Giáo trình địa chất cơ sở phần 1

Để dự đoán được những gì sẽ xảy ra trong tương lai, chúng ta cần phải có hiểu biết về thành phần vật chất của vỏ Trái đất, cũng như các quá trình và hiện tượng địa chất.. Đ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

Chủ biên: TS Nguyễn Khắc Hiếu Tham gia: ThS Nguyễn Thị Thu Hương

GIÁO TRÌNH

ĐỊA CHẤT CƠ SỞ

DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ)

QUẢNG NINH - 2021

BÀI MỞ ĐẦU

1 Địa chất học và đối tượng nghiên cứu của địa chất học

Địa chất học xuất xứ từ thuật ngữ Geologos của Hy lạp, trong đó: Geo – là trái đất, logos – là học thuyết Như vậy theo nghĩa rộng, địa chất học là môn khoa học về Trái đất hay địa chất học là các học thuyết về Trái đất Địa chất học bao gồm các kiến thức của các ngành khoa học về Trái đất như: Địa vật lý, địa hóa, địa mạo, địa lý học… Hiện nay, địa chất học được hiểu theo nghĩa hẹp, nó là môn khoa học nghiên cứu vỏ Trái đất, đúng ra là nghiên cứu thạch quyển

Đối tượng nghiên cứu của Địa chất học: là phần vật chất cứng của vỏ Trái đất như thành phần vật chất tạo thành cấu trúc của chúng, quá trình hình thành, biến động và tiến triển của chúng Đối tượng nghiên cứu này có quy mô rộng lớn và không ngừng bị biến đổi (về thành phần, về cấu trúc…) Mặt khác, để nghiên cứu

vỏ Trái đất, không phải chỉ quan sát trên mặt mà phải đi sâu xuống lòng đất (khoan lấy mẫu đá…) Như vậy, nghiên cứu vỏ Trái đất là một việc làm rất khó khăn, phức tạp

2 Nhiệm vụ cơ bản của địa chất học

Địa chất học gồm nhiều nhánh nghiên cứu khác nhau, trong đó có địa chất cơ

sở, địa chất lịch sử, Địa chất cơ sở nghiên cứu các quá trình địa chất xảy ra ở bên trên và bên dưới bề mặt Trái đất, và các vật chất bị chúng tác động Địa chất lịch sử nghiên cứu về trình tự các sự kiện xảy ra trong quá khứ Ngoài ra tùy thuộc vào các đối tượng nghiên cứu cụ thể, địa chất học sẽ có các nhánh nghiên cứu riêng:

- Nghiên cứu đầy đủ chính xác thành phần vật chất của vỏ Trái đất (thành phần hóa học, thành phần khoáng vật, thành phần đá), gồm các môn khoa học như: Tinh thể học, khoáng vật học, thạch học…;

- Nghiên cứu về sự vận động (sự chuyển động kiến tạo) của vỏ Trái đất diễn

ra theo đúng không gian, thời gian, gồm các môn khoa học như: Địa chất cấu tạo, địa kiến tạo, tân kiến tạo, địa mạo…;

- Nghiên cứu về lịch sử hình thành các loại đá, gồm các môn khoa học như: Địa tầng học, trầm tích luận, thạch học đá magma, thạch học đá biến chất…;

- Nghiên cứu nguồn gốc, quy luật phân bố của tài nguyên khoáng sản trong

vỏ Trái đất, gồm các môn khoa học như: Khoáng sàng học, tìm kiếm - thăm dò khoáng sản, địa hóa, địa vật lý, kinh tế địa chất, khoan thăm dò…;

- Nghiên cứu nguồn gốc, sự phân bố của nguồn tài nguyên nước trong vỏ Trái đất, gồm các môn khoa học như: Địa chất thủy văn, động lực học nước dưới đất…;

2

- Nghiên cứu các điều kiện địa chất ảnh hưởng tới việc xây dựng các công trình cũng như công trình xây dựng, gồm các môn khoa học như: Địa chất công trình - địa chất thủy văn, địa chất công trình - địa kỹ thuật…;

- Nghiên cứu về tai biến và môi trường địa chất gồm các môn khoa học như: Địa chất môi trường, địa chấn…

Tuy nhiên có thể tổng kết lại, nhiệm vụ cơ bản của địa chất học như sau:

- Phải làm sáng tỏ thành phần của vỏ Trái đất (thành phần hóa học, thành phần khoáng vật và thành phần đất đá tạo nên vỏ Trái đất);

- Phải nghiên cứu, đánh giá đặc điểm cấu trúc bên trong của vỏ Trái đất;

- Làm sáng tỏ lịch sử phát triển biến đổi theo thời gian của vỏ Trái đất Trái đất nói chung và vỏ Trái đất nói riêng đều bị biến đổi theo thời gian Đặc biệt lớp vỏ Trái đất biến đổi rất rõ nét ngay từ khi nó được sinh ra cho tới ngày nay

Ý nghĩa của việc nghiên cứu địa chất học: Việc nghiên cứu địa chất có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng với mục đích cuối cùng là phục vụ đời sống của con người Cuộc sống của muôn loài phụ thuộc vào môi trường xung quanh và môi trường đó được quyết định bởi các quá trình địa chất trên mặt hay các quá trình trong lòng Trái đất Do đó hiểu biết của con người về các quá trình địa chất sẽ quyết định tương lai của nhân loại nhờ vào việc dự báo và tiên đoán của khoa học địa chất Để dự đoán được những gì sẽ xảy ra trong tương lai, chúng ta cần phải có hiểu biết về thành phần vật chất của vỏ Trái đất, cũng như các quá trình và hiện tượng địa chất

Hầu như tất cả các nguồn tài nguyên con người đang sử dụng đều bắt nguồn từ trái đất, do đó việc nghiên cứu và hiểu biết rõ quy luật phân bố, trữ lượng tài nguyên có mặt bên trong và trên mặt đất, ý nghĩa của chúng đối với cuộc sống con người sẽ giúp chúng ta định hướng được sự phát triển thông qua việc khai thác và

sử dụng tài nguyên hợp lý

Toàn bộ các kết cấu đều do con người tạo ra (nhà cửa, cầu cống, đường xá, sân bay ) và đều được đặt trên nền móng là phần trên cùng của Trái đất nên độ an toàn và ổn định của chúng sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào sự hiểu biết về nền móng thông qua nghiên cứu về địa chất

Tất cả các tai biến đã, đang và sẽ xảy ra đều có nguồn gốc từ các hoạt động của Trái đất Có thể một ngày nào đó chúng ta sẽ có cách để khắc phục các thiên tai, nhưng hiện tại điều tốt nhất chúng ta có thể làm được là dự đoán các thiên tai đó sẽ xảy ra khi nào, ở đâu để chuẩn bị đối phó Để có thể dự đoán được chính xác các hiện tượng đó chúng ta phải có hiểu biết về sự thay đổi, các dấu hiệu của nó thông

3

qua việc nghiên cứu các quá trình địa chất

3 Các phương pháp nghiên cứu của địa chất học

Địa chất học là một môn khoa học độc lập vì nó có đủ ba điều kiện Có đối tượng nghiên cứu rõ ràng; có cơ sở lý thuyết hoàn chỉnh; có hệ thống phương pháp nghiên cứu độc lập, khoa học Việc nghiên cứu đối tượng được thực hiện theo một trình tự chặt chẽ và khoa học Từ quan sát, thu thập số liệu, thống kê phân tích xử lý

số liệu rồi tiến tới những kết luận, những định luật có cơ sở khoa học chắc chắn

Đối tượng nghiên cứu sẽ quyết định phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của địa chất học là vỏ Trái đất, nó không chỉ khác với những đối tượng nghiên cứu khác về quy mô quá lớn, không gian rất đa dạng, từ các lục địa tới các hạt khoáng vật hoặc nhỏ hơn, và có một lịch sử hình thành, phát triển rất lâu dài, phức tạp dưới các điều kiện hóa lý khác nhau trong quá khứ mà nó còn nhiều đặc thù riêng Nhìn chung, việc nghiên cứu địa chất bao gồm tổ hợp các phương pháp sau:

a Phương pháp nghiên cứu khảo sát ngoài trời (ngoài thực địa)

Đây là phương pháp bắt buộc và có tầm quan trọng số một trong hệ thống phương pháp nghiên cứu Kết quả nghiên cứu của nó là cơ sở để tiến hành nghiên cứu các phương pháp khác, kết qủa thu thập được đều được coi là “tài liệu gốc – tài liệu nguyên thủy”

Công tác nghiên cứu thực địa, được tiến hành có khi chỉ là những tuyến khảo sát của các nhà địa chất, với các dụng cụ rất thô sơ như búa, địa bàn địa chất, thước dây,… và bằng mắt thường mô tả những vấn đề cần thiết, kết hợp với việc thu thập những loại mẫu khác nhau (mẫu đá, mẫu quặng, mẫu hóa thạch…) Công tác khảo sát nghiên cứu thực địa có khi được tiến hành với sự hỗ trợ của các thiết bị hiện đại như: Khoan thăm dò hoặc các thiết bị đặt trên máy bay chuyên dụng (phương pháp khảo sát trọng lực, từ hàng không vv…) Ngày nay, khoa học vũ trụ phát triển, thành tựu đó cũng được sử dụng nghiên cứu địa chất trên quy mô toàn cầu, đem lại những kết quả rất to lớn Ảnh viễn thám - ảnh chụp từ vũ trụ, kết hợp với sự ra đời của kính lập thể đã giúp cho các nhà địa chất bớt đi nhiều công sức, thời gian, tiền của mà hiệu quả nghiên cứu vỏ Trái đất rất cao

b Phương pháp nghiên cứu trong phòng

Mục đích của phương pháp nghiên cứu trong phòng là xử lý, phân tích tổng hợp tài liệu nguyên thủy đã được thu thập ngoài thực địa Ở trong phòng, tất cả các lọai mẫu đều được phân tích đầy đủ chính xác những chỉ tiêu cần thiết, bằng các phương pháp và thiết bị khác nhau

4

c Phương pháp hiện tại luận

Đây là phương pháp rất riêng của địa chất học, “hiện tại luận” có nghĩa là từ cái mới suy ra cái cũ - từ hiện đại suy ra quá khứ

Xuất phát từ việc nghiên cứu điều kiện môi trường hình thành của đá trong giai đoạn hiện nay (ví dụ: muối mỏ, than đá…), chúng ta có thể suy ra đặc điểm môi trường hình thành chúng trong quá khứ

Tuy vậy, phương pháp này không được sử dụng nhiều trong địa chất vì nó có mặt hạn chế sau: Môi trường hoàn cảnh địa chất xưa và nay không thể giống nhau hoàn toàn

d Phương pháp đối sánh địa chất – phương pháp tương tự

Đây là phương pháp đối chiếu, so sánh tài liệu địa chất của một khu vực nào đó đã được nghiên cứu đầy đủ, chi tiết với khu vực khác đang nghiên cứu Từ tài liệu của khu vực đã nghiên cứu sẽ rút ra những kết luận đúng đắn cho khu vực đang nghiên cứu

Phương pháp này ra đời trên cơ sở mỗi loại khoáng sản thường được thành tạo trong cùng một môi trường và trong cùng một thời kỳ địa chất thì thường có cùng đặc điểm, tính chất… Vì vậy giải bài toán ngược: Nếu cùng một loại khoáng sản ở hai khu vực khác nhau khi chúng lại giống nhau về đặc điểm, tính chất thì cho phép ta kết luận khoáng sản ở hai nơi được sinh ra trong cùng một môi trường địa chất, cùng một thời kỳ

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu hỏi 1 Địa chất học là gì? Nêu nhiệm vụ và đối tượng nghiên cứu của địa chất học theo từng nhóm chuyên ngành?

Câu hỏi 2 Ý nghĩa của việc nghiên cứu địa chất học là gì?

Câu hỏi 3 Trình bày các phương pháp nghiên cứu của địa chất học?

5

CHƯƠNG 1 TRÁI ĐẤT VÀ THÀNH PHẦN VẬT CHẤT CỦA VỎ TRÁI ĐẤT

1.1 Khái quát về trái đất

1.1.1 Nguồn gốc của trái đất

Nguồn gốc trái đất và sự tiến hóa của nó từ xưa đến nay đã được con người

và nhiều ngành khoa học như thiên văn, địa lý, địa chất, vật lý, triết học quan tâm nghiên cứu giải thích Nhận thức phát triển trải qua nhiều giai đoạn Trước thế kỷ XVIII trở đi việc giải thích gắn với các giả thuyết khoa học Ngày nay có thể thấy rằng sự hình thành và phát triển của Trái đất có liên quan với thành phần vật chất, các diễn biến tiến hóa của các trường địa vật lý, các trạng thái địa nhiệt, với nguồn gốc của các vòng quyển bao quanh Trái đất Mặt khác nhiều tư liệu cho thấy, sự hình thành Trái đất chịu ảnh hưởng rất lớn của các hệ thống thiên thể gần và xa trong vũ trụ, trước mắt quan trọng hơn cả là hệ mặt trời Những biến đổi lớn về mặt địa chất, khí hậu,… trên Trái đất phản ánh các sự kiện đổi thay của Mặt trời, hệ Mặt trời, phản ánh sự tiến hóa của các thiên thể trong hệ Mặt trời

Từ lâu con người đã quan tâm giải thích nguồn gốc của Mặt trời và trái đất Trong quá trình nhận thức đó, có hai trường phái luôn đấu tranh với nhau là trường phái duy tâm và trường phái duy vật Thiên chúa giáo giải thích theo quan điểm duy tâm thần bí, các nhà khoa học giải thích theo quan điểm duy vật Từ thế kỷ XVIII khoa học phát triển, các nhà khoa học đã xây dựng nhiều giả thuyết khác nhau để giải thích nguồn gốc của Mặt trời và trái đất Đó là các giả thuyết tinh vân, giả thuyết cho rằng mặt trời và hành tinh đều do từ một tinh vân tạo thành, giả thuyết tai biến thì cho rằng Mặt trời xuất hiện từ trước sau đó bị một hành tinh hút lại hoặc

va chạm vào làm cho một số vật chất bị kéo ra tạo thành hành tinh và giả thuyết thu hút cho rằng Mặt trời hình thành trước sau đó thu hút những vật chất trong hệ Ngân hà để tạo ra hành tinh và vệ tinh Dưới đây là giả thuyết của một số tác giả

- Giả thuyết của I.Kant (1755): I.Kant cho rằng, trong vũ trụ có nhiều bụi, hơi tạo thành tinh vân Do lực hấp dẫn chúng liên kết lại thành những khối nhỏ Do lực đẩy và hút lẫn nhau, các khối nhỏ tập trung thành khối lớn Và cũng do lực đẩy

và hút gây ra sự va chạm tạo thành sự quay tròn Sự tập trung vật chất trong vũ trụ lớn dần thành Mặt trời nguyên thủy Mặt trời tự quay làm cho vật chất tập trung dần vào xích đạo, dần dần thành dạng bẹt tròn và vật chất tập trung vào trung tâm Cũng

do quay mà Mặt trời đã văng ra các hành tinh và vệ tinh quay quanh Mặt trời

- Giả thuyết Laplaxơ (1796): P.S.Laplaxơ độc lập nêu ra giả thuyết về nguồn gốc của hệ Mặt trời Ông cho rằng hệ Mặt trời lúc đầu rất rộng lớn, gồm những khối

6

tinh vân hình cầu nóng và vật chất thưa mỏng Tinh vân này lúc đầu chuyển động chậm chạp sau đó cũng tăng Tinh vân biến dần thành dạng đĩa dẹt Khi lực ly tâm lớn hơn lực hút thì tách ra một vòng và dần dần tách ra các vòng tương ứng với số hành tinh sau này và quỹ đạo của các hành tinh là khoảng cách của vòng tới tâm của tinh vân nguyên thủy Các vòng tạo hành tinh nóng cũng với phương thức như trên tạo ra các vệ tinh Vòng của sao Thổ được xem như là vòng mà chúng chưa đông nén lại để thành vệ tinh Ở giữa sao Hỏa và sao Mộc (vòng thức 5) vật chất càng bị phân chia thành rất nhỏ tạo ra đới các tiểu hành tinh

Giả thiết của I.Kant và Laplaxơ được xây dựng độc lập nhưng vì tính chất và cách giải thích gần giống nhau nên được gọi chung là giả thuyết Kant – Laplaxơ: Giả thuyết này thống trị trong suốt thế kỷ XIX Về sau bị chứng minh là không hợp lý vì Laplaxơ đã không giải quyết được vấn đề momen động lượng Ngoài ra, giả thuyết của hai ông còn có các thiếu sót sau: Tại sao vệ tinh các sao Mộc và sao Thổ

có chiều quay ngược lại chiều quay của đa số thiên thể trong hệ Mặt trời; Tại sao mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng quỹ đạo của cả 5 vệ tinh của Thiên Vương Tinh đều vuông góc với mặt phẳng hoàng đạo; Nếu theo sơ đồ của Laplaxơ thì các vành đai vật chất phải tự quay theo hướng xuôi kim đồng hồ nhưng thực tế chúng lại quay ngược chiều kim đồng hồ; Trong khi tự quay, tại sao không khí ở vành vật chất lại ngưng tụ lại thành hành tinh, trong khi kết quả nghiên cứu phải phân tán vào

vũ trụ; Mặt trời tự một vòng quay quanh trục phải mất từ 25 – 27 ngày Tốc độ tự quay chậm đó làm sao đủ sức tách một phần vật chất ra thành các hành tinh Ngay

cả độ dẹt do sức ly tâm sinh ra cũng không quan sát thấy

- Giả thuyết Jeans hay giả thuyết “tai biến”: Theo Jeans thì việc tách một phần vật chất vũ trụ từ Mặt trời để hình thành các hành tinh là do tác động của một ngôi sao lạ nào đó, lớn tương tự Mặt trời đã đi vào phạm vi hệ Mặt trời một cách ngẫu nhiên và khoảng cách chúng chỉ còn bằng bán kính Mặt trời Ở điều kiện đó, hiện tượng triều lực sẽ làm cho vật chất của Mặt trời lồi ra ở hai phía đối diện thành bướu vật chất nóng đỏ Bướu hướng về phía Mặt trời của thiên thể lạ dày hơn nhiều

so với bướu đối diện Nó tách ra khỏi Mặt trời, đứt ra từng đoạn sinh ra hành tinh Giả thuyết giải quyết được vấn đề momen quay của hành tinh không phụ thuộc vào động lượng Mặt trời

Nhưng giả thuyết này mắc một sai lầm khác: Các nhà thiên văn đã tính được rằng khoảng cách giữa các thiên thể là rất lớn, nếu giả sử đường kính Mặt trời bằng 1mm thì khoảng cách từ nó đến ngôi sao gần nhất phải bằng 20 – 25km, vậy trong

sự chuyển động hỗn độn đó làm sao một ngôi sao lạ lại có thể may mắn đi đến Mặt

7

trời với khoảng cách 1mm

- Giả thuyết của E.Hoyle (Anh) và Schatzman (Pháp): Trong những năm 60 của thế kỷ XX, hai nhà thiên văn Anh và Pháp nêu trên tìm cách giải thích theo hướng điện từ trường tác dụng trong quá trình thành tạo Mặt trời và hành tinh Hai ông cho rằng ban đầu đám tinh vân trong vũ trụ tụ tập dần thành khối quay chuyển với tốc độ không cao nhiệt độ cũng thấp Dần dần nó co rút thể tích với tốc độ quay tăng nhanh Đến một mức độ nhất định thì thành hình dẹt, xích đạo phình ra đến nỗi một số vật chất bị văng ra ngoài tạo thành dạng một đĩa tròn quay quanh Mặt trời Trọng khối của đĩa tròn cũng chỉ bằng 1/100 của Mặt trời Vật chất của đĩa tròn dần dần hình thành các mầm hành tinh và sau đó thành hành tinh Mặt trời bức xạ nhiệt hạch tạo ra một điện từ trường trong không gian của hệ Mặt trời Khi đĩa tròn vật chất rời khỏi Mặt trời thì ở chỗ ranh giới của chúng phát sinh hiện tượng cơ học từ lưu đưa đến chỗ từ dẫn đến momen và Mặt trời chuyển momen động lượng sang cho đĩa tròn Nhờ momen động lượng tăng lên mà đĩa tròn mở rộng ra ngoài Mặt trời thu nhỏ lại, nhưng vì mất đi momen động lượng nên tốc độ quay chậm lại Mặt trời bức xạ gió Mặt trời thổi bay xa các vật chất nhẹ hình thành các hành tinh thuộc nhóm Trái đất

- Giả thuyết Otto Smith: Giả thuyết được nêu ra năm 1946 Otto Smith cho rằng Mặt trời đi qua đám tinh vân Tinh vân này vốn đã có riêng momen động lượng Mặt trời thu hút chúng lại và làm cho chúng quay xung quanh Mặt trời Trong quá trình quay các điểm vật chất, các khí thể va đập lẫn nhau, hút lẫn nhau làm cho chúng tập trung dần dần thành các hành tinh Những tập hợp gần Mặt trời bị đốt nóng bức xạ làm cho trong thành phần nhiều thể khí nhẹ bay đi Những tập hợp ở xa thì nguội lạnh hơn, các khí ngưng kết lại Chính vì thế đã tạo ra hai nhóm hành tinh

Trong quá trình hình thành các hành tinh, do tác dụng của bức xạ nhiệt và ánh sáng Mặt trời, những vành vật chất ở gần trung tâm bị hun nóng nhiều nhất Thành phần khí và một số chất rắn vành này bị bốc hơi và bị áp lực ánh sáng đẩy ra phía ngoài Rút cuộc ở những vành này chỉ còn khối lượng nhỏ vật chất nhưng nặng và có độ bốc hơi kém là Fe và Ni Điều này giải thích được tại sao các hành tinh thuộc nhóm Trái đất có kích thước nhỏ nhưng tỷ trọng lớn

Sao thủy có khối lượng và tốc độ tự quay nhỏ nhất vì nó gần Mặt trời nhất: Bức xạ mạnh của Mặt trời làm giảm khối lượng và sự ma sát lớn của triều lực làm giảm tốc độ tự quay của nó

Tính chất đặc biệt của sao Hỏa về mặt khối lượng cũng là do tác động của

Vào cuối thời kỳ ngưng tụ, Trái đất đã có khối lượng lớn gần như hiện nay thì nội bộ diễn ra quá trình tăng nhiệt Lúc đầu là nhiệt của quá trình di chuyển vật chất do phốt pho sau đó là quá trình phóng xạ của vật chất Sự tăng nhiệt dẫn đến sự nóng chảy của vật chất bên trong sắp xếp thành nhân, bao manti và vỏ như hiện nay

Trái đất lúc đầu nguội lạnh sau đó nóng dần lên Trái đất hình thành cách đây khoảng 4,5 – 4,6 tỷ năm, còn lớp vỏ thì cách đây khoảng 3 tỷ năm

1.1.2 Vị trí, hình dạng, kích thước và hình thái bề mặt Trái đất

1.1.2.1 Vị trí Trái đất trong vũ trụ

Trái đất là một thiên thể trong vũ trụ Vũ trụ là một thế giới vật chất bao quanh Hiện nay, khoa học cho biết có đến mười tỷ hệ sao, hệ xa nhất mà con người có thể quan sát được với trình độ kỹ thuật hiện đại là 1010 năm ánh sáng, một năm ánh sáng bằng 94,6 x 1012 km Khoảng cách giữa các hệ sao khoảng 1,6 x 109km năm ánh sáng

Trái đất nằm trong hệ Mặt trời (hình 1.1) Hệ Mặt trời nằm trong một hệ lớn hơn nhiều gọi là hệ Ngân hà Hệ Ngân hà là một phần nhỏ trong một hệ lớn hơn gọi là Thiên hà Nhiều Thiên hà nằm trong một hệ lớn hơn nữa là siêu Thiên hà

Trái đất € Hệ Mặt trời € Hệ Ngân hà € Hệ thiên hà € Hệ siêu thiên hà

Hình 1.1 Vị trí trái đất trong hệ Mặt trời

9

Hệ Mặt trời là một hành tinh có Mặt trời ở trung tâm và các thiên thể nằm trong phạm vi lực hấp dẫn của Mặt trời Tất cả chúng được hình thành từ sự bùng

nổ của một đám mây phân tử khổng lồ cách đây gần 4,6 tỷ năm

Hệ Mặt trời gồm 8 hành tinh tính từ Mặt trời ra gồm: Sao Thủy, Sao Kim, Trái đất, Sao Hỏa, Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương, Sao Hải Vương

Trước kia, Hệ Mặt trời gồm 9 hành tinh, gồm cả Sao Diêm Vương Tuy nhiên, tháng 8 năm 2006 (Quyết định của hội Thiên văn quốc tế - IAU -International Astronomical Union), hành tinh này đã được xem xét lại và với các yếu tố khối lượng, đường kính, khả năng phản chiếu ánh sáng quá thấp so với 8 hành tinh còn lại, sao Diêm vương bị loại khỏi Hệ Mặt trời

Trong 8 hành tinh thuộc hệ Mặt trời được chia ra hai nhóm: nhóm hành tinh đất đá và nhóm hành tinh khí (hình 1.2)

Các hành tinh đất đá gồm: Sao Thủy, Sao Kim, Trái đất và Sao Hỏa là những hành tinh gần Mặt trời, nhỏ, rắn chắc, cấu tạo bởi các loại đá, có mật độ cao Thành phần của chúng tương đối giống nhau

Các hành tinh khí gồm: Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương, Sao Hải Vương là những hành tinh ở xa Mặt trời hơn, kích thước lớn nhưng mật độ thấp Chúng có thể có thành phần cứng như của các hành tinh đất nhưng phần lớn khối lượng của chúng là một lớp khí quyển dày cấu tạo bởi Hydro, Heli và các loại khí khác Bầu khí quyển này có thể quan sát được từ Trái đất

1.1.2.2 Hình dạng, kích thước Trái đất

a Hình dạng Trái đất

Newton đã chứng minh rằng dưới tác dụng của lực hấp dẫn, Trái đất bị ép theo phương trục quay và có dạng elipxoit Gọi a là bán kính xích đạo b là bán kính cực thì độ dẹt d của Trái đất là:

Hình 1.2 Nhóm hành tinh đất đá và hành tinh khí

10

𝑑 = 𝑎−𝑏

𝑎 (1.1) Tại hội nghị trắc địa thế giới lần thứ XVI (IUGG) ở Grenoble năm 1975, người ta đã thống nhất xác định: a = 6378,140 km ± 5m; b= 6356,779 km và d=1/298,275

Ngày nay qua đo đạc người ta xác định được Trái đất có hình elipxoit ba trục Mặt phẳng xích đạo có hai bán kính a1 và a2 Do đó sẽ có hai độ dẹt: độ dẹt xích đạo (de), độ dẹt chung (da):

Kết quả quan sát của vệ tinh nhân tạo cho thấy Trái đất có dạng hình quả lê

So với dạng elipxoit lý tưởng thì cực Bắc nhô ra 10m, cực Nam lõm vào 30m (hình 1.3) Địa hình Trái đất lồi lõm chênh nhau rất lớn

b Kích thước của Trái đất

Kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy rằng, bán kính của Trái đất không đều nhau Bán kính ở xích đạo lớn hơn bán kính ở cực khoảng 21,384m Ngoài ra người ta cũng nhận thấy rằng các bán kính ở mặt phẳng xích đạo cũng không giống nhau Mặt phẳng cắt qua mặt xích đạo là một elip có một trục dài và một trục ngắn Trục dài đi qua kinh độ đông 1600, kinh độ tây 200 Trục ngắn đi qua kinh độ đông 700, kinh độ tây 1100 Hai trục có độ dài chênh nhau là 430m Hai bán kính Bắc và Nam nằm trên một mặt phẳng kinh tuyến cũng không bằng nhau Bán kính Bắc dài hơn bán kính Nam khoảng 242m

Hình 1.3 Hình dạng quả lê của Trái đất

(theo King, Hele,… 1969)

Cực Bắc

Cực Nam Lõm 30m Lồi 10m

11

Bảng 1.1 Bảng các thông số về kích của Trái đất (theo IUGG, 1975)

Bề mặt Trái đất không bằng phẳng Đỉnh cao nhất trên lục địa là Chomolangma cao 8848,13m Độ cao trung bình của lục địa 875m Ở biển, độ sâu trung bình của biển là -3729m Hố sâu nhất là Mariana, sâu -11033m

b Đặc trưng địa hình lục địa

Lục địa chiếm 30% diện tích bề mặt trái đất, bao gồm các dạng địa hình nằm cao hơn mực nước biển, gồm các dạng địa hình: Đồng bằng, đồi và núi

Các dạng địa hình này phân bố trên 5 châu lục: Châu Á, châu Âu, châu Mỹ, châu Phi, châu Nam cực và châu Úc (châu Đại Dương)

Trên lục địa dựa vào độ cao so với mực nước biển, có thể chia ra: Đồng bằng có độ cao từ 0 – 50m, đồi có độ cao từ 50 – 200m, lớn hơn 200m là núi Địa hình núi cao có hai hệ thống chính cao trên 3000 - 5000m là:

800 mét, chênh lệch độ cao giữa hai nơi là 14700 mét Bờ tây Thái Bình Dương hình thành một loạt cung đảo nhô về phía biển, nằm bên cạnh các máng nước sâu cũng là đới chênh lệch độ cao rất lớn

Hai hệ thống núi nêu trên là nơi có hoạt động núi lửa (chiếm 75% thế giới) và động đất mãnh liệt (80% tâm động đất nóng cuả thế giới) Chúng có thời gian hình thành trẻ

Ngoài ra có một số núi hình thành sớm hơn, bị bóc mòn nhiều nên chênh lệch độ cao không lớn (từ 500 - 2000m), ví dụ dãy núi Uran (Liên Xô), Hoàng Liên Sơn, Trường Sơn (Việt Nam)

Dựa vào độ cao tuyệt đối của địa hình, địa hình núi được chia ra như bảng 1.2:

Bảng 1.2 Phân loại địa hình núi theo độ cao tuyệt đối

Địa hình cao dưới 500m so với mặt biển hoặc chênh lệch độ cao tương đối nhỏ hơn 200m gọi là đồi Địa hình tương đối bằng phẳng ít lồi lõm có diện tích rộng gọi là bình nguyên hay đồng bằng, ví dụ đồng bằng Amazôn, Xibêri, Hoa bắc…, Việt Nam có đồng bằng sông Cửu Long và đồng bằng Sông Hồng Những nơi có địa hình hơi lồi lõm, diện tích rộng ở trên cao hơn 600m so với mặt biển gọi là cao nguyên Việt Nam có cao nguyên Trung bộ Ngoài ra có địa hình bồn trũng, đó là địa hình dạng trũng chậu, ở giữa thấp xung quanh cao Ví dụ bồn trũng Điện Biên, bồn trũng Than Uyên, bồn trũng Na Dương ở Việt Nam Địa hình Riptơ là vùng đất trũng thấp theo dạng tuyến do đứt gẫy cấu tạo ra, quy mô lớn có thể dài hàng nghìn

km, rộng 30 - 50km Ví dụ riptơ đông Phi dài 6500km, riptơ sông Ranh, Bai Can có

13

quy mô nhỏ hơn Ngoài ra sông và hồ cũng là những kiểu địa hình của lục địa

c Đặc điểm địa hình đáy biển

Địa hình đáy biển không bằng phẳng mà lồi lõm Địa hình đáy biển được chia ra 3 đơn vị lớn là: rìa lục địa, bồn đại dương và sống núi giữa đại dương (hình 1.4)

+ Rìa lục địa: Là bộ phận nằm giữa lục địa và bồn đại dương Rìa lục địa

được phân ra thềm lục địa, sườn lục địa và chân lục địa Máng nước sâu và cung đảo cũng có thể xếp vào rìa lục địa

- Thềm lục địa: Là phần kéo dài ra biển của lục địa đến chỗ bắt đầu chuyển

sang dốc hơn Thềm lục địa thoải, thường độ dốc không quá 0,30, bình quân 0,10 Độ sâu ≤ 200m nước, bình quân 130m

Thềm lục địa lớn nhất ở Bắc Băng Dương (Bantic) rộng 1300km, hẹp nhất là thềm lục địa ở bờ đông Thái Bình Dương rộng chỉ vài km

- Sườn lục địa: Có độ dốc trung bình 40 - 250, sâu không quá 2000m nước, rộng 20 - 100 km, bình quân 20 - 40km Riêng ở vùng biển Sri Lanka, sườn lục địa gần bờ ám tiêu san hô nên có độ dốc khá lớn, từ 350 - 450 Trên sườn lục địa có những máng nước sâu đến hàng nghìn mét, hai bên bờ dốc đứng, hoặc từ 400 trở lên

- Chân lục địa: Là địa hình thoải hơn sườn lục địa nối sườn lục địa với bồn

đại dương Độ dốc thoải chỉ độ 50 - 350 nằm trong vùng nước sâu 2000 - 5000m, bề rộng khoảng 1000km Chân lục địa do các vật liệu vụn của dòng biển hoặc trượt nở tạo thành Ở Thái Bình Dương không có chân lục địa, chỉ thấy ở Đại Tây Dương va

Ấn Độ Dương

- Máng nước sâu và cung đảo: Máng nước sâu là những vực biển thẳm dạng

tuyến dài đến trên 1000 km, rộng 100 km, sâu trên 6 km Trên thế giới có gần 30 máng nước sâu như thế, đa phần ở Thái Bình Dương và Đại Tây Dương, ít hơn ở

Ấn Độ Dương Ở Tây Thái Bình Dương máng nước sâu thường đi kèm với cung

Rìa lục

Sống núi giữa đại dương

Hình 1.4 Địa hình đáy biển

14

đảo, còn ở Đông Thái Bình Dương máng nước sâu lại phân bố gần dãy núi hình cung ở lục địa Gần máng nước sâu là nơi xảy ra hoạt động núi lửa và động đất mạnh mẽ Chênh lệch độ cao giữa máng nước sâu và địa hình dâng cao bên cạnh là khá lớn Ví dụ như hố Mariana ở máng nước sâu Đông Philipin và quần đảo Philipin có độ cao chênh lệch là 11515m, hố Mariana sâu -11033m, quần đảo Philipin cao +478m

Rìa lục địa nói chung chia làm hai loại: loại rìa lục địa kiểu Đại Tây Dương gồm thềm lục địa, sườn lục địa và chân lục địa; loại rìa lục địa kiểu Thái Bình Dương gồm thềm lục địa, sườn lục địa và máng nước sâu

+ Bồn Đại Dương: Là đới địa hình bằng phẳng nằm giữa rìa lục địa và dãy

sống núi giữa đại dương ở độ sâu khoảng 4000 - 6000m Địa hình bồn đại dương chia ra đồi biển thẳm và đồng bằng biển thẳm

- Đồi biển thẳm có địa hình nhô cao hơn đáy biển độ 75 - 900m

- Đồng bằng biển thẳm: Có độ dốc nhỏ được phủ các trầm tích mang từ lục địa đến Trong đồng bằng biển thẳm phân bố các núi ở biển đường kính đến 100km, độ cao đến 1km Nếu núi có đỉnh bằng thì gọi là núi đỉnh bằng Loại núi ở biển chủ yếu phân bố chủ yếu ở Thái Bình Dương Ngoài ra trong bồn đại dương còn có các dãy núi nhỏ ở đáy biển phân bố dạng chuỗi, xích, chủ yếu do các núi lửa ở đáy biển tạo thành

+ Sống núi giữa đại dương: Là dãy núi ở đáy biển giữa đại dương Đây

cũng là nơi phát sinh động đất và vận động tương đối mãnh liệt Đỉnh của dãy núi cao hơn đáy biển khoảng 2000 - 3000m và cách mặt biển khoảng 2000 - 3000m, rộng khoảng 2000 - 4000km Các sống núi của ba đại dương nối với nhau và dài đến khoảng 65000km, là hệ thống núi lớn nhất toàn cầu Phần trục của sống giữa đại dương thường phát sinh riptơ trung tâm cực đại Riptơ ở giữa Đại Tây Dương sâu đến 1- 2km và rộng đến khoảng 13 - 48km Theo quan sát của tàu ngầm thì ở một số riptơ trung tâm đang có hiện tượng chảy trào ra chậm chạp một loại như dung nham magma có nhiệt độ cao, trong đó chứa nhiều nguyên tố kim loại Sống núi giữa đại dương thường bị một hệ thống đứt gẫy chéo hoặc thẳng góc cắt qua và dịch chuyển đi tới khoảng 300 - 500km

Riptơ ở đông Thái Bình Dương hai bên sườn tương đối thoải, thể hiện không

rõ tính riptơ, động đất và chuyển động của vỏ Trái đất tương đối yếu cho nên còn được gọi là đới nâng đại dương, khác với các sống núi giữa đại dương khác

1.1.3 Cấu tạo bên trong và đặc điểm vật chất tạo thành vỏ Trái đất

Các kết quả nghiên cứu địa vật lý cho thấy Trái đất có tính phân thành các

Như vậy, vỏ Trái đất là phần vật chất rắn bọc ngoài cùng của Trái đất nằm trên mặt Moho Vỏ Trái đất là đối tượng nghiên cứu chính của địa chất học

Vỏ trái đất dày mỏng tùy từng nơi (tức mặt Moho có dạng lượn sóng) Ở đáy dại dương vỏ Trái đất dày khoảng 5 – 12 km, trong các miền đồng bằng là 30 – 40

km, ở vùng núi cao là 50 – 75 km

b Cấu tạo của vỏ Trái đất

Vỏ Trái đất có bề dày không đồng đều, được thể hiện ở địa hình phức tạp từ lục địa đến đại dương Căn cứ vào tài liệu địa vật lý chia ra hai kiểu vỏ chính là vỏ lục địa, vỏ đại dương và hai kiểu vỏ phụ là vỏ á lục địa và vỏ á đại dương

Kiểu vỏ lục địa có bề dày không đều, cụ thể:

Nhân TĐ

2900 km

Thạch quyển Quyển mềm

Nhân ngoài - lỏng Lớp chuyển tiếp - rắn

Hình 1.5 Cấu tạo bên trong củaTrái đất

16

Ở vùng nền có bề dày 35 - 40km Vùng

công trình tạo núi trẻ có bề dày 55 - 70km Vùng

núi Hymalaya, Anđơ có bề dày 70 - 75km Cấu

trúc của kiểu vỏ lục địa có hai phần chính (hình

1.6)

+ Lớp 1: là do đá trầm tích tạo thành Vp

trung bình từ 3 – 5 km/s Bề dày dao động từ 0 -

5km (ở đồng bằng lục địa) và dày nhất từ 8 -

10km (ở các trũng lớn của lục địa)

+ Lớp 2: là lớp đá cứng gồm đá magma và

đá biến chất chia ra: lớp 2a và lớp 2b

- Lớp 2a: Lớp granito - gơnai hoặc granit

biến chất phân bố ở các khiên biến chất, Vp

trung bình từ 5.5 - 6km/s Bề dày từ 10 - 25km,

vùng núi cao 20 - 25km

- Lớp 2b: Lớp bazan còn có tên gọi là

granulit - bazit vì tốc độ Vp của hai loại đá tương

tự nhau Ranh giới hai lớp 2a và 2b gọi là

Konrat (mặt K), Vp trung bình là 6.6 – 7.2 km/s

Bề dày của lớp bazan trung bình từ 15 - 20km ở

vùng nền và ở vùng tạo núi từ 25 - 45km Mặt

Konrat không phải lúc nào cũng thể hiện rõ

Mô hình mới về vỏ lục địa do N.I Pavlenkova nêu ra dựa theo kết quả nghiên cứu ở lỗ khoan siêu sâu Kolxki và các thông tin địa vật lý mới

Phân chia manti với phần đá của vỏ lục địa (mặt M) dựa vào Vp = 7.8- 8.3 km/s Trong phần 2 (hình 1.7), người ta chia ba tầng ngăn cách bởi ranh giới K1 và K2

Tầng trên: Vp= 5.9 – 6.3 km/s có tính phân lớp và tính phân dị theo các bloc riêng với các thành phần và thông số địa vật lý riêng

Tầng trung gian: Vp = 6.4 - 6.5 km/s Đặc tính phân lớp gần nằm ngang móng Trong đó có những xen lớp và tốc độ Vp giảm xuống còn 6 km/s có các thể dị thường về tỷ trọng và đới tăng cao tính dẫn điện Nó mang đặc tính của một lớp mềm, vật chất trên đó có thể dịch chuyển ngang

Tầng trên và tầng trung gian có các đá phức tạp, có thể bao gồm đá biến chất, nói chung là đá axit Tầng dưới có Vp= 6.8- 7.0 km/s gồm các đá biến chất tướng

Lớp 1

Lớp 2a

Lớp 2b

Măt Moho

trung gian

K2 Tầng dưới

17

granulit, các đá bazic và siêu bazic

Kiểu vỏ đại dương: Cấu trúc vỏ đại dương gồm 4 lớp (hình 1.8), cụ thể:

Lớp 1: Lớp nước che phủ đại dương

Lớp 2: Lớp trầm tích bở rời Vp= 3 km/s, dày từ vài trăm mét đến 1 km Lớp 3: Lớp có Vp = 4 – 4.5 km/s Thành

phần là dung nham bazan có xen lớp đá silic và

cacbonat dày từ 1 – 1.5km, có nơi dày 3 km

Lớp 4: có VP = 6.3 - 6.4 km/s, đôi khi đến 7

km/s Thành phần là đá gabro (bazơ) và một bộ

phận là đá pyroxenit (siêu bazơ) Một số nơi

gabro biến thành amphibolit chưa có lỗ khoan

nào qua hết lớp này Đặc trưng của kiểu vỏ đại

dương là không có lớp granitognai, bề dày chỉ từ

5 - 12km, trung bình 6 - 7km (ở đáy Thái Bình

Dương)

Kiểu vỏ á lục địa: Loại này gặp ở những cung đảo (Alent, Kuril…) bao

quanh lục địa Cấu trúc gần với kiểu vỏ lục địa nhưng bề dày nhỏ, chỉ 20 - 30km và có đặc điểm là các lớp phân chia trong lớp cứng hóa không rõ ràng Ở vùng dâng cao Đại Tây Dương phần kéo dài của lục địa xuống dưới nước thì chiều dày rút ngắn và lớp granitognai cũng vát nhọn khi đi về phía sườn lục địa

Kiểu vỏ á đại dương: Cấu trúc gồm ba lớp: lớp nước, lớp đá trầm tích dày từ

4 - 10km có nơi 15 - 20km, lớp vỏ đại dương dày từ 5 - 10km Vp = 6 – 6.4 km/s, có đặc trưng là không có lớp granitognai

1.1.3.2 Lớp manti

a Những đặc điểm chung

Manti được phân bố dưới vỏ Trái đất từ mặt M đến độ sâu 2900km Tại đây lại có một mặt ranh giới phân chia manti với nhân Trái đất, biểu hiện ở sự thay đổi đột ngột tốc độ truyền sóng địa chấn Vp từ 13.64 km/s xuống 7.98 km/s, còn Vs

nguyên là 7.23 km/s đột nhiên biến mất Manti chiếm 82.3% thể tích Trái đất 67.8% trọng khối Thành phần chủ yếu ở dạng thể rắn, các nhà khoa học chia manti thành hai phần manti trên và manti dưới Ranh giới hai phần nằm ở độ sâu 650km

Manti trên tỷ trọng bình quân là 3.5 g/cm3 So sánh với thiên thạch thì manti trên gần gũi với thành phần của thiên thạch đá, trong đó ước chừng olivin chiếm 46%, pyrpxen 25%, plagiôcla 11%, hợp kim Fe- Ni 12%, tương tự đá siêu bazơ Thực nghiệm trong phòng (với điều kiện nhiệt độ, áp suất của manti) đối chiếu với

Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4 Mặt Moho

Lớp1: nước : nước

18

thực tế về tính chất truyền sóng thì thấy, vật chất ở manti trên gần với các đá eclogit và piroxenit Từ phần dưới vỏ trái đất đến độ sâu 250km là đới tốc độ thấp (quyển mềm) Đới này cũng có thể là lò magma

Phần manti nằm trên quyển mềm cộng với vỏ Trái đất làm thành quyển đá Phần dưới của manti trên phân bố ở độ sâu từ 350 đến 650km, tốc độ truyền sóng địa chấn và tỷ trọng ở đây đều tăng cao, áp xuất cũng tăng cao Trong điều kiện áp suất lớn, tinh thể olivin và pyroxen bị ép nén tăng tỷ trọng có thể đến 10% từ đó có thể giải phân thành những khoáng vật oxit (MgO, FeO, SiO, …) loại hình áp suất cao, đồng thời giải phóng năng lượng lớn Do đó, phần dưới của lớp manti trên có thể là một nguồn nhiệt năng bên trong Trái đất

Manti dưới phân bố ở độ sâu từ 650 đến 2900 km Thành phần hóa học gần gũi với manti trên, tỷ trọng tăng, có thể do áp suất lớn nén ép vật chất mà cũng có thể do lượng Fe tăng

b Phụ lớp quyển mềm

Người ta nhận thấy ở phần manti trên, trong khoảng độ sâu từ 60- 250km, ranh giới của đới này uốn lượn thất thường, phản ánh đặc trưng của vật chất là ở trạng thái dẻo khá mạnh Vì thế nó còn gọi là quyển mềm, quyển này rất có ý nghĩa đối với hoạt động kiến tạo của vỏ Trái đất Bởi vì, quyển mềm là tác nhân gây chuyển động

cơ học của vật chất Trái đất Kết quả làm bề mặt Trái đất bị biến đổi mạnh mẽ Các lực bên trong trái đất làm cho bề mặt trái đất nâng cao lên hoặc thấp đi hoặc bị phá hủy, gây ra sự dịch chuyển các mảng lục địa (thuyết kiến tạo mảng)

2885 - 4170km, lớp chuyển tiếp rắn và lớp nhân trong nằm ở độ sâu từ 5155km đến tâm Trái đất

Lớp nhân ngoài không có sóng ngang, chứng tỏ vật chất ở trạng thái lỏng Ở lớp chuyển tiếp lại đo được sóng ngang, chứng tỏ vật chất lại chuyển sang thể rắn

Ở lớp nhân trong lại đo được sóng ngang và sóng dọc, mặt khác cũng thấy được sóng dọc khi vào nhân trong có thể biến thành sóng ngang sau đó sau khi đi qua nhân trong nó lại trở về sóng dọc Điều đó có ý nghĩa là vật chất của nhân trong đã

19

thành vật chất rắn Căn cứ vào tỷ trọng lớn thì vật chất của lớp nhân trong gần với thiên thạch Fe, đồng thời với những chứng minh về tốc độ âm thanh của cơ học chất lỏng cho thấy chúng do Fe, Ni tạo thành

1.1.4 Các tính chất vật lý cơ bản của trái đất

Trong đó: k - hằng số hấp dẫn (= 6,67.10-11)

M - khối lượng Trái đất

m - khối lượng vật nằm ngoài Trái đất

R - khoảng cách từ tâm Trái đất đến tâm vật m

R - khoảng cách của hai vật

Ta thấy lực hút Trái đất sẽ truyền cho vật thể m một gia tốc g và lực hút (trọng lực) P = m.g

Nghĩa là F = P suy ra

Như vậy giá trị g sẽ tăng dần từ xích đạo về hai cực, nghĩa là g sẽ tăng dần theo vĩ độ (0o ở xích đạo  90o ở cực)

Ở mỗi vĩ độ và ở cùng độ cao H thì g sẽ không đổi

Ở mỗi vĩ độ ở độ cao của mặt biển có một giá trị go nhất định Giá trị go này được xác định theo công thức của hội nghị Trắc địa và Địa vật lý thế giới năm 1971 như sau:

go = 9.780318* (1 + 0.0053024*sin2 – 0.0000058* sin22) (g/cm3) (1.8)

 - độ lớn của vĩ độ

số trung bình (trị số lý thuyết) thì gọi là dị thường trọng lực

Dị thường trọng lực có một ý nghĩa lớn trong việc nghiên cứu cấu tạo bên trong của vỏ Trái đất và trong việc tìm kiếm một số khoáng sản nhất định

Trường trọng lực là phạm vi không gian bao quanh Trái đất chịu ảnh hưởng của tác dụng trọng lực

Áp lực của Trái đất càng xuống sâu càng lớn, nó liên quan với tỷ trọng và trọng lực ở nơi ấy Thường trong phần vỏ Trái đất, cứ xuống sâu 1km thì áp suất tăng 270Pa (Pa là đơn vị đo ứng suất và áp lực – Pascal, 1 Pa = 1 N/1m2 = 0.102 kg/cm2 = 10-5 bar, 1bar = 750mmHg) Ở độ sâu 10km áp lực khoảng 1KPa, 33km khoảng 12KPa, 2885km là 1325KPa và ở tâm Trái đất khoảng 3600KPa

1.1.4.3 Địa Từ Trường

- Khái niệm chung: Chúng ta thấy kim địa bàn ở mọi nơi trên Trái đất đều

chỉ về một phương B - N cố định Điều đó chứng tỏ xung quanh Trái đất có một trường từ gọi là địa từ trường Nghĩa là Trái đất là một nam châm khổng lồ, nó cũng có hai cực Bắc và Nam Người ta đã xác định được trục địa từ ( đường nối hai từ cực) lệch so với trục địa lý (trục quay của Trái đất) một góc 11o44’ Từ trường Trái đất được đo bằng cường độ từ trường

- Độ từ thiên: Độ từ thiên là độ lệch giữa phương BN theo kim địa bàn chỉ

với phương bắc nam địa lý Hay giữa kinh tuyến địa từ và kinh tuyến địa lý, nó thay đổi theo các điểm trên kinh tuyến Đường kinh tuyến có độ từ thiên bằng không gọi là đường từ kinh tuyến Đường nối những điểm có độ từ thiên bằng nhau gọi là

đường đẳng thiên

21

- Độ từ khuynh: Là góc nghiêng giữa kim địa bàn so với mặt phẳng nằm

ngang Tại đường xích đạo độ từ khuynh bằng 0o, còn ở hai cực độ từ khuynh bằng

900 Đường có độ từ khuynh bằng không (đường xích đạo) gọi là đường từ - xích

tuyến Đường nối những điểm có cùng trị số địa từ khuynh là đường đẳng khuynh

- Dị thường từ: Là trị số cường độ từ trường đo được tại một điểm nào đó vượt xa (chênh lệch nhiều) so với trị số phông - trị số trung bình (Trị số bình quân - trung bình của các điểm đo trên Trái đất hay của một khu vực rộng lớn nào đó)

Nguyên nhân sinh ra dị thường từ là do sự tập trung ở một nơi nào đó những khoáng vật hoặc đá có từ tính lớn (ví dụ: manhetit (Fe3O4), inmenit (FeTiO3), Pyrotin, rutin (TiO2) )  dị thường này là dị thường dương còn những nơi tập trung khoáng vật không có từ tính hoặc từ tính yếu (thạch anh, thạch cao (CaSO4), dầu mỏ ) chỉ tạo ra dị thường âm

Đá magma thường có từ tính cao hơn đá trầm tích

Dị thường từ rất có ý nghĩa trong việc nghiên cứu cấu trúc địa chất và phát hiện khoáng sản

Ví dụ: Ở Việt Nam mỏ Fe - Thạch Khê - Hà Tĩnh được tìm kiếm nhờ công tác đo từ hàng không

- Nguyên nhân sinh ra từ tính của trái đất: Từ tính của Trái đất là do những

hệ thống các dòng điện tồn tại trong nhân của Trái đất, hệ thống dòng điện này được

sinh ra do sự dịch chuyển của vật chất trong nhân Trái đất

Do vỏ trái đất được cấu tạo những loại đá (đá magma) có chứa những khoáng vật có từ tính

1.1.4.4 Nhiệt của Trái đất

Địa nhiệt là nhiệt độ của Trái đất, nhiệt của Trái đất do nhiệt của Mặt trời cung cấp và nhiệt có bên trong trái đất

Hình 1.9 Từ trường của trái đất

- Đơn vị cường độ từ trường được

đo bằng Ampe/mét hoặc gamma - 

- Cường độ từ trường bình quân của Trái đất là 0,6.4.10-3A/m

(cực Bắc địa từ) B

11 o 44 '

Trục địa từ

N (cực Nam địa từ) Trục trái đất

22

- Hằng ngày Mặt trời bức xạ một lượng nhiệt rất lớn về Trái đất, nhưng Trái đất hấp thụ không hết mà chỉ hấp thụ một phần, còn lại đa số bức xạ lên không trung Nhiệt Mặt trời chỉ làm nóng Trái đất đến một độ sâu nhất định và không lớn khoảng 20 – 30 m

- Nguồn nhiệt bên trong Trái đất chủ yếu do nguồn phóng xạ của các nguyên

tố phóng xạ như: U (U238, U235); Th232 và K40

- Đới đẳng nhiệt là đới có nhiệt độ không thay đổi, nó không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên trong và bên ngoài Theo tính toán thì các nguyên tố phóng xạ cung cấp địa nhiệt chủ yếu phân bố ở phần vỏ Trái đất vì các nguyên tố phóng xạ chỉ gặp nhiều trong đá trầm tích, đá granít, đá bazan là 3 loại đá chủ yếu cấu tạo nên

vỏ trái đất

- Građient địa nhiệt: Khi vượt qua đới đẳng nhiệt thì nhiệt độ của Trái đất

càng xuống sâu càng tăng lên Trung bình cứ xuống sâu 100m nhiệt độ tăng thêm

30 Số nhiệt độ tăng thêm trên một đơn vị độ sâu gọi là građient địa nhiệt

Cấp địa nhiệt là khoảng độ sâu để nhiệt độ tăng lên 10 (33m)

Quy luật tăng nhiệt độ này không phải phù hợp với mọi độ sâu nghĩa là quy luật đó chỉ đúng với một độ sâu nhất định (khoảng 15km)

- Theo kết quả đo đạc của địa vật lý thì sự tăng lên của địa nhiệt như sau: Ở đáy vỏ Trái đất (ở độ sâu 30km) thì nhiệt độ khoảng 4000C; Ở 100km thì nhiệt độ khoảng 13000C; Ở 300km thì nhiệt độ khoảng 18000C ÷ 30000C; Ở 2900km thì nhiệt độ khoảng 28500C ÷ 40000C; Ở tâm Trái đất thì nhiệt độ khoảng 40000C ÷

1.2.1 Thành phần hóa học

1.2.1.1 Các nguyên tố hóa học

Trong vỏ Trái đất các nguyên tố hóa học tồn tại dưới dạng phân tán không đồng

23

đều, chúng luôn luôn kết hợp, luôn luôn biến đổi trong các khoáng vật và các đá khác

nhau

Năm 1889, W.Clark người Mỹ, lần đầu tiên công bố kết quả phân tích thống

kê các mẫu đá lấy từ trên mặt đất cho đến độ sâu 16 km ÷ 20 km về tỷ lệ % trọng lượng các nguyên tố Sau đó ông cùng H.S.Washington sau 35 năm đã thu thập

5159 mẫu để tính ra hàm lượng trung bình của 50 nguyên tố Số liệu công bố đã gây nên sự chú ý mạnh mẽ của các nhà khoa học Từ đó người ta gọi trị số % trọng lượng nguyên tử của nguyên tố trong vỏ Trái đất theo đơn vị g/tấn là trị số Clark Cho đến nay đã có nhiều tác giả công bố trị số Clark theo kết quả phân tích của riêng mình

- Các nguyên tố chủ yếu của vỏ Trái đất bao gồm 8 nguyên tố: O, Si, Al, Fe, Ca,

Na, Mg, K, trong đó O, Si, Al là chủ đạo, nó chiếm tới hơn 80% trọng lượng của vỏ trái đất, O chiếm gần 50%

- Thành phần trên cũng gần với thành phần của sao Kim và sao Hỏa

- So với thành phần nguyên tố của cả Trái đất thì O vẫn là chủ đạo, tiếp theo

là Fe, Si, Mg, còn ở vỏ trái đất thì nhóm Al, Ca, Mg, Na lại tương đối nhiều

- Các nguyên tố kim loại có ích (Cu, Pb, Zn, ) chiếm tỉ lệ rất thấp (ví dụ theo thống kê của các tác giả trên Cu có từ 0,0047 ÷ 0,01%; Pb từ 0,00016 ÷ 0,0002%; C từ 0,023 ÷ 0,35%)

Bảng 1.3 Trị số Clark các nguyên tố chủ yếu của vỏ Trái đất

Các nguyên

tố chính

Theo Clark và Washington, 1924

Trị số Clark xem như là trị số phông các nguyên tố của vỏ Trái đất

24

Bảng 1.4 Thành phần các oxyt chủ yếu của vỏ Trái đất (% trọng lượng)

Các oxyt chủ yếu SiO 2 Al 2 O 3 CaO FeO Fe 2 O 3 MgO Na 2 O K 2 O TiO 2

1.2.2 Thành phần khoáng vật

1.2.2.1 Khái niệm và trạng thái tồn tại của khoáng vật

a Khái niệm khoáng vật

Khoáng vật là những đơn chất hay hợp chất hóa học, được thành tạo từ các quá trình hóa lý và các hoạt động địa chất xảy ra trong tự nhiên có thành phần hóa học, cấu trúc mạng tinh thể và tính chất hóa lý đặc trưng

Tuy nhiên, Hiệp hội Khoáng vật Quốc tế vào năm 1995 đã chấp nhận một

định nghĩa mới: khoáng vật là một nguyên tố hay một hợp chất hóa học thông thường kết tinh và được tạo ra như là kết quả của các quá trình địa chất

Khoáng vật là những đơn chất hoá học tự nhiên: Au, Ag, Pt, C, Cu…

Khoáng vật là những hợp chất hoá học: SiO2, CaCO3, H2O, Fe3O4…

Cho tới nay người ta đã phát hiện được hơn 3000 khoáng vật, trong đó gần

50 khoáng vật là phổ biến tham gia vào quá trình tạo đá

b Trạng thái tồn tại của khoáng vật trong tự nhiên

Trong tự nhiên các khoáng vật tồn tại chủ yếu ở trạng thái rắn và là thành phần chính của các thành tạo đá và quặng của vỏ Trái đất

Ví dụ: SiO2 (thạch anh), CaSO4.2H2O (thạch cao), NaCl (halit)

Một số khoáng vật của tự nhiên còn tồn tại ở trạng thái lỏng như thuỷ ngân, nước, dầu mỏ…

Còn số ít khoáng vật của tự nhiên lại tồn tại ở trạng thái khí như cacbonat, mêtan, hyđro…

Các khoáng vật rất phổ biến trong thành phần của vỏ Trái đất và chúng chiếm khối lượng chính trong các thành tạo đá magma, đá trầm tích, đá biến chất và các thành tạo đai mạch cũng như các sản phẩm bở rời của vỏ phong hóa và các loại đất, thổ nhưỡng

1.2.2.2 Hình thái tồn tại và cấu trúc của khoáng vật

Mỗi khoáng vật tồn tại trong tự nhiên đều dưới một hình dạng - hình thể nhất định (tồn tại theo một hình thù nào đó) Chúng có thể có các dạng kết tinh (dạng tinh thể), dạng vô định hình và dạng keo

a Khoáng vật kết tinh

25

Khoáng vật kết tinh là khoáng vật hình thành do sự kết tinh các nguyên tố hoá học thành các tinh thể và gắn kết lại với nhau

Tinh thể là những vật rắn, được thành tạo từ những phần tử nhỏ (ion, nguyên

tử, phân tử) sắp xếp đều đặn theo một quy luật nhất định, giống như những nút của một mạng không gian

Mỗi tinh thể có một ô mạng riêng Ví dụ ô mạng tinh thể của Halit có dạng lập phương, tinh thể của thạch anh có dạng chóp 6 mặt, tinh thể manhetit có dạng hình 8 mặt (hình 1.10)

Trong các loại tinh

thể thì khoảng cách giữa các

hạt (nút mạng) là một vài

Ao(1Ao = 10-8cm) và có độ

107 hạt trên 1mm không

c Khoáng vật dạng keo

Là khoáng vật tồn tại ở trạng thái keo hoặc từ chất keo kết tinh lại Chất keo gồm những hạt keo có kích thước rất nhỏ từ 1÷100m (1m = 1x10-6mm) được hoà tan trong nước Chúng được hình thành do các phản ứng hoá học đối với các chất trong môi trường hoà tan hoặc do sinh vật làm hoà tan các chất trong môi trường nước

Trong tự nhiên các chất keo rất phổ biến, nên các khoáng vật dạng keo cũng khá nhiều Người ta đã xác định được một số nhóm khoáng vật chủ yếu tồn tại ở dạng keo như sau:

* Các khoáng vật dạng oxyt - hydroxyt

Hình 1.10 Hình dạng một số tinh thể

a Tinh thể Halit

Na Cl

b Tinh thể thạch anh

c Tinh thể manhetit

26

Hydrogơtit: FeO.OH.nH2O Hydrohematit: Fe2O3.nH2O

* Các khoáng vật dạng vật chất sét

Sét kaolinit: Al4(OH)8[Si4O10]

Sét montmorilonit: (Al, Mg)2(OH)2[Si4O10]

Sét hydromuscovit: (K,H3O)Al2[Si3AlO10] (OH)2.nH2O

Và sét hỗn hợp

1.2.2.3 Nguồn gốc khoáng vật

Theo điều kiện sinh thành, khoáng vật được chia ra thành 2 nhóm lớn:

- Nhóm khoáng vật nội sinh, được hình thành có liên quan với các quá trình xảy ra ở trong lớp vỏ Trái Đất và ở phần trên của quyển manti (tức là thạch quyển như do chịu sự tác động của magma hay do tác dụng biến chất)

- Nhóm khoáng vật ngoại sinh, thành tạo ở phần trên của vỏ Trái Đất và ở trên mặt đất liên quan đến các quá trình ngoại sinh - như tác dụng phong hóa và tích đọng từ dung dịch nước

1.2.2.4 Các tính chất vật lý của khoáng vật

Mỗi một khoáng vật có những tính chất vật lý đặc trưng riêng cho mình Việc nghiên cứu và xác định các tính chất vật lý đó trong tự nhiên là một trong những nhiệm vụ cần thiết và quan trọng trong việc nghiên cứu khoáng vật Vì vậy nghiên cứu, xác định tính chất vật lý của khoáng vật là cơ sở để nhận biết và xác định chính xác khoáng vật đó trong thế giới khoáng vật của tự nhiên, ngoài ra còn khai thác được khả năng ứng dụng các tính chất vật lý của khoáng vật vào các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác và dùng chính các tính chất vật lý của khoáng vật đó để xây dựng phương pháp thăm dò, đánh giá các thân khoáng, đặc biệt là các thân khoáng nằm sâu trong lòng đất

Qua việc nghiên cứu, xác định các tính chất vật lý của các khoáng vật trong

tự nhiên, các tính chất vật lý của khoáng vật có thể chia ra như sau:

- Các tính chất cơ học

- Các tính chất quang học

- Các tính chất điện

- Các tính chất vật lý đặc trưng khác: từ tính và tính phóng xạ của khoáng vật

a Các tính chất cơ học của khoáng vật

Các tính chất cơ học của khoáng vật phản ánh đặc tính của khoáng vật sau khi bị ngoại lực tác dụng Và nó có liên quan đến cấu trúc tinh thể của khoáng vật Các tính chất cơ học của khoáng vật bao gồm

Dựa vào tỷ trọng, khoáng vật được chia thành các nhóm như sau:

- Các khoáng vật có tỷ trọng nhẹ: Gồm tất cả các khoáng vật có tỷ trọng thấp hơn hoặc bằng 3

Ví dụ: Soda (Na2[CO3].10H2O) có tỷ trọng d = 1,24÷1,47

Sodalit (Na8[SiAlO4]6.Cl2) có tỷ trọng d = 2,27÷2,33

hay plagioclaz có tỷ trọng d = 2,6÷2,8

- Các khoáng vật có tỷ trọng trung bình: nhóm này bao gồm tất cả các khoáng vật có tỷ trọng từ 3 đến 4 Đây là nhóm khoáng vật có số lượng lớn nhất trong thế giới khoáng vật của tự nhiên

Ví dụ: Sfalerit (ZnS) có tỷ trọng d ≈ 4

Spinel (Mg,Al2O4) có tỷ trọng d = 3,6

- Các khoáng vật có tỷ trọng nặng: nhóm này bao tất cả các khoáng vật có tỷ trọng lớn hơn 4 Đây cũng là nhóm khoáng vật có số lượng khá lớn

Ví dụ: pyrotin (FeS) có tỷ trọng d ≈ 4,5

pyrite (FeS2) có tỷ trọng d = 5

cassiterit (SnO2) có tỷ trọng d = 6,8÷7

Trong nhóm này có một số khoáng vật là nguyên tố kim loại tự sinh (loại tinh khiết) có tỷ trọng rất nặng như bạc (Ag) có tỷ trọng 10,5; vàng (Au) có tỷ trọng 19,3; platin (Pt) có tỷ trọng 21,5

* Độ cứng của khoáng vật

Độ cứng của khoáng vật là khả năng chống lại lực tác động từ bên ngoài lên

bề mặt tinh thể khoáng vật Tác động của ngoại lực vào tinh thể xảy ra khi ta cào, rạch hoặc ấn một vật thể vào bề mặt của tinh thể

Độ cứng của khoáng vật phụ thuộc vào các liên kết hóa học của các thành phần trong tinh thể khoáng vật

Thực tế cho thấy đa số các khoáng vật có dạng liên kết cộng hóa trị thì thường có độ cứng cao, như kim cương, pyrite Trong khi đó những khoáng vật có dạng liên kết ion thường có độ cứng trung bình, như fluorit, sphalerit, galenit Các khoáng vật trong cấu trúc có liên kết phân tử, liên kết kim loại đa số trường hợp

28

chúng có độ cứng thấp, như vàng, đồng tự sinh và các khoáng vật ở nhóm mica…

Độ cứng của khoáng vật được quyết định bởi kiểu cấu trúc của tinh thể khoáng vật Các khoáng vật có cấu trúc kiểu khung, kiểu đảo, vòng và mạch thường có độ cứng cao còn những khoáng vật có cấu trúc lớp đa phần chúng có độ cứng thấp

Độ cứng khoáng vật được coi là một dấu hiệu rất quan trọng dùng để giám định khoáng vật Để xác định độ cứng cho các khoáng vật trong tự nhiên, có thể sử dụng hai phương pháp xác định sau:

Phương pháp xác định độ cứng tương đối: Trong phương pháp này, chúng ta dùng một thang độ cứng chuẩn gồm 10 khoáng vật do nhà khoáng vật học Mohs đề xướng năm 1822 Trong đó, 10 khoáng vật chuẩn có độ cứng được quy định từ 1 đến 10 như bảng 1.5

Bảng 1.5 Bảng độ cứng tương đối (Mohs)

Thạch cao (gypsum) 2 CaSO42H2O

Octoclaz (fenspat) 6 K(AlSi3O8)

Cách xác định được thực hiện như sau: Dùng khoáng vật trong thang độ cứng Mohs rạch lên khoáng vật cần xác định độ cứng, nếu như hai khoáng vật chênh nhau về độ cứng thì một trong hai khoáng vật sẽ bị khoáng vật kia để lại vết rạch Từ đó ta biết được khoáng vật cứng hơn trong chúng Thay đổi khoáng vật chuẩn cho đến khi chúng không tạo ra vết rạch lên nhau, lúc đó độ cứng khoáng vật chuẩn là độ cứng của khoáng vật cần xác định độ cứng

Cách xác định độ cứng tương đối được áp dụng nhiều trong khảo sát thực tế địa chất Tuy nhiên, độ chính xác chỉ mang tính tương đối vì trong thang độ cứng Mohs khoáng vật đứng sau có độ cứng cao hơn khoáng vật đứng trước một đơn vị nhưng thực tế chúng hơn kém nhau rất ít hoặc rất nhiều

Phương pháp xác định độ cứng tuyệt đối: Trong phương pháp này chúng ta

sử dụng thiết bị đặc biệt gọi là kính hiển vi độ cứng để xác định Ở đó có một vật

29

kính được gắn một mũi kim cương hình tháp bốn phương với góc giữa các mặt tháp

là 1360 và các tải trọng P có trọng lượng xác định

Để xác định độ cứng trên một mặt nào đó của tinh thể, ta đưa mặt đó vào tâm thị trường của kính hiển vi độ cứng, dùng một tải trọng P tạo một vết ấn trên mặt tinh thể cần xác định độ cứng Sau khi xác định được vết ấn ta xác định đường chéo

d của vết ấn bằng milimet Từ đó ta tính độ cứng tuyệt đối của khoáng vật trên mặt tinh thể đang đo theo công thức sau:

22sin2

d

P x

(1.9) Trong đó: H - độ cứng tuyệt đối của khoáng vật (kg/mm2)

α - góc giữa các mặt tháp của mũi kim cương P- tải trọng dùng để ấn

d – đường chéo vết ấn trên mặt tinh thể đo Người ta đã xác định được độ cứng tuyệt đối của các khoáng vật trong thang độ cứng Mohs như sau (bảng 1.6):

Bảng 1.6 Bảng độ cứng tuyệt đối của 10 khoáng vật

Thạch cao (gypsum) CaSO42H2O H = 36

Apatit Ca5(PO4)3(OH, F,Cl) H = 536

Octoclaz (fenspat) K(AlSi3O8) H = 795

* Cát khai và tách khai của khoáng vật

Khái niệm: Cát khai là đặc tính của tinh thể khoáng vật khi chịu tác động của ngoại lực lên bề mặt nó sẽ tách vỡ theo những mặt nhất định Các mặt vỡ tách

đó có thể là những mặt mạng trùng với các mặt thật của tinh thể hay là những mặt mạng có mật độ nút cao

Tính cát khai của khoáng vật có liên quan chặt chẽ với đặc điểm cấu trúc của tinh thể khoáng vật, cho nên cát khai được coi là một dấu hiệu đặc trưng để giám định khoáng vật trong tự nhiên

Dựa trên cơ sở độ nhẵn của bề mặt cát khai và cường độ tác động của ngoại

30

lực mà các khoáng vật trong tự nhiên được phân nhóm theo mức độ cát khai như sau:

- Các khoáng vật cát khai rất hoàn toàn: Nhóm này gồm tất cả các khoáng

vật mà tinh thể của chúng khi chịu tác động của ngoại lực rất nhỏ có thể bóc tách thành những phiến, lá rất mỏng và bề mặt cát khai rất nhẵn Thực tế cho thấy tất cả các khoáng vật mà cấu trúc mạng tinh thể của chúng thuộc kiểu cấu trúc lớp điển hình thì đều thuộc nhóm này, ví dụ như than chì, molipdenit (MoS2), bruxit (Mg(OH)2), muscovit (KAl2(OH,F)2[Si3AlO10])…

- Các khoáng vật cát khai hoàn toàn: Nhóm này gồm tất cả các khoáng vật

mà tinh thể của chúng khi chịu tác động của ngoại lực tương đối lớn có thể tách vỡ theo những hệ thống mặt nhất định trùng với các mặt của hình đơn nhất định, bề mặt cát khai ở đây cũng khá nhẵn, trơn Như vậy, trong trường hợp này các tinh thể khoáng vật thuộc nhóm này khi bị tác động của ngoại lực sẽ tách vỡ theo những hình khối hình học nhất định, chúng giống nhau về mặt hình dạng nhưng khác nhau về kích thước

Ví dụ: galenit (PbS), halit (NaCl), canxit (CaCO3), dolomit (Ca,Mg[CO3]2)…

- Các khoáng vật cát khai trung bình: Nhóm này gồm tất cả những khoáng

vật mà tinh thể của chúng khi chịu tác động của ngoại lực khá lớn mới tách vỡ theo những mặt nhất định, bề mặt các mặt này không nhẵn đều mà có những chỗ gồ ghề,

xù xì

Ví dụ: Các nhóm khoáng vật như nhóm khoáng vật pyroxen, nhóm fenspat kaly, nhóm fenspat plagioclaz…

- Các khoáng vật cát khai kém: Nhóm này gồm tất cả những khoáng vật mà

dưới tác động của ngoại lực lớn mới tách vỡ được những mặt hay hệ thống mặt nhất định mà các bề mặt của chúng thường xù xì, gồ ghề

Ví dụ: Beryl (Be3Al2[Si6O18]), apatit (Ca5(PO4)3[OH, F,Cl]), cassiterit (SnO2)

- Các khoáng vật không cát khai: Gồm tất cả những khoáng vật còn lại như

pyrite (FeS2), thạch anh (SiO2)…

* Vết vỡ của khoáng vật

Như trên ta thấy, tính cát khai là tính riêng của các tinh thể khoáng vật tồn tại

ở dạng kết tinh Vậy đối với những khoáng vật tồn tại ở dạng vô định hình thì khi chịu tác động của ngoại lực nó sẽ vỡ tách như thế nào

Do vậy, vết vỡ là khái niệm chỉ hình dạng của một phạm vi trên tinh thể khoáng vật chịu tác động trực tiếp của một ngoại lực đập vào tinh thể Sự biểu hiện

31

hình thái không phân biệt khoáng vật ở dạng kết tinh hay vô định hình

Sự biểu hiện của vết vỡ ít nhiều được quyết định bởi kết cấu của các nguyên

tử thành phần có trong thành phần khoáng vật Vì vậy vết vỡ cũng được coi là một dấu hiệu giám định khoáng vật

Trong tự nhiên thường gặp một số kiểu vết vỡ của các tinh thể khoáng vật như sau:

- Vết vỡ hình vỏ sò: Hình dạng vết vỡ tạo ra khi tinh thể bị đập giống vỏ sò,

vỏ hến Đặc trưng cho vết vỡ kiểu này có các khoáng vật nhóm thạch anh (SiO2), opal (SiO2.nH2O)…

- Vết vỡ dạng bậc: Đặc trưng của vết vỡ là tạo từng bậc kiểu bậc tam cấp

Đây là vết vỡ đặc trưng của các tinh thể khoáng vật có khả năng cát khai tốt, như galenit (PbS), canxit (CaCO3), fluorit (CaF2)…

- Vết vỡ xù xì: Là những dạng vết vỡ không có tính đặc thù, thường chỉ tạo

vết vỡ xù xì ở mặt đáy vết lõm Như các khoáng vật: pyrite (FeS2), arsenopyrite (FeAsS), nhóm granat…

- Vết vỡ dạng xơ, sợi: Là dạng vết vỡ đặc trưng cho những tinh thể khoáng

vật có dạng tập hợp đặc trưng là dạng sợi, thường gặp như nhóm serpentin, nhóm amphibol dạng sợi…

- Vết vỡ dạng đất: Đặc trưng cho một số khoáng vật ở dạng bột đất, khi chịu

tác động của ngoại lực tạo ra những vết lõm giống vết lõm của đất trong tự nhiên nên người ta gọi kiểu vết vỡ đó là vết vỡ dạng đất Ví dụ như manganit (MnO.OH), hydrogơtit (FeO.OH.nH2O)…

* Tính biến dạng và tính đàn hồi của khoáng vật

Tính biến dạng là đặc tính của tinh thể khoáng vật khi chịu tác động của ngoại lực nó sẽ thay đổi hình dạng so với trạng thái ban đầu

- Biến dạng dòn: Biến dạng dòn là khái niệm để chỉ các tinh thể khoáng vật khi chịu tác động của ngoại lực nó sẽ nứt vỡ thành những mảnh tinh thể to nhỏ khác nhau và rời rạc

Đây là dạng thường gặp đối với thế giới tinh thể khoáng vật tự nhiên nếu tác động đủ mạnh

- Biến dạng dẻo (còn gọi là biến dạng trượt): Biến dạng dẻo là sự biến dạng của tinh thể khoáng vật khi chịu tác động của ngoại lực thì một phần của tinh thể được giữ lại cố định còn lại phần kia thì bị trượt đi một khoảng nhất định

Trong thế giới tinh thể khoáng vật tự nhiên, biến dạng dẻo thường dễ xảy ra

ở các tinh thể các nguyên tố kim loại tự sinh như vàng (Au), bạc (Ag), đồng (Cu),

32

sắt (Fe)…

Còn đối với các tinh thể khoáng vật ở dạng hợp chất thì biến dạng dẻo thường gặp ở các tinh thể khoáng vật như canxit (CaCO3), dolomit (Ca,Mg[CO3]2), thạch cao (CaSO4.2H2O) Và người ta đã chứng minh được rằng một trong những nguyên nhân tạo song tinh của các tinh thể khoáng vật này là do tác động của biến dạng trượt

Tính đàn hồi của khoáng vật là khái niệm dùng để chỉ đặc điểm của tinh thể khoáng vật khi chịu tác động của ngoại lực thì nó thay đổi hình dạng theo thời gian lực tác động còn sau khi kết thúc tác động tinh thể trở lại dạng ban đầu

Tùy theo cường độ của ngoại lực tác động mà hầu hết các khoáng vật của tự nhiên đều có tính đàn hồi

Tính biến dạng và tính đàn hồi của khoáng vật là những tính chất vật lý mà khi nghiên cứu, xác định đòi hỏi phải có máy móc trang thiết bị nhất định Các tính chất này thường chỉ nghiên cứu theo tính khai thác khả năng ứng dụng của các tinh thể khoáng vật và giải thích cơ chế biến đổi khoáng vật, người ta ít sử dụng tính chất này để làm dấu hiệu giám định khoáng vật

b Các tính chất quang học của khoáng vật

* Màu sắc khoáng vật

Màu sắc khoáng vật thể hiện sự hấp phụ các bước sóng đối với ánh sáng nhìn thấy được của khoáng vật Màu sắc khoáng vật là dấu hiệu đầu tiên để quan sát, nghiên cứu, nhận biết các đối tượng địa chất trong tự nhiên

Qua khảo sát người ta thấy, trong thế giới khoáng vật của tự nhiên có một số khoáng vật màu sắc của chúng ổn định không thay đổi như màu vàng kim của pyrite (FeS2), màu xanh lá cây của malachit (Cu2[CO2](OH)2), màu xanh lam của azurit (Cu3[CO3](OH)2), màu đỏ của thần sa – cinnabar (HgS), màu xám chì của galenit (PbS) và molypdenit (MoS2) Ngược lại có một số khoáng vật có màu sắc không ổn định như nhóm tuamalin có thể có màu xanh, màu đen hoặc màu hồng; canxit (CaCO3) có thể có màu nâu hay màu trắng đục hoặc là trong suốt không có màu…

Như vậy, màu sắc của khoáng vật phụ thuộc vào mức độ phản xạ và khả năng hấp thụ ánh sáng của chúng

* Màu vết vạch của khoáng vật

Màu vết vạch là màu bột của tinh thể khoáng vật để lại trên một tấm sứ màu trắng không tráng men

Tấm sứ có độ cứng tối đa nằm trong khoảng 6 ÷ 6,5 do vậy nó chỉ được dùng

để mô tả màu vết vạch cho những khoáng vật có độ cứng thấp hơn 6,5

* Tính phát quang của khoáng vật

Đặc tính của những khoáng vật khi chịu tác động kích thích của các nguồn tia bức xạ đặc biệt như: Tác động của tia tử ngoại, tia rơnghen, các chùm tia phóng xạ (α, β và γ), tia bức xạ catod hoặc của ánh sáng thường thì sẽ phát sáng với màu sắc biểu hiện khác nhau được gọi là tính phát quang của khoáng vật

Quá trình tác động của các tia bức xạ vào tinh thể khoáng vật làm cho nó phát quang gọi là kích thích phát quang (kích thích phát sáng)

Những hiện tượng phát quang do tác động của ánh sáng thường được gọi là

sự phát sáng quang hóa Trong thế giới khoáng vật chỉ có một số rất ít các khoáng vật có đặc tính phát sáng quang hóa như: Kim cương với sự phát sáng màu xanh hay vàng, seelit (Ca[WO4]) với sự phát sáng màu xanh sáng

Tính phát quang của các khoáng vật được sử dụng để xác định chính những khoáng vật có đặc tính đó, đặc biệt ưu việt là phép phân tích phổ phát quang các khoáng vật dùng nguồn tia kích thích như tia cực tím hay tia rơnghen Mặt khác tính phát quang cũng được dùng để phát hiện ra các tạp chất cũng như hàm lượng của chúng trong các khoáng vật

2 2

2 2

)()1(

)()1(

NK N

NK N

34

K là hệ số hấp thụ ánh sáng Vậy ta thấy ánh của khoáng vật được đặc trưng bởi năng suất phản xạ của tinh thể khoáng vật mà năng suất phản xạ lại phụ thuộc vào chiết suất và độ hấp thụ ánh sáng của khoáng vật Do đó dựa vào chiết suất và năng suất phản xạ, người ta phân biệt một số loại ánh của khoáng vật như sau:

- Ánh thủy tinh: Đặc trưng cho những khoáng vật trong suốt hoặc nửa trong suốt Thuộc vào loại ánh này gồm tất cả những khoáng vật có chiết suất N = 1,3 ÷ 1,9 và giới hạn của năng suất phản xạ R = 29%

Ví dụ: Thạch anh (SiO2), canxit (CaCO3)…

- Ánh kim cương: Đặc trưng cho những khoáng vật trong suốt hoặc nửa trong suốt với chiết suất N = 1,9 ÷ 2,6 và năng suất phản xạ R = 9 ÷ 27%

Ví dụ: Kim cương (C), cassiterit (SnO2), thần sa (HgS)…

- Ánh bán kim loại: Đặc trưng cho những khoáng vật không trong suốt, có chiết suất N = 2,6 ÷ 3 và năng suất phản xạ R = 9 ÷ 20%

Ví dụ: Manhetit (FeO.Fe2O3), ilmenit (FeTiO3),…

- Ánh kim loại: Loại ánh này đặc trưng cho những khoáng vật không trong suốt, có chiết suất N > 3 và năng suất phản xạ R > 20%

Ví dụ: Pyrit (FeS2), galenit (PbS), graphit (C)…

Trong trường hợp vì kích thước các hạt khoáng vật quá nhỏ thì người ta phải quan sát, mô tả ánh của chúng từ bề mặt tập hợp Vì vậy ánh quan sát được không phản ánh đúng bản chất ánh của khoáng vật Dưới đây là một số loại ánh của khoáng vật được mô tả từ bề mặt tập hợp của khoáng vật

- Ánh mỡ, ánh sừng: Phản ánh từ bề mặt tập hợp khối đặc hoặc ẩn tinh của khoáng vật ví dụ ánh mỡ của tan (Mg3(OH)2[Si4O10]), ánh sừng của gơtit (FeO.OH)…

- Ánh tơ: Phản ánh từ bề mặt các tập hợp dạng sợi mảnh, như tập hợp dạng sợi có ánh tơ của secpentin

- Ánh xà cừ: Phản ánh từ bề mặt tập hợp dạng vảy nhỏ của các khoáng vật như hydromuscovit, hydracgilit, xerixit

- Ánh đất: Phản ánh từ tập hợp bột bởi rời của các khoáng vật như kaolinit, manganit, gơtit…

* Độ trong suốt của khoáng vật

Độ trong suốt của khoáng vật là khả năng cho ánh sáng truyền qua chúng Căn cứ vào mức độ thấu quang, người ta chia ra:

Khoáng vật trong suốt như: Thạch anh, pha lê, topaz, stat băng đảo, …

35

Khoáng vật nửa trong suốt như: Sphalerit, thần sa, êmơrốt, …

Khoáng vật không trong suốt như: Pyrit, manhetit, graphit,…

Độ trong suốt của khoáng vật còn phụ thuộc vào dạng và tập hợp khoáng vật

Ví dụ canxit, thạch anh trong suốt nhưng trong nhiều tập hợp lại có màu trắng sữa

Theo mức độ thấu quang, người ta cũng chọn được phương pháp nghiên cứu khoáng vật thích hợp bằng ánh sáng truyền qua (lát mỏng) hoặc ánh sáng phản xạ khoáng tướng

c Tính dẫn điện của khoáng vật

Các đặc tính của tinh thể khoáng vật khi chịu tác động của điện trường, từ trường hay các tác động cơ học, nhiệt độ có thể dẫn tới những hiệu ứng về điện gọi

là các tính chất điện của tinh thể khoáng vật

Khả năng truyền dẫn điện khi chịu tác động của điện áp được coi là tính dẫn điện của các tinh thể khoáng vật

Độ dẫn điện của một chất nhất định được xác định qua việc đo điện trở suất của chất đó Vật chất có điện trở suất càng thấp thì độ dẫn điện càng tốt và ngược lại

Khả năng dẫn điện của khoáng vật trong tự nhiên là khác nhau, các loại đá và thể khoáng trong vỏ Trái đất với đặc trưng khác nhau về thành phần khoáng vật thì mức độ dẫn điện cũng khác nhau Chính vì vậy mà người ta đã xây dựng phương pháp thăm dò, phát hiện các thể khoáng bằng việc đo điện trở suất của các thể khoáng - một trong những phương pháp thăm dò điện của ngành địa vật lý Phương pháp này đặc biệt ưu việt đối với các thể khoáng không lộ trên mặt đất

d Từ tính và tính phóng xạ của khoáng vật

* Từ tính của khoáng vật

Từ tính của các khoáng vật được xác định nhờ có sự tương tác giữa chúng với trường từ Hầu hết các khoáng vật có tính từ biểu hiện sự tương tác từ của chúng trong những từ trường có cường độ cao

Từ tính là một tính chất vật lý quan trọng được sử dụng để giám định khoáng

vật, tách tuyển các khoáng vật có từ tính ra khỏi tập hợp với các khoáng vật khác Khi tách tuyển tùy theo độ nhiễm từ mà có thể sử dụng nam châm thường (đối với các khoáng vật có từ tính mạnh) hoặc nam châm điện (đối với những khoáng vật có từ tính yếu) Mặt khác từ tính khoáng vật làm cho các thể khoáng trong vỏ trái đất có độ nhiễm từ khác nhau, vì vậy người ta xây dựng phương pháp tìm kiếm thăm dò khoáng vật bằng phương pháp từ gọi chung là các phương pháp đo từ

* Tính phóng xạ của khoáng vật

Hiện tượng phóng xạ là quá trình biến đổi của các đồng vị không bền vững

36

của một nguyên tố này thành các đồng vị của một nguyên tố khác mà quá trình đó

có thể giải phóng ra các tia phóng xạ có năng lượng cao

Hiện tượng phóng xạ trong tự nhiên có sự có sự tham gia của các khoáng vật

mà trong thành phần của chúng có chứa các đồng vị phóng xạ không bền vững của uran (U), thory (Th), radi (Ra), Kali (K) và các nguyên tố khác

Ngoài ra trong tự nhiên còn có mức độ hoạt động phóng xạ yếu của các khoáng vật như: Sinvin (KCl), microlin (K[Si3AlO8]), Mutscovit (KAl2(OH)2)…và một số khoáng vật mà trong thành phần hóa học của chúng có sự tập trung Ra trong khí tự nhiên…

1.2.2.5 Phân loại khoáng vật

Hiện nay loài người đã phát hiện được trên mười nghìn khoáng vật trong tự nhiên Trong đó khoảng hai nghìn khoáng vật được coi là dạng độc lập, còn lại là những dạng riêng đặc thù của các khoáng vật trong số hai nghìn khoáng vật độc lập nêu trên Với một số khoáng vật lớn như vậy, việc phân loại chúng để thuận lợi cho việc nghiên cứu, sử dụng là một công việc hết sức quan trọng và cần thiết

a Phân loại dựa vào tính chất quan trọng, số lượng tham gia vào thành phần vật chất của vỏ Trái đất

- Khoáng vật tạo đá chính: Bao gồm những khoáng vật chiếm khối lượng

chủ yếu trong thành phần vật chất của vỏ Trái đất Có khoảng 50 khoáng vật thường gặp tham gia thành tạo đá như thạch anh, fenpat, mica, pyroxen…

- Khoáng vật tạo đá phụ: Bao gồm những khoáng vật chỉ chiếm số lượng

nhỏ, dưới dạng hiếm trong các đá như apatit, manhetit và ziricon…

b Phân loại theo thành phần hoá học

Theo thành phần hóa học, các khoáng vật tồn tại dưới các dạng sau:

* Nhánh I: Các nguyên tố tự sinh

Nhánh này gồm tất cả các khoáng vật mà chúng là những nguyên tố tồn tại độc lập trong tự nhiên như vàng, bạc, đồng, platin…(nguyên tố kim loại); asen, antimon, bismut, telua, selen…(nguyên tố bán kim loại); và lưu huỳnh, kim cương… (phi kim)

Trong tự nhiên người ta còn gặp những khoáng vật độc lập ấy tồn tại độc lập trong một tổ hợp Ví dụ Fe-Ni, Au-Ag, Au-Cu…

* Nhánh II: Các hợp chất sunfua và những hợp chất tương tự sunfua

Nhánh này gồm tất cả những khoáng vật mà chúng là những hợp chất của các nguyên tố khác kết hợp với lưu huỳnh - S hay các nguuên tố cùng nhóm với lưu huỳnh như Sb, As, Se, Te…

Chancozin (Cu2S) Antait (PbTe) Lơlingit (Fe[As2]) v.v…

* Nhánh III: Các hợp chất oxyt và hyđroxyt

Trong nhánh gồm tất cả các khoáng vật tồn tại ở dạng hợp chất kiểu oxyt hoặc hydroxyt hay hỗn hợp giữa chúng

Các khoáng vật oxyt là cực kỳ quan trọng trong khai thác mỏ do chúng tạo thành nhiều loại quặng mà từ đó các kim loại có giá trị có thể được tách ra Chúng cũng chứa đựng các ghi chép tốt nhất về các thay đổi trong từ trường Trái Đất Chúng có mặt chủ yếu trong các trầm tích gần với bề mặt Trái Đất, các sản phẩm ôxi hóa của các khoáng vật khác trong khu vực phong hóa gần bề mặt (thuộc phạm

vi đới oxy hóa) và như là các khoáng vật kèm theo trong các loại đá phún xuất của lớp vỏ và lớp manti Ví dụ:

Thạch anh: SiO2

Cromit (FeCr3O4)

Spinen (MgAl2O4)

Ilmenit (FeTiO2

Rutil (TiO2) Hematit: Fe2O3

Manhetit: Fe3O4

Corindon: Al2O3

Piroluzit (MnO2) Boxit: Al2O3.nH2O Canxiterit: SnO2

Bruxit: Mg(OH)2

Psilomelan: nMnO.mMnO2.nH2O…

* Nhánh IV: Các hợp chất muối của oxy

Các khoáng vật nhánh này gồm tất cả những hợp chất kiểu muối mà trong gốc phức anion của chúng có anion oxyt (O2-), nghĩa là tất cả các hợp chất muối mà theo cách gọi về mặt hóa học chúng có đuôi là “at”oxy Chẳng hạn như muối silicat,

muối cacbonat, sunfat …

- Lớp silicat

Khoáng vật lớp silicat đã có hơn 800 loại, chiếm 80% trọng lượng vỏ Trái đất

và nó có cấu trúc tinh thể phức tạp

Một số loại silicat hình thành đá quan trọng như:

Hocblen - (Ca,Na)(Mg,Fe)4(Al,Fe)[(Si,Al)4O11]2(OH,F)2)

Cao lanh - Al4Si4O10(OH)4

38

Fe[CO3])

- Lớp sulfat

Các khoáng vật sulfat chứa các anion sulfat, SO42- Các sulfat trong tự nhiên

có 260 loại, phổ biến nhất có anhydrit (thạch cao khan - CaSO4) (sulfat canxi - CaSO4), barit (sulfat bari - BaSO4) và thạch cao (sulfat canxi ngậm nước - CaSO4.2H2O)

- Lớp photphat

Nhóm khoáng vật photphat trên thực tế bao gồm bất kỳ khoáng vật nào với thể tứ diện AO4 (ví dụ [PO4]3-), trong đó A có thể là photpho, antimon, asen hay vanadi Khoáng vật lớp photphat phổ biến nhất có lẽ là apatit-Ca5[PO4]3(F,Cl,OH),

là một chất khoáng quan trọng về mặt sinh học

* Nhánh V: Các hợp chất muối halogenua (haloid)

Khoáng vật nhánh này gồm tất cả các khoáng vật tồn tại ở dạng hợp chất muối của các axit HCl, HBr,…

Các khoáng vật halua là nhóm các khoáng vật tạo ra các loại muối tự nhiên Các halua được tìm thấy chủ yếu tại các môi trường bốc hơi như các đáy hồ nước mặn đã khô hay các biển kín như biển chết và Great Salt Lake Lớp halua bao gồm các khoáng vật florua, clorua, iodua

Ví dụ: Sylvit (KCl); Halit (NaCl); Karnalit (KCl.MgCl2.6H2O); Fluorit (CaF2)

Lodoacgilit (AgI)

Salamoniac(NH4Cl)…

* Nhánh VI: Các hợp chất hữu cơ

Các khoáng vật của lớp hữu cơ bao gồm hàng loạt các loại oxalat, mellitat, citrat, xyanat, axetat Nhánh này bao gồm một số khoáng vật là hợp chất muối của các loại axit hữu cơ hay dạng bitum (nhựa đường)…tồn tại trong các thành tạo địa chất

Ví dụ: Parafin: CnH2n+2

Ynvelit: Ca[C2O4].H2O; Hổ phách: C10H16O…

Trong thực tế các khoáng vật tồn tại dưới dạng hợp chất hữu cơ rất ít gặp

39

người Đức, một thể địa chất độc lập phải phân biệt rõ rệt với các thể xung quanh về nguồn gốc; có thành phần vật chất xác định, khác biệt với thành phần vật chất của các thể xung quanh; giữa các hợp phần tạo đá có một cách thức tập hợp đặc trưng

Đa số các đá tồn tại ở thể rắn, song đá cũng có thể tồn tại dưới dạng bở rời hay dẻo Chẳng hạn như đá sét tồn tại ở trạng thái dẻo

Đá cũng có thể nhầm với một số khái niệm lân cận như khoáng vật, đất và quặng Vì vậy ta cần phân biệt rõ các khái niệm đó

Đất là sản phẩm phong hóa của các đá

Quặng là những thành tạo khoáng vật hoặc đá mà ta có thể dùng trực tiếp

hoặc lấy ra những chất có ích dùng cho nền kinh tế quốc dân Khái niệm quặng có tính chất tương đối Tùy thuộc vào trình độ kỹ thuật của mỗi nước mà giới hạn chất lượng quặng các nước có thể khác nhau

b Cấu tạo và kiến trúc của đá

* Cấu tạo của đá

Cấu tạo (texture) thể hiện đặc điểm về sự phân bố, sắp xếp trong không gian của các thành phần tạo đá, phản ánh trình độ đồng nhất của đá

Ví dụ: Cấu tạo khối của đá, trong đó sự phân bố, sắp xếp hỗn độn, đồng đều của các hạt, các tinh thể khoáng vật có kích thước khác nhau ở trong đá

Cấu tạo phân lớp có sự phân bố, sắp xếp của các mảnh vụn, các hạt tinh thể thành từng lớp khác nhau ở trong đá

* Kiến trúc của đá

Kiến trúc (structure) phản ánh các cấu trúc bên trong của đá, thể hiện các đặc tính về kích thước, hình dạng của các hạt khoáng vật, ở trình độ kết tinh và mối quan hệ giữa chúng với nhau, các hình thức tổ hợp của các hạt

- Kiến trúc thể hiện trình độ kết tinh của khoáng vật như kiến trúc toàn tinh (các khoáng vật tạo đá tồn tại ở dạng tinh thể), kiến trúc thuỷ tinh (các khoáng vật tạo đá tồn tại ở hình thái thuỷ tinh – không ở dạng tinh thể), và kiến trúc ban tinh