6

I. MỞ ĐẦU

Mũ sắt (gossan) là thành tạo địa chất đặc thù phát triển trên các thân quặng sulfur thông qua quá trình oxy hóa và rửa lũa các khoáng vật quặng gốc. Chúng chủ yếu là các oxit-hyđroxit sắt, (đôi khi cả oxit mangan) [2]. Đây là đối tượng rất quen biết đối với các nhà địa chất tìm kiếm. Từ những năm 70, thông qua các chương trình khai thác khoáng sản đồng-nickel ở Australia, người ta đã nghiên cứu mũ sắt, bao gồm các tiêu chuẩn về cấu tạo được nghiên cứu dưới kính hiển vi kết hợp với địa hóa, xem đó như một dấu hiệu để đánh giá quặng hóa gốc, phân biệt mũ sắt có mặt trên các thân khoáng sulfur và mũ sắt không liên quan tới các thân sulfur [5].

Ở nước ta, các loại mũ sắt nhiều kích cỡ khác nhau đã được biết đến trên các kiểu tụ khoáng sulfur. Tùy thuộc vào các kiểu quặng hóa gốc khác nhau mà các mũ sắt cũng có những nét khác biệt về màu sắc, thành phần vật chất và cấu tạo. Chính nhờ những đặc tính này mà mũ sắt được xem là một dấu hiệu quan trọng trong việc nhận biết quặng hóa gốc dưới sâu. Mặt khác, ngay trong mũ sắt, một số nguyên tố kim loại quý như Au, Ni... có thể được làm giàu và nhiều khi hàm lượng của chúng đạt tới giá trị công nghiệp [1]. Tuy vậy, việc nghiên cứu mũ sắt vẫn chưa được quan tâm đúng mức, chưa đặt thành một vấn đề nghiên cứu vĩ mô trên các vùng có biểu hiện oxy hóa, xem là một chỉ tiêu để luận giải sự có mặt khoáng hóa ở dưới sâu.

Trong bài này, chúng tôi muốn giới thiệu một số kinh nghiệm nghiên cứu mũ sắt thông qua các đặc trưng về màu sắc, cấu tạo và thành phần khoáng vật và hóa học của lớp phủ rửa lũa này; từ đó, xác lập các tiêu chí nhận biết và luận giải các đặc trưng của quặng hóa nguyên sinh.

II. SỰ THÀNH TẠO MŨ SẮT

Sự thành tạo mũ sắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tổ hợp cộng sinh các khoáng vật sulfur nguyên sinh, khí hậu, địa hình, đá vây quanh, mực nước dưới đất v.v. Tất cả các yếu tố đó quyết định sự hình thành những đặc tính của mũ sắt (Ảnh 1).

Những biến đổi hóa học xảy ra trong đới oxy hóa đều liên quan chặt chẽ với hoạt động của nước trên mặt và nước dưới đất ở đới trên gần mặt đất. Sơ đồ vận động của nước có thể phác họa đơn giản như sau:

1. Đới thẩm thấu (đới thoáng), nằm trên gương nước dưới đất. Nước mưa bão hòa O₂ và CO₂thấmtừ trên xuống gây phản ứng oxy hóa với các khoáng vật quặng. Dần dần lượng O₂ trong nước mất đi và bão hòa các muối khác nhau;

2. Đới nước chảy (luân lưu) nằm dưới mực nước dưới đất, nước di chuyển theo chiều ngang (từ chố cao xuống thấp). Các muối hòa tan trong nước (sulfat) tác dụng lên các sulfur nguyên sinh tạo thành các sulfur thứ sinh (trường hợp có mặt các khoáng vật của đồng và bạc);

3. Đới nước tĩnh nằm bên dưới đới nước chảy; nước trong đới này không chứa oxy tự do, không di chuyển, cũng không có phản ứng hóa học với các khoáng vật nguyên sinh.

Đó là một sơ đồ lý tưởng, không xét đến các yếu tố cấu trúc địa chất và thành phần thạch học của mặt cắt, phác họa trong điều kiện một loại đá đồng nhất.

Tương ứng với sơ đồ này là sự phân đới thứ sinh trong các thân quặng của tụ khoáng sulfur kim loại:

1. Đới oxy hóa, (bao gồm cả mũ sắt) nằm trong đới thẩm thấu, giữa bề mặt và gương nước dưới đất. Đặc trưng quan trọng là giàu các khoáng vật oxit [3]. Có thể chia thành các phụ đới sau:

- Phần trên là phụ đới oxy hóa hoàn toàn, tương ứng với các thành tạo mũ sắt, mũ mangan, có khi đới này chiếm toàn bộ chiều dày của đới oxy hóa nói chung. Tại đây, hầu hết các khoáng vật nguyên sinh bị rửa lũa mất, đồng thời thành tạo các tích tụ hyđroxit sắt, silic và các khoáng vật sét, dạng khối.

- Phần dưới là phụ đới rửa lũa, trong đó Fe cùng với các oxit, sulfat, chlorur và carbonat các kim loại khác được mang xuống dưới hay mang ra khỏi phạm vi tụ khoáng, còn lại một số khoáng vật bền vững về hóa học thì ở lại đới này.

- Phần đáy của đới oxy hóa là tích tụ các oxit và hyđroxit sắt cùng với các oxit, sulfat, chlorur và carbonat các kim loại khác đồng thời có sự tập trung của Au, Ag dưới dạng các kim loại tự sinh.

Trong trường hợp mực nước dưới đất hạ xuống (do có sự nâng lên của bề mặt địa hình) thì một phần hay toàn đới gắn kết sẽ nhô lên khỏi mặt nước dưới đất và đi vào đới oxy hóa. Do tác dụng của oxy chúng sẽ bị biến đổi và tạo thành phụ đới oxy hóa làm giàu.

2. Đới gắn kết (đới làm giàu sulfur thứ sinh), nằm trong đới lưu động, dưới gương nước dưới đất, trong đó có sự làm giàu các sulfur thứ sinh của đồng như chalcosin-covellin. Các sulfur thứ sinh mới được thành tạo này có thể được làm giàu, đạt tới hàm lượng có giá trị kinh tế.

3. Đới quặng nguyên sinh, bao gồm các sulfur chưa bị biến đổi.

Ranh giới giữa các đới thường không rõ ràng, có sự chuyển tiếp dần giữa chúng. Trường hợp thân quặng bị nứt nẻ thì ranh giới các đới lại càng phức tạp (Ảnh 2).

Thành phần khoáng vật của mũ sắt trên các thân quặng sulfur thường là các khoáng vật bền trong dung dịch axit sulfuric. Sâu hơn nữa dưới lớp này, theo mức độ ngấm nước từ trên mặt xuống thì thành phần mũ sắt có thể thay đổi và anion chính ở đây là bicarbonat. Trong tất cả các mũ sắt, không kể thành tạo trên các thân quặng sulfur hay carbonat, thì khoáng vật chủ đạo vẫn là limonit, thạch anh và silic thứ sinh. Tùy thuộc vào thành phần vật chất quặng nguyên sinh và mức độ trưởng thành của mũ sắt mà trong thành phần các khoáng vật phụ có thể bao gồm cả các sulfat, arsenat, carbonat, silicat và các muối chứa các kim loại khác nhau, cũng có thể gặp các khoáng vật sét do quá trình phong hóa các silicat từ đá vây quanh.

Quá trình thành tạo mũ sắt được diễn giải bởi một loạt các phản ứng oxy hóa - khử , làm cho các khoáng vật nguyên sinh bị phá hủy, đồng thời xuất hiện các khoáng vật mới như oxit, carbonat, sulfat bền vững trong đới oxy hóa, các nguyên tố kim loại tự sinh và các sulfur thứ sinh trong đới gắn kết [2].

1) 4FeS₂+ 10H₂O + 15O₂ → 4FeOOH + 16H⁺+ 8SO₄^-2

2) 4FeS₂+ 8H₂O + 15O₂ → 2Fe₂O₃+ 16H⁺+8SO₄^-2

3) 4CuFeS₂+ 6H₂O + 17O₂ → 4FeOOH + 4Cu²⁺+ 8H⁺+ 8SO₄^-2

4) PbS + CO₂+ H₂O + 2O₂ → PbCO₃+ SO₄^-2+ 2H⁺

5) 2PbS + 4Fe³⁺+ 3O₂+ 2H₂O → 2PbSO₄+ 4Fe²⁺+ 4H⁺

6) Ag₂S + 2Fe³⁺+ 3SO₄^-2+ H₂O + 1,5O₂ → 2Ag⁺+ 2Fe²⁺+ 2H⁺+ 4 SO₄^-2

7) 2ZnS + 4Fe³⁺+ 6SO₄^-2+ 3O₂+ 2H₂O → 2Zn²⁺+ 4Fe²⁺+ 4H⁺+ 8SO₄^-2

8) Zn²⁺+ SO₄^-2+ CaCO₃+ 2H₂O-CaSO₄→ 2H₂O + ZnCO₃

9) 5Zn²⁺+ 5CO₃^-2+ 3H₂O → 2ZnCO₃+ 3Zn(OH)₂+ 3CO₂

10) 2Cu²⁺+ 3OH^-+ HCO₃^- → CuCO₃+ Cu(OH)₂+ H₂O

11) 2Ag⁺+ 2Fe²⁺ → 2Ag + 2Fe³⁺

12) Ag⁺+ Cl^- → AgCl

13) Cu²⁺+ CuFeS → Cu₂S + Fe²⁺

14) 2Cu²⁺+ 2FeS₂+ 2H₂O + 3O₂ → 2CuS + 2Fe²⁺+ 2SO₄^-2+ 4H⁺

15) Cu²⁺+ 2OH^- → CuO + H₂O

Sự thành tạo các khoáng vật khác nhau phụ thuộc vào thành phần khoáng hóa nguyên sinh cũng như tính chất của bản thân các nguyên tố trong môi trường địa hóa. Các phản ứng từ 1 đến 6 biểu diễn quá trình phá hủy các sulfur nguyên sinh tạo ra các ion SO₄^-2 và H⁺, làm cho môi trường có tính axit, chính quá trình này là nguồn gốc sinh ra các axit, chủ yếu là H₂SO₄ đặc trưng cho nước trong các mỏ. Trong nước này có các cation kim loại dễ phân tán, gây ô nhiễm môi trường, do đó nghiên cứu các quá trình này là mối quan tâm rất lớn trong đánh giá ô nhiễm môi trường.

Hành vi của các cation được giải phóng trong quá trình phân hủy các sulfur nguyên sinh được quyết định bởi đặc tính địa hóa của chúng; chì là nguyên tố khó hòa tan, khi được giải phóng, nó phản ứng với nước và khí oxy tạo ra các khoáng vật thứ sinh khá bền trong môi trường axit là anglesit và cerussit (các phản ứng 4 và 5). Còn Fe²⁺bị oxy hóa thành Fe³⁺ và tạo ra goethit hay hematit và lắng đọng lại ở đới oxy hóa (các phản ứng 1 và 2). Kẽm và đồng là các nguyên tố dễ tan, chuyển vào trạng thái dung dịch trong quá trình biến đổi các sulfur, nhưng hành vi của chúng cũng khác nhau. Zn dễ hòa tan hơn, không tạo ra các sulfur thứ sinh ở môi trường khử và cũng không tạo ra các oxit thứ sinh ở điều kiện oxy hóa, trừ những trường hợp đặc biệt như nếu có mặt các ion carbonat trong môi trường thì nó tạo nên các khoáng vật như smithsonit và hyđrozincit.

Đồng cũng là nguyên tố dễ hòa tan. Trong quá trình biến đổi, nó ngấm xuống đới gắn kết; trong điều kiện khử nó tạo ra phản ứng với lưu huỳnh và tạo ra các sulfur thứ sinh như chalcosin và covellin thay cho chalcopyrit và pyrit (các phản ứng 13 và 14), hoặc tạo ra các oxit nếu ở môi trường kiềm (phản ứng 15) hay dạng đồng tự sinh. Các nguyên tố khác như Ag và Au được giải phóng trong quá trình phá hủy các sulfur thì lắng đọng lại dưới dạng các nguyên tố tự sinh ở phần dưới của đới oxy hóa, hoặc tạo thành các khoáng vật khác như jarosit và cerargyrit, tùy thuộc vào điều kiện hóa-lý của môi trường.

Các nguyên tố khác như arsen có mặt trong các khoáng vật arsenopyrit, là nhân tố quan trọng gây ô nhiễm các tầng nước dưới đất và là một nguyên tố rất độc. Các khoáng vật trong đá vây quanh đi kèm với các sulfur có ý nghĩa quan trọng là kiểm soát điều kiện hóa-lý của môi trường, chẳng hạn, các đá vây quanh là carbonat làm giảm độ axit của môi trường, trong khi đó các đá silicat thì ảnh hưởng tác động có kém hơn..

III. MÀU SẮC CỦA MŨ SẮT

Nhiều nhà địa chất đã sử dụng thành công các dấu hiệu về màu sắc và cấu tạo của limonit để phân biệt giữa mũ sắt trên quặng và mũ sắt không liên quan đến quặng hóa. Song các dấu hiệu này không đủ tin cậy, bởi lẽ màu sắc của limonit có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố, còn cấu tạo của nó không phải lúc nào cũng thể hiện rõ nét.


Ảnh 5. Cấu tạo ngăn ô nhỏ dạng tổ ong, méo mó là tàn dư của khoáng vật sphalerit trong quặng nguyên sinh.	Ảnh 6. Cấu tạo ngăn ô hình tam giác và chữ nhật lớn được thành tạo do quá trình biến đổi pyrit.

Những cấu tạo đơn giản nhất là cấu tạo bở rời dạng đất, dạng bột màu (ochre), dạng bột hay dạng muội than.

Cấu tạo dạng keo gồm cấu tạo dạng thận, dạng chùm nho, dạng nhũ đá (có dạng nhũ đơn và dạng nhũ phức tạp) thường gặp trong các hốc quặng. Mặt ngoài quặng có màu đen láng, cấu tạo bên trong là những lớp vỏ dày vài milimet màu nâu, có kiến trúc dạng sợi, tỏa tia hay vuông góc với mặt vỏ.

Cấu tạo bọt biển gần giống với cấu tạo lỗ hổng, mặt ngoài sần sùi và rỗ, các lỗ hổng méo mó, phân bố khá đều và có thể ăn thông với nhau thành những ngõ ngách phức tạp. Limonit thành tạo từ quá trình oxy hóa pyrit và sphalerit thường có cấu tạo bọt biển hay cấu tạo bọt biển tế bào. Cùng một loại quặng nguyên sinh có thể cho ra nhiều dạng cấu tạo thứ sinh khác nhau. Ví dụ: limonit do galen phá hủy có những cấu tạo sau: cấu tạo ngăn ô với những ô vuông hay chữ nhật, cấu tạo bó, cấu tạo mạng lưới - kim cương với những ngăn ô hình thoi (xem Hình 1).

Hình 1: Các kiểu cấu tạo ngăn ô hình thành do quá trình biến đổi các khoáng vật sulfur khác nhau: a, b, c: cấu tạo ngăn ô theo gaden: d, e: cấu tạo ngăn theo sphaderit; f: cấu tạo tàn dư của chalcopyrit; g: và h: cấu tạo ngăn ô theo hornit; i và j: cấu tạo ngăn ô theo tetraedrit

Cuối cùng, limonit trong mũ sắt còn có thể có cấu tạo dạng khối đặc sít, cấu tạo tinh đám, cấu tạo dăm kết và nhiều cấu tạo khác

V. ĐỊA HÓA CỦA MŨ SẮT

Địa hóa cũng có ý nghĩa rất quan trọng trong nghiên cứu mũ sắt; bởi lẽ cần nắm được đặc tính các nguyên tố tham gia vào các quá trình biến đổi. Ngày nay, kỹ thuật phân tích cho phép đưa ra các con số thống kê và tính toán sự tương quan của các nguyên tố hóa học. Nghiên cứu địa hóa cho phép đánh giá được các loại “đá sắt” khác nhau và phân biệt được mũ sắt trên quặng với mũ sắt không trên quặng.

Khó khăn thường gặp khi sử dụng mũ sắt vào mục đích tìm kiếm khoáng sản là việc xác định hàm lượng kim loại trong quặng hóa nguyên sinh.

Phương pháp đánh giá chất lượng quặng gốc theo mũ sắt khách quan và chính xác hơn cả là xác định thành phần hóa học của các thành tạo limonit. Mũ sắt được thành tạo trên các thân quặng Cu, Ni, Co, Mo và các kim loại khác thì trong limonit thường chứa các kim loại đó với hàm lượng cao hơn hẳn limonit laterit hay các sản phẩm phong hóa giàu sắt mà không liên quan tới quặng hóa Chẳng hạn, trong các mảnh mũ sắt trên mỏ Pb-Zn tại vùng Nieba, Nigeria người ta phát hiện hàm lượng Pb lên tới 4 % và kẽm tới 0,5 % [4].

Nếu thân quặng sulfur nguyên sinh chứa vàng thì trong mũ sắt cũng chứa các hạt vàng, đôi khi có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Thông thường, mũ sắt chứa các hang hốc do các sulfur nguyên sinh bị rửa lũa để lại. Các hốc hình vuông hay tam giác thường chỉ ra sự có mặt trước đó của các khoáng vật sulfur. Có thể gặp các khối có cấu tạo ngăn ô hay cấu tạo dạng mạng sợi và cũng có thể gặp sự làm giàu dưới sâu. Tuy nhiên, các ngăn ô vuông hay tam giác lớn thường là các dấu hiệu không tốt, bởi vì các sulfur chứa vàng thường tạo nên các tinh thể nhỏ, mà không thể tạo nên các ngăn ô lớn. Mũ sắt thường thành tạo ở những nơi có các thân quặng đồng-vàng. Tại đó có thể đủ lượng vàng để tạo nên thân khoáng vàng thứ sinh trên đường nước chảy, dưới đỉnh dốc. Sự có mặt của pyrit, chalcopyrit hay các sulfur khác chưa bị phong hóa hết trong mũ sắt là dấu hiệu không tốt, bởi vì nó cho thấy quá trình rửa lũa là không hoàn toàn và sự làm giàu không được tạo ra ở dưới sâu [2]. Mặt khác, sự có mặt của vàng nhìn thấy được bằng mắt thường lại là dấu hiệu đáng mừng.

Mỏ Bingham, bang Utah là một trong những mỏ đồng porphyr lớn nhất thế giới. Một vùng rộng lớn rải rác các tảng mũ sắt đã dẫn các nhà tìm kiếm tới đó. Một lượng vàng đáng kể đã được lấy ra từ các khối mũ sắt này trước khi mở mỏ. Người ta nói rằng lượng vàng được lấy ra từ các tảng mũ sắt đủ để trang trải các khâu khai thác mỏ đồng.

Mỏ Núi Sắt nằm ở khoảng 10 hải lý về phía tây Redding, bang California, trong đai đồng-kẽm Shasta. Người ta đã tìm thấy mũ sắt chứa vàng vào những năm 1860 và khai thác mãi đến năm 1930. Tổng lượng vàng đã được khai thác ở vùng này đạt khoảng 520.000 ounce (145,6 kg).

Mỏ đồng porphyr lộ thiên Lavender tại Bisbee, bang Arizona đầu tiên đã được tìm thấy từ mũ sắt màu đỏ. Hơn 75 triệu tấn đồng đã được khai thác từ năm 1954 đến 1975. Một lượng vàng nhỏ đã được phát hiện trong loại đồng này cũng như trong mũ sắt phía trên. Điều này đúng với hầu hết các mỏ đồng porphyr.

Mỏ Siskon ở quận Dillon Creek, trên dãy núi Klamath, TN mũi Hảo Vọng, bang California nằm trong một mũ sắt lớn đi liền với các tụ khoáng sulfur dạng khối. Vàng biểu sinh tìm thấy vào năm 1850 và mỏ này được mở rộng quy mô từ năm 1951 đến 1995 thì mở hết. Việc khai thác vàng đã thu được nhiều triệu đô la.

Nhiều tụ khoáng trên thế giới đi liền với mũ sắt ở phía trên và ở nhiều nơi đã khai thác được vàng từ mũ sắt. Mũ sắt có thể có vàng, nhưng phải xác định định lượng thành phần vật chất.

KẾT LUẬN

Mũ sắt là sản phẩm phong hóa đặc trưng trên các tụ khoáng sulfur. Tùy thuộc vào thành phần quặng nguyên sinh và địa hình mà các mũ sắt có những nét đặc trưng riêng. Những đặc trưng này thể hiện ở màu sắc, cấu tạo và đặc điểm địa hóa của chúng. Do đó, nghiên cứu mũ sắt cho phép chẩn đoán được loại hình quặng hóa dưới sâu. Nhiều khi chính mũ sắt là một loại hình quặng hóa đối với một số kim loại quý như Au, Ni. Từ đó, mũ sắt có thể được xem là dấu hiệu tin cậy đối với việc tìm kiếm các tụ khoáng sulfur và nghiên cưu các đặc tính của mũ sắt là một nhiệm vụ không thể thiếu được đối với các nhà địa chất tìm kiếm.

VĂN LIỆU

1. Andrew R.L., 1984. The geochemistry of selected base-metal gossans, Sourthern Africa. J. of Geochemical Exploration, 22 : 161-192. Elsevier.

2. Blanchard R., 1968. Interpretation of leached outcrops. Mackay School of Mines, Un. of Nevada. 196 pg.

3. Lopez Garcia J.A., 1991. Yacimientos de oxidaciún y enriquecimiento secundario. In Lunar R., Oyarzun R. (Eds.). Yacimientos minerales: Tecnicas de estudio, tipos, evoluciún metalogenica, exploraciún. Ed. Centro de Estudios Ramún Areces. 475-492.

4. Nickel E.H., Daniels J.L., 1985. Gossans. In: Wolf K.H. (Ed.). Handbook of strata-bound and stratiform ore deposits, 13: 261-390. Regional studies and specific deposits, Elsevier.

5. Taylor G.F., Thornber M.R., 1992. Gossan formation and gossan surveys. In: Butt C.R.M., Zeegers H. (Eds). Handbook of exploration geochemistry, 4 : 115-202. Elsevier.

Kết quả của các phương thức lắng đọng của nhóm khoáng vật limonit, trong đới mũ sắt có những dạng cấu tạo đặc trưng của đới oxy hóa, đó là: 1. cấu tạo dạng keo, và 2. cấu tạo tàn dư.