Giáo trình thạch học đá magma: Dạng nằm và thành phần khoáng vật

Tổng hợp kiến thức chương 7 về đá magma, cấu trúc tinh thể khoáng vật và nguyên lý thạch học. Tài liệu chi tiết giúp nắm vững quá trình hình thành địa chất.

• Chuyên ngành: Địa chất học
• Đề tài: Đá magma
• Loại tài liệu: Bài giảng

Tóm tắt

I. Tổng quan về đá magma tinh thể khoáng vật và thạch học

Đá magma là thành phần nền tảng cấu tạo nên lớp vỏ Trái Đất. Vật liệu này hình thành khi dung thể silicat nóng chảy hạ nhiệt và đông nguội. Dung thể magma chứa các hợp phần nóng chảy ở dải nhiệt độ từ 600 đến 1200 độ C. Áp suất lớn trong lòng đất giữ lại lượng chất bốc hòa tan phong phú. Khi môi trường áp suất và nhiệt độ thay đổi, magma bắt đầu quá trình kết tinh khoáng vật. Thạch học nghiên cứu toàn diện nguồn gốc, dạng nằm và tổ hợp khoáng vật của các khối magma. Phân loại cơ bản chia đá magma thành hai nhóm chính: đá xâm nhập và đá phun trào. Đá xâm nhập hình thành ở các tầng sâu hoặc nông bên dưới bề mặt đất. Đá phun trào xuất hiện khi dung nham trào thoát lên mặt đất qua các miệng núi lửa hoặc khe nứt địa chất. Quá trình làm nguội quyết định trực tiếp đến kiến trúc và cấu tạo đá. Môi trường magma sâu nguội chậm tạo điều kiện phát triển tinh thể khoáng vật kích thước lớn. Ngược lại, magma phun trào nguội nhanh thường tạo ra khoáng vật vi tinh hoặc thủy tinh núi lửa.

1.1. Bản chất hóa lý của dung thể magma nóng chảy

Dung thể magma là dung dịch silicat nóng chảy phức tạp. Thành phần hóa học chứa các oxide chủ yếu như SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MgO, CaO, Na2O và K2O. Tỷ lệ oxit silic xác định tính acid hoặc base của magma. Độ nhớt dung thể chịu ảnh hưởng lớn từ hàm lượng SiO2, lượng chất bốc và lượng mầm tinh thể. Magma giàu silica có độ nhớt cao nên di chuyển chậm. Magma nghèo silica có độ linh động cao, dễ dàng di chuyển và phun trào. Chất bốc hòa tan như hơi nước, khí carbonic giúp giảm nhiệt độ kết tinh. Khí thoát ra mạnh mẽ khi áp suất giảm đột ngột tại các miệng phun trào.

1.2. Phân loại đá magma xâm nhập và đá magma phun trào

Vị trí kết tinh phân định đá magma thành hai nhánh địa chất riêng biệt. Đá magma xâm nhập sâu kết tinh tại độ sâu trên 5 km dưới áp suất lớn. Tốc độ mất nhiệt chậm tạo nên đá có kiến trúc toàn tinh hiển tinh rõ nét. Đá xâm nhập nông hình thành gần bề mặt với độ sâu dưới 5 km. Khối đá xâm nhập nông nguội nhanh hơn nên hạt tinh thể có kích thước trung bình và nhỏ. Đá magma phun trào sinh ra từ dòng dung nham thoát lên mặt đất. Sự hạ nhiệt và giải phóng khí tức thì tạo nên kiến trúc vi tinh, nửa thủy tinh hoặc thủy tinh.

II. Phân tích tinh thể khoáng vật và dạng nằm thạch học

Sự kết tinh khoáng vật trong dung thể magma tuân theo các quy luật hóa lý nghiêm ngặt. Dãy phản ứng Bowen minh họa trình tự kết tinh liên tục và gián đoạn của khoáng vật theo sự suy giảm nhiệt độ. Khoáng vật sẫm màu giàu magnesi và sắt kết tinh trước ở nhiệt độ cao. Khoáng vật sáng màu giàu nhôm và silic kết tinh muộn hơn ở nhiệt độ thấp hơn. Sự phân dị magma tạo nên tính đa dạng về thành phần khoáng vật trong từng thể đá. Bên cạnh cơ chế kết tinh, dạng nằm của các thể magma phản ánh động lực học magma và cấu trúc vỏ Trái Đất. Magma dịch chuyển theo các đới đứt gãy, hệ thống khe nứt và các nếp uốn kiến tạo. Thể địa chất xâm nhập chỉnh hợp bao gồm thể vỉa, thể chậu, thể nấm và thể thấu kính. Những thể này có ranh giới tiếp xúc song song với mặt lớp đá vây quanh. Dạng nằm bất chỉnh hợp gồm thể tường, thể cán và thể nền batolit khổng lồ cắt qua các tầng đá cổ. Đá phun trào xuất hiện dưới dạng lớp phủ, dòng chảy dung nham hoặc họng núi lửa.

2.1. Nhóm khoáng vật nguyên sinh thứ sinh và biến sinh

Khoáng vật nguyên sinh kết tinh trực tiếp từ magma mà không chịu ảnh hưởng bởi tác nhân ngoại lai. Olivin, pyroxen, plagioclase và thạch anh là các khoáng vật nguyên sinh tiêu biểu. Khoáng vật thứ sinh sinh ra do khoáng vật nguyên sinh bị biến đổi nhiệt dịch hoặc phong hóa. Hiện tượng saussurite hóa trên plagioclase và sét hóa trên fenspat là các ví dụ điển hình. Khoáng vật biến sinh xuất hiện khi điều kiện hóa lý thay đổi sau giai đoạn kết tinh ban đầu. Quá trình biến đổi tridymite thành thạch anh hoặc orthoclase albite hóa phản ánh rõ sự biến sinh này.

2.2. Đặc điểm hình thái dạng nằm của các thể địa chất magma

Dạng nằm của đá magma xâm nhập phụ thuộc vào áp suất magma và cấu trúc đá vây quanh. Thể vỉa hình thành khi magma lọt vào giữa hai lớp đá nằm ngang với chiều dày hàng chục mét. Thể nấm có mặt trên lồi và mỏng dần về phía rìa ngoài. Thể tường phân bố dạng mạch dốc đứng cắt chéo qua các phân lớp đá trầm tích. Thể nền batolit sở hữu quy mô khổng lồ với diện tích lộ đá vượt quá hàng trăm kilomet vuông. Ngược lại, đá phun trào tạo nên các lớp phủ bazan rộng lớn hoặc khối nón dung nham dốc đứng tại trung tâm phun nổ.

III. Phương pháp nghiên cứu kiến trúc thạch học đá magma

Nghiên cứu thạch học đòi hỏi sự kết hợp giữa khảo sát thực địa và phân tích lát mỏng thạch học dưới kính hiển vi phân cực. Chuyên gia địa chất tiến hành thu thập mẫu đá nguyên khối tại các vết lộ tự nhiên. Quá trình gia công lát mỏng với chiều dày tiêu chuẩn ba mươi micromet cho phép ánh sáng truyền qua cấu trúc tinh thể. Kính hiển vi quang học giúp xác định rõ mức độ kết tinh, kích thước hạt và mối quan hệ không gian giữa các khoáng vật. Phương pháp phân tích kiến trúc phân loại mẫu đá dựa trên trình độ kết tinh từ toàn tinh, nửa thủy tinh đến thủy tinh vô định hình. Kích thước tinh thể hiển tinh hoặc ẩn tinh cung cấp dữ liệu chính xác về tốc độ mất nhiệt của buồng magma. Các kiến trúc đặc trưng như kiến trúc porphyr, ophite, pilotacxit và mọc xen pegmatite được nhận diện chuẩn xác. Bên cạnh đó, phương pháp phân tích phổ huỳnh quang tia X (XRF) và vi phân tích đầu dò điện tử (EPMA) được ứng dụng để định lượng oxide chính xác. Dữ liệu hóa học giúp xây dựng biểu đồ phân loại TAS chuẩn quốc tế.

3.1. Nhận diện kiến trúc tinh thể và cấu tạo lỗ hổng

Quan sát vi thể giúp nhận diện sự sắp xếp không gian của tinh thể khoáng vật. Kiến trúc ophite thể hiện các thanh plagioclase tự hình đan xen với pyroxen lấp đầy khe hở. Kiến trúc mọc xen myrmekite và granophyre thể hiện sự kết tinh đồng thời giữa thạch anh và fenspat. Đối với đá phun trào bazan, cấu tạo bọt, cấu tạo xỉ và cấu tạo hạnh nhân phản ánh mức độ thoát khí trong dung nham. Bọt khí bị giữ lại khi dung nham đông cứng nhanh trên mặt đất. Các khoáng vật thứ sinh như canxit, thạch anh hoặc zeolite sau đó kết tủa lấp đầy lỗ hổng tạo nên cấu tạo hạnh nhân.

3.2. Đo đạc tỷ lệ oxide và phân loại khoáng vật thạch học

Phân tích hóa silicat xác định hàm lượng phần trăm các oxide chủ yếu gồm SiO2, Al2O3, FeO và MgO. Căn cứ vào tỷ lệ SiO2, đá magma được chia thành các nhóm siêu base, base, trung tính và acid. Khoáng vật sáng màu (salic) giàu silic và nhôm chiếm ưu thế trong đá acid như granit và riolit. Khoáng vật sẫm màu (femic) giàu magnesi và sắt chiếm hàm lượng cao trong đá base như gabbro và bazan. Tỷ lệ thể tích giữa các nhóm khoáng vật chủ yếu đóng vai trò quyết định trong việc gọi tên thạch học và phân loại chi tiết các phức hệ đá magma.

IV. Ứng dụng thạch học đá magma và tinh thể khoáng vật

Hiểu biết sâu sắc về thạch học đá magma mang lại giá trị to lớn trong địa chất kinh tế và công nghiệp xây dựng. Các khối magma xâm nhập và phun trào là nguồn cung cấp khoáng sản kim loại và phi kim quan trọng. Quá trình kết tinh phân dị magma tạo tiền đề hình thành các mỏ quặng nhiệt dịch như đồng, vàng, molypden và thiếc. Các thể pegmatite giàu tinh thể khoáng vật kích thước lớn chứa nhiều nguyên tố hiếm, đá quý và fenspat công nghiệp chất lượng cao. Trong lĩnh vực xây dựng và vật liệu hạ tầng, đá magma cung cấp nguồn đá ốp lát và đá dăm chịu lực vượt trội. Đá granit với kiến trúc hạt thô liên kết chặt chẽ sở hữu độ bền cơ học cao, chống chịu mài mòn tốt trong các công trình kiến trúc. Đá bazan với cấu tạo đặc sít là nguyên liệu đắc lực cho sản xuất đá rải đường ray, bê tông cường độ cao và sợi khoáng cách nhiệt bazan. Việc giải mã cấu trúc thạch học giúp đánh giá chính xác độ ổn định địa chất nền móng công trình và định hướng công tác thăm dò khai thác tài nguyên hiệu quả.

4.1. Khai thác khoáng sản từ các phức hệ đá magma

Sự nguội lạnh và tiến hóa hóa học của magma dẫn đến quá trình tích tụ quặng kim loại giá trị. Các thể magma siêu base và base kết tinh sớm thường chứa các mỏ quặng cromit, platin và niken quy mô lớn. Dung dịch nhiệt dịch tách ra từ các khối magma acid granitoyid tạo nên các thể mạch thạch anh chứa vàng, wolfram và thiếc. Các thể pegmatite tạo môi trường lý tưởng để khai thác đá quý như topaz, beryl, tourmaline cùng các khoáng vật đất hiếm quan trọng. Nghiên cứu thạch học cung cấp chìa khóa định vị ranh giới quặng hóa trong vỏ Trái Đất.

4.2. Khai thác đá magma trong công trình xây dựng hạ tầng

Tính chất cơ lý vượt trội của đá magma khiến nhóm đá này trở thành vật liệu xây dựng phổ biến nhất. Đá granit, gabbro và diabase có độ cứng lớn, khả năng kháng nén cao và chịu được điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Các khối đá xâm nhập được khai thác làm đá khối ốp lát trang trí nội ngoại thất và kè bờ công trình biển. Đá bazan có cấu tạo khối nứt dạng cột hoặc dạng đặc sít cung cấp cốt liệu bê tông chất lượng vượt trội. Hiểu rõ kiến trúc vi mô giúp lựa chọn loại đá phù hợp với yêu cầu tải trọng từng hạng mục kỹ thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 7 ĐÁ MAGMA 1. Thành phần vật chất 4. Khái niệm • Đá magma: hình thành do magma nguội lạnh. • Magma: dung thể chủ yếu là silicate nóng chảy, thường ở nhiệt độ cao, áp suất lớn khiến, các chất bốc được giữ lại và hòa tan trong dung thể.

◦ Có thể chứa pha rắn hoặc pha khí. ◦ T ~ 600-1200oC ◦ Khả năng di chuyển của magma phụ thuộc vào độ nhớt. Khái niệm ◦ Độ nhớt của magma phụ thuộc vào * Độ acid. * Hàm lượng chất bốc.

* Lượng tinh thể. • Dung nham: magma trào ra trên bề mặt trái đất. Khái niệm • Đá magma xâm nhập: hình thành dưới mặt đất ◦ Xâm nhập sâu: ở độ sâu lớn (>5km) ◦ Xâm nhập nông: gần mặt đất (<5km) • Đá magma phun trào: thành tạo trên mặt đất 4 1. Khái niệm *** magma >< đá magma? ◦ T cao giảm dần ◦ P cao giảm dần ◦ Chất bốc cao thấp hơn Kilauea (Hawaii) 5 1.

Khái niệm • Quá trình kết tinh của magma ở mỗi giai đoạn nhiệt độ nhất định → cấu tạo, kiến trúc nhất định. * Trình tự kết tinh → hình dạng khoáng vật. Khái niệm Liệt phản ứng Bowen 7 1. Khái niệm * Tốc độ kết tinh → kích thước khoáng vật.

Khái niệm * Tốc độ kết tinh → kích thước khoáng vật. Dạng nằm • Các đặc điểm về hình dạng, kích thước, mối quan hệ với các đá vây quanh, cấu trúc bên trong và vị trí của đá magma trong khu vực. Dạng nằm • Các yếu tố ảnh hưởng ◦ Hoạt tính của magma: độ nhớt của magma, chất bốc trong magma, chênh lệch tỷ trọng magma và đá vây quanh, áp suất. ◦ Cấu trúc và chuyển động của đá vây quanh: đứt gãy, hệ thống khe nứt tỏa tia, vòm nếp uốn.

Dạng nằm • Phân loại theo hình thái ◦ Dạng nằm của đá magma xâm nhập Thể vỉa Thể chậu Dạng nằm chỉnh hợp Thể nấm Thể thấu kính Thể tường Thể cán Dạng nằm bất chỉnh hợp Thể nền/ thể batolit 12 2. Dạng nằm • Phân loại theo hình thái ◦ Dạng nằm của đá magma phun trào  Dạng lớp phủ (chảy tràn trên mái)  Dạng dòng chảy (phun trào khe nứt, trung tâm)  Dạng vòm (phun trào trung tâm)  Dạng kim (phun trào trung tâm)  Cổ/ họng (phun trào trung tâm) 13 2. Dạng nằm • Thể vỉa: magma có áp xuyên vào khoảng giữa 2 lớp đá, hai mặt tiếp xúc song song. Dày vài chục → vài trăm m, rộng đến hàng trăm km.

• Thể chậu: hai mặt tiếp xúc đều lõm và mỏng dần ở rìa. Dày khoảng 1/20 đường kính. • Thể nấm: mặt tiếp xúc trên lồi, mỏng dần ở rìa, bề dày lớn (>1/7 đường kính). • Thể thấu kính: mặt tiếp xúc trên lồi, mặt tiếp xúc dưới lõm, mỏng dần ở rìa.

Dày khoảng 1/20 đường kính. Dạng nằm • Thể tường: mặt tiếp xúc 2 bên song song, độ dốc lớn, có thể kéo dài từ hàng chục m đến hàng trăm km, dày thường từ vài cm đến vài m. • Thể cán: kích thước lớn, dạng đẳng thước, to dần về phía dưới, thường không có đáy, phân bố sâu. • Thể nền: hình dạng giống thể cán nhưng có kích thước lớn hơn (thường lớn hơn 100-200km2).

• Dạng lớp phủ: diện rộng, dày nhỏ, độ dốc nhỏ. • Dạng dòng chảy: dài (lên đến vài chục km), thường hẹp, bề dày nhỏ. Dạng nằm thể dị li 16 17 18 3. Thành phần vật chất • Thành phần hoá học: Tỷ lệ % các oxide.

◦ Hợp phần chủ yếu: chiếm vài phần trăm (SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MgO, CaO, Na2O, K2O, H2O.) ◦ Hợp phần thứ yếu: chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong đá (TiO2, ZrO2, MnO2, P2O5, BaO, .) ◦ Hợp phần phụ: không phổ biến ở mọi loại đá mà chỉ có trong vài loại đá riêng biệt (Cu, Ni, Co, Cr, Au, Sn, Mo, W, Th.) có khi chỉ tập trung ở các thể dị li, hoặc trong pegmatite. Thành phần vật chất Oxide % trung bình % thông thường SiO2 59.15 0-3 Thành phần và hàm lượng trung bình các oxide chính 20 3. Thành phần vật chất (mafic) (felsic) Mg, Fe, Ca, Al, Na, K 21 3. Thành phần vật chất • Thành phần khoáng vật Khoáng vật % KV màu Nguyên sinh Sáng màu (SALIC) Chính Thứ sinh Chủ yếu Sẫm màu (FEMIC) Thứ yếu Biến sinh Phụ Tha sinh 22 3.

Thành phần vật chất • KV nguyên sinh: kết pl tinh từ magma, py không có vật liệu bên pl ngoài, không có các quá trình ngoại sinh. py ol pl ol pl pl 23 3. Thành phần vật chất • KV thứ sinh: KV nguyên Saussurite hóa trên pl sinh biến đổi; không ảnh hưởng phân loại đá. ◦ Tác dụng với khí thoát ra từ Mm (gđ khí hoá).

◦ Tác dụng với dung dịch thoát ra từ Mm (gđ nhiệt dịch). ◦ Quá trình phong hóa. Sét hóa trên or 24 3. Thành phần vật chất • KV biến sinh: thay đổi điều kiện hoá lý sau khi Mm đã kết tinh.

◦ Tridimite (T cao) → qu (T thấp) ◦ Fp (K,Na) → microperthite Or bị albite hóa ◦ Sanidine → orthoclase • KV tha sinh: Mm đồng hoá đá vây quanh. ◦ Gra + sét → silimanite, corundum ◦ Gra + đvôi → wollastonite Wollastonite trong đá skarn 25 3. Thành phần vật chất • KV chính: có hàm lượng vài % trong đá ◦ KV chủ yếu (hàm lượng >5%) → gọi tên đá ◦ KV thứ yếu → phân chia nhóm đá chi tiết hơn or pl * Mỗi loại đá có thành phần khoáng vật chủ yếu khác nhau. Thành phần vật chất • KV phụ: có hàm lượng rất nhỏ → phân chia các phức hệ zircon apatite * Một KV có thể là KV chính trong đá này nhưng lại là KV phụ trong đá khác.

Thành phần vật chất • KV sáng màu (SALIC) ◦ Chứa chủ yếu Si, Al, Ca, Na, K ◦ Thường có màu trắng, màu nhạt Thạch anh và các biến thể, ◦ Tỷ trọng nhỏ (<2.77) albite, orthoclase, anorthite. • KV sẫm màu (FEMIC) Pyroxene, amphibole, olivine, ◦ Chứa chủ yếu Fe và Mg mica, oxide Fe, KV quặng (magnetite, ilmenite, hematite)… ◦ Tỷ trọng lớn (>2. Thành phần vật chất • Chỉ số màu: % KV sẫm màu. ◦ >90%: đá rất sẫm màu.

* leuco- ; meso-; mela- 29 3. Thành phần vật chất Khoáng vật Granite Diorite Gabbro Thạch anh 25 2 - Feldspar K 40 3 - Oligoclase 26 - - Andesine - 64 - Labradore - - 65 Biotite 5 5 1 Amphibole 1 12 3 Pyroxene thoi - 3 6 Pyroxene xiên - 8 14 Olivine - - 7 Magnetite 2 2 2 Ilmenite 1 - 2 Apatite Ít Ít - Sphene Ít Ít - 30 3. Thành phần vật chất • Các KV đá Mm kết tinh trong nhiều Gđ khác nhau: ◦ Gđ Mm: kết tinh từ dung thể Mm → KV nguyên sinh. ◦ Gđ khí hoá: khi phần lớn các KV đã kết tinh, xung quanh các hạt là dung thể tàn dư giàu chất bốc và phản ứng với các KV có trước → KV thứ sinh.

◦ Gđ nhiệt dịch: khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn, hơi nước ngưng tụ thành dd hoà tan → KV thứ sinh 31 3. Thành phần vật chất Thứ tự kết tinh các khoáng vật KV Gđ magma Gđ khí hoá Gđ nhiệt dịch Gđ biến sinh Ol Py Am Bt Pl Or Qu Ser Epi Kao Cl Li 32 4. Cấu tạo (structure) Sự phân bố (khả năng lấp đầy) trong không gian của các hợp phần tạo nên đá. • Cấu tạo phụ thuộc: ◦ Các nguyên nhân bên trong, liên quan đến đặc điểm kết tinh của đá → CT nội sinh: CT (khối) đồng nhất, CT dị li, CT taxit, CT cầu… ◦ Các yếu tố bên ngoài: trọng lực, di chuyển Mm, dòng đối lưu, áp suất → CT ngoại sinh: CT định hướng, CT dải, CT dòng chảy, CT lỗ hổng, CT bọt, CT xỉ, CT hạnh nhân… • Khối nứt nguyên sinh, khối nứt dạng cột (lăng trụ), dạng vỉa, dạng nêm.

36 CT khối đồng nhất trong đá granodiorite 37 CT dị li (ultramafic) trong basalt (Vũng Tàu) CT dị li (gabbro) trong diorite 38 CT cầu trong basalt 39 Khối nứt dạng cột trong đá basalt (Phú Yên) 40 CT định hướng trong đá gabbro CT hạnh nhân (zeolite) trong đá andesite CT định hướng trong đá diabase 41 vesicular Cấu tạo lỗ hổng của basalt. 42 pumice Cấu tạo bọt của basalt. 43 scoria Cấu tạo xỉ của basalt. Kiến trúc (texture) • Hình dạng, kích thước, mức độ kết tinh và quan hệ trong không gian của các hợp phần tạo nên đá.

• Trình độ kết tinh: toàn tinh, nửa thủy tinh, thủy tinh. • Kích thước tuyệt đối: hiển tinh (hạt lớn, hạt vừa, hạt nhỏ), ẩn tinh. • Kích thước tương đối: hạt đều, hạt không đều, porphyr, dạng porphyr. • Hình dạng: toàn tự hình, nửa tự hình, toàn tha hình.

• Kiến trúc mọc xen: pegmatite (vân chữ, chữ cổ, granophyre), myrmekite, perthite. Kiến trúc (texture) • KT khảm: các tinh thể tự hình của kv này được gắn bởi một tinh thể lớn tha hình hơn. • KT ophite: pl có dạng tinh thể kéo dài tự hình xếp chéo nhau tạo nên khoảng trống được lấp đầy bởi py tha hình. • → KT khảm – ophite.

• KT pilotacxit: khoảng trống giữa các pl chéo nhau là thủy tinh. • KT vành phản ứng: kv màu bị bao quanh bởi một vành kv màu khác. • KT aphia: không có ban tinh. • Số lượng tương đối giữa vi tinh – thủy tinh: KT gian phiến, intersertal (vi tinh 75%), KT hyalopilite (vi tinh 50%), KT vitrophyr (vi tinh 25%).

Kiến trúc (texture) • KT spherolite: tập hợp tỏa tia do quá trình tái kết tinh thủy tinh → felsite. • KT aplite: hạt nhỏ, rất nhỏ, tha hình. • KT pegmatoid: đá pegmatite có các hạt kv kích thước lớn sắp xếp không có quy luật.