Ch− ơng II:
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)
_______________________________________________________________ 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 nh− sau:
- Nhân trái đất từ tâm ra đến 2900km, tồn tại ở thể rắn, thμnh phần chủ yếu lμ Fe- Ni.
- Lớp Manti d−ới từ 2900km đến 1000Km
- Lớp chuyển tiếp từ 1000km đến 400Km (đ−ợc 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 d−ới tồn tại d−ới dạng trung gian giữa rắn vμ lỏng, lớp manti trên tồn tại d−ới 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 d−ới dạng rắn. Qua nghiên cứu lớp nμy ng−ời 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 nh− Taylor, Goldsmitch, Levinson, Xaukov, Vinogradov. Tr−ớc 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 l−u ý đến tính phổ biến của các loại đá nh− đã mô tả ở bảng 2.1 d−ới đây).
Bảng 2.1: Sự phân bố của các đá trong vỏ trái đất (theo A.B.Ronova)
Đá Magma Thể tích % Đá Trầm tích Thể tích % Đá biến chất Thể tích % - Bazan vμ thuỷ tinh TN 42,5 - Sét bột kết 4,2 - Gơnai 21,4
- Granodiorit vμ Diorit 11,2 - Đá trầm tích cacbonat vμ trầm tích hóa học khác 2,0 - Phiến kết tinh 5,1 - Granit 10,4 - Cát kết 1,7 - Đá hoa 0,9 - Sienit 0,4 ∑ = 7,9 ∑ = 27,4 - Peridotit 0,2 ∑ = 64,7
Clark đã tính toán đ−ợc hμm l−ợng trung bình của các nguyên tố có trong mẫu. Về sau ng−ời ta lấy tên ông để gọi hμm l−ợng trung bình của các nguyên tố trong vỏ trái đất (số Clark). Các tính toán về sau của A.E Fersman (1934), Vinogradov (1962). E.Taylor (1964) về cơ bản lμ phù hợp với tính toán của A.Clark. Bảng 2.2 d−ới đây thống kê trị số Clark (hμm l−ợng) của các nguyên tố trong đất đá của vỏ trái đất (tính theo đơn vị 10-6
(ppm).
Bảng 2.2: Trị số Clark của một số nguyên tố trong vỏ trái đất (Theo Beri vμ Mason, 1982). Số TT ng.tử Ng. tố HL TB Số TT ng.tử Ng. tố HL TB Số TT ng.tử Nguyên tố HL TB 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 H 1.400 30 Zn 70 59 Pr 8,2 2 Li 20 31 Ga 15 60 Nd 28 4 Be 2,8 32 Ge 1,5 62 Sm 6,0 5 B 10 33 As 1,8 63 Eu 1,2 6 C 200 34 S 0,05 65 Gd 5,4 7 N 20 35 Br 2,5 66 Tb 0,9 8 O 466.900 37 Rb 90 67 Dy 3,0 9 F 625 38 Sr 375 68 Ho 1,2 10 Na 28.300 39 Y 33 69 Er 2,8 12 Mg 20.900 40 Zr 165 70 Tm 0,5 13 Al 81.300 41 Nb 20 71 Yb 3,4 14 Si 277.200 42 Mo 1,5 72 Lu 0,5 15 P 1.050 44 Ru 0,01 73 Hf 3 16 S 260 45 Rh 0,005 74 Ta 2 17 Cl 130 46 Pd 0,01 75 W 1,5 19 K 25.900 47 Ag 0,07 76 Re 0,0001 20 Ca 36.300 48 Cd 0,2 77 Os 0,005 21 Se 22 49 In 0,1 78 Ir 0,001
_______________________________________________________________ 39 22 Ti 4.400 50 Sn 2 79 Pt 0,01 23 V 135 51 Sb 0,2 80 Au 0,004 24 Cr 100 52 Te 0,01 81 Hg 0,08 25 Mn 950 53 I 0,5 82 tl 0,5 26 Fe 50.000 55 Cs 3 83 Pb 13 27 Co 25 56 Ba 425 90 Bi 0,2 28 Ni 75 57 La 30 91 Th 7,2 29 Cu 55 58 Ce 60 92 U 1,8
2.1.1..2. Tính phổ biến của các nguyên tố.
Từ bảng trên ta thấy rõ rμng hμm l−ợng %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 l−ợng >1% đã chiếm khoảng 99% khối l−ợng 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 l−ợng vỏ trái đất, khoảng 60% số l−ợng nguyên tử vμ chiếm hơn 90% thể tích của vỏ trái đất (Bảng 2.3).
Bảng 2.3: Khối l−ợng vμ thể tích 8 nguyên tố phổ biến nhất trong vỏ trái đất Nguyên tố Khối l−ợng (%) Số l−ợng ng.tử (%) Thể tích (%) O 46,690 62,55 91,7 Si 27,72 21,22 0,2 Al 8,13 6,47 0,5 Fe 5,00 1,92 0,5 Ca 3,63 1,94 1,5 Na 2,83 2,64 2,2 K 2,59 1,42 3,1 Mg 2,09 1,84 0,4
Nhìn vμo bảng trên ta thấy oxy chiếm hơn 90% thể tích vỏ trái đất. Chính vì vậy ta thấy oxy có mặt rất phổ biến trong các khoáng vật, cụ thể oxy có trong khoảng 2700 khoáng vật khác nhau. Kế sau đó lμ Silic (>900 khoáng vật), Fe (>880 khoáng vật) Ca (>860 khoáng vật), Al (700 khoáng vật), Na (560 khoáng vật), Mg (555 khoáng vật) (Bảng 2.4).
Ng−ợc lại ta cũng thấy có những nguyên tố hầu nh− không thμnh tạo khoáng vật độc lập nμo mμ chỉ tồn tại d−ới dạng thay thế đồng hình cho các nguyên tố khác. Ví dụ các nguyên tố Gali, Hafni, Rubidi. Điều đó đ−ợc quyết định bởi hμm l−ợng 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. T−ơng 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 ng−ời ta phân ra 3 loại:
- Các nguyên tố tạo khoáng: lμ thμnh phần chính của khoáng vật vμ có khả năng tạo các khoáng vật độc lập. Ví dụ: oxy tạo thμnh hơn 2700 kv, H: >1900 kv, Si: > 900 kv, Ca: Gần 870 kv, S: >760kv.
- Các nguyên tố phân tán: không có khả năng tạo các khoáng vật độc lập mμ chỉ tồn tại d−ới dạng thay thế đồng hình. Ví dụ: Ga, Hf, Rb vμ nhiều lantanoit khác.
- Các nguyên tố khí trơ: không tham gia vμo thμnh phần khoáng vật. Ví dụ: He, Ar, Xe, Kr, Rn, Ne.
Bảng 2.4: Số khoáng vật trong tự nhiên của một số nguyên tố hóa học SL Kh.V Các nguyên tố với số khoáng vật thực tế (trong ngoặc)
Nguồn: Yaroshevsky vμ Bulakh (1994)
Trong tự nhiên các nguyên tố trên có thể tồn tại ở dạng đơn chất (khoáng vật tự sinh) hoặc kết hợp với nhau tạo thμnh những hợp chất khác nhau (hình 2.4):
- Các hợp chất đơn giản (oxyt, hyđroxyt, sunfua....)
- Các hợp chất phức tạp (các gốc anion phức, các khoáng vật silicat, sunfat, cácbonat, phôt phát...)
_______________________________________________________________ 41 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tuy nhiên cần l−u ý rằng trong tự nhiên có những nguyên tố kém phổ biến hơn nh−ng lại đ−ợc con ng−ời biết đến vμ sử dụng nhiều hơn so với những khoáng vật có trị số Clark lớn hơn chúng. Điều đó đ−ợc quyết định bởi khả năng tích tụ thμnh những mỏ lớn vμ điều kiện khai thác vμ sử dụng chúng. Ví dụ: Đồng kém phổ biến hơn Zr, chì kém phổ biến hơn Gali... nh−ng Cu vμ Pb lại đ−ợc sử dụng phổ biến hơn Zr vμ Ga trong đời sống.
Trong tự nhiên các nguyên tố không phải phân bố một cách ngẫu nhiên mμ có xu h−ớng tập hợp theo những quy luật nhất định. Khi nghiên cứu đặc tính phân bố của các nguyên tố trong vỏ trái đất, Saukov đã đ−a ra bảng phân loại địa hóa các nguyên tố bao gồm các nhóm −a đá (lithophile) bao gồm các nguyên tố chủ yếu của các khoáng vật tạo đá, các nguyên tố −a đồng (chancophile) bao gồm các nguyên tố có thể kết hợp với nhóm sunphua để tạo các khoáng vật quặng, nhóm −a sắt (Siderophile) bao gồm các nguyên tố thuộc nhóm platin có khả năng tạo các khoáng vật tự sinh vμ nhóm −a khí (aerophile) bao gồm các khoáng vật tồn tại ở trạng thái tự do trong khí quyển của vỏ trái đất (bảng 2.4).
Bảng 2.4: Phân loại địa hoá các nguyên tố (theo Xaukov, 1938)
Ưa đá Ưa đồng Ưa sắt Ưa khí
Li, Na, K, Rb, Cs Cu, Ag Pt, Ir, Os Các khí trơ Be, Mg, Ca, Sr, Ba Zn, Cd, Hg Ru, Rh, Pd N, (C) B, Al, Sc, Y In, Tl, Pb Au, (Fe)
Các đất hiếm (lantanoid) As, Sb, Bi C, Si, Ti, Zr, Hg S, Se, Te Th, P, V, Nb, Ta Ni, Co, (Fe) O, Cr, W, U Mo, Re, (Mn) H, F, Cl, Br, I (Ga), (Ge), (Sn) Fe, Mn, Ga, Ge, Su
(Mo), (Cu), (Zn), (Pb) (Te), (As), (Sb), (Bi) (S), (Se), (Te), (Ni), (Co)
2. 2. Vai trò của n−ớc trong thμnh phần khoáng vật.
N−ớc đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong các khoáng vật. N−ớc tham gia vμo thμnh phần của hơn 2000 khoáng vật khác nhau. Ngoμi ra, rất nhiều khoáng vật đ−ợc thμnh tạo trong môi tr−ờng n−ớc vμ liên quan với n−ớc.
Dựa vμo mức độ tham gia của n−ớc vμo trong cấu trúc vμ nhiệt độ tách (mất) n−ớc, ng−ời ta chia ra các loại n−ớc sau:
2.2.1. N−ớc cấu trúc
Loại n−ớc nμy tham gia vμo trong khoáng vật ở dạng anion (OH). Chúng có mặt trong các muối oxi, oxit vμ hyđroxyt. N−ớc nμy tham gia vμo ô mạng của tinh thể, chúng
th−ờng đ−ợc sắp xếp cố định quanh các ion nhất định tạo thμnh những ion phức vμ th−ờng chiếm một tỷ lệ cố định trong khoáng vật.
Ví dụ: Khoáng vật bruxit (hình 2.5a) do oxit đơn giản MgO kết hợp với H2O tạo nên. Khi nung nóng n−ớc lại bị phân ly theo ph−ơng trình ng−ợc lại tạo thμnh pericla (hình 2.5b): Mg(OH)2→ MgO + H20.
a b
Hình 2.5: a-Cấu trúc tinh thể brucite, (Mg(OH)2), (Mg-các quả cầu mμu vμng, O-mμu đỏ, H- mμu hồng), b- khi mất n−ơc bruxit sẽ chuyển thμnh khoáng vật mới- pericla (MgO) (Mg-các quả
cầu mμu xanh, O-các quả cầu nâu đỏ).
Ngoμi nhóm hyđroxyt, n−ớc cấu trúc có thể tồn tại trong một số khoáng vật (th−ờng lμ silicat) ở dạng ion ocxonyl (H3O)+ (nó th−ờng thay thế cho các cation bán kính lớn (chẳng hạn K+) trong các silicat cấu trúc lớp. VD: trong muscovit -> hydromustcovit: KAl2 (OH)2 [AlSi3O10] -> (K,H3O, Al, Ag, Fe) [AlSi3O10].
Đặc điểm của n−ớc cấu trúc lμ chỉ bị tách ra ở nhiệt độ cao (th−ờng > 4000) vμ khi mất n−ớc dẫn đến phá hủy hoμn toμn cấu trúc.