CHUONG 3 tổng quan về trái đất phần2

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM

ĐỊA CHẤT ĐẠI CƯƠNG
PHYSICAL GEOLOGY
Chương 3: TỔNG QUAN VỀ TRÁI ĐẤT
PHẦN 2- THÀNH PHẦN VẬT CHẤT CỦA VỎ TRÁI ĐẤT

CBGD
Email

: TS. Nguyễn Trung Chí
:


Nội dung

TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

2


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.1. Thành phần địa hóa của Trái Đất
Vỏ Trái đất được cấu tạo bởi các vật chất tồn tại trong các trạng thái
khác nhau, chúng kết hợp với nhau theo nhiều cách khác nhau đẻ
tạo nên các lớp khác nhau của vỏ TĐ nói riêng và TĐ nói chung.
Thành phần cơ bản nhất của vỏ TĐ là các nguyên tố hóa học, chúng
tòn tại trong vỏ dưới dạng phân tán không đồng đều, kết hợp với

nhau để tạo thành các khoáng vật và đất đá khác nhau.
Hầu hết các ng.tố trong bảng tuần hoàn mendeleev đều có mặt trong
thành phần của vỏ TĐ, trong số đó chỉ có một số ít các nguyên tố
đong vai trò tạo đá và tạo các lớp vỏ TĐ.
Năm 1889, W.Clark lần đầu tiên phân tích và tính toán hàm lượng
trung bình % trọng lượng nguyên tử của 50 nguyên tố chủ yếu
trong vỏ TĐ- gọi là số Clark Sau này các nhà địa hóa và máy tính
đã phân tích và tính toán lại cho kết quả không sai khác với trị số
Địa chất Đại Cương
TS. Nguyễn
Trung
Chí
3
Clark
này.


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.1. Thành phần địa hóa của Trái Đất
Trong số hơn 100 nguyên tố của Vỏ Trái đất thì chỉ có 8 nguyên tố
chính sau đây chiếm 98,03% trọng lượng của vỏ lục địa (Chernicoff
&Whitney, 2007):
1. Oxy (O): 45,2%Wt

6. Natri (Na): 2,32%

2. Silic (Si): 27,2%

7. Kali (K) : 1,68%

3. Nhôm (Al): 8,0%

8. Magnesium (Mg): 2,77%

4- Sắt (Fe) : 5,8%

9. Các ng.tố khác:

1,97%

5- Calci (Ca): 5,06%
Thành phần vật chất của Trái đất gần giống với sao Kim, Sao
Hỏa và Mặt Trăng..
Các kim loại có ích chiếm một tỷ lệ rất thấp trong Vỏ Trái đất.
TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

4


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.1. Khoáng vật và thành phần hóa học của chúng:
Thuật ngữ khoáng vật (mineral) được dùng trong địa chất để chỉ “các
chất rắn được thành tạo trong tự nhiên có cấu trúc tinh thể đặc
trưng và thành phần hóa học nhất định ”
+ Cấu trúc tinh thể : vật chất trong tự nhiên tồn tại ở 3 trạng thái :
rắn, lỏng, khí; các nguyên tử trong chất khí và lỏng chuyển động
hỗn loạn, còn trong chất rắn thường liên kết với nhau theo những

hình thái có trật tự. Hình thái cấu trúc đó gọi là cấu trúc tinh thể.
Những chất rắn có cấu trúc tinh thể được gọi là tinh thể (crystal).
Còn chất rắn không có cấu trúc tinh thể gọi là chất vô định
hình(amorphous) ví dụ, thủy tinh.
Tất cả các khoáng vật đều là tinh thể và cấu trúc tinh thể của
một KV là đặc trưng riêng của khoáng vật đó.
TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

5


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.1. Khoáng vật và thành phần hóa học của chúng:
+ Định nghĩa khoáng vật : một hợp chất được gọi là khoáng vật phải
thỏa mãn các điều kiện sau :
a) Phải được thành tạo trong tự nhiên ( không tính đến các hợp chất
nhân tạo).
b) Phải là chất rắn (không tính đến chất khí và lỏng)
c) Phải có thành phần hóa học nhất định hoặc một hỗn hợp các nguyên
tố hóa học hoặc chỉ một nguyên tố.
d) Phải có cấu trúc tinh thể đặc trưng ( loại trừ tất cả các chất vô định
hình).
- Dạng khoáng vật ( mineraloid) là thuật ngữ để chỉ một số chất rắn
trong tự nhiên hoặc không có thành phần nhất đinh, nhưng có cấu trúc
tinh thể riêng, hoặc cả hai, ví dụ thủy tinh núi lửa, opal, canxedon…
TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

6


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.1. Khoáng vật và thành phần hóa học của chúng:
- Khoáng vật đa hình (polymorphous): mỗi KV có một cấu trúc tinh
thể nhất định. Tuy nhiên, một số hợp chất có thể tạo thành 2 hoặc
nhiều khoáng vật khác nhau do các ion/nguyên tử liên kết với nhau
theo nhiều kiểu cấu trúc tinh thể khác nhau, Ví dụ: than đá, graphit,
kim cương; thạch anh 3 phương hay thạch anh 6 phương…những
hợp chất hóa học mà có thể tạo ra nhiều hơn 1 loại cấu trúc tinh thể
được gọi là khoáng vật đa hình:

TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

7


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.2. Tính chất vật lý của KV : mỗi khoáng vật được đặc trưng
bởi một cấu trúc tinh thể và thành phần hóa học riêng biệt và vì vậy
sẽ có những tính chất vật lý riêng biệt. Để xác định được cấu trúc
tinh thể KV người ta dùng máy XRD, để xác định thành phần hóa
học dùng XRF, microsond, PT hóa học…, KV có các t/c vật lý sau :

- Hình dạng tinh thể : là sự biểu hiện hình thái bên ngoài của một
khoáng vật, phản ánh sự sắp xếp theo quy luật nào đó của các
nguyên tử/ion bên trong KV. Một số KV có hình dạng tinh thể đặc
trưng và được sử dụng như là một tiêu chí nhận dạng. Tuy nhiên,
trong quá trình tạo đá, quặng, các KV kết tinh bị ảnh hưởng bởi
nhiều yếu tố (P, T, tạp chất…) nên ít khi phát triển thành những KV
hoàn chỉnh mà thường là các tập hợp tinh thể mọc xen (symplectite)
có hình dạng không hoàn chỉnh hoặc hình dạng đặc biệt.
TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

8


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.2. Tính chất vật lý của Khoáng vật :

- Màu KV: là một trong những đặc trưng nổi bật nhất của KV, tuy
nhiên nó không phải là một tiêu chí để nhận dạng khoáng vật, vì
mỗi KV có thể có nhiều màu khác nhau, hay nói cách khác nhiều
KV có màu giống nhau.
- Ánh (luster): của KV là mức độ phản xạ ánh sáng của bề mặt
của một KV. Ví dụ các KV có sự phản xạ ánh sáng như kim loại
thì gọi là ánh kim. Các KV không có ánh kim được mô tả bằng
nhiều tên gọi khác nhau như ánh thủy tinh, ánh ngọc trai, ánh lụa,
ánh nhựa(resinous) và ánh đất/mờ (dull). Một số KV có ánh gần
với kim loại gọi là ánh bán kim. Một số khác có ánh chói sáng
như kim cương được gọi là ánh kim cương (admantine).

TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

9


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.2. Tính chất vật lý của Khoáng :
- Màu vết vạch (streak): là màu của một khoáng vật dưới dạng bột mịn,
thu được bằng cách xát khoáng vật lên một miếng sứ không tráng men
(gọi là bản gốm, bản thử vết vạch). Mặc dù, màu của KV có thể biến đổi
nhưng màu vết vạch của nó thường không đổi, do đó nó là tiêu chí
nhận dạng đáng tin cậy. Màu vết vạch còn hỗ trợ phân biệt KV có ánh
kim (thường có màu vết vạch sẫm đậm) với KV có ánh không kim loại.
- Độ cứng (hardness): là một trong những dấu hiệu nhận dạng khoáng
vật quan trọng là độ cứng và khả năng chống bào mòn xây xước. Độ
cứng của KV được xác định theo 2 thang độ cứng tương đối (thang độ
cứng Mosh) và tuyệt đối. Thông thường các nhà địa chất sử dụng
thang độ cứng Mosh theo các giá trị độ cứng 1-10 tương ứng với độ
cứng của các khoáng vât sau: 1-Talc; 2- Thạch cao; 3-calcit; 4- Fluorit;
5- Apatit; 6-Orthoclas;7- Quartz; 8- Topaz; 9- Corundum; 10- Diamond.
TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

10

3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.2. Tính chất vật lý của Khoáng :
- Cát khai (cleavage): là xu hướng dễ tách của KV dọc theo các mặt
liên kết nguyên tử yếu trong cấu trúc tinh thể KV, gọi là mặt cát khai ,
Mặt cát khai của KV thường nhẵn và được tạo ra theo một phương nhất
đinh (gọi là phương cát khai) khi KV bị dập vỡ. KV có thể có 1 hoặc 23 phương cát khai cắt vuông góc hoặc chéo nhau (gọi là góc cát khai)
tạo nên các mảnh KV có cùng hình dạng với KV ban đầu. Có những
khoáng vật không có tính cát khai, khi bị vỡ thì sẽ vỡ thành các mảnh
có hình dạng khác nhau. Mức độ cát khai được phân biệt : Cát khai rất
hoàn toàn, cát khai hoàn toàn, không hoàn toàn và không cát khai.
- Vết vỡ (fracture): các khoáng vật không cát khai bị vỡ thường tạo ra
vết vỡ, được phân ra các loại vết vỡ bậc thang, vết vỡ mặt nhẵn và
cong (conchoidal), vết vỡ nham nhở, vết vỡ vỏ sò.
TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

11


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.2. Tính chất vật lý của Khoáng :

- Trọng lượng riêng ( tỷ trọng) : là tỷ lệ khối lượng
của KV trên một đơn vị thể tích nước ở 4oC. Tỷ
trọng của KV được quyết định bởi loại nguyên tử
và cấu trúc tinh thể và mức độ chồng khít của
chúng trong cấu trúc tinh thể. Đơn vị : g/cm3

- Các đặc tính khác: Ngoài những tính chất vật lý
nêu trên, một số KV còn có những t/c khác như
phản ứng với acid, có mùi, vị, có tính phát quang,
có từ tính, có tính dẫn điện, có tính phóng xạ,…
TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

12


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.3. Các nhóm Khoáng vật :

A- Nhóm silicat: là nhóm khoáng vật lớn nhât chiếm 95% trọng
lượng vỏ Trái đất với thành phần chủ yếu là Si và Oxy kết hợp
với các cation nhôm, magie, sắt, calci…các khoáng vật tạo đá
quan trọng như thạch anh, feldspat, olivin, pyroxen, amphibol,
mica, garnet, foid.
B. Nhóm carbonat: bao gồm các KV chứa gốc anion (CO3)-2 kết
hợp với các cation Ca+2, Mg+2, Fe+2 tạo nên các KV calcit, aragonit,
dolomit, siderit…Carbonat là trầm tích phổ biến trong môi trường
biển, đại dương như đá vôi, dolomit, ngoài ra còn có các đá
carbonat bị biến chất như đá hoa, nguồn gốc magma như
carbonatit.
TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

13


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.3. Các nhóm Khoáng vật :
C- Nhóm sulfat : các khoáng vật nhóm này chứa các anion sulfat (SO 4)như alhydrit, thạch cao, barit, KV sulfat nói chung thành tạo trong môi
trường trầm tích bốc hơi và môi trường nhiệt dịch đi cùng với các KV
quặng sulfur, nhóm KV sulfat cũng bao gồm cả các KV gốc cromat,
molibdat, selenat, volframat…
2

D. Nhóm halogenua: các KV nhóm này là các muối tự nhiên bao gồm
halit, sylvit, fluorit..., tương tự như kv nhóm sulfat được thành tạo trong
môi trường bốc hơi các hồ nước mặn, biển kín khô cạn và nhiệt dịch.
E. Nhóm Oxyt: bao gồm các KV oxyt và hydroxyt, chúng là các KV
quặng kim loại có giá trị và dễ tách tuyển trong khai thác chế biến như
magnetit, cromit, volframit, cassiterit, ilmenit, …Các khoáng vật này
được thành tạo chủ yếu trong môi trường magma thực sự, nhiệt dịch,
và quá trình phong hóa… Địa chất Đại Cương
TS. Nguyễn Trung Chí
14


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.3. Các nhóm Khoáng vật :
F - Nhóm sulfur : các khoáng vật nhóm này là các quặng kim loại quan
trọng như các sulfur sắt –pyrit, sulfur đồng –chalcopyrit, sulfur nikenpentlandit, sulfur chì, kẽm - galenit, sfalerit…Nhóm sulfur bao gồm cả
các khoáng vật: selenua, teluarua, asenua, antimonua, bismuthinua và

các sulfo muối
G. Nhóm photphat: trên thực tế bao gồm bất kỳ khoáng vật nào với đơn
vị tứ diện AO4 trong đó A có thể là photpho, Sb, As hay V, phổ biến nhất
là apatit, P là một nguyên tố quan trọng về sinh học. Có các KV
photphat, molybdat, asenat, vanadat và antimonat…
H. Nhóm nguyên tố tự nhiên: bao gồm các kim loại (Au,Ag, Cu,
Fe,Pt…),á kim hay phi kim loạinhư Sb, Bi, graphit, S… nhóm này cũng
bao gồm các hợp kim tự nhiên như electrum Au, Ag, các photphua,
nitrua và cacbua…
Địa chất Đại Cương
TS. Nguyễn Trung Chí
15


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.3. Các nhóm Khoáng vật :
F - Nhóm hữu cơ : các khoáng vật hữu cơ bao gồm các chất được
thành tạo từ sinh vật như các oxalat, mellitat, citrat, xyanat, axetat,
format, hydrocarbon và nhiều chất khác. VD, whelwelit, moolooit,
mellit,fitchtelit, carpathit, evenkit và albelsonit.
3.2.2.4. Cấu trúc tinh thể Khoáng vật: Bất kỳ tinh thể nào cũng có
cấu trúc của mạng không gian với nguyên tử góp mặt nơi nút mạng

đã hình thành nên cấu trúc mạng tinh thể. Có thể hiểu rằng mạng
không gian là vô hạn. Còn các tinh thể là những phần nhỏ của các
mạng không gian được giới hạn bởi các mặt. Giao tuyến của các
mặt gọi là cạnh, giao điểm của các cạnh gọi là đỉnh. Mỗi một ion
hoặc nguyên tử hoặc phân tử chiếm một vị trí nhất định trong mạng,
hai ion (nguyên tử) cạnh nhau xác định một hàng (chuỗi) mạng.

TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

16


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.4. Cấu trúc tinh thể Khoáng vật:

(a)

(b)

Các chuỗi mạng trong tinh thể (a) và mặt mạng trong tinh thể (b)

- Mỗi một ion hoặc nguyên tử hoặc phân tử chiếm một vị trí nhất định
trong mạng, hai ion (nguyên tử) cạnh nhau xác định một hàng (chuỗi)
mạng (hình a).
- Khoảng cách a giữa hai nút mạng gọi là thông số chuỗi. Các hàng
mạng (chuỗi mạng) song song với nhau có thông số chuỗi bằng nhau.
TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

17


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất

3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.4. Cấu trúc tinh thể Khoáng vật:
- Những cạnh thật hoặc cạnh
có thể có của tinh thể bao
giờ cũng ứng với chuỗi
mạng có mật độ nút mạng
cao (có thông số chuỗi bé).
- Qua 3 nút mạng không
nằm trên cùng một chuỗi
mạng xác định một

Mô hình biểu diễn các kiểu mặt và cạnh có thể có liên quan

mặt mạng. Mặt thật hoặc mặt có thể có

đến cấu trúc ô mạng của tinh thể

của tinh thể bao giờ cũng ứng với mặt mạng có mật độ nút mạng cao.
TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

18


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
3.2.2.4. Cấu trúc tinh thể Khoáng vật: Ô mạng cơ sở là khái niệm
dùng để chỉ một phần hữu hạn của mạng không gian. Nó có thể đại
diện cho toàn bộ mạng không gian của tinh thể. Nhà bác học Bravais đã

chứng minh được rằng trong thế giới cấu trúc mạng tinh thể của vật
chất kết tinh chỉ có tất cả 14 kiểu ô mạng
cơ sở không hơn
không kém, tùy
thuộc vào cấu trúc
và sự đối xứng
tinh thể.
a)

b)

Cấu trúc ô mạng của tinh thể của băng -H2O (a) của dolomit – (Ca, Mg )[CO3]2 (b)
TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

19


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
Dựa vào sự sắp xếp và đặc tính liên kết giữa các nguyên tử và ion
trong cấu trúc tinh thể, người ta chia cấu trúc của các loại tinh thể
khoáng vật ra các lớp như sau:
a) Tứ diện đơn: Tứ diện [SiO4]-4 là một ô mạng độc lập gồm 4 ion O-2 liên
kết với 1 cation Si+4 . Các khoáng vật có cấu trúc tứ diện độc lập này
điển hình là nhóm KV Olivin (Fe,Mg)[SiO 4] và granat - các khoáng vật
trong nhóm này có cùng cấu trúc ô mạng nhưng có các ion kim loại
khác nhau có thể thay thế cho nhau- gọi là sự thay thế đồng hình.
independent tetrahedra

TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

20


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
b) Cấu trúc tinh thể dạng mạch đơn:

Trong cấu trúc tinh thể này thì các tứ diện [SiO 4]-4 được liên
kết với nhau qua đỉnh thành một mạch đơn (single chains).
Trong đó 2 góc của mỗi tứ diện nối
với nhau tạo thành một ô mạng cơ sở
với tỷ lệ Si : O là 1:3 [Si2O6]-4 .Đại diện
điển hình nhất của cấu trúc này là nhóm
KV pyroxen, thành viên cuối của nhóm
là augit (Ca,Na)(Mg,Fe+3, Fe+2, Al)[Si2O6].
phổ biến nhất
TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

21


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật

c) Cấu trúc tinh thể dạng mạch kép: cấu trúc dạng mạch kép được hình
thành khi 2 mạch đơn liên kết với nhau bằng cách chia sẻ nguyên tử
oxy qua góc thứ 3 của tứ diện.
tạo nên cấu trúc mạch kép
(double chains) [Si4O11]-6 đặc trưng
cho nhóm KV amphibol, trong đó
thành viên Hornblend là phổ biến
nhất vớib công thức KV:
Ca2(Mg,Fe,Al)5[Al,Si)8O22](OH)2

Sự gắn kêt yếu giữa các mạch kép bởi các cation tạo nên
các cát khai đặc trưng của khoáng vật này.
TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

22


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
d) Cấu trúc tinh thể dạng lớp : trong cấu trúc lớp các tứ diện Silicat nối
với nhau tạo thành các lớp với cấu trúc hình 6 cạnh cân xứng.

Ba nguyên tử oxy của mỗi tứ diện liên kết với các ion khác và để lại 1 ion
trống nằm phía ngoài của lớp. Tỷ lệ Si: O là 2:5 tạo nên cấu trúc tứ
diện siliccat dạng lớp (sheet)- [Si2O5]-2. Các lớp tứ diện gắn silicat liên kết
với nhau bằng các cation nối các mặt oxy điện tích âm.

TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

23


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật
d) Cấu trúc tinh thể dạng lớp : các lớp liên kết xếp chồng lên nhau tạo ra
cấu trúc lớp của khoáng vật. Các KV đặc trưng cho cấu trúc này là
mica, talc, khoáng vật sét, serpentine:
KV nhóm mica phổ biến nhất có:
Mica đen – biotit, mica- trắngmuscovit, mica nâu- phlogopit,
Mica hồng- lepidolit, mica xanhFuchsit (vecdit) Đặc tính cát khai
mạnh của mica chính là do sự liên
kết yếu của ion Kali giữa các lớp
cấu trúc.

Muscovite: KAl2 [Si3AlO10] (OH)2 (coupled K - AlIV)
T-layer - diocathedral (Al3+) layer - T-layer - K

TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

24


3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất
3.2.2. Khoáng vật

e) Cấu trúc khung: là sự sắp xếp 3 chiều của các tứ diện, trong đó, 2 tú
diện cạnh nhau đều có chung một hệ oxy, theo một tỷ lệ silic : oxy = 1 :2
tạo nên cấu trúc [SiO2] theo khung 3 chiều (3-D frameworks of
tetrahedra) của các tứ diện silicat. Đặc trưng cho cấu trúc khung là
nhóm KV thạch anh, feldspat, feldspathoid (foid), zeolit.

TS. Nguyễn Trung Chí

Địa chất Đại Cương

25