Bài giảng tinh thể khoáng vật

Mạng không gian: Khi sử dụng tia Rơnghen tia X để nghiên cứu tinh thể người ta đã phát hiện ra rằng các vật rắn kết tinh tinh thể có cấu trúc theo những quy luật nhất định, trong đó cá

Trường đại học mỏ địa chất

Bộ môn khoáng thạch - khoa địa chất

nguyễn khắc giảng

BμI GIảNG môn học tinh thể-KHOáNG VậT

Dùng cho sinh viên ngμnh địa chất vμ nguyên liệu khoáng

_

Hμ Nội: 6 -2010

phần I:

tinh thể- Khoáng vật học

đại cương

mở đầu

Một số khái niệm về tinh thể vμ khoáng vật

A.1 các Khái niệm cơ sở về tinh thể vμ khoáng vật

A.1.1 Các khái niệm về tinh thể

A.1.1.1: Khái niệm cơ sở về tinh thể:

Trong tự nhiên, vật chất tồn tại

dưới ba trạng thái cơ bản: rắn, lỏng vμ

khí, ở trạng thái rắn lại tồn tại hai trạng

thái: rắn kết tinh còn gọi lμ tinh thể vμ

rắn vô định hình còn gọi lμ thuỷ tinh

Người ta cũng gọi ba trạng thái trên lμ

ba trạng thái ngưng tụ của các hạt vật

chất Hạt ở đây lμ các ion hoặc các

- Khuynh hướng thứ nhất: các hạt vật chất sắp xếp đều đặn theo một quy luật nhất

định nhờ các lực tương tác giữa chúng vμ tạo nên thể rắn Đó lμ trạng thái kết tinh của vật chất hay lμ những tinh thể Vật chất sẽ có trạng thái nμy trong điều kiện nhiệt độ đủ thấp

vμ áp suất đủ cao

- Khuynh hướng thứ hai: trật tự sắp xếp của các hạt vật chất bị phá vỡ, lực tương tác giữa các hạt giảm đáng kể, lực hút lẫn nhau giữa các hạt không còn nữa, vật chất chuyển sang trạng thái khí lý tưởng trong điều kiện nhiệt độ đủ cao vμ áp suất đủ thấp

Trong phạm vi bμi giảng nμy ta chỉ xét đến các tinh thể Nếu chỉ xét hình dạng bề ngoμi của chúng (với quy mô mắt thường hoặc dùng kính hiển vi thông thường có thể quan sát được) (hình A.2), ta có thể định nghĩa tinh thể như sau:

"Tinh thể lμ những vật rắn được thμnh tạo trong tự nhiên hoặc trong phòng thí

nghiệm dưới dạng những khối đa diện hình học"

Hình A.2c Hình A.2d

Hình A.2: Hình dạng một số đơn tinh thể: a-Pyrit, b- Thạch anh, c- Cuprit, d -Granat

Trong hình A.2 hình dạng tinh thể của các khoáng vật pyrit (FeS2) có hình lập phương hay còn gọi lμ hình sáu mặt (hình 1.2a), thạch anh (SiO2) có hình lăng trụ sáu phương vμ tháp đôi sáu phương (hình A.2b), Cuprit (Cu2O) có hình tám mặt (bát diện) (hình A.2c) vμ granat (garnet) có hình 12 mặt thoi (hình A.2d)

Tuy vậy như đã nói ở trên, ở phạm vi vi mô, tinh thể bao gồm các hạt vật chất sắp xếp một cách có quy luật Để thể hiện chi tiết hơn đặc tính nμy người ta dùng khái niệm

“mạng không gian”

A.1.1.2 Mạng không gian:

Khi sử dụng tia Rơnghen (tia X) để nghiên cứu tinh thể người ta đã phát hiện ra rằng các vật rắn kết tinh (tinh thể) có cấu trúc theo những quy luật nhất định, trong đó các phần tử tạo thμnh (ion, nguyên tử hoặc phân tử) chiếm những vị trí cố định trong không gian của tinh thể Các vị trí nμy được coi như lμ những giao điểm (nút) của một mạng lưới Toμn bộ hệ thống các nút mạng nμy được coi lμ một mạng không gian Ví dụ của cấu trúc mạng không gian có thể quan sát được trong cấu trúc của các tinh thể halit (NaCl) vμ calcit (Ca[CaCO3]) Cấu trúc của tinh thể muối ăn được thể hiện ở hình A.2 a, cấu trúc của tinh thể calcit được thể hiện ở hình A.3

Vì vậy người ta có một định nghĩa khác về tinh thể như

sau: tinh thể lμ những vật rắn được thμnh tạo bởi những phần tử

nhỏ (ion, nguyên tử, phân tử) sắp xếp đều đặn theo một quy

luật nhất định giống như những nút của một mạng không gian

Chúng ta có thể hiểu rằng mạng không gian lμ vô hạn (mô

phỏng ở hình A.4) Còn các tinh thể lμ những phần nhỏ của các

mạng không gian được giới hạn bởi các mặt vμ các cạnh

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 hμng (chuỗi) mạng (hình A.4 a)

Khoảng cách a giữa hai nút mạng gọi lμ thông số chuỗi

Các hμng mạng (chuỗi mạng) song song với nhau có thông số

chuỗi bằng nhau

Hình A.3: cấu trúc tinh thể của calcit

Người ta thấy rằng 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)

a b:

Hình A.4: Các chuỗi mạng trong tinh thể (a) vμ mặt mạng trong tinh thể (b)

Qua ba nút mạng không nằm trên cùng một chuỗi mạng xác định một mặt mạng (hình A.4b) Mặt thật hoặc mặt có thể có của tinh thể bao giờ cũng ứng với mặt mạng có mật độ nút mạng cao Giao tuyến của các mặt gọi lμ cạnh, giao điểm của các cạnh gọi lμ

đỉnh

Hình A.5: Mô hình biểu diễn các kiểu mặt vμ cạnh có thể có liên quan đến cấu trúc ô mạng của

tinh thể

A.1.1.3 Các tính chất cơ bản của tinh thể:

Đặc điểm nổi bật của tinh thể lμ có cấu trúc mạng không gian Do đó tinh thể có ba tính chất cơ bản: tính đồng nhất vμ tính dị hướng, tính tự tạo đa diện hình học, tính có nội năng cực tiểu

a Tính đồng nhất vμ tính dị biet:

Một vật thể có tính đồng nhất khi ở bất kỳ một

vị trí nμo trong vật thể đó tính chất cũng như nhau

Tinh thể có tính đồng nhất, song theo những phương

song song với nhau thì tính chất giống nhau, còn

theo những phương không song song với nhau có

nhiều trường hợp tính chất không giống nhau Vì

theo những phương không song song với nhau cấu

trúc mạng của chúng khác nhau Người ta nói tinh

thể có tính đồng nhất vμ tính dị hướng Cấu trúc tinh

thể của khoáng vật disten (AL2O) [SiO4] được thể

hiện ở hình A.6, theo phương vương góc với phương

kéo dμi của tinh thể khoáng vật nμy có độ cứng cao

hơn (7) so với độ cứng theo phương kéo dμi (4-5)

của tinh thể

Hình A.6 : Tính dị hướng về

độ cứng của tinh thể disten

Ví dụ thứ hai lμ ứng suất kéo của tinh thể muối ăn (NaCl) có hình lập phương Người ta lấy 3 thanh muối có độ dμi, hình dạng vμ tiết diện giống nhau, nhưng theo 3 phương khác nhau: L4, L2 vμ L3 Sau đó kéo 3 thanh muối nμy thì thấy ứng suất chịu kéo của 3 thanh nμy khác nhau (hình A.7)

Thanh thứ nhất theo phương L4 có ứng suất chịu kéo lμ 570 G/mm2 (Hình A.7a) Thanh thứ hai theo phương L2 có ứng suất chịu kéo lμ 1150 G/mm2 (Hình A.7b) Thanh thứ ba theo phương L3 có ứng suất chịu kéo lμ 2150 G/mm2(Hình A.7c )

Đối với chất vô định hình không có cấu trúc mạng không gian nên theo mọi phương khác nhau tính chất đều như nhau Ta nói, chất vô định hình có tính đồng chất (đẳng hướng) (xem đường nguội của chất kết tinh (A.8a) vμ đường nóng của chất kết tinh (A.8b)

b) Tính tự tạo các khối đa diện hình học

Đây lμ tính chất đặc biệt của tinh thể Chất vô định hình không có được tính chất nμy Ta thử lấy một tinh thể muối ăn có hình lập phương, đem gọt tinh thể nμy thμnh một hình cầu Sau đó cho quả cầu muối vμo một bình đựng dung dịch muối ăn (NaCl) quá bão hoμ Sau một thời gian ta sẽ nhận được một tinh thể muối có hình lập phương như cũ Lμm thí nghiêm tương tự với thạch anh cũng cho kết quả tinh thể thạch anh khôi phục lại hình dạng lăng trụ (3 phương hoặc 6 phương từ những quả cầu thạch anh nuôi trong dung dịch chứa SiO2)

Hình A.7: ứng suất chịu kéo theo các phương khác nhau của tinh thể halit

c) Tính có nội năng cực tiểu:

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng vật chất ở trạng thái kết tinh có nội năng nhỏ nhất Để chứng minh điều đó ta lμm thí nghiệm sau đây: Lấy một chất ở trạng thái lỏng nóng chảy ở nhiệt độ cao (hình A.8a) ta đem lμm nguội một cách từ từ Trong quá trình lμm nguội ta luôn theo dõi sự biến thiên nhiệt độ của chất, thoạt đầu ta thấy nhiệt độ giảm khi ta hạ nhiệt độ bên ngoμi Nhưng khi nhiệt độ của chất hạ đến giá trị Toa thì dừng lại, mặc dù ta vẫn tiếp tục lμm nguội Chất bắt đầu kết tinh Trong suốt thời gian vật chất kết tinh (từ T1 đến T2) nhiệt độ của vật chất được giữ nguyên mặc dù ta vẫn lμm nguội liên tục Chỉ đến khi vật chất kết tinh hoμn toμn nhiệt độ của nó mới tiếp tục giảm Nếu ta lμm thí nghiệm ngược lại (hình A.8b): lấy một tinh thể của chất nμo đó đem nung nóng lên vμ theo dõi sự tăng nghiệt độ trong tinh thể Thoạt đầu ta thấy khi ta nung nóng, nhiệt độ trong tinh thể tăng dần lên Nhưng khi đạt đến giá trị Toa thì nhiệt độ trong tinh thể bắt đầu không tăng nữa, mặc dù ta vẫn tiếp tục nung Lúc nμy tinh thể bắt đầu nóng chẩy vμ trong suốt thời gian nóng chảy nhiệt độ toμn bộ tinh thể không tăng, chỉ sau khi tinh thể nóng chảy hoμn toμn nhiệt độ mới lại tiếp tục tăng Đồ thị được thể hiện ở hình

A.8a vμ hình A.8b gọi lμ đường nguội vμ đường nóng của chất kết tinh Hiện tượng xảy

ra trong hai thí nghiệm trên được giải thích như sau:

Thí nghiệm thứ nhất: vật chất ở trạng thái lỏng nóng chảy nhiệt độ Toa, các phần tử nhỏ (ion, nguyên tử, phân tử) chuyển động tự do với vận tốc lớn Khi nhiệt độ giảm thì vận tốc chuyển động của chúng cũng giảm theo Khi vận tốc giảm dần đến không (v =

v lμ vận tốc chuyển động của chúng) Nhưng ta biết rằng năng lượng của vật chất luôn

được bảo toμn Do đó khi động năng E = 0 thì nó đã biến thμnh nhiệt năng Nói cách khác khi vật tiếp tục được lμm nguội mμ nhiệt độ bên trong chất kết tinh không giảm

ở thí nghiệm thứ hai: Hiện tượng xảy ra ngược lại khi ta nung, nhiệt độ tinh thể tăng dần nhưng khi tinh thể bắt đầu nóng chảy, mặc dù ta vẫn nung nhưng nhiệt độ trong tinh thể ngừng tăng cho đến lúc nó nóng chảy hoμn toμn Tinh thể ở trạng thái rắn kết tinh các nút mạng có vận tốc chuyển động v = 0 Khi nhiệt độ tăng v ≠ 0 vμ tăng dần Các nút mạng bứt ra khỏi vị trí của chúng tinh thể nóng chảy Để có động năng E ≠ 0 ta phải cung cho tinh thể một năng lượng dưới dạng nhiệt năng Nói cách khác khi tinh thể nóng chảy, nó thu nhiệt Đó lμ lý do mặc dù vẫn nung mμ nhiệt độ của khối vật chất thí nghiệm không tăng

Lượng nhiệt toả ra khi vật chất kết tinh hoặc thu vμo khi tinh thể nóng chảy gọi lμ ẩn

nhiệt hoá lỏng

Hình A.8: Đường cong nguội lạnh (a) vμ nóng chảy (b) của vật chất kết tinh

Từ thí nghiệm thứ nhất ta thấy vật chất chuyển từ trạng thái lỏng nóng chảy sang trạng thái rắn kết tinh đã mất đi một khối lượng năng lượng (ẩn nhiệt hoá lỏng) Nói cách khác vật chất ở trạng thái rắn kết tinh có nội năng nhỏ nhất

Người ta cũng nhận thấy rằng dung dịch quá bão hoμ chất lỏng quá đông, rắn vô

định hình đều lμ những trạng thái không vững bền của vật chất, chúng có xu hướng trở về trạng thái rắn kết tinh Ví dụ điển hình lμ quá trình kết tinh của các keo sắt vμ mangan trong tự nhiên hoặc của thủy tinh ở cửa kính các nhμ máy cơ khí (bị rung lắc nhiều) hoặc các cốc thủy tinh để lâu ngμy sẽ bị vỡ vụn do hiện tượng tái kết tinh của thủy tinh thμnh các tinh thể thạch anh

Như vậy trạng thái có một nội năng cực tiểu lμ trạng thái vững bền nhất của vật chất Hay người ta vẫn nói chỉ có tinh thể mới lμ chất rắn thực thụ

A.1.1.4 Định luật bảo toμn góc:

Ta hãy quan sát các tinh thể thạch anh Trong điều kiện phát triển tốt đẹp một cách

lý tưởng nó có thể có dạng ở hình A.2b, tiết diện vuông góc với các mặt của hình trụ lμ một hình sáu cạnh đều Nhưng trong thực tế, sự cung cấp vật chất của môi trường nuôi cho các mặt của tinh thể không bao giờ đồng đều Do đó, tiết diện của hình lăng trụ thường lμ những hình sáu cạnh không đều (hình A.9) Ngoμi ra, tốc độ phát triển của những mặt khác nhau theo sự thay đổi điều kiện hoá lý của môi trường nuôi Khi thì ta

được một tinh thể có các mặt tháp chiếm ưu thế hơn Kết quả lμ hình dạng của tinh thể thạch anh thật lμ đa dạng Các tinh thể ở hình A.9a, A.9b vμ A.9c biểu diễn một số dạng khác nhau của loại tinh thể nμy Tuy nhiên nếu đo góc giữa các mặt của từng tinh thể ta

sẽ nhận được những giá trị không đổi

Góc giữa các mặt

của tinh thể thạch anh

không phụ thuộc vμo

Trong tự nhiên các tinh thể có mặt rất phổ biến trong vỏ trái đất, nhất lμ trong lớp

vỏ rắn (thạch quyển) Đa số các loại đá được thμnh tạo từ các vật chất rắn có cấu trúc kết tinh (tinh thể), trong đó có thể phân chia thμnh những phầ (bộ phận) tương đối đồng nhất

vμ có đặc trưng riêng biệt về mặt thμnh phần, cấu trúc vμ các tính chất cơ lý Các bộ phận vật chất kết tinh nμy có thể được phân loại dưới một phạm trù riêng biệt dưới tên gọi lμ khoáng vật vμ khoáng vật học

1.1.2 Các khái niệm về khoáng vật

1.2.1 Các khái niệm về khoáng vật vμ khoáng vật học

Như chúng ta đã biết, phần vỏ cứng bên ngoμi của trái đất (có bề dầy từ 15-70Km)

được tạo thμnh từ các loại đá vμ quặng khác nhau Các loại Đá vμ Quặng lμ những sản phẩm của các quá trình hoá lý trong tự nhiên vμ thường bao gồm một hoặc nhiều thμnh phần khác nhau, ví dụ:

+ Đá granit hồng (thường được dùng ốp bề mặt các toμ nhμ lớn bao gồm các tổ phần chính sau:

- Loại không mầu có thμnh phần hóa học lμ SiO2 gọi lμ thạch anh

- Loại có mầu hồng thịt, có thμnh phần hóa học lμ: (K, Na, Ca) [AlSi3O8] được gọi

lμ feldspar

- Loại có mầu nâu đen nâu: K(Mg, Fe)3 (OH)2 [AlSi3O10] Al2 được gọi lμ mica hoặc biotit

Hình A.10 Mẫu đá granit dùng lμm đá ốp lát gồm thạc anh, felspat, mica + Đá Hoa (dùng ốp bên trong hay bên ngoμi các toμ nhμ, các công trình xây dựng): tổ phần chủ yếu lμ loại có mμu trắng, có thμnh phần hóa học lμ CaCO3 được gọi lμ canxit (sạch) hoặc có lẫn các Oxyd Fe, Mr, Sét (có các mầu khác nhau)

+ Quặng đa kim gồm các thμnh phần:

- Loại mμu xám chì ánh kim có thμnh phần hoá học lμ PbS được gọi lμ galen

- Loại có mμu vμng rơm, ánh kim, thμnh phần hóa học lμ FeS2 được gọi lμ pyrit,

- Loại mμu nâu nhạt, ánh kim cương, thμnh phần ZnS được gọi lμ sfalerit

+ Quặng Sn (hình A10) gồm các thμnh phần chính sau:

- Loại có mμu nâu, ánh kim cương, thμnh phần hóa hoc SnO2 gọi lμ Casiterit

- Loại mμu trắng đục, ánh thủy tinh, có thμnh phần lμ SiO2 gọi lμ Thạch anh

Hình A10: Quặng thiếc bao gồm 2 khoáng vật thạch anh (trắng trong) vμ casiterit (nâu)

Trong những năm giữa của thế kỷ 20, Bechectin (1956) [ ] quan niệm rằng: "Khoáng

vật lμ những hợp chất hóa học tự nhiên (đôi khi lμ những nguyên tố tự nhiên), lμ sản phẩm của các quá trình hoá lý khác nhau xảy ra trong vỏ trái đất Đa số lμ những sản phẩm cứng, có những tính chất hóa học vμ lý học nhất định" Theo Bechechin thì khoáng

vật có thể tồn tại ở cả 3 trạng thái rắn lỏng vμ khí với ví dụ trường hợp của nước hoặc lưu huỳnh tự sinh Trong điều kiện bình thường của vỏ trái đất, ở nhiệt độ dưới 0oC, nước tồn tại ở trạng thái rắn, trong khoảng nhiệt độ từ 0 oC -100 oC, nước tồn tại ở trạng thái lỏng Trong khoảng nhiệt độ từ 0 oC đến 373 oC, nước ở cả trạng thái lỏng vμ khí (hơi), còn ở trên 373 oC, nước tồn tại ở trạng thái hơi

Quan điểm của Bechechin cũng được một số người khác chia sẻ Lazarenco (1963)

định nghĩa khoáng vật: "Các khoáng vật lμ những sản phẩm- hợp chất hoá học tự nhiên

vμ ít gặp hơn lμ các nguyên tố, chúng được thμnh tạo do các quá trình địa chất trong các giai đoạn phát triển khác nhau của vỏ trái đất Đặc trưng của các khoáng vật lμ tính

đồng nhất một cách tương đối của chúng Nó được quyết định bởi thμnh phần hoá học xác định vμ sự phân bố một cách có quy luật của các nguyên tử tương ứng trong cấu trúc"[ ]

Sau đó lμ Hoμng Trọng Mai (1974) cũng\đưa ra khái niệm về khoáng vật: " Khoáng

vật lμ sản phẩm tự nhiên của các quá trình hóa lý vμ các tác dụng địa chất xảy ra trong

vỏ trái đất, có thμnh phần tương đối đồng nhất vμ có những tính chất hóa học, vật lý nhất định" [ ]

Do điều kiện lịch sử, các định nghĩa về khoáng vật nêu trên đều chưa chặt chẽ vμ chưa hoμn chỉnh Khái niệm "hình thμnh trong vỏ trái đất" nhanh chóng tỏ ra lạc hậu vì nhiều khoáng vật đã được phát hiện trong thμnh phần của mặt trăng vμ các thiên thạch qua các công trình nghiên cứu các mẫu đá mang về từ các tμu Apollo (Tμu có người điều khiển) của Mỹ vμ Lunakhod (Xe tự hμnh) của Liên Xô trước đây trong các chương trình nghiên cứu mặt trăng Các bức ảnh truyền về từ các máy thăm dò tự động nghiên cứu sao hoả gần đây đã khẳng định sự tồn tại lớp vỏ cứng (có các khoáng vật) của bề mặt sao Hỏa Ngoμi ra sự tiến bộ của Vật lý thiên văn cho phép phát hiện vô số hệ mặt trời có các hμnh tinh tương tự trái đất trong tương lai rất gần Còn trạng thái lỏng của khoáng vật không thể thoả mãn được yêu cầu "các tính chất vật lý vμ thμnh phần hóa học xác định"

Điều đó đòi hỏi phải có những quan niệm chính xác hơn về khoáng vật

Tóm lại, sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật trong đó có các khoa học

về trái đất đã dẫn đến nhiều thay đổi trong các nhận thức về các vấn đề của địa chất, trong đó có khái niệm về khoáng vật học

Milopxki vμ Corolev (1982) [ ] cho rằng: "Khoáng vật lμ khái niệm để chỉ những

thể kết tinh đồng nhất về mặt hóa lý được hình thμnh do kết quả của các quá trình hoá lý trong tự nhiên"

Quan niệm nμy được chia sẻ bởi các nhμ khoáng vật học người Mỹ L.BeRi, B.Mason,

R.V Đitrich (1982) [ ]: "Khoáng vật lμ một vật thể cứng trong tự nhiên, thường được

thμnh tạo bằng con đường vô cơ, có sự phân bố một cách có trật tự nhất định của các nguyên tử tạo thμnh chúng Thμnh phần hóa học vμ các tính chất vật lý của vật thể nμy không thay đổi hoặc biến đổi trong phạm vi không đáng kể"

Klein vμ Hurlbut (1985) [ ] đã định nghĩa khoáng vật như sau: "Khoáng vật lμ một

vật thể cứng đồng nhất trong tự nhiên có thμnh phần hoá học xác định (nhưng thường không cố định) vμ có phân bố của các nguyên tử (atomic arrangement) theo một trật tự cao (chặt chẽ) Khoáng vật thường được thμnh tạo bởi các quá trình vô cơ

William (1994) [] đã đưa ra định nghĩa về khoáng vật tương đối hoμn chỉnh vμ được

thừa nhận rộng rãi: "Các khoáng vật lμ một phần riêng biệt của vật chất được xác định

như lμ những vật vô cơ ở thể cứng, đồng nhất, được hình thμnh một cách tự nhiên vμ thường có cấu trúc kết tinh Chúng có thμnh phần hóa học vμ các tính chất vật lý cố định trong một giới hạn xác định."

* Năm 1995 ủy ban đặc trách các khoáng vật mới vμ đặt tên cho khoáng vật thuộc hiệp hội khoáng vật quốc tế đã đưa ra định nghĩa về khoáng vật được hầu hết các nhμ khoáng vật học trên thế giới công nhận (Hurlbut, 1997):

Khoáng vật lμ một nguyên tố hoặc một hợp chất thường có dạng kết tinh vμ nó

compound that is normally crystalline and which has been formed as the result of geological proceses"

Theo định nghĩa nμy thì khái niệm lμ kết quả của các quá trình địa chất nêu rõ

khoáng vật lμ các thμnh tạo tự nhiên vμ loại bỏ đối tượng có nguồn gốc nhân tạo

Giới hạn khoáng vật lμ những thể kết tinh đã loại bỏ tất cả các chất lỏng vμ những

thể rắn không có cấu trúc kết tinh cho dù các vật rắn đó giống khoáng vật về mặt hóa học

vμ hình dạng Những loại hình giống khoáng vật đó được gọi lμ dạng khoáng vật

(mineraloids) có hai kiểu: dạng khoáng vật vô định hình như opan tuy ở thể cứng nhưng không bao giờ có cấu trúc kết tinh nhưng có thể được chấp nhận như lμ một khoáng vật

nếu được chứng minh lμ một hợp chất hóa học thực sự vμ một loại khác được gọi lμ biến

tinh (metamic) lμ những vật thể đã có cấu trúc tinh thể khi mới được hình thμnh nhưng

sau đó cấu trúc của chúng bị phá hủy do phóng xạ Điển hình lμ sản phẩm biến tinh khoáng vật zircon.

Khái niệm về khoáng vật của các nhμ khoáng vật học Mỹ-L.BeRi, B.Mason, R.V Ditrich, 1996) tiếp tục phát triển [ ]:

‘Các khoáng vật lμ những sản phẩm- hợp chất hoá học tự nhiên vμ ít gặp hơn lμ các

nguyên tố, chúng được thμnh tạo do các quá trình địa chất trong các giai đoạn phát triển khác nhau của vỏ trái đất Đặc trưng của các khoáng vật lμ tính đồng nhất một cách tương đối của chúng Nó được quyết định bởi thμnh phần hoá học xác định vμ sự phân

bố một cách có quy luật của các nguyên tử tương ứng trong cấu trúc’

Ngoμi ra khái niệm về khoáng vật ngắn gọn vμ xúc tích hơn được Klein C, đưa ra

2002 [ ] cũng được thừa nhận khá rộng rãi ở phương tây:

"Một khoáng vật lμ một vật thể cứng có nguồn gốc tự nhiên có sắp xếp của các nguyên tử (atomic arrangement) theo một trật tự cao (chặt chẽ) vμ có thμnh phần hóa học nhất định (nhưng không cố định) Khoáng vật thường được thμnh tạo bởi các quá trình vô cơ"

* Sau đây chúng ta xêm xét kỹ thêm các khía cạnh trong định nghĩa khoáng vật:

- Thuộc tính thμnh tạo trong tự nhiên (naturally occuring) phân biệt các vật thể

được hình thμnh bởi các quá trình tự nhiên vμ các vật thể được chế tạo trong phòng thí nghiệm Hiện nhiều vật thể tương đương được tổng hợp trong phòng thí nghiệm nên khái niệm khoáng vật ở đây có nghĩa lμ những đối tượng được hình thμnh trong tự nhiên Còn

các đối tượng có thμnh phần vμ cấu trúc tương đương được chế tạo trong phòng thí nghiệm sẽ mang thêm tên “tổng hợp” (synthesis) ngoμi phần tên của khoáng vật tương

đương với nó trong tự nhiên

- Khái niệm khoáng vật lμ một thể cứng đồng nhất có nghĩa lμ khoáng vật lμ một

chất ở thể cứng không thể phân chia một cách cơ học thμnh những tổ phần hoá học đơn giản hơn Tuy vậy khái niệm nμy chỉ lμ tương đối dựa vμo mức độ mμ nó được xác định

Ví dụ một mẫu có thể đồng nhất dưới mắt thường nhưng lại không đồng nhất (mμ được tạo thμnh từ các vật liệu khác nhau) dưới kính hiển vi có độ phóng đại lớn Khái niệm thể cứng để loại trừ trạng thái lỏng hoặc khí Chẳng hạn H2O ở dạng băng hoặc tuyết lμ khoáng vật, nhưng ở thể lỏng (nước) thì không được coi lμ khoáng vật Tương tự lμ thủy ngân lỏng theo định nghĩa khoáng vật học thì không được coi lμ khoáng vật Tuy vậy khi phân loại các vật chất tự nhiên những vật chất giống khoáng vật về mặt thμnh phần hoá học vμ phân bố trong tự nhiên được gọi lμ mineraloids (dạng khoáng vật) vμ thuộc lĩnh vực nghiên cứu của các nhμ khoáng vật học

- Khái niệm thμnh phần hoá học nhất định ngụ ý rằng khoáng vật có thể được biểu diễn bằng công thức hoá học riêng biệt Chẳng hạn thμnh phần hoá học của thạch anh

được biểu diễn bằng SiO2 Do thạch anh không chứa các nguyên tố nμo khác ngoμi Si vμ

O nên công thức của khoáng vật nμy lμ xác định vμ thạch anh được coi lμ một nguyên chất (sạch - pure substance) Tuy vậy đa số khoáng vật không có thμnh phần cố định như vậy Chẳng hạn dolomit (Ca.Mg [CO3]2) không phải bao giờ cũng lμ carbonat Mg-Ca nguyên chất Nó có thể chứa một lượng đáng kể của Fe vμ Mn tại các vị trí của Ca vμ

Mg Do hμm lượng các chất nμy thay đổi nên thμnh phần của dolomit được coi như lμ

thay đổi trong một phạm vi nhất định nhưng không cố định Điều nμy dẫn đến cách thể

hiện công thức của dolomit khái quát hơn lμ Ca (Mg, Fe, Mn) [CO3]2 Ví dụ khác lμ sfalerit (Zn, Cd, Fe, Mn) S có hμm lượng các nguyên tố Fe, Cd, Mn thay đổi từ vμi phần triệu đến vμi phần trăm, thậm chí đến > 10%

- Khái niệm phân bố của các nguyên tử (atomic arrangement) theo một trật tự cao

(chặt chẽ) có nghĩa lμ bộ khung cấu trúc bên trong của các nguyên tử (ion) được sắp xếp

theo một kiểu hình học nhất định Do đó thuộc phạm trù của các vật thể cứng kết tinh nên các khoáng vật thường ở trạng thái kết tinh Những vật thể cứng như thủy tinh không

có sự sắp xếp nguyên tử theo một trật tự nhất định được gọi lμ vô định hình Một số thể cứng tự nhiên ở dạng vô định hình như opal, chúng cũng giống như nước hoặc thuỷ ngân lỏng nhưng các nguyên tử của chúng lại không di chuyển tự do nên được xếp vμo dạng khoáng vật

Theo các định nghĩa truyền thống thì khoáng vật được thμnh tạo bởi các quá trình

vô cơ nhưng hiện nay để chính xác hơn nên dùng cụm từ “thường được thμnh tạo bởi các

quá trình vô cơ” vì rằng trong thực tế có những chất thμnh tạo trong các quá trình hữu cơ

hoμn toμn đáp ứng được các định nghĩa của khoáng vật Chẳng hạn như carbonat canxi trong vỏ hến, sò hoặc ngọc trai có chứa một lượng lớn aragonit lμ một khoáng vật đã xác

định được thμnh tạo trong quá trình vô cơ

Rất nhiều khoáng vật có nguồn gốc sinh vật đã được xác định ngoμi các khoáng vật carbonat như canxit, aragonit, viterit, còn có nhiều khoáng vật khác như opal, manhetit (người ta đã phát hiện trong bộ phân định hướng ở đầu chim bồ câu có những vi tinh thể magnetit rất nhỏ), fluorit, phốt phát, một vμi sunphat, oxit mangan vμ khoáng vật sunphua được lắng đọng bởi các sinh vật Cơ thể con người cũng tạo ra những khoáng vật quan trọng như apatit - Ca5(OH,F) [PO4]3 lμ thμnh phần chính của xương vμ răng Cơ thể cũng có thể sản xuất ra sỏi khoáng (sỏi thận) trong hệ thống tiết niệu Những viên sỏi như vậy chứa chủ yếu lμ phốt phát canxi (apatit, wilockit), phốt phát magiê vμ oxalat canxi rất hiếm gặp trong tự nhiên

Than (có thμnh phần chủ yếu lμ các bon) vμ dầu mỏ (có thμnh phần chủ yếu lμ cácbua hydro) thường được gọi lμ nhiên liệu khoáng nhưng không được coi lμ khoáng vật vì cho dù chúng được thμnh tạo trong tự nhiên nhưng không có cả thμnh phần hoá học cố

định lẫn sắp xếp các nguyên tử theo một trật tự Trái lại graphit có thμnh phần chủ yếu lμ cacbon vμ pharaphin có thμnh phần chủ yếu lμ cabua hydro có trong dầu mỏ lại được coi

lμ khoáng vật do có thμnh phần hóa học cố định vμ có cấu trúc kết tinh

Khoáng vật học lμ một môn khoa học nghiên cứu các khoáng vật Nó không chỉ nghiên cứu bản thân các khoáng vật mμ còn nghiên cứu các quá trình thμnh tạo vμ biến

đổi chúng Khoáng vật học còn nghiên cứu các lĩnh vực chế biến vμ sử dụng khoáng vật phục vụ cho các nhu cầu của con người

1.2.2.2 Đặt tên các khoáng vật

Đa số các khoáng vật được phân loại trên cơ sở sự có mặt của tổ phần hoá học chính (một anion hay anion phức) thμnh các oxit, sunphua, silicat, carbonat, phốt phát v.v Điều nμy rất thuận lợi bởi vì đa số khoáng vật chỉ chứa một anion chính Tuy vậy việc đặt tên khoáng vật không chỉ dựa vμo hệ thống thμnh phần hoá học như vậy

Việc mô tả vμ xác định cẩn thận tên khoáng vật đòi hỏi phải có những kỹ thuật đặc biệt như phân tích hóa học, đo các tính chất vật lý, trong số đó lμ tỷ trọng riêng, các tính chất quang học, các thông số Rơnghen Tuy vậy tên của khoáng vật lại không liên quan

đến các phương pháp khoa học như vậy Khoáng vật có thể được đặt tên theo một số tính chất vật lý hay đặc tính hóa học, cũng có thể được đặt tên theo địa danh hoặc các nhân vật nổi tiếng, các nhμ khoáng vật học hoặc theo một cái giμ đó được coi lμ phù hợp Chẳng hạn:

Anbit Na[AlSi3O8] theo tiếng Latin allbus (trắng) tương tự với mμu khoáng vật nμy

Rodonit Mn SiO3 gọi tên theo tiếng Hy Lạp rhodon có nghĩa lμ hồng

Cromit FeCr2O4 được đặt theo sự có mặt một khối lượng lớn Cr trong đó

Magnetit Fe3O4 được đặt theo tính chất có từ tính (magnetic) của khoáng vật nμy Frankilinit ZnFe2O4 được đặt tên theo địa danh Franklin, nơi có nhiều khoáng vật kẽm nμy

Silimanit Al Si2O5 được đặt tên theo Giáo sư Benjamin Siliman của trường đại học Yale (1779-1864)

Số lượng các khoáng vật mới được phát hiện có xu hướng tăng cấp số nhân theo thời gian Cho đến nay đã có khoảng hơn 4000 loại khoáng vật được phát hiện (hình A.11)

Hình A.11: Số lượng các khoáng vật được phát hiện vμ đặt tên qua các thời vμ những mốc

quan trọng trong nghiên cứu khoáng vật (theo William, 1994) Hiện có uỷ ban quốc tế về các khoáng vật mới vμ tên các khoáng vật mới của hội

cân nhắc các tên khoáng vật mới cũng như các đặc điểm khoa học của khoáng vật mới

được phát hiện

Từ điển giải thích các loại khoáng vật của Micheal Fleischer xuất bản năm 1992 đã

liệt kê khoảng 3600 tên khoáng vật vμ trong bμi giảng nμy các khoáng vật sẽ được gọi tên theo từ điển nμy

A.2 Lịch sử phát triển của tinh thể học vμ khoáng vật học

Có thể khẳng định rằng không thể kể hết được sự phát triển của tinh thể học vμ khoáng vật học trong phạm vi một vμi trang nhưng ở đây chúng tôi cũng cố gắng điểm những mốc chính trong quá trình phát triển của nó

Mặc dù Tinh thể học vμ Khoáng vật học xuất hiện như lμ một khoa học thực sự khá muộn nhưng thực tế của tinh thể học vμ khoáng vật học cũng cổ như nền văn minh của nhân loại Các phẩm mμu tự nhiên lμm từ hematit vμ oxit mangan trong các tranh vẽ trong hang động bởi người tiền sử vμ các công cụ đá lửa đã lμ những vật sở hữu có giá trị trong thời kỳ đồ đá ở Việt Nam, các công cụ bằng đá cũng được tìm thấy ở Núi Đọ (Thanh Hóa) có tuổi khoảng 600.000 năm Các bộ đμn đá được tìm thấy ở Tây Nguyên

vμ Nam Trung bộ Hiện ở Công Tum mới tìm thấy rất nhiều dụng cụ bằng đá chưa xác

định chính xác tuổi, theo các đặc điểm chế tác vμ hình thái nhiều người xếp các dụng cụ

đá nμy được chết tác vμ cuối thời kỳ đồ đá mới (5000 đến7000 năm trước đây) Theo những kết quả khảo cổ học cho biết: người Việt cổ đã biết dùng đồ trang sức bằng đá (ngọc) vμ kim loại từ khoảng 3-4000 năm trước đây (có một số vòng hoặc nhẫn ngọc có thể được đưa từ khu vực Miến Điện hoặc Vân Nam Trung Quốc đến) Các công cụ bằng

đồng (tên, giáo) tìm thấy ở Cổ Loa (Hình A.12 a) vμ đặc biệt lμ các trống đồng có tuổi từ 2000-4000 năm thể hiện ngay từ thời văn minh Âu-Lạc cha ông ta đã có kỹ thuật luyện kim khá hiện đại trên cơ sở có những hiểu biết nhất định về tinh thể vμ khoáng vật Trên thế giới, các ngôi mộ được trang hoμng bằng những bức tranh ở thung lũng Sông Nin có chứa các mặt nạ (hình A.12b), các vương miện cũng như đồ trang sức kèm theo đã chứng

tỏ các thợ thủ công ở Ai Cập đã biết dùng malachit vμ kim loại quý, biết nấu chảy các quặng vμ chế tác các đá quý tinh xảo từ lapi lazuri vμ emơrôt vμ đã biết dùng các loại ngọc quý như xaphia, ruby… từ rất sớm Từ thời kỳ đồ đá chuyển sang thời kỳ đồ đồng, nhiều khoáng vật khác đã được tìm kiếm để lấy kim loại vμ các loại đá để lμm công cụ cũng như đồ trang sức Tiếp đó lμ thời kỳ đồ sắt, con người đã có những bước tiến khổng

lồ trên con đường sử dụng tμi nguyên khoáng sản để phục vụ các nhu cầu của mình Người đầu tiên viết công trình mô tả các loại tinh thể vμ khoáng vật lμ nhμ triết học

Hy Lạp Theophratus (372-287 trước Công Nguyên) Sau đó 400 năm Pliny đã mô tả các khoáng vật trong thời kỳ đó Thời kỳ 1300 năm tiếp sau đó ít có công trình xuất bản về khoáng vật có chứa những thông tin có giá trị

Một sự kiện được coi lμ dấu hiệu của sự xuất hiện tinh thể vμ khoáng vật học như lμ

một khoa học thực thụ lμ việc xuất bản cuốn De Re Metallica của triết gia người Đức

Georgius Agricola Cuốn sách nμy đóng góp đáng kể vμo thực tế ngμnh mỏ vμ khoáng sản

Năm 1669 Nicolas Steno đã có những đóng góp quan trọng qua việc nghiên cứu tinh thể thạch anh Ông lưu ý rằng dù thạch anh có hình dạng kích thước vμ nguồn gốc khác nhau nhưng góc giữa các mặt tương ứng lμ một hằng số

Hơn một thế kỷ sau, vμo năm 1780 Carangeot phát minh ra dụng cụ giác kế tiếp xúc

để đo góc giữa các mặt tinh thể vμ sau đó (1783) Romé de l’Isle đưa ra định luật bảo toμn góc giữa các mặt

Năm 1784 Hauy chứng minh rằng các tinh thể được tạo nên bởi sự xếp chặt các

khối nhỏ nhất định được ông gọi lμ các phần tử hợp thμnh Hầu hết các khía cạnh của

khái niệm “phần tử hợp thμnh” vẫn tồn tại theo đúng nghĩa của nó trong ô mạng cơ sở của tinh thể học hiện đại

Đầu thế kỷ 19 khoáng vật học phát triển rất nhanh Năm 1800 Volaston phát minh

ra giác kế phản xạ đo rất chính xác góc giữa các mặt tinh thể Loại nμy cho phép đo được với độ chính xác rất cao góc giữa các mặt của tinh thể vμ đưa tinh thể học thμnh một khoa học chính xác

a: Cột sắt ở ấn độ được đúc vμo thế kỷ V b : Mặt nạ bằng vμng vμ đá quý của vua xứ Ai cập cổ

i: Khuyên đeo tai của người Việt Cổ

Hình A12 Một số vật dụng vμ công trình vμ vật dụng của người cổ đưụơc lμm từ các

khoáng chất

Trong các năm từ 1779-1848 nhμ hóa học Thụy Điển Berzelius vμ các học trò của

ông đã nghiên cứu thμnh phần hoá học của khoáng vật vμ phát triển nguyên tắc phân loại theo thμnh phần hoá học mμ chúng ta đang sử dụng ngμy nay

Năm 1815 nhμ tự nhiên học người Pháp Cordier-người đã được lưu danh bằng tên khoáng vật cordierit đã đưa kính hiển vi của ông soi vμo các mảnh khoáng vật trong nước

vμ đã tạo ra phương pháp nhúng cùng những người khác Phương pháp nμy hơn một thế

kỷ sau trở thμnh một phương pháp quan trọng để nghiên cứu các tính chất quang học của các mảnh khoáng vật Công dụng của kính hiển vi được mở rộng đáng kể nhờ phát minh

ra dụng cụ phân cực của William Nicol - nhμ bác học người Scotland Đây lμ một công

cụ rất hữu ích để nghiên cứu tinh thể vμ khoáng vật

Nửa cuối thế kỷ 19, Fedorov, Schoenflies vμ Barlow đã đồng thời phát triển lý thuyết đối xứng vμ trật tự bên trong của tinh thể khoáng vật một cách độc lập với nhau vμ

đó lμ cơ sở cho các công trình tinh thể học Rơnghen về sau Các khám phá nμy còn được

bổ xung bằng các công trình của Max Von Lauer người Đức Theo ý kiến của Lauer, Friedric vμ Knipping đã chứng minh rằng các tinh thể có thể lμm nhiễu xạ tia Rơnghen

Điều đó lần đầu tiên chứng minh được sự sắp xếp trật tự vμ có quy luật của các nguyên tử trong vật chất kết tinh Ngay lập tức tia X trở thμnh công cụ hùng mạnh để nghiên cứu tinh thể khoáng vật vμ các chất kết tinh khác

Năm 1914 những cấu trúc tinh thể đầu tiên được xác định đã được W H Bragg vμ

W L Bragg công bố Các thiết bị nhiễu xạ Rơnghen hiện đại có trang bị kèm máy tính

có khả năng xác định rất nhanh các cấu trúc phức tạp Sự phát minh ra máy phân tích microzonde (microprobe) vμo đầu những năm sáu mươi để nghiên cứu vi mô thμnh phần khoáng vật đã cung cấp một phương tiện nghiên cứu hùng mạnh khác để nghiên cứu thμnh phần tinh thể khoáng vật vμ các chất kết tinh, các vật thể cứng khác

Từ đầu những năm bẩy mươi kính hiển vi điện tử (nhiễu xạ vμ truyền qua) ra đời đã cho phép phóng đại hμng triệu lần cấu trúc nguyên tử của tinh thể khoáng vật, đã cho thấy rõ các khuyết tật hoặc sự hoμn hảo của cấu trúc mạng tinh thể khoáng vật

Ngμy nay Tinh thể học vμ Khoáng vật học bao gồm các nguyên lý của tinh thể học, hóa tinh thể vμ vật lý tinh thể vμ liên quan chặt chẽ đến các lĩnh vực khác của địa chất học Các khoáng vật được nghiên cứu trên cơ sở các đặc trưưng về nguồn gốc: hình dạng, thμnh phần hóa học vμ năng lượng Trong đó hình dạng được nghiên cứu thông qua tính

đối xứng vμ tinh thể học Thμnh phần hóa học được lμm rõ qua việc nghiên cứu hóa tinh thể vμ sự khác biệt về thμnh phần của các khoáng vật Việc nghiên cứu tính bền vững của khoáng vật vμ các phản ứng của khoáng vật sẽ cho thấy đặc tính về năng lượng của khoáng vật

Tóm lại Tinh thể học vμ Khoáng vật học ngμy nay kết hợp chặt chẽ các lĩnh vực rộng lớn bao gồm nhiễu xạ Rơnghen, điện tử, nơtron, các khoáng vật tổng hợp, vật lý tinh thể, sự đánh giá độ ổn định nhiệt động của khoáng vật, thạch học mô tả, thạch luận, các lĩnh vực luyện kim vμ gốm được dùng trong các lĩnh vực từ môi trường đến xây dựng, điện tử, hμng không vũ trụ

A.3 ý nghĩa kinh tế của tinh thể - khoáng vật vμ quan hệ với các ngμnh khoa học khác

A.3.1 Tầm quan trọng của tinh thể khoáng vật

Ngay từ thuở ban đầu, các tinh thể khoáng vật đã đóng vai trò rất quan trọng trong kiểu sống vμ mức sống của loμi người Qua mỗi thể kỷ, tầm quan trọng đó lại được tăng lên vμ ngμy nay chúng ta không thể tính được hết tầm quan trọng của tinh thể khoáng vật Từ xây dựng các nhμ chọc trời đến sản xuất ti vi, tất cả đều dựa trên các vật liệu hay nguyên liệu khoáng Nền văn minh hiện đại dựa trên nhu cầu sử dụng khối lượng khổng

lồ các khoáng vật Một số ít khoáng vật vμ tinh thể như thạch anh, canxit, tan, atbet, lưu huỳnh được sử dụng nguyên dạng được khai thác từ lòng đất, nhưng đa số các khoáng

vật trước hết được chế biến để lấy những chất có thể sử dụng được Một số sản phẩm quen thuộc lμ gạch, kính, xi măng vμ các kim loại cơ bản từ sắt đến vμng có cấu trúc kết tinh hoặc vô định hình Hiện nay công nghiệp khai khoáng lμ một tổ phần quan trọng của nền kinh tế nhiều nước trên thế giơí Nhiều quốc gia có nền công nghiệp khai khoáng

đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân như Nam Phi, Công Gô, Daia, Bờ biển Ngμ, Australia, New Caledoni

Để minh hoạ ý nghĩa của khoáng vật học, ta có thể xem xét ví dụ tại nước Mỹ, con người tiêu thụ nguyên liệu khoáng như thế nμo: theo số liệu của cơ quan quản lý ngμnh

Mỏ của Mỹ (Geotimes, 1989), hμng năm mỗi người Mỹ tiêu thụ 40.000 pound (1 pound

= 0,4536 kg) nguyên liệu khoáng mới (không tính số lượng tái chế) Cụ thể từ khi sinh ra

đến cuối đời, mỗi đứa trẻ tiêu thụ trong đời mình khoảng 795 pound chì (dùng trong ac qui xe hơi vμ các đồ điện), 757 pound kẽm (trong các hợp kim đồng thau, hoặc mạ sắt thép, dùng trong chất độn cao su vμ trong sơn), 1500 pound đồng (trong máy phát điện, mô tơ điện, thiết bị viễn thông vμ dây dẫn), 3593 pound nhôm dùng cho nhiều mục đích chẳng hạn như vỏ đồ hộp, ghế ngồi, máy bay, khung cửa…, 32.700 thép chuyên dùng như đồ nhμ bếp, phụ tùng tμu biển, ô tô vμ các toμ nhμ lớn…, 28.213 pound muối, 1.238.101 pound đá xây dựng, sỏi cuội vμ xi măng… Ngoμi ra còn nhiều nguồn nguyên liệu khoáng khác nữa

Trên đất nước Việt Nam ngμnh khai mỏ đã có từ hμng ngμn năm trước với những

mỏ vμng tại nhiều địa phương, mỏ than ở khu vực Quảng Ninh, mỏ chì ở Bắc Thái, mỏ Bạc ở Ngân Sơn (Bắc Kạn), mỏ đồng ở Tụ Long (gần Lao Cai, hiện nay nằm trong lãnh thổ Trung Quốc) đến khi thực dân Pháp xâm chiếm nước ta, với chính sách bóc lột vμ khai thác các thuộc địa, chúng đã tăng cường khai thác mỏ để vơ vét tμi nguyên khoáng sản của nước ta Sản lượng khai thác than tăng lên nhanh chóng dưới thời thuộc Pháp Các mỏ vμng được mở ra ở Bồng Miêu (Quảng Nam), Pắc Lạng (Bắc Cạn), các mỏ chì kẽm được khai thác ở Chợ Điền (Bắc Cạn), Lang Hít (Thái Nguyên ), antimon ở Chiêm Hóa (Tuyên Quang), graphit ở Yên Bái, Lμo Cai Phát xít Nhật tuy chiếm đóng Đông Dương trong một thời gian ngắn ngủi (1940-1945) nhưng cũng tăng cường vơ vét tμi nguyên để phục vụ cho chính quốc Các mỏ than vμ mỏ quặng đồng, sắt, antimon, mica

được khai thác tại nhiều nơi để phục vụ cho cỗ máy chiến tranh của chúng Trong thời gian toμn quốc kháng chiến chống thực dân Pháp, một số mỏ vẫn được khai thác phục vụ cho các nhu cầu dân sinh vμ của kháng chiến Cuộc kháng chiến chống Pháp thắng lợi, hoμ bình được lập lại ở miền Bắc, các mỏ than được khôi phục vμ mở rộng khai thác Các

mỏ quặng sắt, vật liệu xây dựng, nguyên liệu phân bón, hóa chất được mở ra ở nhiều nơi Nguyên liệu khoáng đã trở thμnh một nhân tố quan trọng để phát triển đất nước Việc nghiên cứu tinh thể vμ khoáng vật quặng được đẩy mạnh nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho các công tác tìm kiếm, thăm dò, khai thác vμ chế biến các loại tμi nguyên khoáng sản Hiện nay trên đất nước ta đã có các bộ môn nghiên cứu về tinh thể-khoáng vật được thμnh lập ở các trường đại học, viện nghiên cứu Địa chất vμ Khoáng sản vμ nhiều phòng thí nghiệm, nhiều cơ quan đang nghiên cứu các khía cạnh khác nhau của tinh thể-khoáng vật như các phòng thí nghiệm nghiên cứu về vật lý chất rắn vμ về vật liệu mới, về vật liệu xây dựng vμ luyện kim của các trường đại học, các Trung tâm nghiên cứu Hμng ngμy chúng ta đang khai thác, sử dụng vμ chế biến nhiều loại tμi nguyên khoáng sản như sét gạch ngói, kaolin, than đá, đá vôi, dolomit, phụ gia xi măng vμ các quặng khác như cromit, thiếc, chì, kẽm, antimon, đồng, vμng, đá quý nhằm phục vụ cho các nhu cầu trong nước vμ xuất khẩu (bảng A.1)

Bảng A.1 Sản lượng khai thác một số loại khoáng sản trên lãnh thổ Việt Nam trong những năm gần đây

Nguồn: Niên giám thống kê 1990-1999; * Số liệu năm 1995

Lưu ý rằng các số liệu trên cách đây hơn 10 năm Từ năm 2005 trở lại đây, cùng với cơn sốt nguyên liệu khoáng của thế giới, sản lượng khai thác nhiều loại khoáng sản ở nước ta đã tăng vọt Trong số các khoáng vật người ta phân ra hai phạm trù lớn: Các

khoáng vật quặng dùng để sản xuất ra các nguyên tố kim loại (các nguyên tố tự sinh, các

sunphua, một số oxyt, vμ khoáng vật phi quặng được dùng để sản xuất các vật liệu

không kim loại như chất cách điện, vật liệu chịu lửa, sμnh sứ, thủy tinh, bột mμi, ximăng, phân khoáng vμ cả những chất trợ dung trong luyện kim) Gần đây người ta đưa ra khái niệm khoáng chất công nghiệp "Industrial Materials" để chỉ các vật liệu (khoáng chất) có thể sử dụng trực tiếp cho các ngμnh công nghiệp khác nhau mμ không phải qua một khâu sơ chế hay chế biến trung gian nμo Ngoμi ra còn có một khái niệm khác lμ "Khoáng vật công nghiệp" bao gồm các khoáng vật trong cả hai phạm trù trên Cần lưu ý rằng thuật ngữ "Quặng" hiện còn rất nhiều tranh cãi Một số đưa ý nghĩa kinh tế vμo trong thuật ngữ nμy, khoáng vật không được gọi lμ quặng nếu nó không được khai thác ở những mỏ có sinh lợi nhuận Một số khác bỏ qua khía cạnh kinh tế của quặng Tuy nhiên đa số các nhμ nghiên cứu sử dụng thuật ngữ khoáng vật quặng như một thuật ngữ phân loại Còn các thuật ngữ quặng vμ mỏ quặng chỉ được sử dụng trong những trường hợp khi những khoáng vật vμ khoáng sμng đó về nguyên tắc có thể có lợi nhuận ở quy mô công nghiệp

Như vậy một khoáng vật có thể được xem như quặng ở khoáng sμng nμy nhưng lại không

được coi lμ quặng ở các khoáng sμng khác

A.3.2 Quan hệ của tinh thể khoáng vật với các ngμnh khoa học khác

Tinh thể học vμ Khoáng vật học liên quan tới nhiều ngμnh khoa học khác nhau:

- Các khoa học cơ bản: Toán, Hoá vô cơ, Hóa hữu cơ, Hoá lý, Hoá keo

- Các khoa học ứng dụng: các loại máy móc, phương tiện kỹ thuật để phân tích

- Các khoa học chuyên ngμnh: địa chất học, địa hoá học, khoáng sμng, thạch học Ngoμi ra khoáng vật học giúp ích rất nhiều cho các ngμnh kinh tế khác nhau như khai thác chế biến ngμnh kinh tế khác như khai thác chế biến khoáng sản, xây dựng, thuỷ lợi, thổ nhưỡng (xem hình A.13, A.14)

Hình A.14: Khái quát mối quan hệ giữa tinh thể học vμ khoáng vật học

Tóm lại Khoáng vật học ngμy nay kết hợp chặt chẽ các lĩnh vực rộng lớn bao gồm nhiễu xạ Rơnghen, điện tử, nơtron, các khoáng vật tổng hợp, vật lý tinh thể, sự đánh giá

độ ổn định nhiệt động của khoáng vật, thạch học mô tả, thạch luận, thạch học thực nghiệm, các lĩnh vực luyện kim vμ gốm được dùng trong các lĩnh vực xây dựng, điện tử, hμng không vũ trụ Khoáng vật học liên quan tới nhiều ngμnh khoa học khác:

- Các khoa học cơ bản: Toán, Hoá vô cơ, Hữu cơ, Hoá lý, Hoá keo

- Các khoa học ứng dụng: Vật lý ứng dụng, các loại máy móc, phương tiện kỹ thuật dùng để phân tích

- Các khoa học chuyên ngμnh: Tinh thể học, địa chất học, địa hoá học, khoáng sμng, thạch học

Ngoμi ra khoáng vật học giúp ích rất nhiều cho các ngμnh kinh tế khác nhau như khai thác chế biến ngμnh kinh tế khác như khai thác chế biến khoáng sản, xây dựng, thuỷ lợi, thổ nhưỡng

Khoáng vật học

Hóa tinh thể

Phân loại Khoáng vật

Tinh thể học

Khoáng vật học mô tả

Khoáng vật học nguồn ố

để theo đuổi việc nghiên cứu trong địa chất kinh tế khoáng sản (Economic Geology) Trong các ngμnh Địa chất ứng dụng nh− địa chất công trình, việc hiểu biết về khoáng vật học sẽ lμ cơ sở cho việc đánh giá chính xác các tính chất cơ lý của đất đá cũng nh− các hiện t−ợng trong tự nhiên có liên quan (sụt lún, tr−ợt lở, bùng nền…) Tất cả các úng dụng nμy chúng ta sẽ có điều kiện nghiên cứu chi tiết hơn trong phần khoáng vật học ứng dụng

Vật lý, hóa học Tinh thể học

Kh vật học

Thạch học Sinh khoáng

Địa chất cấu tạo, kiến tạo

Nguyên tử, ion,

phân tử

Tinh khoáng vật

thể-Đá, quặng Trái đất

Nông nghiệp

Lâm nghiệp

Xây dựng, thủy lợi, giao thông

Khai thác Tuyển

mỏ-Các ngμnh kinh tế-Xã hội

Thiên văn học

Vũ trụ

1.1.1.2 Mặt đối xứng (ký hiệu lμ P)

Mặt đối xứng lμ mặt phẳng chia hình ra lμm hai phần bằng nhau mμ phần nọ lμ

ảnh của phần kia qua gương đặc trùng với mặt đối xứng đó Hình 1.2 vẽ một hình chữ nhật ABCD Hình chữ nhật nμy chỉ có hai mặt đối xứng lμ P1 vμ P2 (vuông góc với mặt phẳng hình vẽ) Mặt Q qua AC cũng chia hình chữ nhật ABCD ra lμm hai phần bằng nhau nhưng không phải lμ mặt đối xứng, vì hai phần đã chia (ABCD vμ ADC) không phải lμ ảnh của nhau qua mặt gương đặt trùng với Q: điểm đối xứng của D qua Q lại lμ E Vậy đó lμ mặt đối xứng của tứ giác ADCE

Hình 1.1: Biểu diễn Tâm đối xứng Hình 1.2: Biểu diễn Mặt đối xứng

1.1.1.3 Trục đối xứng (ký hiệu lμ Ln, n được gọi lμ bậc của trục)

Trục đối xứng lμ một đường thẳng tưởng tượng ở trong hình nμo đó mμ khi ta xoay xung quanh đường thẳng đó một góc 360/n thì hình sẽ lặp lại vị trí cũ trong không gian Góc nhỏ nhất (góc α) mμ khi xoay hình quanh trục đối xứng một góc bằng góc đó hình lặp lại vị trí cũ trong không gian gọi lμ góc quay cơ sở (hay góc quay nguyên tố) Định lý: Góc quay cơ sở (góc quay nguyên tố) luôn chứa một số nguyên lần trong

3600

ta cũng nhận thấy rằng vuông góc với các tiết diện hình thoi (hoặc elip), tam giác đều, hình vuông, hình sáu cạnh đều, hình tròn sẽ lμ các trục đối xứng bậc hai (L2), bậc ba (L3), bậc bốn (L4) bậc sáu (L6) bậc vô cùng (L∞) (hình 1.3) Nhưng trong tinh thể số trục

Hình 1.4: Chứng minh trong tinh thể không có trục bậc 5

Kẻ một đường thẳng qua A1 vμ A2 ta được một chuỗi mạng có thông số bằng khoảng cách giữa A1 vμ A2 (a), qua A3 kẻ một đường thẳng // với A1 A2, được 1 chuỗi nữa có cung thông số với chuỗi A1 vμ A2 (a) Trên chuỗi nμy ở hai bên nút A3 phải có hai

nút Ax vμ Ay cách A3 một khoảng a Ta thấy rằng nút Ax nằm trên giao tuyến của đường

A1 Ax song song với đường A2A3 cắt đường A3A5 (chắn các cung bằng nhau của đường tròn), do đó Ax gần trục L5 hơn so với A3 vμ A5 điều nμy trái với giả thiết ban đầu Do đó trong thực tế không thể có trục đối xứng bậc 5 Chứng minh tương tự đối với trục bậc >

6

1.1.1.4 Trục đối xứng nghịch đảo (ký hiệu lμ Lin, trong đó n luôn lμ số nguyên)

Trục đối xứng nghịch đảo (gọi tắt lμ trục nghịch đảo) lμ một đường thẳng mμ sau khi xoay hình quanh nó đi qua một góc nμo đó (bằng

n

360

) rồi cho đối xứng qua điểm chính giữa của hình, hình trở lại vị trí cũ trong không gian Ví dụ về tinh thể có trục nghịch đảo bậc 4 được minh hoạ ở hình 1.5 Tại đây biểu diễn một hình bốn mặt ABCD Mỗi mặt của hình lμ một tam giác cân với cạnh đáy lμ AB hoặc CD chính lμ trục nghịch đảo bậc bốn Li4 Thật vậy, nếu ta xoay hình quanh trục nμo một góc 900 hình sẽ sang vị trí mới

A1B1C1D1 Bây giờ cho hình đối xứng qua điểm 0 (nghịch đảo: giống như đối xứng qua tâm) trung tâm của hình Các điểm A1, B1, C1, D1 theo thứ tự sẽ rời đến các điểm D, C, A

vμ B Nghĩa lμ hình trở lại vị trí ban đầu trong không gian

Hình 1.5: Trục nghịch đảo bậc 4 trong tinh thể Hình 1.6: Trục nghich đảo bậc 6

Trong hình 1.6 minh họa cho thí dụ về trục nghịch đảo bậc sáu (Li6), ta có thể quan sát thấy một đa diện có dạng một lăng trực thẳng với hai đáy lμ những tam giác đều có chứa một trục Li6 (trùng với trục của đa diện) Nếu xoay hình quanh trục một góc 600 rồi cho đối xứng qua tâm điểm 0 hình sẽ lặp lại vị trí ban đầu trong không gian: các điểm ABCDEGH, sau phép xoay vị trí A1 B1 cho các vị trí mới nμy đối xứng qua tâm 0 sẽ

được các vị trí cũ HE Trong một mạng tinh thể có Li6 mỗi hạt vật Vì ta có trục xoáy với n = 1,2,3,4 vμ 6 nên ta cũng có các trục Li1, Li2, Li3, Li4, Li6 Tuy nhiên ta dễ dμng thấy rằng trục nghịch đảo bậc một Li1 thực chất lμ tâm đối xứng C, trục Li2 thực chất lμ mặt đối xứng P ở vị trí vuông góc với mặt nμy, Li3 thực chất lμ L3C, còn Li6 lμ trục L3 vμ mặt đối xứng P vuông góc với trục L3 đó: khi đó Li1=C, Li2= P, Li3= L3C, Li6= L3P (trong đó L3⊥ P) Chỉ có trục Li4 lμ không thể thay bằng một hoặc một cặp yếu tố đối xứng nμo mμ ta đã biết ở trên (tâm C, mặt P, trục Ln)

Cần lưu ý: trùng với trục Li4 luôn lμ trục L2, trùng với trục Li6 luôn lμ trục L3

1.1.2 Các định lý về tổ hợp các yếu tố đối xứng

a-Định lý I:

Giao tuyến của hai mặt phẳng đối xứng bao giờ cũng lμ một trục đối xứng Trục nμy có góc quay cơ sở bằng hai lần góc tạo bởi hai mặt vμ tác dụng bằng tổng tác dụng

Định lý nμy được minh hoạ bằng hình vẽ ở hình 2.8 Trên hình 2.8, P1 vμ P2 lμ hai mặt đối xứng Chúng cắt nhau theo trục 0 (vuông góc với mặt hình vẽ) vμ lμm với nhau một góc α Phần tử A2 suy được từ phần tử A1 qua tác dụng lần lượt của P1 rồi P2 A2cũng suy ra được từ A1 bằng phép xoay A1 quanh trục 0 một góc bằng 2α

b- Định lý II:

Trong một đa diện tinh thể nếu có hai trong ba yếu tố đối xứng sau:

- Tâm đối xứng C

- Mặt đối xứng P Thì phải có nốt yếu tố thứ ba

- Trục đối xứng bậc chẵn L2n vuông góc với P

Phương đơn lμ phương đặc biệt ở trong hình mμ khi ta cho tác dụng qua các yếu tố

đối xứng có trong hình đó phương vẫn không bị thay đổi Ngược lại gọi lμ phương cân

Trong tinh thể học người ta chia ra lμm bảy hệ tinh thể khác nhau thuộc ba hạng như sau:

1.1.4.1 Hạng thấp:

Gồm ba hệ tinh thể: 3 nghiêng, một nghiêng vμ hệ thoi

a Hệ ba nghiêng:

Các tinh thể thuộc hệ ba nghiêng chỉ có tâm đối xứng C, chưa có mặt đối xứng vμ trục đối xứng (xem bảng 1.1)

Tất cả các phương đi qua tâm C đều lμ phương đơn

b Hệ một nghiêng:

Các tinh thể thuộc hệ một nghiêng có một trong ba lớp đối xứng P, L2 vμ L2PC Chúng có rất nhiều phương đơn Trong đó một phương đơn trùng với trục bậc hai (L2) hoặc vuông góc với mặt đối xứng, những phương còn lại nằm trong mặt đối xứng hoặc trong mặt phẳng vuông góc với L2

c Hệ trực thoi:

Các tinh thể thuộc hệ trục thoi có một trong ba lớp đối xứng L22P, 3L2 vμ 3L2PC Chúng có ba phương đơn trùng với ba trục bậc hai (3E = 3L2) hoặc pháp tuyến của các mặt đối xứng

1.1.4.2 Hạng trung:

Gồm ba hệ tinh thể: 3 phương, 4 phương vμ 6 phương

d Hệ ba phương: Trong các lớp đối xứng của các tinh thể thuộc hệ ba phương luôn luôn

có một trục đối xứng bậc ba (L3) vμ các tinh thể thuộc hệ nμy chỉ có một phương đơn trùng với trục bậc ba đó (1E = L3)

e Hệ bốn phương: Trong các lớp đối xứng của các tinh thể thuộc hệ bốn phương luôn luôn có một trục đối xứng bậc bốn (L4) hoặc trục đối xứng nghịch đảo bậc bốn (Li4) vμ các tinh thể thuộc hệ nμy chỉ có một phương đơn trùng với L4 hoặc Li4 (1E = Li4 hoặc L4)

g Hệ sáu phương: Trong các lớp đối xứng của các tinh thể thuộc hệ sáu phương luôn luôn có một trục đối xứng bậc sáu (L3) hoặc một trục đối xứng nghịch đảo bậc sáu (Li6); các tinh thể thuộc hệ nμy cũng chỉ có một phương đơn trùng với L6 hoặc Li6 (1E = L6hoặc Li6)

1.1.4.3 Hạng cao

Chỉ có một hệ tinh thể đó lμ hệ lập phương

Trong các lớp đối xứng thuộc hệ lập phương luôn tồn tại bốn trục đối xứng bậc ba (4L3) , có thể có 3 trục đối xứng bậc 4 hoặc bậc 2 vuông góc vói nhau vμ không có phương đơn

1.1.5 Hình đơn vμ hình ghép

Trong tinh thể khi nghiên cứu các đặc điểm đối xứng của tinh thể thông qua các yếu

tố đối xứng, Qua các yếu tố đối xứng nμy đã xác lập được các lớp đối xứng của tinh thể

vμ hạng đối xứng của chúng Tuy vậy thực tế khi nghiên cứu tính đối xứng của tinh thể vẫn còn nhiều vấn đề cần phải giải đáp, chẳng hạn tính đa dạng trong hình dạng bên ngoμi của tinh thể cùng chứa các yếu tố đối xứng như nhau Ví dụ có ba đa diện hình học

có hình dạng bên ngoμi khác hẳn nhau: hình lập phương, hình tám mặt, hình mười hai mặt thoi (hình 1.7) Khi xác định các yếu tố đối xứng của ba hình nμy ta thấy chúng thuộc cùng một lớp đối xứng 3L44L36L2PC Qua thí dụ nμy ta thấy rằng, khi mô tả một

đa diện tinh thể mμ chỉ xác định các yếu tố đối xứng không thôi thì chưa đủ, chúng ta cần phải chú ý đến cả hình dạng bên ngoμi của chúng Để giải quyết vấn đề nμy chúng ta

sẽ xem xét khái niệm hình đơn vμ hình ghép trong tinh thể

_25

Hình 1.7: Các hình lập phương, bát diện vμ hình 12 mặt thoi có chung một lớp đối xứng

1.1.5.1 Khái niệm

Hình đơn trong tinh thể lμ một hình mμ từ một mặt cho trước của nó có thể suy ra

các mặt còn lại nhờ các yếu tố đối xứng có trong tinh thể đó

Hình tám mặt thể hiện ở hình 1.8 lμ một hình đơn Nó thuộc lớp đối xứng

3L44L36L29PC Từ mặt 1, nếu cho quay xung quanh trục L4 thẳng đứng ta sẽ suy ra được

các mặt 2, 3, 4, sau đó cho các mặt 1, 2, 3, 4 phản chiếu qua mặt phẳng đối xứng nằm

Như vậy các mặt của một hình đơn phải giống nhau về hình dạng, kích thước cũng

như các tính chất vật lý, hóa học, ngược lại, các mặt thuộc các hình đơn khác nhau của

một hình ghép sẽ khác nhau về hình dạng kích thước vμ các tính chất khác Dễ dμng thấy

rằng, trên một hình ghép có bao nhiêu loại mặt khác nhau sẽ có bấy nhiêu hình đơn khác

1.1.5.2 Tên gọi 47 hình đơn

Như trên đã nói, cùng một lớp đối xứng có thể có nhiều hình đơn khác nhau Trong tinh thể học, dựa vμo lý thuyết toán học, người ta đã chứng minh được rằng với 32 lớp

đối xứng sẽ có tất cả 47 hình đơn khác nhau sẽ được thống kê dưới đây

1.1.5.2.1 Hình đơn của các hệ tinh thể hạng thấp:

Trong các hệ tinh thể hạng thấp (ba nghiêng, một nghiêng vμ trục thoi) có bảy hình

đơn khác nhau (hình 1.10) Đó lμ hình một mặt 1.10a); hình đôi mặt (1.10b); hình hai mặt (1.10c); hình lăng trụ trực thoi (1.10d); hình bốn mặt trực thoi (1.10e); hình tháp trực thoi (1.10f) vμ hình tháp đôi trực thoi (1.10g)

Hình 1.10 Các hình đơn của các hệ tinh thể hạng thấp

Trong bảy hình kể trên, các hình một mặt, đôi mặt, hai mặt, lăng trụ trực thoi vμ tháp trực thoi lμ những hình hở Trong các đa diện tinh thể ta chỉ gặp chúng dưới dạng hình ghép Trái lại, các hình bốn mặt trực thoi vμ tháp đôi trực thoi lμ những hình kín, ta

có thể gặp chúng dưới dạng hình đơn riêng lẻ

Ngoμi ra, chúng ta còn thấy hình bốn mặt trực thoi có hai dạng; trong đó dạng nọ

đối với dạng kia như ảnh của nhau qua gương Người ta gọi chúng có tính đối hình hay

có dạng trái phải Các hình đơn có tính đối hình thuộc dạng đối xứng trục

1.1.5.2.2 Hình đơn của các hệ tinh thể hạng trung:

Trong các hệ tinh thể hạng trung (ba phương, bốn phương, sáu phương) có 25 hình

đơn (hình 1.11 vμ 1.12) chia thμnh các nhóm tháp, tháp đôi, lăng trụ, vμ một số hình đặc biệt

+ Nhóm hình tháp (1.11 A) gồm sáu hình: hình tháp ba phương (a), tháp bốn phương (b), tháp sáu phương (c), tháp ba phương kép (d), tháp bốn phương kép (e), tháp sáu phương kép (f)

+ Nhóm hình tháp đôi (1.11B) gồm sáu hình: hình tháp đôi ba phương (a), tháp đôi bốn phương (b), tháp đôi sáu phương (c), tháp đôi ba phương kép (d), tháp đôi bốn phương kép (e), tháp đôi sáu phương kép (f)

A-Nhóm hình tháp B-Nhóm hình tháp đôi Hình 1.11: Hình đơn của các tinh thể hạng trung nhóm hình tháp vμ tháp đôi

+ Nhóm hình lăng trụ (1.12) gồm sáu hình: hình lăng trụ ba phương (1.12a), lăng trụ bốn phương (1.12b), lăng trụ sáu phương (1.12c), lăng trụ ba phương kép (1.12d), lăng trụ bốn phương kép (1.12e), vμ lăng trụ sáu phương kép (1.12f)

Hình 1.12: Hình đơn của các tinh thể hạng trung nhóm hình tháp vμ tháp đôi

+ Ngoμi các hình trên trong các tinh thể hạng trung còn bảy hình đơn cá biệt khác không thể xếp vμo các nhóm trên được (hình 1.13), đó lμ các hình: bốn mặt bốn phương

Hình 1.13: Các hình đơn cá biệt của các tinh thể hạng trung

Trong các nhóm hình trên, các hình trụ vμ hình tháp lμ những hình hở (nghĩa lμ

trong tinh thể thật chúng phải kết hợp với các hình khác) chỉ gặp trong những hình ghép

của tinh thể Các hình tháp đôi vμ 7 hình cá biệt sau lμ những hình kín có thể gặp ở

những đơn tinh thể thật

1.1.5.2.3 Hình đơn của các hệ tinh thể hạng cao:

Nhóm nμy có 15 hình đơn chia lμm các nhóm:

+ Nhóm hình bốn mặt, gồm có 5 hình (hình 1.14): hình bốn mặt hay còn đ−ợc gọi

lμ hình tứ diện (1.14a) vμ bốn hình dẫn xuất từ hình nμy, cụ thể lμ hình bốn mặt ba tam

giác (1.14b), hình bốn mặt ba tứ giác (1.14c), hình bốn mặt ba ngũ giác (1.14d), hình

bốn mặt sáu tam giác (1.14e) Các tinh thể có hình đơn nμy đều có dạng đối xứng mặt

(4L33L2 (=3Li4)6P), trừ hình bốn mặt ba ngũ giác (1.14d) có dạng đối xứng trục với lớp

đối xứng 4L33L2

Hình 1.14: Nhóm hình bốn mặt của các tinh thể hạng cao

+ Nhóm hình sáu mặt, gồm có hai hình (hình 1.15): hình lập phương (sáu mặt) (hình 1.15a) vμ hình sáu mặt bốn (hình 1.15b) Các tinh thể có hình đơn nμy đều có dạng

đối xứng mặt trục (3L44L36L29PC)

a b

Hình 1.15: Nhóm hình sáu mặt của các tinh thể hạng cao

+ Nhóm hình tám mặt, gồm có 5 hình (hình 1.16): Hình tám mặt (hình 1.16a) vμ bốn hình dẫn xuất từ hình nμy: hình tám mặt ba tam giác (1.16b), hình tám mặt ba tứ giác (1.16c), hình tám mặt ba ngũ giác (1.16d), hình tám mặt sáu (1.16e) Các tinh thể có hình đơn nμy, trừ hình tám mặt ba ngũ giác (1.16d)( có dạng đối xứng trục -3L44L36L2), cũng đều có dạng đối xứng mặt trục (3L44L36L29PC)

Hình 1.16: Nhóm hình tám mặt của các tinh thể hạng cao

+ Ngoμi 12 hình trên, ba hình đơn còn lại của các tinh thể hạng cao xuất phát từ

hình 12 mặt ngũ giác (hình 1.17a), lμ hình 24 mặt tứ giác (1.17b) (hai hình nμy có dạng

đối xứng tâm-4L33L23PC) vμ hình 12 mặt thoi (1.17c) có dạng đối xứng mặt trục

(3L44L36L29PC)

a b c

Hình 1.15: Nhóm hình xuất phát từ 12 mặt ngũ giác của các tinh thể hạng cao

1.2 Phép định hướng cho tinh thể vμ hình chiếu tinh thể

(xem phần tinh thể học đại cưong)

1.3 Phép chiếu tinh thể (xem phân thực tập mẫu)

1.4 Hình học tinh thể vi mô (cấu trúc Mạng không gian)

Trong phần trước, chúng ta đã xem xét tinh thể ở quy mô mắt thường có thể quan

sát được (hình học tinh thể vĩ mô) Nhưng yêu cầu nghiên cứu về tinh thể trong thực tế

nhiều khi đòi hỏi phải nghiên cứu chi tiết hơn cứu cấu trúc của tinh thể với phạm vi hết

sức nhỏ bé (phân tử, ion, nguyên tử) Hay nói cách khác phải nghiên cứu mạng không

gian của tinh thể với các yếu tố đối xứng trong đó Lĩnh vực nghiên cứu nμy được gọi lμ

hình học tinh thể vi mô

Trong hình học tinh thể vi mô bao hμm tất cả các yếu tố đối xứng có trong hình

học tinh thể vĩ mô vμ những đặc trưng riêng biệt của mình chỉ phát hiện được ở phạm vi

rất nhỏ bé (qui mô một vμi phần triệu m) Để xem xét tường tận các yếu tố đối xứng

trong mạng không gian cần phải xem xét khái niệm về đơn vị cấu trúc cơ bản của mạng

không gian lμ ô mạng cơ sở

1 4.1 Những khái niệm cơ bản

1.1.1 Ô mạng cơ sở vμ 14 ô mạng cơ sở Bravais

Một ô mạng được gọi lμ ô mạng cơ sở phải thoả mãn được điều kiện sau:

- Hệ đối xứng của ô mạng phải ứng với hệ của toμn mạng

- Số gốc bằng nhau vμ số cạnh bằng nhau trong ô mạng phải lớn nhất

- Số góc vuông trong ô mạng phải lớn nhất

- Thể tích ô mạng phải nhỏ nhất

Theo Bravais trong 7 tinh hệ chỉ có 14 ô mạng cơ sở gồm 4 loại: nguyên thủy (P),

tâm đáy (C,A,B), tâm khối (I), vμ tâm mặt (F)

+ Nguyên thủy (P): Các nút mạng được bố trí ở các đỉnh của ô mạng

Số nguyên tử (ion) trong ô mạng: P = 8 x 1/8 = 1

Cách nhận biết: tịnh tiến theo cạnh ô mạng 1 khoảng cách bằng độ dμi của cạnh mμ mạng đó lặp lại vị trí trong không gian thì đó lμ mạng nguyên thủy

+ Tâm đáy (C, A,B): Ngoμi 4 đỉnh, các nút mạng còn phân bố ở hai tâm của đáy:

Nếu hai đáy vuông góc với trục Z gọi lμ mạng kiểu C

Nếu hai đáy vuông góc với trục Y gọi lμ mạng kiểu B

Nếu hai đáy vuông góc với trục X gọi lμ mạng kiểu A

Số nguyên tử (ion) trong ô mạng : C = (8 x 1/8 = 1) + (2 x 1/2 =1) = 2

Cách nhận biết: tịnh tiến theo đường chéo đáy ô mạng 1 khoảng cách bằng độ dμi của 1/2 đường chéo đáy mμ mạng đó lặp lại vị trí trong không gian

+ Tâm khối (I): Ngoμi 4 đỉnh còn có nút mạng phân bố ở trọng tâm của ô mạng cơ sở

Số nguyên tử (ion) trong ô mạng : I = (8 x 1/8 = 1) + (1) = 2

Cách nhận biết: tịnh tiến theo phương song song với đường chéo khối của ô mạng 1 khoảng cách bằng 1/2 độ dμi của đường chéo khối mμ mạng đó lặp lại vị trí trong không gian thì đó lμ mạng tâm khối.+ Tâm mặt (F): Ngoμi nút mạng phân bố ở 4 đỉnh còn có các nút mạng phân bố ở tâm của các mặt

Số nguyên tử (ion) trong ô mạng : F = (8 x 1/8 = 1) + (6 x 1/2 =3) = 4

Cách nhận biết: tịnh tiến theo đường chéo các mặt của ô mạng 1 khoảng cách bằng

độ dμi của 1/2 đường chéo mặt mμ mạng đó lặp lại vị trí thì đó lμ mạng tâm mặt

Các mạng của hệ 3 phương vμ 6 phương được gọi lμ mạng nguyên thủy

Hình 1.11: Các dạng ô mạng cơ sở trong tinh thể

1.2.1.2 Mười bốn ô mạng cơ sở Bravais

Bravais đã chứng minh được rằng trong tinh thể chỉ có 14 ô mạng cơ sở như sau:

a Hệ 3 nghiêng: 1 Mạng nguyên thuỷ P

b Hệ 1 nghiêng: 2 Mạng nguyên thuỷ P 3 Mạng tâm đáy C hoặc A

c Hệ thoi: 4 Mạng nguyên thuỷ P 5 Mạng tâm đáy C, B hoặc A

6 Mạng tâm khối I 7 Mạng tâm mặt F

d Hệ ba phương vμ sáu phương: 8 Mạng nguyên thủy 6 phương (P)

9 Mạng nguyên thủy 3 phương (mặt thoi 3 phương còn được ký hiệu riêng lμ R)

e Hệ 4 phương: 10 Mạng nguyên thủy P 11 Mạng tâm đáy C

f Hệ lập phương: 12 Mạng nguyên thủy P 13 Mạng tâm khối I 14 Mạng tâm mặt F

1.2.2 Các yếu tố đối xứng trong mạng không gian

Ngoμi các yếu tố đối xứng đã mô tả trong hình học tinh thể vĩ mô, trong hình học vi mô còn có những yếu tố đối xứng đặc trưng sau:

1.2.2.1 Bước tịnh tiến:

Lμ khoảng cách theo một phương nμo đó mμ khi ta dịch chuyển mạng theo phương

đó bằng đúng khoảng cách đó thì mạng lặp lại vị trí trong không gian

1.2.2.2 Mặt ảnh trượt:

Lμ một phép kết hợp giữa mặt đối xứng vμ phép tịnh tiến Người ta chia ra năm loại:

+ Mặt ảnh trượt loại a: (xem hình trang 130-131 TTHĐC)

Lμ loại có phương trượt song song với trục ox vμ có bước tịnh tiến t = T/2 = a/2 + Mặt ảnh trượt loại b: Lμ loại có phương trượt song song với trục oy vμ có bước tịnh tiến t = T/2 = b/2

+ Mặt ảnh trượt loại c: Lμ loại có phương trượt song song với trục oz vμ có bước tịnh tiến t = T/2 = c/2

+ Mặt ảnh trượt loại n: Lμ loại có phương trượt song song với đường chéo khối vμ có bước tịnh tiến t = a+b/2 hoặc = a+c/2 hay = b+c/2

+ Mặt ảnh trượt loại d: Lμ loại cũng có phương trượt song song với đường chéo khối

vμ có bước tịnh tiến t = a+b/4 hoặc = a+c/4 hay = b+c/4

1.2.2.3 Trục xoắn ốc: Đây lμ phép kết hợp giữa trục đối xứng vμ phép tịnh tiến song

song với trục đó Trong tinh thể có các loại trục xoắn ốc sau:

a Trục xoắn ốc bậc 2: có hai loại trục quay phải vμ trục quay trái: Quy định quay thuận chiều kim đồng hồ lμ quay phải, quay ng−ợc lại lμ quay trái

Tuy vậy trục bậc 2 không phân biệt phải trái

b Trục xoắn ốc bậc 3: cũng có hai loại

31 Quay thuận chiều kim đồng hồ lμ quay phải

32 Quay ng−ợc lại lμ quay trái (hình trang 132 TTHĐC )

c Trục xoắn ốc bậc 4: có ba loại: 41 Quay thuận chiều kim đồng hồ, 42 Quay ng−ợc lại (quay trái) 43 Trục xoắn bậc 4 trung hoμ

d Trục xoắn ốc bậc 6: có năm loại

61 Trục xoắn bậc 6 phải , t = T/6; 62 Trục xoắn bậc 6 phải trùng với trục bậc 2 , t = T/3; 63 Trục xoắn bậc 6 trung hoμ trùng với trục bậc 3 , t = T/2; 64 Trục xoắn bậc 6 trái ng−ợc với trục bậc 62 , t = T/3; 65 Trục xoắn bậc 6 phải ng−ợc với trục bậc 61 , t = T/6 Tất cả các yếu tố đối xứng trên đ−ợc biểu diễn thμnh các những nhóm điểm (hay nhóm đối xứng) trong không gian Fedorov đã chứng minh đ−ợc rằng có tất cả lμ 230 nhóm đối xứng trong không gian Vμ cách biểu diễn chúng đ−ợc quy định chặt chẽ vμ thống nhất

1.5 Các tính chất quang học của tinh thể (xem phần quang học tinh thể

Tμi liệu tham khảo

1- Quan Hán Khang: Quang học tinh thể vμ kính hiển vi phân cực Nhμ XB Đại học

vμ Trung học chuyên nghiệp, Hμ Nội 1972, 186 trang

2- Trịnh Hân, Lê Nguyên Sóc, Nguyễn Tất Trâm: Tinh thể học đại cương, Nhμ xuất bản KHKT, Hμ Nội 1979

3- A.V Milovsky and O Kononov: Mineralogy (bản dịch từ tiếng Nga sang tiếng Anh) Mir Publisher, Moscow, 1985 320 trang

4- Cornelis Klein, Cornelius S., Hurlbut Jr Manual of Mineralogy John Wiley & Sons, Inc NewYork, 1985 596 pp

5- L Berry, B Mason, R Ditrich: Mineralogia: Theorytrecski Ocnovư, Apicanhie mineralov, Diagnoctitrecski tablishư (Dịch từ tiếng Anh sang Tiếng Nga) Mir, Moskva, 1987 592 pp

6- William H Blackburn vμ William H Dennen: Principles of Mineralogy Wm.C Brown Publishers Oxford, 1994 414pp

7- Andrew Putnis: Introduction to Minerals Science Cambridge University Press,

2003, 497pp

8- Hans-Rudolf Wenk and Andrei Bulakh: Minerals: Their Consitution and Origin (Third Printing Correction) Cambridge University Press, UK, 2008 647pp

Chương II:

thμnh phần hoá học vμ cấu trúc của khoáng vật

2.1 Thμnh phần hoá học của khoáng vật

2.1.1 Tính phổ biến của các nguyên tố trong vỏ trái đất

2.1.1 1 Trị số Clac (Clark)

Hình 2.1: Mô hình khối cấu trúc trái đất: lớp vỏ cứng bên ngoμi (40km) vμ lớp manti, chủ yếu bao gồm các silicat, dầy 2885km, vμ nhân của trái đất bao gồm nhân ngoμi ở thể lỏng vμ nhân trong rắn bao gồm chủ yếu lμ hợp kim Fe-Ni, có bán kính lμ 3486km (W.M White, 2005)

‘Hình 2.2: Mô hình cấu trúc Trái đất theo mặt cắt ngang

_ 37

Các tμi liệu địa vật lý hiện đại cho biết trái đất của chúng ta lμ một quả cầu hơi dẹt

ở hai cực (với bán kính trung bình 6370km ở cực vμ 6374Km) ở xích đạo) có cấu trúc từ tâm ra ngoμi bề mặt như sau:

- Nhân trái đất từ tâm ra đến 2900km, tồn tại ở thể rắn, thμnh phần chủ yếu lμ

Fe-Ni

- Lớp Manti dưới từ 2900km đến 1000Km

- Lớp chuyển tiếp từ 1000km đến 400Km (được giới hạn bởi mặt Mohorovich)

- Lớp man ti trên từ 400km đến 36-70Km

Hình 2.3: Tỷ trọng vμ nhiệt độ suy ra từ tốc độ các sóng truyền trong lòng trái đất

Cả hai lớp dưới tồn tại dưới dạng trung gian giữa rắn vμ lỏng, lớp manti trên tồn tại dưới dạng lỏng

- Lớp vỏ trái đất ở trên cùng có bề dầy từ 36-40Km (đáy biển) đến 60-70Km (lục

địa) tồn tại chủ yếu dưới dạng rắn Qua nghiên cứu lớp nμy người ta thấy rằng trong vỏ trái đất có mặt hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoμn (từ hydro đến uranium) Nhiều nhμ địa hoá nổi tiếng trên thế giới đã nghiên cứu thμnh phần vỏ trái đất như Taylor, Goldsmitch, Levinson, Xaukov, Vinogradov Trước hết phải kể đến nhμ bác học

Mỹ A.Clark ông đã nghiên cứu khoảng 2000 mẫu đá lấy từ các vùng khác nhau của vỏ trái đất (có lưu ý đến tính phổ biến của các loại đá như đã mô tả ở bảng 2.1 dưới đây)

Bảng 2.1: Sự phân bố của các đá trong vỏ trái đất (theo A.B.Ronova)

- Granodiorit

vμ Diorit

cacbonat vμ trÇm tÝch hãa häc kh¸c

2.1.1 2 Tính phổ biến của các nguyên tố

Từ bảng trên ta thấy rõ rμng hμm lượng %b của các nguyên tố trong vỏ trái đất rất khác nhau Chỉ có 8 nguyên tố (O, Si, Al, Fe, Ca,Na, K, Mg) có khối lượng >1% đã chiếm khoảng 99% khối lượng vỏ trái đất Tất cả các nguyên tố còn lại chỉ chiếm khoảng 1% Trong 8 nguyên tố kể trên, oxy chiếm phần trội nhất: Nó chiếm gần một nửa khối lượng vỏ trái đất, khoảng 60% số lượng nguyên tử vμ chiếm hơn 90% thể tích của vỏ trái

Ngược lại ta cũng thấy có những nguyên tố hầu như không thμnh tạo khoáng vật

độc lập nμo mμ chỉ tồn tại dưới dạng thay thế đồng hình cho các nguyên tố khác Ví dụ các nguyên tố Gali, Hafni, Rubidi Điều đó được quyết định bởi hμm lượng trung bình (Clark) rất thấp của các nguyên tố nμy vμ bởi tính chất hoá học gần gũi của chúng đối với các nguyên tố phổ biến Chẳng hạn Gali rất gần gũi Al do đó phần lớn Gali ở dạng thay thế cho Al trong alumosilicát Tương tự vậy đối với Hf (thay thế cho Ζr) trong Zircon vμ

Rb (thay thế cho K) trong mica Theo đặc điểm các nguyên tố tham gia vμ khả năng tạo thμnh các khoáng vật người ta phân ra 3 loại: