BÀI GIẢNG KHOÁNG vật học NGUỒN gốc

+ Các khoáng nhiệt độ thành tạo khoáng vật.. Ví dụ: Magma siêu mafic ---> Olivin + Pyroxen Magma mafic ---> Pyroxen + Plagiocla Bazơ Magma trung tính ---> Plagiocla trung tinh + Pyroxen

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA ĐỊA CHẤT

BÀI GIẢNG KHOÁNG VẬT HỌC NGUỒN GỐC

Người biên soạn PGS.TS Nguyễn Ngọc Trường

Hà Nội, 9/2008 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG

A Các yếu tố môi trường tạo khoáng

1- Nhiệt độ.

+ Nhiệt độ của vỏ trái đất không đồng nhất

- Gradien địa nhiệt trung bình 330C/ km

- Trường hợp cá biệt: Toxcan (ý) độ sâu 300m, t = 2500C

Tại lỗ khoan Norit_Benxin Gradien 2,50C/m

- Vỏ trái đất có chiều dầy 40-50 km Nhiệt độ tương ứng 1000 – 20000C

- Nhiệt độ nóng chảy của đá magma:

Gramit 1215 – 12600C. Bazan 940 – 12600C

+ Nhiệt độ dung li

Hệ Fe – FeO – FeS -> > 1000oC

Hệ Na2O – H2O – SiO2 -> 225 – 3900C

+ Nhiệt độ đông kết tinh của một số cặp khoáng vật

Argentit – galenit (28%) -> 6300C

Argentit – sphalerih (4%) -> 8100C

Argentit – pyrotin(11%) -> 6100C

Galenit – chalcozin (49%) -> 5400C

Galenit – pyrotin (30%) -> 9800C

Galenit – sphalerih (6%) -> 10400C

Chalcozin – galenit – argentit -> 4000C

Ag – Bi -> 2630C

Thạch anh – orthocla – albit -> 9370C

+ Nguyên nhân xuất hiện nhiệt độ

- Do áp suất thuỷ tĩnh -> gradien nhiệt

- Phân dã hạt nhân (nguyên tố phóng xạ)

- Sự va chạm các khối tảng lục địa

- Sự hút chìm gây lực ma sát

+ Các khoáng nhiệt độ thành tạo khoáng vật

- Khoáng vật nguồn gốc Magma từ trên 10000Cđến 7000C

- Khoáng vật nguồn gốc Pegmatit từ 9000C đến 500C

- Khoáng vật nguồn gốc khí hoá - nhiệt dịch từ 7000cđến 4000C

- Khoáng vật nguồn gốc nhiệt dịch từ 4000c đến 200C

2- Áp suất.

+ Áp suất thuỷ tĩnh là trọng lượng cột đá tính từ bề mặt trái đất cho đến độ sâu của lớp đá chịu tác dụng lên một đơn vị diện tích

Công thức tính áp suất thuỷ tĩnh: P = d.g.h

Trong đó: d: trọng lượng riêng ( tỷ khối của đá )

g: gia tốc trọng trường h: độ sâu

+ Tính áp suất thuỷ tĩnh cho các vỏ

Vỏ granit: d = 2700 KG/m3; h = 1000

P = 2700 KG/m3 9,8ms-2 1000m = 264 x 105

Pa = 264 bars

Vỏ bazan: d = 3000 KG/m3

P = 3000 KG/m-3 9,8ms-2 1000 = 294 x105

Pa = 294 bars

+ Gradien áp suất

Vỏ granit -> 3,8 Km/ kbar

Vỏ bazan -> 3,4 Km/ kbar

+ Áp suất chất lưu

Trong các dung thể hoặc nhiệt dịch có các chất lưu hay gọi là chất bốc

- Chất lưu ở môi trường oxy hoá: OH, O.

- Chất lưu ở môi trường khử: CO, SO2, CH4, F, Cl, S

Khi các chất lưu bị nén (P) thì tạo nên áp suất riêng phần có khi lớn hơn cả Pa

Dễ dàng di chuyển và khống chế các phản ứng hoá học

Pflicit = PH2O + P CO2 + PO + PCH4 + …

+ Mối liên hệ giữa độ sâu và áp suất thành tạo khoáng vật

V.I Smirnop Tatarinop

Gần mặt đất <1 – 1,5 km vài trăm m đến 1,5 km Khoáng vật đặc trưng và khoáng sản liên quan

- Đới cực sâu: đá phiến disthen, sillimanit, andaluzil, rutin, corindon, graphit, flogopit

- Đới sâu: Cromit, Titanomanhetit

- Đới sâu vừa: Skacnơ Fe, Cu, Sunfua Cu- Ni

- Đới gần mặt đất: conchedan, đá kim, kim loại quý, hiếm

3 – Nguồn gốc môi trường tạo khoáng.

3.1 Magma.

+ Định nghĩa: - Magma là dung thể

- Hình thành trong lòng trái đất

- Có thành phần chủ yếu là Silicat (magma Silicat và magmaplu silicat)

- Thành phần nguyên tố hoá học:Nguyên tố tạo đá: 0 – 46,6%, Si – 27,72%, Al – 8,13%, Fe – 5,00%, Mg – 2,09%, Ca – 3,63%, Na – 2,83%, K – 2,59%, Tổng: 98,59% Các nguyên tố khác Ti + P + H +

Mn xấp sỉ 1% Các nguyên tố còn lại: xấp sỉ 0,5%

+ Các loại magma: hai loại magma nguyên thuỷ:

Magma axit -> đá granit – ryolit Magma bazan -> đá gabro – bazan + Nguồn gốc magma

a Năng lượng của phản ứng phóng xạ

b Các chuyển động trong vỏ trái đất (va chạm, nén ép, hút chìm) + Các khoáng vật hình thành trực tiếp từ magma

- Khoáng vật tạo đá (dãy kết tinh Bauen)

- Khoáng vật mẫu: olivin, pyroxen, amphibon, mica

- Khoáng vật sáng mầu: nhóm Plagiocla, nhóm Fenspat, thạch anh

- Khoáng vật quặng:

Nhóm nguyên tố tự sinh: Kim cương, Platin, vàng, Fe.

Nhóm oxyt: manhetit, hêmatit, cromit, Ilmenit, rutin

Nhóm sunfua:Pyrotin, Pyrit, Pentlandit, chancopyrit

3.2 Dung dịch nhiệt

+ Nhiệt dịch nguồn gốc magma

- Magma hoà tan xấp sỉ 10% H2O

- H2O tham gia thành phần khoáng vật xấp sỉ 1%

+ Nhiệt dịch liên quan với hoạt động biến chất

- Đá trầm tích chứa hàng chục % H2O

- Đá magma chứa hơn 1% H2O

+ Tướng đá biến chất:

Zeolit – Pum

Phiến lục: 3500C– 5500C

Epiđôt – amphibolit:6000C– 6500C

Amphibolit: 6500C– 8000C

Granulit 7500C– 10000C

+ Nước thuỷ văn và nước biển

Nước mưa - nước mặt xấp sỉ 70%

- nước ngầm xấp sỉ 30%

Cửa sổ thuỷ văn biển

Núi lửa đại dương

+ Thành phần dung dich nhiệt dịch

- H2O

- Các chất bốc (khí) O, H, CO2, SO2, F, Cl, B

- Các kim loại nặng : W, Mo, Fe, An, Ag, Co, Cu, Ni, Pb, Zn, Hg, Sb

+ Dạng tồn tại của các nguyên tố hoá học

- Ion: Cation và anion – dung dịch thật

- Kim loại: Fe, Ni, Co, Cu, Pb, Z …

- Á kim: P, Cl, F, S

- Các phức: WOCl4, CO3, SO4, TiF4, FeCl3, MoCl5, TaCl5, SnF4, MoF6, WF6, AuCl4

- Các hạch keo: Fe(OH)3, SiO2, Al(OH)3, Al4[Si4O10](OH)8.nH2O

+ Phương thức hình thành khoáng vật

a Phản ứng giữa các chất khí (núi lửa)

2H2S + SO2 = 3S + 2H2O

2FeCl3 + H2O = Fe2O3 + 6HCl

SnCl4 + 2H2O = SnO2 + 4HF

b Phản ứng giữa khí và dung dịch lỏng

H2S + CuSO4 = CuS + H2SO4

H2S + FeCO3 = FeS + H2CO3

c Giữa chất khí và chất rắn

H2S + FeCO3 = FeS + H2CO3

d Phản ứng giữa các dung dịch lỏng

Khi Ph axit

ZnCO3 + CaCO3 = ZnCO3 + CaCO3

e Phản ứng giữa dung dịch lỏng và chất rắn

CuSO4 + ZnS(rắn) = CuS + ZnSO4

f Phản ứng hỗn hợp (phong hoá)

Cu2S + 3Fe2(SO4)2 + 4H2O = 2Cu + 6FeSO4 + 4H2SO4

Cu2O + 2FeSO4 + H2SO4 = 2Cu + Fe2(SO4)2 + H2O

g Kết đọng từ dung dịch keo

- Liên kết giữa âm và keo dương

- Hấp phụ các ion trái dấu (trung hoà điện lượng)

- Tăng nhiệt độ làm mất nước

3.3 Thời gian (thời lượng) kéo dài của quá trình tạo khoáng

- Quá trình magma: 10000 đến 15000 năm

Khối Batolit ở độ sâu 6km -> 1 triệu năm

- Quá trình microclin hoá (to = 600 đến 850oC) -> 15000 năm

- Quá trình albit hoá (to = 450ođến 600o) -> 30000 năm

- Quá trình greizen và thạch anh hoá (to= 280ođến 450o) -> 60000 năm

- Quá trình Sericit hoá ( to = 220ođến 280o) -> 24000 năm

- Đối với một mỏ khoáng thì thời gian thành tạo kéo dài tới hàng triệu năm

B – Ba định luật nhiệt động học

1 - Định luật thứ nhất

- Nội năng của hệ ( E ): nội năng của một hệ độc lập là một hằng số hay đúng hơn là một đại lượng nhất định

+ Ứng dụng trong khoa học địa chất

Về vĩ mô : Mỗi một khối magma hình thành trong vỏ trái đất có E xấp xỉ const Dẫn đến hình thành tổ hợp cộng sinh khoáng vật nhất định

Ví dụ: Magma siêu mafic -> Olivin + Pyroxen

Magma mafic -> Pyroxen + Plagiocla (Bazơ)

Magma trung tính -> Plagiocla (trung tinh) + Pyroxen

Magma axit -> Thạch anh + Fenspat + mica

Magma kiềm -> Fenspat K – Na + Nephelin + Eglirin

Về vi mô chúng ta liên hệ đến năng lượng kết tinh của một khoáng vật Theo Fesman ta có:U = 256,1(n1EK1+n2EK2+n3EK3)

Trong đó: n 1 , n 2, số lượng ion khác nhau trong phân tử.

K 1 , K 2 là hệ số năng lượng tính theo thực nghiệm.

+ Tính nội năng của 1 hệ

Dạng tổng quát của định luật thứ nhất

dE = dQ – dW

dE = dQ – PdV

Trong đó: Q: nhiệt năng, W: công, W = P.V

2 - Định luật thứ 2

- Sự sắp xếp hỗn loạn của các hợp phần trong hệ gọi là Entropy (S).Entropy nói về mối liên hệ giữa năng lượng của hệ và nhiệt độ của hệ: dS = dQ/T

- Ứng dụng trong địa chất học: Xác định năng lượng cần thiết cho hệ nhằm điều hành hệ đi theo hướng ổn định tức là sắp xếp một cách trật tự

3 - Định luật thứ 3.

Ở nhiệt độ tuyệt đối – không độ Kenvin (Zero) ứng với – 273oc cấu trúc tinh thể chất rắn trở nên rất trật tự, nội năng của tinh thể bằng Zero(Entropy = 0)

Năng lượng tự do của hệ G bằng

G = E + PV – TS

Năng lượng tự do vượt quá nội năng nhằm hướng các phản ứng hoá học xảy ra.Khi đó năng lượng tự do bằng: dG = VdP – SdT

C – Sự hình thành tổ hợp cộng sinh khoáng vật và quy tắc tướng (Pha) của Gibbs

I – Khái niệm cơ bản

1.1 Hệ – thể địa chất là một khoảng không gian bất kỳ tương ứng với một khối vật chất nhất định tồn tại trong điều kiện T, P và C nhất định

1.2 Cân bằng hệ là trạng thái mà hệ cần một năng lượng minimum để tồn tại

1.3 Tướng (pha) trong khoáng vật học là đơn khoáng vật – là phần đồng nhất về hoá học được tách ra khỏi hệ hoá lý

1.4 Bậc tự do là khả năng dẫn đến sự thay đổi một trong những yếu tố của hệ cân bằng (T, P, C), song sự thay đổi này không dẫn đến sự thay đổi thành phần cân bằng pha hoặc trạng thái của hệ

Tóm lại : Trong một hệ – thể địa chất cấu thành từ n hợp phần hoá học trong điều

kiện T và P = const, số lượng khoáng vật tối đa bền vững không vượt qua n(C)

Ví dụ 1: Khi hệ n = 1 (C = 1) Có nghĩa là hệ có 1 hợp phần, 1 nguyên tố hoá

học: S, Au, C

F = 2 P = C + 2 – 2

P = C

P = 1

Ta có vàng tự sinh, lưu huỳnh, hoặc kim cương hoặc graphit

F = 1 P = C + 2 – 1

áp suất P = const P = C + 1

T thay đổi P = 1 + 1 = 2

Ví dụ 2: hệ n = 1 (C = 1).

SiO2 ở T thấp phân ly> Si và O

SiO2 có nhiều biến thể đa hình

P = C + 2 – 2 = 1

T -> 867o P = C + 2 – 1 = 2

P = 1 at = const -> Tridimit + α thạch anh

T = const = 1470oC P = C + 2 – 0 = 3

P = const = 4 Kbar ->P = tridimit + cristalobarit + β thạch anh

1.5 Hợp phần hoá học là một trong những số lượng nhỏ nhất của vật chất cần thiết

để tạo nên thành phần của từng pha (khoáng vật)

Hợp phần hoá học: Au, Pt, C hoặc SiO2, NaAlSiO4 hoặc NaAlSi3O8 hoặc CaAl2Si2O8

2 – Quy tắc tướng.

Trong bất kỳ một hệ – thể địa chất ở trạng thái cân bằng:

Số tướng (pha) hay khoáng vật – P cộng với số bậc tự do – F bằng số hợp phần hoá học – C cộng với 2

P + F = C + 2

Có thể viết : P = C + 2 – F

- Rút ra số lượng khoáng vật P tăng khi các hợp phần C tăng

- Số lượng P cực đại khi F = 0

P = C + 2

- Trong các thể địa chất : - khối magma, - Biến chất

T và P biến đổi rất mạnh

Hệ F ≥ 2 suy ra P ≤ C

Ví dụ 3: Hệ gồm 2 cấu tử n (C) = 2.

Dung thể : NaAlSiO4 – SiO2

Trong trường hợp này số lượng khoáng vật max

P = C + 2 – 2 = 2

Trong hệ có thể tạo thành các khoáng vật:

Nêphelin -> NaAlSiO4

Albit -> NaAlSi3O8

Jadeit -> NaAlSi2O6

Thạch anh -> SiO2

Trong tự nhiên chỉ tồn tại tổ hợp CSKV

+ Đá phun trào: - nephelin + albit

- albit + thạch anh hoặc tridimit + Đá biến chất : - Albit + thạch anh

- Jadeit + thạch anh

- Jadeit + albit

- Jadeit + nephelin

Ví dụ 4: Hệ nhiều cấu tử.

- Magma siêu mafic: SiO2, Fe2O3, FeO, MgO, H2O

C = 5 P = C + 2 – 2 = 5; P ≤ 5

THCSKV Olivin + Pyroxen + amphibon + manhetit

(hematit)

- Magma mafic: SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MgO, CaO, H2O

C = 7 P = C + 2 – 2 = 7

THCSKV: Olivin, Orpyroxen, Porm pyroxen, amphibon, Plagiocla(anoctit – labrador), manhetit(hematit)

- Magma axit SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MgO, CaO, Na2O, K2O, H2O

C = 9 P = C + 2 – 2 = 9

THCSKV: thạch anh + microclin + albit + anderzin + mica (muscorit + biotit) + Pyroxen (kiềm) + amphibon (kiềm)

3 – Biểu diễn giản đồ cân bằng pha (tướng).

3 – 1 Hệ một hợp phần – biểu đồ P – T.

Hệ toạ độ:

β Th¹ch anh

α Th¹ch anh Cristobalit dung thÓ

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

Trục tung: P - áp suất

Trục hoành T – nhiệt độ

Từ công thức: P = C + 2 – F

Khi F = 0 (vô biến) khi P = C + 2

F = 1 (đơn biến) khi P = C + 1

F = 2 (lưỡng biến) khi P = C

Kbar Km

573 867 1470 1713

0 500 1000 1500 2000oc

Biểu đồ pha hệ một cấu tử SiO 2

3 – 2 Hệ hai hợp phần n(C) = 2.

Trên giản đồ cân bằng pha của hệ hai cấu tử hoặc nhiều cấu tử sẽ được thể hiện 4 yếu tố chung nhất:

- Etecty

- Peritetecty

- Dung dịch cứng

- Đường phân dã dung dịch cứng

Ví dụ: - Hệ Diopxit CaMg[Si2O6] – anoctit Ca[Al2Si2O8] với hai điểm Etecty.

- Hệ hai hợp phần dung dịch cứng

Albit Na[AlSi3O8] – anoctit Ca[Al2Si2O8]

80 240

70 210

60 180

50 150

40 120

30 90

20 60

10 30 Stishorit

Tridimit

D – TÍNH CHẤT TIÊU HÌNH CỦA KHOÁNG VẬT

1 – Tính chất tinh thể phản ảnh.

1 – 1 Cấu trúc bên trong (hoá tinh thể).

+ Hệ lầp phương: hạt tinh thể đẳng thước khối lập phương, khối tám mặt, khối 12 mặt thoi, khối 24 mặt ngũ giác

+ Hệ bốn phương lăng trụ, cột, đũa, sáu phương, ba khối hộp, tâm phương

+ Hệ thoi, một nghiêng, ba nghiêng: Lăng trụ, que, kim, sợi

+ Cấu trúc lớp: tấm, lá

1 – 2 Môi trường thành tạo.

+ Môi trường đẳng hướng: tinh thể đẳng thước tập hợp đơn tinh thể, hạt

+ Môi trường dị hướng: Tinh thể kéo dài theo trục C

+ Môi trường thay đổi theo chu kỳ

+ Tính phân đới trong một tinh thể : Plagiocla

Sphalerit: giầu Fe Sphalerit: giầu Cd

+Tổ hợp các nguyên tố vi lượng thay đổi trong mỗi thế hệ khoáng vật

2 - Đặc điểm thành phần hóa học.

+ Môi trường oxy hoá - khử Magma

+ Oxy hoá : Spinel MgAl2O4

Hematit Fe2O3 Corindon Al2O3 Rutin TiO2 + Khử: Manhetit Fe2+Fe23+O4

Cromit Fe2+Cr2O4 Ilmenit Fe2+TiO3 Peropskit (Ca, Fe, Na, Cr) (Ti, Nb)O3

+ Thành phần nguyên tố vi lượng

+ Casiterit nguồn gốc Pegmatit giầu Ta, Nb

+ Casiterit nguồn gốc nhiệt dịch giầu Fe, Zn, As

+ Thành phần không đồng nhất do phân huỷ dung dịch cứng

+ Hematit – magnetit >1200o +Ilmenit – hematit 600 – 700o +Sphalerit – chancopyrit 650

+ Stanin – chancopyrit 500 + Cubantin – chancopyrit 235 + Bornit – chancopyrit 300 + Pyrotin – chancopyrit 255

2 – 1 Nhiệt - áp kế khoáng vật.

Xác định nhiệt độ (T) thành tạo và áp suất (P) môi trường thành tạo khoáng vật bằng các phương pháp sau:

Phương pháp tiếp cận:

a – Trực tiếp: đo nhiệt độ dung nham núi lửa, đo nhiệt độ nguồn suối nước khoáng nóng, đo nhiệt độ ở các công trình khoan thăm dò khai thác sâu (dầu khí…v.v…)

b – Thực nghiệm:+ Xác định nhiệt độ nóng chảy của khoáng vật và của đá

Theo Larsen: to nóng chảy của granit 1215 – 1260o

Bazan 940 – 1260o Theo Goranson ở P = 1at granit không chứa nước ->1050oC

P = 1000at toc granit ->700 – 720oC

P = 5000at toc granit -> 640oC. + Nhiệt độ nóng chảy của lưu huỳnh (S) to -> 119oC Nhiệt độ nóng chảy của Bismut tự sinh (Bi) to ->271oC

+ Xác định nhiệt độ dung ly của dung thể

- Hệ FeS – FeO – SiO2 (sunfua va silicat) FeS(sunfua) tách ra ở t = 800 – 900oC

- Hệ Fe – FeO – FeS

FeS (sunfua) tách ra ở t>1000oC

- Hệ Na2O – H2O – SiO2 to = 225 – 390oC

Xác định nhiệt độ cùng kết tinh của các hệ hai hoặc ba khoáng vật Điểm ơtecti và entecti

- Argentit (Ag2S) và galenit PbS (28%) -> to = 630oC

- Argentit (Ag2S) và Sphalerit (4%) ->to = 810oC

- Argentit (Ag2S) và Pyrotin (11%) -> to = 610oC

- Galenit (PbS) và chancozin (Cu2S 49%) > to = 540oC

- Galenit (PbS) và Pyrotin (30%) -> to = 980oC

- Galenit (PbS) và Sphalerit (6%) -> to = 1045oC

- Chancozin – galenit và argentit -> to = 400oC

- Thạch anh(SiO2) – Orthocla – albit -> to = 937oC

- Bạc tự sinh (Ag) và bismut tự sinh (Bi) -> to = 263oC + Xác định nhiệt độ phân huỷ dung dịch cứng

Ở nhiệt độ cao nhiều nguyên tố kim loại có thể thay thế đồng hình cho nhau, mặc

dù bán kính ion chênh lệch quá 15% Khi nhiệt độ hạ thấp chúng tách thành khoáng vật độc lập, xâm tán trên nền khoáng vật chủ

Ví dụ: Titanomanhetit (Fe, Ti)3O4

ở to = 600 – 700oC -> manhetit (Fe3O4) và Ilmenih (FeTiO3)

tương tự ta có:

Khoáng vật chủ Khoáng vật phân huỷ từ

dung dịch cứng

Nhiệt độ phân huỷ dung dịch cứng