn toàn tương tự như Grt trong đá gneis Grt-Bt (Hình 4). Biotit bao thể trong Grt của đá granit Grt có giá trị XF cao hơn so với Bt trong tập hợp nền và chúng nằm trong trường thành phần XMg và XF của đá gneis Grt-Bt (Hình 5). Các bằng chứng này cho thấy khoáng vật Grt không tự hình và các bao thể Bt được thành tạo nhờ các phản ứng biến chất liên quan với nóng chảy. Mặt khác, granat tự hình có khả năng đã được kết tinh từ dung thể granit nóng chảy. Đá gneis Grt-Opx có thể là phần còn lại của đá gneis pelit sau quá trình nóng chảy cục bộ, vì vậy trong chúng vẫn còn giữ lại các phản ứng nóng chảy và chứa Pl giàu thành phần anorthit nhất trong số các đá gneis pelit và granit Grt đã phân tích (Hình 6). Kết quả phân tích thành phần hoá học mẫu tổng cho thấy granit Grt thuộc granit kiểu-S, và thành phần đồng vị Sr và Nd của đá granit Grt hoàn toàn tương tự trong các đá gneis Grt-Opx và gneis Grt-Bt [20]. Có thể cho rằng phản ứng thuỷ phân biotit giữ vai trò quan trọng trong việc tạo ra dung thể granit Grt và để lại các thể sót gneis Grt-Opx.
Trên Hình 2B ta thấy gabro hạt mịn xuyên cắt đồng thời vào granit Grt. Trên cơ sở các quan sát thực địa và kết quả nghiên cứu tuổi đồng vị phóng xạ, có thể kết luận về thời gian kết tinh của xâm nhập gabro hạt mịn và của granit Grt là đồng thời và xảy ra trong khoảng 250-260 Tr.n. trước. Đá granit và các thể magma mafic đi kèm là những tổ hợp cộng sinh phổ biến đối với hoạt động magma hậu va chạm lục địa [2]. Như vậy, tổ hợp granit Grt và gabro hạt mịn đang xét có thể coi là sản phẩm của hoạt động magma hậu va chạm trong quá trình trồi lộ của địa khối Kon Tum. Trong trường hợp này, gabro hạt mịn có nguồn gốc từ manti đóng vai trò cung cấp nguồn nhiệt quan trọng cho quá trình nóng chảy cục bộ vật liệu vỏ. Một kịch bản tương tự cũng đã được Rajesh [23] sử dụng để giải thích sự kiện Pan-African ở nam Ấn Độ, trong đó quá trình tách giãn và nâng trồi sau khi làm dày thạch quyển đã tạo nên một môi trường kiến tạo thuận lợi cho quá trình nóng chảy vật liệu vỏ.
Hình 7. Điều
kiện biến chất áp suất (P; 100Mpa=1kbar) và nhiệt độ (T) của đá gneis Grt-Opx. Các giá trị
áp suất P1, P2, và nhiệt độ T1 - T4 từ Bảng 1.
Các đường cong phản ứng theo [29] - a:
Grt+Sill+Qtz = Grt+Kfs+L,
b: Bt+Qtz = Opx+Kfs+L, c: Bt+Qtz =
Grt+Opx+Kfs+L.
Điều kiện môi trường nhiệt độ cao có thể được tạo ra từ nguồn magma bazan dưới mảng như trình bày bên trên. Magma bazan nguồn gốc manti tuổi Permi muộn - Trias* đã được mô tả ở vùng Sông Đà, miền Tây Bắc Bộ [6, 22] và ở tỉnh Emeishan, Nam Trung Quốc [5, 12]. Cả hai tỉnh bazan này đều nằm gần nhau trên phần mở rộng về phía bắc của địa khối Kon Tum, là nơi thực tế gặp đới va chạm giữa lục địa Nam Trung Hoa và Đông Dương. Như vậy, nguồn nhiệt cho thành tạo gabro hạt mịn đang xét có thể được giải thích nhờ nguồn magma đi lên từ manti.
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯
*Gần đây, một số nhà nghiên cứu cho rằng tuổi của pha phun trào này là
Permi muộn (BBT).
VI. KẾT LUẬN
1. Khoáng vật granat trong granit Grt có thể phân chia thành hai loại: loại hình dạng không tự hình chứa nhiều bao thể, có thành phần giàu Ca (grossular) hơn, và loại hình dạng tự hình không chứa bao thể với thành phần Ca nghèo hơn. Biotit bao thể trong granat loại không tự hình có giá trị XF và XMg cao hơn so với Bt trong tổ hợp nền. Cả granat và orthopyroxen trong đá gneis Grt-Opx đều chứa các bao thể là các vảy Bt nhỏ. Kiến trúc này cũng được quan sát thấy trong granat loại không tự hình của đá granit Grt. Điều kiện biến chất của đá gneis Grt-Opx được xác định nằm trong khoảng nhiệt độ T = 790-900ºC và áp suất P = 5,4-6,5 kbar, cắt ngang đường cong nóng chảy cục bộ (điều kiện khô). Như vậy, granit Grt được thành tạo từ quá trình nóng chảy cục bộ các đá gneis pelit và để sót lại các đá gneis Grt-Opx.
2. Các thành tạo granit Grt và gabro hạt mịn là những đá xâm nhập đồng thời (cùng thời gian thành tạo). Sự gia tăng građien địa nhiệt có khả năng do tác dụng của nguồn magma bazan dưới mảng. Mở rộng về phía bắc địa khối Kon Tum, ở vùng Sông Đà gặp các đá magma mafic (komatiit) nguồn gốc manti, và ở vùng Emeishan (Vân Nam, Trung Quốc) là tỉnh phun trào bazan. Các hoạt động phun trào mafic ở Sông Đà và Emeishan đều xảy ra trong thời gian Permi muộn – Trias, tương đồng với thời gian thành tạo gabro hạt mịn đang xét ở Kon Tum. Như vậy, đặc điểm građien địa nhiệt cao ở Kon Tum trong quá trình thành tạo granit Grt và gabro hạt mịn có khả năng liên quan với nguồn nhiệt được bổ sung từ các lò magma trong manti.
Lời cám ơn: Các tác giả chân thành cám ơn sự giúp đỡ của các đồng nghiệp Trần Văn Trị, Dương Đức Kiêm, Trịnh Văn Long, Lê Văn Đệ, M. Yoshida và A. Arima cho nghiên cứu này. Các phân tích thành phần hoá học có sự cộng tác của Y. Morifuku và T. Nagano. Công trình được tài trợ một phần từ Quỹ hổ trợ NCKH của Bộ Giáo dục, Văn hoá, Thể thao và Khoa học Kỹ thuật, Nhật Bản (No. 15540437, 18540454: M. Owada và No. 14340150, 17253005: Y. Osanai) và của Trường Đại học Yamaguchi (2004).
Bài báo được thực hiện trong khuôn khổ Chương trình NCCB của Hội đồng
Khoa học tự nhiên và sự hợp tác NCKH giữa Trường ĐHKH Huế với Trường ĐH
VĂN LIỆU
1. Bhattacharya A. et al., 1991. An improved set of a-X parameters for Fe-Mg-Ca garnets and refinements of the orthopyroxene-garnet thermometer and the orthopyroxene-garnet-plagioclase-quartz barometer. J. Petrol., 32 : 629-656.
2. Bohlen S.R. et al., 1983. Experimental investigation and application of garnet granulite equilibria. Contrib. Mineral. Petrol., 83 : 52-61.
3. Bonin B., 2004. Do coeval mafic and felsic magmas in post-collisional to within-plate regimes necessarily imply two contrasting, mantle and crustal, sources? A review. Lithos, 78 : 1-24.
4. Carter A. et al., 2001. Understanding Mesozoic
accretion in Southeast Asia: Significance of Triassic thermotectonism
(Indosinian orogeny) in
5. Chung S.L. and Jahn B.M. 1995. Plume-lithosphere interaction in generation of the Emeishan flood bazans at the Permo-Triassic boundary. Geology, 23 : 889-892.
6. Hanski E., et al., 2003. Origin of the
Permian-Triassic komatiites, northwestern
7. Harley S.L., 1984. An experimental study of the partitioning of Fe-Mg between garnet and orthopyroxene. Contrib. Mineral. Petrol., 86 : 359-373.
8. Hutchison C.S., 1989.
Geological Evolution of
9. Ishiwatari A. and Tsujimori
T., 2003. Paleozoic ophiolites and blueschists in
10. Kretz R., 1983. Symbols for rock-forming minerals. Amer. Mineral., 68 : 277-279.
11. Lan Y.L. et al., 2003.
Geochemical and Sr-Nd isotopic constraints from the Kontum massif, central
12. Lo C.H. et al., 2002.
Age of the Emeishan flood magmatism and relations to Permian-Triassic boundary
events. Earth Planet Sci. Lett., 198 :
449-458.
13.
14. Nagy E.A. et al., 2001.
Geodynamic significance of the Kontum massif in central
15. Nakano N. et al., 2004.
Decompression process of mafic granulite from eclogite to granulite facies
under ultrahigh-temperature condition in the Kontum Massif, central
16. Nakano N. et al., 2005. Pressure-temperature-time path of Permian
high-temperature and high-pressure metamorphism in the Kontum Massif, central
17. Newton R.C. & Perkins D. 1982. Thermodynamic calibration of geobarometers based on the assemblages garnet-plagioclase-orthopyroxene (clinopyroxene)-quartz. Amer. Mineral., 67 : 203-222.
18. Osanai Y. et al., 2001. Ultrahigh-temperature
pelitic granulites from the Kontum Massif, central
19. Osanai, Y. et al. 2004. Permo-Triassic
ultrahigh-temperature metamorphism in the Kontum Massif, central
20. Owada M. et al., 2004. Petrogenesis of the
Late Permian Plei Man Ko granite in the Kontum Massif, central
21. Perchuk L.L., 1991. Derivation of a thermodynamically consistent set of geothermometers and geobarometers for metamorphic and magmatic rocks. In: Perchuk, L.L. (Ed.), Progress in metamorphic and magmatic petrology, a memorial volume in honor of D.S. Korzhinskiy : 93-112.
22. Polyakov G.V. et al., 1998. Evolution of the
Mesozoic-Cenozoic magmatism in the Song Da rift and its contouring structures
(northwestern
23. Rajesh H.M. 2004. The
igneous charnockite - high-K alkali-calcic I-type granite - incipient
charnockite association in Trivandrum Block, southern
24. Sen S.K. and Bhattacharya A.
1984. An orthopyroxene-garnet thermometer and its application to the
25. Tran Ngoc Nam et al., 2001. First SHRIMP U-Pb
zircon dating of granulites from the Kontum massif (
26. Trần Quốc Hải, 1986. The evolution of magmatism and metamorphism in Precambrian of Vietnam’s territory. Proc. 1st Conf. Geol. Indochina,. 1 : 201-207. Hà Nội.
27. Trịnh Văn Long, 1995. Paired metamorphic belts of Kham Duc complex. J. Geology, B/11 : 282-292. Hà Nội.
28. United Nations, 1990. Atlas
of mineral resources of the ESCAP region, 6,
29. Vielzeuf D. and Holloway R., 1988. Experimental determination of the fluid-absent melting relations in the pelitic system: Consequences for crustal differentiation. Contrib. Miner. Petrol., 98 : 257-276.