Nghiên cứu quá trình biến đổi ngắn hạn của sét núi nưa, thanh hóa nhằm đánh giá khả năng cô lập chất thải phóng xạ

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

LÝ THÙY DƢƠNG

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NGẮN HẠN
CỦA SÉT NÚI NƢA, THANH HÓA
NHẰM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CÔ LẬP CHẤT THẢI PHÓNG XẠ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - 2018


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

LÝ THÙY DƢƠNG

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NGẮN HẠN
CỦA SÉT NÚI NƢA, THANH HÓA
NHẰM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CÔ LẬP CHẤT THẢI PHÓNG XẠ

Ngành học: Khoáng vật học và địa hóa học
Mã ngành học: 60440205

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. HOÀNG THỊ MINH THẢO

Hà Nội - 2018


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
============
GIẤY XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
của học viên cao học Lý Thùy Dương
Tên tôi là: Lý Thùy Dương, tác giả của luận văn với Ďề tài: “Nghiên cứu quá
trình biến Ďổi ngắn hạn của sét Núi Nưa, Thanh Hóa nhằm Ďánh giá khả năng cô lập
chất thải phóng xạ.” Ďã Ďược bảo vệ trước Hội Ďồng chấm luận văn thạc sĩ tại
trường Đại học Khoa học Tự nhiên ngày tháng

năm 2018.

Theo góp ý của 2 phản biện và Hội Ďồng, tôi xin bổ sung và chỉnh sửa các nội
dung sau:
- Chuẩn hóa thuật ngữ khoa học, các phương trình hóa học
- Rút gọn phần kết luận, bổ sung mục tiêu và nội dung nghiên cứu.
- Gộp chương 2 và chương 3 thành một chương.
- Sửa các lỗi chính tả và chế bản trong luận văn.
Tôi xin trân trọng Ďề nghị Hội Ďồng xác nhận việc tôi chỉnh sửa, cho phép tôi
Ďược làm thủ tục xin cấp bằng Thạc sĩ khoa học.
Hà Nội, ngày tháng

năm 2018

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

HỌC VIÊN CAO HỌC

(Ký và ghi rõ học tên)

(Ký và ghi rõ học tên)

PGS.TS. Hoàng Thị Minh Thảo

Lý Thùy Dƣơng

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
(Ký và ghi rõ học tên)

PGS.TS. Nguyễn Ngọc Khôi


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Ďề tài luận văn thạc sĩ này, bên cạnh sự cố gắng của bản thân
còn có sự giúp Ďỡ của Quý thầy cô, gia Ďình và bạn bè trong suốt thời gian học viên
học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ này.
Lời Ďầu tiên, học viên xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc Ďến
PGS.TS. Hoàng Thị Minh Thảo, người trực tiếp hướng dẫn và tận tình giải Ďáp
những thắc mắc trong quá trình học viên thực hiện và hoàn thành luận văn.
Tiếp Ďến, học viên xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn Ďến người thân trong
gia Ďình. Tình yêu, sự hỗ trợ vô Ďiều kiện cùng một niềm tin tuyệt Ďối từ phía gia
Ďình là nguồn Ďộng lực to lớn Ďể học viên hoàn thành luận văn này.
Bên cạnh Ďó, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS. Phạm Thị Nga,

CN. Nguyễn Thị Ninh, ThS. Nguyễn Thị Hòa và CN. Lê Hoàng Yến cũng như bạn
bè Ďã luôn nhiệt tình giúp Ďỡ, Ďộng viên và cho tôi những lời khuyên bổ ích trong
suốt thời gian qua.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc Ďến toàn thể Quý thầy cô trong
khoa Địa chất và phòng khoa Sau Ďại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-Đại
học Quốc gia Hà Nội Ďã truyền Ďạt những kiến thức quý báu cũng như tạo những
Ďiều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

Học viên

Lý Thùy Dƣơng


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI VÀ ĐỊA CHẤT .....2
KHU VỰC NÚI NƢA, THANH HÓA.....................................................................2
1.1. Đ c Ďiểm tự nhiên, kinh tế xã hội......................................................................2
1.2. Đ c Ďiểm Ďịa chất ..............................................................................................2
1.2.1. Địa tầng.................................................................................................4
1.2.2. Các thể magma xâm nhập .....................................................................5
1.2.3. Kiến tạo .................................................................................................6
CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ QÚA TRÌNH BIẾN ĐỔI KHOÁNG VẬT SÉT
VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................................................................7
2.1. Tổng quan tài liệu nghiên cứu về sét và khoáng vật sét ....................................7

2.1.1. Kaolinit..................................................................................................8
2.1.2. Smectit ...................................................................................................9
2.1.3. Vermiculit ............................................................................................11
2.1.4. Chlorit .................................................................................................12
2.1.5. Khoáng vật sét lớp xen ........................................................................13
2.1.6. Các khoáng vật sét khác .....................................................................14
2.2. Tổng quan về quá trình biến Ďổi các khoáng vật sét .......................................14
2.3. Mẫu nghiên cứu ...............................................................................................16
2.4. Các phương pháp nghiên cứu ..........................................................................17
2.4.1. Phương pháp huỳnh quang tia X (XRF) .............................................17
2.4.2. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) ..........................................................18
2.4.3. Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR) ...........................19

i


2.4.4. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM-EDX) ......................................20
CHƢƠNG 3. ĐẶC ĐIỂM MẪU SÉT KHU VỰC NÚI NƢA, THANH HÓA ..21
3.1. Đ c Ďiểm thành phần hóa học .........................................................................21
3.2. Đ c Ďiểm khoáng vật học ................................................................................23
CHƢƠNG 4. QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI KHOÁNG VẬT SÉT NÚI NƢA .........44
4.1. Các yếu tố tác Ďộng Ďến quá trình biến Ďổi khoáng vật trong Ďá serpentinit ..44
4.1.1. Yếu tố khí hậu......................................................................................44
4.1.2. Yếu tố đá gốc .......................................................................................45
4.1.3. Yếu tố sinh học: thảm thực vật và vật chất hữu cơ .............................45
4.1.4. Yếu tố thời gian ...................................................................................46
4.1.5. Yếu tố địa hình ....................................................................................46
4.2. Quá trình biến Ďổi khoáng vật sét và Ď c Ďiểm m t cắt Ďới saprolit ở khu vực
Núi Nưa ...........................................................................................................46
4.2.1. Quá trình biến đổi khoáng vật sét Núi Nưa ........................................46

4.2.2. Đặc điểm mặt cắt đới saprolit ở khu vực Núi Nưa .............................52
4.3. Dự Ďoán quá trình biến Ďổi và Ďánh giá khả năng cô lập của sét Núi Nưa khi
xây dựng bồn chứa ho c vách ngăn chất thải phóng xạ ..................................53
4.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ......................................................................53
4.3.2. Ảnh hưởng của nước ngầm .................................................................55
4.3.3. Ảnh hưởng của thành phần hóa học khoáng vật sét ...........................55
KẾT LUẬN ..............................................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................59
PHỤ LỤC .................................................................................................................71

ii


CHỮ VIẾT TẮT

D

Khoảng cách giữa các lớp trong các m t tinh thể của khoáng vật

di-smectit

Smectit có cấu trúc bát diện Ďôi

diVS-ml

Khoáng sét lớp xen di-vermicullit-smectit

EDX

Tán xạ năng lượng tia X

FTIR

Quang phổ hồng ngoại chuyển Ďổi Fourier

IS-ml

Khoáng sét lớp xen illit/smectit

tri-smectit

Smectit có cấu trúc bát diện ba

XRD

Nhiễu xạ tia Roentgen

XRF

Huỳnh quang tia X

TEM

Kính hiển vi Ďiện tử truyền qua

TEM-EDX

Kính hiển vi Ďiện tử truyền qua kết hợp với hệ thống tán xạ năng
lượng tia X

λ

Bước sóng (cm-1)

iii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Sơ Ďồ Ďịa chất khối Núi Nưa (Lê Duy Bách và Đ ng Trần Quân, 1995) .....3
Hình 2: Cấu trúc và hình dạng khoáng vật kaolinit (dạng booklet) (Grim, 1962;
Meunier, 2005) ............................................................................................................8
Hình 3: Cấu trúc và hình thái của montmorillonit (Grim, 1962; Meunier, 2005) ...10
Hình 4: Cấu trúc khoáng vật Mg-vermiculit (Mathieson, 1958) .............................11
Hình 5: Cấu trúc khoáng vật chlorit (Grim, 1962) ...................................................12
Hình 6: Cấu tạo khoáng vật sét lớp xen sắp xếp ngẫu nhiên (random
interstratification) và sắp xếp có quy luật (regular interstratification) (Brigatti et al.,
2013). A, B là các lớp cấu trúc. .................................................................................13
Hình 7: M t cắt Ďới saprolit khu vực Bãi Áng với 3 lớp lấy mẫu: A: Lớp trên cùng,
B: Lớp giữa, C: Lớp dưới ..........................................................................................16
Hình 8: Quy trình chuẩn bị mẫu cho phân tích XRF (IAEA, 1997) ........................18
Hình 9: Giản Ďồ phổ XRD mẫu BA 2.1 ...................................................................25
Hình 10: Giản Ďồ phổ XRD mẫu BA 2.2 .................................................................26
Hình 11: Giản Ďồ phổ XRD mẫu BA 2.3 .................................................................27
Hình 12: Giản Ďồ phổ FTIR của 3 mẫu sét Núi Nưa ...............................................29
Hình 13: Giản Ďồ phổ FTIR của 3 mẫu sét Núi Nưa trong dải phổ từ 750-950 cm-1
...................................................................................................................................31
Hình 14: Giản Ďồ phổ FTIR của 3 mẫu sét Núi Nưa trong dải phổ từ 3000-3800cm-1
...................................................................................................................................31
Hình 15: Ảnh TEM của sét Núi Nưa........................................................................37

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Thành phần hóa học của sét Núi Nưa và Ďá chưa bị phong hóa .................22
Bảng 2: Tỉ lệ (%) các pha khoáng vật xuất hiện trong từng mẫu .............................24
Bảng 3: Giá trị λ (cm-1) ứng với các Ďỉnh phổ FTIR của 3 mẫu sét khu vực Núi Nưa
...................................................................................................................................34
Bảng 4: Tỉ lệ các pha khoáng vật xuất hiện trong mẫu sét Núi Nưa (%) .................37
Bảng 5: Công thức hóa học trung bình các pha khoáng vật sét trong 3 mẫu sét Núi
Nưa Ďược xác Ďịnh bởi phân tích TEM-EDX ...........................................................40
Bảng 6: Tỉ lệ lớp cấu trúc smectit trong khoáng vật sét lớp xen (%) .......................42

v


MỞ ĐẦU
Một thực trạng Ďáng báo Ďộng hiện nay là tình trạng ô nhiễm môi trường
nghiêm trọng từ việc sử dụng không kiểm soát các loại vật liệu tiềm ẩn khả năng
sinh ra các chất Ďộc hại gây nguy hại tới môi trường và sức khỏe con người. Các
chất gây ô nhiễm phát sinh từ các loại chất thải như chất thải sinh hoạt, chất thải y
tế, chất thải công nghiệp. Đ c biệt là các chất phóng xạ sinh ra trong quá trình khai
thác radi, urani. Do Ďó, việc nghiên cứu Ďể tìm ra một loại vật liệu tự nhiên có
khăng năng cô lập chất thải phóng xạ, có thể kết hợp với các loại vật liệu nhân tạo
khác, thân thiện với môi trường và con người là rất cấp thiết.
Sét và khoáng vật sét Ďược biết là một loại vật liệu Ďáp ứng Ďược những yêu
cầu trên. Loại vật liệu này Ďược ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như sản
xuất thuốc chữa bệnh, mỹ phẩm, Ďồ gốm và cả việc xây dựng vách ngăn cô lập chất
thải phóng xạ. Trong số các loại sét và khoáng vật sét thông dụng thì bentonit
(smectit) là Ďối tượng Ďược nghiên cứu và ứng dụng phổ biến nhất trong việc cô lập

chất thải phóng xạ bởi vì những Ď c tính tự nhiên như khả năng hấp thụ và khả năng
tự hàn gắn. Từ những Ďiểm nêu trên, luận văn này hướng tới nghiên cứu những Ď c
Ďiểm của sét và khoáng vật sét Ďể kiểm nghiệm những ưu Ďiểm của vật liệu này
trước khi ứng dụng vào xây dựng vách ngăn cô lập chất thải phóng xạ.
Thành phần hóa học, khoáng vật học của sét cũng như các Ď c tính tự nhiên
của khoáng vật sét sẽ Ďược nghiên cứu trong luận văn này. Không chỉ vậy, luận văn
còn hướng tới luận giải quá trình biến Ďổi của các khoáng vật sét trong tự nhiên và
xem xét sự tương tác giữa các yếu tố môi trường với sét Ďể khai thác thêm thông tin
về khả năng cô lập chất thải phóng xạ. Từ Ďó, Ďưa ra những dự Ďoán về quá trình
biến Ďổi của Ďối tượng này cùng sự tương tác với các loại vật liệu khác khi làm vách
ngăn chứa chất thải phóng xạ.

1


CHƢƠNG 1. ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI VÀ ĐỊA CHẤT
KHU VỰC NÚI NƢA, THANH HÓA

1.1.

Đ c điểm tự nhiên, kinh tế xã hội
Về m t Ďịa hình, khối Núi Nưa nằm trong khoảng tọa Ďộ 105o32’-105o40’

kinh Ďộ Đông, 19o40’-19o45’ vỹ Ďộ Bắc thuộc phẩn tây nam của Ďới Ďứt gãy sâu
Sông Mã. Khốí có chiều rộng 1-7 km và kéo dài khoảng 17 km theo hướng tây bắc Ďông nam, nằm trong Ďịa phận của ba huyện: huyện Triệu Sơn (ở phía Ďông bắc),
huyện Nông Cống (ở phía Ďông nam), và huyện Như Thanh (ở phía tây) của tỉnh
Thanh Hóa. Đây là một dãy núi Ďộc lập có các ngọn núi cao khoảng 300 Ďến trên
500 m, Ďược cho là bắt nguồn từ dải Trường Sơn chạy theo hướng Tây Bắc - Đông
Nam và thấp dần về phía Ďông nam.
Về m t khí hậu, khu vực này có khí hậu nhiệt Ďới gió mùa ẩm, mưa nhiều tạo

Ďiều kiện thuận lợi cho quá trình phong hóa diễn ra mạnh mẽ.
Núi Nưa hay Ďược gọi là núi ngàn Nưa, thuộc khu quần thể khu di tích bao
gồm "Núi Nưa - Đền Nưa - Am Tiên" (Thanh Tuấn, 2017). Những năm gần Ďây
khu vực này Ďã Ďầu tư tôn tạo, chỉnh trang các di tích, làm Ďường giao thông, tạo
Ďiều kiện thuận lợi cho du khách thập phương Ďến tham quan và thực hiện tín
ngưỡng.
1.2.

Đ c điểm địa chất
Khu vực nghiên cứu Ďược bao phủ bởi các thành tạo trầm tích có tuổi từ

Neoproterozoi Ďến Mezozoi với diện lộ thường hẹp kéo dài theo phương Ďông bắc –
tây nam. Cho Ďến ngày nay, phần lớn chúng bị phủ bởi trầm tích Đệ tứ (hình 1).

2


Hình 1: Sơ Ďồ Ďịa chất khối Núi Nưa (Lê Duy Bách và Đ ng Trần Quân, 1995)
3


1.2.1. Địa tầng
Hệ tầng cổ nhất xuất hiện ở khu vực Núi Nưa là hệ tầng Sông Mã (Ԑ2 sm)
phân bố ở phía tây nam Núi Nưa. Hệ tầng này gồm trầm tích lục nguyên xen ít
carbonat với trật tự Ďịa tầng và bề dày khá ổn Ďịnh, lộ ra thành 2 dải hướng tây bắcĎông nam. Hệ tầng này nằm chỉnh hợp dưới với hệ tầng Hàm Rồng (Trần Văn Trị
và Vũ Khúc, 2009).
Hệ tầng Hàm Rồng (Ԑ3 – O1 hr) phân bố ở phía tây nam Núi Nưa với thành
phần chủ yếu là Ďá vôi hạt nhỏ Ďến vừa bị hoa hoá, Ďá vôi phân dải, Ďá vôi dolomit,
Ďá phân lớp mỏng Ďến trung bình xen Ďá phiến thạch anh mica, Ďá phiến chloritcalcit (Lê Văn Hựu, 2008).
Hệ tầng Bản Cải (D3 bc) có tuổi trẻ hơn, xuất hiện ở khu vực phía Ďông khối

Núi Nưa. Hệ tầng Ďược Ď c trưng bởi các Ďá phiến sét silic, Ďá vôi sét, Ďá vôi silic
và Ďá vôi, bột kết (Nguyễn Xuân Bao, 1970).
Tiếp theo là hệ tầng Bắc Sơn (C1v-P2 bs). Hệ tầng này phân bố ở phía Ďông
khối Núi Nưa gồm trầm tích carbonat (chủ yếu là Ďá vôi dolomit màu xám trắng và
Ďá vôi màu xám). Ở Nông Cống (Thanh Hóa), hệ tầng bắt Ďầu bằng Ďá vôi sinh vật,
gồm chủ yếu là Ďốt thân huệ biển (Trần Văn Trị và Vũ Khúc, 2009).
Trong hệ Permi là sự hiện diện của hệ tầng Yên Duyệt (P3c yd) gồm Ďá phiến
sét, Ďá phiến silic Ďen chuyển lên cát kết, Ďá phiến sét-silic, Ďá vôi, Ďá vôi silic Ďen
(Trần Văn Trị và Vũ Khúc, 2009).
Trong hệ Trias, có hệ tầng Đồng Trầu (T2a đt) và hệ tầng Đồng Đỏ (T3n-r
đđ). Trong Ďó, hệ tầng Đồng Trầu phân bố rộng rãi ở phía tây nam của Ďứt gãy Sông
Mã, chiếm hầu hết diện tích Ďới Sầm Nưa. Hệ tầng này là hệ tầng trầm tích - nguồn
núi lửa thành phần felsic (gồm cuội kết thạch anh chuyển lên cát kết tuf, bột kết,
ryolit, ryodacit xen các lớp kẹp cát kết, Ďá phiến sét, cát kết thạch anh, Ďá phiến silic
Ďen phân dải và ít tuf). Hệ tầng Đồng Trầu nằm không chỉnh hợp trên Ďá móng
Paleozoi. Đối với hệ tầng Đồng Đỏ, hệ tầng này lộ ra ở khu vực Tĩnh Gia (nam
Thanh Hóa), gồm chủ yếu trầm tích hạt thô xếp sắp dạng nhịp, mỗi nhịp gồm sạn

4


kết chứa cuội, sạn kết chuyển lên cát kết, bột kết, không thấy rõ biểu hiện chứa
than. Bề dầy trầm tích trung bình từ 1500-2400m (Trần Văn Trị và Vũ Khúc, 2009).
Hệ tầng Yên Châu (K2 yc) gồm chủ yếu là các trầm tích tuổi Kreta (như cuội
kết Ďa khoáng, sạn kết phân lớp dày, cát kết nâu hồng, bột kết và sét kết). Hệ tầng
Yên Châu nằm không chỉnh hợp dưới dạng phủ chồng trên nhiều loại Ďá cổ và bị
trầm tích Oligocen phủ không chỉnh hợp lên trên (Trần Văn Trị và Vũ Khúc, 2009).
Trong hệ Ďệ tứ, hệ tầng Hà Nội (Q2-3 hn) xuất hiện Ďầu tiên ở khu vực Núi
Nưa. Hệ tầng này chứa chủ yếu là các trầm tích gồm cuội, sỏi, dăm-sỏi-thạch anhsilic (Hoàng Ngọc Kỷ, 1976). Tiếp Ďến là hệ tầng Vĩnh Phúc (Q13 vp) - là hệ tầng có
tuổi trẻ nhất. Thành phần thạch học gồm sét bột màu xám lẫn dăm, sét bột chứa di

tích thực vật, bột và sét bị laterit hóa (Hoàng Ngọc Kỷ, 1976) phân bố hạn chế ở
phía Nam Tĩnh Gia. Các trầm tích Đệ tứ không phân chia (Q) phân bố dọc các suối,
ven chân Núi Nưa, tạo nên những bậc thềm, bãi bồi, những bãi Ďá sườn tích, lũ tích,
không xác Ďịnh Ďược tuổi.
1.2.2. Các thể magma xâm nhập
Khu vực Núi Nưa nằm trọn trong phức hệ siêu mafic Núi Nưa (σNP-PZ1 nn).
Các thể xâm nhập phân bố rộng rãi dọc theo Ďứt gãy sông Mã, bao gồm các thể nhỏ
mà thành phần chủ yếu là harzburgit, dunit bị serpentinit hóa mạnh (hình 1). Khối
có kích thước lớn nhất trong phức hệ này là khối Núi Nưa nằm ở phía tây nam của
Ďứt gãy sông Mã. Khối Núi Nưa có dạng hình elipxoit kéo dài theo hướng tây bắcĎông nam với tổng diện tích khoảng 50km2 và bị chia cắt bởi các Ďứt gãy phương á
kinh tuyến. Đây Ďược coi là khối núi siêu mafic lớn nhất Việt Nam. Ngoài ra, trong
khối g p các mạch gabbro-dolerit và dolerit tuyến (Trần Văn Trị và Vũ Khúc,
2009).
Các thể siêu mafic khu vực Núi Nưa nằm trong Ďới cấu trúc Sông Mã và
chạy dọc theo Ďứt gãy Sông Mã. Do Ďo, Ďá ở khu vực này có mối liên hệ ch t chẽ
tới Ďá siêu mafic của hệ tầng Sông Mã (Ԑ2 sm). Ngoài ra, các Ďá trong phức hệ Núi
Nưa nằm chỉnh hợp với Ďá bazan bị biến chất thành tướng Ďá phiến lục của hệ tầng
Huổi Hào (NP hh) với thành phần chủ yếu gồm các Ďá metabazan màu xanh lục xen
5


ít Ďá phiến thạch anh - mica, Ďá phiến thạch anh - mica - felspat (Lê Văn Hựu,
2008).
1.2.3. Kiến tạo
Khu vực Núi Nưa là một phần trong Ďới khâu sông Mã kéo dài từ Tuần
Giáo-Lai Châu tới Núi Nưa-Thanh Hóa. Vì vậy, khu vực này chịu tác Ďộng mạnh
mẽ của Ďới khâu Sông Mã cũng như Ďứt gãy Sông Mã. Ngoài ra, khu vực này cũng
xuất hiện các Ďứt gãy theo phương á kinh tuyến. M t khác, khu vực này cũng trải
qua các hoạt Ďộng Ďịa chất nội sinh (như hoạt Ďộng tạo núi, uốn nếp, nâng lên, …)
và hoạt Ďộng ngoại sinh (như phong hóa Ďá) làm biến Ďổi Ďịa hình và tạo ra trầm

tích.

6


CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ QÚA TRÌNH BIẾN ĐỔI KHOÁNG VẬT SÉT
VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.

Tổng quan tài liệu nghiên cứu về sét và khoáng vật sét
Khoáng vật sét là các khoáng vật hạt mịn có tính dẻo khi chứa nước và trở

nên cứng dưới tác dụng của nhiệt Ďộ cao (Guggenheim and Martin, 1995;
Guggenheim et al., 2006; Bergaya and Lagaly, 2006). Từ năm 2006 Ďến thời Ďiểm
hiện nay, sét Ďược coi là các khoáng vật silicat lớp (Guggenheim et al., 2006;
Bergaya and Lagaly, 2006; Hoàng Thị Minh Thảo, 2016).
Có nhiều công trình nghiên cứu Ďề cập tới việc phân loại các khoáng vật sét.
Trong Ďó tiêu biểu là công trình của Guggenheim et al. (2006). Theo Ďó, các tiêu chí
phân loại khoáng vật sét lần lượt là:
Tiêu chí 1: kiểu lớp (quy luật sắp xếp giữa lớp bát diện và tứ diện). Cấu trúc
khoáng vật sét gồm kiểu 2:1, 1:1 và 2:1:1
Tiêu chí 2: Tổng Ďiện tích lớp cùng với Ď c Ďiểm thành phần của lớp xen
giữa.
Tiêu chí 3: Dựa vào tổng Ďiện tích lớp Ďể phân nhóm khoáng vật sét
Tiêu chí 4: Dựa vào Ď c Ďiểm cấu trúc lớp bát diện: bát diện Ďôi hay bát diện
ba
Tiêu chí 5: Dựa vào thành phần hóa học Ďể phân ra loại khoáng vật
Theo Ďó, khoáng vật sét Ďược chia ra thành các nhóm sau: serpentin-kaolinit
(cấu trúc 1:1), talc-pyrophylit, smectit, vermiculit, illit, mica, mica giòn, chlorit, sét

lớp xen có quy luật, sepiolit-palygorskit. Hệ thống phân loại khoáng vật sét Ďược
thể hiện chi tiết ở phụ lục 1.
Luận văn này tập trung nghiên cứu về Ď c Ďiểm của kaolinit, smectit,
vermiculit, chlorit, khoáng vật lớp xen diVS-ml và IS-ml cùng với quá trình biến
Ďổi của các khoáng vật Ďó.

7


2.1.1. Kaolinit
Kaolinit là một trong những khoáng vật phổ biến nhất trong tự nhiên, thuộc
nhóm serpentin-kaolinit và phụ nhóm kaolinit. Đây là nhóm khoáng vật có cấu trúc
kiểu 1:1 (gồm một lớp tứ diện và một lớp bát diện) và có Ďộ trật tự tương Ďối cao
(hình 2). Khoáng vật kaolinit có công thức hóa học lý tưởng là Al2Si2O5(OH)4 và
thành phần hóa học lý thuyết là 46,54 % SiO2, 39,50 % Al2O3, 13,96 % H2O
(Murray, 2007). Xét về m t hình thái, kaolinit thường có dạng lăng trụ 6 cạnh.
Trong Ďiều kiện môi trường nhiệt Ďới ẩm, các lăng trụ kaolinit sẽ bị mài phẳng.
Cùng với Ďó là sự xuất hiện các khuyết Ďiểm do sự thay thế giữa Al3+ và Fe3+ ho c
thậm chí làm xuất hiện các lỗ ăn mòn. Kaolinit sẽ tiếp tục phát triển, trở nên lớn hơn
và sắp xếp có quy luật hơn trong quá trình tạo Ďá trầm tích. Khoáng vật này sẽ
không ngừng phát triển cho tới khi Ďạt Ďược Ďộ dày khoảng vài chục micromet và
tồn tại dưới dạng chuỗi các lục giác gắn kết với nhau (booklets) (hình 2) (Meunier,
2005; Velde and Meunier, 2008). Kaolinit có cấu trúc khá ch t chẽ với bề dày lớp
dao Ďộng trong phạm vi nhỏ (d = 7,09 - 7,20 Å).

Hình 2: Cấu trúc và hình dạng khoáng vật kaolinit (dạng booklet) (Grim, 1962;
Meunier, 2005)

8

Kaolinit có màu trắng ho c gần trắng và diện tích bề m t lớn, có khả năng
hấp thụ, trao Ďổi ion rất thấp cũng như có tính trương nở kém khi g p nước (Hoàng
Thị Minh Thảo, 2016).
2.1.2. Smectit
Smectit là nhóm khoáng vật smectit ít phổ biến hơn nhóm khoáng vật
kaolinit nhưng cũng có m t rộng rãi tại những khu vực có các Ďá gốc có thành phần
mà mafic, siêu mafic và các Ďá kiềm, nhất là trong Ďiều kiện khô nóng. Smectit có
tổng Ďiện tích lớp dao Ďộng từ 0,2-0,6. Các khoáng vật nhóm này có cấu trúc lớp 3
lớp (cấu trúc kiểu 2:1) với hai lớp Ďầu tương tự như cấu trúc của kaolinit (gồm tầng
tứ diện ở phía trên liên kết với tầng bát diện ở giữa) và phía dưới thêm một tầng tứ
diện khác (hình 3). Trong khoảng không giữa các lớp 2:1 thường có các nhóm nước
phân tử và cation trao Ďổi.
Cấu trúc lớp bát diện còn Ďược chia ra làm 2 loại: cấu trúc bát diện Ďôi và
cấu trúc bát diện ba. Cấu trúc bát diện Ďôi 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 (Hoàng Thị Minh
Thảo, 2016). Hay hiểu theo một cách khác, tâm của lớp bát diện nếu chứa các
cation hóa trị 3, chỉ có 2 trong 3 ô bát diện Ďược Ďiền bởi cation kim loại. Đây Ďược
coi là kiểu cấu trúc bát diện Ďôi (di-). M t khác, nếu cation hóa trị một ho c hai có
m t tâm bát diện thì tất cả 3 vị trí Ďều Ďược Ďiền bởi cation kim loại. Trường hợp
này Ďược gọi là bát diện ba (tri-) (Brigatti et al., 2006; Velde and Meunier, 2008).
Thành phần hóa học lý thuyết của smectit không tính hàm lượng lớp xen
giữa là: SiO2 ~ 66,7 %; Al2O3 ~ 28,3 %, H2O ~ 5% (Murray, 2007)
Công thức hóa học ứng với mỗi kiểu bát diện là (Brigatti, 2006):
di-smectit: (
tri-smectit: (
Trong đó:

)(
)(

)
)

x, y là Ďiện tích lớp
R2+, R3+ là các cation hóa trị 2 và 3 trong lớp bát diện
M+ là cation hóa trị một trong lớp xen giữa.

9


Trong phụ nhóm di-smectit, montmorillonit, beidellit, nontronit là những
biến loại cuối dãy quan trọng của phụ nhóm này. Trong khi Ďó, saponit là biến loại
cuối dãy quan trọng trong phụ nhóm tri-smectit.
Công thức tổng quát của các khoáng vật trên là, (Murray, 2007):
Montmorillonit: (

)(

Nontronit: (

)

Beidellit: (
Saponit: (
Trong đó:

)
)

)

(
(
(

x, y là Ďiện tích lớp
M+ là cation hóa trị 1 của lớp xen giữa.

Montmorillonit tồn tại dưới dạng hình thái khác nhau như dạng bông tuyết
(flake) (Meunier, 2005) (hình 3) ho c dạng kim, dạng tổ ong, dạng tấm (Wilson et
al., 2014).
Smectit là nhóm khoáng vật có kích thước hạt rất nhỏ với diện tích bề m t cự
lớn, khả năng hấp thụ và trao Ďổi ion rất lớn, Ďộ dẻo cao, tính lưu biến cao, Ďộ thấm
cực thấp (Hoàng Thị Minh Thảo, 2016).

Hình 3: Cấu trúc và hình thái của montmorillonit (Grim, 1962; Meunier, 2005)

10


2.1.3. Vermiculit
Cũng giống như smectit, vermiculit là một nhóm khoáng vật có cấu trúc 2:1
và có tính chất trương nở nhưng khả năng trương nở không cao bằng smectit (hình
4). Tuy nhiên, nhóm khoáng vật này có tổng Ďiện tích lớn hơn smectit, dao Ďộng
trong khoảng 0,6-0,9 (Guggenheim, 2006) với lớp xen giữa bao gồm các cation hóa
trị 1 và hóa trị 2. Số ion K+ trong lớp xen giữa dao Ďộng trong khoảng từ 0,3-0,9 Ďối
với vermiculit có cấu trúc bát diện ba (triVer) và từ 0-0,8 Ďối với vermiculit có cấu
trúc bát diện Ďôi (diVer).
Vermiculit thường Ďược hình thành trong trầm tích do sự thay thế các

khoáng vật biotit thành tri-vermiculit, Ďồng thời giải phóng K+, Fe2+ (VicenteHernández et al., 1983); thay thế khoáng vật muscovit thành di-vermiculit (Aoudjit
et al., 1996).

Hình 4: Cấu trúc khoáng vật Mg-vermiculit (Mathieson, 1958)

11


2.1.4. Chlorit
Chlorit là khoáng vật có cấu trúc 2:1, có Ďiện bất Ďịnh (hình 5). Trong lớp bát
diện thường chứa các cation như Mg2+, Al3+, Fe2+, Fe3+; trong khi Ďó, ở lớp tứ diện
là các cation Si4+ và Al3+.
Công thức hóa học lý tưởng của chlorit là:
(R2+, R3+)3 (Si4-xAlx)
Trong đó:

x là Ďiện tích lớp
R2+, R3+ là các cation hóa trị 2 và 3 trong lớp bát diện

Hình 5: Cấu trúc khoáng vật chlorit (Grim, 1962)
Chlorit là thành phần phổ biến trong Ďá biến chất tướng phiến lục và Ďá
magma (là sản phẩm biến Ďổi nhiệt dịch của các khoáng vật chứa Fe và Mg) (Deer
et al., 1975). Chlorit cũng thành phần phổ biến trong Ďá trầm tích chứa sét, tồn tại
dưới dạng mảnh vụn ho c chlorit tại sinh (Poppe et al., 2001).

12


2.1.5. Khoáng vật sét lớp xen
Khoáng vật lớp xen (mixed-layered minerals) là các khoáng vật Ďược hình

thành từ sự Ďan xen các lớp cấu trúc của 2 hay nhiều loại lớp cấu trúc của khoáng
vật

sét

khác

nhau

(ví

dụ:

di-vermiculit/smectit

(diVS-ml)

hay

di-

vermiculit/montmorillonit, illit/smectit (IS-ml), chlorit/smectit, mica/smectit, …).
Các lớp cấu trúc này có thể sắp xếp ngẫu nhiên ho c có theo trật tự xác Ďịnh. Các
khoáng vật lớp xen có cấu trúc 2:1 là những khoáng vật xuất hiện phổ biến nhất so
với các loại khác. Ngoài ra, cũng xuất hiện các khoáng sét lớp xen cấu trúc 2:1:1
ho c 1:1.
IS-ml là khoáng vật có cấu trúc bát diện Ďôi, gồm sự Ďan xen giữa cấu trúc
của illit và cấu trúc của smectit. Các lớp trong cấu trúc IS-ml có thể sắp xếp một
cách ngẫu nhiên ho c có quy luật (Jagodzinsky, 1949; Bethke et al., 1986; Güven,
1991; Pollastro, 1993, Brigatti et al., 2013) (hình 6).

Hình 6: Cấu tạo khoáng vật sét lớp xen sắp xếp ngẫu nhiên (random
interstratification) và sắp xếp có quy luật (regular interstratification) (Brigatti et al.,
2013). A, B là các lớp cấu trúc.

13


Trong quá trình hình thành IS-ml, nhiệt Ďộ, áp suất, hàm lượng K+, sự thay
thế Al3+ cho Si4+ và sự khử nước ở lớp xen giữa là những thông số hóa tinh thể
chính khống chế sự thay thế giữa smectit và illit (Segonzac, 1970; Meunier, 2005;
Brigatti et al., 2006). Ví dụ, dưới tác Ďộng của nhiệt Ďộ, các khoáng vật IS-ml sẽ
luôn có xu thế biến Ďổi Ďể Ďạt Ďược trật tự sắp xếp cao Ďể trở nên bền hơn khi nhiệt
Ďộ tăng (Segonzac, 1970; Nadeau and Reynolds, 1981).
Ngoài khoáng vật IS-ml kể trên, một khoáng vật sét lớp xen khác cũng Ďược
hình thành là di-vermiculit/smectit (diVS-ml). Đây là khoáng vật sét lớp xen có cấu
trúc xen kẹp giữa các lớp illit có chỉ số K và tổng Ďiện tích lớp xen giữa thấp hơn
với lớp smectit.
2.1.6. Các khoáng vật sét khác
Ngoài các khoáng vật sét kể trên, trong 3 mẫu sét Núi Nưa còn phát hiện
Ďược một số khoáng vật sét khác, gồm có:
 Antigorit, berthierin: Đây là 2 biến loại của serpentin, có cấu trúc 1:1
giống kaolinit và có Ďiện tích bằng 0.
 Talc: là khoáng vật sét có cấu trúc 2:1, có Ďiện tích thấp nhất trong số các
khoáng vật sét có kiểu cấu trúc này (Ďiện tích bằng 0).
2.2.

Tổng quan về quá trình biến đổi các khoáng vật sét
Nguồn gốc và quá trình hình thành các khoáng vật sét là những chủ Ďề quan

trọng trong việc nghiên cứu ứng dụng của khoáng vật sét. Theo Millot (1964), 3 quá
trình cơ bản trong việc hình thành khoáng vật sét là: 1) quá trình kế thừa từ Ďá gốc
ho c từ các loại vật liệu bị phong hóa, 2) quá trình thay thế, biến Ďổi các khoáng vật
sét Ďã có, 3) quá trình tạo khoáng vật sét mới từ dung dịch keo. Đối với Ďiều kiện
môi trường chịu tác Ďộng chính của quá trình phong hóa, cả 3 quá trình trên Ďều có
thể xảy ra. Galán (2006) chỉ ra rằng, hầu hết các khoáng vật silicat tạo Ďá Ďều bị phá
hủy trong Ďiều kiện phong hóa. Ca-plagiocla, amphibol và pyroxen bị biến Ďổi
thành smectit (Fe-beidelit, nontronit) và verminculit trong Ďá mafic. Trong Ďá siêu
mafic, saponit, serpentin, chlorit và talc thường là những sản phẩm phong hóa của

14


pyroxen và olivin. Các khoáng vật sét cũng luôn biến Ďổi Ďể Ďạt trạng thái bền vững
cao hơn. Ví dụ, muscovit bị biến Ďổi thành illit, chlorit Ďược hình thành dựa trên sự
kế thừa cấu trúc từ biotit. Kaolinit có thể Ďược tạo mới, ho c biến Ďổi từ muscovit.
Trường hợp hiếm g p hơn là kaolinit Ďược hình thành từ quá trình biến Ďổi smectit
ho c vermiculit. Smectit có thể Ďược hình thành từ illit hay vermiculit. Nghiên cứu
về quá trình biến Ďổi các khoáng vật sét trong Ďá serpentinit, Lee et al. (2003) cho
thấy rằng serpentin có xu hướng biến Ďổi thành di-smectit giàu Mg. Trong khi Ďó,
chlorit sẽ biến Ďổi thành smectit Ďiện tích cao thông qua khoáng vật lớp xen chlorittri-vermiculit và tri-vermiculit.
Ở Việt Nam, Hoang-Minh et al. (2014) Ďã mô tả Ď c Ďiểm khoáng vật
bentonit vùng Di Linh-Lâm Đồng. Các tác giả này Ďã chứng minh rằng, muscovit
Ďã bị biến Ďổi thành kaolinit, montmorillonit trong Ďiều kiện môi trường tự nhiên.
Ngoài bentonit ở Lâm Đồng, sét Núi Nưa cũng là một Ďối tượng thu hút Ďược nhiều
sự quan tâm. Nguyen-Thanh et al. (2017) Ďã chỉ ra sự biến Ďổi cả về thành phần hóa
học và thành phần khoáng vật của sét Núi Nưa. Về thành phần hóa học, các khoáng
vật smectit chứa sắt Ďược hình thành từ giai Ďoạn Ďầu dần bị thay thế bởi smectit
chứa Al. Về thành phần khoáng vật, serpentin là khoáng vật kém bền vững có xu
hướng biến Ďổi thành Fe-smectit, kaolinit và chlorit có Ďộ bền vững cao hơn.

Nghiên cứu nguồn gốc và sự hình thành các khoáng vật sét trong thổ nhưỡng
là rất cần thiết và cần Ďi sâu vào chi tiết Ďối với từng khoáng vật, từng kiểu môi
trường một cách thận trọng. Việc nghiên cứu quá trình biến Ďổi sét và các khoáng
vật sét trong Ďiều kiện tự nhiên sẽ tạo tiền Ďề Ďể dự Ďoán và Ďánh giá sự biến Ďổi của
Ďối tượng này trong các Ďiều kiện môi trường khác nhau. Sự biến Ďổi giữa các
khoáng vật sét sẽ làm thay Ďổi các tính chất vật lý và tính chất học của các khoáng
vật. Trong bồn chứa chất thải phóng xạ, sự thay Ďổi về thành phần pha khoáng vật
trong bentonit sẽ gây ra những tác Ďộng khác nhau Ďến chất lượng và tuổi thọ của
bồn chứa. Nghiên cứu chi tiết các quá trình biến Ďổi ngắn hạn của sét sẽ góp phần
tìm ra các giải pháp Ďể khắc phục các Ďiểm hạn chế của bentonit trước khi sử dụng
vật

liệu

này

làm

chất

Ďệm

trong

bồn

15

chứa

chất

thải

phóng

xạ.


2.3.

Mẫu nghiên cứu
Trong luận văn này, có 7 mẫu nghiên cứu Ďược sử dụng. Trong Ďó, có 5 mẫu

Ďược lấy ở khu vực Bãi Áng, gồm: 3 mẫu sét (BA 2.1, BA 2.2 và BA 2.3) và 2 mẫu
Ďá chưa bị phong hóa (BA 09 và BA 14). Hai mẫu sét (CD 01 và MC 01) còn lại
Ďược lấy Ďược lấy ở khu vực khác trong khối Núi Nưa. Trong số 7 mẫu nghiên cứu,
3 mẫu sét Bãi Áng (BA 2.1, BA 2.2 và BA 2.3) là 3 mẫu nghiên cứu chính trong
luận văn. Trong khi Ďó, các mẫu còn lại dùng Ďể Ďối sánh về thành phần hóa học với
3 mẫu sét chính.
Ba mẫu sét Bãi Áng Ďược lấy ở khu vực phía Ďông nam khối Núi Nưa. Đây
là những khu vực các Ďá siêu
mafic khối Núi Nưa bị serpentin
hóa mạnh thành serpentinit.Khu
vực này có Ďộ cao khoảng 160m
so với m t nước biển (ở vị trí
19o40’B, 105o30’Đ), có sườn dốc
hướng về phía Ďông (góc dốc
khoảng 18-20o). M t cắt vỏ
phong hóa khu vực Bãi Áng có

Ďộ sâu tới 4,5m. Ba mẫu sét Bãi
Áng Ďược lấy từ 3 lớp khác nhau,
bao gồm mẫu tầng trên (BA 2.1)
nằm ở lớp trên cùng Ďới saprolit,
mẫu tầng giữa (BA 2.2) Ďược lấy
ở phần trên của Ďới saprolit, mẫu
tầng dưới (BA 2.3) Ďược lấy ở
phần dưới của Ďới saprolit. Độ
dầy lớp chứa mẫu tầng trên dao

Hình 7: M t cắt Ďới saprolit khu vực Bãi Áng
với 3 lớp lấy mẫu: A: Lớp trên cùng, B: Lớp
giữa, C: Lớp dưới

Ďộng trong khoảng từ 1 Ďến 2 m.
Ở lớp chứa mẫu tầng giữa và tầng dưới chứa các hạt khoáng vật có kích thước từ

16