Đánh giá khả năng ứng dụng của bentonit khu vực cố định-Thanh Hóa trong công nghiệp mỹ phẩm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
**********




Nguyễn Thị Huyền Trang



ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA BENTONIT
KHU VỰC CỔ ĐỊNH - THANH HÓA
TRONG CÔNG NGHIỆP MỸ PHẨM




LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC






Hà Nội - Năm 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
**********

Nguyễn Thị Huyền Trang

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA BENTONIT
KHU VỰC CỔ ĐỊNH - THANH HÓA
TRONG CÔNG NGHIỆP MỸ PHẨM
Chuyên ngành: Địa chất học
Mã ngành: 60440201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Hoàng Thị Minh Thảo




Hà Nội – 2014



LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của tôi tới ngƣời đã hƣớng dẫn và giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, tôi muốn cảm ơn Cô vì Cô là ngƣời
tạo ý tƣởng và sự hiểu biết trong khoa học đặc biệt về khoáng vật sét, Cô là tấm
gƣơng sáng cho tôi về sự đam mê và phấn đấu không ngừng trong công việc cũng
nhƣ trong cuộc sống.
Tôi xin gửi lời cám ơn tới các Thầy Cô trong Khoa Địa chất - Trƣờng Đại
học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN cùng các đồng nghiệp phòng Khoáng sản

Kim loại - Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản đã giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình hoàn thành luận văn. Không những vậy tôi còn nhận đƣợc sự quan tâm tạo
điều kiện thuận lợi rất lớn từ Lãnh đạo Khoa Địa chất Trƣờng Đại học Khoa học
Tự nhiên, Lãnh đạo Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản và các phòng ban
chức năng. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới sự giúp đỡ quý
báu đó.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, những
ngƣời thân đã luôn ở bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi học tập, làm việc và
hoàn thành luận văn.


Hà Nội, ngày 04 tháng 03 năm 2014
Học viên
Nguyễn Thị Huyền Trang

i
MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH iii
DANH MỤC CÁC BẢNG iii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv
LỜI MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ NHÂN VĂN 3
1.1. Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu 3
1.2. Đặc điểm địa lý tự nhiên 4
1.2.1. Địa hình 4
1.2.2. Mạng sông suối 4
1.2.3. Khí hậu 4
1.3. Đặc điểm kinh tế nhân văn 5
1.4. Giao thông vận tải 5

Chƣơng 2: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU 6
2.1. Địa tầng 6
2.2. Thành tạo magma xâm nhập 11
2.3. Khoáng sản 11
Chƣơng 3: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13
3.1. Khái quát về bentonit 13
3.1.1. Cấu trúc khoáng vật sét 13
3.1.2. Tính chất 14
3.1.3. Ứng dụng 15
3.1.4. Nguồn gốc thành tạo 16
3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 16
3.2.1. Phương pháp nghiên cứu thực địa 16
3.2.2. Phương pháp huỳnh quang tia X (XRF) 17

ii
3.2.3. Phương pháp nhiễu xạ Roentgen (XRD) 17
3.2.4. Phương pháp khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS) 18
3.2.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 18
Chƣơng 4: ĐẶC ĐIỂM BENTONIT KHU VỰC CỔ ĐỊNH THANH HÓA .20
4.1. Đặc điểm thành phần hóa học 20
4.2. Đặc điểm thành phần khoáng vật 22
Chƣơng 5: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG BENTONIT CỔ ĐỊNH
TRONG CÔNG NGHIỆP MỸ PHẨM 33
5.1. Yêu cầu, chỉ tiêu của bentonit ứng dụng trong công nghiệp
mỹ phẩm ………………………………………………………………………33
5.2. Khả năng ứng dụng trong công nghiệp mỹ phẩm của bentonit
Cổ Định 35
KẾT LUẬN 38
TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

iii
DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1: Vị trí địa lý vùng Cổ Định – Thanh Hóa
Hình 2: Sơ đồ địa chất vùng Cổ Định – Thanh Hóa
Hình 3: Cấu trúc tinh thể của smectit
Hình 4: Khu vực khai thác và bentonit vùng Cổ Định
Hình 5: Kết quả phƣơng pháp XRD bentonit Cổ Định
Hình 6: Giản đồ XRD của bentonit Cổ Định so sánh với bentonit Wyoming
Hình 7: Hình ảnh TEM của bentonit Cổ Định
Hình 8: Nhiễu xạ electron của bentonit Cổ Định

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Thành phần hóa học (%) của bentonit Cổ Định so sánh với
bentonit Garfield và Wyoming
Bảng 2: Kết quả phân tích ICP-MS
Bảng 3: Thành phần khoáng vật (% khối lƣợng) của mẫu tổng và mẫu
kích thƣớc <2µm của bentonit Cổ Định đƣợc xác định từ kết quả
của phƣơng pháp XRD với phần mềm BGMN-Rietveld
Bảng 4: Công thức khoáng vật của các pha khoáng vật của bentonit Cổ
Định đƣợc xác định bởi phƣơng pháp phân tích TEM-EDX
Bảng 5: Công thức khoáng vật của bentonit Garfield và Wyoming đƣợc xác
định bởi phƣơng pháp phân tích TEM-EDX
Bảng 6: Chỉ tiêu sử dụng bentonit trong công nghiệp mỹ phẩm

iv

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Các chữ viết tắt
Tên đầy đủ
XRD
X-ray diffraction – Nhiễu xạ tia Roentgen
XRF
X-ray fluorescence – Huỳnh quang tia Roentgen
TEM
Transmission electron microscopy – Kính hiển vi điện tử truyền qua
EDX
Energy dispersive X-ray – Hệ năng lƣợng tán xạ tia Roentgen
IS- ml
Illite/ smectite mixed-layer – Khoáng vật sét lớp xen illit/smectit
diVS- ml
Dioctahedral vermiculite/ smectite mixed-layer – Khoáng vật sét
lớp xen di-vermiculit/smectit (smectit/vermiculit bát diện đôi)
Fe-diVS-ml
Fe-rich dioctahedral vermiculit/ smectit mixed- layer – Khoáng vật
sét lớp xen di-vermiculit/smectit-Fe (giàu Fe)
Al-diVS-ml
Al-rich dioctahedral vermiculit/ smectit mixed-layer – Khoáng vật
sét lớp xen di-vermiculit/smectit-Al (giàu Al)

1
LỜI MỞ ĐẦU

Bentonit đã đƣợc biết đến và sử dụng từ lâu do nó có nhiều tính chất đặc
biệt, chẳng hạn diện tích bề mặt rất lớn và khả năng trƣơng nở cao. Bentonit
đƣợc sử dụng trong các lĩnh vực chính sau:
- Làm vật liệu tẩy, lọc trong nhiều ngành công nghiệp hóa học nhƣ: lọc

dầu, hóa dầu, dƣợc phẩm, thực phẩm, dệt nhuộm, chất tẩy rửa…
- Chất kết dính, khuôn đúc trong công nghiệp luyện kim.
- Vật liệu cô lập chất thải phóng xạ, xử lý kim loại nặng độc hại trong
nƣớc và xử lý nƣớc thải ở các vùng công nghiệp, chống ô nhiễm môi trƣờng.
- Phụ gia trong các ngành công nghiệp cao su, giấy, thuốc trừ sâu, phân
bón sinh hóa, sơn, gốm sứ, làm dung dịch khoan sâu.
- Làm chất xúc tác; chất mang xúc tác trong các phản ứng tổng hợp và
oxy hoá hoàn toàn các chất hữu cơ.
- Trong công nghiệp mỹ phẩm, dƣợc phẩm.
Do các khoáng vật sét thƣờng có kích thƣớc vô cùng nhỏ và sự hạn chế
về thiết bị nghiên cứu trƣớc đây, bentonit ở Việt Nam nói chung cũng nhƣ
bentonit ở Cổ Định (Thanh Hóa) nói riêng chƣa đƣợc nghiên cứu chi tiết về cấu
trúc, thành phần khoáng vật để nâng cao khả năng ứng dụng. Với nhận định sơ
lƣợc ban đầu về thành phần vật chất, bentonit Cổ Định có những đặc điểm rất
đặc biệt do hàm lƣợng sắt rất cao. Bentonit với hàm lƣợng sắt cao cũng đã đƣợc
đề cập đến trong nghiên cứu của Hoàng Thị Minh Thảo và nnk (2008, 2011) về
khả năng ứng dụng trong mỹ phẩm để chống tia cực tím. Với nhận định sơ bộ
trên, để tìm hiểu sâu hơn về ứng dụng của bentonit, tôi đã chọn đề tài: “Đánh
giá khả năng ứng dụng của bentonit khu vực Cổ Định - Thanh Hóa trong công
nghiệp mỹ phẩm”.

2
Mục tiêu của luận văn là: Đánh giá khả năng ứng dụng của bentonit khu
vực Cổ Định - Thanh Hóa trong công nghiệp mỹ phẩm.
Trên cơ sở mục tiêu đặt ra, nhiệm vụ chính của luận văn là tập trung
nghiên cứu về đặc điểm hóa học, khoáng vật để từ đó đối sánh với các chỉ tiêu
trong công nghiệp mỹ phẩm, đánh giá khả năng ứng dụng.
Bố cục của luận văn bao gồm:
MỞ ĐẦU
Chƣơng 1 - ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ NHÂN VĂN

Chƣơng 2 - ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU
Chƣơng 3 - CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chƣơng 4 - ĐẶC ĐIỂM BENTONIT KHU VỰC CỔ ĐỊNH - THANH HÓA
Chƣơng 5 - ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG BENTONIT CỔ
ĐỊNH TRONG CÔNG NGHIỆP MỸ PHẨM
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO




3
Chƣơng 1
ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ NHÂN VĂN
1.1. Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu
Vùng Cổ Định cách thành phố Thanh Hóa khoảng 20km về phía Tây
Nam, thuộc địa phận của ba huyện Nông Cống, Triệu Sơn và Nhƣ Xuân (Hình
1). Có tọa độ địa lý:
105°30’ đến 105°47’ kinh độ đông
19°34’ đến 19°49’ vĩ độ bắc
Vùng nghiên cứu có diện tích khoảng 10km
2
với chiều dài 17km theo
phƣơng tây bắc, chiều rộng từ 4 đến 6km.


Hình 1: Vị trí địa lý vùng Cổ Định – Thanh Hóa

4
1.2. Đặc điểm địa lý tự nhiên

1.2.1. Địa hình
Trong vùng Cổ Định, núi cao nhất là Núi Nƣa với đỉnh cao nhất 472m, có
xu hƣớng thấp dần từ phía Tây Bắc về phía Nam. Nhìn chung núi bị phân cắt
mạnh tạo nên những bậc địa hình khá rõ rệt. Hàng loạt nhánh núi, khe rãnh,
thung lũng làm địa hình càng phức tạp hơn. Bao quanh Núi Nƣa về phía Tây
Bắc, Tây Nam và một ít ở Đông Nam là những dãy đồi thấp hoặc lẻ tẻ có những
đồi sót nằm giữa đồng bằng ven núi.
1.2.2. Mạng sông suối
Trong vùng Cổ Định mạng lƣới sông suối phát triển khá mạnh. Các sông
lớn là sông Mực và sông Nhà Lê. Hai con sông này đều chịu ảnh hƣởng của
thủy triều, mùa mƣa thƣờng gây ra bão lụt. Còn các suối hầu hết là suối nhỏ và
suối cạn. Những suối này đều bắt nguồn từ sƣờn của Núi Nƣa và đổ vào các
thung lũng ở phía Đông Bắc và Tây Nam của núi. Suối thƣờng ngắn và thẳng,
có độ dốc khá lớn. Lƣợng nƣớc suối thay đổi theo mùa. Mùa khô lƣợng nƣớc rất
nhỏ và ở thƣợng lƣu nhiều suối hầu nhƣ không có nƣớc. Mùa mƣa lƣợng nƣớc
thƣờng lớn, khi mƣa to nƣớc suối dâng lên rất nhanh có thể gây ra lũ. Các suối
phát triển ở sƣờn Đông Bắc núi Nƣa hầu hết đều đổ vào vùng hồ và đầm lầy tạo
thành tuyến kéo dài sát chân Núi Nƣa.
1.2.3. Khí hậu
Vùng Cổ Định có chế độ nhiệt đới gió mùa, có nhiệt độ và độ ẩm cao.
Ngoài ra, vùng còn chịu ảnh hƣởng của gió Lào tạo thành khí hậu khô nóng.
Nhìn chung trong một năm khí hậu của vùng có thể chia ra hai mùa rõ rệt.
Mùa mƣa: từ tháng 5 đến tháng 11, lƣợng mƣa tập trung trong các tháng
8, 9, 10 thƣờng gây ra lũ lụt. Lƣợng mƣa trung bình hàng năm từ 421 đến
1057mm, lớn nhất tới 2778mm, nhỏ nhất 72 đến 528mm. Nhiệt độ tƣơng đối
cao, trung bình từ 25 đến 30°C, có khi lên tới 41°C.

5
Mùa khô: từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau. Mùa này ít mƣa và thƣờng
mƣa nhỏ, mƣa phùn hay có mây mù, nhiệt độ thấp, trung bình 15 đến 17°C đôi

khi xuống tới 5°C.

1.3. Đặc điểm kinh tế nhân văn
Kinh tế trong vùng kém phát triển, chủ yếu là nền kinh tế nông - lâm
nghiệp, khai thác khoáng sản trái phép.
Dân cƣ đa số là ngƣời Kinh, ngoài ra còn có ngƣời Mƣờng, Thái sống rải
rác ở các thung lũng phía Tây Núi Nƣa. Nghề sống chính của dân ở đây là làm
ruộng, rẫy, săn bắn và các nghề rừng. Đời sống vật chất của ngƣời dân nói
chung là nghèo, trình độ dân trí còn thấp.

1.4. Giao thông vận tải
Nhìn chung việc đi lại trong vùng khá thuận tiện. Ở phía Tây và phía Tây
Bắc Núi Nƣa, mặc dù địa hình có hiểm trở hơn song đƣờng xá cũng đƣợc mở
mang và phát triển.
Đƣờng bộ: từ vùng nghiên cứu có thể đi tới ga Thanh Hoá, và các thị
trấn, huyện lỵ trong vùng bằng ô tô. Các đƣờng ô tô đƣợc rải đá và một số nơi
đƣợc rải nhựa.
Đƣờng xe lửa: từ vùng nghiên cứu ra ga Thanh Hoá khoảng 30km gặp
tuyến đƣờng sắt Bắc Nam có khả năng vận chuyển rất tốt.

6
Chƣơng 2
ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU
2.1. Địa tầng
Hệ tầng Sông Mã (
2
sm)
Hệ tầng do Trần Văn Trị, Phạm Kim Ngân xác lập năm 1977. Các đá của
hệ tầng Sông Mã lộ thành dải hẹp kéo dài phƣơng Tây Bắc - Đông Nam, có
thành phần chủ yếu là đá phiến thạch anh - sericit - chlorit, đá phiến thạch anh -

felspat - sericit - chlorit, đá phiến thạch anh - sericit màu xám, xám xanh phân
lớp mỏng xen cát kết dạng quarzit và ít đá vôi phân dải, đá vôi hoa hoá. Tổng
chiều dày của hệ tầng là 630m.

Hình 2: Sơ đồ địa chất vùng Cổ Định – Thanh Hóa

7
Hệ tầng Hàm Rồng (
3
- O
1
hr)
Hệ tầng Hàm Rồng đƣợc coi nhƣ tƣơng ứng với khối lƣợng hệ tầng trầm
tích Cambri thƣợng do Saurin (1956), Dovjikov và nnk (1965) đã mô tả. Trong
phạm vi vùng nghiên cứu, hệ tầng này phân bố rải rác ở Hà Trung và Tây Nam
Núi Nƣa.
Phần dƣới: cát kết, bột kết dạng flysh xen kẹp đá vôi phân lớp màu xám
đen hoặc màu hồng, đôi khi xen sét vôi màu xám vàng với chiều dày là 200 -
250m. Phần trên: đá vôi phân lớp dạng dải, đôi khi bị hoa hoá, quarzit hạt mịn
sáng màu chuyển lên cát kết xen ít đá phiến chiều dày là 300 - 350m.
Hệ tầng Hàm Rồng nằm chỉnh hợp trên hệ tầng Sông Mã (
2
sm) và cũng
chỉnh hợp dƣới hệ tầng Đông Sơn (O
1
đs). Trên cơ sở hoá thạch và quan hệ địa
tầng, hệ tầng đƣợc coi là có tuổi Cambri muộn - Ordovic sớm.

Hệ tầng Nậm Pìa (D
1

np)
Hệ tầng Nậm Pìa đƣợc xác lập trên cơ sở mặt cắt Devon hạ đặc trƣng,
quan sát đƣợc ở Nậm Pìa (Bùi Phú Mỹ và nnk, 1971). Hệ tầng này phân bố rải
rác trên diện tích hẹp ở Đông Sơn, Kim Sơn, Thanh Xá, Viên Sơn.
Hệ tầng đƣợc chia thành hai phần. Phần dƣới gồm đá phiến sét vôi chứa
silic màu xám nhạt xen ít đá vôi hạt nhỏ màu đen. Phần trên gồm đá phiến màu
đen, phân lớp mỏng xen cát kết dạng quarzit màu xám sáng phân lớp trung bình.
Chiều dày chung của hệ tầng khoảng 150 - 200m.
Với sự có mặt của những hoá thạch Tay cuộn, hệ tầng Nậm Pìa đƣợc xếp
vào loạt trầm tích cơ sở của mặt cắt Devon hạ của vùng.

Hệ tầng Bản Cải (D
3
bc)
Hệ tầng Bản Cải do Nguyễn Xuân Bao (1969) xác lập theo mặt cắt ở
thƣợng nguồn sông Mua (hạ lƣu sông Đà). Khi hiệu đính loạt tờ bản đồ địa chất

8
Tây Bắc Bắc Bộ, hệ tầng đƣợc xếp vào Givet - Frasni. Nhƣng gần đây việc phát
hiện những hoá thạch Răng nón và Trùng lỗ giúp đối sánh với đá vôi vân đỏ
thuộc hệ tầng Tốc Tát (Đông Bắc Bộ) và xác định chính xác tuổi Devon muộn
cho hệ tầng Bản Cải.
Trong khu vực nghiên cứu, hệ tầng đƣợc đặc trƣng bởi các đá phiến sét
silic, đá vôi sét, vôi silic và đá vôi, dày 100 - 200m, lộ ra trên diện tích nhỏ ở
Chòm Thƣợng, Mả Chinh (bắc Bái Thƣợng), núi Quyết Thắng gần Hàm Rồng.
Ở đây Tạ Hoà Phƣơng phát hiện đƣợc hoá thạch Răng nón tuổi Devon muộn.

Hệ tầng Bắc Sơn (C - P bs)
Hệ tầng Bắc Sơn do Phan Cự Tiến (1980) mô tả trên cơ sở loạt Bắc Sơn
của Nguyễn Văn Liêm (1968) ở miền Đông Bắc Bộ, bao gồm một hệ tầng đá vôi

dày có tuổi từ Carbon sớm đến Permi muộn.
Trong khu vực nghiên cứu, hệ tầng Bắc Sơn phân bố rải rác, lân cận thị
xã Thanh Hoá và vùng Bái Thƣợng. Do hệ tầng lộ không liên tục nên không
quan sát đƣợc mặt cắt đầy đủ của nó. Mặt cắt từ Chợ Nƣa về ga Yên Thái gồm 3
tập. Tập 1: silic màu xám đen phân lớp mỏng (3 - 10cm), bột kết màu tím.
Chiều dày của tập là 50m. Tập 2: đá vôi xám phân lớp dày (0,7 - 1m) xen với
silic màu phớt hồng, chứa San hô. Chiều dày của tập là 125m. Tập 3: đá vôi
xám đen, xám sáng, phân lớp dày, có chỗ phân lớp mỏng, chứa Trùng lỗ. Chiều
dày của tập là 250m. Chiều dày chung của hệ tầng đạt tới 425m.
Hệ tầng Bắc Sơn phủ không chỉnh hợp lên hệ tầng Bản Cải và bị phun
trào mafic của hệ tầng Cẩm Thuỷ phủ lên. Dựa vào các mức hoá thạch đã đƣợc
phát hiện, tuổi chung của hệ tầng đƣợc xác định là Carbon - Permi.

Hệ tầng Yên Duyệt (P
2
yd)
Hệ tầng do Phan Cự Tiến xác lập trên cơ sở những tài liệu hiệu đính loạt
tờ bản đồ địa chất Tây Bắc Bộ và những tài liệu đo vẽ tờ bản đồ địa chất Ninh

9
Bình. Diện phân bố của hệ tầng thƣờng gắn liền với hệ tầng Cẩm Thuỷ nằm
dƣới, lộ ra ở Bái Thƣợng và quanh thành phố Thanh Hoá.
Thành phần của hệ tầng gồm: đá vôi màu xám đen, phân lớp dày, đá
phiến sét vôi, cát kết hạt trung màu xám xanh, sét kết chứa than màu nâu gụ, cát
kết, sét kết màu xám đen… Chiều dày chung của hệ tầng 150m.
Hệ tầng Yên Duyệt nằm chỉnh hợp trên hệ tầng Cẩm Thuỷ và có quan hệ
kiến tạo với hệ tầng Cò Nòi (T
1
cn) nằm trên.
Hệ tầng Đồng Trầu (T

2
a đt)
Hệ tầng Đồng Trầu do Jamoida và Mareichev xác lập năm 1965. Hệ tầng
này phân bố rộng rãi ở phía Tây Nam của đứt gãy Sông Mã, chiếm hầu hết diện
tích đới Sầm Nƣa. Dựa trên đặc điểm thạch học có thể chia mặt cắt làm 2 phân
hệ tầng:
Phân hệ tầng dưới (T
2
a đt
1
) phân bố thành nhiều dải có phƣơng chung
Tây Bắc - Đông Nam. Phần dƣới của mặt cắt lộ ra khá đầy đủ trên đƣờng 15C,
đoạn từ Núi Khê ra Đồng Cao, từ dƣới lên có 4 tập.
Tập 1: chủ yếu là cát kết tuf chứa ít cuội thạch anh, phần trên có một ít
lớp mỏng cát kết. Chiều dày của tập là 120m.
Tập 2: cát kết tuf, phần dƣới xen vài lớp mỏng màu đen, phần trên xen ít
lớp silic. Chiều dày của tập là 500m.
Tập 3: cuội kết, sạn kết, cát kết, ít lớp mỏng bột kết màu xám, chứa di
tích thực vật bảo tồn xấu. Chiều dày của tập là 200m.
Tập 4: cát kết thạch anh - feldspart chứa mica hạt vừa, hạt nhỏ xen các
lớp cát bột kết chứa hoá thạch bảo tồn xấu. Chiều dày của tập là 250m.
Trên đoạn Đồng Hông - Bát Văn cũng của đƣờng 15C lộ tiếp phần trên
của phân hệ tầng từ tập 5 đến tập 8:
Tập 5: cát bột kết phân lớp mỏng xen cát kết hạt nhỏ đến vừa, dày 200m.

10
Tập 6: cát bột kết xen các lớp mỏng cát kết hạt nhỏ, cát bột kết chứa vật
chất than. Tập này dày 600-700m.
Tập 7: cát bột kết xen đá phiến sét màu xám. Tập này dày 400m.
Tập 8: cát bột kết và đá phiến sét xám xi măng, xám vàng. Tập này dày

200m.
Bề dày tổng cộng của phân hệ tầng dƣới ở các mặt cắt này khoảng 2000 – 2100m.
Hệ tầng Đồng Trầu phủ không chỉnh phợp trên các trầm tích cổ hơn và
nằm chỉnh hợp dƣới hệ tầng Quy Lăng, nhƣng trong phạm vi tờ Thanh Hoá
không quan sát đƣợc các quan hệ trực tiếp. Tuổi Anisi của hệ tầng đƣợc xác
định dựa vào hoá thạch đã thu thập đƣợc, nhất là Cúc đá.

Hệ tầng Yên Châu (K
2
yc)
Hệ tầng Yên Châu đƣợc Nguyễn Xuân Bao và Từ Lê xác lập năm 1964.
Trong phạm vi vùng nghiên cứu, hệ tầng này phân bố rải rác ở Quảng Xƣơng,
Nông Cống.
Hệ tầng đƣợc chia thành hai tập. Tập 1: cuội kết, tảng kết, xen cát kết
màu đỏ, phân lớp dày 0,5 - 2m. Đá phân lớp xiên thô, thế nằm thoải. Thành
phần cuội là thạch anh, cát kết, silic, đá vôi, ximăng là cát kết, bột kết màu đỏ.
Chiều dày của tập là 50m. Tập 2: cát kết hạt thô, hạt vừa xen cuội kết, sạn kết
màu đỏ. Chiều dày của tập là 150m. Bề dày chung của mặt cắt này là 200m.
Các trầm tích của hệ tầng Yên Châu phủ không chỉnh hợp trên các trầm
tích cổ thuộc hệ tầng Sông Mã (
2
sm). Việc đối sánh mặt cắt này với hệ tầng
Yên Châu tuổi Creta muộn hoàn toàn mang tính giả thiết, chủ yếu dựa vào
tƣớng màu đỏ và thế nằm thoải của đá.




11
2.2. Thành tạo magma xâm nhập

Thành tạo xâm nhập trong khu vực nghiên cứu là phức hệ Núi Nƣa
(σPZ
1
nn)
Phức hệ Núi Nưa (σPZ
1
nn)
Khối Núi Nƣa đƣợc chọn làm khối chuẩn của phức hệ nằm ở phía Tây
Nam thành phố Thanh Hoá, diện tích 50km
2
kéo dài theo phƣơng đứt gãy Sông
Mã (phƣơng Tây Bắc - Đông Nam). Khối có dạng elip, bị chia cắt bởi các đứt
gãy phƣơng á kinh tuyến. Thành phần đá của khối chủ yếu là harburgit, đunit bị
serpentin hoá mạnh. Xuyên cắt qua khối Núi Nƣa và đá vây quanh là các đai
mạch diabas.
Dọc rìa phía Đông khối Núi Nƣa có mỏ sa khoáng cromit Cổ Định và các
mạch ổ của magnetit nằm trong các đá siêu mafic là quặng hoá liên quan đến
phức hệ.
Phức hệ Núi Nƣa đƣợc xếp vào Paleozoi sớm bởi lẽ các đá khối Núi Nƣa
và trầm tích Paleozoi hạ vây quanh đều bị biến chất đến tƣớng đá phiến lục.

2.3. Khoáng sản
Trong khu vực nghiên cứu khoáng sản liên quan chủ yếu là crom.
Hiện đã phát hiện đƣợc hai mỏ sa khoáng cromit: Cổ Định, Bãi Áng và
hai điểm quặng cromit gốc: Núi Nƣa, Làng Mun (hàm lƣợng Cr
2
O
3
thấp).
Hai mỏ sa khoáng cromit phân bố trong các thung lũng mỏ Cổ Định và

mỏ Bãi Áng. Mỗi thung lũng có diện tích 2 - 5km
2
, gồm nhiều lớp trầm tích bở
rời. Các thung lũng thƣờng có từ 2 đến 3 lớp chứa quặng dày 1 - 7m với hàm
lƣợng Cr
2
O
3
từ trên 1% đến 7%. Ngoài Cr, trong thân quặng hoặc trong một số
lớp trầm tích bở rời còn có Co, Ni với hàm lƣợng khá cao. Tại mỏ Cồ Định,
hàm lƣợng Ni = 0.84 - 0.638%; Co = 0,035 - 0,59%. Cromit tinh quặng có thành
phần (%) Cr
2
O
3
= 47,2 - 51,54; Al
2
O
3
= 11,63 - 12,91; Fe
2
O
3
= 0,86 - 4,8; FeO =

12
18,55 - 19.04; MgO = 8,33 - 14,36; TiO
2
= 0,28 -,62; Co = 0,037 - 0,054.
Hai mỏ sa khoáng cromit đều có quy mô lớn với trữ lƣợng 1 triệu đến

trên 2 triệu tấn Cr
2
O
3.
Mỏ Cổ Định đã đƣợc khai thác trong nhiều năm và hiện
vẫn đang đƣợc khai thác.


13
Chƣơng 3
CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Khái quát về bentonit
Bentonit (hay sét bentonit) là một loại sét có thành phần chủ yếu là các
khoáng vật sét nhóm smectit (montmorillonit, beidellit, nontronit, saponit,
hectorit…) và có thể bao gồm các khoáng vật sét khác nhƣ illit, di-vermiculit, biotit,
kaolinit, chlorit… cũng nhƣ các loại sét lớp xen nhƣ illit/smectit, di-
vermiculit/smectit, chlorit/saponit…, các khoáng vật phụ nhƣ thạch anh, rutil,
felspat… Các khoáng vật nhóm smectit có độ mịn cao, diện tích bề mặt lớn, khả
năng trƣơng nở cao, khả năng hấp phụ tốt và có độ nhớt rất lớn.

3.1.1. Cấu trúc khoáng vật sét
Bentonit đƣợc tạo nên từ những khoáng vật sét (thuộc lớp silicat lớp) có
cấu trúc mạng tinh thể gồm các lớp đặc trƣng: lớp tứ diện (T), lớp bát diện (O)
và có thể có lớp xen giữa (I). Nhóm smectit có cấu tạo một đơn vị cấu trúc bao
gồm hai lớp tứ diện (lớp dƣới và lớp trên), một lớp bát diện (kẹp giữa hai lớp tứ
diện nói trên) và lớp xen giữa sắp xếp theo thứ tự I-T-O-T-I-T-O-T (hình 3).
Thành phần của lớp tứ diện là T
4
O
4

trong đó T chủ yếu là Si
4+
, thƣờng bao gồm cả
Al
3+
và đôi khi là Fe
3+
, Be
4+
thay thế đồng hình cho Si
4+
. Lớp bát diện thƣờng có
tâm là các cation Al
3+
, Fe
3+
, Fe
2+
, Mg
2+
, Ti
4+
, Mn
2+
(hoặc có thể là ô trống) và các
đỉnh là O, OH, F, đôi khi là Cl, S. Lớp xen giữa bao gồm các cation nhƣ Na
+
,
Ca
2+

, Mg
2+
, K
+
, H
2
O … Các cation lớp xen giữa có thể ngậm nƣớc.
Sự thay thế không cân bằng về hóa học gây ra điện tích bề mặt âm ở bề
mặt lớp của khoáng vật sét nhóm smectit. Sự thiếu hụt về điện tích sẽ đƣợc cân
bằng bởi sự hấp thụ các cation ở lớp xen giữa. Tổng các cation của lớp xen giữa
phụ thuộc vào hóa trị và điện tích của chúng. Các khoáng vật sét nhóm smectit
có điện tích lớp xen giữa thấp thay đổi từ 0-0.6.

14

Hình 3: Cấu trúc tinh thể của smectit

3.1.2. Tính chất
Bentonit có những tính chất đặc trƣng sau:
- Tính trƣơng nở: khi bentonit hấp thụ hơi nƣớc hay tiếp xúc với nƣớc,
các phân tử nƣớc sẽ xâm nhập vào lớp xen giữa, làm khoảng cách một đơn vị
cấu trúc tăng lên từ 12,5 Å đến 20 Å tùy thuộc vào loại bentonit và lƣợng nƣớc
bị hấp thụ. Sự trƣơng nở phụ thuộc vào bản chất khoáng vật sét, cation trao đổi,
sự thay thế đồng hình trong môi trƣờng phân tán. Lƣợng nƣớc hấp thụ vào giữa
các lớp phụ thuộc vào khả năng hydrat hóa của các cation.
- Khả năng trao đổi ion: đặc trƣng cơ bản của bentonit là trao đổi ion,
tính chất này là do sự thay thế đồng hình cation: số oxi hóa và bán kính ion của

15
cation lớp xen giữa và cation trong môi trƣờng trao đổi. Xét về bán kính ion, đối

với lớp xen giữa, K
+
còn đƣợc gọi là “cation cố định” trong khi đó các cation
khác đƣợc gọi là “cation có thể trao đổi”. Khả năng trao đổi ion phụ thuộc vào
lƣợng điện tích âm bề mặt và số lƣợng ion trao đổi. Nếu lƣợng điện tích âm
càng lớn, số lƣợng cation trao đổi càng lớn thì dung lƣợng trao đổi ion càng lớn.
- Tính hấp thụ/hấp phụ: đƣợc quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu
trúc lớp. Do smectit có cấu trúc tinh thể và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốp
và bề mặt riêng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hƣởng đến tính chất hấp phụ của các chất,
đặc trƣng của nó là tính chọn lọc chất bị hấp phụ. Chỉ có phân tử nào có đƣờng
kính đủ nhỏ so với lỗ xốp thì mới có thể đi vào cấu trúc smectit. Dựa vào khả
năng này ngƣời ta có thể hoạt hóa sao cho có thể dùng bentonit làm vật liệu tách
chất, đây là điểm khác giữa bentonit và các chất hấp phụ khác.

3.1.3. Ứng dụng
Smectit là nhóm khoáng vật có kích thƣớc hạt rất nhỏ với diện tích bề
mặt cực kỳ lớn (thƣờng trên 600 m
2
/g), khả năng trƣơng nở rất cao, khả năng
hấp thu rất lớn, khả năng trao đổi ion từ trung bình đến lớn, độ dẻo cao, tính lƣu
biến cao, độ thấm cực thấp. Với những tính chất đặc biệt này, bentonit đƣợc ứng
dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó cần kể đến là sản xuất dung
dịch khoan, chất bịt kín, chất cô lập, khuôn đúc, chất viên quặng, ổ nuôi gia súc,
thức ăn gia súc, thuốc tẩy, chất tẩy rửa, chất xúc tác, xi măng, gốm sứ, sáp màu,
chất khử mùi, chất khử màu, chất ổn định nhũ tƣơng, chất trợ cho huyền phù,
chất mang phân bón, chất hấp phụ dầu công nghiệp, chất xử lý nƣớc thải, chất
độn cho cao su, chất độn cho chất dẻo và sơn, chất độn và chất phủ cho giấy, vật
liệu xây dựng, mỹ phẩm, dƣợc phẩm, và các loại vật liệu tổng hợp nhƣ sét hữu
cơ và vật liệu tổng hợp nano sét.
Hiện nay, bentonit trên thế giới đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều

ngành công nghiệp và đời sống nhƣ dung dịch bùn khoan, khuôn đúc, phân bón,

16
ổ nuôi gia súc… Đặc biệt, bentonit là một nguyên liệu quan trọng trong ngành
công nghiệp mỹ phẩm, trong đó bentonit có thể sử dụng làm chất độn hoặc chất
hoạt động [23, 24].

3.1.4. Nguồn gốc thành tạo
Bentonit có thể đƣợc thành tạo từ nhiều kiểu nguồn gốc khác nhau nhƣ
trầm tích, phong hóa Bentonit Cổ Định đƣợc cho là thành tạo trong quá trình
phong hóa các đá siêu mafic - phức hệ Núi Nƣa.

3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
3.2.1. Phương pháp nghiên cứu thực địa




Hình 4. Khu vực khai thác và bentonit vùng Cổ Định
(a) Bentonit từ bãi thải khai thác cromit; (b) Các phần sét hình thành từ quá trình
phong hóa với những màu khác nhau; (c) Lớp dày bentonit Cổ Định; (d) Lớp
bentonit Cổ Định khi bị khô trên bề mặt

17
Mẫu sử dụng trong luận văn chủ yếu đƣợc lấy từ thung lũng Cổ Định.
Bentonit lắng đọng thành những lớp dày, đồng đều và có màu vàng nâu.
Bentonit mềm, dẻo và dính (hình 4c); khi khô, lớp bentonit có nhiều vết nứt trên
bề mặt (hình 4d). Ngoài ra, nghiên cứu thực địa còn khảo sát bentonit tại bãi
thải khai thác cromit (hình 4a) và sự biến đổi, hình thành bentonit từ đá gốc
(hình 4b).

3.2.2. Phương pháp huỳnh quang tia X (XRF)
Phƣơng pháp XRF đƣợc sử dụng nhằm nghiên cứu thành phần hóa học
của mẫu bằng cách dùng các hạt năng lƣợng cao bắn vào mẫu cần phân tích.
Mẫu đƣợc nghiền <40 µm và đƣợc sấy khô ở 40
0
C. Phân tích sử dụng
bƣớc sóng tán sắc phổ tia X Phillips PW 2404 với dòng điện 10 mA và điện thế
20 kV.
Kết quả của phƣơng pháp XRF chỉ ra đặc trƣng thành phần hóa học của
vật liệu, với ƣu điểm phân tích đƣợc số lƣợng lớn các nguyên tố hóa học chính (Si,
Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P) trong đá và trầm tích.

3.2.3. Phương pháp nhiễu xạ Roentgen (XRD)
Phƣơng pháp XRD nhằm xác định các khoáng vật có mặt trong mẫu phân
tích dựa trên hiện tƣợng nhiễu xạ của tia Roentgen đối với các tinh thể. Khi
chiếu chùm tia X (tia Roentgen) có bƣớc sóng  tƣơng tác với vật chất có cấu
trúc tinh thể thì sẽ xảy ra hiện tƣợng nhiễu xạ theo điều kiện giao thoa (theo
định luật Wulf - Bragg):
n  = 2dSin
Trong đó: n - Bậc phản xạ (số nguyên)
- Bƣớc sóng tia Roentgen (A
0
)
d - Khoảng cách mặt mạng
 - Góc tạo bởi mặt mạng với tia tới hay tia phản xạ (góc nhiễu xạ)

18
Các khoáng vật khác nhau khi phân tích sẽ thu đƣợc các tổ hợp đỉnh
nhiễu xạ (peak) đặc trƣng khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc của khoáng vật và

đặc trƣng cho mỗi khoáng vật. Nhƣ vậy, tuy mỗi tinh thể có một lƣợng vô hạn
các hệ mặt mạng song số lƣợng các tia phản xạ và cƣờng độ của chúng bị giới
hạn bởi điều kiện phản xạ Wulf - Bragg.
Phƣơng pháp nhiễu xạ Roentgen có hiệu quả rất cao đối với việc xác định
các khoáng vật sét, ứng dụng để nghiên cứu, xác định pha khoáng vật (định tính
và định lƣợng).
Nghiên cứu sử dụng thiết bị Siemens D5000 X-ray. Mẫu sử dụng là mẫu
bột không định hƣớng, đƣợc sấy khô khoảng 30
o
C và nghiền đều với kích thƣớc
<63 µm.

3.2.4. Phương pháp khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS)
Phân tích ICP-MS dùng để xác định các nguyên tố vô cơ, dựa trên
nguyên tắc ghi đo phổ theo khối lƣợng (m/z), cho phép phân tích hơn 70 nguyên
tố từ Li đến U và có thể xác định đồng thời chúng với độ nhạy và độ chọn lọc
rất cao (giới hạn phát hiện từ ppb-ppm đối với tất cả các nguyên tố).

3.2.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Kính hiển vi điện tử truyền qua là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc, sử
dụng chùm điện tử có năng lƣợng cao chiếu xuyên qua mẫu và sử dụng các thấu
kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra
trên màn huỳnh quang, trên film quang học, hay ghi nhận bằng máy chụp kỹ
thuật số. Trong TEM, điện tử đƣợc sử dụng thay cho ánh sáng (trong kính hiển
vi quang học). TEM kết nối với hệ thống phân tích hóa học bằng năng lƣợng tán
xạ tia X còn cho phép phân tích thành phần hóa học của một diện tích vật chất
rất nhỏ.
Mẫu sét đƣợc chuẩn bị với phần các hạt tƣơng đối <2 μm, đƣợc pha loãng