Phần lớn mạch quặng kim loại hình thành từ dung dịch nhiệt dịch: nước nóng khoảng 100–600 °C, thường mặn, chảy trong khe nứt sâu dưới đất, hoà tan kim loại ở chỗ này rồi để chúng kết tinh lại ở chỗ khác khi nước nguội đi, giảm áp, sôi lên hoặc phản ứng với đá vây quanh. Vàng, đồng, chì, kẽm, thiếc hiếm khi kết tinh trực tiếp từ magma lỏng; chúng được nước nóng "chở" đi và "đổ" xuống thành mạch. Vì cần cùng lúc nguồn kim loại, dòng nước, đường dẫn và chỗ lắng, quặng chỉ tập trung ở vài nơi trên Trái Đất.
Kim loại trong vỏ Trái Đất rải rác tới mức nào?
Hầu như hòn đá nào cũng chứa chút kim loại, nhưng ở nồng độ quá thấp để khai thác. Mỏ là nơi thiên nhiên đã cô đặc kim loại lên hàng trăm, hàng nghìn lần. Bảng dưới cho thấy khoảng cách ấy, theo các số liệu trung bình thường dùng trong giáo trình địa hoá:
| Kim loại | Hàm lượng trung bình trong vỏ (khoảng) | Hàm lượng quặng thường khai thác (khoảng) | Mức cô đặc |
|---|---|---|---|
| Sắt | 5–6% | 30–60% | Vài lần tới hơn chục lần |
| Đồng | khoảng 60 phần triệu | 0,5–1% | Khoảng 100 lần |
| Kẽm | khoảng 70 phần triệu | vài phần trăm | Hàng trăm lần |
| Thiếc | khoảng 2 phần triệu | vài phần nghìn trở lên | Hàng nghìn lần |
| Vàng | vài phần tỉ | vài gam mỗi tấn | Hơn một nghìn lần |
Sắt nhiều sẵn nên quặng sắt chỉ cần cô đặc vừa phải. Vàng thì khác: một tấn đá bình thường chỉ chứa vài phần nghìn gam vàng. Không có quá trình cô đặc tự nhiên mạnh mẽ, con người không thể có vàng để khai thác. Dòng nước nóng trong lòng đất chính là "nhà máy tuyển quặng" của thiên nhiên.
Nước nóng hoà tan kim loại bằng cách nào?
Nước tinh khiết hoà tan kim loại rất kém. Nước nhiệt dịch thì khác ở ba điểm:
- Nóng: ở hàng trăm độ, dưới áp suất cao của lòng đất, nước vẫn lỏng hoặc ở trạng thái siêu tới hạn, và hoà tan khoáng chất mạnh hơn nước nguội nhiều lần.
- Mặn: nước chứa muối clorua. Ion clorua bám vào đồng, chì, kẽm, sắt, tạo phức chất tan được, kéo kim loại đi theo dòng chảy.
- Có lưu huỳnh: vàng di chuyển chủ yếu dưới dạng phức với lưu huỳnh hoà tan (hiđrô sunfua), một cặp đôi rất bền khi nước còn nóng.
Nước ấy đến từ đâu? Có loại thoát ra từ chính magma khi magma nguội và kết tinh, mang theo nước, muối và kim loại hoà tan. Có loại là nước mưa, nước biển thấm sâu xuống vài kilômét, được đá nóng hoặc magma hâm nóng rồi đối lưu ngược lên. Có loại vắt ra từ đá trầm tích bị nén và biến chất ở sâu. Nhiều mỏ lớn là kết quả của nhiều nguồn nước trộn lẫn.
Vì sao kim loại lại lắng xuống thành mạch?
Kim loại kết tủa khi dung dịch không giữ nổi nó nữa. Có bốn cách điều đó xảy ra, và mỗi mỏ thường có một hai cách nổi trội:
- Nguội đi: dung dịch đi lên vùng đá lạnh hơn, khả năng hoà tan giảm, kim loại kết tinh.
- Giảm áp và sôi: khi dòng nước nóng đi vào khe nứt mở rộng đột ngột, áp suất tụt, nước sôi lên. Khí hiđrô sunfua thoát vào pha hơi, phức vàng mất "chỗ dựa", vàng kết tủa. Một nghiên cứu năm 2013 cho rằng các trận động đất làm khe nứt mở ra đột ngột có thể khiến vàng lắng xuống từng đợt theo cách này.
- Trộn với nước khác: dung dịch nóng gặp nước ngầm nguội hoặc nước biển, nồng độ và nhiệt độ thay đổi, kim loại kết tủa.
- Phản ứng với đá vây quanh: dung dịch có tính axit gặp đá vôi bị trung hoà, kim loại lắng xuống. Nhiều mỏ chì kẽm, mỏ đồng – sắt dạng skarn sinh ra ở tiếp xúc giữa khối granit và đá vôi.
Cùng lúc với kim loại, silic hoà tan trong nước nóng cũng kết tinh thành thạch anh trắng đục, lấp đầy khe nứt. Vì vậy hình ảnh quen thuộc của mạch vàng là một dải thạch anh trắng cắt qua đá sẫm màu, đôi chỗ lấm tấm khoáng vật sunfua hoặc vàng. Nhiều mạch bị nứt ra rồi lấp lại hàng chục, hàng trăm lần, để lại các lớp song song như vân gỗ.
Có những kiểu mỏ nhiệt dịch nào?
Mỏ đồng porphyr: khổng lồ nhưng nghèo
Hình thành phía trên các khối magma xâm nhập ở đới hút chìm. Đá xung quanh bị nứt thành mạng lưới vô số mạch nhỏ, mỗi mạch chứa chút đồng, molipden, có khi kèm vàng. Hàm lượng thấp, thường dưới 1% đồng, nhưng khối quặng lớn tới hàng trăm triệu tấn hay hơn. Loại mỏ này cung cấp phần lớn đồng cho thế giới, tập trung dọc dãy Andes, Bắc Mỹ, vùng Tây Thái Bình Dương.
Mỏ nhiệt dịch nhiệt độ thấp gần mặt đất
Hình thành ở độ sâu chỉ khoảng một, hai kilômét, nhiệt độ thường dưới 300 °C, thường liên quan tới núi lửa và suối nước nóng. Nhiều mỏ vàng – bạc giàu thuộc kiểu này. Quá trình sôi của nước nóng đóng vai trò lớn.
Mạch vàng thạch anh trong đai núi cổ
Hình thành sâu hơn, ở các đới đá bị ép nén, uốn nếp khi các mảng lục địa va vào nhau. Nước vắt ra từ đá biến chất mang vàng đi lên theo các đứt gãy lớn. Nhiều mỏ vàng lâu đời nhất thế giới thuộc kiểu này, có tuổi hàng tỉ năm.
Ống khói đen dưới đáy đại dương
Năm 1979, tàu lặn Alvin phát hiện những "ống khói" phun dòng nước đen nghịt ở sống núi Đông Thái Bình Dương, ngoài khơi Mexico. Nước biển thấm xuống đáy biển, được magma bên dưới nung tới khoảng 350 °C hoặc hơn, hoà tan kim loại rồi phun ngược lên. Gặp nước biển gần 2 °C, sunfua sắt, đồng, kẽm kết tủa tức thì thành đám "khói" đen và xây dần những ống khói khoáng chất cao hàng chục mét. Áp suất của biển sâu giữ cho nước nóng ấy không sôi. Đây là cách mạch quặng hình thành mà con người có thể quan sát tận nơi, đang diễn ra ngay hôm nay. Nhiều mỏ đồng – kẽm trên đất liền là ống khói đen cổ, được nâng lên theo chuyển động kiến tạo.
Mỏ thiếc – vonfram quanh granit
Thiếc, vonfram, liti thường gắn với các khối granit giàu silic. Ở giai đoạn cuối kết tinh, dung dịch giàu flo, bo và kim loại hiếm tách ra, đi vào khe nứt ở rìa khối granit. Các mỏ thiếc ở Cao Bằng và Tây Bắc Việt Nam có mối liên hệ với granit theo kiểu này; câu chuyện khai thác cụ thể được kể trong các bài về mỏ Việt Nam.
Làm sao biết mạch quặng hình thành ở bao nhiêu độ?
Khi thạch anh kết tinh trong mạch, nó thường nhốt lại những giọt dung dịch cực nhỏ, chỉ vài micromét, gọi là bao thể lỏng. Mỗi bao thể là một mẫu nước nhiệt dịch nguyên bản, đóng kín hàng triệu năm. Lúc nguội, chất lỏng bên trong co lại, sinh ra một bọt khí nhỏ.
Trong phòng thí nghiệm, các nhà địa chất đặt lát thạch anh mỏng lên một bàn nhiệt gắn dưới kính hiển vi và nung từ từ. Tới một nhiệt độ nào đó, bọt khí biến mất: chất lỏng nở ra lấp đầy bao thể. Nhiệt độ ấy cho biết gần đúng nhiệt độ lúc mạch hình thành. Làm lạnh mẫu tới khi chất lỏng đông đặc, đo điểm nóng chảy của băng bên trong, họ còn suy ra độ mặn: nước càng mặn càng chảy ở nhiệt độ thấp hơn, đúng nguyên lý muối làm hạ điểm nóng chảy.
Một mẩu thạch anh nhỏ vì thế chứa cả một bản ghi nhiệt độ và hoá học của dòng nước đã chở kim loại tới.
Vì sao quặng chỉ tập trung ở vài nơi?
Muốn có mỏ, phải đủ cả chuỗi điều kiện: có nguồn kim loại, có dòng nước nóng mang đi, có đường dẫn là đứt gãy hay vùng đá nứt, có chỗ "bẫy" làm kim loại lắng xuống, và sau cùng, mỏ phải được bảo tồn qua hàng triệu năm bào mòn rồi lộ ra vừa đủ gần mặt đất. Thiếu một mắt xích là không có mỏ. Đó là lý do mỏ hiếm, phân bố theo vành đai địa chất, và vì sao thăm dò khoáng sản là nghề tốn nhiều năm, nhiều mũi khoan mới gặp được một thân quặng đáng khai thác.
Một lưu ý an toàn: các đường lò mỏ bỏ hoang, kể cả ở vùng có lịch sử khai thác, rất nguy hiểm vì sập lò, thiếu ôxy, khí độc tích tụ và nước ngập. Không vào lò cũ khi không có người có chuyên môn và cho phép. Khai thác vàng trái phép dùng thuỷ ngân hay xyanua đầu độc người, sông suối và đất đai lâu dài; đó là vấn đề pháp luật và sức khoẻ, không phải nghề phiêu lưu.
Muốn ngắm mạch quặng thật, các bảo tàng địa chất và bảo tàng của trường đại học mỏ – địa chất thường trưng bày mẫu thạch anh chứa vàng, quặng đồng, quặng chì kẽm. Nhìn tận mắt một khe nứt đã được "hàn" lại bằng khoáng vật, sẽ hiểu vì sao người ta gọi đó là mạch.
Câu hỏi thường gặp
Mạch quặng là gì?
Mạch quặng là khe nứt trong đá đã được lấp đầy bởi khoáng vật kết tinh từ dung dịch nóng, trong đó có khoáng vật chứa kim loại như vàng, đồng, chì, kẽm, thiếc. Mạch thường có thạch anh hoặc canxit đi kèm.
Dung dịch nhiệt dịch là gì?
Là nước nóng, thường mặn và chứa lưu huỳnh, chảy trong lòng đất ở nhiệt độ khoảng 100–600 °C. Nước có thể thoát ra từ magma, là nước mưa hay nước biển thấm sâu được nung nóng, hoặc nước vắt ra từ đá biến chất.
Vì sao vàng hay nằm trong mạch thạch anh?
Vì cùng một dung dịch nóng chở cả silic lẫn vàng. Khi dung dịch nguội, giảm áp hoặc sôi, silic kết tinh thành thạch anh lấp khe nứt, đồng thời vàng mất phức chất giữ nó trong dung dịch và kết tủa cùng chỗ.
Ống khói đen dưới đáy biển là gì?
Là các miệng phun nước nóng khoảng 350 °C ở sống núi giữa đại dương, phát hiện năm 1979. Khi gặp nước biển lạnh, sunfua sắt, đồng, kẽm kết tủa tức thì thành khói đen và ống khói khoáng chất, chính là một kiểu mạch quặng đang hình thành.
Làm sao biết quặng hình thành ở nhiệt độ bao nhiêu?
Nhờ bao thể lỏng: những giọt dung dịch nhỏ bị nhốt trong tinh thể thạch anh. Nung mẫu dưới kính hiển vi tới khi bọt khí trong bao thể biến mất sẽ cho biết gần đúng nhiệt độ hình thành, còn làm lạnh cho biết độ mặn.
