Chương 1: Đại cương về địa chất
1.7. Đặc điểm chủ yếu của các loại đá
1.7.1. Đặc điểm của đá macma
Khi xâm nhập lên phần trên của vỏ quả đất, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất giảm thấp, dung dịch macma tỏa nhiệt, nguội dần và đông cứng thành nhiều loại đá
macma. Thành phần vật chất và điều kiện nguội lạnh của macma (kết tinh ở sâu, nông hay ở trên mặt) quyết định các đặc tr−ng cơ bản của đá macma.
1. Thế nằm của đá macma
Đá macma đ−ợc thành tạo từ dung nham đông cứng nên thế nằm của đá rất đa dạng. Kích thước của khối đá cũng như mối quan hệ tiếp xúc của nó với các đá vây quanh thay đổi rất lớn. Tùy theo đặc tính hình học của môi trường nguội lạnh như hình dạng, hướng phát triển và kích thước khe nứt, hình dạng mặt đất cũng như độ nhớt của macma mà đá macma có các dạng thế nằm khác nhau, vì thế, hình thù khối đá macma cho biết thế nằm của đá macma.
a. Các dạng thế nằm của đá macma xâm nhập
- Thế nằm dạng nền: Khối đá macma xâm nhập có kích thước rất lớn, diện tích
A’
A
B
B’
23
phân bố có thể tới hàng chục km2. Ranh giới dưới thường không xác định được. Đá vây quanh tiếp xúc với dạng nền có đặc tr−ng là không bị biến đổi thế nằm.
- Thế nằm dạng nấm: Chỉ khối đá macma xâm nhập có hình nấm hoặc thấu kính dày. Diện tích phân bố không rộng. Các đá vây quanh, nhất là đá ở phía trên thường bị uốn cong theo hình dạng nấm.
- Thế nằm dạng lớp: Đ−ợc hình thành do macma xâm nhập theo khe nứt giữa các mặt tầng đá, chiều dày nhỏ, thường chỉ có vài mét đến vài chục mét nhưng phạm vi phân bố tương đối lớn.
- Thế nằm dạng mạch: Hình thành do macma xâm nhập và lấp đầy khe nứt của các tầng đá. Chiều dày mạch thay đổi từ vài centimét đến vài chục mét. Đá mạch có nhiều nhánh, chỗ tiếp xúc với đá vây quanh thường có khe nứt làm tăng tính thấm nước của đá. Mạch đá macma thường cắt các tầng đá với góc tương đối lớn.
b. Các dạng thế nằm của đá macma phun trào
- Dạng lớp phủ: Đá macma phun trào phủ trên một diện tích rất rộng, có thể tới hàng ngàn km2. Thường được hình thành do dung nham trào lên mặt đất theo các khe nứt kéo dài của vỏ trái đất. Sự phun trào macma nhiều đợt có thể tạo lớp phủ thành nhiều tầng với chiều dày lớn.
- Dạng dòng chảy: Hình thành do macma trào lên qua miệng núi lửa di chuyển lấp
đầy các khe rãnh của thung lũng. Đặc tr−ng của nó là có chiều dài lớn hơn chiều rộng rất nhiều, phụ thuộc vào độ nhớt của dung nham và hình dạng thung lũng, có thể kéo dài đến 30- 40 km và hơn nữa. Nếu macma nghèo silic thì dung nham thường lỏng, dễ di chuyển, dòng chảy có chiều dài lớn, macma giàu silic thì độ nhớt lớn, có thể đông
đặc tại chỗ hình dạng vòm, dạng tháp, .…
2. Thành phần khoáng vật của đá macma
Khoáng vật nguyên sinh chủ yếu tạo nên các loại đá macma là fenpat, thạch anh, amfibon, pirôxen, mica, ngoài các khoáng vật trên còn có ziacôn, tuamalin, apatit, .…
Các khoáng vật phụ, th−a sinh có thể gặp nh− xêrixit, clorit, kaolinit, cocđêzit, …. Sự có mặt của tổ hợp các loại khoáng vật trong đá macma đ−ợc quyết định bởi thành phần hóa học, sự phân dị kết tinh của macma.
Hầu hết các khoáng vật trong đá macma có mối liên kết hóa học bền vững và
được thành tạo ở điều kiện nhiệt độ cao. Do vậy, cường độ của khoáng vật tương đối lớn nh−ng kém ổn định trong điều kiện khí quyển, dễ bị phong hóa biến đổi thành khoáng vật thứ sinh bền vững nh− các khoáng vật sét và các ôxyt không hòa tan.
Kết quả phân tích hóa học cho thấy, khoáng vật của đá macma đ−ợc thành tạo bởi hầu hết các loại nguyên tố hóa học, nh−ng chủ yếu là O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, H, Ti. L−ợng chứa Si đ−ợc tính theo SiO2 thay đổi từ 25- 85%.
Dựa vào l−ợng SiO2, đá macma đ−ợc chia ra thành 4 loại:
- Đá macma axít có l−ợng SiO2 trên 65%: Granit, liparit, …;
- Đá macma trung tính có l−ợng SiO2 từ 55 - 65%: Điôrit, sienit, …;
- Đá macma bazơ có l−ợng SiO2 từ 45 - 55%: Gabrô, bazan, …;
- Đá macma siêu bazơ có l−ợng SiO2 nhỏ hơn 45%: Periđôtit, đunit, ….
3. Kiến trúc và cấu tạo của đá macma
Theo mức độ kết tinh, có thể chia kiến trúc của đá macma ra 4 loại chính:
24
- Kiến trúc toàn tinh: Tất cả các khoáng vật trong đá đều kết tinh, ranh giới phân cách giữa chúng rất rõ rệt, có thể quan sát thấy bằng mắt th−ờng.
- Kiến trúc pocfia: Chỉ thấy bằng mắt th−ờng một số tinh thể lớn rải rác trên nền tinh thể rất nhỏ (vi tinh), không thấy kết tinh.
- Kiến trúc ẩn tinh: Tinh thể rất nhỏ, không phân biệt đ−ợc bằng mắt th−ờng, chỉ nhìn thấy d−ới kính hiển vi.
- Kiến trúc thủy tinh: Đá không kết tinh thành tinh thể, khoáng vật rõ rệt mà có hình dạng vô định hình, rất khó phân biệt.
Dựa vào kích thước hạt, kiến trúc của đá macma được chia ra:
- Kiến trúc hạt lớn: Khi kích th−ớc hạt trên 5mm.
- Kiến trúc hạt vừa: Khi kích th−ớc hạt từ 5- 2mm.
- Kiến trúc hạt nhỏ: Khi kích th−ớc hạt từ 2,0- 0,2mm.
- Kiến trúc hạt mịn: Khi kích th−ớc hạt nhỏ hơn 0,2mm.
Ngoài ra, căn cứ vào kích thước tương đối của các hạt, kiến trúc của đá macma
được chia ra: kiến trúc hạt đều khi các hạt có kích thước gần như nhau và kiến trúc hạt không đều khi các hạt có kích thước to nhỏ khác nhau.
Mức độ kết tinh của khoáng vật đá macma phụ thuộc điều kiện đông nguội của dung nham. Đối với đá macma xâm nhập, do được thành tạo ở dưới sâu, tính dẫn nhiệt của đá kém, quá trình đông nguội của dung nham kéo dài, các tinh thể có đủ thời gian
để lớn lên và vì thế, đá xâm nhập thường có kiến trúc toàn tinh hạt lớn và hạt đều. Còn ở gần mặt đất và trên mặt đất, điều kiện tỏa nhiệt tốt và chịu áp lực thấp nên dung nham nguội rất nhanh, các tinh thể không kịp kết tinh, chỉ hình thành các tinh thể nhỏ hoặc kết tinh một số khoáng vật có nhiệt độ kết tinh cao. Do vậy, kiến trúc ẩn tinh, thủy tinh hay pocfia là những kiến trúc đặc tr−ng cho đá xâm nhập nông và đá phun trào. Đặc biệt, kiến trúc thủy tinh thường thấy khi đá macma được hình thành từ dung nham phun ở đáy biển.
Sự kết tinh của khoáng vật tạo đá còn phụ thuộc thành phần của dung nham. Các dung nham nghèo silic thường chứa các hợp chất dễ hòa tan, có tính di động lớn, độ nhớt của dung nham giảm và sự kết tinh đ−ợc dễ dàng hơn.
Đá có kiến trúc toàn tinh, đều hạt có cường độ và độ ổn định với phong hóa cao hơn loại kiến trúc thủy tinh, không đều hạt.
Theo sự định hướng của các thành phần khoáng vật trong không gian, có thể chia cấu tạo của đá macma ra các loại:
- Cấu tạo khối: Đặc điểm của cấu tạo khối là thành phần khoáng vật của đá nh−
nhau theo các h−ớng khác nhau.
- Cấu tạo dải: Trong đá, các khoáng vật sắp xếp theo dạng dải do đ−ợc định h−ớng theo ph−ơng di chuyển của dòng dung nham.
Dựa theo mức độ rỗng của đá macma, chia ra các loại cấu tạo:
- Cấu tạo đặc xít: Trong đá hầu như không có lỗ rỗng. Cấu tạo loại này thường gặp trong đá macma thành tạo ở dưới sâu;
- Cấu tạo lỗ hổng: Trong đá tồn tại các lỗ rỗng. Cấu tạo lỗ hổng thường gặp ở đá
macma thành tạo ở gần hoặc ở trên mặt đất (đá phun trào), do có sự thoát đi của các chất khí và hơi n−ớc từ dung nham macma.
25
Một dạng đặc biệt của đá có cấu tạo lỗ hổng là đá bọt. Loại đá này đ−ợc thành tạo từ dung nham có nhiều chất dễ bốc, nguội lạnh nhanh ở d−ới n−ớc hay trong lớp thổ nh−ỡng ẩm. Đá bọt có lỗ rỗng rất lớn nên th−ờng nhẹ.
- Cấu tạo hạch nhân: Trong đá macma, các lỗ hổng đ−ợc lấp đầy bởi các khoáng vật thứ sinh nh− ôpan, thạch anh, clorit, canxit, …, đ−ợc hình thành từ dòng dung dịch lưu thông trong đá.
Nhìn chung, đá macma có cấu tạo đồng nhất thì có sự đẳng hướng về các tính chất vật lý và cơ học, còn các cấu tạo khác, tạo nên sự không đồng nhất nh− cấu tạo dải, cấu tạo lỗ hổng, … thì làm cho đá có tính dị hướng, giảm độ bền cũng như sự ổn định đối với tác dụng phong hóa.
Khi nguội lạnh, macma sẽ co lại, giảm thể tích và tạo ra các khe nứt theo những quy luật nhất định. Những khe nứt đó gọi là khe nứt nguyên sinh và khối nứt do những khe nứt đó phân ra gọi là khối nứt nguyên sinh.
Khác với khe nứt thông th−ờng, khe nứt nguyên sinh không phá hoại sự liên kết giữa các khối nứt. Chúng có thể đ−ợc xem là những mặt mà ở đấy tính vững chắc của
đá bị giảm sút. Hệ thống khe nứt này phân bố có quy luật và trong quá trình phong hóa
được thể hiện rừ rệt thờm. Sự cú mặt của khe nứt nguyờn sinh làm giảm cường độ và tăng tính thấm nước của đá macma.
1.7.2. Đặc điểm của đá trầm tích
Đá trầm tích đ−ợc hình thành và phân bố khá phổ biến trong vỏ Trái đất. Theo đặc tính của vật liệu, đá trầm tích đ−ợc chia ra: trầm tích cơ học và trầm tích sinh hóa. Khi trầm tích mảnh vụn đ−ợc dính kết bởi xi măng hay bị nén chặt tạo thành đá thì gọi là
đá trầm tích cơ học. Đá trầm tích sinh hóa hình thành do tác dụng của sinh hóa hay chính xác là do sinh vật đọng lại cùng với các khoáng chất. Đặc tr−ng của trầm tích sinh hóa là các di tích sinh vật xen kẹp lẫn lộn và gắn kết với trầm tích hóa học.
1. Thế nằm của đá trầm tích
Khác với đá macma, quá trình hình thành đá trầm tích chịu ảnh hưởng rất lớn của trường trọng lực. Bởi vậy, thế nằm dạng lớp song song nằm ngang là dạng phổ biến đối với đá trầm tích. Thế nằm này đặc trưng cho môi trường trầm tích đồng nhất và yên tĩnh. Thế nằm lớp xiên chéo, lớp vát nhọn th−ờng gặp trong trầm tích gió và trầm tích cửa sông. ở nơi dòng n−ớc uốn khúc th−ờng hình thành thế nằm dạng thấu kính. Thế nằm dạng lớp của đá trầm tích có ý nghĩa quyết định tới sự ổn định của khối đá. Có thể phân biệt hai loại thế nằm của đá trầm tích:
- Thế nằm nguyên sinh: Hình thành trong quá trình tạo đá (lớp đá trầm tích nằm ngang hay hơi nghiêng), thường thấy trong đá trầm tích trẻ.
- Thế nằm thứ sinh: Thế nằm nguyên sinh đã bị biến đổi do các hoạt động kiến tạo về sau (lớp đá trầm tích nằm nghiêng hoặc uốn nếp, vò nhàu), thường thấy trong đá
có tuổi cổ, do đã trải qua nhiều thời kỳ biến động địa chất.
2. Thành phần khoáng vật của đá trầm tích
Thành phần khoáng vật đá trầm tích có nhiều loại, bao gồm:
- Khoáng vật nguyên sinh: Các mảnh đá hay khoáng vật do phong hóa cơ học các
đá có trước. Chúng là thành phần chủ yếu của đá trầm tích mảnh vụn (cuội, sỏi, cát) nh− thạch anh, fenspat, ziacôn, tuamalin, apatit, …
- Khoáng vật thứ sinh: Hình thành từ các khoáng vật nguyên sinh, do bị phân hủy
26
bởi các phản ứng hóa học nh− các loại khoáng vật sét và một số khoáng vât khác.
- Khoáng vật thuần túy của đá trầm tích: Hình thành do sự lắng đọng của dung dịch thật, sự ng−ng keo có hoặc không sự tham gia của sinh vật, nh− thạch cao, muối mỏ, glaucônônit, ôpan, …. Loại khoáng vật này không có hoặc có rất ít trong đá
macma nh−ng lại là thành phần chủ yếu của đá trầm tích sinh hóa và là xi măng gắn kết trong đá trầm tích mảnh vụn cơ học.
Nhìn chung, khoáng vật của đá trầm tích ổn định hơn các khoáng vật của đá
macma trong môi tr−ờng phong hóa.
Đối với trầm tích mềm rời, nhóm khoáng vật sét có vai trò đặc biệt quan trọng. Sự có mặt của chúng làm cho đất có nhiều đặc tính riêng nh− tính dẻo, tính dính, độ nén lún rất lớn, tính thấm nước nhỏ, đặc biệt khi thay đổi lượng nước hấp phụ vật lý, độ bền của đất thay đổi rất nhiều.
Đối với đá trầm tích, ngoài thành phần hạt, khoáng vật, cần phải chú ý tới thành phần tạp chất và xi măng gắn kết. Sự có mặt của tạp chất có ý nghĩa quan trọng đối với
đá trầm tích cacbonat, còn thành phần xi măng có ý nghĩa lớn đối với đá trầm tích mảnh vụn. Tạp chất silic, đôlômit sẽ làm tăng cường độ, giảm khả năng hòa tan của đá
vôi, còn thành phần sét thì ng−ợc lại. Đá vôi chứa sét dễ hóa mềm khi tác dụng với n−ớc. Chất keo silic trong trầm tích vụn cơ học là chất xi măng gắn kết bền chắc nhất, sau đến cacbonat và ôxyt sắt, còn thạch cao và sét là chất gắn kết yếu nhất.
3. Kiến trúc và cấu tạo đá trầm tích
Kiến trúc của đá trầm tích rất đa dạng bởi sự tham gia của các vật liệu mảnh vụn.
Đối với trầm tích mảnh vụn, kiến trúc được xác định theo kích thước nhóm hạt và độ tròn cạnh của chúng nh− kiến trúc hòn lớn (tảng), kiến trúc hạt dăm (cuội), kiến trúc hạt sạn (sỏi), kiến trúc hạt cát, kiến trúc hạt bột, kiến trúc hạt sét.
Sự hình thành kiến trúc của trầm tích mảnh vụn phụ thuộc rất nhiều vào kích th−ớc hạt. Đối với các hạt có kích th−ớc lớn hơn 0,05mm, lực tác dụng t−ơng hỗ giữa các hạt trong tr−ờng hợp này nhỏ hơn nhiều so với trọng l−ợng của chúng, nên sự lắng chìm của hạt tự do, kiến trúc hạt đơn giản. Còn đối với các hạt nhỏ, do lực hút bề mặt và các lực t−ơng hỗ khác, lực dính ở các điểm tiếp xúc giữa các hạt lớn hơn nhiều lần so với trọng l−ợng hạt nên khi lắng chìm, tạo nên kiến trúc tổ ong hay lỗ trỗ rất phức tạp, trong đó, thể tích lỗ rỗng lớn hơn thể tích hạt rất nhiều. Những hạt có kích thước nhỏ hơn 0,001mm có tính chất của các hạt keo. Trong môi tr−ờng n−ớc, chúng ở trạng thái lơ lửng. Khi gặp môi tr−ờng iôn trung hòa điện tích của chúng, lực đẩy giữa các hạt giảm đi, các hạt xích lại gần nhau và dính với nhau rồi chìm lắng xuống hình thành kiến trúc dạng bông rất điển hình.
Kiến trúc của đất dính trong tự nhiên, đặc biệt là đất sét, rất phức tạp, bởi trong
đất thường có sự tham gia của các hạt khoáng có kích thước nhỏ, rất nhỏ, các chất keo, các chất dính kết hữu cơ, ….
Trong đá trầm tích, có nhiều loại liên kết tùy theo thành phần vật liệu và giai đoạn trầm tích nh− liên kết kết tinh ở đá trầm tích hóa học, liên kết xi măng ở trầm tích mảnh vụn gắn kết, liên kết keo n−ớc ở loại trầm tích mềm rời.
Sự hình thành kiến trúc của trầm tích mảnh vụn gắn kết có liên quan đến sự lắng
đọng của xi măng gắn kết trong lỗ hổng giữa các hạt của đá. Dựa vào hình thức gắn kết, ng−ời ta chia ra các loại gắn kết sau.
27
- Gắn kết cơ sở: Các hạt nằm trong xi măng gắn kết không tiếp xúc với nhau (các hạt đóng vai trò chất độn). Cường độ và tính chất của đá chủ yếu quyết định bởi cường
độ và tính chất xi măng.
- Gắn kết tiếp xúc: Các chất gắn kết chỉ có ở chỗ tiếp xúc giữa các hạt, trong đá có nhiều nhiều lỗ hổng.
- Gắn kết lấp đầy: Các hạt tiếp xúc nhau, lỗ hổng giữa các hạt đ−ợc lấp đầy bằng các xi măng gắn kết. Mức độ gắn kết phụ thuộc hình dạng và đặc tr−ng bề mặt của hạt.
Đây là loại gắn kết có cường độ tốt nhất. Khi hạt có hình dạng góc cạnh, mối liên kết với xi măng chặt chẽ hơn.
Cấu tạo của đá trầm tích cũng rất đa dạng. Trong đó, cấu tạo lớp là dạng đặc tr−ng nhất của đá trầm tích. Các lớp đá có thể khác nhau về thành phần hạt, khoáng vật, thành phần tạp chất, …, do sự thay đổi điều kiện trầm tích có chu kỳ hoặc do tích tụ gián đoạn. Thí dụ: trong trầm tích sông, hình thành các lớp hạt to, nhỏ xen kẽ nhau, bởi mùa lũ, nước sông mang đến hạt lớn và tích tụ, còn mùa cạn, các hạt tích tụ nhỏ hơn.
Chiều dày của lớp trầm tích không đều, từ vài centimét đến vài chục centimét, có khi tới hàng mét và ngay trong một lớp cũng có sự thay đổi rất đáng kể.
Trên mặt lớp th−ờng có khe nứt gọi là khe nứt mặt lớp, còn nếu không có khe nứt thì sự gắn kết giữa hai lớp cũng yếu.
Ngoài cấu tạo lớp, đá trầm tích còn có cấu tạo khối, cấu tạo dòng. Cấu tạo khối là cấu tạo có các hạt vụn sắp xếp lộn xộn không thành lớp. Loại này rất phổ biến trong đá
mảnh vụn cơ học. Chúng hình thành do trầm tích lắng đọng nhanh, vật liệu vận chuyển tới liên tục, nước luôn luôn bị khuấy động (tốc độ lớn, chảy rối). Cấu tạo này làm cho
đá đồng nhất theo các hướng nên bền vững. Cấu tạo dòng hình thành khi các hạt sắp xếp, định hướng theo phương dòng chảy, hướng gió, .…
1.7.3. Đặc điểm của đá biến chất
Nh− đã biết, đá biến chất đ−ợc hình thành là do đá trầm tích, đá macma hay đá
biến chất có trước bị biến đổi về thành phần và tính chất, dưới tác dụng của nhiệt độ cao, áp suất lớn hay do các phản ứng hóa học với dung dịch macma tạo nên. Vì vậy, trong đá biến chất, vừa có đặc điểm của đá macma, đá trầm tích, vừa có đặc điểm riêng do các tác dụng biến chất tạo ra.
1. Thế nằm của đá biến chất
Đá biến chất có dạng thế nằm giống với đá ban đầu tạo nên nó. Đá biến chất tiếp xúc có thế nằm riêng, thường có dạng vành đai với mức độ biến chất khác nhau bao quanh khối macma gây ra biến chất. Do vậy, biến chất tiếp xúc có thể gây ra sự không
đồng nhất về các tính chất vật lý, cơ học của đá.
2. Thành phần khoáng vật của đá biến chất
Thành phần khoáng vật của đá biến chất gần giống với thành phần khoáng vật của
đá macma. Trong chúng cũng phổ biến các loại khoáng vật nh− thạch anh, fenspat, pirôxen, amfibon, mica, …. Ngoài ra, có thể gặp các khoáng vật mà trong đá macma rất hiếm hoặc không có nh− granat, đisten, anđalusit, cocđierit, clorit, …. Trong đá biến chất, đóng vai trò quan trọng là những khoáng vật mà ở trong đá macma là thứ sinh nh− clorit, cacbonat, êpiđôt, …. Đó là các loại khoáng vật đặc tr−ng của đá biến chất để phân biệt với các đá khác.
Trong quá trình biến chất, hyđrat dạng keo và các hợp chất giàu n−ớc, bền vững