Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Địa chất: Quá trình thành tạo quặng Nickel biểu sinh tại một số khối siêu Mafic miền Bắc Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận án này nhằm làm rõ hành vi địa hóa của nickel trong quá trình phong hóa các đá siêu mafic và sự thành tạo quặng hóa nickel biểu sinh. Làm sáng tỏ quá trình thành tạo các kiểu quặng quặng hóa Ni biểu sinh. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Địa chất: Quá trình thành tạo quặng Nickel biểu sinh tại một số khối siêu Mafic miền Bắc Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- PHẠM THANH ĐĂNG QUÁ TRÌNH THÀNH TẠO QUẶNG NICKEL BIỂU SINH TẠI MỘT SỐ KHỐI SIÊU MAFIC MIỀN BẮC VIỆT NAM Chuyên ngành: Khoáng vật học và Địa hóa học Mã số: 9.44.02.05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ ĐỊA CHẤT Hà Nội – Năm 2021
Công trình này được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Văn Phổ Viện Địa chất - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 2. PGS.TS. Phạm Tích Xuân Viện Địa chất - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Phản biện 1: PGS. TS. Đỗ Đình Toát Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Trung Minh Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Thị Minh Thuyết Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi ............. giờ ............ngày ........... tháng ........ năm 2021 Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện quốc gia - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Quặng nickel biểu sinh (nickel laterit) là một nguồn cung cấp nickel chủ yếu trên thế giới bên cạnh quặng nickel sulfid, chúng chiếm đến 70% nguồn tài nguyên của Ni toàn cầu và hiện tại đóng góp khoảng 60% tổng sản lượng Ni, phần còn lại là từ quặng sulfid (Michael Green, 2019). Gần đây, với sự suy giảm nguồn tài nguyên trong các mỏ nickel sulfid cùng với sự tiến bộ về công nghệ khai thác và chế biến quặng, nickel biểu sinh đã trở thành mục tiêu tìm kiếm, thăm dò quan trọng hàng đầu trên toàn cầu. Chúng là các vật liệu bở rời được hình thành do quá trình phong hóa mạnh mẽ và kéo dài của các đá siêu mafic giàu olivin, chủ yếu trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm đến cận nhiệt đới (Golightly, 1981; Gleeson và nnk, 1999; Butt và nnk, 2013). Trong quá trình phong hóa, các thành phần chính ban đầu (nguyên thủy) của đá siêu mafic như MgO và SiO2 bị rửa lũa và mang đi, trong khi đó các thành phần khác như Fe, Al, Ni, Mn và Co ngược lại, được tích tụ và làm giàu. Mặt cắt phong hóa tương đối hoàn chỉnh trên các đá siêu mafic thông thường gồm các đới chính: dưới cùng là đới saprolit nằm ngay trên đá gốc, ở giữa là đới chuyển tiếp và trên cùng là đới limonit. Việt Nam nói chung và Miền Bắc Việt Nam nói riêng nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới ẩm, lại có mặt khá nhiều các khối xâm nhập siêu mafic, do đó sự có mặt của loại hình nickel biểu sinh là hoàn toàn có thể. Thực tế là gần đây đã phát hiện các biểu hiện khoáng hóa nickel biểu sinh trong vỏ phong hóa thuộc các khối Núi Nưa (Thanh Hóa), Suối Củn và Hà Trì (Cao Bằng), Bản Phúc (Sơn La). Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa có các công trình nghiên cứu đủ chi tiết, có hệ thống về các thành tạo nickel biểu sinh ở nước ta dẫn đến việc đánh giá triển vọng cũng như định hướng tìm kiếm chúng gặp nhiều khó khăn. Vì vậy NCS lựa chọn đề tài luận án “Quá trình thành tạo quặng nickel biểu sinh ở một số khối siêu mafic miền Bắc Viêt Nam” nhằm làm sáng tỏ cơ chế làm giàu nickel trong quá trình phong hóa các đá siêu mafic cũng như các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình thành tạo loại hình khoáng sản này, tạo cơ sở cho việc 1
đánh giá nguồn tài nguyên nickel mới, hướng tới đáp ứng nhu cầu ngày càng cao cho các ngành công nghiệp Việt Nam. 2. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu: - Phạm vi nghiên cứu: khối siêu mafic Hà Trì thuộc phức hệ Cao Bằng (Cao Bằng) và khối siêu mafic thuộc phức hệ cùng tên Núi Nưa (Thanh Hóa). - Đối tượng nghiên cứu: Vỏ phong hóa phát triển trên đá gốc là siêu mafic ở các khối Hà Trì (Cao Bằng) và Núi Nưa (Thanh Hóa). 3. Mục tiêu nghiên cứu: - Làm rõ hành vi địa hóa của nickel trong quá trình phong hóa các đá siêu mafic và sự thành tạo quặng hóa nickel biểu sinh; - Làm sáng tỏ quá trình thành tạo các kiểu quặng quặng hóa Ni biểu sinh; - Bước đầu nhận định về triển vọng quặng hóa nickel biểu sinh ở miền Bắc Việt Nam; 4. Nội dung nghiên cứu chính: - Nghiên cứu bổ sung về đặc điểm phân bố, thành phần khoáng vật học, địa hóa học của đá gốc siêu mafic khối Hà Trì (Cao Bằng) và Núi Nưa (Thanh Hóa); - Nghiên cứu chi tiết các mặt cắt phong hóa trên các đá siêu mafic khối Hà Trì (Cao Bằng), Núi Nưa (Thanh Hóa) và các biểu hiện khoáng hóa nickel biểu sinh đi cùng; - Phân tích, đánh giá các tiền đề thành tạo quặng hóa nickel biểu sinh: thành phần đá gốc, điều kiện khí hậu, địa hình địa mạo, hoạt động kiến tạo; - Nhận định về triển vọng quặng hóa nickel biểu sinh ở miền Bắc Việt Nam dựa trên các tiền đề thành tạo quặng hóa; Chương 1. Khái quát về các khối siêu mafic Hà Trì (Cao Bằng) và Núi Nưa (Thanh Hóa) 1.1. Khối xâm nhập Hà Trì (Cao Bằng) 2
Khối siêu mafic Hà Trì có dạng thấu kính kéo dài theo phương tây bắc - đông nam với chiều dài khoảng 0,8km, rộng 0,3-0.5 km. Các đá xâm nhập khối Hà Trì gồm chủ yếu là các siêu mafic lherzolit, lherzolit chứa plagiocla, lherzolit porphyr (kiểu picrit) và một phần nhỏ melanogabro olivin. Lherzolit chứa plagiocla có thành phần olivin dao động từ 55 đến 70%, clinicopyroxen (15 - 20%), orthopyroxen (~10%), plagiocla (vài phần trăm), khoáng vật phụ gồm Cr- spinel, ngoài ra còn có các khoáng vật sulfid xâm tám trong đá. Các khoáng vật thứ sinh gồm hornblend, chlorit và serpentin. Đá bị serpentin hóa ở mực độ yếu đến vừa. 1.2. Khối siêu mafic Núi Nưa (Thanh Hóa) Khối siêu mafic Núi Nưa là khối lớn nhất trong các thể siêu mafic phân bố dọc theo đứt gãy Sông Mã và cũng là thể xâm nhập siêu mafic lớn nhất Việt Nam. Khối Núi Nưa gồm chủ yếu là các đá apohazburgit, apodunit, ít hơn là apolherzolit và các đai mạch diaba. Các đá apoharburgit, apodunit bị serpentin hóa, talc hóa mạnh mẽ, nhiều nơi trở thành serpentinit và serpentin hiện đang được khai thác ở phía nam khối khu vực xã Tế Lợi (Nông Cống, Thanh Hóa). Apodunit gồm chủ yếu là olivin (85 - 95%) bị serpentin hóa gần hết chỉ còn sót lại phần trung tâm của hạt, một lượng nhỏ orthopyroxen cũng bị biến đổi talc hóa, bastit hóa, khoáng vật quặng chủ yếu là cromit. Apoharburgit gồm olivin (60 - 75%) bị serpentin phần lớn và được thay thế bởi các khoáng vật antigorit, lizardit, đôi khi là các tập hợp sợi ngắn chrysotil; orthopyroxen (10-20%) cũng bị biến đổi mạnh mẽ, khoáng vật phụ gồm cromspinel, các khoáng vật quặng thường gặp là ilmenit và cromit. Trong các đá siêu mafic Núi Nưa rất phổ biến các khoáng vật thứ sinh serpentin và chlorit. Chương 2. Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu 2.1. Cơ sở lý luận 2.1.1. Địa hóa nguyên tố Nickel Nickel có ký hiệu Ni, là một nguyên tố kim loại thuộc nhóm 10 của bảng tuần hoàn, cùng với Pd và Pt. Nguyên tố có số thứ tự nguyên tử là 28, nguyên tử 3
lượng là 59, hai trạng thái oxy hóa (II và III). Theo phân loại địa hóa của Goldshmidt thì nickel thuộc về nhóm các nguyên tố siderophil cùng với Co, Fe, Mo, Pd, Pt,...Nguyên tử nickel có hai cấu hình electron, [Ar]4s23d8 và [Ar]4s13d9, chúng rất gần gũi về mặt năng lượng, tại đó biểu tượng [Ar] đề cập đến cấu trúc nhân giống argon. Tuy nhiên các tài liệu nghiên cứu tính toán nguyên tử đã đưa ra cấu hình trạng thái nền của nickel là 4s13d9. Hành vi địa hóa của nickel: Trong quá trình magma: Bán kính ion của Ni hóa trị II gần gũi với ion Fe(II) và Mg(II) cho phép các nguyên tố này thay thế nhau trong mạng tinh thể của một số silicat và oxyt. Ni dễ dàng thay thế đồng hình cho Mg trong các khoáng vật giàu Mg của manti và phần lớn nằm lại trong phần tàn dư trong quá trình nóng chảy từng phần. Các đá siêu mafic (dunit, peridotit, komatit) thường có hàm lượng Ni cao hơn cả, có thể đạt tới ~4000 ppm; nghèo hơn là nhóm pyroxenit với hàm lượng lớn nhất có thể tới >1500 ppm. Trong các đá nhóm bazơ và tương đương như gabro, basalt hay eclogit hàm lượng Ni không vượt quá 500 ppm. Trong các đá manti hàm lượng Ni cũng khác nhau, điều này là do hàm lượng Ni khác nhau trong thành phần các khoáng vật tạo đá của chúng. Trong các khoáng vật của các đá manti, olivin giàu Ni hơn cả tiếp đến là spinel. Trong các pyroxen thì orthopyroxen có hàm lượng Ni cao hơn so với clinopyroxen. Hành vi này của Ni liên quan với điện tích và bán kinh ion của nó. Trong điều kiện vỏ và manti trên, trạng thái oxy hóa phổ biến nhất của Ni là Ni(II). Bán kinh ion hiệu dụng của Ni(II) phụ thuộc vào số phối vị ([4]Ni, 0,55 Å; [4] Ni vuông, 0,49 Å; [5]Ni, 0,63 Å và [6]Ni, 0,69Å). Sự giống nhau về điện tích và tương tự nhau về bán kinh ion cho phép Ni thay thế đáng kể Mg trong olivin, do đó olivin là khoáng vật mang Ni chính trong các khoáng vật manti. Trong quá trình phong hóa: nickel được giải phóng chủ yếu từ olivin và một phần từ pyroxen và các khoáng vật serpentin. Ni đặc trưng là độ linh động thấp trong các điều kiện trung tính, kiềm. Nó tích tụ ở đáy mặt cắt trong các sản phẩm phong hoá tại chỗ (smectit bắt nguồn từ pyroxen, garnierit lấp đầy khe 4
nứt) và trong các hạt serpentin vẫn chưa bị phong hoá. Trong tầng trên mặt, Ni có liên quan chặt chẽ với các oxid, hydroxyt Mn và Fe, chủ yếu gặp ở các dạng bị hấp phụ bởi geothit. Ni2+ tương đối bền trong nước và có thể di chuyển xa (đặc biệt trong môi trường axit đến gần trung tính) sự kết tủa của nó xảy ra trong môi trường kiềm hơn (pH>9). Ngoài ra Ni2+ được lưu giữ trong các khoáng vật sét (smectit) trong các môi trường thuận lợi. Với sự gia tăng về mức độ phong hoá, nickel tiếp tục bị rửa lũa từ các khoáng vật chứa nickel hình thành trước đó (goethit, smectit, garnierit và các serpentin) và được phân bố lại trong các phyllosilicat mới được tạo thành tại đáy mặt cắt. 2.1.2. Khái niệm về quặng hóa nickel biểu sinh Quặng “Nickel biểu sinh” (“supergene nickel ore) hoặc “nickel laterit” là những thuật ngữ đề cập đến loại hình khoáng sản chứa hàm lượng đạt giá trị công nghiệp của nickel được hình thành trong quá trình phong hóa hóa học và cơ học các đá siêu mafic (peridotit, dunit, serpentinit,…) dưới điều kiện nhiệt đới ẩm kéo dài (J.P. Goligtly, 1981; Charles R. M. Butt, 2013; Peter C. 2017). Quặng nickel biểu sinh được phân thành 3 kiểu dựa vào thành phần khoáng vật chính chứa nickel gồm: Kiểu A (Hydrous Mg silicate deposits): với khoáng vật quặng chủ yếu là hydrat silicat Mg-Ni (garneirite), thường xuất hiện tại phần dưới sâu trong đới saprolit. Đây là loại hình quặng Ni biểu sinh quan trọng nhất vì chúng có hàm lượng Ni cao nhất trong các loại quặng Ni biểu sinh với hàm lượng trung bình 1,53% Ni (Gabriel Aragao Rodrigues Soares và nnk, 2018) trong đó garnierit có thể chứa tới 30% Ni. Kiểu B (Clay silicate deposits): với khoáng vật mang quặng chính là smectit chứa nickel với hàm lượng Ni trung bình khoảng 1% (Gabriel Aragao Rodrigues Soares và nnk, 2018) Kiểu C (Oxide laterite deposits): với các khoáng vật quặng chủ yếu là oxyhydroxides Fe chứa nickel với hàm lượng Ni trung bình trong khoảng 1,1% (Gabriel Aragao Rodrigues Soares và nnk, 2018) 5
Trong ba loại hình quặng nickel biểu sinh kể trên, loại hình kiểu A là loại hình quan trọng và có ý nghĩa nhất bởi hàm lượng nickel cao hơn hẳn các kiểu khác (trong garneirite chứa đến 30% nickel). Thực tế cho thấy hầu hết các tích tụ nickel biểu sinh có cả hai trong ba kiểu quặng kể trên gồm hợp phần loại oxit và silicat Ni-Mg ngậm nước hoặc một hợp phần silicat sét (Brand et al. 1998; Berger et al. 2011). 2.2. Các phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Nhóm phương pháp khảo sát, lấy mẫu ngoài thực địa NCS tiến hành khảo sát thực địa lấy mẫu tại các mặt cắt phong hóa đá siêu mafic khối Hà Trì và khối Phan Thanh (Cao Bằng), khối Núi Nưa (Thanh Hóa). Mẫu được lấy theo từng độ sâu khác nhau trong mỗi mặt cắt phong hóa, tương ứng với các đới phong hóa khác nhau. 2.2.2. Nhóm các phương pháp phân tích + Phương pháp phân tích thạch học bằng kính hiển vi phân cực +Phương pháp Huỳnh quang tia X (XRF) + Phương pháp khối phổ plasma (ICP-MS) + Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) + Phương pháp hiển vi điện tử quét – SEM/EDX + Phương pháp điện tử vi dò EPMA 2.2.2. Phương pháp xử lý số liệu + Phương pháp tính toán cân bằng khối lượng + Phương pháp đánh giá mức độ laterit hóa Chương 3. Đặc điểm phong hóa các đá siêu mafic khối Hà Trì (Cao Bằng), Núi Nưa (Thanh Hóa) và khoáng hóa nickel biểu sinh liên quan 3.1. Đặc điểm phong hóa đá siêu mafic khối Hà Trì (Cao Bằng) và khoáng hóa nickel biểu sinh liên quan 3.1.1. Mặt cắt phong hóa trên đá siêu mafic khối Hà Trì 6
3.1.1.1. Mặt cắt HT-01 Thành phần khoáng vật Tại đới saprolit, chủ yếu là các khoáng vật serpentin, chlorit, talc cùng tỉ lệ ít hơn của olivin, pyroxen, đặc biệt tại độ sâu 8m khá phong phú các khoáng vật niken silicat nhóm garnierit như willemsit [(Ni,Mg)3Si4O10(OH)2], nepouit [(Ni,Mg)3Si2O5(OH)4]. Tại phần ranh giới đới saprolit và limonit, các khoáng vật sét (nontronit, montmorillonit) phong phú hơn, cùng với đó là biểu hiện của các khoáng vật giàu sắt (goethit, hematit). Lên đới limonit, chủ yếu là các khoáng vật giàu sắt như goethit, hematit; serpentin, chlorit, kaolinit chỉ xuất hiện ở phần dưới của đới limonit (gần ranh giới với đới saprolit). Càng gần bề mặt nhóm khoáng vật giàu sắt càng chiếm ưu thế. Thành phần hóa học Kết quả tính toán cân bằng khối lượng cho thấy các nguyên tố nhóm silicat và kiềm (Si, Mg, Ca, Na, K) bị rửa lũa mạnh nhất, các nguyên tố này có xu hướng bị loại bỏ nhiều nhất tại khu vực phía trên của mặt cắt phong hóa (đới limonit) tương ứng với hệ số K = −60,1; -95.90 và -100% đối với các nguyên tố kiềm. Ngoài các nguyên tố bị rửa lũa, mặt cắt HT-01 có sự làm giàu của (Ni, Fe, Co, Mn) trong quá trình phong hóa. Fe được làm giàu lên đến hớn 220% (K= 224.52) tại phần trên cùng của mặt cắt HT01. Co cũng cho thấy hành vi làm giàu rõ rệt tại đới limonit, nơi mà hệ số làm giàu cao nhất đạt hơn 170% (K=173,2). Niken được làm giàu trong toàn bộ hai mặt cắt nghiên cứu, trong đới limonit chúng được làm giàu tối đa đến 136% (K = 136.5); sang đới saprolit Ni được làm giàu thêm và đạt giá trị cực đại tại phần dưới của đới saprolit nơi xuất hiện các mạch khoáng vật nhóm garnierit với hệ số làm giàu cao nhất gần 800% (K = 784.30). 3.1.1.2. Mặt cắt HT-LK90 Thành phần khoáng vật Mặt cắt HT-LK90 tại khu vực phía Bắc của khối Hà Trì cũng có sự biến đổi rõ rệt về thành phần khoáng vật của mặt cắt phong hóa theo chiều sâu gần 7
tương tự mặt cắt HT-01, chỉ có khác biệt là tỷ lệ các khoáng vật nhóm garnierit trong đới saprolit ít hơn khá nhiều so với các mẫu trong mặt cắt HT-01. Thành phần hóa học Kết quả tính toán cân bằng khối lượng cho thấy tại mặt cắt HT-LK90 các nguyên tố nhóm silicat và kiềm (Si, Mg, Ca, Na, K) cũng bị rửa lũa mạnh nhất, cùng với đó là sự làm giàu của (Ni, Fe, Co, Mn) trong quá trình phong hóa. Niken cũng được làm giàu trong toàn bộ mặt cắt, trong đới limonit hệ số làm giàu tương đương với mặt cắt HT-01 với mức làm giàu tối đa khoảng 135% (K=134,4); tuy nhiên sang đới saprolit hệ số làm giàu của Ni thấp hơn sơ với tại mặt cắt HT-01 với hệ số làm giàu cực đại chỉ là 443% (K=443,8), bằng một nửa so với 800% (K = 784.30) tại mặt cắt HT-01, điều này phù hợp với các kết quả thành phần khoáng vật trong mặt cắt HT-LK90 khi mà tỷ lệ có mặt của khoáng vật “garnierit” tại đây ít hơn nhiều so với tại mặt cắt HT-01. 3.1.2. Mức độ laterit hóa ở khối Hà Trì Các kết quả tính toán chỉ số S/SAF và UMIA cho thấy quá trình phong hóa ở các khối Hà Trì (Cao Bằng) thuộc kiểu laterrit hóa và chỉ ở mức yếu đến trung bình. 3.1.3. Khoáng hóa nickel biểu sinh ở khối Hà Trì Kết quả nghiên cứu cho thấy trong mặt cắt phong hóa ở khối Hà Trì tồn tại cả ba kiểu khoáng hóa Ni biểu sinh: kiểu A (silicat Ni-Mg ngậm nước), kiểu B (sét silicat chứa Ni) và kiểu C (oxyt) 3.1.3.1.Khoáng hóa kiểu A (silicat Ni-Mg ngậm nước) Trong các đới phong hóa khối Hà Trì, nhóm khoáng vật đặc trưng cho khoáng hóa loại A là “garnierit” có màu xanh lục đặc trưng xuất hiện dạng lấp đầy hoặc bám dính theo bề mặt các khe nứt phát triển trong các đá siêu mafic bị phong hóa dở dang ở phần giữa của đới saprolit (Ảnh 1). Các khoáng vật nhóm garnierit trong khu vực Cao Bằng gồm ba loại chính là kiểu serpentin, kiểu talc và kiểu chlorit (hình 1). Thành phần hóa học của Garnierit khu vực Hà Trì đặc trưng bởi hàm lượng Ni cao (25,50 - 40,02%), hàm lượng Fe thấp (0,09 - 0,9%) 8
và gần như không chứa Al (
Ảnh 2. Garnierit dưới kính hiển vi điện tử quyét (SEM). (Gar- garnierit) Hình 1. Biểu đồ tương quan tỉ lệ Si-Mg-(Ni+Fe) trong “garnierit” tại khu vực Hà Trì với các trường phân loại theo Brand et al. 1998 3.1.3.2. Khoáng hóa kiểu B (quặng silicat sét) Các khoáng vật sét hình thành trong quá trình phong hóa đá siêu mafic khối Hà Trì bao gồm chủ yếu là nontrolit và montmorillonit. Các khoáng vật sét hình thành bởi quá trình phong hóa các đá siêu mafic khối Hà Trì có khả năng lưu giữ nickel khá tốt (1,06% Ni trong nontrolit và 1,2%Ni trong montmorillonit) và đây là một trong những hình thức làm giàu nickel trong quá trình phong hóa. Tuy nhiên, các khoáng vật sét chứa nickel (nontrolit, montmorillonit) chỉ có mặt tại phần ranh giới đới saprolit và đới limonit, bề dày chỉ từ 1 đến 2m. Điều này cho thấy mặc dù khả năng lưu giữ nickel là khá tốt, nhưng tại đới phong hóa khối Hà Trì khoáng hóa nickel biểu sinh kiểu B chỉ chiếm một phần khá nhỏ so với kiểu A và kiểu C. 10
Ảnh 3. Các khoáng vật sét smectit khu vực Hà Trì dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) 3.1.3.3. Khoáng hóa kiểu C (kiểu oxit) Khoáng hóa nickel biểu sinh kiểu C (kiểu oxit) đặc trưng bởi các khoáng vật quặng chủ yếu là oxyhydroxides Fe chứa nickel, cụ thể là goethit chứa nikel. Tại các mặt cắt phong hóa khối Hà Trì, goethit là khoáng vật khá phổ biến trong đới limonit, chúng có thể quan sát bằng mắt thường tại phần phía trên của mặt cắt với các tích tụ màu nâu đỏ. Kết quả phân tích thành phần goethit tại đới phong hóa đá siêu mafic khối Hà Trì cho thấy hàm lượng nickel trung bình trong goethit là 1,03% , mặc dù đây là mức hàm lượng không quá cao nhưng cho thấy khả năng goethit lưu giữ nickel là khá tốt, lý giải cho việc làm giàu nickel trong toàn đới limonit tại các mặt cắt khu vực Hà Trì như đã trình bày trong các phần trước. Với đới limonit có độ dày tương đối lớn (từ 4 đến 6 m) tại khối Hà Trì cùng hàm lượng nickel trung bình trong toàn bộ đới limonit tại các mặt cắt khoảng 0,58% cho thấy tiềm năng của loại hình khoáng hóa nickel kiểu C (quặng loại oxit) là khá lớn. 3.2. Đặc điểm phong hóa đá siêu mafic hối Núi Nưa (Thanh Hóa) và khoáng hóa nickel biểu sinh liên quan 3.2.1. Mặt cắt phong hóa trên đá siêu mafic khối Núi Nưa 3.2.1.1. Mặt cắt NN-01 (phát triển trên đá gốc là hazbugit) Thành phần khoáng vật 11
Có sự biến đổi rõ rệt về thành phần khoáng vật theo chiều sâu mặt cắt NN-01. Đới saprolit, đặc trưng bởi các khoáng vật serpentin, chlorit, talc và sự có mặt của khoáng vật garnierit - nepouit [(Ni,Mg)3Si2O5(OH)4] tại độ sâu 7-8m. Các khoáng vật sét (nontronit, saponit) có mặt tại phần ranh giới của đới limonit và saprolit. Đới limonit chủ yếu là các khoáng vật giàu sắt như goethit, hematit; Thành phần hóa học Kết quả cho thấy tại mặt cắt NN-01 các nguyên tố nhóm silicat và kiềm (Si, Mg, Ca, Na, K) cũng bị rửa lũa mạnh nhất, cùng với đó là sự làm giàu của (Ni, Fe, Co, Mn) trong quá trình phong hóa. Ni cho thấy sự hành vi có những nét khá tương đồng với tại các mặt cắt tại khu vực Hà Trì (Cao Bằng), tuy nhiên sự làm giàu nickel trong mặt cắt này tập trung chủ yếu từ phần đới saprolit giữa lên phía trên đới limonit thay vì tập trung chủ yếu tại phần đới saprolit dưới như tại các mặt khu vực Hà Trì (Cao Bằng). Tại đây giá trị làm giàu nickel cực đại (1,02%) cũng thấp hơn khá nhiều so với tại mặt cắt khu vực Hà Trì (3,02%). Sự khác biệt này là do các khoáng vật giàu nickel nhất là “garnierit” không phổ biến tại đây, thay vào đó là sự phổ biến của các khoáng vật sét chứa nickel (nontronit, saponit) tại phần đới saprolit trên cho đến phần giữa đới limonit. 3.2.1.2. Mặt cắt NN-03 (phát triển trên đá gốc là dunit) Thành phần khoáng vật Đới saprolit, vẫn đặc trưng bởi các khoáng vật chrysotil, chlorit, talc, tuy nhiên không có mặt các khoáng vật garnierit. Các khoáng vật sét (nontronit, saponit) có mặt tại phần ranh giới của đới limonit và saprolit với tỷ lệ ít hơn so với mặt cắt NN-01. Đới limonit đặc trưng bởi các khoáng vật giàu sắt như goethit, hematit. Thành phần hóa học Các nguyên tố nhóm silicat và kiềm (Si, Mg, Ca, Na, K) cũng là những nguyên tố bị rửa lũa mạnh nhất, bên cạnh đó có sự làm giàu của (Ni, Fe, Co, Mn) trong quá trình phong hóa. Tuy nhiên, Ni thể hiện hành vi tương đối khác so với tại mặt cắt NN-01 và các mặt cắt tại khu vực Hà Trì (Cao Bằng) khi mà 12
gia tăng hàm lượng chủ yếu từ khu vực ranh giới của hai đới limonit và saprolit nơi có mặt khá phổ biến các khoáng vật sét (nontronit, saponit) lên phía trên (nơi phổ biến khoáng vật goethit) thay vì tại đới saprolit nơi có mặt các khoáng vật nhóm “garnierit” như tại khu vực Hà Trì (Cao Bằng) 3.2.2. Mức độ laterit hóa ở khối Núi Nưa Các kết quả tính toán chỉ số S/SAF và UMIA cho thấy quá trình phong hóa ở các khối Núi Nưa (Thanh Hóa) thuộc kiểu laterrit hóa và chỉ ở mức yếu đến trung bình, giống với tại khu vực Hà Trì (Cao Bằng). 3.2.3. Khoáng hóa nickel biểu sinh ở khối Núi Nưa 3.2.3.1. Khoáng hóa kiểu A (silicat Ni-Mg ngậm nước) Tại khối Núi Nưa, khoáng vật nhóm “garnierit” chỉ phát hiện được tại mặt cắt NN-01 phát triển trên đá gốc hazbugit, tuy nhiên chúng chỉ có mặt hàm lượng nhỏ tại khoảng độ sâu không lớn từ 8,5 - 9 m trong mặt cắt phong hóa và rất khó để phân biệt bằng mắt thường, chúng chỉ được phát hiện bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Tương ứng với độ sâu có mặt khoáng vật garnierit, hàm lượng nickel nằm trong khoảng từ 0,52 đến 1,02%, đây là mức khá thấp so với mặt cắt khoáng hóa kiểu A tại Hà Trì, Cao Bằng (1,25-3,01% Ni), khẳng định tính nghèo garnierit của đới. 3.2.3.2. Khoáng hóa kiểu B (quặng silicat sét) Tại đới phong hóa đá siêu mafic khối Núi Nưa, các khoáng vật sét chứa nickel bao gồm nontrolit và saponit, thay vì nontrolit và montmorillonit như tại các mặt cắt phong hóa khu vực Cao Bằng. Nontrolit có hàm lượng NiO trung bình là 1,44%, cao hơn khá nhiều trong nontrolit khu vực Hà Trì (1,06%), đây là mức hàm lượng nickel khá cao trong vật sét chứa nickel. Saponit có hàm lượng NiO thấp hơn so với nontrolit với hàm lượng trung bình 1,38%. Từ đó cho thấy các khoáng vật sét hình thành trong quá trình phong hóa các đá siêu mafic khối Núi Nưa có khả năng lưu giữ nickel rất tốt và đây là hình thức làm giàu nickel chính tại đới phong hóa đá siêu mafic khối Núi Nưa. 13
Ảnh 4. Khoáng vật sét khu vực Núi Nưa dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) Trong hai mặt cắt NN-01 và NN-03, các khoáng vật sét chứa nickel có tỷ lệ lớn hơn tại mặt cắt NN-01 phát triển trên đá gốc hazbugit, tại đây chúng có mặt trong khoảng độ lớn từ 7m lên đến 3m tương ứng với mức hàm lượng nickel từ 0,66 – 0,73% trong mặt cắt. Trong khi đó tại mặt cắt NN-03 phát triển trên đá gốc là dunit, các khoáng vật sét chỉ có mặt tại độ sâu từ 3-4m tương ứng với mức hàm lượng nickel chỉ từ 0,53-0.56% trong mặt cắt. Từ đó cho thấy khoáng hóa nickel biểu sinh kiểu B (silicat sét) có biểu hiện rõ nét hơn tại đới phong hóa phát triển trên đá gốc là hazbugit với mức hàm lượng nickel từ 0,66 – 0,73% trong khoảng độ sâu từ 7-3m trong vỏ phong hóa. Có thể nói, khoáng hóa nickel biểu sinh kiểu B là tiềm năng nhất tại đây. 3.2.3.3. Khoáng hóa kiểu C (loại oxit) Kết quả phân tích thành phần hóa học cho thấy goethit khu vực Núi Nưa có hàm lượng nickel trung bình là 2,07% cao hơn rất nhiều hàm lượng nickel trong goethit tại khu vực Hà Trì, Cao Bằng (1,03%). Với mức hàm lượng nickel này, goethit tại khối Núi Nưa cho thấy khả năng lưu giữ nickel là rất tốt, phù hợp với việc làm giàu nickel trong toàn đới limonit tại các mặt cắt như đã trình bày trong các phần trước. Mặc dù trong cả hai mặt cắt NN-01 và NN-03 khu vực Núi Nưa đều có sự làm giàu nickel tại đới limonit, nơi có mặt rất phổ biến khoáng vật geothit, tuy 14
nhiên hàm lượng nickel trung bình trong từng mặt cắt lại khác nhau. Tại mặt cắt NN-01, hàm lượng nickel trung bình trong toàn bộ đới limonit là 0,53% trong khi đó tại mặt cắt NN-03 phát triển trên đá gốc là dunit hàm lượng Ni trung bình trong đới limonit là 0,64%. Điều này cho thấy quá trình rửa lũa nickel từ đới limonit trong mặt cắt NN-01 tốt hơn tại mặt cắt NN-03, từ đó nickel tại mặt cắt NN-01 di chuyển xuống dưới tốt hơn và làm giàu trong các pha khoáng vật sét và garnierit tại các phần sâu hơn trong mặt cắt. Do quá trình rửa lũa nickel từ đới limonit tại mặt cắt NN-03 ít hơn, nên đới này giàu nickel hơn và có triển vọng hơn về loại hình khoáng hóa nickel biểu sinh kiểu C (loại oxit). Chương 4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thành tạo quặng hóa nickel biểu sinh và triển vọng của chúng tại miền Bắc Việt Nam 4.1. Điều kiện thành tạo nickel biểu sinh tại các khu vực nghiên cứu 4.1.1. Nguồn cung cấp nickel cho quá trình làm giàu biểu sinh a. Olivin Olivin là khoáng vật silicat chính với tỷ lệ từ 55 đến 70% trong đá gốc lherzolit chưa bị phong hóa khu vực Hà Trì (Cao Bằng) và 50-59% trong hazbugit, 85-95% trong dunit khu vực khối Núi Nưa (Thanh Hóa). Thành phần NiO trong olivin tại khối Hà Trì khá cao từ 0.25-0.42% (trung bình 0.31%), tại khối Núi Nưa từ 0.22-0.33% (trung bình 0.27%). Trong quá trình phong hóa, olivin được coi là khoáng vật kém bền nhất và bị biến đổi bằng các phản ứng 4.1 (Freyssinet et al. 2005) và 4.2 (Julie L. Baumeister, 2012): (FeMg1-x)2SiO4 + 4x H2O = H4SiO4 +2xFeOOH + (2-2x)Mg2+ +2xe-+(6x-4)H+ (4.1) Olivine Goethite (Mg,Ni)2SiO4 + 4H2CO3 = 2Mg2+ + 2 Ni2+ + H4SiO4 + 4HCO3- (4.2) Olivin giàu Ni Đây là các phản ứng biến đổi olivin và giải phóng các nguyên tố Mg cùng Ni vào dung dịch phong hóa để từ đó quá trình làm giàu nickel khi phong hóa 15
tiếp tục phát triển. Với hàm lượng Ni khá cao trong olivin tại các khu vực nghiên cứu (trung bình 0.31% NiO tại Hà Trì và 0.27% NiO tại Núi Nưa) cho thấy đây là nguồn cung cấp chính cho quá trình làm giàu nickel trong quá trình phong hóa tại các khu vực này. b. Serpentin Tại hai khu vực nghiên cứu, serpentin cũng là khoáng vật phổ biến trong đá gốc khối Hà Trì và Núi Nưa, chúng là sản phẩm chính của quá trình serpentin hóa, phân bố xung quanh hoặc thay thế dần các hạt olivin tạo thành cấu trúc dạng mắt lưới đặc trưng. Serpentin là khoáng vật khá bền vững trong quá trình phong hóa, do đó ở giai đoạn đầu tiên của quá trình phong hóa nickel không được huy động từ serpentin như từ olivin, tuy nhiên với hàm lượng nickel sẵn có (trung bình 0.17% tại Hà Trì và 0.23% tại Núi Nưa) serpentin sẽ càng giàu nickel hơn khi nickel trong dung dịch phong hóa thay thế cho Mg trong cấu trúc của serpentin tại các giai đoạn tiếp theo, giai đoạn hình thành khoáng vật “garnierit” kiểu serpentin. c. Các khoáng vật sulfid nickel Các khoáng vật sulfid chứa nickel chỉ có mặt tại khối siêu mafic Hà Trì (Cao Bằng), gồm chủ yếu là violarit - (Ni,Fe)3S4 và một lượng nhỏ pentlandit - (Ni,Fe)9S8 . Tuy nhiên việc cung cấp nickel cho quá trình làm giàu biểu sinh từ các xâm tán sulphua nickel này là không đáng kể và được minh chứng bằng hầu hết các mỏ nickel biểu sinh lớn trên thế giới như tại New Caledonia, Philippine, Indonesia, Australia,…đều thành tạo từ quá trình phong hóa silicat trong siêu mafic mà không hề liên quan đến các tích tụ sulfid nickel. 4.1.2. Quá trình thành tạo nickel biểu sinh tại khối siêu mafic Hà Trì Có thể tóm tắt quá trình thành tạo quặng Ni biểu sinh ở khu vực Hà Trì như sau (hình 2): 1. Ban đầu các khoáng vật kém bền vững, trước hết là olivin, sau đó là orthopyroxen và clinopyroxen bị phong hóa với sự hòa tan và mang đi của Si, Mg, các nguyên tố kiềm, giải phóng Ni vào dung dịch phong hóa đồng thời kết 16
tủa các khoáng vật vật Fe (goethit). Ni được hấp phụ hoặc thay thế đồng hình cho Fe trong goethit tạo nên quặng hóa kiểu C (kiểu oxyt) 2. Khi quá trình phong hóa tiếp tục, goethit hình thành ở phần trên bị hòa tan và tái kết tủa cùng với sự giải phóng Ni vào dung dịch phong hóa. Ni được giải phóng trong quá trình hòa tan goethit cùng với Ni tự do trong dung dịch phong hóa di chuyển xuống dưới nhờ độ lỗ rỗng cao và các khe nứt. Tại phần ranh giới giữa đới limonit phía trên và saprolit ở dưới nó được hấp phụ bởi các khoáng vật sét nontronit và montmorilonit phổ biến ở đây tạo thành quặng hóa kiểu B (kiểu sét). 3. Tiếp theo, dung dịch chứa Ni nhờ "dòng chảy thuận lợi" lưu thông theo các khe nứt hoặc các vi đứt gãy trong đới saprolit hình thành nên garnierit dưới dạng bám dính hoặc lấp đầy các khe nứt tạo nên quặng hóa kiểu A (kiểu silicat). Hình 2. Mô hình thành tạo nickel biểu sinh khu vực Hà Trì (phỏng theo Wei Fua et al, 2018) 4.1.3. Quá trình thành tạo nickel biểu sinh ở Núi Nưa 17
Trong mặt cắt NN-01 phát triển trên đá gốc là hazbugit bị serpentin hóa rất mạnh, cơ chế hình thành nickel biểu sinh khá tương đồng với các mặt cắt tại khu vực Hà Trì phát triển trên đá gốc là lherzolit bị serpentin hóa ở mức độ vừa phải. Tuy nhiên, khác với khu vực Hà Trì, sự xuất hiện của các khoáng vật garnierit ở đây rất hạn chế và vai trò của quặng hóa kiểu A cũng không lớn. Tại mặt cắt phong hóa NN-03 phát triển trên đá gốc là dunit bị serpentin hóa rất mạnh, chỉ quan sát được quặng hóa kiểu B và C, hoàn toàn vắng mặt kiểu A. Ở đây, trong đới limonit Ni được làm giàu theo cơ chế hấp phụ hoặc thay thế cho Fe trong goethit tạo nên quặng hóa kiều C. Hàm lượng Ni trong goethit đạt tới 2,07%, còn hàm lượng Ni cho toàn đới limonit dao động trong khoảng 0,43 đến 0,66%. Ở ranh giới giữa đới limonit và saprolit phát triển quặng hóa kiểu B với sự làm giàu Ni theo cơ chế hấp phụ bởi các khoáng vật sét chủ yếu là nontronit và saponit. Hàm lượng Ni trong các khoáng vật sét đạt tới 1,4%, còn hàm lượng Ni cho phần này của mặt cắt là 0,55%. 4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thành tạo quặng hóa nickel biểu sinh Laterit hóa các đá siêu mafic và thành tạo quặng hóa nickel biểu sinh được khống chế bởi rất nhiều quá trình và điều kiện khác nhau cả về tính chất và quy mô. Do đó, mặt cắt phong hóa ở các địa điểm khác nhau là rất khác nhau về chi tiết như: độ dày, thành phần khoáng vật, thành phần hóa học và cả sự phát triển của từng đới riêng lẻ trong mặt cắt. Có nơi phát triển đầy đủ các đới điển hình của mặt cắt phong hóa, có nơi lại vắng mặt một hoặc một vài đới trong đó. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến phong hóa hóa học và sự hình thành nickel biểu sinh gồm: - Khí hậu: khí hậu quyết định lượng mưa và từ đó chi phối lượng nước đi qua đất ảnh hưởng đến cường độ rửa lũa và mang đi các hợp phần hòa tan. Bên cạnh lượng mưa, hiệu quả của nước mưa (lượng nước thấm xuống qua mặt cắt thay vì chảy tràn) rất quan trọng. Ngoài ra nhiệt độ trung bình của đất đá gần với nhiệt độ trung bình của không khí trên bề mặt làm tăng động lực của các quá 18