Đặc điểm kiến tạo Hòa An, Cao Bằng và mối liên quan khoáng hóa niken-đồng - Luận án TS

Hòa An chiếm vị trí giao cắt giữa các khối cấu trúc chính trong đới trũng Sông Hiến. Địa tầng khu vực phân bố liên tục từ Cambri đến Đệ tứ. Tầng đá Cambri - Ordovic gồm đá phiến sét, cát kết và đá vôi dạng khối. Các trầm tích Devon và Carbon - Permi gồm đá vôi, silic và sét than. Trầm tích Trias lộ ra rộng rãi với cát bột kết xen đá phun trào mafic. Các thể magma siêu mafic xâm nhập xuyên cắt qua tầng đá trầm tích Paleozoi. Hiện tượng tiếp xúc nhiệt gây biến chất đá vây quanh thành sừng hóa và hoa hóa. Bề mặt bở rời Đệ tứ phủ trên bề mặt thung lũng karst và lòng suối. Ranh giới địa tầng phản ánh rõ các bất chỉnh hợp kiến tạo khu vực. Mỗi phân vị địa tầng ghi dấu một chu kỳ lắng đọng và nâng hạ vỏ Trái Đất.

Khu vực phát triển năm tổ hợp thạch kiến tạo chính từ Paleozoi sớm đến Kainozoi. Tổ hợp rìa lục địa thụ động Paleozoi sớm gồm trầm tích lục nguyên - carbonat vỡ vụn. Tổ hợp rìa lục địa thụ động Paleozoi giữa - muộn đặc trưng bởi đá vôi hạt mịn. Tổ hợp rìa lục địa tích cực Paleozoi muộn - Mesozoi sớm xuất hiện hoạt động magma phun trào mafic mạnh. Các đá bazan, spilit và tuff liên kết chặt chẽ với sụt lún rift nội lục. Tổ hợp rift nội lục Kainozoi gồm trầm tích mài mòn và sỏi sạn kết trong bồn trũng. Mỗi tổ hợp thạch kiến tạo hình thành trong chế độ ứng suất riêng biệt. Sự chuyển đổi môi trường từ biển nông sang rift tạo dòng magma manti dâng trào. Đây là nền tảng thạch địa động lực cho các phức hệ xâm nhập mang quặng.

Lịch sử kiến tạo Hòa An trải qua năm pha biến dạng chính từ D1 đến D5. Pha D1 tạo các nếp uốn vồng chặt cùng mặt trượt phiến hóa ban đầu. Pha biến dạng D2 diễn ra trong Trias sớm với lực nén ép hướng Đông Bắc - Tây Nam. Pha D2 hình thành nếp uốn đồng điều hòa và đới dập vỡ kiến tạo quy mô lớn. Pha D3 xảy ra trong Mesozoi giữa tạo hiện tượng trượt bằng và căng giãn cục bộ. Pha D4 và D5 hoạt động trong Kainozoi gây nứt nẻ mạnh và dịch chuyển khối tảng. Các đới dập vỡ kiến tạo mở đường cho dung nham magma xâm nhập lên phần nông. Trường ứng suất thay đổi liên tục tạo không gian lưu trữ vật chất quặng. Tiến hóa kiến tạo đa pha quyết định diện phân bố của các thể địa chất magma.

Hệ thống magma xâm nhập tại Hòa An chia thành phức hệ Cao Bằng và phức hệ Núi Điệng. Phức hệ Cao Bằng gồm gabbro, gabbronorit, diabas và plagiogranit phụ. Phức hệ Núi Điệng tuổi Trias sớm gồm dunite, harzburgit, wehrlit và pyroxenit giàu magnesi. Các đá siêu mafic có màu xanh đen, cấu tạo khối đặc sít và kiến trúc tha hình. Tỷ lệ oxit magnesi trong phức hệ Núi Điệng đạt mức rất cao. Phức hệ này mang đặc trưng của nguồn magma nguyên thủy từ manti sâu. Các thể xâm nhập nhỏ dạng thấu kính, mạch và phễu nấm nông. Đá mafic gabbro thường bao quanh hoặc tạo vành rìa cho các lõi siêu mafic. Sự đa dạng thạch học phản ánh chuỗi phân dị magma hoàn chỉnh.

Ba khối xâm nhập tiêu biểu mang khoáng hóa gồm Núi Điệng, Suối Củn và Hà Trì. Khối Núi Điệng có kích thước lớn nhất với lõi peridotit bị serpentin hóa mạnh. Khối Suối Củn nằm sát đứt gãy sâu, chứa nhiều pyroxenit xen kẽ dải gabbro. Khối Hà Trì lộ ra diện tích hẹp nhưng tập trung quặng sunfua đặc xít dưới đáy. Thành phần khoáng vật nguyên sinh gồm olivin, clinopyroxen, orthopyroxen và cromit phụ. Quá trình biến đổi thứ sinh biến olivin thành serpentin, magnetit và talc. Khí mácma nhiệt dịch muộn làm amphibol hóa và biến đổi chlorit các khoáng vật silicat. Vị trí đáy của các khối xâm nhập luôn tích tụ khoáng vật nặng. Đây là nơi ưu tiên phân bố các thân quặng giàu niken và đồng.

Bối cảnh địa động lực vùng Hòa An gắn liền chế độ rạn nứt vỏ lục địa Permi - Trias. Chùm manti Emeishan ảnh hưởng rộng lớn đến rìa Tây Nam khối Hoa Nam và Bắc Việt Nam. Magma tholeiit giàu magnesi dâng lên nhanh qua các đứt gãy sâu xuyên manti. Vỏ Trái Đất bị kéo giãn tạo không gian cho các thể xâm nhập dạng phân lớp nông. Tốc độ làm nguội nhanh trong buồng magma nhỏ thúc đẩy quá trình đông kết tức thời. Áp suất giảm đột ngột kích hoạt sự giải phóng khí và pha sunfua lỏng. Môi trường địa động lực căng giãn kiểm soát vị trí và quy mô các phức hệ đá. Hoạt động mácma mafic siêu mafic dừng lại khi pha nén ép Trias giữa bắt đầu chiếm ưu thế.

Tổ hợp khoáng vật quặng nguyên sinh gồm pyrrhotit, khoáng vật pentlandit chalcopyrit, cubanit và magnetit. Pentlandit là khoáng vật mang niken chủ yếu, phân bố dạng ngọn lửa hoặc hạt tha hình trong pyrrhotit. Chalcopyrit là nguồn chứa đồng chính, tạo viền bao quanh hoặc lấp đầy kẽ hạt silicat. Cromit xuất hiện dưới dạng tinh thể tự hình nhỏ rải rác trong nền đá peridotit. Các khoáng vật thứ sinh gồm violarit, pyrite, covellit, bornit và chalcocit. Cấu tử có ích công nghiệp gồm niken (Ni), đồng (Cu), coban (Co) và kim loại quý (Pt, Pd, Au). Tỷ lệ Ni/Cu trong quặng thường lớn hơn 1, đặc trưng cho quặng magma dung ly siêu mafic. Cấu tạo quặng phổ biến gồm cấu tạo xâm tán hạt mịn, cấu tạo đốm và cấu tạo đặc xít.

Địa hóa quặng niken đồng Cao Bằng phản ánh sự giàu có vượt trội của các nguyên tố ưa sắt và ưa lưu huỳnh. Hàm lượng niken trong thân quặng đặc xít đạt từ 1.0% đến hơn 3.5%. Hàm lượng đồng dao động từ 0.3% đến 1.5%. Tỷ lệ lưu huỳnh tổng số tương quan thuận với hàm lượng niken và đồng. Phổ nguyên tố vết cho thấy sự tương đồng cao giữa các khối xâm nhập Hòa An. Quy mô thân quặng thay đổi từ vài chục mét đến hàng trăm mét chiều dài. Bề dày thân quặng biến đổi từ 0.5 mét đến hơn 15 mét tùy theo hình thái khối magma đáy. Các thân quặng giàu tập trung tại vùng trũng đáy dòng magma. Dữ liệu địa hóa khẳng định quặng niken đồng Cao Bằng có nguồn gốc manti đồng nhất.

Khối Hà Trì chứa các thân quặng niken - đồng có thế nằm dạng thấu kính uốn lượn theo đáy khối xâm nhập. Vỉa quặng cắm dốc theo mặt tiếp xúc giữa đá siêu mafic và đá trầm tích vây quanh. Quặng xâm tán hạt mịn chiếm diện tích lớn ở phần trên khối đá. Quặng mạng mạch và đặc xít tập trung tại đới tiếp xúc sừng hóa dưới đáy. Tại khu vực Phan Thanh, quặng hóa phân bố trong các thể gabbronorit và pyroxenit vụn vỡ. Đứt gãy thứ sinh cắt qua làm xáo trộn thế nằm nguyên sinh của thân quặng Phan Thanh. Quặng tại đây mang nhiều dấu vết tái kết tinh do tác động nhiệt dịch thứ sinh. Cả hai khu vực đều thể hiện thế nằm chịu kiểm soát nghiêm ngặt bởi hình thái buồng magma.

Nguồn manti nóng chảy từng phần với tỷ lệ trên 20% giải phóng triệt để niken từ mạng tinh thể olivin. Dung thể magma nguyên thủy mang hàm lượng niken cao đi vào vỏ Trái Đất. Ban đầu, magma chưa bão hòa lưu huỳnh nên kim loại tồn tại ở dạng hòa tan. Khi magma xuyên qua tầng đá trầm tích giàu than và lưu huỳnh, quá trình đồng hóa diễn ra. Lượng silic và lưu huỳnh vỏ hòa tan vào dung thể làm giảm đột ngột độ hòa tan của sunfua. Hệ quả là pha sunfua lỏng đạt trạng thái quá bão hòa và kết tụ thành giọt độc lập. Hệ số phân bố kim loại giữa pha sunfua và silicat rất cao, thúc đẩy niken làm giàu mạnh. Đây là bước ngoặt quyết định chuyển hóa magma nghèo quặng thành dung thể sinh khoáng giàu.

Sau khi phân tách, các giọt sunfua lỏng có khối lượng riêng lớn hơn dung thể silicat. Dưới tác dụng của trọng lực, giọt sunfua chìm dần xuống đáy buồng magma. Dòng đối lưu magma cuốn các giọt sunfua tiếp xúc với khối lượng dung thể silicat khổng lồ. Quá trình này giúp giọt sunfua thu gom tối đa các nguyên tố Ni, Cu, Co và PGE. Tại đáy buồng magma, các giọt sunfua liên kết lại thành vũng chất lỏng sunfua đặc sít. Khi nhiệt độ hạ thấp, dung thể sunfua kết tinh thành dung dịch rắn monosulfid (MSS) và intermediat (ISS). MSS tiếp tục phân rã thành pyrrhotit và pentlandit ở nhiệt độ thấp hơn. ISS kết tinh tạo chalcopyrit và cubanit. Quá trình phân dị trọng lực tạo nên phân đới quặng từ đặc xít ở đáy đến xâm tán ở trên.

Quặng sunfua tại Hòa An chứa hàm lượng đáng kể các nguyên tố nhóm platin (PGE) như Pt, Pd, Rh, Os. Tỷ lệ Pd/Pt và hàm lượng PGE tương quan chặt chẽ với mức độ bão hòa lưu huỳnh ban đầu. Các nguyên tố PGE hòa tan ưu tiên vào pha sunfua lỏng nhờ hệ số phân bố cực lớn. Khi dung dịch lỏng sunfua kết tinh, PGE tạo khoáng vật độc lập như michenerit, sperrylit hoặc dung dịch rắn trong pentlandit. Sự hiện diện của PGE làm tăng đáng kể giá trị công nghiệp của các tụ khoáng Ni-Cu. Địa hóa đồng vị xác nhận magma có nguồn gốc manti sâu nguyên thủy ít bị biến đổi. Phân tích hàm lượng PGE cung cấp công cụ hữu hiệu để đối sánh các đợt phun trào magma. Đây là định hướng nghiên cứu mới mở rộng tiềm năng kinh tế khu vực.

Đứt gãy sâu Cao Bằng - Lạng Sơn cắm sâu vào vỏ dưới và manti trên. Đới trượt cắt này hoạt động mạnh trong pha căng giãn Permi - Trias. Vận động căng giãn mở rộng khe nứt sâu, tạo đường dẫn thuận lợi cho magma giàu magnesi trồi lên. Dọc theo hành lang đứt gãy, hàng loạt khối xâm nhập siêu mafic định vị thẳng hàng. Tốc độ dâng nhanh của dung thể magma hạn chế sự mất mát nhiệt dọc đường đi. Điều này giữ cho kim loại hòa tan không bị kết tinh sớm ở tầng sâu. Cấu trúc đứt gãy đóng vai trò kênh dẫn vật chất từ buồng magma sâu lên bồn lắng đọng nông. Đây là yếu tố tiên quyết quyết định sự có mặt của các phức hệ siêu mafic tại Hòa An.

Pha biến dạng D2 Trias sớm tạo lực nén ép mạnh, làm uốn nếp các thể magma vừa nguội lạnh. Các khối siêu mafic bị ép dẹp, phiến hóa và hình thành các mặt trượt song song. Thân quặng sunfua dẻo bị ép trượt dọc theo ranh giới tiếp xúc thạch học. Pha biến dạng D3 Jura chuyển sang chế độ trượt bằng, chia cắt khối đá thành các khối tảng nhỏ. Nhiều thân quặng bị đứt đoạn, dịch chuyển hàng chục mét so với vị trí ban đầu. Dung dịch nhiệt dịch lưu thông dọc đới dập vỡ gây tái kết tinh và biến đổi quặng. Các khoáng vật quặng tái phân bố thành dạng mạng mạch xuyên cắt đá vôi và sừng hóa. Hiểu rõ các pha biến dạng giúp khôi phục hình thái nguyên thủy của thân khoáng.

Công tác tìm kiếm thăm dò quặng niken đồng Cao Bằng cần kết hợp đồng bộ nhiều tiêu chí địa chất. Tiêu chí kiến tạo ưu tiên dải giao cắt giữa đứt gãy Cao Bằng - Lạng Sơn và đứt gãy á kinh tuyến. Tiêu chí magma tập trung vào các khối xâm nhập siêu mafic có tỷ lệ MgO/FeO cao và giàu olivin. Tiêu chí địa hóa dựa trên dị thường kết hợp của các nguyên tố Ni, Cu, Co, Cr và Pt. Tiêu chí địa vật lý sử dụng dị thường từ cao và dị thường phân cực kích thích điện trở thấp. Phương pháp trọng lực chi tiết giúp xác định các bồn magma trũng ẩn sâu dưới đáy khối xâm nhập. Định hướng thăm dò cần tập trung khoan sâu kiểm tra phần đáy của các khối Hà Trì, Suối Củn và Núi Điệng.