Tải bản đầy đủ

Quá trình biến đổi illit smectit lấy ví dụ sét kinnekulle thụy điển và sét di linh việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------------------------

PHẠM THỊ NGA

QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI ILLIT-SMECTIT:
LẤY VÍ DỤ SÉT KINNEKULLE - THỤY ĐIỂN
VÀ SÉT DI LINH - VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------------------------

PHẠM THỊ NGA


QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI ILLIT-SMECTIT:
LẤY VÍ DỤ SÉT KINNEKULLE - THỤY ĐIỂN
VÀ SÉT DI LINH - VIỆT NAM
Chuyên ngành: Địa chất học
Mã số: 60440201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. HOÀNG THỊ MINH THẢO
XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG
Giáo viên hướng dẫn

Chủ tịch hội đồng chấm luận văn
thạc sĩ khoa học

PGS.TS. Hoàng Thị Minh Thảo

PGS.TS. Nguyễn Văn Vượng

Hà Nội - 2015


LỜI CẢM ƠN
Hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, trƣớc tiên học viên xin chân thành cảm ơn sự
giảng dạy nhiệt tình của thầy cô trong Khoa Địa chất - Trƣờng Đại học Khoa học Tự
nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội trong suốt thời gian học viên học tập, nghiên cứu tại
trƣờng.
Đặc biệt, học viên xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Hoàng Thị
Minh Thảo, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn tận tình và chu đáo trong quá trình học viên
thực hiện và hoàn thành luận văn.
Học viên cũng xin chân thành cảm PGS. TS Jörn Kasbohm - Jörn-KasbohmConsulting, CHLB Đức đã giúp đỡ chỉ bảo và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu
trong thời gian học viên học tập và nghiên cứu, cũng nhƣ những giúp đỡ trong quá
trình thu thập và phân tích mẫu Kinnekulle - Thụy Điển .
Học viên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, ngƣời thân và bạn bè đã
tạo mọi điều kiện tốt nhất, bên cạnh động viên cổ vũ để học viên hoàn thành luận văn
này.
Cuối cùng, học viên xin cảm ơn Hội đồng bảo vệ luận văn Thạc sĩ: PGS. TS
Nguyễn Văn Vƣơng (Chủ tịch Hội Đồng), PGS. TS Nguyễn Văn Phổ (Phản biện 1), TS.
Nguyễn Thị Minh Thuyết (Phản biện 2), TS. Nguyễn Thùy Dƣơng (Thƣ ký), TS. Phạm

Văn Thanh (Ủy viên) đã có những góp ý quý báu để học viên hoàn thiện luận văn một
cách tốt nhất.
Trân trọng cảm ơn !
Hà Nội ngày 30 tháng 12 năm 2015
Học viên

Phạm Thị Nga

Phạm Thị Nga

- iii -

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT VÙNG DI LINH - LÂM ĐỒNG VÀ
KINNEKULLE - THỤY ĐIỂN..................................................................................4
1.1. Đặc điểm địa chất vùng Di Linh - Lâm Đồng ..............................................4 1.2.
Đặc điểm địa chất vùng Kinnekulle - Thụy Điển .........................................6
CHƢƠNG 2: MẪU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................9
2.1. Mẫu nghiên cứu ................................................................................................9
2.1.1. Mẫu bentonit Di Linh-Việt Nam ...............................................................9 2.1.2.
Mẫu bentonit Kinnekulle-Thụy Điển ......................................................10
2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu .........................................................................11
2.2.1. Phƣơng pháp Huỳnh quang tia X (XRF) .................................................11
2.2.2. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ........................................................12
2.2.2. Phƣơng pháp Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).............................12
CHƢƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ KHOÁNG VẬT SÉT VÀ QUÁ TRÌNH BIẾN
ĐỔI ILLIT-SMECTIT ..............................................................................................15
3.1. Tổng quan về khoáng vật sét ..........................................................................15
3.1.1. Illit............................................................................................................16
3.1.2. Smectit .....................................................................................................17
3.1.3. Khoáng vật sét lớp xen illlit-smectit (IS-ml) ...........................................19
3.2. Quá trình biến đổi illit-smectit .......................................................................20
3.2.1. Quá trình smectit hóa illit ........................................................................20
3.2.3. Quá trình illit hóa smectit ........................................................................21
3.3. Ý nghĩa của quá trình biến đổi .......................................................................23
CHƢƠNG 4: ĐẶC ĐIỂM CỦA SÉT DI LINH VÀ SÉT KINNEKULLE..............24
4.1. Đặc điểm của sét Di Linh ...............................................................................24
4.1.1. Đặc điểm hóa học sét Di Linh .................................................................24
4.1.2. Đặc điểm khoáng vật sét Di Linh ............................................................25

Phạm Thị Nga

- iv -

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


4.2. Đặc điểm của sét Kinnekulle..........................................................................31
4.2.1. Đặc điểm hóa học sét Kinnekulle ............................................................31
4.2.2. Đặc điểm khoáng vật sét Kinnekulle .......................................................33
CHƢƠNG 5: QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI ILLIT-SMECTIT ......................................41
5.1. Quá trình biến đổi illit thành smectit trong sét Di Linh .................................41
5.1.1 Đặc điểm của quá trình biến đổi ...............................................................41
5.1.2. Cơ chế hình thành smectit từ illit.............................................................43
5.1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình smectit hóa illit ..............................45
5.2. Quá trình biến đổi smectit thành illit trong sét Kinnekulle ............................47
5.2.1 Đặc điểm của quá trình illit hóa smectit trong sét Kinnekulle .................47
5.2.2. Cơ chế biến đổi smectit thành illit ...........................................................53
5.2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình illit hóa...........................................56
KẾT LUẬN ...............................................................................................................60 TÀI
LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................62

Phạm Thị Nga

-v-

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


CHỮ VIẾT TẮT
IS-ml

Khoáng sét lớp xen illit/smectit

IS-ml R0

Khoáng sét lớp xen illit/smectit xen lớp ngẫu nhiên

IS-ml R1

Khoáng sét lớp xen illit/smectit xen lớp đều đặn

XRD

Nhiễu xạ tia Roentgen

XRF

Huỳnh quang tia X

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua

TEM-EDX

Kính hiển vi điện tử truyền qua kết hợp với hệ thống tán xạ tia X

diVS-ml

Khoáng sét lớp xen di-vermicullit/smectit

KSV-ml

Khoáng sét lớp xen kaolinit-smectit-vermiculit

CSV-ml

Khoáng sét lớp xen chlorit-smectit-vermiculit

Phạm Thị Nga

-iLuận văn Thạc sĩ Khoa học


DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1: Bản đồ hành chính khu vực nghiên cứu .............................................................4
Hình 2: Sơ đồ địa chất mỏ bentonit Di Linh, tỉnh Lâm Đồng.........................................5 Hình
3: Đặc điểm địa tầng vùng Kinnekulle ...................................................................7 Hình 4:
Moong khai thác bentonit Di Linh .....................................................................9
Hình 5: Bentonit xám trắng xen kẽ bazan bị phong hóa (trái) và bentonit màu vàng,
nâu vàng, xám xanh (phải) ............................................................................................10 Hình
6: Lõi khoan Mossen-3 thu thập tại vùng đồi Kinnekulle...................................10 Hình 7:
Trình tƣ địa tầng của lớp bentonit Kinnekulle .................................................11 Hình 8: Mô
hình cấu trúc tinh thể illit...........................................................................16 Hình 9: Mô hình
cấu trúc tinh thể smectit ....................................................................18 Hình 10: Mô hình cấu
trúc khoáng vật sét lớp xen illit-smectit....................................20 Hình 11: Giản đồ XRD
mẫu toàn phần của sét Di Linh - Lâm Đồng ..........................26
Hình 12: Phổ XRD mẫu định hƣớng của sét Di Linh bao gồm mẫu làm khô tự nhiên
(AD) và mẫu bão hòa ethylen glycol (EG)....................................................................27 Hình
13: Ảnh TEM của sét bentonit Di Linh (7000x). .................................................28 Hình 14:
Ảnh TEM của hạt goethit trong sét Di Linh...................................................30 Hình 15: Sự
biến đổi thành phần hóa học trong lớp bentonit .......................................33 Hình16: Giản đồ
nhiễu xạ tia X mẫu bột của sét Kinnekulle........................................34 Hình 17: Sự biến thiên
hàm lƣợng thạch anh theo độ sâu trong lớp bentonit Kinnekulle
.......................................................................................................................................36
Hình 18: Ảnh TEM đại diện cho các mẫu Kinnekulle B_A (18A), B_C (18B), B_F
(18C), B_I (18D) và B_L (18E). ...................................................................................39 Hình
19a: Hình ảnh TEM của hạt IS-ml với phần rìa bị smectit hóa............................42 Hình 19b.
Ảnh TEM-ED thể hiện sự thay đổi cấu trúc giữa phần rìa và phần tâm hạt .......42
Hình 20: Sự biến đổi thành phần hóa học thể hiện quá trình smectit hóa theo chiều từ
rìa vào tâm hạt IS-ml .....................................................................................................42
Hình 21: Tƣơng quan giữa sự biến đổi hàm lƣợng K và điện tích giữa lớp với hàm
lƣợng lớp smectit trong một đơn vị cấu trúc [O10(OH)2] của các hạt diVS-ml trong
bentonit Di Linh.............................................................................................................44
Phạm Thị Nga

- ii -

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


Hình 22: Ảnh hƣởng của lƣợng mƣa đến sự hình thành khoáng vật sét trong quá trình
phong hóa đá macma acid (a) và bazo (b) .....................................................................46
Hình 23: Hàm lƣợng smectit trong lớp bentonit Kinnekulle tăng theo độ sâu .............47 Hình
24: Sự biến thiên hàm lƣợng illit trong lớp bentonit Kinnekulle .........................48
Hình 25: Giản đồ XRD mẫu định hƣớng bão hòa ethylen glycol của các mẫu sét
Kinnekulle .....................................................................................................................49
Hình 26: Các hạt IS-ml với phần rìa hạt rõ nét (Ảnh trái - mẫu Kinnekulle B_A; Ảnh
phải - mẫu Kinnekulle B_C ..........................................................................................51
Hình 27: Sự khác nhau về hình thái giữa các hạt IS-ml, phụ thuộc chủ yếu vào hàm
lƣợng các lớp cấu trúc ...................................................................................................51
Hình 28: Sự biến đổi hàm lƣợng lớp illit trong cấu trúc IS-ml theo độ sâu..................52 Hình
29: Ảnh hƣởng của pH tới sự hòa tan Al và Si. ..................................................54

Phạm Thị Nga

- iii -

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


DANH SÁCH BẢNG
Trang

Bảng 1: Hàm lƣợng lớp illit trong IS-ml xác định bởi giá trị đỉnh nhiễu xạ trong mẫu
sét bão hòa ethylen glycol .............................................................................................13 Bảng
2: Thành phần hóa học mẫu sét Di Linh trong sự so sánh với một số mẫu sét điển hình trên
thế giới............................................................................................................24 Bảng 3: Thành
phần khoáng vật mẫu sét Di Linh .........................................................26
Bảng 4: Công thức cấu trúc [giá trị trung bình theo đơn vị (OH)2O10] của pha diVS-ml
trong bentonit Di Linh (thành phần < 2 µm), tính bằng phƣơng pháp TEM-EDX.......29
Bảng 5: Thành phần khoáng vật của sét bentonit Di Linh thành phần cấp hạt <2µm
trong phân tích TEM .....................................................................................................29
Bảng 6: Thành phần hóa học mẫu Kinnekulle ..............................................................31
Bảng 7: Thành phần khoáng vật của các mẫu sét Kinnekulle.......................................35
Bảng 8: Công thức cấu trúc [giá trị trung bình theo đơn vị (OH)2O10] của khoáng sét
lớp xen illit-smectit trong các mẫu sét Kinnekulle........................................................40

Phạm Thị Nga

- iv -

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


MỞ ĐẦU
Sét, đặc biệt là bentonit, đƣợc biết đến là một nguồn khoáng sản có nhiều ứng
dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Bentonit đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh
vực khác nhau nhƣ dùng làm dung dịch khoan, làm chất phụ gia trong sản xuất thức ăn
cho gia cầm, làm vật liệu hấp phụ và vật liệu độn trong ngành sản xuất sơn… Hơn thế nữa,
bentonit là một vật liệu đã đƣợc công nhận có khả năng cô lập chất thải phóng xạ với
những tính năng ƣu việt nhƣ có độ trƣơng nở cao, độ thấm thấp, và độ tự hàn gắn (selfsealing) cao... rất có tiềm năng sử dụng trong bồn chứa rác thải hạt nhân. Có đƣợc các đặc
tính đặc biệt này là do sự có mặt của pha smectit chiếm chủ yếu trong thành phần của
bentonit. Tuy nhiên, để lựa chọn đƣợc nguồn vật liệu phù hợp cần phải có những nghiên
cứu chi tiết để đánh giá khả năng sử dụng và tính bền vững của bentonit trong bồn chứa
rác thải hạt nhân.
Trong bối cảnh Việt Nam đang tiến tới xây dựng nhà máy điện hạt nhân để giải
quyết nhu cầu năng lƣợng, những nghiên cứu về xử lý chất thải phóng xạ là rất cấp thiết
và đáng đƣợc quan tâm. Bentonit là một vật liệu đƣợc công nhận là có khả năng cô lập chất
thải phóng xạ. Tuy nhiên, những nghiên cứu các nguồn sét Việt Nam và đánh giá khả năng
sử dụng chúng trong bồn chứa rác thải hạt nhân vẫn còn khá mới mẻ. Do đó, nghiên cứu
quan tâm đến các nguồn sét của Việt Nam, trong sự nghiên cứu, so sánh với các nguồn sét
trên thế giới nhằm có thêm những thông tin cho việc đánh giá tổng quan về khả năng sử
dụng sét bentonit để cô lập chất thải phóng xạ.
Để đánh giá khả năng sử dụng của sét bentonit trong bồn chứa rác thải hạt nhân,
các nhà khoa học phải dựa trên rất nhiều những tiêu chí khác nhau. Trong đó sự biến đổi
của các khoáng vật sét là một trong những tiêu chí để đánh giá khả năng ứng dụng của
khoáng sét, mức độ bền vững của bồn chứa rác thải hạt nhân. Sự bền vững của bentonit
liên quan đến sự biến đổi các thông số kỹ thuật, thành phần hóa học và cấu trúc của
khoáng vật sét. Quá trình biến đổi của khoáng vật sét trong những điều kiện môi trƣờng
khác nhau diễn ra theo những chiều hƣớng khác nhau. Mỗi loại bentonit có khả năng biến
đổi riêng biệt phụ thuộc vào thành phần hóa học chủ yếu của lớp bát diện và lớp xen giữa
của smectit (Nguyen-Thanh et al., 2014). Có hai chiều hƣớng biến đổi điển hình của
khoáng vật sét đƣợc quan tâm hơn cả là quá trình biến đổi trong
Phạm Thị Nga

-1-

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


điều kiện môi trƣờng có bổ sung độ ẩm và nhiệt độ thấp (tƣơng tự với quá trình phong
hóa) và quá trình biến đổi trong điều kiện mất nƣớc và nhiệt độ cao (tƣơng tự với quá trình
biến chất). Biến đổi chính của khoáng vật sét trong 2 quá trình này là biến đổi giữa 2 pha
smectit và illit. Nếu nhƣ quá trình biến đổi smectit sang illit làm giảm độ trƣơng nở, độ tự
hàn gắn. Ngƣợc lại, quá trình biến đổi ngƣợc lại, illit sang smectit, lại làm tăng độ trƣơng
nở, độ tự hàn gắn, và do đó làm tăng chất lƣợng và khả năng làm chất cô lập chất thải
phóng xạ. Để làm sáng tỏ quá trình biến đổi của khoáng vật sét trong điều kiện môi trƣờng
khác nhau, học viên lựa chọn hai đối tƣợng sét có điều kiện thành tạo và tồn tại khác nhau
để tiến hành nghiên cứu là sét Di Linh (Việt Nam) và sét Kinnekulle (Thụy Điển) để nghiên
cứu trong luận văn với tiêu đề: "Quá trình biến
đổi illit-smectit: lấy ví dụ sét Kinnekulle - Thụy Điển và sét Di Linh - Việt Nam".
Sét Di Linh là sản phẩm của quá trình phong hóa các đá núi lửa có thành phần axit
và trung tính trong điều kiện đầm hồ Neogen hình thành mỏ bentonit với hàm lƣợng nhóm
smectit tƣơng đối cao. Quá trình phong hóa tiếp tục diễn ra đối với sét Di Linh trong điều
kiện khí hậu nóng, ẩm, mƣa nhiều. Sét Kinnekulle có tuổi Ordovic đƣợc hình thành từ sự
phong hóa các vật liệu trầm tích núi lửa trong môi trƣờng nƣớc biển. Các hoạt động
magma xảy ra sau đó có ảnh hƣởng mạnh mẽ đến sự biến đổi thành phần bentonit hình
thành trƣớc dƣới tác động của nhiệt độ. Sự khác nhau trong điều kiện hình thành và biến
đổi của sét Di Linh và sét Kinnekulle sẽ dẫn đến những đặc điểm khác nhau và những xu
hƣớng biển đổi khác nhau giữa các khoáng vật sét trong hai loại bentonit này.
Các mẫu sét Di Linh và Kinnekulle thu thập đƣợc đƣợc tiến hành phân tích bằng
những phƣơng pháp hiện đại nhƣ: phƣơng pháp huỳnh quang tia X (XRF), nhiễu xạ
Roentgen (XRD) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để làm sáng tỏ đặc điểm về thành
phần hóa học, thành phần khoáng vật quá trình biến đổi giữa illit và smectit và những yếu
tố ảnh hƣởng đến quá trình biến đổi đó.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn đƣợc trình bày qua 5 chƣơng:
Chƣơng 1: Đặc điểm địa chất vùng Di Linh - Lâm Đồng và Kinnekulle - Thụy
Điển
Chƣơng 2: Mẫu và phƣơng pháp nghiên cứu

Phạm Thị Nga

-2-

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


Chƣơng 3: Tổng quan về khoáng vật sét và quá trình biến đổi illit-smectit
Chƣơng 4: Đặc điểm của mẫu sét Di Linh và sét Kinnekulle
Chƣơng 5: Quá trình biến đổi illit-smectit
Luận văn đã làm rõ thành phần hóa học, thành phần khoáng vật và đặc điểm của các
pha khoáng vật trong bentonit Di Linh (Việt Nam) cũng nhƣ bentonit Kinnekulle (Thụy
Điển), sự hình thành và biến đổi của các loại sét này cũng nhƣ đánh giá đƣợc tác động
của các nhân tố môi trƣờng đến quá trình biến đổi của chúng. Kết quả của luận văn cho
phép định hƣớng và đánh giá tiềm năng sử dụng của các loại bentonit này, dự đoán chiều
hƣớng biến đổi của chúng trong những điều kiện sử dụng khác nhau. Kết quả của luận
văn cung cấp những thông tin ban đầu nhằm tiến tới nghiên cứu quá trình biến đổi này
trong các thí nghiệm mô phỏng điều kiện bồn chứa rác thải hạt nhân.

Phạm Thị Nga

-3-

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


CHƢƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT VÙNG DI LINH - LÂM ĐỒNG
VÀ KINNEKULLE - THỤY ĐIỂN
1.1. Đặc điểm địa chất vùng Di Linh - Lâm Đồng
Mỏ sét Tam Bố nằm trên cao nguyên Di Linh, tại ranh giới hai xã Tam Bố và Gia
Hiệp thuộc huyện Di Linh, tỉnh Lâm Đồng (Hình 1). Khu vực có toạ độ địa lý:
Từ 11o37'7'' đến 11o37'40'' độ vĩ bắc
Từ 108o11'41'' đến 108o12'15'' độ kinh đông.

Hình 1: Bản đồ hành chính khu vực nghiên cứu
Khu vực nghiên cứu bao gồm các thành tạo trầm tích và phun trào có tuổi từ Jura
đến Đệ Tứ. Theo khảo sát của Đoàn Sinh Huy (1982), vùng mỏ bentonit Tam Bố gồm
các thuộc hệ tầng Bản Đôn (J1-2 bđ), Di Linh (N2 dl) và các thành tạo phun trào hệ tầng
Bảo Lộc, Hệ tầng Đơn Dƣơng (K đd), xâm nhập phức hệ Định Quán (γK đq). Nghiên
cứu mới hơn của Kiều Quý Nam (2005) mô tả lại trật tự địa tầng của khu vực mỏ
bentonit Di Linh gồm các hệ tầng La Ngà (J2 ln), Dak Rium (K2 đr), Di Linh (N13 -

Phạm Thị Nga

-4-

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


N21 dl); các phun trào của hệ tầng Đơn Dƣơng (K2 đd), thành tạo bazan hệ tầng Túc
Trƣng (βN2 - QI tt), Xuân Lộc ( βQII xl) và các trầm tích Đệ Tứ (hình 2).
Hệ tầng La Ngà (J2 ln) là hệ tầng có tuổi cổ nhất trong vùng; chứa cát kết, bột kết,
phiến sét lộ ra ở phía tây bắc vùng nghiên cứu, gần khu vực sông Đa Dâng. Các thành
tạo tuổi Creta bao gồm các đá cuội kết, cát kết, bột kết màu nâu, nâu đỏ thuộc hệ tầng
Đak Rium (K2 đr) và các phun trào ryolit, dacit, ryođacit, andezito đacit của hệ tầng
Đơn Dƣơng (K2 đd). Hệ tầng Di Linh (N13 - N21 dl) có tuổi Neogen bao gồm các trầm
tích đầm hồ xen kẽ các vật liệu thô cuội kết, cát kết, sét kết và các thấu kính bazan,
phân bố rộng rãi trên cao nguyên Di Linh và bao phủ phần lớn khu vực nghiên cứu. Hệ tầng
Di Linh chứa các lớp sét kết, sét than, bentonitm diatomit là đối tƣợng nghiên cứu chính của
luận văn. Các vật liệu trầm tích này phủ bất chỉnh hợp lên các thành tạo đá cổ hơn của hệ
tầng La Ngà và Đơn Dƣơng. Tất cả chúng lại bị bao phủ bởi các phun
trào bazan thuộc hệ tầng Túc Tƣng (βN2 - QI tt) và hệ tầng Xuân Lộc ( βQII xl) bao
gồm bazan olivine kiềm và hyalobazan. Các thành hệ tuổi Đệ Tứ còn bao gồm các
trầm tích sông thành phần chủ yếu là sét, cát, sỏi phủ lên trên mặt các lớp bazan ở một vài
nơi.

Hình 2: Sơ đồ địa chất mỏ bentonit Di Linh, tỉnh Lâm Đồng
(Đoàn Sinh Huy & nnk, 1982)

Phạm Thị Nga

-5-

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


Thành phần magma chủ yếu và có ý nghĩa nhất trong khu vực nghiên cứu là
magma của hệ tầng Đơn Dƣơng bao gồm các phun trào ryolit, dacit, ryođacit, andezito dacit
tuổi Creta. Theo tài liệu của Lê Đặng Bình (1987) thì phun trào ryolit tuổi Kreta hệ tầng
Đơn Dƣơng có màu tím, xám lục, cấu tạo ban trạng với ban tinh là thạch anh, feldspar
kali, plagioclas, ngoài ra còn có khoáng vật màu nhƣ biotit và các khoáng vật quặng. Các
phun trào này phân bố thành những bức thành đồ sộ ở ven cao nguyên Di Linh. Tại khu
vực nghiên cứu, các phun trào này phân bố ở phía đông bắc khu mỏ, tại dãy núi Lantra.
Nghiên cứu quá trình hình thành mỏ sét Tam Bố - Di Linh, Kiều Quý Nam cho biết các sản
phẩm phong hóa từ thành tạo phun trào axit, ryolit của hệ tầng Đơn Dƣơng ở núi Lantra là
nguồn vật liệu trực tiếp mang tính địa phƣơng, là yếu tố quyết định cho sự hình thành sét
bentonit Di Linh (Kiều Quý Nam, 1996).
Các hoạt động kiến tạo đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành mỏ sét Di
Linh. Vào cuối Jura, đầu Kreta (J3 -K1) các hoạt động kiến tạo xảy ra mạnh mẽ lục địa
bị nâng lên, các trầm tích lục nguyên bị uốn nếp thành một nếp lõm (Đoàn Sinh Huy &
nnk, 1982). Trong thời kì này, phát triển các hoạt dộng phun trào trung tính và axít yếu
(dacit, ryolit) điển hình là phun trào ryolit của hệ tầng Đơn Dƣơng (K2 đd), đến cuối
Kreta vùng hoàn toàn trở thành lục địa bị bóc mòn. Sang kỉ Neogen xảy ra sụt lún cục
bộ tạo thành đầm hồ (trầm tích sét, sét than, than nâu, diatomit). Sự sụt lún diễn ra rất từ từ
và có giai đoạn ngƣng nghỉ tạo nên các tập trầm tích mỏng, sau mỗi giai đoạn đều có
những đợt phun trào bazan. Quá trình sụt lún này là yếu tố kiến tạo quan trọng hình thành
mỏ sét bentonit Tam Bố. Sự lắng đọng của các trầm tích đầm hồ xảy ra song song với
phun trào bazan. Đến Đệ Tứ toàn vùng biến thành lục địa xảy ra quá trình xâm thực bóc
mòn, hoạt động kiến tạo bình ổn.
1.2. Đặc điểm địa chất vùng Kinnekulle - Thụy Điển
Kinnekulle là khu vực đồi núi thuộc tỉnh Västergötland, phía tây nam Thụy Điển
cách Gothenburg khoảng 150km về phía Bắc. Đặc điểm địa chất vùng Kinnekulle đƣợc
nghiên cứu dựa trên các lõi khoan sâu, trình tự địa tầng vùng nghiên cứu đƣợc thể hiện
trong hình 3 (Pusch & Madsen, 1995).
Vùng đồi Kinnekulle lộ ra lớp đá diabas tuổi Permi ở trên cùng. Tại lõi khoan sâu
thu đƣợc tại vùng đồi cho thấy độ dày của lớp diabas hiện tại là khoảng 30m. Bên dƣới

Phạm Thị Nga

-6-

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


lớp diabas là các lớp cát kết và đá phiến sét tuổi Silur dày khoảng 90m. Bên dƣới các
lớp đá tuổi Silur là các thành tạo đá vôi tuổi Ordorvic. Trong thành tạo đá vôi này phát hiện
lớp bentonit dày 2m, ở độ sâu khoảng 95m bên dƣới lớp diabas. Lớp bentonit này là đối
tƣợng nghiên cứu của luận văn. Bên dƣới các thành tạo đá vôi tuổi Ordorvic là đá phiến
sét và cát kết tuổi Cambri. Dƣới cùng là đá móng gneiss.

Hình 3: Đặc điểm địa tầng vùng Kinnekulle
(Pusch & Madsen,1995)
Các hoạt động núi lửa và phun trào magma tại khu vực Kinnekulle có ý nghĩa
quan trọng trong quá trình hình thành và biến đổi của lớp bentonit. Lớp bentonit
Kinnekulle đƣợc hình thành từ tro núi lửa có nguồn gốc từ các dòng dung nham có thành
phần ryolit hoặc dacit (Pusch & Madsen,1995). Hoạt động phun trào này xảy ra cách đây
khoảng 450 triệu năm, thành phần tro núi lửa lắng đọng trong nƣớc biển bao phủ lên các
trầm tích đá vôi và bùn dày 120m. Tro núi lửa lắng đọng và biến đổi thành các lớp bentonit
giàu smectit, gắn kết dƣới áp suất chôn lấp khoảng 5-10 Mpa. Tiếp sau đó các trầm tích
cùng loại và bùn, cát lắng đọng phía trên lớp tro, tạo thành lớp trầm tích biển với độ dày
hàng trăm mét. Khoảng 300 triệu năm trƣớc đây, magma đi

Phạm Thị Nga

-7-

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


lên xuyên cắt ngang qua các loạt trầm tích với chiều cao khoảng 250m trên đá móng
kết tinh, hình thành lớp diabas với độ sâu vài chục m, các trầm tích bị tác động bởi nhiệt
độ cao của hoạt động magma. Lớp diabas lộ ra trên bề mặt đồi Kinnekulle do quá trình bào
mòn tiền Đệ Tứ và băng hà Đệ Tứ đã bào mòn lớp diabas và lớp trầm tích bao phủ phía trên
nó.

Phạm Thị Nga

-8-

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


CHƢƠNG 2: MẪU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU
2.1. Mẫu nghiên cứu
2.1.1. Mẫu bentonit Di Linh-Việt Nam
Mẫu bentonit Di Linh đƣợc lấy tại mỏ sét thuộc xã Tam Bố, huyện Di Linh, tỉnh
Lâm Đồng, mỏ sét đang đƣợc Công ty TNHH Hiệp Phú khai thác. Phần dƣới là các trầm
tích màu đỏ tuổi Creta - là vật liệu lót đáy của bồn Neogen. Phía đông bắc của khu mỏ là
núi Lantra cấu tạo bởi các phun trào axit, ryolit của hệ tầng Đơn Dƣơng, phủ bất chỉnh
hợp lên các trầm tích tuổi Creta. Mặt cắt sơ bộ của mỏ sét Di Linh theo quan sát và dựa trên
nghiên cứu của Đoàn Sinh Huy và nnk (1982) từ dƣới lên trên bao gồm: cát hạt thô;
kaolin; bentonit có màu xanh, xám xanh, đôi khi xen kẹp lớp cát, bột mỏng; sét chứa than;
bentonit có màu xám trắng, xám xanh; sét lẫn cát có chứa vật liệu sinh học; bentonit màu
xám xanh; cát; basalt; bentonit xám trắng, xám vàng, có độ dẻo cao.
Nghiên cứu trên thực địa quan sát thấy sét bentonit Di Linh màu vàng, nâu vàng,
xám xanh, xám trắng (Hình 4, 5); tại một số khu vực, sét bentonit lẫn đá bazan đang
phong hóa, nên có màu xám trắng, xám vàng, nâu vàng, phớt lục. Tại mỏ sét thuộc xã Tam
Bố, 5 tấn sét bentonit Di Linh nguyên khai đã đƣợc thu thập và nghiền <5 mm, mẫu đƣợc
trộn đồng nhất trƣớc khi lấy đại diện cho nghiên cứu phân tích.

Hình 4: Moong khai thác bentonit Di Linh

Phạm Thị Nga

-9-

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


Hình 5: Bentonit xám trắng xen kẽ bazan bị phong hóa (trái) và
bentonit màu vàng, nâu vàng, xám xanh (phải)
2.1.2. Mẫu bentonit Kinnekulle-Thụy Điển
Các mẫu bentonit Kinnekulle trong nghiên cứu đƣợc Giáo sƣ Jorn Kasborm và
Giáo sƣ Roland Pusch thu thập từ lõi khoan sâu tại vùng Kinnekulle. Đối tƣợng nghiên cứu
nằm ở lõi khoan Mossen-3 đƣợc tiến hành năm 1982 (Hình 6). Trình tự địa tầng và vị trí
các lớp bentonit trong lõi khoan này đƣợc trình bày trong hình 7 theo mô tả của Pusch &
Madsen (1995).

Hình 6: Lõi khoan Mossen-3 thu thập tại vùng đồi Kinnekulle
(Ảnh: Joern Kasbohm)

Phạm Thị Nga

- 10 -

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


Đặc điểm thạch học, độ sâu trong lõi
khoan và độ dày của lớp bentonit và các lớp đá
xung quang đƣợc thể hiện trong hình 7. Các
lớp bentonit nằm xen kẽ các lớp đá vôi màu
xám và đá phiến sét. Lớp bentonit chính có
chiều dày 2m (lớp B), là đối tƣợng nghiên cứu
chính của luận văn. Bên cạnh đó còn có 2 lớp
bentonit dày 0,2m và 3 lớp bentonit dày 0,1 0,2 m nằm phía trên và phía dƣới lớp bentonit
chính, xen kẹp với các lớp đá vôi và đá phiến sét.
Từ lõi khoan, 5 mẫu thuộc lớp bentonit B
đƣợc tiến hành các thí nghiệm phân tích. Các
mẫu gồm: Kinnekulle B_A ở độ sâu 578cm từ
đỉnh lõi khoan, cách ranh giới trên của lớp
bentonit chính 5cm; Các mẫu B_C, B_F, B_I,
B_L ở sâu hơn, lần lƣợt cách ranh giới trên của
lớp bentonit là 35cm, 80cm, 130cm và 165cm.
Đặc điểm của các mẫu khi quan sát bằng mắt
thƣờng tƣơng đối giống nhau (Hình

Hình 7: Trình tƣ địa tầng của lớp
bentonit Kinnekulle
(Pusch & Madsen, 1995)
6). Các phần mẫu lấy ra từ lõi
khoan đƣợc nghiền nhỏ trƣớc khi
tiến hành phân tích.
2
.
2
.

C
á
c

p
h


ƣ

bức xạ thứ cấp đặc trƣng cho từng

ơ

nguyên tố có mặt trong mẫu. Năng

n

lƣợng của từng phát xạ thứ cấp này

g

đƣợc đo và cung cấp thông tin về
hàm lƣợng của

p

nguyên tố đó trong mẫu. Đối với các

h

oxit nguyên tố tạo đá (SiO2, TiO2,

á

Al2O3, CaO,

p

MgO, Na2O, K2O, Al2O3, MnO) thì
độ nhạy phát hiện là 0,01%. Đối với

n

các nguyên tố

g

vết nhƣ Ba, Nb, Sr, Y, Cu, Pb, Zn,

h

Ni, Co, Mo, U và Th, độ nhạy

i

phát hiện là ppm.

ê
n

c

u

2.2.1.
Phương
pháp
huỳnh
quang tia
X (XRF)
Phƣơng pháp huỳnh quang tia X (XRF)
đƣợc sử dụng rộng rãi trong phân tích
thành phần nguyên tố của vật liệu. Phƣơng
pháp này sử dụng một chùm tia X chiếu vào
mẫu, dƣới tác dụng kích thích của chùm tia X,
mẫu sẽ hấp thụ năng lƣợng tia X và phát ra các

Phạm Thị Nga
- 11 Luận văn Thạc sĩ Khoa học


Trƣớc khi tiến hành phân tích, mẫu nghiên cứu cần đƣợc sấy khô ở nhiệt độ 40oC
và nghiền xuống kích thƣớc < 63µm để đảm bảo tạo ra một bề mặt phẳng đồng nhất. Mẫu
sau khi nghiền đƣợc nén để tạo thành một bề mặt phẳng. Nghiên cứu tiến hành phân tích
thành phần hóa học mẫu toàn phần (bulk sample) bằng phƣơng pháp huỳnh quang tia
Roentgen (XRF) trên hệ thống XRF-1800 Shimadzu (vận hành với dòng điện 10mA và
hiệu điện thế 20kV) tại phòng thí nghiệm Khoa Địa chất, trƣờng Đại học Khoa học Tự
nhiên.
Kết quả phân tích XRF cho biết thành phần hóa học của mẫu hay nói cách khác là hàm
lƣợng phần trăm của các oxit trong mẫu. Thành phần hóa học thu đƣợc từ kết quả XRF
đƣợc dùng để đối chiếu so sánh trong quá trình định lƣợng thành phần khoáng vật của
mẫu.
2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Nhiễu xạ tia X (XRD) là một công cụ hữu hiệu trong nghiên cứu cấu trúc của vật
liệu. Trong nghiên cứu khoáng vật, XRD là một phƣơng pháp cho phép xác định hàm
lƣợng các pha khoáng vật có trong mẫu và đặc điểm cấu trúc của các pha khoáng vật này.
Phƣơng pháp XRD sử dụng một chùm tia X chiếu lên bề mặt mẫu. Hiện tƣợng nhiễu xạ
sẽ xảy ra tại các nút mạng cung cấp thông tin về cấu trúc của vật liệu. Các đỉnh nhiễu xạ
cho biết khoảng cách giữa các lớp cấu trúc trong tinh thể khoáng vật đặc trƣng cho từng
khoáng vật.
Có hai hình thức chuẩn bị mẫu sét cho phân tích XRD là mẫu bột không định hƣớng
và mẫu định hƣớng. Mẫu đƣợc nghiền thành dạng bột có kích thƣớc hạt <40µm sau khi đã
đƣợc sấy khô ở 40oC. Mẫu bột này đƣợc nén nhẹ để có bề mặt phẳng và đƣa vào máy phân
tích. Đối với mẫu bột không định hƣớng, nghiên cứu tiến hành trên máy Philips X-ray (PW
1710) sử dụng ống bức xạ Cu. Chế độ vận hành bao gồm hiệu điện thế 40 kV, dòng điện 30
mA, khoảng đo 3,0-70,0 °2θ, và bƣớc đo 0,02 °2θ. Kết quả XRD đối với mẫu không định
hƣớng đƣợc xử lý định tính bằng phần mềm Winfit trong sự đối sánh giá trị d với bộ cơ
sở dữ liệu ICDD / JCPDS cho phép xác định nhanh chóng và chính xác các pha khoáng
vật có trong mẫu. Thành phần định lƣợng tƣơng đối các pha khoáng vật trong mẫu đƣợc
xử lý bằng phần mềm BGMN-Rietveld
(Bergmann et. al., 1998) đối chiếu quy đổi thành phần hóa học với kết quả XRF.

Phạm Thị Nga

- 12 -

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


Các mẫu định hƣớng cỡ hạt < 2µm bao gồm mẫu đƣợc làm khô tự nhiên, mẫu bão
hòa ethylen glycol đƣợc sử dụng để nghiên cứu chi tiết hơn các pha khoáng vật sét. Phần
dung dịch chứa các hạt khoáng vật sét có kích thƣớc < 2µm đƣợc chọn lọc theo
phƣơng thức lắng trọng lực. Sự khác nhau của các đỉnh nhiễu xạ giữa mẫu đƣợc làm
Bảng 1: Hàm lƣợng lớp illit trong IS-ml
khô tự nhiên và mẫu bão hòa ethylen
xác định bởi giá trị đỉnh nhiễu xạ trong mẫu
sét bão hòa ethylen glycol
glycol cung cấp thông tin để nhận biết
(theo Moore & Reynolds, 1997)
chính xác khoáng vật sét cũng nhƣ đặc
%

điểm cấu trúc của nó. Mẫu định hƣớng
đƣợc phân tích bằng thiết bị SIEMENS

001/002

illite

d (Å)

Theta/2Theta D5000 sử dụng ống bức xạ Cu

10

(khoảng đo: 3,0-35,0 °2θ; bƣớc đo: 0,02 °2θ).

002/003
o

∆2Ө

d (Å)

8.58

10.31

5.61

15.80

5.49

20

8.67

10.20

5.58

15.88

8.68

30

8.77

10.09

5.53

16.03

5.94

40

8.89

9.95

5.50

16.11

6.16

50

9.05

9.77

5.44

16.29

6.52

nhiễu xạ của khoáng vật trên biểu đồ nhiễu xạ

60

9.22

9.59

5.34

16.60

7.01

tia X. Dựa theo nghiên cứu của Moore &

70

9.40

9.41

5.28

16.79

7.38

Reynolds (1997), vị trí và cƣờng độ của

80

9.64

9.17

5.20

17.05

7.88

90

9.82

9.01

5.10

17.39

8.38

Khoáng vật sét lớp xen illit-smectit có
thể đƣợc nhận biết bởi sự thay đổi về đỉnh



o



o

một số đỉnh nhiễu xạ đặc biệt cho biết hàm lƣợng lớp illit trong khoáng vật sét lớp xen illitsmectit (Bảng 1).
2.2.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua kết hợp với hệ thống tán xạ năng lƣợng tia X
(EDX) là một phƣơng pháp hiện đại và hữu hiệu trong nghiên cứu khoáng vật, đặc biệt là
các khoáng vật có kích thƣớc vô cùng bé nhƣ khoáng vật sét. TEM cho phép nghiên cứu
hình thái, dạng tinh thể, thành phần hóa học, nhiễu xạ điện tử và phân bố nguyên tố của
từng hạt sét riêng biệt. Trong phân tích TEM, một chùm điện tử đƣợc truyền qua một mẫu
rất mỏng , phản ánh các thông tin về hình dạng, hình thái và cấu trúc của vật liệu. Các chùm
electron chiếu vào mẫu có thể tƣơng tác với các lớp electron bên trong của nguyên tử và
tạo ra bức xạ thứ cấp mà đặc trƣng cho mỗi phần tử cung cấp thông tin về thành phần hóa
học của từng hạt khoáng vật trong mẫu (TEM-EDX).
Phân tích TEM-EDX đƣợc tiến hành trên thiết bị TECNAI G2 20 vận hành với
hiệu điện thế 200 kV, sử dụng sợi đốt LaB6, vật kính S-TWIN, hệ thống EDΛX và
Phạm Thị Nga

- 13 -

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


camera FEI Eagle™ 2k CCD tại phòng thí nghiệm Khoa Địa chất, trƣờng Đại học
Khoa học Tự nhiên. Mẫu trƣớc khi đƣa vào máy phân tích, mẫu đƣợc phân tán trong
nƣớc cất, phần huyền phù có kích thƣớc <2 µm đƣợc nhỏ lên mặt lƣới đồng phủ carbon
và để khô tự nhiên trong không khí trong khoảng 12 giờ. Hình thái của các hạt khoáng vật
sét đƣợc đối chiếu với nghiên cứu của Henning & Störr (1986). Công thức khoáng vật
đƣợc tính toán từ kết quả phân tích bán định lƣợng thành phần hóa học của khoảng 150 hạt
trên một mẫu dựa trên ý tƣởng của Köster (1977) và bộ công cụ phần mềm của Kasbohm
và nnk (2002).
Thành phần khoáng vật sét lớp xen với hai thành phần (ví dụ khoáng sét lớp xen
illit-smectit / IS-ml) hoặc ba thành phần (ví dụ khoáng sét lớp xen kaolinit-smectit-divermiculit / KVS-ml) đƣợc tính toán dựa theo nghiên cứu của Środoń et al (1992) dựa vào
tổng điện tích của hạt khoáng, điện tích của các ion tham gia và thành phần cấu trúc các
khoáng vật sét của nhiều nghiên cứu khác nhau (Meunier & Velde, 1989; Moore &
Reynolds, 1997; Newman, 1987, Newman & Brown, 1987; Rieder et. al., 1998).

Phạm Thị Nga

- 14 -

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


CHƢƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ KHOÁNG VẬT SÉT

QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI ILLIT-SMECTIT
3.1. Tổng quan về khoáng vật sét
Ủy ban Danh pháp thuộc Hiệp hội Nghiên cứu Khoáng vật Sét Quốc tế (AIPEA Association Internationale pour l'Étude des Argiles) và Ủy ban Danh pháp thuộc Tổ chức
Khoáng vật Sét (CMS - Clay Minerals Society) đã định nghĩa "khoáng vật sét là các
khoáng vật thuộc nhóm silicat lớp và các khoáng vật quyết định tính dẻo của sét, đồng
thời cũng làm cho sét trở nên cứng khi bị khô, sấy hoặc nung". Nhƣ vậy, tất cả các
khoáng vật thỏa mãn điều kiện nói trên đều đƣợc gọi là khoáng vật sét. Các khoáng vật
sét đƣợc phân chia thành các nhóm dựa trên quy luật sắp xếp của các lớp tứ diện và bát
diện (1:1 hoặc 2:1) và tổng điện tích lớp (hay tƣơng ứng cân bằng bởi điện tích lớp xen
giữa). Ngoài các nhóm khoáng vật sét có đơn vị cấu trúc đơn giản thì còn có các khoáng vật
sét lớp xen hay khoáng vật lớp hỗn hợp, trong đó các lớp đƣợc liên kết với nhau có quy
luật hoặc không có quy luật. Các nhóm khoáng vật sét lại đƣợc phân chia thành các phụ
nhóm dựa vào cấu trúc lớp bát diện, bao gồm bát diện đôi và bát diện ba, mà bản chất chính
là số lƣợng cation trong tâm bát diện. Cấu trúc bát diện đôi có số cation < 2,5 trên 3 ô bát
diện, và cấu trúc bát diện ba có số cation bằng 2,5-3 trên 3 ô bát diện. Nghiên cứu này đề
cập chủ yếu đến sự biến đổi giữa illit (di-vermiculite) và các khoáng vật thuộc nhóm
smectit (montmorillonit) thông qua các khoáng vật sét lớp xen illit/smectit.
Khoáng vật sét có thể có nhiều nguồn gốc thành tạo khác nhau, nhƣ phong hóa,
trầm tích lục địa, trầm tích biển, nhiệt dịch, núi lửa và biến chất. Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự
hình thành khoáng vật sét gồm có thành phần đá mẹ, các tác nhân phong hóa (khí hậu,
lƣợng mƣa, độ ẩm…), các tác nhân biến chất (áp suất, nhiệt độ), và độ dài thời gian biến đổi. Các
khoáng vật sét với độ cứng thấp, diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ từ thấp đến rất cao,
độ lƣu biến cao, độ dẻo cao… đƣợc sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Phạm Thị Nga

- 15 -

Luận văn Thạc sĩ Khoa học


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×