Bài giảng Chương II: Thành phần vật chất của trái đất

CHƯƠNG IITHÀNH PHẦN VẬT CHẤT CỦA TRÁI ĐẤTSơ đồ mô tả thành phần vật chất của trái dấtNguyên tố hóa họcNguyên tố hóa họcNguyên tố hóa học..........................Khoáng vậtKhoáng vậtĐá magmaĐá trầm tíchĐá biến chấtThạch quyểnMantiNhânTrái đấtKhoáng vậtTHÀNH PHẦN HÓA HỌCViệc nghiên cứu thành phần vật chất của trái đất chủ yếu được tiến hành dựa trên phân tích hàng chục ngàn mẫu vật lấy trên bề mặt hoặc trong các giếng khoan trong phạm vi lớp vỏ nông của trái đất. Thành phần vật chất ở dưới sâu chỉ được dự đoán thông qua các phương pháp nghiên cứu gián tiếp.Các nguyên tố phổ biến nhất trong lớp vỏ trái đất là oxi, silic, nhôm, sắt, canxi, natri, kali và magie. Tám nguyên tố này chiếm tới 98.5% tổng trọng lượng của lớp vỏ.Nguyên tố hóa học trong lớp vỏ trái đấtTỷ lệ phần trăm khối lượngO46.6Si27.7Al8.1Fe5.0Ca3.6Na2.8K2.6Mg2.1THÀNH PHẦN KHOÁNG VẬTKhoáng vật là sự kết hợp tự nhiên của một hoặc nhiều các nguyên tố hóa học ở trạng thái rắn.Ví dụ:Khoáng vật 1 nguyên tố: Than, Kim cương (C)Khoáng vật nhiều nguyên tố: Canxit (CaCO3)Các tinh thể khoáng vật rất đa dạng về hình thái kết tinh, phụ thuộc vào kích thước các nguyên tử tham gia vào thành phần khoáng vật, nhiệt độ và áp suất khi kết tinh.Hầu hết các khoáng vật đều có sự tham gia của silic (tạo thành các khoáng vật silicat). Chỉ vài trăm trong số hàng ngàn khoáng vật đã biết là các khoáng vật tạo đá quan trọng. Và chúng được tạo thành từ 8 nguyên tố phổ biết nhất trong lớp vỏ trái đấtabTinh thể khoáng vật phát triển theo 3 chiềua – kim cương; a - PyritecdTinh thể khoáng vật phát triển theo 1 chiềuc– Thạch anh; d- tourmalineTinh thể khoáng vật phát triểntheo 2 chiều: MicaPhân loại khoáng vậtCác nguyên tố tự sinh (native elements): Khoảng 20 nguyên tố tồn tại ở trạng thái các khoángvật tự sinh (không liên kết với các nguyên tố khác). Trong đó có khoảng 10 khoáng vật tự sinh có thể tích tụ tạo thành các mỏ có giá trị công nghiệp như Au, Ag,Các khoáng vật nhóm oxit: Đây là nhóm lớn, trong đó nguyên tử oxi kết hợp với một hoặc nhiều nguyên tố kim loại. Liên quan đến nhóm này là các loại quặng của Fe, Mn, Sn, Cr, U,Các khoáng vật nhóm sunfua: Nguyên tố lưu huỳnh kết hợp với một hoặc nhiều nguyên tố kim loại. Nhóm này thường tạo thành một số mỏ khoáng rất có giá trị kink tế của một số kim loại màu như Cu, Zn, Mo, Ag, Au, Co, Hg, Ni, Các khoáng vật nhóm sunfat: Là các khoáng vật có chứa nhóm gốc (SO4)2- (vd: thạck cao), thường được thành tạo do sự bốc hơi của nước biển hoặc các hồ muối.Các khoáng vật nhóm phốt phát: Có chứa nhóm gốc (PO4)3- (vd: apatit)Các khoáng vật nhóm cacbonat: Nhóm gốc (CO3)2- là cơ sở cho hai loại khoáng vật tạo đá phổ biến nhất thuộc nhóm này là calcite (CaCO3) và dolomite (CaMgCO3)Các khoáng vật nhóm silicate: Nhóm gốc cơ bản của các khoáng vật silicat là (SiO4)4-. Đây là nhóm khoáng vật phổ biến nhất và chiếm tới 90% trọng lượng vỏ trái đất. Và tồn tại dưới dạng các khoáng vật dạng chuỗi, tấm,Các tính chất vật lý của khoáng vậtĐộ cứng là khả năng của khoáng vật chống lại tác động của ngoại lực. Độ cứng tương đối được phân loại theo thang độ cứng của Mohs. Các nhà địa chất thường dùng mũi dao với độ cứng ~5 để thử độ cứng các khoáng vật. Độ cứng tuyệt đối được xác định cụ thể qua các thiết bị đo áp suất và mức độ xuyên cắt vào bề mặt khoáng vật.Màu khoáng vật: Một khoáng vật có thể có nhiều màu khác nhau do hàm lượng tạp chất lẫn trong đó. Màu quan sát trên bề mặt khoáng vật không phải luôn luôn phản ánh đúng màu của khoáng vật so sự giao thoa và tán sắc của ánh sáng trên bề mặt. Màu thật của khoáng vật (màu vết vạch – màu bột) là màu quan sát được khi ta vạch khoáng vật đó lên bề mặt tấm sứ. (vd. Pyrite nhìn có màu vàng rơm nhưng màu thật lại là màu đen)Ánh: là đặc điểm ánh sáng phản xạ trên bề mặt khoáng vật. Theo cường độ phản xa mà chia thành ánh kim, ánh thủy tinh, ánh nhựa và ánh đất.Hình thái tinh thể: Mỗi khoáng vật có một hình thái tinh thể đặc trưng khi kết tinh. Hình thái đó càng phát triển hoàn thiện khi tinh thể được kết tinh chậm chạp, nhiệt độ hạ thấp từ từ. Theo mức độ kết tinh hoàn chỉnh có thẻ chia thành các cấp: tự hình, bán tự hình và tha hình.Khoáng vật chuẩnĐộ cứng MohsTalc1Thạch cao2Calcite3Fluorite4Apatite5Orthoclase (Feldspar)6Thạch anh7Topaz8Corundum9Kim cương10Tính cát khai: là xu hướng của khoáng vật bị tách vỡ theo các bề mặt nhất định mà ở đó có lực liên kết nguyên tử yếu. Thông thường mặt cát khai trùng với mặt tinh thể khoáng vật. Góc tạo bởi giữa các bề mặt tinh thể khoáng vật thường đặc trưng cho các nhóm khoáng vật khác nhau, có thể được nhận biết bằng mắt thường hoặc dưới kính hiển vi và là một trong những dấu hiệu đơn giản để nhận biết nhanh khoáng vật.Từ tính: một số khoáng vật có chứa sắt thường bị nhiễm từ trường của trái đất trong quá trình kết tinh (vd. Magntite – Fe3O4). Trục từ của các tinh thể khoáng vật này thường được sử dụng để nghiên cứu sự đảo từ.Tỷ trọng của khoáng vật: khối lượng/thể tích. Trọng lượng riêng của khoáng vật: tỷ trọng của khoáng vật/tỷ trọng của nước. Do tỷ trọng của nước bằng 1 nên trọng lượng riêng (không có đơn vị đo) = tỷ trọng (có đơn vị đo). Căn cứ váo tỷ trọng khoáng vật được chia thành hai nhóm: khoáng vật nặng (>2.9 g/cm3) và khoáng vật nhẹ ( pyroxene => amphibole => biotiteNhánh liên tục: tạo lên các khoáng vật nhóm plagioclase feldspar, tỉ lệ Ca/Na giảm liên tục khi nhiệt độ hạ thấp tạo lên các khoáng vật feldspar có màu sắc thay đổi từ màu hồng => tan => nâu => trắngMÔ TẢ SƠ BỘ ĐÁ MAGMA CHÍNHĐÁ MAGMA PHUN TRÀOĐÁ MAGMA XÂM NHẬPSiêu mafic (siêu bazơ): là loại đá ít phổ biến, hoàn toàn chỉ có các khoáng vật giàu Fe, Mg mà không có các khoáng vật thạch anh, feldspar (50%, hoàm lượng Fe,Mg khá cao, đá tối màuAndesite: có màu xanh xám nhạt hơn, giàu hàm lượng feldspar plagioclase hơn so với basalt.Diorite: silic 50 – 65%, đá có cả các khoáng vật giàu Fe, Mg và Si, màu sắc sáng dần khi chuyển dần về đá acidRhryolite: là loại đá magma acid giàu silic nhất (>65%) và rất ít Fe, Mg làm cho đá có màu tan, hồng hoặc kemGranite: đá có hàm lượng Silic =>65%, tinh thể khá tự hình, màu sáng.CẤU TẠO VÀ KIẾN TRÚC ĐÁ MAGMAKiến trúc: thể hiện trình độ kết tinh cuả tinh thể khoáng vật tạo đá.Các đá magma phun trào được đông cứng khi nhiệt độ giảm nhanh thường có kiến trúc kết tinh hạt nhỏ, hoặc thủy tinh hoặc kiến trúc porphyr (gồm các ban tinh hạt to nổi trên nền là thủy tinh hoặc các tinh thể hạt nhỏ).Các đá magma xâm nhập có thời gian nguội lạnh từ từ và lâu dài nên có kiến trúc hạt to, tự hình hơn.Cấu tạo: phản ánh đặc điểm phân bố không gian của các khoáng vật. Đá xâm nhập thường có cấu tạo khối, cấu tạo dyke mạch xuyên cắt vào các đá vây quanh trong khi các đá phun trào thường có cấu tạo dòn chảy, cấu tạo phân lớp, xuyên phủ lên các đá bên dưới.Basalt cầu gối phun trào dưới đáy đại dươngtCột đá basalt hình lăng trụHình thành khi kết tinhĐá magma granite xuyên cắtVào đá vây quanhĐÁ TRẦM TÍCHCác đá bị phong hóa, phá hủy dưới tác dụng của khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm, gió, băng hà,..). Các vật liệu này sau đó được vận chuyển xuống các vùng địa hình thấp dưới tác dụng của trọng lực, nước trên mặt, nước dưới đất, băng hà, gió, lắng đọng, chôn vùi và gắn kết tạo thành đá trầm tích.Đá trầm tích chỉ chiếm khoảng 5% trọng lượng vỏ trái đất nhưng bao phủ đến 75% diện tích bề mặt trái đất.Rất nhiều đá trầm tích có giá trị kinh tế cao như dầu khí, than, các mỏ trầm tích của Au, Ti,Đặc trưng cơ bản của đá trầm tích là có tính phân lớp.Lớp đá: là đơn vị địa tầng nhỏ nhất có dạng tấm mà ở đó lớp đá được đặc trưng bởi thành phần, màu sắc, cấu tạo, riêng biệt.Về mặt hình thái, lớp đá phát triển mạnh về chiều dài và chiều rộng, chiều dày kém phát triển hơn.Các lớp đá được ngăn cách với nhau bởi mặt phân lớp. Mặt lớp đá thành tạo sớm nhất được gọi là đáy lớp, mặt thành tạo muộn nhất được gọi là nóc lớp.Trong không gian, mặt lớp nằm dưới gọi là mặt trụ, mặt lớp nằm trên gọi là mặt vách. Trong điều kiện thường thì trụ ~đáy và vách ~ nóc nhưng khi thế nằm bị đảo lộn thì ngược lại.Trong các lớp đá trầm tích thường có chứa các hóa thạch – đây là những dấu tích quan trọng để xác định tuổi và điều kiện thành tạo đá trầm tíchTrong nội bộ lớp đá thường có cấu tạo khối, dải, tấm, xiên chéo hoặc chuyển cấp hạt. Trên mặt lớp thường có các dấu vết hoạt động của sinh vật, các khe nứt khi đá co rút thể tích,Nóc = VáchĐáy = trụĐáy = váchĐáy = trụThế nằm thuậnThế nằm đảoHạt chuyển cấpCấu tạo xiên chéoKhe nứt trên mặt đá bùnHóa thạchPhân loại đá trầm tíchĐá trầm tích được chia thành ba phụ loại chính:Đá trầm tích cơ học: được thành tạo từ các mảnh vụn phá hủy từ đá bị phong hóa, trải qua quá trình lắng đọng và gắn kết lại với nhau. Mảnh vụn theo kích thước được chia thành sét, bột, cát, sạn, sỏi, cuội, tảng. Khi gắn kết tạo đá được gọi theo tên tương ứng là sét kết, tảng kếtĐá trầm tích hóa học: hình thành do sự lắng đọng, kết tủa trực tiếp từ các dung dịch hòa tan. Vd: các loại muối, trầm tích cacbonate, Trầm tích sinh học: Hình thành từ các mảnh vụn tàn dư từ các cơ thể sinh vật khi chết được chôn vùi nhanh chóng.Đường kính mảnh vụn (mm)Trầm tíchĐá trầm tíchTảngCuộiCuội kết (nếu mảnh vụn tròn cạnh)Dăm kết nếu mảnh vụn sắc canh256---------Cuội64---------Sỏi2------------------------------------------------------CátCát kết1/16-------------------------------------------------------BộtBùnBột kếtĐá bùn kết1/256-------------------------SétSét kếtHoặc đá phiến sétĐÁ BIẾN CHẤT- Hình thành do sự biến đổi thành phần hóa học, thành phần khoáng vật, kiến trúc, cấu tạo của các đá có từ trước dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất cao và các dung dịch nhiệt dịch cùng các chất bốc trong lòng đất Đặc trưng cơ bản của đá biến chất: Cấu tạo phân dải, phân phiến, cà nát, sừng hoặc khối, kiến trúc biến tinh, ẩn tinh, có hiện tượng tái kết tinh,... PHÂN LOẠI ĐÁ BIẾN CHẤT:Đá biến chất nhiệt động (khu vực): phân bố trên quy mô lớn, chịu tác động của nhiệt độ và áp suất cao. Phổ biến cho nhóm này là các loại đá phiến, đá gơnai.Đá biến chất nhiệt: hình thành ở những nơi có nhiệt độ cao (500 - 1200oC), áp suất lớn (3000 bar): đá sừng, đá hoa, đóa quaczit. GơnaiĐá phiếnBiếnChấtNhiệtĐá biến chất động lực: dưới tác động cuả áp suất cao, các đá bị dập vỡ và định hướng trong các đới dập vỡ kiến tạo. Theo mức độ dập vỡ cà nát và kích thước mảnh vụn, đá biến chất động lực được chia thành: dăm kết (hặt dăm >2 mm), kataclazit (mảnh vụn từ 1-2 mm), milonit (mảnh vụn <1-2 mm), blatomilonit (không nhận biết được khoáng vật nguyên thủy) và filonit (hạt rất min đi kèm vi uốn nếp) Đá biến chất trao đổi: hình thành khi có phản ứng hóa học trao đổi thay thế thành phần giữa đá magma có thành phần axit, axit kiềm với các đá cacbonat. Điển hình cho nhóm đá này là các thành tạo scacnơ.ScacnơVành biến chất tiếp xúcĐể mô tả mức độ và đặc điểm biến chất, người ta đưa ra khai khái niệm:Trình độ (cường độ) biến chất: phản ánh cường độ biến chất dưới tác dụng của tác nhân quan trọng nhất là nhiệt độ và áp suất (chia thành biến chất trình độ thấp, trung bình, cao, siêu biến chất,)Tướng biến chất: Tập hợp các đá biến chất nằm kề cận nhau và được thành tạo trong cùng một điều kiện hóa lý (T,P).Đá magmaĐá trầm tíchĐá biến chất- Nguồn gốc nội sinh: kết tinh dung nham magma nóng chảy ở nhiệt độ cao.- Có thể hình thành ở trên hoặc bên dưới bề mặt trái đất- Nguồn gốc ngoại sinh, hình trong điều kiện nhiệt độ và áp suất trên hoặc gần bề mặt trái đất.- Hình thành ở phần trên cùng bề mặt trái đất.- Nguồn gốc nội sinh, liên quan đến các chuyển động kiến tạo hoặc các hoạt động magma.- Có thể hình thành dưới sâu hoặc gàn bề mặt trái đất.Biểu đồ mô tả trình độ biến chấtBiểu đồ mô tả tướng biến chất