Trái Đất

Đặc điểm chung

Các nhà khoa học tin rằng khi các hành tinh đất trở nên lớn hơn, nhiệt độ của chúng cũng tăng lên theo do tác động của năng lượng do động lực (e.g, do sự di chuyển của hành tinh), do va chạm của các thiên thạch lên hành tinh. Ngoài ra, nhiệt cũng được cung cấp liên tục từ các nguồn khắc mà một phần cơ bản là từ nhiệt do phân rã các nguyên tố phóng xạ tự nhiên có mặt trong thành phần của trái đất (uranium, thorium, potassium). Theo thời gian, các nguyên tố này có xu hướng tự phân rã để chuyển thành các nguyên tố mới và khi phân rã để tạo thành các nguyên tối mới thì chúng sẽ giải phóng nhiệt. Do đó nhiệt độ bên trong Trái đất sẽ càng ngày càng tăng và dẫn tới sự nóng chảy các vật chất. Các vật chất bị nóng chảy có tỷ trọng nhẹ (giàu các nguyên tố silic, nhôm, kiềm,…) sẽ dâng lên cao và di chuyển về phía bề mặt trái đất. Các vật chất có tỷ trọng nặng hơn như sắt bị nóng chảy có xu hướng chìm về phía trung tâm của Trái đất. Ngoài ra, một khối lượng khổng lồ khí ga còn được tạo thành và thoát ra ngoài vỏ trái đất thông qua các họng núi lửa. Các khí ga này có thành phần chủ yếu là hơi nước, đioxit cabon, metan, và có thể ammoniac đã tạo nên khí quyển của Trái đất. Cũng từ nguồn khí ga này mà hơi nước được ngưng tụ tạo thành nước và dần dần tràn nhập các đại dương. Sự nóng chảy từng phần đã làm cho trái đất chuyển từ một hành tinh đồng nhất ban đầu thành một trái đất bị phân lớp theo thành phần.

Các lớp có thành phần khác nhau

Trái đất bao gồm 3 lớp có thành phần khác nhau. Phần trung tâm của trái đất là phần có mật độ cao nhất của trái đất, được gọi là nhân. Đây là một khối có hình cầu, cấu tạo chủ yếu bởi sắt và ít hơn là niken và một số nguyên tố khác. Lớp thứ 2, được gọi là mantle, có tỷ khối nhỏ hơn nhân nhưng cao hơn lớp ngoài cùng. Lớp ngoài cùng và mỏng nhất của trái đất được gọi là vỏ và được cấu tạo bởi loại đá cứng có tỷ trọng nhỏ hơn của mantle. Trong khi nhân và mantle có chiều dày tương đối ổn định và đồng nhất thì lớp vỏ lại không đồng nhất và có chiều dày biến đổi rất mạnh. Phần vỏ nằm bên dưới các đại dương, được gọi là vỏ đại dương, có chiều dày trung bình khoảng 8km trong khi đó phần vỏ bao gồm các lục địa, được gọi là vỏ lục địa, có chiều dày lớn hơn nhiều, trung bình khoảng 45 km và biến đổi từ 30 đến 70 km.

Các lớp khác nhau của vỏ trái đất được xác định 1 cách gián tiếp nhờ nghiên cứu sự thay đổi mật độ theo chiều sâu thông qua việc đo đạc tốc độ truyền sóng điện từ được tạo tàhnh bởi các trận động đất…trong đó mỗi lớp có mật độ và thành phần khác nhau sẽ có tốc độ truyền sóng và giá trị sóng điện từ khác nhau.

Các lớp có đặc tính vật lý khác nhau

Ngoài sự thay đổi thành phần, sự thay đổi bên trong trái đất còn được đặc trưng bởi những sự biến đổi khác trong đó quan trọng nhất là sự thay đổi đặc tính vật lý như sức bền của đá và trạng thái lỏng - rắn. Những sự thay đổi này bị khống chế bởi nhiệt độ và áp suất. Những nơi mà sự thay đổi đặc tính vật lý không trùng khớp với danh giới thành phần là các ranh giới giữa vỏ, mantle và nhân (hình…)

Hình ... Các lớp có thành phần và các lớp có đặc tính khác nhau của Trái đất.

• Nhân trong và nhân ngoài

Bên trong phần nhân trái đất có sự phân dị giữa phần trong và phần ngoài. Do áp suất quá cao mà phần nhân trong mặc dù có nhiệt độ rất cao nhưng sắt không thể tồn tại dạng dung dịch nóng chảy. Phần nhân cứng này được gọi là nhân trong (inner core). Vây quanh phần nhân trong là một lớp mà do sự cân bằng giữa nhiệt độ và áp suất làm cho sắt nóng chảy và tồn tại dạng dung dịch. Phần này được gọi là nhân ngoài (Outer core). Như vậy, sự khác nhau giữa nhân ngoài và nhân trong và ở đặc tính vật lý chứ không phải thành phần.

• Quyển giữa (Mesosphere)

Sức bền của một chất rắn bị khống chế bởi cả nhiệt độ và áp suất (nếu chất rắn bị nung nóng, sức bền của nó sẽ giảm và ngược lại). Sự khác nhau về nhiệt độ và áp suất đã phân chia vỏ và mantle của trái đất thành 3 đới có sức bền khác nhau. ở phần trong các đá có thể có sức bền tương đối lớn mặc dù chúng có nhiệt độ khá cao. Như vậy, trong lòng trái đất tồn tại một đới rắn chắc có nhiệt độ cao nhưng cũng có sức bền tương đối cao nằm giữa khoảng từ ranh giới nhân mantle (khoảng 2883 km) tới độ sâu 350 km và đới này được gọi là quyển giữa hay quyển trung gian.

• Quyển mềm (asthenosphere)

Trong phần trên của mantle, từ độ sâu 350 km tới khoảng giữa 100 - 200 km dưới mặt đất là một đới được gọi là quyển mềm (hay quyển yếu - Weak sphere), nơi mà sự cân bằng về nhiệt độ và áp suất làm cho đá có sức bền rất kém. Khác hẳn với đá trong quyển giữa, đá trong quyển mềm rất mềm dẻo và dễ bị biến dạng, tương tự như ngựa đường bị làm nóng. Các nhà địa chất đều cho rằng quyển mềm có cùng thành phần với quyển giữa, sự khác nhau giữa chúng chỉ là đặc tính vật lý (làm thay đổi sức bền của đá) mà thôi.

• Thạch quyển (Lithosphere)

Nằm bên trên quyển mềm là đới ngoài cùng có sức bền cao nhất, nơi mà các đá nguội hơn, bền hơn, cứng hơn các đá quyển mềm. Đới này bao gồm cả phần trên cùng của mantle và phần vỏ trái đất và được gọi là thạch quyển. Chú ý rằng mặc dù vỏ và mantle có thành phần khác nhau, nhưng đặc tính vật lý là sức bền của đá là đặc điểm để phân biệt giữa thạch quyển và quyền mềm. Sự khác nhau này được quyết định bởi nhiệt độ và áp suất. ở nhiệt độ 1.3000C và áp suất tương ứng với độ sâu 100 km, tất cả các loại đá đều mất sức bền và dễ dàng biến dạng. Độ sâu này tương ứng với đáy của thạch quyển bên dưới các đại dương (hay thường được gọi là thạch quyển đại dương (Oceanic lithosphere). Ngược lại, đáy của thạch quyển lục địa (continental lithosphere) tồn tại ở độ sâu khoảng 200 km. Lý do của sự khác nhau này là sự khác nhau của gradient địa nhiệt.

Gradient địa nhiệt trong lòng trái đất

• Gradient địa nhiệt là sự thay đổi nhiệt độ theo chiều sâu. Gradient địa nhiệt trong thạch quyển không đồng nhất ở các vị trí khác nhau do sự phân dị của thành phần của đá hoặc do hoạt động mac ma hoặc các nguồn nhiệt cục bộ khác. Tuy nhiên, sự khác nhau lớn nhất và quan trọng nhất là sự khác biệt về chiều dày của thạch quyển đại dương và thạch quyển lục địa.

Nhiệt độ di chuyển trong vỏ chủ yếu là do sự truyền dẫn (Conduction) chứ không phải do sự lưu chuyển (Convection) do thạch quyển quá cứng chắc. Do sự truyền dẫn diễn ra một cách từ từ bên đường cong Gradient địa nhiệt trong thạch quyển rất dốc (nhiệt độ thay đổi nhanh chóng theo độ sâu). Nhiệt độ tại ranh giới thạch quyển và quyển mềm là khoảng 13000C bên dưới đại dương và 13500C bên dưới lục địa. Nếu giả sử nhiệt độ ở bề mặt trái đất bằng 00C và chiều dày của thạch quyển đại dương là 100 km thì Gradient địa nhiệt trung bình của thạch quyển này là khoảng 130C/km. Ngược lại, với chiều dày khoảng 200 km, Gradient địa nhiệt trong thạch quyển lục địa chỉ vào khoảng 6,70C/km .

• Gradient địa nhiệt trong quyển mềm và quyển giữa

Vì trong quyển mềm và quyển giữa nhiệt độ ở mọi nơi đều cao và các đá đều rất mềm dẻo nên các dòng đối lưu có thể thành tạo. Kết quả là trong những phần sâu hơn của trái đất thì các dòng đối lưu nhiệt là cơ chế quan trọng nhất trong việc truyền nhiệt. Khi đá trong phần sâu của trái đất bị nung rất nóng, chảy dẻo và dâng lên cao do sự đối lưu, khi lên phần trên của trái đất chúng sẽ nở ra do áp suất giảm xuống. Nhiệt độ cũng bị giảm nhưng năng lượng nhiệt trong đá không bị mất đi. Quá trình này được gọi là sự giãn nở đoạn nhiệt (Adiabatic), nghĩa là không có sự mất hoặc thu nhiệt. Gradient mềm bị dịch chuyển tương đương với khối lượng của thạch quyển bị chìm.

Sự cân bằng tỷ trọng sẽ đạt được tại 1 độ sâu nhất định mà ở đó khối lượng của thạch quyển cân bằng với khối lượng của quyển mềm. Như vậy, nếu tỷ trọng của thạch quyển lớn hơn của quyển mềm thì sự cân bằng tỷ trọng sẽ đạt được trước khi thạch quyển chìm hẳn xuống quyển mềm và thạch quyển sẽ nổi. Trong trường hợp ngược lại, vật chất sẽ chìm hẳn xuống dưới dung dịch và tương ứng với giai đoạn phân dị ban đầu của trái đất khi sắt nóng chảy, với tỷ trọng khoảng 15gm/cm3 lắng đọng vào trung tâm của trái đất tiền sử để tạo thành nhân còn các vật chất giài silicat có tỷ trọng thấp sẽ nổi lên phần bề mặt.

Trường hợp này cũng có thể được giải thích với ví dụ thả viên nước đá vào cốc nước. Vì tỷ trọng của viên nước đá là 0,9gm/cm3 và tỷ trọng của nước là 1gm/cm3, viên nước đá sẽ nổi trong nước với 90% khối lượng của nó nằm dưới nước.

Hình...: A. Khái niệm về đẳng tĩnh và sự cân bằng đẳng tĩnh; B. Cân bằng đẳng tĩnh của vỏ

Trái đất trên manti.

Độ chìm sâu của vật nổi (thạch quyển) trong môi trường lỏng (quyển mềm) có thể được xác định nhờ tỷ trọng của cả 2 vật chất mà không phụ thuộc vào kích thước của vật thể nổi.

Sự cân bằng đẳng tĩnh

Sự đẳng tĩnh (isostasy)của vỏ Trái đất là sự chuyển động thẳng đứng do tác động của trọng lực của lớp đá trong quyển mềm. Vì lớp thạch quyển nằm trên quyển mềm nên hành vi giữa chúng sẽ tương tự như việc thả một vật cứng vào một dung dịch lỏng. Tỷ trọng sẽ làm cho thạch quyển tại một vị trí nhất định chìm vào quyển mềm (dung dịch dẻo - lỏng) cho đến khi khối lượng của quyển chuyển kiểu này là quyển mềm. Sự di chuyển của vật chất trong quyển mềm tới đáy của thạch quyển lục địa sẽ làm cho thạch quyển nằm trên bị nổi lên cao do tỷ trọng của quyển mềm cao hơn. Vì vậy, bề mặt của vỏ lục địa sẽ nổi cao hơn bề mặt phía trên của vỏ đại dương cho đến khi khối lượng tại một điểm trên vỏ lục địa tới trung tâm trái đất tương đương với khối lượng của một điểm tương tự trên vỏ đại dương. Tuỳ thuộc vào chiều dày của vỏ lục địa mà sự điều chỉnh khối lượng của quyển mềm dưới thạch quyển lục địa sẽ diễn ra (hoặc là tăng lên hoặc giảm đi) và do đó chiều sâu của thạch quyển tới quyển mềm và độ nổi cao của bề mặt của vỏ lục địa sẽ phụ thuộc vào chiều dày của từng phần của vỏ lục địa. Thạch quyển lục địa chìm xuống quyển mềm sâu nhất ở bên dưới các dãy núi lớn (có chiều dày lớn) và nông nhất ở rìa lục địa. Phần khối lượng đá của thạch quyển lục địa chìm sâu xuống quyển mềm bên dưới các d•y núi được gọi là chân (root) của các dãy núi.

Như vậy sự cân bằng đẳng tĩnh là sự cân bằng tỷ trọng giữa thạch quyển và quyển mềm nằm dưới. Sự cân bằng đẳng tĩnh xảy ra khi khối lượng tại bất cứ điểm nào trên bề mặt trái đất tới trung tâm của trái đất là không đổi. Tuy nhiên do tỷ trọng trung bình của vỏ lục địa là 2,7gm/cm3, vỏ đại dương là 3gm/cm3 và của quyển mềm là 3,3gm/cm3 nên khối lượng xác định tại một điểm trên vùng có vỏ lục địa tới trung tâm trái đất sẽ nhỏ hơn khối lượng của một điểm trên vùng có vở đại dương kề với vỏ lục địa nói trên tới tâm trái đất. Kết quả là phần thạch quyển mang vỏ lục địa sẽ không có sự cân bằng đẳng tĩnh. Để tái lập sự cân bằng đẳng tĩnh thì một khối lượng bổ sung phải di chuyển tới vùng đáy của thạch quyển lục địa. Chỉ có một phần của trái đất có khả năng di địa nhiệt do sự gi•n nở đoạn nhiệt vào khoảng 0,50C/km dọc theo ranh giới nhân - mantle. Nhiệt độ của nhân trái đất được tính toán dựa trên giả thuyết về Gradient đoản nhiệt trong quyển mềm và quyển giữa.

Hình ... Sự cân bằng đẳng tĩnh của vỏ Trái đất trên manti.

Trọng lực và tỷ trọng

• Trọng lực (Gravity) là lực hấp dẫn hướng tâm của trái đất. Do trái đất không phải là một hình cầu hoàn chỉnh dẹt lại ở hai cực và phình ra dọc xích đạo, trong đó đường kính tại xích đạo lớn hơn tại hai cực là 21km, nên lực hấp dẫn lên một vật thể trên mặt trái đất tại vùng cực sẽ lớn hơn tại xích đạo [lực hấp dẫn giữa 2 vật thể tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa tâm 2 vật đó]. Tuy nhiên, trọng lực có thể thay đổi một cách bất thường ở các vị trí khác nhau của trái đất do sự khác nhau về tỷ trọng (hay mật độ) của các loại đá khác nhau trong thạch quyển. Những sự thay đổi đó tạo nên các dị thường trọng lực.

Tỷ trọng (Density): Tương tự như sự thay đổi về trọng lực và chiều dày, tỷ trọng của các phần khác nhau của trái đất cũng thay đổi. Vỏ đại dương, được cấu tạo tương đối đồng nhất và chủ yếu là lớp gabro - basalt có tỷ trọng khoảng 3gm/cm3. Ngược lại, vỏ lục đại có thành phần phức tạp, bao gồm sự pha trộn của đá magma, biến chất và trầm tích có tỷ trọng trung bình khoảng 2,7gm/cm3. Phần mantle trên nằm bên dưới lớp vỏ trái đất có tỷ trọng đồng nhất và ở khoảng 3,3gm/cm3. Như vậy thì sự biến đổi về tỷ trọng trong trái đất sẽ chủ yếu phụ thuộc vào sự thay đổi tỷ trọng của lớp vỏ, đặc biệt là lớp vỏ lục địa.

Từ trường của Trái đất

Trường từ của trái đất tương tự như một trường từ được tạo thành bởi một thanh nam châm khổng lồ đặt trong lòng trái đất có phương kéo dài (trục từ) hợp với trục quay của trái đất (hay trục Bắc - Nam địa lý) 1 góc khoảng 120 (hiện cực Bắc từ đang nằm trong vùng có tọa độ khoảng vĩ độ 76 bắc, kinh độ 101tây - thuộc miền Bắc Canada). Độ lệc từ này, hay độ lệch từ giữa các đường kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lý tại các vị trí khác nhau dọc kinh tuyến được gọi là độ từ thiên. Bên cạnh đó, khi di chuyển từ cực về xích đạo thì góc cắm này giảm dần và ở vùng xích đạo thì hướng của từ trường nằm song song với mặt đất. Sự thay đổi góc cắm của từ trường đó được gọi là độ từ khuynh (Inclination).

Trường từ của trái đất không được tạo ra bởi cơ chế đẳng từ như đối với thanh nam châm vì nó phải có độ từ hóa rất lớn và ở trong vùng có nhiệt độ lớn hơn nhiều so với nhiệt độ Curie (là nhiệt độ tới hạn mà cao hơn nó sự liên kết từ giữa các nguyên tử không xảy ra được và vật chất mang từ có hành vi như vật chất không từ). Trường từ của trái đất có lẽ được tạo thành từ quá trình động lực (Dynamic), liên quan tới sự đối lưu của sự tích điện trong dung dịch ở phần nhân ngoài, được gọi là sự từ thủy động lực học (Magnetohydrodynamics). Tuy nhiên, để thuận lợi cho việc tính toán các nhà khoa học coi trường từ trái đất dạng một thanh nam châm hai cực để xác định trường từ ở bất kỳ điểm nào trên trái đất.

Hình... Khái niệm về trường từ của Trái đất

Trường từ của trái đất thay đổi liên tục theo thời gian, do sự thay đổi của cấu hình các dòng đối lưu trong nhân trái đất, gọi là sự thay đổi trường kỳ (Secular variation). Nghĩa là hướng của một trường từ tại một điểm địa lý bất kỳ sẽ xoay một cách bất thường quanh một trục từ xác định với chu kỳ vài ngàn năm. Ngoài ra, trường từ của trái đất còn có thể có sự đảo cực theo những khoảng thời gian nhất định (2000 - 3000 năm).

Nghiên cứu sự thay đổi trường từ Trái đất trong quá khứ được dựa vào thực tế là có nhiều loại đá chứa các khoáng vật có từ tính tạo thành các nam châm cổ. Các khoáng vật giàu sắt như Magnetite có mặt rất nhiều trong các đá phun trào basalt. Khi các khoáng vật này động nguội xuống dưới nhiệt độ Curie (khoảng 5800C) trong quá trình kết tinh của đá, chúng bị từ hóa theo phương của từ trường trái đất tại thời điểm kết tinh. Khi đá nguội hơn, trường từ này bị “đóng băng” và giữ nguyên tính chất từ và sự định hướng nguyên thủy của nó (từ dư - Remanent magnetism) kể cả khi bản thân khối đá bị di chuyển và trở thành “hóa thạch” từ hoặc cổ từ. Ngoài việc chỉ thị hướng của trường từ cổ, nghiên cứu các khoáng vật bị từ hóa còn giúp ta xác định được vị trí của đá khi nó được thành tạo (bằng cách xác định độ từ thiên và độ từ khuynh). Nghiên cứu cổ từ trong các đá có các khoáng vật từ hóa có tuổi khác nhau trên cùng một lục địa còn giúp ta xác định được sự di chuyển của các địa mảng trong quá khứ thông qua việc xác định vị trí của các tâm từ (magnetic pole) và đường đi của chúng (polar wander path).

Các khoáng vật và thành phần hóa học của chúng

Thuật ngữ khoáng vật được dùng trong địa chất để chỉ các hợp chất hóa học rắn, thành tạo trong tự nhiên, có thành phần nhất định và có cấu trúc tinh thể đặc trưng. Khoáng vật có 2 đặc điểm chính là:

• Thành phần: Các nguyên tố hóa học và hàm lượng của chúng; và
• Cấu trúc tinh thể: Là cấu hình sắp xếp không gian của các nguyên tử của các nguyên tố hóa học liên kết nhau trong một khoáng vật.

• Cấu trúc tinh thể

Trong khi các nguyên tử trong các loại khí và dung dịch di chuyển hỗn độn thì các nguyên tử trong phần lớn các chất rắn được sắp xếp theo những hình thái có trật tự. Hình thái cấu trúc mà các nguyên tử liên kết nhau trong một chất rắn được gọi là Cấu trúc tinh thể và các chất rắn có một cấu trúc tinh thể nhất định được gọi là tinh thể (Hình...). Các chất rắn không có cấu trúc tinh thể là dạng vô định hình (Amorphous, chẳng hạn thủy tinh…). Tất cả các khoáng vật đều là các tinh thể và cấu trúc tinh thể của một khoáng vật là một đặc trưng riêng của khoáng vật đó.

• Định nghĩa một khoáng vật

Một hợp chất được gọi là khoáng vật phải thỏa mãn các điều kiện sau :

• Phải được thành tạo trong tự nhiên. (Không tính đến các hợp chất được tổng hợp trong phòng thí nghiệm).
• Phải là một chất rắn, (không tính đến tất cả các loại khí và chất lỏng).
• Phải có thành phần hóa học nhất định. (Điểm này loại trừ tất cả các hợp phần rắn như thủy tinh có thành phần thay đổi liên tục…) . Thêm vào đó, thành phần hóa học nhất định nghĩa là khoáng vật phải chứa một tỷ lệ nhất định của Cation/Anion.
• Phải có cấu trúc tinh thể đặc trưng (điểm này loại trừ tất cả các vật chất vô định hình).

Thuật ngữ nhóm khoáng vật dùng để chỉ một khoáng vật có sự thay thế các ion theo trật từ khác nhau tạo ra các biến thể mà không có sự thay đổi về tỷ lệ Anion/Cation. Mỗi biến thể hoàn hảo của một nhóm khoáng vật được đặt một tên riêng.

• Mineraloid

Thuật ngữ Mineraloid được dùng để chỉ một số hợp chất rắn tồn tại trong tự nhiên nhưng đáp ứng được các tiêu chuẩn của khoáng vật (e. g. Không có thành phần nhất định, cấu trúc tinh thể riêng, hoặc cả 2 ; e.g, Thủy tinh, Opal…).

• Khoáng vật đa hình (Polymorphs)

Mỗi khoáng vật 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 có thể liên kết để tạo thành nhiều hơn 1 loại cấu trúc tinh thể (e. g, than đá, kim Cương và graphit). Những hợp chất có thể tạo ra nhiều hơn một loại cấu trúc tinh thể được gọi là một khoáng vật đa hình.

Đặc tính vật lý của các khoáng vật

Mỗi khoáng vật được đặc trưng bởi một sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử (cấu trúc tinh thể) và có thành phần hóa học riêng, tạo ra một tổ hợp của các đặc tính vật lý. Vì các thành phần hóa học và cấu trúc bên trong của khoáng vật rất khó xác định nếu không có các phương tiện hiện đại nên thông thường để nhận dạng một khoáng vật thì các đặc tính vật lý đặc trưng và dễ xác định thường được sử dụng. Sau đây là một số đặc tính vật lý đặc trưng nhất.

• Hình dạng tinh thể (Crystal form) và dạng mọc (Growth habit)

Hình dạng tinh thể là sự biểu hiện hình thái bên ngoài của một khoáng vật, phản ánh sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử bên trong khoáng vật. Thông thường, nếu một khoáng vật được thành tạo tự do (không bị khống chế không gian) thì nó sẽ phát triển dưới dạng các tinh thể độc lập với các mặt tinh thể hoàn chỉnh.

Hình... Hình dạng của một tinh thể, thường được gọi là cấu trúc tinh thể, là biểu biện bên ngoài của sự sắp xếp một cách có hệ thống của các nguyên tử hoặc ion bên trong mạng tinh thể.

Một số khoáng vật có hình dạng tinh thể đặc trưng và có thể sử dụng như là một tiêu chí để nhận dạng. Tuy nhiên, trong phần lớn trường hợp do sự mọc của tinh thể bị gián đoạn do thiếu không gian. Kết quả là sự mọc xen của một tập hợp tinh thể trong đó không có những tinh thể hoàn chỉnh.

• Màu

Màu là một trong những đặc trưng nổi bật nhất của khoáng vật. Tuy nhiên nó thường không phải là một tiêu chí tin cậy để nhận dạng khoáng vật vì một khoáng vật có thể có nhiều màu khác nhau nếu trong khoáng vật có nhiễm các tạp chất khác nhau (dạng các nguyên tử) trong cấu trúc tinh thể của nó.

• ánh (Luster)

ánh của khoáng vật là mức độ phản xạ ánh sáng của bề mặt của một khoáng vật. Các khoáng vật có sự phản xạ ánh sáng như kim loại, không kể màu sắc, có ánh kim loại. Các khoáng vật không có ánh kim loại được mô tả dưới nhiều tên gọi khác nhau như ánh thủy tinh (Glassy), ánh ngọc trai (Pearly), ánh lụa (Silky), ánh nhựa (Resinous), và ánh đất/mờ (Dull). Một số khoáng vật có ánh gần với kim loại được gọi là ánh bán kim. Một số khác có ánh chói sáng như kim cương được gọi là ánh kim cương (Admantine).

• Màu vết vạch (Streak)

Đây là màu của 1 khoáng vật dưới dạng bột mịn, thu được bằng cách miết khoáng vật lên một miếng sứ không tráng men (được gọi là tấm vách). Mặc dù màu của khoáng vật có thể biến đổi nhưng màu vết vạch của nó thường không đổi và do đó là một đặc tính nhận dạng tin cậy hơn. Màu vết vạch còn là tiêu chí hỗ trợ để phân biệt khoáng vật có ánh kim loại (thường có màu vết vạch sẫm, đậm) với khoáng vật có ánh không kim loại.

• Độ cứng (Hardness)

Một trong những tiêu chí nhận dạng khoáng vật quan trọng là độ cứng và khả năng chống lại bào mòn hoặc xây xước. Đặc tính này được xác định bằng cách miết một khoáng vật có độ cứng chưa biết vào một khoáng vật khác có độ cứng đ• biết. Độ cứng có thể chia theo giá trị số theo thang độ cứng của Moh : 1, Talc; 2, Gypsum; 3, Calcite; 4, Fluorite; 5, Apatite; 6, Octoclase; 7, Thạch anh; 8, Topaz; 9, Corundum; 10, Diamond. Một khoáng vật chưa biết độ cứng có thể được so sánh với các khoáng vật đó hoặc các vật biết độ cứng khác (Ví dụ : Móng tay có độ cứng 2,5; đồng xu bằng đồng : 3, Thuỷ tinh : 5).

• Cắt khai (Cleavage)

Cắt khai là xu hướng dễ phân tách của khoáng vật dọc theo các mặt CS liên kết nguyên tử yếu trong cấu trúc tinh thể. Các khoáng vật có cắt khai thường được đặc trưng bởi các mặt nhẵn được tạo ra theo một phương nhất định khi khoáng vật bị dập vỡ. Một số khoáng vật có vài mặt cắt khác nhau trong khi đó nhiều khoáng vật lại không có sự cắt khai rõ ràng hoặc không có cắt khai. Cắt khai khác với dạng tinh thể. Khi một khoáng vật có cắt khai, nó sẽ dập vỡ thành các mảnh có cùng hình dạng với mẫu ban đầu. Ngược lại, nếu khoáng vật không có cắt khai thì khi bị dập vỡ, nó sẽ vỡ thành các mảnh có hình dạng hết sức khác nhau.

• Vết vỡ (Fracture)

Các khoáng vật không có cắt khai bị vỡ thường tạo ra vết vỡ. Một số vỡ theo các mặt nhẵn và cong như là miếng kính vỡ được gọi là vết vỡ Conchoidal. Nhiều khoáng vật dập vỡ thành các mảnh hoặc sợi nhưng phần lớn vết vỡ có dạng bất thường.

• Trọng lượng riêng (Specific gravity)

Trọng lượng riêng là một số đặc trưng cho tỷ lệ giữa khối lượng của khoáng vật và khối lượng của một thể tích nước tương tự ở 40C. Trọng lượng riêng của khoáng vật được quyết định bởi loại nguyên trong cấu trúc tinh thể và mức độ sắp xếp chặt sít của chúng.

• Các đặc tính khác

Ngoài những đặc tính trên, một số khoáng vật còn có một vài đặc tính vật lý khác như sự phản ứng với axit hoặc mùi vị. Một số loại khoáng vật Carbonate như Calcite thường phản ứng sủi bọt khi tiếp xúc với Axit và đây là một tiêu chí nhận dạng khoáng vật. Một số khoáng vật khác như muối mỏ (Halite, Sylvite) thường có vị mặn hoặc chát.

Các nhóm khoáng vật

Gần 4000 khoáng vật đã được xác định và hàng năm có khoảng 40 – 50 khoáng vật mới được nhận dạng. Tuy nhiên, chỉ có khoảng vài chục khoáng vật phổ biến nhất và chỉ một số trong chúng tạo thành phần lớn các loại đá trong vỏ Trái đất (Bảng 2).

Phân loại các khoáng vật phổ biến nhất của vỏ Trái đất.

a. Các khóang vật silicat thông thường

+ Các khóang vật Sắt – Magie

* Nhãm ¤lªvin

Fayalite

Fosferite

Fe2S2O4

Mg2SiO4

* Nhãm Pyroxen

Augite

(Ca, Na) (Mg, Fe2+, Fe3+, Al)2 (Si, Al)2O6

* Nhãm Amphibole

Hornblende

(Ca, Na)2 – 3 (Mg, Fe2+, Fe3+, Al)5 (Al, Si)8 O22 (OH)2

* Nhãm Mica

Biotite

K. (Mg, Fe2+)3 (Al, Fe3+) Si3O10 (OH)2

+ C¸c kho¸ng vËt kh«ng S¾t – Magie

* Nhãm Feldspar

- Phô nhãm plagioclas feldspar

Anorthite

Albite

- Otoclas

* Nhãm Mica

Muscovite

CaAl2 Si2O8

NaAlSi3O8

KalSi3O8

KAl2(Al, Si3) O8 (OH2)

b. Các khóang vật không có Silicat thông th­ường

* Oxyt

Hematit

Corindon

Al2O4

Fe2O3 * Nitrat

Niterat kali

Niterat natri

KNO3

NaNO3

* Carbonat

Canxit

Colomit

CaCO3

(Ca, Mg) CO3 * Photphat

Fluorapatit

Chlorapatit

Ca5(PO4)3 F

Ca5(PO4)3 Cl

* Sunphat

Gypsit

Auhydrit

CaSO4 2H2O

CaSO4 * Halides :

Halit

Sylvit

Fluorit

NaCl

KCl

CaF2

* Sunphua

Galena

Sphalerit

Pyrotit

PbS

ZnS

FeS * Các nguyên tố

Graphit

L­ưu hùynh

Vàng

Bạc

Đồng

Platin tù sinh

C

S

Au

Ag

Cu

Pt

* Disunphua

Pyrit .... ......Chancopyrit

FeS2

CuFeS2

Cấu trúc của các khoáng vật này được thành tạo chủ yếu bởi 2 nguyên tố Oxy và Silic và chúng tạo thành nhóm khoáng vật phổ biến nhất là nhóm Silicate. Các khoáng vật khác tạo thành một nhóm lớn là không Silicate. Trong đó nhóm khoáng vật quan trọng thứ hai là các khoáng vật Carbonate, một số loại muối như Gysum và Halite. Ngoài ra, một số khoáng vật có ý nghĩa kinh tế là các khoáng vật quặng kim loại (Hematite, Sphalerite, Galena, các nguyên tố tự sinh [vàng, bạc, kim cương], và các loại khoáng vật chứa quặng khác).

Tuỳ thuộc vào hàm lượng của Sắt và Magie mà các khoáng vật Silicate lại được chia thành các phụ nhóm là chứa Sắt – Magie (Ferromagnesian) và không chứa Sắt – Magie (Nonferromagnesian). Tuỳ thuộc vào cấu trúc mạng tinh thể mà các phụ nhóm lại được chia thành các lớp. Các khoáng vật không Silicate được phân loại dựa vào các Anion hoặc nhóm chức (Functional Group).

Bảng…thống kê các khoáng vật đặc trưng nhất thuộc nhóm khác nhau.

• Các khoáng vật Silicate

Tất cả các khoáng vật tạo đá Silicate đều có chung một cấu trúc cơ sở (gốc) là SiO4 với 4 nguyên tử oxy vây quanh một nguyên tử Si, tạo thành một tứ diện Silic – Oxy, là một Cation Silicate hóa trị –4. Trong tự nhiên, các gốc hóa trị này sẽ kết hợp với các Anion hóa trị dương để trung hòa. Sự kết hợp khác nhau giữa các loại anion với gốc SiO4– và giữa các gốc SiO4- sẽ tạo ra cấu trúc bền vững về mặt hóa học. Một cấu trúc tinh thể có thể được xem như một sự sắp xếp 3 chiều của các anion hoặc các nhóm phức liên kết với nhau bởi Cation. Chúng thường tạo thành 1 trong 5 cấu trúc tinh thể.

• Các khoáng vật quặng

Thuật ngữ khoáng vật quặng dùng để chỉ các khoáng vật được tìm kiếm và sử dụng để tách lọc các kim loại có ý nghĩa kinh tế. Các khoáng vật này thường là các nguyên tố (tự sinh), các Ôxit, hoặc Sunphua. Ngoài các khoáng vật nêu trên một số khoáng vật Ôxit hoặc Sunphua kim loại đóng vai trò là khoáng vật quặng quan trọng.

Các khoáng vật Sunphua

Các khoáng vật Sunphua thông thường đều có ánh kim loại và có trọng lượng riêng lớn. Hai khoáng vật phổ biến nhất là Pyrit (FeS2) và Pyrotin (FeS). Phần lớn chì và kẽm trên thế giới đều được thu hồi từ các khoáng vật Galena (PbS) và (ZnS), và phần lớn đồng đều được thu hồi từ Chancopyrit (CuFeS2). Các kim loại khác được điều chế tự quặng Sunphua bao gồm Coban, Thủy ngân, Molypden, và Bạc.

Các khoáng vật Ôxit

Vì Sắt là một trong những nguyên tố phổ biết nhất trong vỏ trái đất nên khoáng vật các khoáng vật Ôxit sắt (Fe304) và Hematite (Fe203) là hai khoáng vật Ôxit phổ biến nhất. Chúng là những khoáng vật quặng sắt chủ yếu. Ngoài ra còn một số quặng Ôxit quan trọng khác như Bauxit (Al2O3) – là nguyên liệu để điều chế nhôm, Rutin (TiO2) là khoáng vật chứa Titan chủ yếu, hoặc Caxiterit (SnO2).

Cấu trúc tinh thể khoáng vật

Dựa vào sự sắp xếp và đặc tính liên kết giữa các nguyên tố trong các khoáng vật, người ta có thể chia cấu trúc của các loại tinh thể khoáng vật khác nhau thành các lớp sau:

1. Tứ diện đơn (Single tetrahedral)
2. Mạch đơn (Single chain).
3. Mạch kép (Double chains).
4. Lớp.
5. Cấu trúc khung.

Các cấu trúc này được minh họa trong Hình…..Cũng lưu ý rằng khi cấu trúc tinh thể trở nên phức tạp thì thành phần nguyên tố tạo nên khoáng vật trở nên đa dạng hơn. Cấu trúc tinh thể tứ diện đơn

Trong cấu trúc tứ diện riêng rẽ thì các tứ diện sắp xếp riêng rẽ và liên kết với nhau bởi các Cation. Tỷ lệ Silic : Oxy của các khoáng vật này là Olivine. Ví dụ điển hình là các khoáng vật nhóm Olivine (Fe, Mg) SiO4. Đây là một chuỗi dung dịch cứng (Solid - Solution) bao gồm một nhóm các khoáng vật có cấu trúc giống nhau nhưng có các ion kim loại khác nhau có cùng kích thước có thể thay thế cho nhau.

Một chuỗi dung dịch cứng thường có 2 khoáng vật cuối cùng (end – nember) trong đó tất cả các vị trí Cation tiềm tàng đều được chiếm giữ bởi một loại Ion. Giữa 2 thành viên này là các khoáng vật mà các vị trí Cation thường bị chiếm giữ bởi 2 hay nhiều hơn các Cation khác nhau. Các khoáng vật tứ diện đơn khác còn có Garnet, Topaz…

• Cấu trúc tinh thể dạng mạch đơn

Trong cấu trúc tinh thể dạng mạch đơn thì các tứ diện Silic – Oxy được nối với nhau tạo thành một mạch trong đó 2 góc của mỗi tứ diện nối với nhau, tạo thành một đơn vị với tỷ lệ Silic – Oxy là 1 : 3. Đại diện điển hình nhất của cấu trúc này là nhóm Pyroxene (Hình…) mà thành viên cuối Augit {(Ca, Na)(Mg, Fe3+, Fe2+, Al) [(Si, Al)2O6]} là phổ biến nhất. Sự liên kết yếu hơn giữa các mạch nằm cạnh nhau bởi các Ion dương so với sự liên kết chặt chẽ trong mạch dẫn đến sự thành tạo cắt khai trong khoáng vật (chẳng hạn 2 mặt cắt khai vuông góc nhau trong Pyroxene…Hình…).

• Cấu trúc dạng mạch kép

Cấu trúc dạng mạch kép được hình thành khi 2 mạch đơn liên kết với nhau bằng cách chia xẻ các nguyên tử Oxy. ở đây góc thứ 3 của tứ diện nối với nhau. Cấu trúc khung được đặc trưng bởi nhóm khoáng vật Amphibol mà thành viên Hornblende {(Na, Ca)2-3(Mg, Fe2+, Fe3+, Al)[(Si, Al)2O22(OH)2} là phổ biến nhất.

Cấu trúc mạch kép giống như các tấm ván với cấu trúc tinh thể được hình thành bằng cách chất các tấm lần lượt chồng lên nhau và gắn với nhu bởi các Cation (Hình…). Sự gắn kết yếu giữa các mạch kép bởi các Ion dương cũng tạo nên các cắt khai đặc trưng của khoáng vật (như Amphibole, Hình….).

• Cấu trúc lớp

Trong cấu trúc lớp, các tứ diện Silicate nối với nhau tạo thành các lớp với cấu trúc hình 6 cạnh cân xứng (Hình…). Ba nguyên tử Ôxy của mỗi tứ diện liên kết với các Ion khác và để lại 1 Ion trống nằm phía ngoài của lớp. Tỷ lệ (Silic + nhôm) : Oxy là 2 : 5. Hầu hết các khoáng vật dạng lớp đều được hình thành bởi sự liên kết của 2 lớp tứ diện với nhau với các Cation nối các mặt Oxy hóa trị âm. Sự gắn kết giữa các lớp tứ diện rất chặt chẽ. Các lớp liên kết xếp chồng lên nhau tạo ra cấu trúc của khoáng vật. Đại diện của cấu trúc này là nhóm Mica. Trong nhóm này, khoáng vật Mica Sắt – Magie, Biotite, {K (Mg, Fe2+)3(Al, Fe3+)Si3O10(OH)2} hai lớp tứ diện được liên kết với nhau bởi sắt hoặc Magie trong khi đó trong loại Mica không chứa Sắt và Magie, KAl2(AlSi3)O10(OH)2 thì 2 lớp được nối với nhau bởi nhôm. Các tấm Silicate được liên kết yếu ớt với nhau bởi các ion Kali. Đặc tính cắt khai mạnh của Mica chính là do sự liên kết yếu của Ion Kali giữa các lớp cấu trúc.

Các khoáng vật sét cũng có cấu trúc lớp điển hình. Chúng được thành tạo bởi phong hóa hóa học của hầu hết các khoáng vật Silicate và là thành phần chính của nhiều loại đất khác nhau.

• Cấu trúc khung

Cấu trúc khung là sự sắp xếp 3 chiều của các tứ diện trong đó 2 tứ diện cạnh nhau đều có chung 1 Oxy, tạo ra một tỷ lệ Silic / Oxy = 1 : 2 (Hình…). Các khoáng vật Feldspar – các khoáng vật tạo đá chính, và Thạch anh có cấu trúc kiểu này.

Các khoáng vật nhóm Feldspar được chia thành 2 phụ nhóm là các khoáng vật Feldspar Kali và Plagioclase. Phụ nhóm Plagioclas là một chuỗi dung dịch cứng trong đó thành phần thay đổi từ thành viên cuối giàu Canxi (Anorthozit – CaAl2Si2O8) tới thành viên cuối giàu Natri (Albit - NaAlSi2O8). Các khoáng vật Feldspar gồm có Octhoclase, Microcline và Sanidine. Tất cả các khoáng vật này đều khác nhau về cấu trúc tinh thể.

Thạch anh (SiO2) là khoáng vật có mặt nhiều thứ hai trong vỏ trái đất sau Feldspar. Trong cấu trúc tinh thể của thạch anh thì mỗi nguyên tử ôxy trong cấu trúc tứ diện Silic – Oxy cung cấp một hóa trị âm cho hai phức Si4+. Do đó không cần bất cứ một ion dương nào cần thiết để trung hòa điện thế. Vì vậy công thức cấu trúc của thạch anh (SiO2; 1 : 2) cũng giống với tỷ lệ Silic / Oxy (1 : 2) của cấu trúc mạng.

Việc phân chia các khoáng vật Silicate thành các nhóm Sắt – Magie và không Sắt – Magie cũng phân chia chúng thành các nhóm có các đặc tính vật lý cơ bản khác nhau. Vì sắt trong cấu trúc tinh thể có đặc tính hấp thụ ánh sáng mạnh nên tất cả các khoáng vật chứa Sắt – Magie đều có màu sẫm, từ màu đen, xanh thẫm, tới nâu. Ngược lại, các khoáng vật không chứa Sắt – Magie thường có màu nhạt, từ không màu, trắng, hoặc hang. Do có chứa những hàm lượng nhất định của sắt nên các khoáng vật Sắt – Magie thường có trọng lượng riêng cao hơn các khoáng vật không Sắt – Magie. Đây là những đặc tính quan trọng để phân biệt hai nhóm khoáng vật trên.

• Các khoáng vật không Silicate

Mặc dù các khoáng vật không Silicate chỉ tạo thành dưới 10% khối lượng vỏ quả đất, nhưng chúng đóng mọt vai trò quan trọng. Chúng bao gồm các khoáng vật Cacbonat, Sunphua, Sunphát, Halid, Hydorxyt, Photphat, và tự sinh.

• Các khoáng vật nhóm Cacbonat, Sulphat, và Photphat

Phức anion (CO2)2- kết hợp với các Cation kim loại tạo thành các khoáng vật Cacbonat. Trong số đó quan trọng nhất là Canxit, Aragonit, và Dolomit. Aragonit và Canxit có cùng thành phần và là dạng đồng hình của nhau (Polymorph). Khoáng vật Canxit (CaCO3) là khoáng vật chủ yếu của đá vôi, là nguyên liệu quan trọng của ngành công nghiệp xây dựng.

Apatit là khoáng vật Photphat quan trọng nhất, được tạo thành từ phức Anion (PO4)3- và tạo thành công thức khoáng vật Ca5(PO4)3(F,OH). Apatit là những nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp hóa chất (Phân bón, thuốc trừ sâu,…).

Các khoáng vật Sunphat được tạo thành nhờ phức Anion (SO4)2-. Các khoáng vật phổ biến nhất là Anhydrit (CaSO4) và Gypsit (CaSO4. 2H2O) được thành tạo chủ yếu từ sự bốc hơi của nước biển.