BÀI GIẢNG THẠCH HỌC CƠ SỞ pptx

Mỗi thể địa chất độc lập phải có 3 điều kiện: - Thể đó phải được phân biệt rõ rệt với các khối xung quanh và chứng tỏ rằng nguồn gốc thành tạo của nó phải do những quá trình địa chất ri

bμi giảng thạch học cơ sở

Mở đầu

1- Đối tượng nghiên cứu của môn học:

+ Khái niệm chung về đất đá:

Theo quan niệm thông thường thì trên bề mặt Trái đất bao gồm hai loại

đất và đá Chúng có thể là hai đối tượng của hai lĩnh vực khoa học khác nhau, cũng có thể là đối tượng của cùng một lĩnh vực khoa học Ví dụ: đất là đối tượng của ngành Thổ nhưỡng học (lưu ý đó là đất thổ nhưỡng), đá là đối tượng của ngành Thạch học-Khoáng vật, nhưng cả đá và đất đều là một trong các đối tượng của ngành Xây dựng, đặc biệt là chuyên sâu Đất xây dựng-Địa chất công trình

Theo chuyên sâu Đất xây dựng-Địa chất công trình thì trong tự nhiên đất

đá bao gồm các loại sau:

- Đá cứng: là các đá có liên kết kiến trúc bền (mà bản chất là liên kết hóa học) Chúng thường có độ bền cao và ít thay đổi khi bão hoà nước Trong đá cứng có các loại đá magma, trầm tích, biến chất

- Đất phân tán: bao gồm các đất có liên kết kiến trúc bản chất vật lý (liên kết phân tử, liên kết ion-tĩnh điện, mao dẫn và từ tính) Chúng có độ bền thấp

và thay đổi nhiều khi bão hoà nước

- Ngoài ra trong tự nhiên còn tồn tại những nhóm đất đặc biệt như bùn,

đất thổ nhưỡng (có độ phì nhất định), đá nhân tạo (đất đá được đầm nén bằng nhiều phương pháp khác nhau hoặc gia cố bằng phương pháp xi măng hóa, vôi hóa, kiềm hóa

+ Khái niệm về đá theo chuyên ngành Thạch học:

Thạch học là môn học nghiên cứu các đá cấu tạo nên Vỏ Trái đất Đá là tập hợp có quy luật của một hay nhiều khoáng vật tạo thành các thể địa chất

độc lập Mỗi thể địa chất độc lập phải có 3 điều kiện:

- Thể đó phải được phân biệt rõ rệt với các khối xung quanh và chứng tỏ rằng nguồn gốc thành tạo của nó phải do những quá trình địa chất riêng (dạng nằm của đá)

- Thể đó có thành phần vật chất xác định, khác biệt với thành phần vật chất của các khối khác bao quanh (thành phần hóa học và thành phần khoáng vật)

- Giữa các hợp phần tạo đá có một cách thức kết hợp riêng biệt (cấu tạo

và kiến trúc)

Đá có thể tồn tại dưới dạng rắn (như đá granit, đá vôi, đá bazan), dạng bở rời (như cát, bột ) hoặc dạng dẻo (sét)

+ Phân biệt các khái niệm khoáng vật, đất, quặng:

- Khoáng vật là một hợp chất hóa học tự nhiên có công thức hóa học và cấu trúc nhất định Ví dụ canxit có thành phần hóa học là CaCO 3 , cấu trúc tinh thể hệ 3 phương Nó là thành phần khoáng vật chủ yếu của đá vôi và đá hoa

- Quặng là những thành tạo khoáng vật hoặc đá mà ta có thể dùng trực tiếp hoặc lấy ra những chất có ích phục vụ cho nền kinh tế quốc dân Chính vì vậy mà có những loại đá hay khoáng vật vào thời điểm nào đó không phải là quặng nhưng vào thời điểm khác lại trở thành quặng cho 1 quốc gia vì nó có thể dùng cho nền kinh tế của quốc gia đó

- Đất là sản phẩm phong hóa của các đá

2- Vị trí của môn học và tương quan của nó với các khoa học khác:

- Thạch học nghiên cứu các loại đá không những về phương diện thành phần, cấu trúc mà còn về phương diện thế nằm địa chất, nguồn gốc và ý nghĩa của chúng đối với nền kinh tế quốc dân Vì vậy nó là một khoa học địa chất, một môn khoa học không thể thiếu được đối với các ngành khoa học có liên quan đến Vỏ Trái đất: Địa chất công trình, Địa chất thủy văn, Địa chất thăm

dò, Địa chất khoáng sản, Địa vật lý, Địa chất dầu, Địa chất mỏ

Đặc biệt đối với Địa chất công trình, việc phân biệt được các loại đá sẽ có nhiều thuận lợi cho việc sử lý nền móng khi xây dựng các công trình

Để nghiên cứu được môn thạch học thì nhà nghiên cứu cần phải có kiến thức của các môn học Hóa, Hóa-lý, Hóa phân tích, Vật lý, Địa chất đại cương, Tinh thể-khoáng vật

- Chuyên ngành thạch học bao gồm hai bộ phận: thạch học mô tả (petrographie) và thạch luận (petrologie)

3- Cơ sở chung để phân loại đá:

Việc phân loại đá có tầm quan trọng đặc biệt Cũng như các ngành khoa học khác, việc phân loại phải được dựa trên những đặc điểm cơ bản và quan trọng nhất của đá Đối với đá thì nguồn gốc thành tạo có một ý nghĩa đặc biệt Chính sự nghiên cứu các quá trình địa chất dẫn tới sự thành tạo các loại đá đã

cho phép phân loại đá thành 3 nhánh chính: đá magma, đá trầm tích và đá biến chất

- Đá magma: là loại đá được thành tạo do sự đông đặc các dung thể magma Nếu quá trình đông đặc xảy ra ở dưới sâu ta có đá magma xâm nhập sâu Nếu magma phun trào ra bề mặt Trái đất dưới dạng núi lửa và đông đặc tại đó ta có đá magma phun trào Nếu magma có dạng mạch nằm gần bề mặt Trái đất ta có đá mạch hoặc đá xâm nhập nông Chúng có nguồn gốc nội sinh

Ví dụ: đá bazan, đá granit, gabro là những đá magma

- Đá trầm tích là sản phẩm của các quá trình ngoại sinh: phong hóa, vận chuyển, lắng đọng và gắn kết các vật liệu vụn cơ học hoặc do lắng đọng các muối từ dung dịch thật hoặc dung dịch keo có sự tham gia trực tiếp hay gián tiếp của sinh vật Chúng được thành tạo ngay trên bề mặt của Trái đất Ví dụ:

đá vôi, đá cát kết, đá sét, than là các đá trầm tích

- Đá biến chất là sản phẩm biến đổi các đá có trước do tác dụng nội sinh (sự nâng cao nhiệt độ, áp suất trong vỏ Trái đất) và xảy ra ở trạng thái cứng

Ví dụ: đá hoa là đá biến chất từ đá vôi, đá gneis là đá biến chất từ các đá magma axit

Trong tự nhiên, giữa 3 nhánh đá này luôn tồn tại 1 quá trình chuyển hóa lẫn nhau trong lịch sử phát triển của Vỏ Trái đất, và trên thực tế luôn tồn tại các biến thể đá trung gian giữa 3 nhánh đá này:

Khi nghiên cứu bất kỳ một loại đá nào thì cũng phải đề cập đến 3 vấn đề chính sau:

←- Dạng nằm của đá: đá đó gặp trong tự nhiên như thế nào, quan hệ với đá vây quanh ra sao

Magma

Trầm tích phun trμo Siêu biến chất

biến chất thấp

↑- Thành phần vật chất cuả đá: đá đó được tạo nên bằng gì

→- Cấu tạo và kiến trúc của đá: các phần tử hợp thành đá được sắp xếp trong không gian như thế nào, quan hệ giữa chúng ra sao

4- Các phương pháp thạch học nghiên cứu các đá:

Bao gồm 2 hệ phương pháp:

a- Hệ phương pháp ngoài trời:

- Khảo sát thực địa, quan sát dạng nằm, sự phân bố và quan hệ của các đá

về không gian và thời gian, đo vẽ các mặt cắt, bản đồ thạch học cấu trúc, thạch-kiến tạo

- Thu thập các loại mẫu

Ngoài thực địa nhà nghiên cứu có thể biết được dạng nằm của đá, cấu tạo của đá cũng như màu sắc, diện phân bố

b- Hệ phương pháp trong phòng:

- Phân tích các loại mẫu: hóa silicat, quang phổ hấp phụ nguyên tử, thạch học lát mỏng, microsond, plasma, hiển vi điện tử

- Sử lý các số liệu, đối sánh chuẩn hóa

- Vẽ chi tiết các mặt cắt, bản đồ

Một trong các phương pháp nghiên cứu đá truyền thống đó là thạch học lát mỏng, sử dụng kính hiển vi phân cực

Dưới kính hiển vi phân cực nhà nghiên cứu có thể xác định được kiến trúc của đá, thành phần khoáng vật định lượng của đá, các quá trình biến đổi của

đá

Muốn nghiên cứu thạch học lát mỏng thì phải nắm được những kiến thức

về tính chất quang học của các tinh thể của các khoáng vật tạo đá thông qua

môn học Quang học tinh thể

Phần quang học tinh thể

Bμi 1: Các khái niệm chung 1- ánh sáng thường và ánh sáng phân cực:

a- ánh sáng tự nhiên:

- Các ánh sáng phát ra từ các nguồn sáng khác nhau như mặt trời, đèn

điện, nến truyền đi tất cả mọi phương mà phương dao động của sóng ánh

sáng luôn vuông góc với phương truyền Trong quá trình truyền sóng sáng của

ánh sáng tự nhiên, phương dao động của sóng sáng vuông góc với phương truyền và tia sáng xoay xung quanh phương truyền với tốc độ cao mà tại mọi thời điểm người ta thấy phương dao động của sóng sáng trùng với đường kính của vòng tròn vuông góc với phương truyền (hình vẽ) Đó là ánh sáng thường

và ta có thể nhận biết chúng bằng mắt thường

b- ánh sáng phân cực:

- Có một loại ánh sáng mà phương dao động của của nó chỉ là 1 phương duy nhất, mặt phẳng dao động cố định Đó là ánh sáng phân cực Ta chỉ có thể nhận biết được ánh sáng phân cực nhờ 1 dụng cụ quang học gọi là nicon

Nicon sẽ biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực Ngoài ra có 1

số ánh sáng phản xạ là ánh sáng phân cực

o s o s

2- Chiết suất Hiện tượng phản xạ toàn phần

a- Khái niệm chiết suất:

- Chiết suất là một đại lượng không thứ nguyên, được tính bằng tỷ số giữa hai tốc độ của ánh sáng truyền trong hai môi trường khác nhau

- Chiết suất tuyệt đối: chiết suất của một chất (N 1 ) là một đại lượng không thứ nguyên, tính bằng tỷ số giữa tốc độ của ánh sáng truyền trong chân không

và tốc độ của ánh sáng truyền trong chất đó (V 1 )

1

0 1

V

V

Vì V 0 là lớn nhất nên N 1 >>1

Chiết suất của môi trường càng cao thì ánh sáng truyền trong môi trường

đó càng chậm

- Chiết suất tương đối: chiết suất giữa hai chất n 1 và n 2 là một đại lượng không thứ nguyên tính bằng tỷ số giữa tốc độ của ánh sáng truyền trong môi trường chất n 2 với tốc độ của ánh sáng truyền trong môi trường chất n 1

1 2 2

1

n

n v

v

b- Hiện tượng phản xạ toàn phần:

Để đo chiết suất của một môi trường người ta dựa vào công thức :

N 1sin i = N2sin r

Khi một tia sáng truyền từ một môi trường có chiết suất thấp n 1 sang môi trường có chiết suất cao hơn n 2 sẽ khúc xạ với góc khúc xạ r nhỏ hơn góc tới i

n

n

sin 2 1

Khi góc tới i lớn dần tới 90 0 thì góc khúc xạ r lớn dần đến góc tới hạn ϕ, ta

có

2

1 90 sin

n

n

=

2

1

n n

Ngược lại một tia sáng truyền từ môi trường có chiết suất cao n 2 sang môi trường có chiết suất thấp n 1 sẽ có góc tới nhỏ hơn góc khúc xạ Khi góc tới lớn dần tới giá trị tới hạn ϕ, góc khúc xạ lớn dần tới giá trị 90 0 Nếu góc tới lớn hơn

ϕ, tia sáng không qua được môi trường có chiết suất thấp mà phản xạ toàn

phần

Như vậy điều kiện để có phản xạ toàn phần là: ánh sáng truyền từ môi trường có chiết suất tuyệt đối lớn hơn n 1 sang môi trường có chiết suất tuyệt đối nhỏ hơn n 2 (n 1 >n 2 ) và góc tới lớn hơn góc tới hạn (i> ϕ)

Dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần người ta đã chế tạo ra khúc xạ kế

để đo chiết suất của 1 môi trường

3- Hiện tượng khúc xạ kép trong tinh thể Mặt chiết suất

a- Hiện tượng khúc xạ kép trong tinh thể:

+ Trong những môi trường vô định hình và những tinh thể hệ lập phương,

ánh sáng tự nhiên truyền vào có tốc độ không đổi theo mọi phương, khi ra khỏi tinh thể chúng vẫn đi thẳng Chúng chỉ có 1 đại lượng chiết suất và được gọi là những chất đẳng hướng quang học Và tinh thể hạng cao có vô số trục quang

+ Một tia sáng AB truyền vào một tinh thể hạng vừa hoặc hạng thấp thường tách thành 2 tia khúc xạ BC và CD Hai tia này truyền trong tinh thể

với hai tốc độ khác nhau, cả hai sóng ứng với hai tia này đều phân cực và có phương dao động vuông góc với nhau (đồng thời vuông góc với phương truyền sóng) Như vậy theo mỗi phương truyền cho trước tinh thể có 2 đại lượng chiết suất

+ Đối với tinh thể hạng vừa, ánh sáng tự nhiên chiếu vào tinh thể khi đi ra khỏi tinh thể sẽ tách thành 2 tia: tia thường S o đi thẳng và tia bất thường S e đi lệch S o và S e có phương dao động vuông góc với nhau Tinh thể hạng vừa có 1 phương mà ánh sáng chiếu vào sẽ không bị phân cực, ta gọi đó là tinh thể 1 trục quang

+ Đối với tinh thể hạng thấp, ánh sáng tự nhiên khi ra khỏi tinh thể bị tách làm 2 tia phân cực và đều đi lệch Tinh thể hạng thấp có 2 phương mà ánh sáng chiếu vào không bị phân cực, ta gọi đó là tinh thể 2 trục quang

b- Mặt chiết suất: được đưa ra dưới dạng mô hình: nếu từ 1 điểm O trong tinh thể, trên mỗi phương truyền sóng khác nhau ta đặt một vectơ có độ dài ứng với giá trị chiết suất đo được theo phương đó rồi nối tất cả các đầu mút của các vectơ đó ta được mặt chiết suất của tinh thể

Mặt chiết suất của môi trường đẳng hướng là một hình cầu

Mặt chiết suất của môi trường dị hướng là một mặt kép có 2 vỏ lồng vào nhau

4- Mặt quang suất:

Khi thực hành để tiện lợi người ta dùng một mô hình khác có tên gọi là mặt quang suất để thay thế cho mặt chiết suất vì hình dạng của mặt quang suất

đơn giản hơn, ứng với một phương truyền cho trước ta có thể suy được chiết suất và phương dao động của hai sóng

S 0

S e

Trong một môi trường tinh thể hạng vừa và hạng thấp, theo mỗi phương truyền có hai sóng sáng Phương dao động của chúng vuông góc với nhau và cùng vuông góc với phương truyền

Tại một điểm O trong tinh thể, theo phương OM có hai sóng truyền đi ứng với hai chiết suất n 1 và n 2 Qua O ta có thể vạch các đoạn thẳng A 1 A 1 và

A 2 A 2 biểu diễn phương dao động của 2 sóng, đồng thời có OA 1 =n 1 , OA 2 =n 2 Tương tự ta có các điểm có tính chất tương tự A 1 , A 2 Nối tất cả các điểm trên

ta được một mặt cầu, mặt elipxoit tròn xoay hoặc elipxoit ba trục và được gọi là mặt quang suất Qua điểm O ta vạch một mặt phẳng thẳng góc với phương truyền, mặt này sẽ cắt mặt quang suất theo một hình elip Phương và độ dài của hai bán trục của tiết diện elip chính là phương dao động và chiết suất của hai sóng truyền theo phương cho trước

Người ta sử dụng giá trị tuyệt đối hiệu số giữa hai đại lượng chiết suất của tinh thể và gọi là lưỡng chiết suất Đại lượng lưỡng chiết suất lớn nhất gọi là lưỡng chiết suất chính của tinh thể.

a- Mặt quang suất của tinh thể một trục quang:

Đối với tinh thể một trục, phương dao động của sóng bất thường nằm trong mặt phẳng tạo bởi trục quang và phương truyền

Mặt quang suất của những tinh thể một trục (sáu phương, bốn phương và

ba phương) có dạng elipxoit tròn xoay có trục xoay trùng với trục quang của tinh thể và trùng với phương dao động của sóng bất thường N e Phương dao

động N e bao giờ cũng dao động trong mặt phẳng chứa trục quang và phương truyền Tiết diện vuông góc với trục quang là một hình tròn có bán kính không

đổi, được gọi là tiết diện chính Các tiết diện khác không vuông góc với trục quang sẽ có hai bán trục tương ứng với n 0 ' và n e ' .

Mặt quang suất của tinh thể 1 trục:

N g ≡ N e N p ≡ N e

N p =const=N o N g=const

Tinh thể quang dương Tinh thể quang âm

Để xác định phương dao động và giá trị chiết suất ứng với phương truyền sáng bất kỳ người ta vẽ 1 mặt phẳng vuông góc với phương truyền tại tâm của mặt quang suất Mặt phẳng này sẽ cắt mặt quang suất theo 1 hình elip Độ dài

2 bán trục elip này chính là giá trị chiết suất n 0 ' và n e ' Phương của hai bán trục là phương dao động của hai sóng lưỡng chiết

b- Mặt quang suất của tinh thể 2 trục quang:

Đối với tinh thể hai trục, phương dao động của hai sóng nằm trong hai mặt phân giác của nhị diện tạo bởi hai trục quang và phương truyền với đỉnh là phương truyền

- Mặt quang suất của những tinh thể hai trục (thoi, một xiên, ba xiên) có dạng elipxoit ba trục

Người ta dùng các ký hiệu N g , N p , N m để chỉ trục dài, trục ngắn và trục trung bình của mặt quang suất, tương ứng có các giá trị chiết suất n g , n p , n m

Mặt quang suất của tinh thể 2 trục:

Tinh thể quang dương Tinh thể quang âm

Mặt trục quang là mặt phẳng chứa N g và N p Tiết diện cắt qua tâm O của mặt quang suất và vuông góc với 2 trục quang là 1 hình tròn Góc tạo bởi 2 trục quang là góc 2V

Để xác định phương dao động của sóng sáng và độ lớn của giá trị chiết suất ứng với một phương truyền bất kỳ, ta cắt mặt quang suất bằng một mặt phẳng qua tâm O và vuông góc với phương truyền, ta được 1 hình elip có hai

bán trục N g ' và N p ' Phương của hai bán trục là phương dao động của sóng sáng, độ lớn của hai bán trục là giá trị chiết suất

Bμi 2: Cấu tạo của kính hiển vi phân cực

Bμi 3: Nicon vμ hệ thống hai nicon

1- Nicon:

Nicon là một dụng cụ quang học chuyển ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực

Nicon được làm bằng tấm canxit trong suốt cưa ra làm đôi theo trục ngắn rồi lại được gắn lại bằng lớp nhựa Canada có chiết suất n n =1,537 Khi ánh sáng

tự nhiên chiếu vào tinh thể canxit thì sẽ xuất hiện 2 sóng sáng Người ta bố trí cho tia thường khi tiếp xúc với ranh giới lớp nhựa có góc tới lớn hơn góc giới hạn nên xảy ra phản xạ toàn phần, tia sáng không đi qua được lớp nhựa mà sẽ

bị hấp thụ sau khi phản xạ toàn phần ở rìa của nicon bởi lớp nhựa màu đen Còn tia bất thường có chiết suất n=1,516 truyền tới lớp nhựa canada có

n n =1,537 lớn hơn nên tia sáng này xuyên qua môi trường nhựa và đi thẳng ra ngoài Đây là tia sáng phân cực

Ngày nay thường sử dụng những bản polaroit làm bằng xenluloit trong suốt, trên mặt phủ những tinh thể hình kim trong suốt có tính chất như tinh thể canxit

Trong kính hiển vi có hai nicon: nicon phân cực và nicon phân tích Tinh thể của 1 khoáng vật dưới kính hiển vi được nghiên cứu các tính chất quang học ở các vị trí sau: vị trí chỉ có 1 nicon phân cực, vị trí 2 nicon vuông góc dùng

ánh sáng song song và vị trí 2 nicon vuông góc dùng ánh sáng hình nón