Thạch luận các granulit nhiệt độ siêu cao ở địa khối Kontum

TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 17, 2003 THẠCH LUẬN CÁC GRANULIT NHIỆT ĐỘ SIÊU CAO Ở ĐỊA KHỐI KONTUM Trần Ngọc Nam, Hoàng Hoa Thám Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế I. MỞ ĐẦU Móng kết tinh ở địa khối Kontum chủ yếu gồm các thành tạo biến chất cao của các phức hệ Kan Nack, phức hệ Ngọc Linh, và các phức hệ magma đi kèm. Phức hệ Kan Nack (xem: Trần Đức Lương, Nguyễn Xuân Bao, 1988) gồm các đá biến chất cao thuộc tướng granulit. Các đá magma đi kèm chủ yếu gồm các đá enderbit, charnockit được xếp vào phức hệ Sông Ba, và các đá granit biotit-granat-cordierit của phức hệ Plei Man Kô. Phức hệ Kan Nack hiện đang được xếp vào Arkei dựa vào mức độ biến chất và liên hệ với các phức hệ biến chất Arkei phân bố ấn Độ và các khiên Alđan, Okhot, Kharkai (Liên Xô cũ). Phức hệ Ngọc Linh (xem: Trần Đức Lương, Nguyễn Xuân Bao, 1988) gồm các đá biến chất cao hiện được coi bị biến chất ở tướng amphibolit. Tuy nhiên, các tinh thể orthopyroxen tự hình trong các thành tạo nóng chảy migmatit của phức hệ cho thấy các đá của phức hệ đã bị nóng chảy cục bộ dưới các điều kiện của tướng granulit. Phức hệ Ngọc Linh được xếp vào Proterozoi hạ trên cơ sở liên hệ đối sánh với phức hệ Sông Hồng (PR1sh). Các đá granulit chứa đựng những nguồn thông tin quan trọng về thành phần và các quá trình địa chất sâu của vỏ Trái Đất, vì vậy chúng luôn thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà địa chất. Phức hệ Kan Nack và phức hệ Ngọc Linh là những thành tạo biến chất cao nhất của móng kết tinh trên lãnh thổ Việt Nam nên đã được quan tâm nghiên cứu từ lâu. Các nghiên cứu trước đây dựa vào các tổ hợp khoáng vật cộng sinh tiêu biểu và thành phần hoá học của các khoáng vật đã xác định điều kiện áp suất-nhiệt độ (P-T) cho các quá trình biến chất granulit ở địa khối Kon Tum nằm trong khoảng 750 - 800°C và 7 kbar. Tuy nhiên, những phát hiện mới đây cho thấy các granulit ở địa khối Kon Tum có chứa những tổ hợp khoáng vật cộng sinh bền vững trong những điều kiện P-T cao hơn, trong khoảng nhiệt độ 800-1050°C và áp suất trên 10 kbar, thuộc tướng granulit nhiệt độ siêu cao và thành tạo ở những độ sâu lớn hơn so với các kết quả nghiên cứu đã công bố. Bài báo này trình bày những kết quả mới nhất về một số đặc điểm thạch học và các điều kiện P-T của các thành tạo granulit ở địa khối Kon Tum. II. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM THẠCH HỌC CỦA CÁC GRANULIT Granulit bình thường: Gneis Grt - Crd - Sil - Bt ± Spl Gneis granat (Grt)-cordierit (Crd)-silimanit (Sil)-biotit (Bt)±spinel (Spl) tiêu biểu cho đá pelitic-granulit bình thường. Trong đá này các ban biến tinh Grt chứa những bao thể Sil, Bt và thạch anh (Qtz). Tập hợp khoáng vật Bt và Crd tạo nên các riềm và các vành phản ứng bao quanh các ban biến tinh Grt, chứng tỏ các phản ứng phá huỷ Grt đã xảy ra sau khi quá trình biến chất đã đạt đến cực điểm. Trong các đới không có Grt, tổ hợp Bt - Sil - Qtz trong tập hợp nền cộng sinh với Crd và fenspat kali (Kfs). Tổ hợp Grt - Sil cộng sinh với Spl và Crd cho thấy các phản ứng phá hủy khoáng vật xảy ra trong thời gian giảm áp. Pelitic granulit nhiệt độ siêu cao: Gneis Grt-Opx-Sil-Qtz Gneis Grt-orthopyroxen (Opx)-Sil-Qtz tiêu biểu cho đá pelitic-granulit nhiệt độ siêu cao. Các đá gneis Grt-Opx-Sil-Qtz thể hiện rất nhiều kiến trúc phản ứng khác nhau, cho thấy sự thành tạo symplectit là đa pha (symplectit: sự mọc ghép dạng dải hoặc dạng vân của các khoáng vật khác nhau), xảy ra trong quá trình biến chất sau khi đạt các điều kiện nhiệt độ siêu cao. Tổ hợp khoáng vật chính của đá là Grt-Opx-Sil-Spl-Bt-Crd-Qtz-plagioclas (Pl)-Kfs, với một lượng không đáng kể các khoáng vật phụ corindon (Crn)-monazit-zircon. Tổ hợp khoáng vật nguyên sinh có thể là Opx1-Grt1-Bt cao Flo-Sil-Qtz (các chỉ số 1, 2, 3 sau tên khoáng vật chỉ thứ tự các thế hệ thành tạo của chúng; ví dụ: Opx1 là orthopyroxen thế hệ thứ nhất, v.v.), mà trong điều kiện nhiệt độ siêu cao chúng phản ứng để tạo thành Opx và dung thể nóng chảy. Phản ứng giữa Opx1 và Sil đã xảy ra để tạo nên tổ hợp Grt2-Qtz. Tổ hợp Grt2-Qtz này được bao quanh bởi một vành symplectit mọc xen Opx2-Crd1. Cấu tạo vừa mô tả cho thấy rằng, các phản ứng chính đã xảy ra trong thời gian giảm áp đẳng nhiệt dưới các điều kiện nhiệt độ siêu cao. Các mối quan hệ kiến trúc và các phản ứng tiến hóa của các khoáng vật đã quan sát được trong các đá pelitic granulit nhiệt độ siêu cao ở địa khối Kon Tum có thể được mô tả theo thứ tự sau: Opx1 + Sil + Grt1 + Bt cao Flo + Qtz: Tổ hợp khoáng vật cộng sinh nguyên thủy ở điều kiện nhiệt độ siêu cao (UHT). Bt cao Flo + Sil + Qtz = Opx + dung thể nóng chảy: Bt bị tiêu thụ trong quá trình phản ứng biến chất đang tiếp diễn (UHT). Opx1 + Sil = Grt2 + Qtz: Phản ứng chính trong quá trình giảm áp đẳng nhiệt (UHT). Grt2 + Qtz = Opx2 + Crd1: Thành tạo symplectit chủ yếu (symplectit A) trong quá trình giảm áp đẳng nhiệt. Các phản ứng giảm áp đẳng nhiệt cục bộ đã quan sát thấy trong đá như sau: Opx1 + Sil + Qtz = Crd2: Mọc xen symplectit B dưới điều kiện fO2 cao. Grt2 + Sil = Opx3 + Spl1: Mọc xen symplectit C. Opx2 + Sil = Crd3 + Spl2: Mọc xen symplectit D dưới điều kiện fO2 thấp. Grt1 + Sil = Crd3 + Spl2: Mọc xen symplectit D'. Grt2 (rìa) + Crd1 = Grt3 + Spl3: Mọc xen symplectit E. Granulit mafic nhiệt độ siêu cao: Grneis Grt-Cpx-Opx-Qtz Granulit Grt-clinopyroxen (Cpx)-Opx-Qtz (granulit hai pyroxen) tiêu biểu cho granulit mafic nhiệt độ siêu cao. Các granulit này cũng thể hiện những cấu trúc phản ứng được bảo tồn trong đá chỉ thị cho quá trình biến chất nhiệt độ siêu cao. Những bao thể khoáng vật horblend (Hbl), Bt và Qtz trong các ban biến tinh Grt xác định các phản ứng khoáng vật trong quá trình biến chất tiến triển trước khi đạt tới đỉnh biến chất ở điều kiện nhiệt độ siêu cao với tổ hợp khoáng vật cộng sinh Grt-Cpx-Qtz với Hbl cao Flo. Sau giai đoạn đó, cấu tạo symplectit mọc xen của Opx-Spl sẽ thành tạo, bao quanh tinh thể Grt. Symplectit này có thể coi là sản phẩm của phản ứng giữa Grt và Qtz. Symplectit mọc xen Opx-Cpx-Pl được quan sát thấy với một lượng không đáng kể trong đá, có thể coi là sản phẩm phản ứng của Hbl cao Flo và Qtz. III. ĐIỀU KIỆN ÁP SUẤT - NHIỆT ĐỘ CỦA QUÁ TRÌNH BIẾN CHẤT Để khôi phục các điều kiện áp suất - nhiệt độ (P-T) của quá trình biến chất cao cho các granulit thuộc móng kết tinh ở địa khối Kon Tum, chúng tôi sử dụng các phương pháp phân tích các tổ hợp cộng sinh khoáng vật kết hợp với các kết quả tính toán từ các địa nhiệt-áp kế (geothermo-barometer) khác nhau. Phân tích hóa học mẫu tổng các đá gneis Grt-Opx-Sil-Qtz (pelitic-granulit nhiệt độ siêu cao) cho thấy các granulit này rất nghèo Ca và Na, với chỉ tiêu tính toán Crn trong khoảng 10-17%. Thành phần hoá học của các gneis này tương tự thành phần hoá học của các granulit nhiệt độ siêu cao có chứa tổ hợp Spr-Qtz trên thế giới. Đáng tiếc, sự cộng sinh của Spr-Qtz lại vắng mặt trong các mẫu đang xét, có lẽ chúng liên quan với các điều kiện nhiệt độ thấp hơn chút ít so với các điều kiện nhiệt độ siêu cao thực thụ trong các phản ứng thành tạo Spr-Qtz ở các nơi khác. Hình 1: Mô hình thạch luận cho các granulit bình thường và granulit nhiệt độ siêu cao của móng kêt tinh Địa khối Kon Tum Các granulit nhiệt độ siêu cao (gneis Grt-Opx-Sil-Crd) bền vững trong trường Bt cao Flo và các hệ MAS-FMAS, trong khi đó cá granulit bình thường (gneis Grt-Crd-Sil-Bt) bền vững trong trường Bt thấp Flo và hệ KFMASH. Hai đường cong P-T cho các granulit bình thường và granulit nhiệt độ siêu cao đều thuận chiều kim đồng hồ (xem chi tiết trong bài). Khoáng vật Grt trong đá gneis Grt-Opx-Sil-Qtz cho thấy chúng có sự phân đới thành phần: giàu pyrop ở nhân trong khi ở phần rìa lại giàu thành phần almandin (almandin: 43,0-60,2%; pyrop: 35,4-58,1%; spesartin: 0-0,3%; grosular: 1,4-5,4%). Cần lưu ý rằng các bao thể trong Grt có dạng sợi, có thể là vết tích của cấu tạo phiến nguyên sinh. Thành phần của các khoáng vật Opx, Crd và Spl cũng thay đổi, chứng tỏ có nhiều giai đoạn trong tiến trình lịch sử biến chất. Opx trong symplectit B có hợp phần XMg và hàm lượng Al2O3 cao nhất (Mg#Opx= 0,78; Al2O3=10,16% trọng lượng; XAlOpx=0,21), cho thấy chúng có thể bền vững ở các điều kiện nhiệt độ 1000-1050°C và áp suất 1000 MPa (10 kbar). Tiếp sau symplectit B, symplectit C thành tạo ở các điều kiện 900°C và 840 MPa, và symplectit D ở điều kiện 800°C và 640 MPa, dựa trên kết quả tính toán từ các mô hình địa nhiệt-áp kết khoáng vật khác nhau. Các đá gneis Grt-Opx-Sil-Qtz thuộc móng kết tinh ở địa khối Kon Tum có tổ hợp khoáng vật nguyên sinh (Opx1 + Sil + Grt1 + Bt cao-F + Qtz) bền vững ở nhiệt độ T = 1050°C và áp suất P = 1,2 GPa (12 kbar) theo mô hình hệ MAS của Bartland et al. (1991) với đường cong đẳng trị Bt cao-F (XF=0,3) của Hensen & Osanai (1994). Quá trình giảm áp gần như đẳng nhiệt xảy ra sau khi các điều kiện biến chất đạt được đỉnh cực đại (đỉnh biến chất), trong hệ FMAS đường cong P-T đi xuống trường Bt thấp-F, gần sát điểm [Spl] ổn định theo chiều kim đồng hồ của tiến trình P-T mà không tạo thành tổ hợp khoáng vật cộng sinh Spr-Qtz (tổ hợp nhiệt độ siêu cao thực thụ) trong hệ (Hình 1). Các đá gneis Grt-Cpx-Opx-Qtz (granulit mafic nhiệt độ siêu cao) cũng thể hiện cùng các điều kiện đỉnh biến chất tương tự với T = 1000°C và P = 1,1 GPa. Các đá gneis Grt-Crd-Sil-Bt (pelitic-granulit bình thường) bền vững ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp hơn so với các đá gneis Grt-Opx-Sil-Qtz và gneis Grt-Cpx-Opx-Qtz. Điều đó phù hợp với mô hình hệ KFMASH và đường đẳng trị Bt thấp-F (XF=0,0) của Vielzeuf & Holloway (1988). Quá trình biến chất bắt đầu từ đỉnh biến chất ở điều kiện nhiệt độ T = 850°C và áp suất P = 650 MPa (6,5 kbar) là giai đoạn giảm áp gần như đẳng nhiệt theo chiều kim đồng hồ trong khoảng nhiệt độ nằm giữa 750-850°C (Hình 1). IV. NHẬN XÉT Điều kiện áp suất-nhiệt độ và lịch sử biến chất granulit ở địa khối Kon Tum Các tổ hợp khoáng vật cộng sinh của các gneis Grt-Opx-Sil-Qtz và gneis Grt-Cpx-Opx-Qtz bền vững trong trường nhiệt độ siêu cao của các điều kiện đỉnh biến chất, ở nhiệt độ T = 1000-1050°C và áp suất P = 1,1-1,2 GPa (11-12 kbar). Điều kiện đỉnh biến chất của các granulit nhiệt độ siêu cao trong nghiên cứu này cao hơn nhiều so với những nghiên cứu đã công bố trước đây cho các granulit ở địa khối Kon Tum. Tuy nhiên, kết quả tính toán cho các granulit bình thường (gneis Grt-Crd-Sil-Bt) cho thấy chúng được thành tạo trong các điều kiện nhiệt độ T = 750-850°C và áp suất P = 650 MPa, tương tự như các kết quả đã được các tác giả khác công bố trước đây cho các granulit ở địa khối Kon Tum. Các granulit nhiệt độ siêu cao bền vững trong các hệ MAS và FMAS, trong khi các granulit bình thường bền vững trong hệ KFMASH. Tiến trình biến chất của cả hai loại granulit nhiệt độ siêu cao và granulit bình thường sau khi quá trình biến chất đạt đỉnh cực đại là quá trình giảm áp đẳng nhiệt theo chiều kim đồng hồ trên giản đồ P-T (Hình 1). Cặp đường cong P-T cho granulit nhiệt độ siêu cao và granulit nhiệt độ bình thường khôi phục cho các granulit móng kết tinh của địa khối Kon Tum trong nghiên cứu này hoàn toàn tương tự với các đường cong P-T của các khu địa granulit khác thuộc Đông Gondwana trên thế giới, như ở Sri Lanka và Nam Cực, ở đó cũng thể hiện hai tiến trình riêng biệt cho các granulit nhiệt độ siêu cao và granulit nhiệt độ bình thường. Tuổi của quá trình biến chất granulit ở địa khối Kon Tum Các phân tích U-Pb zircon cho các granulit gneis (pelitic granulit) ở địa khối Kon Tum đã công bố bao gồm các giá trị tuổi 254±12 tr.n (Nam et al., 2001), 248±6 và 256±6 tr.n (Carter et al. 2001). Các phân tích U-Pb zircon cho các đá enderbit-charnockit đi cùng với các granulit trong khu vực cũng cho giá trị tuổi tương tự, bao gồm 259,7±15,9 tr.n (Nam và nnk. 2002), 258±6 tr.n (Carter et al., 2001), và 249±2 tr.n (Nagy et al., 2001). Kết quả phân tích CHIME cho monazit từ mẫu gneis Grt-Opx-Sil-Qtz cho tuổi 248±16 tr.n (Osanai et al. 2002). Tất cả các dẫn liệu này khẳng định hoạt động biến chất cao ở tướng granulit tác động lên các phức hệ móng kết tinh ở địa khối Kon Tum đã xảy ra vào thời gian Pecmi muộn, khoảng 250-260 tr.n trước. Tuy nhiên, nhiệt độ đóng của zircon cho hệ U-Pb được đa số thừa nhận là cao hơn 750°C (có thể >1000°C) và của monazit là 700°C, nên các giá trị trên đây chỉ mới xác định tuổi của giai đoạn biến chất giảm áp gần như đẳng nhiệt, xảy ra sau khi quá trình biến chất đã đạt đỉnh cực đại, trong đó tuổi monazit xác định thời gian sau khi đã thành tạo symplectit D. Như vậy, khả năng về sự có mặt của các pha biến chất cao trước Permi muộn ở địa khối Kon Tum vẫn còn bỏ ngỏ. Những kết quả mới nhất về tuổi U-Pb zircon của gneis phức hệ Sông Re trong khu vực tập trung trong khoảng 440-450 tr.n (Carter et al., 2001; Nagy et al., 2001; Nam và nnk 2002), và tuổi U-Pb 1400 tr.n ở nhân kế thừa của một tinh thể zircon trong kết quả phân tích trước đây cho granulit Kan Nack (Nam et al. 2001) là những dấu hiệu cho phép dự đoán để tìm kiếm những pha biến chất cao cổ hơn đã tác động lên các phức hệ móng kết tinh này. Công trình này được hoàn thành trong khuôn khổ của đề tài Khoa học NCCB mã số 710402 của Hội đồng Khoa học Tự nhiên. TÀI LIỆU THAM KHẢO Bartland P., Ellis D.J., Green D.H. The stability of sapphirine quartz and hypersthene-sillimanite-quartz assemblages: an experiment investigation in the system FeO-MgO-Al2O3-SiO2 under H2O and CO2 conditions. Contrib. Mineral. Petrol., vol. 108, (1991) 55-71. Carter A., Roque D., Bristow C., Kinny P. Understanding Mesozoic acrretion in Southeast Asia: Significance of Triassic thermotectonism (Indosinian orogeny) in Vietnam. Geology, vol. 29(3), (2001) 211-214. Hensen B.J., Osanai Y. Experimental study of dehydration melting of biotite in model pelitic compositions. Mineral. Mag., vol. 56A, (1994) 410-411. Trần Đức Lương, Nguyễn Xuân Bao (Tổng chủ biên). Địa chất Việt Nam. Tập I. Địa tầng. Tổng cục Mỏ và Địa chất, Hà Nội (1988). Nagy E.A., Maluski H., Lepvrier C., Scharer U., Phan Truong Thi, Leyerloup A., Vu Van Tich. Geodynamic Significance of the Kontum Massif in Central Vietnam: Composite 40Ar/39Ar and U-Pb ages from Paleozoic to Triassic. The Journal of Geology, vol. 109 (2001) 755-770. Tran Ngoc Nam, Sano Y., Terada K., Toriumi M., Phan Van Quynh, Le Tien Dung. Fisrt SHRIMP U-Pb zircon dating of granulites from the Kontum massif (Vietnam) and tectonothermal implications. Journal of Asian Earth Sciences, vol. 19 (2001)77-84. Trần Ngọc Nam, Nguyễn Văn Canh, Hoàng Hoa Thám. Tuổi U-Pb zircon của các phức hệ móng kết tinh ở địa khối Kontum và ý nghĩa của chúng. Tuyển tập Báo cáo & Tham luận, Hội thảo KH Công tác NCCB trong lĩnh vực CKHvTĐ ở các tỉnh phía Nam. Tp. HCM 23-24/12/2002 (2002) 50-53. Osanai Y., Trinh Van Long, Owada M., Tsunogae T., Toyoshima T., Hokada T., Sajeev K, Nakano K. Ultrahigh-Temperature Granulites from Kontum Massif, Central Viet Nam: Evidence for East Asian Juxtaposition at ca.250Ma. Inter. Sym. on Assembly and Breakup of Rondinia and Gondwana, and Growth of Asia, Osaka 19 Oct.-3 Nov. 2001 (Abstract) (2001). Vielzeuf D., Holloway J.R. Experimental determination of fluid-absent melting relations in the pelitic system. Consequences for crustal differentiation. Contrib. Mineral. Petrol., vol. 98 (1988) 257-276. PETROGENESIS OF ULTRAHIGH-TEMPERATURE GRANULITES FROM THE KONTUM MASSIF Tran Ngoc Nam, Hoang Hoa Tham College of Sciences, Hue University SUMMARY Crystalline basement of the Kontum massif, Central Vietnam, is mainly consisting of amphibolite to granulite facies metamorphic rocks of the Kan Nack and Ngoc Linh Complexes and associated magmatic complexes. Petrographical study of the granulites shows that mineral associations of garnet-orthopyroxene-sillimanite-quartz gneiss (UHT pelitic granulite) and garnet-clinopyroxene-orthopyroxene-quartz gneiss (UHT mafic granulite) are stabilized in ultrahigh-temperature conditions, while those of garnet-cordierite-sillimanite-biotite±spinel gneiss (normal granulite) do stabilized in lower-temperature conditions. Peak metamorphic conditions of T=1000-1050°C and P=1,1-1,2 GPa are estimated for the UHT granulites, and T=700-850°C and P=650 MPa estimated for the normal granulites. Various reaction textures indicate multi-phase symplectite formation during their metamorphic evolution. Clockwise P-T paths are constrained for both UHT and normal granulites during 250-260 Ma isothermal decompression.