bài giảng thạch học cơ sở phần 3 thạch học đá biến chất

phần 3 thạch học đá biến chất --- Chương I Đại cương về đá biến chất Bμi 1: định nghĩa về hoạt động biến chất vμ đá biến chất Hoạt động biến chất là sự biến đổi về thành phần và cấu

phần 3 thạch học đá biến chất -

Chương I

Đại cương về đá biến chất

Bμi 1: định nghĩa về hoạt động biến chất vμ đá biến chất

Hoạt động biến chất là sự biến đổi về thành phần và cấu trúc của các đá nguyên thủy ở những độ sâu khác nhau của Vỏ Trái đất dưới tác động của nhiều yếu tố nội sinh (nhiệt độ, áp suất, dung dịch biến chất) và xảy ra ở trạng thái cứng (đá không bị nóng chảy hoặc hòa tan) Hoạt động biến chất chủ yếu xảy ra trong khoảng nhiệt độ 300-1000 0 C, áp suất từ vài trăm bar đến 15-20kbar (1at=1,01325bar)

Một cách khái quát hơn: hoạt động biến chất là 1 dạng sản phẩm hoạt

động nội lực của Trái đất Hoạt động nội lực có thể là sự di chuyển hội tụ hoặc phân kỳ của các mảng thạch quyển, sự di chuyển của các khối đá dọc theo các

đới trượt bằng lớn, sự di chuyển trong phạm vi hẹp của dung dịch biến chất có nguồn gốc từ các khối magma nguội lạnh

Sản phẩm của hoạt động biến chất chính là các đá biến chất, chúng cân bằng trong những điều kiện vật lý nhất định (nhiệt độ, áp suất, dung dịch tuần hoàn trong đá-yếu tố biến chất)

Bμi 2: Các yếu tố biến chất

1- Nhiệt độ:

Sự nâng cao nhiệt độ trong Vỏ Trái đất là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các quá trình biến chất các đá Nhiệt độ đóng vai trò chi phối các phản ứng biến chất, nâng cao hoạt tính hóa học cũng như thúc đẩy các tác dụng vật lý của các dung dịch tuần hoàn trong đá Sự nâng cao nhiệt độ còn làm thay đổi tính chất vật lý của đá, làm cho đá từ trạng thái cứng chuyển sang dẻo và cuối cùng có thể nóng chảy tạo nên các dung thể magma granit có nguồn gốc biến chất (siêu biến chất)

Nguồn gốc của nhiệt độ tham gia vào các phản ứng biến chất bao gồm:

- Địa nhiệt (sự tăng nhiệt độ theo chiều sâu, xuống sâu 100m tăng 3 0 )

- Nhiệt độ do khối magma mang từ dưới sâu lên phần trên của Vỏ Trái

đất và nung nóng các đá vây quanh

- Nhiệt độ toả ra do ma sát chuyển dịch giữa các khối đá cứng trong các

hệ thống phá hủy kiến tạo

- Nhiệt độ được cung cấp bởi các phân rã phóng xạ tự nhiên của các nguyên tố phóng xạ U, Th

2- áp suất:

Có hai dạng áp suất tham gia vào quá trình biến chất: áp suất thủy tĩnh

và áp suất định hướng

- áp suất thủy tĩnh gây ra bởi trọng lượng của lớp đá nằm trên đối với lớp

đá nằm dưới, nó có giá trị như nhau theo mọi phương Vai trò của áp suất thủy tĩnh khống chế các phản ứng biến chất áp suất tăng, phản ứng biến chất có xu hướng tạo nên các tổ hợp cộng sinh khoáng vật có tỷ trọng lớn (thể tích phân tử nhỏ)

- áp suất định hướng sinh ra do các quá trình dịch chuyển căng dãn các khối đá theo các phá hủy kiến tạo, đứt gãy áp suất này chỉ có tác dụng ở phần nông của Vỏ Trái đất, gây ra các biến dạng ròn và dẻo đối với đất đá Sản phẩm của áp suất định hướng là kataclazit và milonit

3- Dung dịch biến chất:

Trong đá luôn tồn tại các dung dịch ở phần khe hở và ranh giới tiếp xúc giữa các hạt Chúng tồn tại ở dạng màng mỏng vật lý, có thể ở trạng thái lỏng, trạng thái hơi và trạng thái hơi-lỏng Thành phần của chất lưu là H 2 O, CO 2 ,

CH 4 , Cl, SO 2 , Br Vai trò của chất lưu là môi trường trao đổi vật chất giữa các

tính chất môi trường của chất lưu mà có thể gây ra các phản ứng khử hoặc oxy hóa và từ đó làm xuất hiện các tổ hợp cộng sinh khoáng vật khác nhau

Ngoài những yếu tố biến chất trên còn phải kể đến yếu tố thời gian xảy ra hoạt động biến chất và thành phần của đá nguyên thủy bị biến chất Thời gian càng lâu dài thì quá trình biến chất càng triệt để Thành phần đá nguyên thủy khác nhau thì sẽ cho các sản phẩm biến chất khác nhau

Bμi 3: các dạng biến chất

1- Dạng biến chất động lực (biến chất cà nát và biến chất va đập)

Chủ yếu do các lực kiến tạo hay lực va đập của thiên thạch với bề mặt Trái đất

Trong dạng biến chất này đá nguyên thủy bị cà nát, chỉ thay đổi kiến trúc, cấu tạo mà không biến đổi về thành phần khoáng vật cũng như thành phần hóa học

2- Dạng biến chất nhiệt tiếp xúc:

Xảy ra tại nơi tiếp xúc của khối magma nóng chảy với đá vây quanh với tác dụng chủ yếu của nhiệt độ

Đá biến chất nhiệt bị biến đổi về kiến trúc, cấu tạo, thành phần khoáng vật, chỉ có thành phần hóa học không bị thay đổi

3-Dạng biến chất nhiệt động:

Yếu tố biến chất là nhiệt độ, áp suất và cả dung dịch biến chất, xảy ra trong phạm vi rộng lớn

4- Dạng biến chất trao đổi: gồm những dạng biến chất làm thay đổi thành phần hóa học của đá nguyên thủy

- Biến chất tiếp xúc trao đổi: Yếu tố biến chất chủ yếu là dung dịch biến

chất thoát ra từ khối magma vừa mới kết tinh, kết quả xảy ra sự trao đổi các nguyên tố hóa học giữa đá magma và đá vây quanh

- Biến chất trao đổi nhiệt dịch: yếu tố biến chất là dung dịch nhiệt dịch

được đưa lên từ dưới sâu sau khi khối magma đã được kết tinh

- Tự biến chất: xảy ra ở phần vòm của các khối magma xâm nhập do các

chất bốc của chính khối đá magma gây nên

5- Siêu biến chất:

Là dạng biến chất đặc biệt xảy ra ở những đới sâu trong đó hoạt động biến chất có kèm theo tái nóng chảy từng phần hay với quy mô lớn

Bμi 4: Thμnh phần vật chất của đá biến chất

I- Thμnh phần hóa học:

Các hợp phần hóa học tạo đá chính của các đá biến chất tương tự như trong đá magma Tuy nhiên mối quan hệ giữa thành phần hóa học và thành phần khoáng vật biểu hiện khá phức tạp

- Quy luật phân bố của các oxyt phụ thuộc điều kiện nhiệt độ và áp suất

- Trong hầu hết các đá đá biến chất đều có ít nhiều SiO 2 tự do (thạch anh)

- Phổ biến các đá no nhôm (có nguồn gốc từ đá sét) đặc trưng bởi các khoáng vật giàu nhôm: corindon, granat, andaluzit, silimanit, disthen

- Lượng CaO trong các đá biến chất thường lớn do các đá có chứa các khoáng vật no calci: wolastonit, granat calci, vezuvian

- Các đá biến chất có nguồn gốc từ các đá magma bazơ và siêu bazơ thì có lượng MgO và FeO khá lớn vì có chứa các khoáng vật no Mg và Fe như antophilit, talc, hypecten

Dựa vào độ chứa calci trong hai khoáng vật plagiocla và amphibol người

ta đã tìm ra "nhiệt kế địa chất"

II- Thμnh phần khoáng vật:

Thành phần khoáng vật của đá biến chất phụ thuộc vào 2 yếu tố: thành phần của đá nguyên thủy và trình độ biến chất Mỗi THCSKV của đá biến chất tiêu biểu cho 1 loại đá nguyên thủy, tương ứng với 1 trình độ biến chất

Về cơ bản các khoáng vật của đá biến chất phong phú hơn so với đá magma Trong đá biến chất có thể gặp những khoáng vật gặp trong đá magma cũng như trong đá trầm tích như thạch anh, felspat, mica , có những khoáng vật không hoặc rất ít gặp trong đá magma như calcit, dolomit, silimanit, storolit, disthen Có những khoáng vật có mặt trong đá magma như nephelin, felspatit nhưng rất hiếm gặp trong đá biến chất

Trong đá biến chất các khoáng vật thường nằm cân bằng và do đó ít gặp các khoáng vật có tính phân đới Các khoáng vật biến chất được thành tạo

đồng thời trong các phản ứng biến chất nên không có thứ tự kết tinh Trình độ kết tinh và kích thước các hạt khoáng vật tăng theo trình độ biến chất

Các khoáng vật của đá biến chất thường có sự phân bố định hướng theo những phương nhất định phụ thuộc vào trường ứng suất khi khoáng vật được thành tạo

Mỗi THCSKV trong đá biến chất là một dấu hiệu đáng tin cậy để suy

đoán về điều kiện nhiệt độ và áp suất của hoạt động biến chất

Các khoáng vật phổ biến trong đá biến chất gồm:

1- Nhóm felspat:

- Felspat kali: thường gặp là microclin, octocla

- Plagiocla: có thể gặp từ albit đến anoctit Plagiocla axit thường gặp trong

đá biến chất tướng epidot-amphibolit Plagiocla bazơ chỉ gặp trong đá biến chất cao

2- Granat: là khoáng vật điển hình cho các đá biến chất, chúng là những dung dịch cứng thay thế đồng hình của Ca-Mg-Al-Mn-Fe, gồm các khoáng vật: pyrop Mg 3 Al 2 Si 3 O 12 , anmandin Fe 3 Al 2 Si 3 O 12 , spersactit Mn 3 Al 2 Si 3 O 12 , groxule

Ca 3 Al 2 Si 3 O 12 , andradit Ca 3 (Fe, Ti) 2 Si 3 O 12

3- Cordierit: (Mg,Fe) 2 [Si 5 Al 4 O 18 ].nH 2 O

Đặc trưng cho các đá biến chất giàu nhôm, thường gặp trong các đá biến chất nhiệt tiếp xúc và biến chất khu vực

4- Cloritoid:

Phổ biến trong các đá biến chất có nguồn gốc sét với điều kiện nhiệt độ trung bình và thấp, gặp trong các đá biến chất nhiệt tiếp xúc và biến chất khu vực trình độ thấp

5- Nhóm khoáng vật AlSi 2 O 5: gồm 3 biến thể đa hình

- Andaluzit

- Silimanit

- Disthen

Chúng phổ biến trong các đá biến chất có nguồn gốc từ đá sét

6- Storolit: Phổ biến trong các đá biến chất nhiệt độ trung bình, tiêu biểu cho các đá nguyên thủy có chứa Fe và Mg

7- Nhóm amphibol: phổ biến trong các đá biến chất khu vực nhiệt độ trung bình và thấp

Các khoáng vật thường gặp là horblen, antophilit, cumingtonit, tremolit, glocophan

8- Nhóm pyroxen: xuất hiện trong đá biến chất nhiệt độ cao, gồm hyperten, omphaxit, jadeit

9- Nhóm mica: biotit, muscovit, phlogopit

Bμi 5: kiến trúc vμ cấu tạo của đá biến chất

I- Cấu tạo:

Phân biệt 2 loại cấu tạo: cấu tạo sót (tàn dư) và cấu tạo biến chất

1- Cấu tạo sót: là cấu tạo của đá nguyên sinh còn sót lại trong các hoạt

động biến chất, thường gặp trong các đá biến chất trình độ thấp

2- Cấu tạo biến chất: hình thành trong quá trình biến chất, bao gồm:

- Cấu tạo khối: thành tạo trong điều kiện tĩnh, không chịu tác dụng của

áp suất định hướng, thường gặp trong biến chất nhiệt tiếp xúc, nhiệt động

- Cấu tạo phân phiến: chịu tác dụng của áp suất định hướng

+ Phân phiến cà nát: đá vỡ vụn và ép theo phương cà nát + Phân phiến kết tinh: khoáng vật dạng tấm, trụ định hướng + Gneis: mặt phân phiến không rõ, các hạt felspat và thạch anh

có dạng thấu kính, dạng mắt định hướng cùng các khoáng vật màu uốn lượn quanh chúng

- Cấu tạo budina: các lớp đá cứng bị đứt đoạn như những khúc dồi

II- Kiến trúc:

1- Kiến trúc sót:

2- Kiến trúc biến chất:

a- Kiến trúc cà nát: đặc trưng cho biến chất động lực

- Kataclazit

- Milonit

- Finolit

b- Kiến trúc biến tinh: được thành tạo trong các quá trình biến chất với

sự tái kết tinh

Dựa vào hình dáng khoáng vật phân biệt kiến trúc ban biến tinh, hạt, vảy, que, sợi biến tinh

Bμi 6: Trình độ biến chất

Như đã nói ở trên, trong các quá trình biến chất, phản ứng biến chất dẫn

đến sự thành tạo các khoáng vật mới chủ yếu xảy ra trong môi trường cứng Trong môi trường cứng, các phản ứng biến chất cuối cùng dẫn đến một trạng thái cân bằng hóa lý nhất định thích ứng với điều kiện hóa lý của quá trình biến chất

Phản ứng biến chất xảy ra theo 2 phương thức: phương thức khô - đó là quá trình khuếch tán giữa các vật thể cứng của các ion hay nguyên tử bên trong mạng tinh thể và phương thức ướt - đây là phương thức có tính chất quyết định tiến trình phản ứng biến chất ở trạng thái cứng, là sự khuếch tán và giao lưu vật chất nhờ dung dịch biến chất

Trong khảo sát các quá trình biến chất các nhà địa chất đã đưa ra khái niệm tướng biến chất và trình độ biến chất

I- Trình độ biến chất:

Các công trình bàn về trình độ biến chất (Van Hai, Misen Levi, Becơ, Grubenman ) dựa trên cơ sở lý thuyết: nhiệt độ và áp suất tăng theo độ sâu chủ yếu gây nên phản ứng mất nước và phân hủy carbonat, do đó ứng với những độ sâu khác nhau sẽ có những tập hợp khoáng vật tiêu biểu khác nhau, càng xuống sâu sẽ mất dần các khoáng vật có chứa H 2 O và OH Grubenman đã chia làm 3 đới biến chất với những đặc điểm khác nhau:

- Đới trên cùng (epizon): điều kiện nhiệt độ trung bình, áp suất định hướng là chủ yếu, dạng biến chất ưu thế là cà nát

- Đới giữa (mezozon): điều kiện nhiệt độ cao, áp suất định hướng cực đại,

áp suất thủy tĩnh mạnh, dạng biến chất hóa học chiếm ưu thế

- Đới dưới (katazon): điều kiện nhiệt độ rất cao, áp suất thủy tĩnh rất mạnh, áp suất định hướng chỉ còn rất yếu, dạng biến chất hóa học chiếm ưu thế

II- Tướng biến chất:

Tướng biến chất là tập hợp các đá có thành phần hóa học khác nhau nhưng cùng đạt đến 1 điều kiện cân bằng hóa lý nhất định, thể hiện bằng những tổ hợp cộng sinh khoáng vật tiêu biểu

Mỗi tướng biến chất là sự thể hiện một trình độ biến chất tương ứng với một giới hạn nhất định của điều kiện nhiệt độ-áp suất (trường P-T) Các đá

tướng Ranh giới của mỗi trường P-T được xác định bởi những đường cong giới hạn trường bền vững của những khoáng vật hay tập hợp khoáng vật biến chất quan trọng nhất

Nguyên tắc chọn những THCSKV tiêu biểu nhất cho tướng biến chất:

- Đó là những khoáng vật phổ biến, dễ theo dõi trong thiên nhiên

- Đó là những khoáng vật dễ nhạy cảm với sự thay đổi điều kiện nhiệt độ-áp suất

Ví dụ: các tướng biến chất nhiệt

- Tướng sừng epidot-albit (<400 0 C)

- Tướng sừng horblen (600-700 0 C)

- Tướng sừng pyroxen (700-900 0 C)

Bμi 7: phân loại đá biến chất

I- Nguyên tắc phân loại:

Có nhiều kiểu phân loại và hệ thống hóa các đá biến chất theo những nguyên tắc khác nhau

1- Phân loại đá biến chất theo kiểu biến chất (thông dụng và mang tính truyền thống):

- Nhóm đá biến chất động lực

- Nhóm đá biến chất nhiệt tiếp xúc

- Nhóm đá biến chất trao đổi

- Nhóm đá biến chất nhiệt động (khu vực)

- Siêu biến chất

2- Phân loại theo trình độ biến chất:

+ Đối với biến chất nhiệt tiếp xúc:

- Nhóm đá biến chất thấp tướng sừng albit-epidot: gồm các đá phiến đốm vết, đốm sần

- Nhóm đá biến chất trung bình tướng sừng amphibol

- Nhóm đá biến chất cao tướng sừng pyroxen

- Nhóm đá biến chất rất cao tướng sừng sanidin

+ Đối với biến chất khu vực:

- Nhóm đá biến chất thấp tướng phiến lục (nhóm đá phiến thường)

- Nhóm đá biến chất trung bình tướng amphibolit (nhóm đá amphibolit và gneis)

- Nhóm đá biến chất cao tướng granulit (nhóm đá granulit)

- Nhóm đá biến chất rất cao tướng eclogit

3- Phân loại theo chế độ áp suất:

- Loạt biến chất áp suất thấp

- Loạt biến chất áp suất trung bình

- Loạt biến chất áp suất cao

4- Phân loại theo kiểu nguồn gốc:

- Metapelit: đá sét giàu nhôm bị biến chất

- Metabazic: các đá bazan, gabro, trầm tích macnơ bị biến chất

- Metacarbonat: đá carbonat bị biến chất

- Meta siêu mafic: đá peridotit giàu Mg bị biến chất

- Các đá giàu thạch anh-felspat bị biến chất

- Các đá giàu nhôm bị biến chất

II- Cách gọi tên đá biến chất:

1- Gọi tên đá biến chất theo cấu tạo:

- Đá sừng: tên gọi cho đá có cấu tạo khối, hạt mịn, màu sẫm, sản phẩm của biến chất nhiệt tiếp xúc Sau đó nêu thành phần khoáng vật của đá

Ví dụ: đá sừng biotit-cordierit, đá sừng thạch anh-biotit

- Dăm kết, kataclazit, milonit: tên gọi cho các đá bị cà nát mức độ khác nhau

- Đá phiến: tên gọi cho các đá có cấu tạo phân phiến, sau đó đặt tên khoáng vật sau chữ đá phiến theo thứ tự giảm dần về số lượng

Ví dụ: đá phiến thạch anh-sericit, đá phiến thạch anh-mica-disthen

- Đá gneis: tên gọi cho các đá có cấu tạo định hướng gneis

- Đá migmatit: tên gọi chung cho các đá siêu biến chất mà cấu tạo của nó gồm 2 bộ phận: granitoid và thực thể biến chất, chúng nằm xen kẽ nhau theo lớp hoặc dạng ruột

2- Tên đá biến chất theo thành phần khoáng vật:

- Quarzit: thạch anh>80%

- Amphibolit: horblen và felspat

Một số đá được đặt tên không theo nguyên tắc:

- Đá hoa: đá biến chất từ trầm tích carbonat

- Skarnơ: đá biến chất tiếp xúc trao đổi giữa đá granitoid và đá carbonat, thành phần khoáng vật gồm pyroxen và granat

- Greizen: đá biến chất tiếp xúc trao đổi giữa đá granitoid với các đá giàu thạch anh, felspat (cát kết arko )

3- Cách gọi tên để làm sáng tỏ nguồn gốc:

Trước tên đá biến chất ta thêm tiếp đầu ngữ octo hoặc para Octo để chỉ

đá có nguồn gốc từ đá magma Para để chỉ đá có nguồn gốc từ đá trầm tích Ví dụ:

- Octogneis: đá biến đổi từ granitoid

- Paragneis: đá biến đổi từ cát kết arko