Giáo trình Địa chất đại cương - Vũ Như Hùng (Phần 1)

Nội dung text: Giáo trình Địa chất đại cương - Vũ Như Hùng (Phần 1)

1. TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM Người biên soạn: TS. Vũ Như Hùng
2. Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐỊA CHẤT HỌC 1.1. Khái niệm về Địa chất học Cụm từ “Địa chất học” xuất phát từ chữ Hylạp geologia (geo: Trái Đất và logia: nghiên cứu hoặc khoa học). Như vậy địa chất học là môn khoa học nghiên cứu về quy luật hình thành, phát triển, biến đổi của Trái Đất và các yếu tố của nó trong quá khứ, hiện tại. Những nhà khoa học nghiên cứu về các vấn đề trên được gọi là nhà địa chất (geologist). Các nhà địa chất tiến hành nghiên cứu ở khắp nơi trên Trái Đất từ những miền núi cao, băng giá, tới đáy đại dương. Những công việc của họ là nhằm hiểu biết tất cả các quá trình xảy ra trên Trái Đất và giải đoán lịch sử phát triển lâu dài và phức tạp của Trái Đất. Các quá trình nghiên cứu của các nhà địa chất tuân theo tất cả các quy luật tự nhiên được các nhà vật lý, hoá học, và toán học phát hiện. Địa chất học cũng là một ngành có tính thực tiễn đặc biệt vì nó là khoa học nghiên cứu về Trái Đất mà chúng ta đang sống, và những kết quả nghiên cứu có thể được kiểm chứng hoặc dựa trên những bằng chứng thực tế mà từ đó đem lại hiểu biết về các hành vi của Trái Đất. 1.2. Đối tượng và nhiệm vụ của Địa chất học Địa chất học được chia thành nhiều nhánh nghiên cứu khác nhau trong đó có địa chất cơ sở (general geology) và địa chất lịch sử (historical geology). Địa chất cơ sở nghiên cứu các quá trình địa chất xảy ra trên hoặc bên dưới bề mặt Trái Đất và các vật chất bị chúng tác động. Địa chất lịch sử nghiên cứu về trình tự thời gian mà các sự kiện, cả tự nhiên và sinh học đã xảy ra trên Trái Đất trong quá khứ. Ngoài ra phụ thuộc vào đối tượng nghiên cứu cụ thể mà các nhánh đó lại được chia ra thành nhiều môn khác nhau, ví dụ như: - Các môn khoa học địa chất nghiên cứu về thành phần vật chất của vỏ Trái Đất: khoáng vật học, thạch học - Các môn nghiên cứu về các quá trình hình thành các loại đá khác nhau: địa tầng học, trầm tích luận, thạch học đá magma, thạch học đá biến chất - Các môn nghiên cứu về vận động của vỏ Trái Đất: địa chất cấu tạo, địa kiến tạo, địa mạo, tân kiến tạo - Các môn nghiên cứu về các loại khoáng sản, tiềm năng của chúng và phương pháp thăm dò và khai thác chúng: khoáng sản học, địa chất thủy văn, tìm kiếm thăm dò khoáng sản, địa vật lý, kinh tế địa chất, khoan thăm dò. - Các môn nghiên cứu về môi trường và tai biến địa chất: địa chất môi trường - Các môn nghiên cứu về điều kiện địa chất để xây dựng công trình: địa chất công trình, địa kỹ thuật. Một đối tượng nghiên cứu quan trọng của địa chất học và có mặt trong tất cả các nhánh hoặc môn khoa học địa chất là các loại đá (rocks). Đá là một tổ hợp cộng sinh tự nhiên của các khoáng vật được hình thành trong vỏ Trái Đất trong một điều kiện địa chất nhất định và tạo thành một phần của các hành tinh. Tóm lại, địa chất học tập trung nghiên cứu: cấu trúc, đặc điểm vật lý, động lực, lịch sử của các vật liệu trên Trái Đất, kể cả các quá trình hình thành, vận chuyển, biến đổi của các vật liệu này. 1.3. Mối quan hệ của Địa chất học với các ngành khoa học khác Vì địa chất học là ngành khoa học nghiên cứu về Trái Đất, nó bao gồm việc nghiên cứu tất cả các hoạt động, quá trình và sự phát triển theo thời gian của các đối tượng địa chất trong 1
3. những điều kiện vật lý, hóa học, sinh học và các điều kiện tự nhiên khác vô cùng phức tạp. Do đó địa chất học có mối quan hệ khăng khít với hầu hết các ngành khoa học khác như: vật lý, hóa học, toán học, cơ học, sinh vật học. Địa chất học không những sử dụng thành quả của các nghiên cứu này mà còn bổ sung các dữ liệu và kiểm chứng những kết quả của các nghiên cứu đó. Mối liên hệ giữa địa chất học và các môn khoa học cơ bản còn được thể hiện bởi sự ra đời của một loạt các môn khoa học có tính chất liên kết với mục đích giải quyết các vấn đề của địa chất học như: địa hoá học, địa vật lý, toán địa chất, tin học địa chất 1.4. Ý nghĩa của nghiên cứu địa chất đối với cuộc sống con người Việc nghiên cứu địa chất có ý nghĩa thực tiễn quan trọng với mục đích cuối cùng là phục vụ đời sống của con người. Cuộc sống của muôn loài phụ thuộc vào môi trường xung quanh và môi trường đó được quyết định bởi các quá trình địa chất trên mặt hoặc bên trong Trái Đất. Do đó mức độ hiểu biết của chúng ta về hành vi của các quá trình địa chất sẽ quyết định tương lai của nhân loại nhờ những dự báo và tiên đoán của chúng ta. Để có thể dự đoán được những gì sẽ xảy ra trong tương lai, chúng ta phải hiểu rõ rất cả về vật chất của Trái Đất và các quá trình địa chất. Tất cả nguồn tài nguyên mà chúng ta đang sử dụng đều đến từ Trái Đất, do đó việc nghiên cứu và hiểu biết rõ quy luật phân bố, trữ lượng tài nguyên (khoáng sản, nước dưới đất ) có mặt bên trong và trên mặt đất và ý nghĩa của chúng đối với cuộc sống con người sẽ giúp chúng ta định hướng được sự phát triển thông qua việc khai thác và sử dụng tài nguyên hợp lý. Vì toàn bộ các kết cấu do con người tạo ra (nhà cửa, đường xa, cầu cống, sân bay, thủy điện ) đều được đặt trên nền móng là phần trên cùng của Trái Đất nên độ an toàn và ổn định của chúng sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào sự hiểu biết về đặc điểm của nền móng này thông qua việc nghiên cứu địa chất. Tất cả các tai biến đã, đang và sẽ xảy ra đều có nguồn gốc từ các hoạt động của Trái Đất. Có thể một ngày nào đó chúng ta học được cách để khống chế các thiên tai, nhưng hiện tại điều tốt nhất ta có thể làm được đó là dự đoán các thiên tai đó sẽ xảy ra khi nào và ở đâu để chuẩn bị đối phó nếu chúng xảy ra. Để có thể dự đoán được chính xác các hiện tượng tự nhiên đó, ta phải biết được sự thay đổi có thể xảy ra và các dấu hiệu của nó thông qua việc nghiên cứu các quá trình địa chất. 1.5. Xu thế phát triển của Địa chất học Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của nghiên cứu khoa học trong thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, ngành địa chất học thế giới cũng đang đứng trước những cơ hội và thử thách mới. Với sự ứng dụng ngày càng tăng các thành tựu của khoa học công nghệ trong nghiên cứu địa chất, địa chất học ngày càng được định lượng hóa cả ở tầm vĩ mô và vi mô. Việc nghiên cứu địa chất ngày càng được chính xác hóa và những kết quả nghiên cứu ngày càng tiệm cận với quy luật thực tế của các quá trình địa chất, cả trong quá khứ và hiện tại. Việc nghiên cứu địa chất không chỉ được thúc đẩy trên đất liền mà còn được tiến hành rộng rãi trên biển và dưới đáy đại dương, và tiến sâu hơn vào các phần sâu hơn của Trái Đất. Hơn thế nữa, việc nghiên cứu địa chất đang được tiến hành với quy mô ngày càng tăng vào mối quan hệ giữa Trái Đất với các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời, và bản chất địa chất của các hành tinh cũng như của vũ trụ đã hình thành môn địa chất vũ trụ. 1.6. Các phương pháp nghiên cứu trong Địa chất học Cũng như các môn khoa học khác, địa chất học sử dụng một tổ hợp các phương pháp nghiên cứu theo logic khoa học tự nhiên là đi từ việc quan sát, thu thập thông tin, xử lý dữ liệu, 2
4. tổng hợp và tìm ra các quy luật, xây dựng các giả thuyết, và kiểm chứng kết quả. Tuy nhiên, do đặc thù của địa chất học là đối tượng nghiên cứu của nó có không gian rất đa dạng, từ các lục địa tới các hạt khoáng vật hoặc nhỏ hơn và có một lịch sử hình thành và phát triển rất lâu dài và phức tạp dưới các điều kiện hoá lý khác nhau trong quá khứ, nên việc nghiên cứu địa chất có nhiều nét đặc thù riêng. Nhìn chung việc nghiên cứu địa chất bao gồm một tổ hợp các phương pháp sau: - Các phương pháp thực địa: khảo sát địa chất, thu thập thông tin (số liệu địa chất, lấy mẫu ) thông qua quan sát bằng mắt thường hoặc sử dụng các máy móc hiện đại (địa vật lý, khoan, viễn thám ). - Các phương pháp trong phòng bao gồm việc phân tích dữ liệu địa chất, phân tích mẫu, tổng hợp số liệu, mô phỏng thực nghiệm, suy đoán và đối sánh (lấy mới soi cũ ) và mô hình hóa. Các nhà địa chất sử dụng các phương pháp thực địa, phân tích trong phòng thí nghiệm và mô hình số để giải mã lục sử Trái Đất và hiểu các quá trình xảy ra trên Trái Đất. Trong quá trình khảo sát địa chất, các nhà địa chất thường dùng các thông tin nguyên thủy liên quan đến thạch học (nghiên cứu về các loại đá), địa tầng học (nghiên cứu các lớp trầm tích), và địa chất cấu tạo (nghiên cứu về thế nằm và sự biến dạng của đá). Trong một số trường hợp, các nhà địa chất cũng nghiên cứu đất, sông, địa hình, băng hà; khảo sát sự sống hiện tại, quá khứ, các chu trình địa hóa và sử dụng các phương pháp địa vật lý để khảo sát phần bên dưới mặt đất. 1.6.1. Các phương pháp thực địa Công việc khảo sát địa chất thực tế hay thực địa thay đổi tùy theo nhiệm vụ được giao (đặt ra). Các công việc thông thường bao gồm: a- Lập bản đồ địa chất - Bản đồ cấu trúc: xác định vị trí của các thành tạo đá chính và các đứt gãy, nếp uốn. - Bản đồ địa tầng: xác định vị trí của các tướng trầm tích (tướng thạch học, tướng sinh học) hoặc lập bản đồ đẳng dày của các lớp đá trầm tích. Cắm trại tại khu vực đo vẽ bản đồ của USGS thập niên 1950 b- Khảo sát các đặc điểm địa hình - Lập bản đồ địa hình - Khảo sát sự thay đổi của địa hình cảnh quan (các dạng xói mòn và tích tụ, sự thay đổi lòng sông tạo ra khúc uốn, thay đổi mực xâm thực cơ sở, các quá trình sườn ). 3
5. Ngày nay máy tính xách tay kèm với GPS và phần mềm hệ thống thông tin địa lý thường được sử dụng trong công tác khảo sát thực tế c- Lập bản đồ dưới bề mặt bằng phương pháp địa vật lý (để tìm kiếm dầu khí, nước ngầm, xác định vị trí các kiến trúc cổ bị chôn vùi ), bao gồm: khảo sát bằng sóng địa chấn ở độ sâu nông, thẩm thấu radar mặt đất, ảnh điện trở. d- Địa tầng học phân dải cao: đo đạc và mô tả các mặt cắt địa tầng trên bề mặt và khoan, đo đạc trong giếng khoan. e- Sinh địa hóa học và vi sinh địa học: thu thập mẫu để xác định các đường sinh hóa, các tổ hợp loài mới, các hợp chất hóa học mới nhằm hiểu rõ thêm về tiến trình của sự sống trước đây trên Trái Đất, tìm kiếm các hợp chất quan trọng để sử dụng trong dược phẩm. f- Cổ sinh vật học: xác định các hóa thạch để nghiên cứu sự sống trong quá khứ và sự tiến hóa của nó, trưng bày trong bảo tàng. g- Thu thập mẫu để nghiên cứu Niên đại địa chất h- Nghiên cứu băng hà: đo đạc các đặc điểm của băng hà và sự di chuyển của chúng. 1.6.2. Các phương pháp trong phòng thí nghiệm: a- Thạch học: xác định các mẫu đá dưới kính hiển vi quang học (xác định các thuộc tính khác nhau của các khoáng vật tạo đá bởi ánh sáng phân cực xuyên qua lát mỏng trên mặt phẳng phân cực) và dưới kính hiển vi điện tử (xác định sự thay đổi thành phần hóa học của các tinh thể khoáng vật riêng lẻ). Các nghiên cứu về đồng vị phóng xạ sau khi xác định thành phần thạch học giúp hiểu hơn về thành phần vật chất bên trong, cũng như sự tiến hóa về địa hóa của các loại đá. Các dữ liệu về nhiệt độ và áp suất của các bao thể trong đá sau khi nghiên cứu thạch học của đá giúp ta khôi phục lại môi trường và điều kiện thành tạo của các pha tạo khoáng khác nhau. b- Địa chất cấu tạo: Các nhà địa chất cấu tạo sử dụng phương pháp phân tích thạch học lát mỏng để quan sát cấu tạo thớ nứt của đá vì chúng cung cấp thông tin về ứng suất bên trong cấu trúc tinh thể khoáng vật của đá. Kết quả nghiên cứu trên kết hợp các đo đạc về địa chất cấu tạo cho ta hiểu rõ hơn xu hướng của đứt gãy hoặc nếp uốn để hồi phục lại lịch sử biến dạng đá của một khu vực hay rộng hơn là lịch sử phát triển kiến tạo của khu vực. 4
6. Các phân tích về cấu tạo thường được tiến hành bằng cách vẽ đồ thị xu hướng về các đặc điểm biến đổi trên lưới chiếu nổi. Lưới chiếu nổi là một lưới chiếu hình cầu được thể hiện trên mặt phẳng, trên lưới này các mặt phẳng được biểu diễn thành những đường thẳng và các đường thẳng được biểu biễn thành các điểm. Lưới này có thể được sử dụng để tìm vị trí của các trục nếp uốn, quan hệ giữa các đứt gãy, và quan hệ giữa các cấu tạo địa chất khác nhau. c- Địa tầng học: Trong phòng thí nghiệm, các nhà địa tầng học phân tích các mẫu trong các mặt cắt địa tầng được thu thập từ các lộ trình khảo sát địa chất, từ các mẫu lõi giếng khoan. Dữ liệu địa vật lý và log lỗ khoan cũng được kết hợp để mô phỏng theo không gian ba chiều trên máy tính để giúp hiểu rõ hơn về các đặc điểm bên dưới mặt đất. Sau đó, các dữ liệu này được sử dụng để tái lập lại các quá trình trong quá khứ đã diễn ra trên bề mặt của Trái Đất và giải đoán đặc điểm các môi trường này trong quá khứ. Trong phòng thí nghiệm, các nhà sinh địa tầng học phân tích các mẫu đá lộ ra trên mặt và các mẫu lõi trong các giếng khoan để tìm kiếm các hóa thạch. Các hóa thạch này giúp các nhà khoa học định tuổi của đá chứa nó và biết được môi trường trầm tích của đá đó. Các nhà địa thời học xác định chính xác tuổi đá trong mặt cắt địa tầng nhằm cung cấp các ranh giới tuổi tuyệt đối chính xác hơn về thời gian và tốc độ trầm tích. Các nhà từ địa tầng học cũng dùng dấu hiệu đảo cực từ trong lõi khoan của các đá magma để định tuổi của đá. Các nhà khoa học khác nghiên cứu các đồng vị ổn định trong các đá cũng nhằm cung cấp thêm thông tin về khí hậu trong quá khứ. Chương 2 KHÁI QUÁT VỀ HỆ MẶT TRỜI 2.1. Giới thiệu về hệ Mặt Trời Sơ đồ hệ Mặt Trời A- Tương quan về kích thước của các thiên thể trong hệ Mặt Trời. B- Sơ đồ vị trí quỹ đạo của hệ Mặt Trời (Wicander R. & Monroe J. S., 1993) 5
7. Hình 1. Vị trí và quan hệ của các hành tinh của hệ Mặt Trời mà Trái Đất là một thành viên. Tất cả các đối tượng đó di chuyển trong vũ trụ với các quỹ đạo ổn định và ở trạng thái cân bằng trong vũ trụ nhờ lực hấp dẫn. Các hành tinh, tiểu hành tinh, hoặc thiên thạch di chuyển quanh Mặt Trời trong khi các vệ tinh lại xoay quanh các hành tinh. Các nhà khoa học chia các hành tinh thành 2 loại dựa vào mật độ và khoảng cách tới Mặt Trời: a)- Các hành tinh đất (terrestrial planets: terra tiếng Latin là Earth - Trái Đất) và b)- Các hành tinh khí (Jovian = Jove thần Jupiter). Hệ Mặt Trời (hay Thái Dương Hệ) mà Trái Đất đang tồn tại là một bộ phận của Ngân hà. Ngân hà lại là một phần nhỏ của Thiên hà, mà Thiên hà lại là một bộ phận của một Siêu Thiên hà trong vũ trụ. Trong vũ trụ có vô số hệ Thiên hà và các nhà khoa học đã ước tính có khoảng 10 tỷ trong đó hệ Thiên hà xa nhất có thể quan sát được cách chúng ta khoảng 10 tỷ năm ánh sáng. Hành tinh (planet) là các thiên thể dưới cấp sao, có khối lượng nhiều lần nhỏ hơn các sao. Khối lượng của chúng không đủ để tạo ra các phản ứng tổng hợp hạt nhân giúp chúng phát sáng được như các ngôi sao nên hành tinh là các thiên thể tối. Chúng chuyển động quanh ngôi sao theo các quĩ đạo hình elip với chu kì xác định. Hệ Mặt Trời là một hệ hành tinh có Mặt Trời ở trung tâm và các thiên thể nằm trong phạm vi lực hấp dẫn của Mặt Trời; tất cả chúng được hình thành từ sự bùng nổ của một đám mây phân tử khổng lồ cách đây gần 4,6 tỷ năm. Hệ Mặt Trời gồm có 8 hành tinh tính từ trong (gần Mặt Trời nhất) ra gồm: Sao Thuỷ (Mercury), Sao Kim (Venus), Trái Đất (Earth), Sao Hoả (Mars), Sao Mộc (Jupiter), Sao Thổ (Saturn), Sao Thiên Vương (Uranus) và Sao Hải Vương (Neptune). Trước đây chúng ta còn biết đến hành tinh thứ 9 là Sao Diêm Vương (Pluto). Tuy nhiên đến tháng 8 năm 2006 (theo Quyết định của Hiệp hội thiên văn quốc tế - IAU), hành tinh này đã được xét lại và với các yếu tố về khối lượng, đường kính và khả năng phản chiếu ánh sáng quá thấp so với 8 hành tinh còn lại, Sao Diêm Vương đã bị loại ra khỏi danh sách các hành tinh của Hệ Mặt Trời. Nó được đưa vào một nhóm thiên thể mới gọi là các “hành tinh lùn” (dwarf planet). Hiện nay nhóm này gồm có 3 thành viên là Pluto, Ceres - tiểu hành tinh lớn nhất trong vành đai tiểu hành tinh, và 2003UB313 - một thiên thể được phát hiện năm 2003 tại vành đai Kuiper. Đây là các thiên thể được coi là trung gian giữa hành tinh và tiểu hành tinh. Chúng không đủ khối lượng, đường kính và khả năng phản chiếu ánh sáng để trở thành hành tinh nhưng lại quá lớn so với kích cỡ trung bình của các tiểu hành tinh. Quyết định được đưa ra sau khi các nhà khoa học thống nhất những tiêu chí để phân loại một thiên thể là một hành tinh: a)- nó phải bay trong quỹ đạo quanh Mặt Trời; b)- nó phải đủ lớn để có hình dạng gần tròn; c)- quỹ đạo của nó phải tách bạch với các vật thể khác. Theo những tiêu chí này, sao Diêm Vương đã tự mình rơi khỏi bảng xếp loại bởi quỹ đạo hình elip dẹt của nó cắt qua quỹ đạo của sao Hải Vương. Như vậy hệ Mặt Trời của chúng ta bao gồm: Mặt Trời, 8 hành tinh và nhiều vệ tinh, một số lượng khổng lồ các tiểu hành tinh (asteroid), sao chổi (comet), và thiên thạch (meteorites). Đa phần các thiên thể quay quanh Mặt Trời, và khối lượng tập trung chủ yếu vào 8 hành tinh có quỹ đạo gần tròn và mặt phẳng quỹ đạo gần trùng khít với nhau gọi là mặt phẳng hoàng đạo. Bốn hành tinh nhỏ vòng trong (nhóm trong) gồm: Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất và Sao Hỏa - người ta cũng còn gọi chúng là các hành tinh đá do chúng có thành phần chủ yếu từ đá và kim loại. Bốn hành tinh khí khổng lồ vòng ngoài (nhóm ngoài) có khối lượng lớn hơn rất nhiều so với 4 hành tinh vòng trong. Hai hành tinh lớn nhất là Sao Mộc và Sao Thổ có thành phần chủ yếu từ heli và hiđrô; và hai hành tinh nằm ngoài cùng, Sao Thiên Vương và Sao Hải 6
8. Vương có thành phần chính từ băng, như nước, amoniac và mêtan, và đôi khi người ta lại phân loại chúng thành các hành tinh băng đá khổng lồ. Hai nhóm hành tinh ngăn cách nhau bởi một vành đai tiểu hành tinh (asteroid) và vô số các thiên thạch nhỏ cùng quay quanh Mặt Trời. Có sáu hành tinh và ba hành tinh lùn có các vệ tinh tự nhiên quay quanh. Các vệ tinh này được gọi là "Mặt Trăng" theo tên gọi của Mặt Trăng của Trái Đất. Mỗi hành tinh vòng ngoài còn có các vành đai hành tinh chứa bụi, hạt và vật thể nhỏ quay xung quanh. Mặt Trời, các hành tinh và hành tinh lùn trong hệ Mặt Trời Mặt Trời phát ra các dòng vật chất plasma, được gọi là gió Mặt Trời, dòng vật chất này tạo ra một bong bóng gió sao trong môi trường liên sao gọi là nhật quyển, nó mở rộng ra đến tận biên giới của đĩa phân tán. Đám mây Oort giả thuyết, được coi là nguồn cho các sao chổi chu kỳ dài, có thể tồn tại ở khoảng cách gần 1.000 lần xa hơn nhật quyển. Các hành tinh đất (sao Thủy - Mercury, sao Kim - Venus, Trái Đất - Earth, sao Hỏa - Mars) là những hành tinh gần Mặt Trời, nhỏ, rắn chắc, cấu tạo bởi các loại đá, có mật độ cao (? 3 g/cm2). Thành phần của chúng tương đối giống nhau. 7
9. Các hành tinh khí (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptune, Pluto) là những hành tinh ở xa Mặt Trời hơn, có kích thước lớn nhưng mật độ thấp. Chúng có thể có phần nhân cứng như của các hành tinh đất nhưng phần lớp khối lượng của chúng là một lớp khí quyển dày cấu tạo bởi Hydrô, Heli và các loại khí khác. Bầu khí quyển này có thể quan sát được từ mặt đất. 2.2. Các đặc điểm cơ bản của hệ Mặt Trời Hệ Mặt Trời có ba đặc trưng cơ bản sau đây: - Tất cả các hành tinh quay quanh Mặt Trời trong cùng một hướng, trừ sao Diêm Vương hầu hết các hành tinh đều nằm trên cùng một mặt phẳng qua xích đạo của Mặt Trời. Thêm vào đó, hầu hết các hành tinh đều quay quanh trục của chúng cùng với chiều quay của Mặt Trời và hầu hết các vệ tinh cũng di chuyển trên những quỹ đạo ngược chiều với chiều quay kim đồng hồ. - Sao Mộc và sao Thổ có thành phần cấu tạo tương tự như Mặt Trời và các vì sao khác, chủ yếu từ Hydro và Heli. So sánh thành phần cấu tạo của các thiên thể trong Hệ Mặt Trời cho thấy tiến trình phát triển rõ rệt từ các hành tinh bên trong được cấu tạo từ đá giàu kim loại cho đến các hành tinh bên ngoài được tạo thành chủ yếu từ băng tuyết. Các sao chổi cũng là những vật thể băng tuyết, trong khi các tiểu hành tinh lại tượng trưng cho thành phần đá giàu cacbon. - Định tuổi bằng phương pháp phóng xạ xác nhận một số mẫu đá trên vỏ Trái Đất đã được hình thành ít nhất từ 3,8 tỉ năm trước và các mẫu đá từ mặt trăng khoảng 4,2 tỉ năm tuổi. Một số thiên thể có tuổi từ 4,5 đến 4,6 tỉ năm, phù hợp với các tính toán về tuổi của Mặt Trời. 2.3. Nguồn gốc của hệ Mặt Trời Khoảng không bao la giữa các vì sao có vẻ như trống rỗng nhưng thực sự không phải vậy, chúng chứa rất nhiều những hạt cực nhỏ và các nhà khoa học cho rằng hệ Mặt Trời được hình thành từ một đám tinh vân là tàn dư của những quá trình hình thành những vì sao trước đó hay do vật chất sau các vụ nổ siêu tân tinh. Đám mây ấy gồm những khí và bụi. Những hạt nhỏ nhiều vô kể trong khi chuyển động va chạm vào nhau và vì vậy chúng có khuynh hướng chuyển động sao cho không cản trở lẫn nhau. Muốn như thế thì tất cả các đường đi của chúng phải nằm ở gần một mặt phẳng và trở thành đường tròn. Khi quay theo những đường tròn đường kính khác nhau chúng sẽ không va chạm vào nhau nữa. Khi đó chuyển động theo một chiều nhất định nào đó sẽ thắng thế và rốt cuộc các hạt nhỏ khác cũng sẽ quay theo chiều đó. Như vậy thay thế cho chuyển động hỗn độn ban đầu của các hạt nhỏ, xuất hiện chuyển động có trật tự và toàn thể đều quay theo cùng một chiều. Sau đấy đám mây bắt đầu được hâm nóng lên bởi chính năng lượng hấp dẫn và vận tốc quay nhanh của nó. Khi nhiệt độ tăng, các chất rắn ban đầu bị bốc hơi. Đám mây bây giờ dần dần trở thành cái đĩa dẹt. Ở tâm của đĩa dẹt ấy, vật chất gom tụ lại cho đến một lúc nào đấy nhiệt độ và áp suất đủ để tạo phản ứng hạt nhân. Vào cuối giai đoạn tích tụ cũng là lúc đám tinh vân nóng nhất. Khi không còn năng lượng hấp dẫn để nóng lên nữa, đám tinh vân bắt đầu nguội dần nhưng ở trung tâm Mặt Trời mới hình thành nhiệt độ vẫn rất cao. Tại vùng bên trong của hệ Mặt Trời các vật thể cứng tiếp tục lớn lên nhưng chúng không tương tác với các chất khí còn sót lại của đám tinh vân. Ngược lại, các hành tinh phôi thai ở vùng bên ngoài của hệ Mặt Trời trở nên quá lớn và chúng tiếp tục hút các chất khí xung quanh. Khi Hydro và heli tập trung nhanh chóng vào nhân của chúng, các hành tinh khổng lồ này nóng lên bởi năng lượng co rút của chúng. Tuy nhiên các hành tinh này không đủ lớn để đạt được nhiệt độ và áp suất cần thiết để phản ứng hạt nhân xảy ra. Sau khi cháy đỏ rực trong vài ngàn năm, chúng dần dần nguội lại và có trạng thái như ngày nay. 8
10. Thêm vào đó, khi đám tinh vân nguội lại, các chất khí phản ứng tương tác với nhau và sinh ra các hợp chất, các hợp chất này đọng lại thành các hạt ở thể lỏng và thể rắn. Kim loại và đá silicat cùng các khoáng chất khác là những vật chất đầu tiên tạo thành các hạt. Khi nhiệt độ tiếp tục giảm, các hạt này liên kết với các hợp chất giàu cacbon và nước mà ngày nay chúng ta thấy chúng hiện diện rất nhiều trong các tiểu hành tinh. Ở phần bên trong của các đám tinh vân nhiệt độ hạ không đủ thấp để các chất này có thể đọng lại vì thế chúng không hiện diện trong những hành tinh trong cùng nhất. Khi nhiệt độ hạ xuống khoảng -70oC, oxi liên kết với Hydro và đông lại thành băng đá. Sau một thời gian các hành tinh lớn được tạo ra, Mặt Trời phôi thai cũng giống như những vì sao sơ sinh khác đã trải qua một giai đoạn phát sinh ra gió Mặt Trời cực mạnh thổi bay đi các chất khí còn lại trong đám tinh vân. Đám tinh vân Mặt Trời dần dần tan biến và cuối cùng để lại một vì sao vừa mới hình thành cùng với 8 hành tinh và vô số những vật thể khác di chuyển chung quanh nó. Các giả thuyết về nguồn gốc của Mặt Trời và các hành tinh: 1. Giả thuyết Kant - Laplace Năm 1755 trong cuốn sách “Lịch sử khái quát về tự nhiên và học thuyết về Mặt Trời” nhà triết học Đức Kant đã dựa vào môn cơ học thiên văn để giải thích sự hình thành các thiên thể và chuyển động ban đầu của chúng. Từ 1796 - 1824 nhà toán học, thiên văn Pháp Laplace dựa vào ý kiến Kant xây dựng một giả thuyết mới gọi là giả thuyết Kant - Laplace • Theo Kant, Mặt Trời và các hành tinh được hình thành từ một đám mây bụi (khối khí) vũ trụ dày đặc, có thể là chất khí hay vật chất rắn nguội đặc. • Theo Laplace thì các hành tinh hình thành từ một khối khí loãng nóng xung quanh Mặt Trời. Vật chất gần Mặt Trời do sức hút, va chạm nhau (theo Kant) hoặc do nguồn lạnh đông đặc lại (theo Laplace) mà sinh ra sự vận động xoáy ốc và hình thành các vành đai vật chất đặc quay xung quanh Mặt Trời. Sau đó, phần lớn khối lượng của mỗi vành đai kết tụ lại thành khối cầu đó là hành tinh, còn lại trở thành vệ tinh. Giả thuyết này bộc lộ nhiều thiếu sót vì không giải thích nổi một số vấn đề: - Tại sao vệ tinh các sao Mộc và sao Thổ có chiều quay ngược lại chiều quay của đa số thiên thể trong hệ Mặt Trời. - Tại sao mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng quỹ đạo của cả 5 vệ tinh của Thiên Vương Tinh đều vuông góc với mặt phẳng hoàng đạo. - Nếu theo sơ đồ của Laplace thì các vành đai vật chất phải tự quay theo hướng xuôi kim đồng hồ nhưng thực tế chúng lại quay ngược kim đồng hồ. - Trong khi tự quay, tại sao không khí ở vành vật chất lại ngưng tụ lại thành hành tinh, trong khi kết quả nghiên cứu phải phân tán vào vũ trụ. - Mặt Trời tự quay một vòng quanh trục phải mất từ 25 - 27 ngày. Tốc độ tự quay chậm đó làm sao đủ sức tách một phần vật chất ra thành các hành tinh. Ngay cả độ dẹt do sức ly tâm sinh ra cũng không quan sát thấy. 2. Giả thuyết Jeans (hay là giả thuyết “tai biến”) Theo Jeans thì việc tách một phần vật chất vũ trụ từ Mặt Trời để hình thành hành tinh là do tác động của một ngôi sao lạ nào đó, lớn tương tự Mặt Trời đã đi vào phạm vi hệ Mặt Trời một cách ngẫu nhiên và khoảng cách chúng chỉ còn bằng bán kính Mặt Trời. Ở điều kiện đó, hiện tượng triều lực sẽ làm cho vật chất ở Mặt Trời sẽ lồi ra ở hai phía đối diện thành bướu vật chất nóng đỏ. Bướu hướng về phía (Mặt Trời) của thiên thể lạ dày hơn nhiếu so với bướu đối 9
11. diện. Nó tách ra khỏi Mặt Trời, đứt ra từng đoạn sinh ra hành tinh. Giả thuyết giải quyết được vấn đề momen quay của hành tinh không phụ thuộc vào động lượng Mặt Trời. Nhưng giả thuyết này mắc một số sai lầm khác: các nhà thiên văn đã tính được rằng khoảng cách giữa các thiên thể là rất lớn, nếu giả sử đường kính Mặt Trời bằng 1mm thì khoảng cách từ nó đến ngôi sao gần nhất phải bằng 20-25 km, vậy trong sự chuyển động hỗn độn đó làm sao một ngôi sao lạ lại có thể may mắn đi đến gần Mặt Trời với khoảng cách 1mm. 3. Giả thuyết Otto Smith Theo giả thuyết này thì thiên thể trong vũ trụ được hình thành từ một đám mây bụi và khí. Đám mây bụi và khí này ban đầu quay tương đối chậm. Trong quá trình chuyển động trong hệ Ngân hà, sự vận động lộn xộn ban đầu của các hạt bụi đã dẫn đến sự va chạm làm cho động năng chuyển thành nhiệt năng. Kết quả hạt bụi nóng lên, dính với nhau, khối lượng đám bụi giảm đi, tốc độ quay nhanh hơn và quỹ đạo hạt bụi là quỹ đạo trung hình của chúng. Sự chuyển động đi vào trật tự. Đám mây bụi có dạng dẹt hình đĩa với các vành xoắn ốc. Khối lượng lớn nhất ở trung tâm, nơi nhiệt độ tăng lên rất cao và các phản ứng hạt nhân bắt đầu xảy ra. Mặt Trời được hình thành. Những vành xoắn ốc ở phía ngoài cùng cũng dần kết tụ lại dưới tác dụng của trọng lực trở thành hành tinh. Sự kiện này được xảy ra cách đây 10 tỉ năm. - Trong quá trình hình thành các hành tinh, do tác dụng của bức xạ nhiệt và ánh sáng Mặt Trời, những vành vật chất ở gần trung tâm bị hun nóng nhiều nhất. Thành phần khí và một số chất rắn vành này bị bốc hơi và bị áp lực ánh sáng đẩy ra phía ngoài. Rút cuộc ở những vành này chỉ còn khối lượng nhỏ vật chất nhưng nặng và có độ bốc hơi kém là Fe và Ni. Điều này giải thích được tại sao các hành tinh thuộc nhóm Trái Đất có kích thước nhỏ nhưng tỉ trọng lớn. - Các vành đai vật chất ở xa Mặt Trời, ít chịu tác dụng bức xạ của Mặt Trời, các hành tinh được hình thành từ vật chất nguyên thuỷ chưa phân đi và vật chất bốc hơi từ vành bên trong ra, gồm chủ yếu là chất khí nhẹ như Hydro nên có khối lượng lớn, tỉ trọng nhỏ. Hình dạng đĩa của đám mây bụi ban đầu cũng giải thích tại sao quỹ đạo các hành tinh lại sắp xếp trên cùng một mặt phẳng. Các quỹ đạo đó ít nhiều đều có hình elip do tác động phức tạp của các thiên thể. - Sao Thuỷ có khối lượng và tốc độ tự quay nhỏ nhất vì nó ở gần Mặt Trời nhất: bức xạ mạnh của Mặt Trời làm giảm khối lượng và sự ma sát lớn của triều lực làm giảm tốc độ tự quay của nó. - Tính chất đặc biệt sao Hoả về mặt khối lượng cũng là do tác động của sao Mộc. Sao này cướp đi một phần vật chất của sao Hoả, một phần còn lại tạo nên vành đai tiểu hành tinh. - Bộ phận vật chất giữa các vành vật chất bên trong có khối lượng lớn làm xuất hiện hành tinh đôi - Trái Đất + Mặt Trăng. Vì momen quay lớn nên vật chất ở đây không thể tập trung vào một tâm mà phải có tâm thứ hai là Mặt Trăng. - Gần đây các nhà vật lý, thiên văn cho rằng: vấn đề phân bố momen động lượng là do từ trường của Mặt Trời nguyên thuỷ và các hành tinh phôi thai sinh ra. Từ trường này kìm hãm sự chuyển động của các thiên thể ở bên trong và thúc đẩy sự chuyển động thiên thể bên ngoài hình thành nên hành tinh. - Vào cuối thời kì ngưng tụ, Trái Đất đã có khối lượng lớn gần như hiện nay thì nội bộ diễn ra quá trình tăng nhiệt. Lúc đầu là nhiệt của quá trình di chuyển vật chất do Photpho sau đó là quá trình phóng xạ của vật chất. Sự tăng nhiệt dẫn đến sự nóng chảy của vật chất bên trong sắp xếp thành nhân, bao manti và vỏ như hiện nay. - Trái Đất lúc đầu nguội lạnh sau đó nóng dần lên. Trái Đất hình thành cách đây 4,5-4,6 tỉ năm, còn lớp vỏ thì cách nay 3 tỉ năm. 10
12. 2.4. Một số nét về các thiên thể của hệ Mặt Trời 2.4.1. Mặt Trời - Sun Mặt Trời là ngôi sao ở trung tâm Hệ Mặt Trời, chiếm khoảng 99,86% khối lượng của Hệ Mặt Trời. Trái Đất và các thiên thể khác như các hành tinh, tiểu hành tinh, thiên thạch, sao chổi và bụi quay quanh Mặt Trời. Khoảng cách trung bình giữa Mặt Trời và Trái Đất xấp xỉ 149,6 triệu kilômét (1 Đơn vị thiên văn AU) nên ánh sáng Mặt Trời cần 8 phút 19 giây mới đến được Trái Đất. Trong một năm, khoảng cách này thay đổi từ 147,1 triệu kilômét (0,9833 AU) ở điểm cận nhật (khoảng ngày 3 tháng 1), tới xa nhất là 152,1 triệu kilômét (1,017 AU) ở điểm viễn nhật (khoảng ngày 4 tháng 7). Năng lượng Mặt Trời ở dạng ánh sáng hỗ trợ cho hầu hết sự sống trên Trái Đất thông qua quá trình quang hợp và điều khiển khí hậu cũng như thời tiết trên Trái Đất. Thành phần của Mặt Trời gồm hydro (khoảng 74% khối lượng, hay 92% thể tích), heli (khoảng 24% khối lượng, 7% thể tích) và một lượng nhỏ các nguyên tố khác gồm sắt, nickel, oxy, silic, lưu huỳnh, magiê, carbon, neon, canxi, và crom. Mặt Trời có hạng quang phổ G2V. G2 có nghĩa nó có nhiệt độ bề mặt xấp xỉ 5.778 K (5.505 °C) (độ K = độ C + 273,15) khiến nó có màu trắng, và thường có màu vàng khi nhìn từ bề mặt Trái Đất bởi sự tán xạ khí quyển. Chính sự tán xạ này của ánh sáng ở giới hạn cuối màu xanh của quang phổ khiến bầu trời có màu xanh. Quang phổ Mặt Trời có chứa các vạch ion hoá và kim loại trung tính cũng như các đường hydro rất yếu. V (số 5 La Mã) trong lớp quang phổ thể hiện rằng Mặt Trời, như hầu hết các ngôi sao khác, là một ngôi sao thuộc dãy chính. Điều này có nghĩa nó tạo ra năng lượng bằng tổng hợp hạt nhân của hạt nhân hydro thành heli. Có hơn 100 triệu ngôi sao lớp G2 trong Ngân Hà của chúng ta. Từng bị coi là một ngôi sao nhỏ và khá tầm thường nhưng thực tế theo hiểu biết hiện tại, Mặt Trời sáng hơn 85% các ngôi sao trong Ngân Hà với đa số là các sao lùn đỏ. Nguồn năng lượng do Mặt Trời có được là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp H thành He. Mỗi giây có khoảng 600-700 triệu tấn bị hydro tiêu huỷ và khoảng 4 triệu tấn được biến thành năng lượng theo phương trình E = mc2. Với tốc độ tiêu thụ nhiên liệu như hiện nay thì Mặt Trời còn có thể sáng thêm 5 tỷ năm nữa mặc dù nó đã sáng được 4 đến 5 tỷ năm rồi. Bề mặt của Mặt Trời là lớp khí mà từ đó ánh sáng của Mặt Trời tới chúng ta, lớp này gọi là quang quyển có chiều dày khoảng 300 km. Bán kính của Mặt Trời được xác định như là khoảng cách của quang quyển tính từ tâm Mặt Trời RMo = 7.105 km. 11
13. Ánh sáng của Mặt Trời có cường độ rất mạnh, không thể nhìn bằng mắt thường trực tiếp hoặc qua các thấu kính, kính thiên văn, muốn quan sát được chúng ta phải hứng ảnh của Mặt Trời qua kính thiên văn vào một màn hứng hoặc một bề mặt trắng, hoặc cũng có thể lắp thêm kính lọc trước thị kính của kính thiên văn để quan sát. Vết đen Mặt Trời Galileo là người đầu tiên quan sát Mặt Trời và các vết đen của nó hầu như mỗi ngày. Ông đã thấy rằng những vết đen Mặt Trời rộng hơn và tồn tại lâu hơn hiện ra ở một phía của Mặt Trời, sau đó di chuyển ngang qua bề mặt Mặt Trời và biến mất ở phía khác sau khoảng 2 tuần. Galileo đã khẳng định rằng những vết đen Mặt Trời phải thực sự là một phần của Mặt Trời và quay cùng với chiều quay của Mặt Trời, khoảng 28 ngày. Đường kính của vết đen rộng nhất vào cỡ 104 km, nghĩa là lớn gấp vài lần đường kính Trái Đất. Các vết đen Mặt Trời hoàn toàn không phải đen, độ sáng bề mặt của chúng điển hình vào khoảng 1/4 độ sáng của môi trường xung quanh, khoảng 4.103 K, ngay cả đối với độ sáng đó nó vẫn dễ làm mù mắt người quan sát. Các vết đen trên Mặt Trời là những vùng khí xoáy có nhiệt độ thấp hơn vào khoảng 4.500oC do từ trường gây ra. Những vết đen rộng nhất tồn tại trong khoảng 2 tháng, khoảng thời gian này là đủ dài để các vết đen biến mất ở một phía của đĩa Mặt Trời và tái xuất hiện ở phía khác hai tuần sau đó. Hầu hết các vết đen được quan sát thấy trong vài ngày và sau đó biến mất để được thay thế bởi những vết đen khác. Vì toàn bộ Mặt Trời là một quả cầu khí nên không thể có các vật chất từ rắn ở đó. Từ trường phải do dòng điện tạo ra như đã xảy ra đối với một nam châm trong phòng thí nghiệm. Vậy liệu dòng điện có thể chạy trong chất khí không? Hoàn toàn có thể vì có nhiều nguyên tử trong khí của Mặt Trời bị ion hoá nên có nhiều electron tự do. Khi các electron và các hạt mang điện của chúng chuyển động tương đối với các nguyên tử và các ion, có dòng điện chạy trong chất khí. Các vết đen Mặt Trời là một trong số nhiều ví dụ của các dòng điện và từ trường vũ trụ. Các tai lửa Thỉnh thoảng người ta thấy các tai lửa bắn ra từ Mặt Trời, ta thấy chúng như những vòng khí màu đỏ, điển hình khoảng 104 km phía trên bề mặt Mặt Trời. Chúng tồn tại bên trên Mặt Trời trong một số ngày. Màu đỏ (bước sóng 656,3mm) của tai lửa cho chúng ta biết rằng chúng ta đang quan sát Hydro nóng khoảng 104 K. Tại sao những khí nóng này lại bốc cao như vậy mà không rơi vào bề mặt Mặt Trời?. Một bằng chứng được rút ra từ hình dáng của nhiều tai lửa. Nhìn hình bên: tai lửa như hình ảnh của bột sắt xung quanh một nam châm rắn trong phòng thí nghiệm. Điều này cho thấy có từ trường tạo nên tai lửa. Nếu ở đó cũng có dòng điện thì tai lửa được nâng lên bởi các lực IxB. Những tai lửa này có nhiệt độ khoảng 7.000oC đến 10.000oC cao hơn nhiệt độ bề mặt của Mặt Trời, điều này không hề vô lý, nó chứng tỏ rằng các tai lửa có nguồn gốc từ bên trong Mặt Trời. 12
14. Nhật thực và vành nhật hoa Trong suốt nhật thực toàn phần, khi Mặt Trăng bao phủ đĩa sáng của Mặt Trời, khi đó ta mới quan sát được vành nhật hoa (corona: tiếng La tinh có nghĩa là vương miện). Nhật thực toàn phần có thể kéo dài đến 7 phút. Nguyên nhân của ánh sáng nhìn thấy phát ra từ vành nhật hoa là: Hầu hết ánh sáng này là ánh sáng Mặt Trời được tán xạ về phía chúng ta bởi các electron tự do. Từ độ sáng của ánh sáng Mặt Trời bị tán xạ, chúng ta biết mật độ của electron và của các proton trong vành nhật hoa. Mật độ khí có thể đạt 10-6 mật độ trong quang quyển, mật độ còn giảm hơn ở phía ngoài, do vậy vành nhật hoa rất mờ, không quan sát được trong điều kiện bình thường, chúng ta chỉ thấy nó khi có hiện tượng nhật thực toàn phần như hình trên. Một phần khác của bức xạ từ vành nhật hoa là sự phát xạ ở những bước sóng xác định từ các nguyên tử bị ion hoá cao độ như các ion sắt mất đến 8 đến 12 electron. Khi một ion được tích điện nhiều như vậy cần rất nhiều năng lượng để dịch chuyển tiếp một electron, những electron còn lại trong các ion phải bị đánh bật ra bởi những vụ va chạm rất mạnh với các electron hoặc ion khác. Năng lượng va chạm cao đòi hỏi chuyển động nhiệt với tốc độ lớn, do đó nhiệt độ cao. Hiện nay, vật lý nguyên tử cho chúng ta biết rằng nhiệt độ vành nhật hoa phải vào 2.106 K. Gần như tất cả Hydro đều bị ion hoá ở nhiệt độ này. Vì những vụ va chạm giữa các nguyên tử và electron mạnh như vậy nên các photon được phát ra mang năng lượng rất lớn. Ở nhiệt độ của vành nhật hoa, hầu hết các photon là tia X. Vì thế hình ảnh của vành nhật hoa có thể thu được bằng cách sử dụng một camera tia X. Tia X không xuyên qua khí quyển Trái Đất nên camera tia X phải được đặt trong vũ trụ. Dưới đây là một vài thông số cơ bản về các hành tinh trong Hệ Mặt Trời: So sánh kích cỡ của 8 hành tinh trong hệ Mặt Trời 2.4.2. Sao Thuỷ - Mercury Hành tinh này được đặt tên tương ứng với từ Hermes trong tiếng Hy Lạp, tên gọi của vị thần truyền tin có đôi giầy có cánh có thể bay đi khắp mọi nơi nhanh hơn cả gió cuốn. Quả 13
15. đúng như vậy, Sao Thuỷ là hành tinh gần Mặt Trời nhất và có chu kì năm (chu kì quay quanh Mặt Trời) nhỏ nhất trong số các hành tinh, khi quan sát từ Trái Đất, ta sẽ thấy rõ nó hoàn thành một vòng quay quanh Mặt Trười nhanh như thế nào. *Các số liệu: -Khoảng cách từ Mặt Trời : 0,39 AU (57,9 triệu km) -Chu kì quay quanh Mặt Trời: 87,96 ngày (ngày Trái Đất) -Chu kì tự quay : 58,7 ngày -Khối lượng : 3,3 x 1023 kg -Đường kính: 4.878km -Nhiệt độ bề mặt: đêm khoảng 100K (-173oC) còn ngày là khoảng 700K (+427oC) -Số vệ tinh: không 2.4.3. Sao Kim - Venus Mỗi năm sẽ có vài tháng ta thấy Sao Mai mọc lên buổi sớm ở chân trời Đông và vài tháng khác lại thấy Sao Hôm lúc Mặt rời lặn ở chân trời Tây. Chúng rất đẹp và rất sáng, cả hai, thật ra đều là một hành tinh duy nhất - Sao Kim. Nó là thiên thể sáng nhất bầu trời đêm của chúng ta (không tính Mặt Trăng), vẻ đẹp của nó làm người thời xưa đặt tên nó là Venus, theo tiếng Hy Lạp là Aphrodite - nữ thần tình yêu và sắc đẹp. *Các số liệu: -Khoảng cách từ Mặt Trời : 0,723 AU (108,2 triệu km) -Chu kì quay quanh Mặt Trời: 224,68 ngày -Chu kì tự quay: 243 ngày -Khối lượng : 4,87x1024 kg -Đường kính: 12.104 km -Nhiệt độ bề mặt: 726K (+453oC) -Số vệ tinh: không 2.4.4. Trái Đất - Earh *Các số liệu: -Khoảng cách từ Mặt Trời : 1 AU (149,6 triệu km) -Chu kì quay quanh Mặt Trời: 365,26 ngày -Chu kì tự quay: 24 giờ -Khối lượng : 5,98x1024 kg -Đường kính: 12.756km -Nhiệt độ bề mặt: 260 - 310K (từ -13oC đến +37oC) -Số vệ tinh: 1 - Mặt Trăng 2.4.5. Sao Hoả - Mars Hành tinh có màu đỏ như lửa, trong khi người phương Đông gọi nó là “Hoả” thì ở phương Tây, nó được gắn cho cái tên Mars - tên của thần chiến tranh Ares trong thần thoại Hy Lạp - vị thần hiếu chiến mà mỗi nơi thần đi qua thì luôn để lại một màu đỏ của lửa và máu. *Các số liệu: -Khoảng cách từ Mặt Trời : 1,524 AU (227,9 triệu km) -Chu kì quay quanh Mặt Trời: 686,98 ngày -Chu kì tự quay: 24,6 giờ -Khối lượng : 6,42x1023 kg -Đường kính: 6.787km -Nhiệt độ bề mặt: 150 - 310K (từ -123oC đến +37oC) 14
16. -Số vệ tinh: 2 - Phobos và Deimos 2.4.6. Sao Mộc - Jupiter Là hành tinh lớn nhất hệ Mặt Trời, Sao Mộc hoàn toàn xứng đáng với cái tên Jupiter, mà theo tiếng Hy Lạp là Zeus - chúa tể của các vị thần. Sao Mộc cũng là hành tinh có nhiều vệ tinh nhất cũng như nhiều hiện tượng được quan tâm trong số 8 hành tinh của Hệ Mặt Trời. *Các số liệu: -Khoảng cách từ Mặt Trời : 5,203 AU (778,3 triệu km) -Chu kì quay quanh Mặt Trời: 11,86 năm -Chu kì tự quay: 9,84 giờ -Khối lượng : 1,9x1027 kg -Đường kính: 142.796km -Nhiệt độ bề mặt: 120K (nhiệt độ lớp khí bề mặt) (-153oC) -Số vệ tinh: 63 vệ tinh đã được đặt tên và nhiều vật thể nhỏ chuyển động xung quanh. 2.4.7. Sao Thổ - Saturn Nhiều người coi đây là hành tinh đẹp nhất trong số 7 hành tinh của Hệ Mặt Trời (không tính Trái Đất) do cái vành đai (Saturn’s ring) tuyệt đẹp của nó. Sao Thổ được đặt tên là Saturn, theo tiếng Hy Lạp là Cronus - cha của thần Zeus, người bị thần Zeus lật đổ khỏi vị trí cai quản các vị thần. *Các số liệu: -Khoảng cách từ Mặt Trời : 9,536 AU (1.427 triệu km) -Chu kì quay quanh Mặt Trời: 29,45 năm -Chu kì tự quay: 10,2 giờ -Khối lượng : 5,69x1026 kg -Đường kính: 120.660km -Nhiệt độ bề mặt: 88K (-185oC) -Số vệ tinh: 56 vệ tinh đã đặt tên và rất nhiều thiên thạch lớn nhỏ trong vành đai quay quanh. 2.4.8. Sao Thiên Vương - Uranus Hành tinh này được phát hiện ra vào ngày 13/3/1781 bởi nhà thiên văn William Herschel. Nó được đặt tên theo tên của Uranus - thần bầu trời, cha của Cronus, tức là ông nội của thần Zeus, người từng bị Cronus giết chết để cướp ngôi. *Các số liệu: -Khoảng cách từ Mặt Trời : 19,18 AU (2.871 triệu km) -Chu kì quay quanh Mặt Trời: 84,07 năm -Chu kì tự quay: 17,9 giờ -Khối lượng : 8,68x1025 kg -Đường kính: 51.118km -Nhiệt độ bề mặt: 59K (-214oC) -Số vệ tinh: 27 2.4.9. Sao Hải Vương - Neptune Được phát hiện ngày 23 tháng 9 năm 1846, hành tinh này được đặt tên là Neptune do nó có màu xanh như nước biển. Neptune theo tiếng Hy Lạp là Poseidon - anh trai của thần Zeus, vị thần cai quản tất cả các đại dương trên thế giới. *Các số liệu: -Khoảng cách từ Mặt Trời : 30,06 AU (4.497,1 triệu km) 15
17. -Chu kì quay quanh Mặt Trời: 164,81 năm -Chu kì tự quay: 19,1 giờ -Khối lượng : 1,02x1026 kg -Đường kính: 48.600km -Nhiệt độ bề mặt: 48K (-225oC) -Số vệ tinh: 13 2.4.10. Các tiểu hành tinh Các tiểu hành tinh (asteroid) là một nhóm các thiên thể nhỏ trôi nổi trong hệ Mặt Trời trên quỹ đạo quanh Mặt Trời. Trong Hệ Mặt Trời, tiểu hành tinh đầu tiên và lớn nhất được phát hiện là Ceres, hiện tại nó được xếp loại là một hành tinh lùn, trong khi số còn lại hiện được xếp loại như những vật thể nhỏ của Hệ Mặt Trời. Số lượng to lớn các tiểu hành tinh được khám phá bên trong vành đai tiểu hành tinh chính, với các quỹ đạo elíp giữa quỹ đạo Sao Hoả và Sao Mộc. Mọi người cho rằng các tiểu hành tinh là tàn tích của một đĩa tiền hành tinh, và trong vùng này sự hợp nhất của các tàn tích tiền hành tinh thành các hành tinh không thể diễn ra vì những ảnh hưởng hấp dẫn to lớn từ Sao Mộc trong giai đoạn thành tạo của Hệ Mặt Trời. Một số tiểu hành tinh có các Mặt Trăng hay đi thành cặp trở thành các hệ đôi. Hàng trăm nghìn tiểu hành tinh đã được khám phá bên trong hệ Mặt Trời và tỷ lệ khám phá hiện nay là khoảng 5000 tiểu hành tinh/tháng. Tới ngày 17 tháng 9, 2006, trong tổng số 342.358 tiểu hành tinh được biết, 136.563 có quỹ đạo được xác định. Ước tính hiện nay tổng số tiểu hành tinh có đường kính hơn 1 km trong hệ Mặt Trời là khoảng từ 1.1 đến 1.9 triệu. Tiểu hành tinh lớn nhất phía bên trong hệ Mặt Trời là 1 Ceres, với đường kính 900-1000 km. Hai vật thể lớn khác ở vành đai tiểu hành tinh của hệ Mặt Trời là 2 Pallas và 4 Vesta; cả hai đều có đường kính ~500 km. Vesta là tiểu hành tinh duy nhất trong vành đai tiểu hành tinh chính. Khối lượng của toàn bộ các tiểu hành tinh trong Vành đai chính được ước tính khoảng 3.0-3.6×1021 kg, hay khoảng 4% khối lượng Mặt Trăng của chúng ta. Trong số đó, 1 Ceres chiếm 0.95×1021 kg, khoảng 32% tổng khối lượng. Ba tiểu hành tinh có khối lượng lớn tiếp theo là 4 Vesta (9%), 2 Pallas (7%), và 10 Hygiea (3%), tổng khối lượng của chúng chiếm tới 51%; trong khi ba tiểu hành tinh sau đó là 511 Davida (1.2%), 704 Interamnia (1.0%), và 3 Juno (0.9%), chỉ chiếm Vestalàhànhtinhsơ sinh 3% tổng khối lượng. 2.4.11. Thiên thạch 16
18. Thiên thạch là một vật thể tự nhiên từ ngoài không gian tác động đến bề mặt Trái Đất. Nó là mảnh vật chất (thường là các chất rắn) đi đến từ vùng không gian bên ngoài vào khí quyển, rơi xuống bề mặt Trái Đất hay bề mặt các thiên thể khác (như Mặt Trăng, Sao Hỏa ). Một số hình ảnh về thiên thạch Thường thì khi thiên thạch di chuyển với vấn tốc nhanh và khi va vào bề mặt của một hành tinh hay tiểu hành tinh thì nó để lại trên bề mặt của hành tinh đó những mảnh vỡ hay những dấu vết về sự va chạm. Chúng ta có thể thấy rõ những ảnh chụp từ trong không gian của NASA về những vết rỗ trên Mặt Trăng vì ở đây không có gió hay trên Sao Hỏa. Trên thế giới đã tìm thấy rất nhiều những nơi mà dấu vế về vụ va chạm thiên thạch để lại. Tính đến giữa năm 2006, trên thế giới đã có khoảng 1050 mẫu thiên thạch từ những vụ va chạm và có khoảng 31000 tài liệu ghi chép về thiên thạch. Đa số thiên thạch khi lao vào khí quyển bị đốt cháy và nóng chảy, chỉ một số rất ít rơi trên mặt Trái Đất. Một dạng tương tự như thiên thạch là tectit được phát hiện ở nhiều nơi trên thế giới, tại một số vùng của Việt Nam tectit rơi trên mặt đất vào đầu Đệ Tứ, nhưng chúng đã bay vòng quanh Trái Đất như những vệ tinh từ kỷ Neogen (E. P. Izokh, 1988). Trong lịch sử địa chất nười ta biết được một số đợt tectit rơi ào ạt cách đây khoảng 34 triệu năm, 14,8 triệu năm và 0,6 triệu năm Có giả thuyết cho rằng tectit là vật liệu của một Sao Chổi, khi sao này quyệt vào Trái Đất thì những vật liệu của nó xuyên qua khí quyển và rơi trên mặt đất. Cũng có giả thuyết cho rằng tectit liên quan với một vụ đụng độ của Trái Đất với một hành tinh nào đó. 2.4.12. Sao Chổi Sao chổi là một thiên thể bay ngoài không gian, nó gần như một tiểu hành tinh, nhưng không được cấu tạo từ đất đá mà chủ yếu là từ băng. Sở dĩ chúng có tên là sao chổi vì thường có hình thù kỳ dị, đầu nhọn, đuôi to giống một chiếc chổi quét nhà. Các nhà khoa học đã mô tả nó giống như “một quả bóng tuyết bẩn” vì nó chứa carbonic, metan, nước đóng băng lẫn với bụi và các khoáng chất. Một học thuyết đặt ra đã bác bỏ thuyết gọi sao chổi là “sao” vì người ta cho rằng nó chỉ là một khối khí lạnh trong đó chứa đầy các mảnh vụn và bụi vũ trụ. Nó là “mẹ” của những vì sao băng rực sáng trên bầu trời, vì khi bị vỡ ra, nó sẽ tạo thành từng đám sao băng và bụi vũ trụ rơi vào khoảng không. Tùy thời điểm và vị trí bị vỡ của sao chổi, 17
19. người ta có thể quan sát được những đám sao băng từ Trái Đất. Các nhà nghiên cứu thiên văn chia sao chổi thành 3 loại: ngắn hạn, dài hạn và sao chổi thoáng qua. Sao chổi ngắn hạn có chu kỳ quỹ đạo ít hơn 200 năm, sao chổi dài hạn có chu kỳ lớn hơn, còn sao chổi thoáng qua có quỹ đạo parabol hoặc hypecbol, chúng bay qua Mặt Trời một lần và sẽ ra đi mãi mãi sau đó. Mỗi năm có hàng trăm sao chổi được tạo ra ngoài vũ trụ nhưng chỉ có những sao chổi lớn và có chu kỳ đặc biệt được chú ý, như sao chổi Halley nổi tiếng chẳng hạn. Nó được phát hiện vào thế kỷ 18 và là sao chổi đầu tiên được phát hiện quay trở lại Trái Đất. Các nhà khoa học dự đoán nó sẽ quay trở lại Trái Đất trong thế kỷ 21, khoảng vào năm 2061. Sao chổi bắt nguồn từ đâu? Nghiên cứu của Cơ quan hàng không châu Âu cho rằng, sao chổi bắt nguồn từ đám mây Oort bên ngoài hệ Mặt Trời và là ranh giới giữa hệ Mặt Trời với các hệ hành tinh khác. Sao chổi chứa đựng các vật chất của thời kỳ khai sinh hệ Mặt Trời, do vậy chúng trở thành đối tượng nghiên cứu của các nhà khoa học để trả lời câu hỏi về quá trình tiến hóa của hệ Mặt Trời cũng như các hệ hành tinh khác trong vũ trụ. Đa phần các sao chổi có quỹ đạo elip rất dẹt, phân bố ngẫu nhiên ngoài không gian. Đuôi của sao chổi có được là do khi đi qua Mặt Trời (quỹ đạo hình elip của sao chổi có tâm là Mặt Trời), băng của sao chổi tan chảy tạo thành chiếc đuôi, nhưng cũng vì những chuyến ghé thăm rất gần Mặt Trời đó mà đuôi của sao chổi ngày càng ngắn đi do băng bị thất thoát. Mỹ đã phóng tàu vũ trụ Deep Impact vào sao chổi Temple 1 để nghiên cứu nhân của nó. Các nhà khoa học ở Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) hy vọng sẽ có được những Tàu vũ trụ Deep Impact được phóng vào thông tin về hệ Mặt Trời của chúng ta với cấu sao chổi Temple 1 (Ảnh: universetoday) tạo hóa học đầu tiên của sự sống. Không một hành tinh nào trong hệ Mặt Trời so sánh được với sao chổi về mặt thể tích. Nó gồm 3 phần: lõi chổi, sợi chổi và đuôi chổi. Lõi chổi cấu tạo bằng những hạt thể rắn đậm đặc, ánh sáng tỏa xung quanh là các sợi chổi. Lõi kết hợp với sợi tạo thành đầu chổi, còn đuôi không phải có ngay từ lúc hình thành sao chổi mà có được khi nó đi ngang qua Mặt Trời. Những cơn gió Mặt Trời đã thổi bạt các phân tử của sao chổi và tạo thành chiếc đuôi rực sáng phía sau. Có chiếc đuôi của sao chổi kéo dài hàng triệu km. Ngay từ thế kỷ 18, Isaac Newton đã cho rằng sao chổi là vật thể đang giúp ích cho sự tồn tại của Trái Đất, nó cung cấp độ ẩm cho Trái Đất - điều kiện để duy trì sự sống của muôn loài. Đến nay, các nhà khoa học vẫn đang tìm hiểu về hiện tượng vũ trụ hấp dẫn và đầy bí ẩn còn chưa được khám phá. Khoa học hiện đại và sao chổi Hàng loạt các chuyến thám hiểm để tìm hiểu về thiên thể này đã được thực hiện. Các cơ quan nghiên cứu vũ trụ của Nga, Mỹ hay châu Âu đã vào cuộc, nhưng sao chổi vẫn là một bí 18
20. mật với con người. Năm 2001, tàu Deep Space 1 của Mỹ đã bay qua hạt nhân của sao chổi Borrelly để tìm hiểu về cấu trúc của nó, hay tàu Stardust đã được phóng vào sao chổi Wild 2 để thu thập các hạt bụi để phục vụ nghiên cứu. Dự kiến năm 2014, tàu Rosseta sẽ đưa hẳn một trạm nghiên cứu lên bề mặt sao chổi Churyumov-Gerasimenko. Không phải lúc nào sao chổi cũng mang vẻ đẹp lung linh trên bầu trời mà còn tiềm ẩn những nguy cơ một khi nó bay gần quỹ đạo Trái Đất. Ở bất kỳ một hành tinh nào, sao chổi luôn bị lực hấp dẫn hút vào và những vụ va chạm giữa Trái Đất với các thiên thể ngoài vũ trụ là không thể tránh khỏi. Nó sẽ tạo nên các rung động mạnh trên bề mặt Trái Đất, thậm chí là tạo thành các trận động đất, lở tuyết hay các đợt sóng thần cao hàng trăm mét Theo các nhà khoa học, mỗi ngày, Trái Đất phải hứng chịu hàng chục các mảnh thiên thạch nhỏ hay bụi Sao chổi Churyumov-Gerasimenko từ vũ trụ, nhưng chỉ có những mảnh thiên thạch lớn như (Ảnh: astronomy) sao chổi mới nguy hiểm đối với Trái Đất của chúng ta. Tuy nhiên, các nhà khoa học luôn tính toán để Trái Đất tránh xa những vụ va chạm như vậy. Một tên lửa đẩy có mang đầu đạn hạt nhân sẽ phá vỡ hoặc làm chệch quỹ đạo bay của sao chổi. Ông K.Harpher, thuộc NASA cho biết, mặc dù được cấu tạo từ carbonic, metan, nước đóng băng, các hợp chất hữu cơ cao phân tử và các khoáng chất nhưng nguồn gốc của sao chổi lại nằm trong hạt nhân của nó. Hạt nhân sao chổi gồm những khoáng chất nặng hay chất hữu cơ cao phân tử, bao phủ là một bề mặt tối đen, có khả năng hấp thụ nhiệt rất mạnh, nhờ thế nó bốc hơi các khí và tạo thành đám bụi xung quanh, có khi lên đến cả trăm nghìn km, tạo thành một vệt kéo dài. Nhờ ánh sáng Mặt Trời mà khi ta nhìn từ Trái Đất sẽ thấy nó là một vết sáng giống hình cái chổi. Một điều gây ngạc nhiên nữa cho giới khoa học là thiên thể này còn phát ra tia X, đó là do sự tương tác giữa gió Mặt Trời và sao chổi. Mặc dù con người không ngừng tìm hiểu về sao chổi nhưng nó vẫn mang đầy bí ẩn và vẫn là một kỳ quan của tự nhiên, thu hút các nhà khoa học tìm hiểu, khám phá. Dưới đây là một số hình ảnh về sao chổi: 19
21. Comet Halley Comet-Hale-Bopp-29-03-1997 20
22. Chương 3 TỔNG QUAN VỀ TRÁI ĐẤT 3.1. Cấu tạo của Trái Đất 3.1.1. Đặc điểm chung của Trái Đất Trái Đất là một hành tinh có dạng gần cầu. Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trời và các lực hấp dẫn vũ trụ quyết định tới hình dạng, cấu trúc, và sự phân bố các đặc tính hoá lý bên trong và bên ngoài Trái Đất. Các đo đạc chính xác gần đây cho thấy hình dạng bên ngoài của Trái Đất tương đối bất thường. Trước đây người ta cho rằng Trái Đất có dạng ellipsoid với độ dẹt theo phương của trục xoay là 1/298,275 (Bán kính ở xích đạo: 6378,14km. Bán kính ở cực: 6356,779km. Theo số liệu của Hội nghị Trắc địa Quốc Tế lần thứ 16, Grenoble, 1975). Tuy nhiên những quan sát chính xác hơn bằng vệ tinh nhân tạo cho thấy Trái Đất không có dạng ellipsoid lý tưởng mà có dạng “quả lê” trong đó cực Bắc nhô cao hơn 10m và cực Nam lõm vào 30m. Trái Đất là một hành tinh đặc biệt trong hệ Mặt Trời, đặc trưng bởi hàng loạt quyển khác nhau. Trái Đất được bao quanh bởi một lớp khí quyển (atmosphere, ta nhìn có màu xanh) cấu tạo bởi loại khí oxy, hydro, đioxyt carbon và hơi nước mà không có hành tinh nào trong hệ Mặt Trời có được. Trái Đất có quyển thứ hai là thủy quyển (hydrosphere) bao gồm toàn bộ biển và đại dương, sông, hồ, nước ngầm, và các mũ băng hà ở các vùng núi cao hoặc vùng cực. Đây cũng là một quyển đặc biệt mà chỉ có Trái Đất mới có. Quyển đặc biệt thứ ba là sinh quyển (quyển của sự sống) bao gồm toàn bộ sự sống tên Trái Đất. Một điểm đặc biệt thứ tư là sự phong hóa xảy ra ở lớp trên cùng của vỏ Trái Đất được tạo thành bởi sự biến đổi hoá học và sự phá hủy vật lý của các đá khi chúng xuất lộ ra trên bề mặt Trái Đất trong các quyển khác như khí quyển, thủy quyển, hoặc sinh quyển. Do sự phong hóa mà bề mặt Trái Đất thường được bao phủ bởi một lớp sản phẩm bở rời tàn dư được gọi là vỏ phong hóa (regolith). Phần ngoài cùng của Trái Đất bên dưới lớp vỏ phong hóa là một lớp đá rắn chắc được gọi là thạch quyển. 3.1.2. Các lục địa và bồn trũng đại dương của Trái Đất Gần 71% diện tích bề mặt Trái Đất được bao phủ bởi một khối lượng nước khổng lồ, chúng tạo thành các biển và đại dương. Hơn 29% diện tích (29,2%) bề mặt Trái Đất còn lại là các vùng nhô cao của bề mặt Trái Đất so với mực nước biển, được gọi là các lục địa. Các lục địa phân bố chủ yếu ở Bán cầu bắc. Kích thước các lục địa cũng thay đổi khác nhau, trong đó các lục địa ở phía bắc gắn kết với nhau tạo thành các vùng đất rộng lớn còn ở phía nam thường là các lục địa riêng rẽ nổi trên mặt đại dương. Đường bờ biển phân cách các lục địa và đại dương thường là các đường uốn lượn phức tạp. Địa hình bề mặt Trái Đất rất gồ ghề và có độ chênh lệch độ cao rất lớn. Độ chênh cao giữa nơi cao nhất trên lục địa và nơi sâu nhất dưới đáy các đại dương là khoảng gần 20.000m. Địa hình lục địa gồm cả các vùng bình nguyên bằng phẳng, vùng đồi núi thấp, cao nguyên và các vùng núi cao hiểm trở. Độ cao trung bình của địa hình lục địa so với mực nước biển trung bình khoảng 875m. Đỉnh núi cao nhất (Verest) có độ cao 8848,13m. Tương tự như lục địa, dù chìm sâu dưới nước biển nhưng địa hình đáy đại dương cũng phân dị hết sức phức tạp. Độ sâu trung bình của vỏ đại dương khoảng 3700m dưới mực nước biển trung bình. Nơi sâu nhất của đáy đại dương có độ sâu tới 11.033m (hố sâu Mariana). Địa hình đáy biển và đại dương được chia thành một số phần chính như sau: - Rìa lục địa (đới chuyển tiếp lục địa - đại dương), thềm lục địa (phần tiếp giáp giữa rìa lục địa và phần biển khơi, tương đối nông và có độ dốc thoải [< 0,30]); 21
23. Mặt cắt tổng quát qua lục địa và đáy đại dương cho thấy sự phân dị phức tạp địa hình bề mặt Trái Đất Mặt cắt bao quát của đáy đại dương (theo Leonchep O.): Phần rìa lục địa dưới nước: 1 - thềm lục địa; 2 - sườn lục địa; 3 - chân lục địa. Đới chuyển tiếp: 4 - lòng chảo biển ven; 5 - vòng cung đảo; 6 - rãnh sâu. Phần lòng đáy đại dương: 7 - bình nguyên sâu; 8 - dãy núi giữa đại dương; 9 - đồi dưới sâu. - Sườn lục địa (continental slope: phần nằm cạnh thềm lục địa, có độ dốc lớn và có độ sâu < 2000m); - Chân lục địa (continental rise, nằm phía ngoài sườn lục địa và nối với bồn đại dương, thoải, độ sâu 2000 - 5000m). - Rãnh nước sâu (oceanic trench) là các vực thẳm dạng tuyến hẹp và kéo dài, có độ sâu trên 6000m, chủ yếu phân bố quanh Thái Bình Dương, thường chạy song song với đường bờ của một số lục địa hoặc dọc các cung đảo. - Cung đảo đại dương (là chuỗi các hòn đảo được hình thành từ sự phun trào của núi lửa hoặc xâm nhập của magma phân bố trong lòng các đại dương, thường chạy song song với các rãnh sâu đại dương và nằm ở phía tiếp giáp với lục địa, là nơi có hoạt động núi lửa và động đất mạnh mẽ). - Bồn đại dương hay đồng bằng biển thẳm (phần đáy của đại dương bằng phẳng), độ sâu 4000-6000m; trong bồn đại dương có các vùng nhô cao cục bộ được gọi là các sea mounts (núi dưới biển) hoặc abyssal hills (đồi biển thẳm?). - Sống núi giữa đại dương (là các dãy núi ngầm ở giữa đáy đại dương - chiều dài tổng cộng tới 65.000km, chiều cao trung bình so với đáy đại dương khoảng 2.000 - 3.000m và có nơi nổi lên trên bề mặt đại dương (Iceland). Dọc theo trung tâm của các sống núi thường là các dải sụt tương đối (rift) (sâu 1 - 2km, rộng từ hơn 10km tới 50km) và dọc theo chúng thường xảy ra sự tách giãn và mở rộng đáy đại dương, các hoạt động động đất và núi lửa kèm theo là sự phun trào và xâm nhập của magma. Những bản đồ đo sâu hiện đại cho thấy địa hình đáy Đại dương Thế giới rất đa dạng. Tính chia cắt của đáy đại dương không thua kém tính chia cắt của địa hình lục địa. Cũng như trên các lục địa, tại đáy đại dương cũng có mặt những bình nguyên, cao nguyên, những dãy núi, những hẻm sâu Song địa hình đáy đại dương, trừ những vùng hoạt động núi lửa, có đặc điểm 22
24. khá ổn định so với địa hình lục địa, vì tác động của các quá trình ngoại sinh yếu hơn nhiều, thậm chí vắng mặt hẳn một số quá trình như gió và phong hóa vật lý. Đường cong cao đồ của Trái Đất cho thấy rằng biên độ các độ sâu ở đại dương lớn hơn nhiều so với biên độ các độ cao trên đất liền (từ 0m đến 11034m ở rãnh sâu Marian). Những dạng địa hình lớn của đáy đại dương Theo những quan điểm hiện đại, có thể phân chia những cấu trúc vĩ mô của đáy đại dương sâu: a) rìa lục địa dưới nước; b) đới chuyển tiếp; c) những dãy núi giữa đại dương; d) lòng chảo đại dương. Rìa lục địa dưới nước chiếm 22,6 % đáy Đại dương Thế giới, viền quanh tất cả các lục địa, gồm những dạng địa hình lớn sau đây: 1) Thềm lục địa là phần kéo dài trực tiếp của nền lục địa. Nơi đây đáy đại dương hạ thấp dần đều tới độ sâu 200m, có khi sâu hơn, tới 2000m như ở biển Ôkhôt, và độ dốc nhỏ, dưới 2o. Địa hình đáy thường khá phẳng, nhưng nhiều khi phát hiện thấy các dạng cổ phản ánh địa hình nền đất liền kế cận. Bề rộng lớn nhất quan sát thấy ở vùng thềm lục địa Bắc Băng Dương; ở bờ châu Âu, các bờ đông của châu Mỹ, bờ đông nam Nam Mỹ của Đại Tây Dương; bờ đông châu Á và vùng quần đảo Dônđơ của Thái Bình Dương. Trong khi đó ở vùng bờ tây của Bắc Mỹ và Nam Mỹ, ở bờ châu Phi thềm lục địa rất hẹp. Thời gian gần đây các thềm lục địa Đại dương Thế giới có giá trị kinh tế to lớn, là nơi khai thác dầu khí, phát hiện những mỏ phốt phát, quặng kim loại và tập trung phần lớn sản lượng đánh bắt cá và hải sản. Đồng thời thềm lục địa liên quan trực tiếp với hàng hải và mọi hoạt động kỹ thuật khác của các dân tộc. Từ phía biển và đại dương, thềm lục địa giới hạn bởi sườn lục địa. 2) Sườn lục địa là phần dưới nước của lục địa, nằm ở độ sâu từ khoảng 200m đến khoảng 2500m. Nơi đây đáy biển có độ dốc lớn hơn ở thềm lục địa, tới 4-7o, đôi khi tới 13-14o, thậm chí 20-40o, tức gần như độ dốc của sườn núi trên đất liền, do đó tại đây tính chất của sóng biển, hướng dòng chảy biển thay đổi. Sườn lục địa có thể thể hiện dưới dạng một dải nghiêng đều hoặc có tính chất từng bậc, làm thành những bình nguyên dưới nước. Nét tiêu biểu của các sườn lục địa - tồn tại các hẻm (canhiôn), đó là những rãnh sâu cắt xuyên sườn lục địa, dạng chữ V, sâu tới 1-2 km, dài vài trăm km, bề ngoài giống các hẻm lớn trên lục địa. Đỉnh của các canhiôn thường phân nhánh và rất giống các thung lũng sông. Các canhiôn cắt xuyên sườn lục địa, ăn sâu vào thềm lục địa, có khi vào cả đới bờ của biển. 3) Tiếp theo sườn lục địa là chân lục địa - miền bình nguyên khổng lồ gồm các đá trầm tích lục nguyên dày tới 3,5km, mặt nghiêng, dạng sóng thoải, bề rộng kể từ biên với sườn lục địa ra tới vùng nước sâu của đại dương bằng khoảng vài trăm km. Thềm lục địa, sườn lục địa và chân lục địa có cấu tạo địa chất giống nhau, cả ba làm thành rìa ngập nước của lục địa. Vỏ Trái Đất nơi đây thuộc loại lục địa, tức gồm lớp tương đối xốp đá trầm tích, sau đến lớp granit cứng và sau nữa là lớp bazan cứng hơn. Dưới nữa là manti. Ở chân lục địa, độ dày của vỏ lục địa vào khoảng 5-10km. Nơi đây bắt đầu chuyển tiếp sang loại vỏ đại dương. 4) Tính chất chuyển tiếp phức tạp được quan sát thấy ở đới chuyển tiếp với 8,5 % tổng diện tích, rất tiêu biểu ở tây Thái Bình Dương với các dạng địa hình như sau: kế cận với rìa lục địa dưới nước là lòng chảo biển ven (Nhật Bản, Ôkhôt, Bêrinh) - sau đó là miền nâng cao nhưngg hẹp làm thành vòng cung đảo - cuối cùng là rãnh nước sâu. Ở các vùng khác, đới chuyển tiếp có thể chỉ gồm một hoặc hai dạng địa hình trong số trên, chẳng hạn ở đông Thái 23
25. Bình Dương chỉ đặc trưng bằng một dạng địa hình rãnh sâu, còn các dãy núi trẻ trên đất liền (như dãy Andes) đóng vai trò như vòng cung đảo. Địa hình của các lòng chảo biển ven có dáng của các đồng bằng với những bậc gờ, những núi dưới nước, những thung lũng và những gò đất dưới nước. Vòng cung đảo là miền nâng định hướng thành tuyến dài bị chia cắt bởi những đứt gãy ngang với hoạt động núi lửa và động đất mãnh liệt. Các rãnh sâu bao giờ cũng đi kèm với các vùng cung đảo hoặc với các dãy núi uốn nếp trẻ ở dải bờ lục địa và là những miền giáng sâu và hẹp với sườn dốc đứng. Đây là những khe nứt dưới nước trong vỏ Trái Đất. Chính tại những rãnh sâu này người ta đã đo được những độ sâu lớn nhất của Đại dương Thế giới. Đến nay đã phát hiện gần hai chục rãnh sâu, tất cả đều có bề rộng không quá 150 km, thiết diện ngang bất đối xứng, mạn cung đảo hay đất liền dốc hơn mạn đại dương, đáy khá phẳng phủ bằng nhiều trầm tích, sâu hơn 6 km. Rãnh sâu Marian được coi là sâu nhất Đại dương Thế giới kể từ năm 1951 do tàu “Chellenge II” phát hiện bằng đo sâu với máy hồi âm và kiểm tra bằng dây đo sâu với mẫu bùn ở độ sâu 10863 m trên đoạn đường từ Guam tới Nhật Bản, về sau này theo tài liệu của tàu “Vitiazơ” năm 1957, cực đại độ sâu ở đây là 11034 m. Cuối cùng, 68 % diện tích còn lại của toàn diện tích Đại dương Thế giới thuộc về đáy đại dương thực sự. Kết quả khảo sát mới nhất đã cho thấy rằng vùng rộng lớn này cũng có cấu tạo hết sức phức tạp, có thể còn hơn cả địa hình lục địa. Yếu tố địa hình lớn nhất của lòng đáy đại dương là những lòng chảo đại dương với độ sâu từ 4-4,5 km đến 6-7 km được ngăn cách với nhau bởi những dãy núi dưới nước và những miền nâng, những cao nguyên dưới nước, gọi là thành lòng chảo đại dương. Những dãy núi dưới nước liên kết với nhau thành chuỗi dài gần 80 nghìn km qua tất cả các đại dương được gọi là những dãy núi giữa đại dương và là một dạng địa hình lớn độc lập. 5) Các lòng chảo đại dương là những vùng rộng lớn, thấp, khá phẳng và đồng điệu với độ dốc nhỏ hơn 0,001 nghiêng về phía tâm đại dương. Dạng bình nguyên nay ngự trị ở vùng đáy Bắc Băng Dương, Đại Tây Dương và một phần Ấn Độ Dương. Tuy nhiên, ở Thái Bình Dương lại tiêu biểu dạng địa hình đồi dưới sâu: tại đáy các lòng chảo đại dương phát hiện thấy những miền nâng độc lập định hướng khác nhau, cao từ vài chục đến vài trăm mét, đường kính từ vài trăm đến vài km. Những đồi này cấu tạo từ đá núi lửa và có lớp phủ trầm tích. Một số đồi có dạng núi cao nhô lên khỏi mặt đại dương hoặc tạo thành đảo. 6) Những miền nâng dưới nước, những cao nguyên đại dương là những dạng địa hình dương cỡ lớn ở đáy đại dương, không liên quan tới những dãy núi giữa đại dương. Đó là những cao nguyên rộng lớn nhưng không cao lắm (vài trăm mét) hoặc những dãy núi định hướng theo những hướng khác nhau cũng như những ngọn núi dưới nước đứng riêng lẻ và những gaiôt – núi đỉnh phẳng dạng chóp cụt. Đỉnh của những dạng địa hình này ở thấp dưới mặt nước đại dương đến 2 km. Chúng có thể là những đảo núi lửa đã bị chìm hay những đảo atôn san hô chìm (ở nhiệt đới). 7) Những dãy núi giữa đại dương. Như trên đã nói, các dãy núi giữa đại dương là một hệ thống thống nhất bao trùm toàn bộ hành tinh chúng ta với độ trải dài phi thường và chiếm một diện tích so sánh được với diện tích các đại lục. Độ cao đạt tới 2-3 km trên mực đáy đại dương. Trên bình đồ hình dáng của hệ thống này như sau: ở nam bán cầu tại đới giữa 40o và 60o V.N tồn tại một vòng gần kín những khối nâng dưới nước bao quanh châu lục Nam Cực. Ở gần đảo Tristanđa-Cunhia tỏa nhánh về phía bắc là hệ thống núi đồ sộ nhất - dãy núi giữa đại dương Đại Tây Dương, trải dài theo trục của Đại Tây Dương để nối liền với dãy Aixơlen Ian Maien và dãy 24
26. dãy Mônơ ở quần đảo Spitbơgen. Nhánh thứ hai tỏa nhánh từ chỗ lòng chảo Crôdê, chạy qua trung tâm Ấn Độ Dương dưới tên gọi dãy núi trung tâm Ấn Độ Dương, nối liền với dãy núi Arập - Ấn Độ trải dài tới vịnh Ađen. Nhánh thứ ba ở Thái Bình Dương: bắt đầu bằng vùng nâng Nam Thái Bình Dương, tiếp đến là dãy Đông Thái Bình Dương kéo dài tới vịnh Caliphonia và đi lên đất liền miền bờ Caliphonia như nối liền với cao nguyên Anbatơrôt. 3.1.3. Cấu tạo bên trong của Trái Đất 3.1.3.1. Đặc điểm chung Các nhà khoa học tin rằng, khi các hành tinh đất trở nên lớn hơn, nhiệt độ của chúng cũng tăng lên theo do tác động của năng lượng do động lực (bởi sự di chuyển của hành tinh), do va chạm của các thiên thạch lên hành tinh. Ngoài ra, nhiệt cũng được cung cấp liên tục từ các nguồn khác mà một phần cơ bản là từ nhiệt do phân rã các nguyên tố phóng xạ tự nhiên có mặt trong thành phần của Trái Đất (uranium, thorium, potassium). Theo thời gian, các nguyên tố này có xu hướng tự phân rã để chuyển thành các nguyên tố mới và khi phân rã để tạo thành các nguyên tối mới thì chúng sẽ giải phóng nhiệt. Do đó nhiệt độ bên trong Trái Đất sẽ càng ngày càng tăng và dẫn tới sự nóng chảy các vật chất. Các vật chất bị nóng chảy có tỷ trọng nhẹ (giàu các nguyên tố silic, nhôm, kiềm, ) sẽ dâng lên cao và di chuyển về phía bề mặt Trái Đất. Các vật chất có tỷ trọng nặng hơn như sắt bị nóng chảy có xu hướng chìm về phía trung tâm của Trái Đất. Ngoài ra, một khối lượng khổng lồ khí còn được tạo thành và thoát ra ngoài vỏ Trái Đất thông qua các họng núi lửa. Các khí này có thành phần chủ yếu là hơi nước, đioxyt cabon, metan và có thể ammoniac đã tạo nên khí quyển của Trái Đất. Cũng từ nguồn khí này mà hơi nước được ngưng tụ tạo thành nước và dần dần tràn ngập các đại dương. Sự nóng chảy từng phần đã làm cho Trái Đất chuyển từ một hành tinh đồng nhất ban đầu thành một Trái Đất bị phân lớp theo thành phần. 3.1.3.2. Các lớp có thành phần khác nhau Trái Đất bao gồm 3 lớp có thành phần khác nhau. Phần trung tâm của Trái Đất là phần có mật độ cao nhất của Trái Đất, được gọi là nhân. Đây là một khối có hình cầu, cấu tạo chủ yếu bởi sắt và ít hơn là niken và một số nguyên tố khác. Lớp thứ 2, được gọi là manti, có tỷ khối nhỏ hơn nhân nhưng cao hơn lớp ngoài cùng. Lớp ngoài cùng và mỏng nhất của Trái Đất được gọi là vỏ và được cấu tạo bởi loại đá cứng Sơ đồ cấu tạo Trái Đất có tỷ trọng nhỏ hơn của manti. Trong khi nhân và manti có chiều dày tương đối ổn định và đồng nhất thì lớp vỏ lại không đồng nhất và có chiều dày biến đổi rất mạnh. Phần vỏ nằm bên dưới các đại dương, được gọi là vỏ đại dương, có chiều dày trung bình khoảng 8km trong khi đó phần vỏ bao gồm các lục địa, được gọi là vỏ lục địa, có chiều dày lớn hơn nhiều, trung bình khoảng 45 km và biến đổi từ 30 đến 70 km. Các lớp khác nhau của vỏ Trái Đất được xác định một cách gián tiếp nhờ nghiên cứu sự thay đổi mật độ theo chiều sâu thông qua việc đo đạc tốc độ truyền sóng điện từ được tạo thành 25
27. bởi các trận động đất , trong đó mỗi lớp có mật độ và thành phần khác nhau sẽ có tốc độ truyền sóng và giá trị sóng điện từ khác nhau. 3.1.3.3. Các lớp có đặc tính vật lý khác nhau Ngoài sự thay đổi thành phần, sự thay đổi bên trong Trái Đất còn được đặc trưng bởi những sự biến đổi khác trong đó quan trọng nhất là sự thay đổi đặc tính vật lý như sức bền của đá và trạng thái lỏng - rắn. Những sự thay đổi này bị khống chế bởi nhiệt độ và áp suất. Những nơi mà sự thay đổi đặc tính vật lý không trùng khớp với ranh giới thành phần là các ranh giới giữa vỏ, manti và nhân. Các lớp có thành phần và các lớp có đặc tính khác nhau của Trái Đất 26
28. Nhân trong và nhân ngoài: Bên trong phần nhân Trái Đất có sự phân dị giữa phần trong và phần ngoài. Do áp suất quá cao mà phần nhân trong mặc dù có nhiệt độ rất cao nhưng sắt không thể tồn tại dạng dung dịch nóng chảy. Phần nhân cứng này được gọi là nhân trong (inner core). Vây quanh phần nhân trong là một lớp mà do sự cân bằng giữa nhiệt độ và áp suất làm cho sắt nóng chảy và tồn tại dạng dung dịch. Phần này được gọi là nhân ngoài (outer core). Như vậy, sự khác nhau giữa nhân ngoài và nhân trong và ở đặc tính vật lý chứ không phải thành phần. Quyển giữa - quyển trung gian (Mesosphere): Sức bền của một chất rắn bị khống chế bởi cả nhiệt độ và áp suất (nếu chất rắn bị nung nóng, sức bền của nó sẽ giảm và ngược lại). Sự khác nhau về nhiệt độ và áp suất đã phân chia vỏ và manti của Trái Đất thành 3 đới có sức bền khác nhau. Ở phần trong, các đá có thể có sức bền tương đối lớn mặc dù chúng có nhiệt độ khá cao. Như vậy, trong lòng Trái Đất tồn tại một đới rắn chắc có nhiệt độ cao nhưng cũng có sức bền tương đối cao nằm giữa khoảng từ ranh giới nhân manti (khoảng 2883 km) tới độ sâu 350 km và đới này được gọi là quyển giữa hay quyển trung gian. Quyển mềm (asthenosphere): Trong phần trên của manti, từ độ sâu 350 km tới khoảng giữa 100-200 km dưới mặt đất là một đới được gọi là quyển mềm (hay quyển yếu - weak sphere), nơi mà sự cân bằng về nhiệt độ và áp suất làm cho đá có sức bền rất kém. Khác hẳn với đá trong quyển giữa, đá trong quyển 27
29. mềm rất mềm dẻo và dễ bị biến dạng, tương tự như nhựa đường bị làm nóng. Các nhà địa chất đều cho rằng quyển mềm có cùng thành phần với quyển giữa, sự khác nhau giữa chúng chỉ là đặc tính vật lý (làm thay đổi sức bền của đá). Thạch quyển (Lithosphere): Nằm bên trên quyển mềm là đới ngoài cùng có sức bền cao nhất, nơi mà các đá nguội hơn, bền hơn, cứng hơn các đá quyển mềm. Đới này bao gồm cả phần trên cùng của manti và phần vỏ Trái Đất và được gọi là thạch quyển. Chú ý rằng mặc dù vỏ và manti có thành phần khác nhau, nhưng đặc tính vật lý là sức bền của đá là đặc điểm để phân biệt giữa thạch quyển và quyền mềm. Sự khác nhau này được quyết định bởi nhiệt độ và áp suất. Ở nhiệt độ 1.300oC và áp suất tương ứng với độ sâu 100 km, tất cả các loại đá đều mất sức bền và dễ dàng biến dạng. Độ sâu này tương ứng với đáy của thạch quyển bên dưới các đại dương (hay thường được gọi là thạch quyển đại dương (Oceanic lithosphere). Ngược lại, đáy của thạch quyển lục địa (continental lithosphere) tồn tại ở độ sâu khoảng 200 km. Lý do của sự khác nhau này là sự khác nhau của gradient địa nhiệt. 3.1.3.4. Gradient địa nhiệt trong lòng Trái Đất Gradient địa nhiệt là sự thay đổi nhiệt độ theo chiều sâu. Gradient địa nhiệt trong thạch quyển không đồng nhất ở các vị trí khác nhau do sự phân dị của thành phần của đá hoặc do hoạt động magma hoặc các nguồn nhiệt cục bộ khác. Tuy nhiên, sự khác nhau lớn nhất và quan trọng nhất là sự khác biệt về chiều dày của thạch quyển đại dương và thạch quyển lục địa. Nhiệt độ di chuyển trong vỏ chủ yếu là do sự truyền dẫn (conduction) chứ không phải do sự lưu chuyển (convection) do thạch quyển quá cứng chắc. Do sự truyền dẫn diễn ra một cách từ từ nên đường cong Gradient địa nhiệt trong thạch quyển rất dốc (nhiệt độ thay đổi nhanh chóng theo độ sâu). Nhiệt độ tại ranh giới thạch quyển và quyển mềm là khoảng 1300oC bên dưới đại dương và 1350oC bên dưới lục địa. Nếu giả sử nhiệt độ ở bề mặt Trái Đất bằng 0oC và chiều dày của thạch quyển đại dương là 100km thì Gradient địa nhiệt trung bình của thạch quyển này là khoảng 13oC/km. Ngược lại, với chiều dày khoảng 200 km, Gradient địa nhiệt trong thạch quyển lục địa chỉ vào khoảng 6,7oC/km . Gradient địa nhiệt trong quyển mềm và quyển giữa. Vì trong quyển mềm và quyển giữa nhiệt độ ở mọi nơi đều cao và các đá đều rất mềm dẻo nên các dòng đối lưu có thể thành tạo. Kết quả là trong những phần sâu hơn của Trái Đất thì các dòng đối lưu nhiệt là cơ chế quan trọng nhất trong việc truyền nhiệt. Khi đá trong phần sâu của Trái Đất bị nung rất nóng, chảy dẻo và dâng lên cao do sự đối lưu, khi lên phần trên của Trái Đất chúng sẽ nở ra do áp suất giảm xuống. Nhiệt độ cũng bị giảm nhưng năng lượng nhiệt trong đá không bị mất đi. Quá trình này được gọi là sự giãn nở đoạn nhiệt (adiabatic), nghĩa là không có sự mất hoặc thu nhiệt. Quyển mềm bị dịch chuyển tương đương với khối lượng của thạch quyển bị chìm. Sự cân bằng tỷ trọng sẽ đạt được tại một độ sâu nhất định mà ở đó khối lượng của thạch quyển cân bằng với khối lượng của quyển mềm. Như vậy, nếu tỷ trọng của thạch quyển lớn hơn của quyển mềm thì sự cân bằng tỷ trọng sẽ đạt được trước khi thạch quyển chìm hẳn xuống quyển mềm và thạch quyển sẽ nổi. Trong trường hợp ngược lại, vật chất sẽ chìm hẳn xuống dưới dung dịch và tương ứng với giai đoạn phân dị ban đầu của Trái Đất khi sắt nóng chảy, với tỷ trọng khoảng 15gm/cm3 lắng đọng vào trung tâm của Trái Đất tiền sử để tạo thành nhân còn các vật chất giàu silicat có tỷ trọng thấp sẽ nổi lên phần bề mặt. 28
30. Trường hợp này cũng có thể được giải thích với ví dụ thả viên nước đá vào cốc nước. Vì tỷ trọng của viên nước đá là 0,9gm/cm3 và tỷ trọng của nước là 1gm/cm3, viên nước đá sẽ nổi trong nước với 90% khối lượng của nó nằm dưới nước. Sự cân bằng đẳng tĩnh Sự đẳng tĩnh (isostasy) của vỏ Trái Đất là sự chuyển động thẳng đứng do tác động của trọng lực của lớp đá trong quyển mềm. Vì lớp thạch quyển nằm trên quyển mềm nên hành vi giữa chúng sẽ tương tự như việc thả một vật cứng vào một dung dịch lỏng. Tỷ trọng sẽ làm cho thạch quyển tại một vị trí nhất định chìm vào quyển mềm (dung dịch dẻo - lỏng) cho đến khi khối lượng của quyển chuyển kiểu này là quyển mềm. Sự di chuyển của vật chất trong quyển mềm tới đáy của thạch quyển lục địa sẽ làm cho thạch quyển nằm trên bị nổi lên cao do tỷ trọng của quyển mềm cao hơn. Vì vậy, bề mặt của vỏ lục địa sẽ nổi cao hơn bề mặt phía trên của vỏ đại dương cho đến khi khối lượng tại một điểm trên vỏ lục địa tới trung tâm Trái Đất tương đương với khối lượng của một điểm tương tự trên vỏ đại dương. Tuỳ thuộc vào chiều dày của vỏ lục địa mà sự điều chỉnh khối lượng của quyển mềm dưới thạch quyển lục địa sẽ diễn ra (hoặc là tăng lên hoặc giảm đi) và do đó chiều sâu của thạch quyển tới quyển mềm và độ nổi cao của bề mặt của vỏ lục địa sẽ phụ thuộc vào chiều dày của từng phần của vỏ lục địa. Thạch quyển lục địa chìm xuống quyển mềm sâu nhất ở bên dưới các dãy núi lớn (có chiều dày lớn) và nông nhất ở rìa lục địa. Phần khối lượng đá của thạch quyển lục địa chìm sâu xuống quyển mềm bên dưới các dãy núi được gọi là chân (root) của các dãy núi. Như vậy sự cân bằng đẳng tĩnh là sự cân bằng tỷ trọng giữa thạch quyển và quyển mềm nằm dưới. Sự cân bằng đẳng tĩnh xảy ra khi khối lượng tại bất cứ điểm nào trên bề mặt Trái Đất tới trung tâm của Trái Đất là không đổi. Tuy nhiên do tỷ trọng trung bình của vỏ lục địa là 2,7gm/cm3, vỏ đại dương là 3gm/cm3 và của quyển mềm là 3,3gm/cm3 nên khối lượng xác định tại một điểm trên vùng có vỏ lục địa tới trung tâm Trái Đất sẽ nhỏ hơn khối lượng của một điểm trên vùng có vở đại dương kề với vỏ lục địa nói trên tới tâm Trái Đất. Kết quả là phần thạch quyển mang vỏ lục địa sẽ không có sự cân bằng đẳng tĩnh. Để tái lập sự cân bằng đẳng tĩnh thì một khối lượng bổ sung phải di chuyển tới vùng đáy của thạch quyển lục địa. Chỉ có một phần của Trái Đất có khả năng di địa nhiệt do sự giãn nở đoạn nhiệt vào khoảng 0,5oC/km dọc theo ranh giới nhân - manti. Nhiệt độ của nhân Trái Đất được tính toán dựa trên giả thuyết về Gradient đoản nhiệt trong quyển mềm và quyển giữa. 3.1.4. Các đặc tính vật lý khác của Trái Đất 3.1.4.1. Trọng lực và tỷ trọng Trọng lực (gravity) là lực hấp dẫn hướng tâm của Trái Đất. Do Trái Đất không phải là một hình cầu hoàn chỉnh dẹt lại ở hai cực và phình ra dọc xích đạo, trong đó đường kính tại xích đạo lớn hơn tại hai cực là 21km, nên lực hấp dẫn lên một vật thể trên mặt Trái Đất tại vùng cực sẽ lớn hơn tại xích đạo [lực hấp dẫn giữa 2 vật thể tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa tâm 2 vật đó]. Tuy nhiên, trọng lực có thể thay đổi một cách bất thường ở các vị trí khác nhau của Trái Đất do sự khác nhau về tỷ trọng (hay mật độ) của các loại đá khác nhau trong thạch quyển. Những sự thay đổi đó tạo nên các dị thường trọng lực. Tỷ trọng (density): Tương tự như sự thay đổi về trọng lực và chiều dày, tỷ trọng của các phần khác nhau của Trái Đất cũng thay đổi. Vỏ đại dương, được cấu tạo tương đối đồng nhất và chủ yếu là lớp gabro - basalt có tỷ trọng khoảng 3gm/cm3. Ngược lại, vỏ lục đại có thành phần phức tạp, bao gồm sự pha trộn của đá magma, biến chất và trầm tích có tỷ trọng trung bình khoảng 2,7gm/cm3. Phần manti trên nằm bên dưới lớp vỏ Trái Đất có tỷ trọng đồng 29
31. nhất và ở khoảng 3,3gm/cm3. Như vậy thì sự biến đổi về tỷ trọng trong Trái Đất sẽ chủ yếu phụ thuộc vào sự thay đổi tỷ trọng của lớp vỏ, đặc biệt là lớp vỏ lục địa. 3.1.4.2. Từ trường của Trái Đất Trường từ của Trái Đất tương tự như một trường từ được tạo thành bởi một thanh nam châm khổng lồ đặt trong lòng Trái Đất có phương kéo dài (trục từ) hợp với trục quay của Trái Đất (trục Bắc - Nam địa lý) một góc khoảng 120 (hiện cực Bắc từ đang nằm trong vùng có tọa độ khoảng vĩ độ 76 bắc, kinh độ 101 tây - thuộc miền Bắc Canada). Độ lệch từ này, hay độ lệch từ giữa các đường kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lý tại các vị trí khác nhau dọc kinh tuyến được gọi là độ từ thiên. Bên cạnh đó, khi di chuyển từ cực về xích đạo thì góc cắm này giảm dần và ở vùng xích đạo thì hướng của từ trường nằm song song với mặt đất. Sự thay đổi góc cắm của từ trường đó được gọi là độ từ khuynh (inclination). Trường từ của Trái Đất không được tạo ra bởi cơ chế đẳng từ như đối với thanh nam châm vì nó phải có độ từ hóa rất lớn và ở trong vùng có nhiệt độ lớn hơn nhiều so với nhiệt độ Curie (là nhiệt độ tới hạn mà cao hơn nó sự liên kết từ giữa các nguyên tử không xảy ra được và vật chất mang từ có hành vi như vật chất không từ). Trường từ của Trái Đất có lẽ được tạo thành từ quá trình động lực (dynamic), liên quan tới sự đối lưu của sự tích điện trong dung dịch ở phần nhân ngoài, được gọi là sự từ thủy động lực học Sơ đồ từ trường của Trái Đất (magnetohydrodynamics). Tuy nhiên, để thuận lợi cho việc tính toán các nhà khoa học coi trường từ Trái Đất dạng một thanh nam châm hai cực để xác định trường từ ở bất kỳ điểm nào trên Trái Đất. Trường từ của Trái Đất thay đổi liên tục theo thời gian, do sự thay đổi của cấu hình các dòng đối lưu trong nhân Trái Đất, gọi là sự thay đổi trường kỳ (secular variation). Nghĩa là hướng của một trường từ tại một điểm địa lý bất kỳ sẽ xoay một cách bất thường quanh một trục từ xác định với chu kỳ vài ngàn năm. Ngoài ra, trường từ của Trái Đất còn có thể có sự đảo cực theo những khoảng thời gian nhất định (2000-3000 năm). Nghiên cứu sự thay đổi trường từ Trái Đất trong quá khứ được dựa vào thực tế là có nhiều loại đá chứa các khoáng vật có từ tính tạo thành các nam châm cổ. Các khoáng vật giàu sắt như Magnetite có mặt rất nhiều trong các đá phun trào basalt. Khi các khoáng vật này động nguội xuống dưới nhiệt độ Curie (khoảng 580oC) trong quá trình kết tinh của đá, chúng bị từ hóa theo phương của từ trường Trái Đất tại thời điểm kết tinh. Khi đá nguội hơn, trường từ này bị “đóng băng” và giữ nguyên tính chất từ và sự định hướng nguyên thủy của nó (từ dư - remanent magnetism) kể cả khi bản thân khối đá bị di chuyển và trở thành “hóa thạch” từ hoặc cổ từ. Ngoài việc chỉ thị hướng của trường từ cổ, nghiên cứu các khoáng vật bị từ hóa còn giúp ta xác định được vị trí của đá khi nó được thành tạo (bằng cách xác định độ từ thiên và độ từ khuynh). Nghiên cứu cổ từ trong các đá có các khoáng vật từ hóa có tuổi khác nhau trên cùng một lục địa còn giúp ta xác định được sự di chuyển của các địa mảng trong quá khứ thông qua việc xác định vị trí của các tâm từ (magnetic pole) và đường đi của chúng (polar wander path). 30
32. 3.2. Thành phần vật chất của vỏ Trái Đất 3.2.1. Thành phần địa hóa của vỏ Trái Đất Vỏ Trái Đất được cấu tạo bởi các vật chất tồn tại trong các trạng thái khác nhau. Các vật chất đó kết hợp với nhau theo nhiều cách khác nhau để tạo nên các lớp khác nhau của vỏ Trái Đất nói riêng và toàn bộ Trái Đất nói chung. Thành phần cơ bản nhất của vỏ Trái Đất là các nguyên tố hóa học. Trong vỏ Trái Đất, các nguyên tố hóa học tồn tại dưới dạng phân tán không đồng đều, kết hợp với nhau tạo thành các khoáng vật và các đá khác nhau. Hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn Mendelev đều có mặt trong thành phần của vỏ Trái Đất. Trong số đó chỉ có một số ít các nguyên tố đóng vai trò quyết định trong việc tạo đá và tạo lớp vỏ Trái Đất. Năm 1889 W. Clark (người Mỹ) đã lần đầu tiên phân tích và tính toán hàm lượng trung bình, trị số % trọng lượng nguyên tử của nguyên tố trong vỏ Trái Đất của 50 nguyên tố chủ yếu nhất trong vỏ Trái Đất. Nhiều nhà khoa học khác cũng tiến hành phân tích, tính toán và cho kết quả không quá sai khác giá trị trung bình trên được gọi là trị số Clark. Ngày nay trị số Clark được tính cho nhiều nguyên tố khác. Trong số hơn 100 nguyên tố của vỏ Trái Đất thì chỉ có 8 nguyên tố chính trong thành phần và chiếm tới 98% trọng lượng của vỏ lục địa. TT Tên nguyên tố % trọng lượng TT Tên nguyên tố % trọng lượng 1 Oxy 46,6% 6 Natri 2,8% 2 Silic 27,7% 7 Kali 2,6% 3 Nhôm 8,1% 8 Magie 2,1% 4 Sắt 8,0% 9 Các nguyên tố khác 1,5% 5 Canxi 3,6% Các nguyên tố phổ biến nhất trong vỏ Trái Đất và tỷ trọng của chúng (theo Goldsmith, 1937) - Thành phần vật chất của Trái Đất cũng gần giống với của sao Kim, sao Hỏa, Mặt trăng. - Các kim loại có ích chiếm một tỷ lệ rất thấp trong vỏ Trái Đất. 3.2.2. Khoáng vật 3.2.2. 1. Các khoáng vật và thành phần hóa học của chúng Thuật ngữ khoáng vật được dùng trong địa chất để chỉ các hợp chất hóa học rắn, thành tạo trong tự nhiên, có thành phần nhất định và có cấu trúc tinh thể đặc trưng. Khoáng vật có 2 đặc điểm chính là: a. Thành phần: các nguyên tố hóa học và hàm lượng của chúng; b. Cấu trúc tinh thể: là cấu hình sắp xếp không gian các nguyên tử của các nguyên tố hóa học liên kết nhau trong một khoáng vật. Cấu trúc tinh thể Trong khi các nguyên tử trong các loại khí và dung dịch di chuyển hỗn độn thì các nguyên tử trong phần lớn các chất rắn được sắp xếp theo những hình thái có trật tự. Hình thái cấu trúc mà các nguyên tử liên kết nhau trong một chất rắn được gọi là cấu trúc tinh thể và các chất rắn có một cấu trúc tinh thể nhất định được gọi là tinh thể. Các chất rắn không có cấu trúc tinh thể là dạng vô định hình (amorphous, chẳng hạn thủy tinh ). Tất cả các khoáng vật đều là các tinh thể và cấu trúc tinh thể của một khoáng vật là một đặc trưng riêng của khoáng vật đó. 31
33. Định nghĩa một khoáng vật: Một hợp chất được gọi là khoáng vật phải thỏa mãn các điều kiện sau : a. Phải được thành tạo trong tự nhiên (không tính đến các hợp chất được tổng hợp trong phòng thí nghiệm). b. Phải là một chất rắn (không tính đến tất cả các loại khí và chất lỏng). c. Phải có thành phần hóa học nhất định (loại trừ tất cả các hợp phần rắn như thủy tinh có thành phần thay đổi liên tục ). Thêm vào đó, thành phần hóa học nhất định nghĩa là khoáng vật phải chứa một tỷ lệ nhất định của cation/anion. d. Phải có cấu trúc tinh thể đặc trưng (loại trừ tất cả các vật chất vô định hình). Thuật ngữ nhóm khoáng vật dùng để chỉ một khoáng vật có sự thay thế các ion theo trật từ khác nhau tạo ra các biến thể mà không có sự thay đổi về tỷ lệ anion/cation. Mỗi biến thể hoàn hảo của một nhóm khoáng vật được đặt một tên riêng. Mineraloid: Thuật ngữ Mineraloid được dùng để chỉ một số hợp chất rắn tồn tại trong tự nhiên nhưng đáp ứng được các tiêu chuẩn của khoáng vật (không có thành phần nhất định, cấu trúc tinh thể riêng, hoặc cả 2; ví dụ như: thủy tinh, opal ). Khoáng vật đa hình (polymorphs): Mỗi khoáng vật có một cấu trúc tinh thể nhất định. Tuy nhiên, một số hợp chất có thể tạo thành 2 hoặc nhiều khoáng vật khác nhau do các ion có thể liên kết để tạo thành nhiều hơn 1 loại cấu trúc tinh thể (ví dụ than đá, kim cương và graphit). Những hợp chất có thể tạo ra nhiều hơn một loại cấu trúc tinh thể được gọi là một khoáng vật đa hình. 3.2.2. 2. Đặc tính vật lý của các khoáng vật Mỗi khoáng vật được đặc trưng bởi một sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử (cấu trúc tinh thể) và có thành phần hóa học riêng, tạo ra một tổ hợp của các đặc tính vật lý. Vì các thành phần hóa học và cấu trúc bên trong của khoáng vật rất khó xác định nếu không có các phương tiện hiện đại nên thông thường để nhận dạng một khoáng vật thì các đặc tính vật lý đặc trưng và dễ xác định thường được sử dụng. Sau đây là một số đặc tính vật lý đặc trưng nhất: + Hình dạng tinh thể (crystal form) và dạng mọc (growth habit) Hình dạng tinh thể là sự biểu hiện hình thái bên ngoài của một khoáng vật, phản ánh sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử bên trong khoáng vật. Thông thường, nếu một khoáng vật được thành tạo tự do (không bị khống chế không gian) thì nó sẽ phát triển dưới dạng các tinh thể độc lập với các mặt tinh thể hoàn chỉnh. Hình dạng của một tinh thể, thường được gọi là cấu trúc tinh thể, là biểu biện bên ngoài của sự sắp xếp một cách có hệ thống của các nguyên tử hoặc ion bên trong mạng tinh thể. Một số khoáng vật có hình dạng tinh thể đặc trưng và có thể sử dụng như là một tiêu chí để nhận dạng. Tuy nhiên, trong phần 32
34. lớn trường hợp do sự mọc của tinh thể bị gián đoạn do thiếu không gian. Kết quả là sự mọc xen của một tập hợp tinh thể trong đó không có những tinh thể hoàn chỉnh. + Màu: màu là một trong những đặc trưng nổi bật nhất của khoáng vật. Tuy nhiên nó thường không phải là một tiêu chí tin cậy để nhận dạng khoáng vật vì một khoáng vật có thể có nhiều màu khác nhau nếu trong khoáng vật có nhiễm các tạp chất khác nhau (dạng các nguyên tử) trong cấu trúc tinh thể của nó. + Ánh (luster): ánh của khoáng vật là mức độ phản xạ ánh sáng của bề mặt của một khoáng vật. Các khoáng vật có sự phản xạ ánh sáng như kim loại, không kể màu sắc, có ánh kim loại. Các khoáng vật không có ánh kim loại được mô tả dưới nhiều tên gọi khác nhau như ánh thủy tinh (glassy), ánh ngọc trai (pearly), ánh lụa (silky), ánh nhựa (resinous), và ánh đất/mờ (dull). Một số khoáng vật có ánh gần với kim loại được gọi là ánh bán kim. Một số khác có ánh chói sáng như kim cương được gọi là ánh kim cương (admantine). + Màu vết vạch (streak): đây là màu của một khoáng vật dưới dạng bột mịn, thu được bằng cách miết khoáng vật lên một miếng sứ không tráng men (được gọi là tấm vách). Mặc dù màu của khoáng vật có thể biến đổi nhưng màu vết vạch của nó thường không đổi và do đó là một đặc tính nhận dạng tin cậy hơn. Màu vết vạch còn là tiêu chí hỗ trợ để phân biệt khoáng vật có ánh kim loại (thường có màu vết vạch sẫm, đậm) với khoáng vật có ánh không kim loại. + Độ cứng (hardness): một trong những tiêu chí nhận dạng khoáng vật quan trọng là độ cứng và khả năng chống lại bào mòn hoặc xây xước. Đặc tính này được xác định bằng cách miết một khoáng vật có độ cứng chưa biết vào một khoáng vật khác có độ cứng đã biết. Độ cứng có thể chia theo giá trị số theo thang độ cứng của Moh : 1- Talc; 2- Gypsum; 3- Calcite; 4- Fluorite; 5- Apatite; 6- Octoclase; 7- Thạch anh; 8- Topaz; 9- Corundum; 10- Diamond. Một khoáng vật chưa biết độ cứng có thể được so sánh với các khoáng vật đó hoặc các vật biết độ cứng khác (Ví dụ: móng tay có độ cứng 2,5; đồng xu bằng đồng: 3, thuỷ tinh: 5). + Cắt khai (cleavage): cắt khai là xu hướng dễ phân tách của khoáng vật dọc theo các mặt CS liên kết nguyên tử yếu trong cấu trúc tinh thể. Các khoáng vật có cắt khai thường được đặc trưng bởi các mặt nhẵn được tạo ra theo một phương nhất định khi khoáng vật bị dập vỡ. Một số khoáng vật có vài mặt cắt khác nhau trong khi đó nhiều khoáng vật lại không có sự cắt khai rõ ràng hoặc không có cắt khai. Cắt khai khác với dạng tinh thể. Khi một khoáng vật có cắt khai, nó sẽ dập vỡ thành các mảnh có cùng hình dạng với mẫu ban đầu. Ngược lại, nếu khoáng vật không có cắt khai thì khi bị dập vỡ, nó sẽ vỡ thành các mảnh có hình dạng hết sức khác nhau. + Vết vỡ (fracture): các khoáng vật không có cắt khai bị vỡ thường tạo ra vết vỡ. Một số vỡ theo các mặt nhẵn và cong như là miếng kính vỡ được gọi là vết vỡ Conchoidal. Nhiều khoáng vật dập vỡ thành các mảnh hoặc sợi, nhưng phần lớn vết vỡ có dạng bất thường. + Trọng lượng riêng (specific gravity): trọng lượng riêng là một số đặc trưng cho tỷ lệ giữa khối lượng của khoáng vật và khối lượng của một thể tích nước tương tự ở 4oC. Trọng lượng riêng của khoáng vật được quyết định bởi loại nguyên trong cấu trúc tinh thể và mức độ sắp xếp chặt sít của chúng. + Các đặc tính khác: Ngoài những đặc tính trên, một số khoáng vật còn có một vài đặc tính vật lý khác như sự phản ứng với axit hoặc mùi vị. Một số loại khoáng vật Carbonate như Calcite thường phản ứng sủi bọt khi tiếp xúc với axit và đây là một tiêu chí nhận dạng khoáng vật. Một số khoáng vật khác như muối mỏ (Halite, Sylvite) thường có vị mặn hoặc chát. 33
35. 3.2.2. 3. Các nhóm khoáng vật 1- Nhóm silicat Nhóm khoáng vật lớn nhất là nhóm silicat (chiếm 95% trong vỏ Trái Đất) với thành phần chủ yếu là silic và ôxy cùng các cation như nhôm, magiê, sắt và canxi. Một số loại silicat tạo đá quan trọng như: fenspat, thạch anh, olivin, pyroxen, amphibol, granat và mica. 2- Nhóm Carbonat Các khoáng vật Carbonat bao gồm các khoáng vật 2- chứa anion (CO3) và bao gồm Calcit cùng aragonit (cả hai đều là Carbonat canxi), dolomit (Carbonat magiê/canxi) hay siderit (Carbonat sắt). Các Carbonat là các trầm tích phổ biến trong các môi trường đại dương khi vỏ hay mai của các sinh vật đã chết bị tích lũy và trầm lắng xuống đáy Thạch anh biển. Các Carbonat cũng được tìm thấy trong các môi trường bốc hơi (ví dụ Great Salt Lake (Hồ Muối Lớn), Utah) và cũng có trong các khu vực carxtơ (hang động đá vôi), tại đó sự hòa tan và trầm lắng của các Carbonat dẫn tới sự hình thành các hang động, thạch nhũ và măng đá. Nhóm Carbonat cũng bao gồm cả các khoáng vật nitrat và borat. 3- Nhóm sulfat 2- Các khoáng vật sulfat chứa các anion sulfat, SO4 . Các sulfat nói chung tạo thành trong các môi trường bốc hơi trong đó nước chứa nhiều muối chậm bốc hơi, cho phép sự hình thành của cả các sulfat lẫn các halua trong mặt phân giới nước-trầm tích. Các sulfat cũng có mặt trong các hệ thống mạch nhiệt dịch như là các khoáng vật thứ sinh đi kèm theo các khoáng vật quặng sulfua. Một nguồn phổ biến khác là các sản phẩm ôxi hóa thứ cấp của các khoáng vật sulfua ban đầu. Các sulfat phổ biến nhất có anhydrit (thạch cao khan) (sulfat canxi), celestin (sulfat stronti), barit (sulfat bari) và thạch cao (sulfat canxi ngậm nước). Lớp sulfat cũng bao gồm cả các khoáng vật gốc cromat, molybdat, selenat, sulfit, tellurat và tungstat. 4- Nhóm halua Các khoáng vật halua là nhóm các khoáng vật tạo ra các loại muối tự nhiên và bao gồm fluorit (florua canxi), halit (clorua natri), sylvit (clorua kali) và sal amoniac (clorua amoni). Các halua, tương tự như các sulfat, được tìm thấy chủ yếu tại các môi trường bốc hơi như các đáy hồ nước mặn đã khô hay các biển kín như biển Chết và Great Salt Lake. Lớp halua bao gồm các khoáng vật florua, clorua, iođua. 5- Nhóm ôxít Các khoáng vật ôxít là cực kỳ quan trọng trong khai thác mỏ do chúng tạo thành nhiều loại quặng mà từ đó các Halit kim loại có giá trị có thể được tách ra. Chúng cũng chứa đựng tài liệu tốt nhất về sự thay đổi từ trường Trái Đất. Chúng có mặt chủ yếu trong các trầm tích gần với bề mặt Trái Đất, các sản phẩm ôxi hóa của các khoáng vật khác trong khu vực phong hóa gần bề mặt (thuộc phạm vi đới oxy hóa) và như là các khoáng vật kèm theo trong các loại đá núi lửa của lớp vỏ và lớp manti. Các khoáng vật 34
36. ôxít phổ biến bao gồm: hematit (ôxít sắt 3), magnetit (ôxít sắt từ), cromit (ôxít crom sắt), spinel (ôxít nhôm magiê –thành phần phổ biến của manti), ilmenit (ôxít titan sắt), rutil (điôxít titan), và băng (nước đóng băng). Lớp ôxít bao gồm các khoáng vật ôxít và hyđroxyt. 6- Nhóm sulfua Nhiều khoáng vật sulfua có tầm quan trọng kinh tế như là các quặng kim loại. Các sulfua phổ biến là pyrit (sulfua sắt), chancopyrit (sulfua sắt đồng), pentlandit (sulfua sắt niken) và galena (sulfua chì). Nhóm sulfua bao gồm cả các khoáng vật selenua, teluarua, asenua, antimonua, bitmuthinua và các muối sulfo (bao gồm lưu huỳnh và anion khác như asen). 7- Nhóm photphat Nhóm khoáng vật photphat trên thực tế bao gồm bất kỳ khoáng vật nào với đơn vị tứ diện AO4, trong đó A có thể là photpho, antimon, asen hay vanadi. Khoáng vật nhóm photphat phổ biến nhất có lẽ là apatit, là một chất khoáng quan trọng về mặt sinh học, được tìm thấy trong răng và xương của nhiều động vật. Lớp photphat bao gồm các khoáng vật photphat, asenat, vanadat và antimonat. 8- Nhóm nguyên tố Nhóm khoáng vật nguyên tố bao gồm các kim loại (vàng, bạc, đồng), á kim và phi kim (antimon, bitmut, than chì, lưu huỳnh). Nhóm này cũng bao gồm các hợp kim tự nhiên, như electrum (hợp kim tự nhiên của vàng và bạc); các photphua, silicua, nitrua và cacbua (thông thường chỉ tìm thấy trong tự nhiên trong một vài vẫn thạch hiếm). 9- Nhóm hữu cơ Nhóm khoáng vật hữu cơ bao gồm các chất phát sinh từ sinh vật, trong đó các quá trình địa chất là một phần của nguồn gốc hay xuất xứ của các hợp chất đang hiện hữu. Các khoáng vật của lớp hữu cơ bao gồm hàng loạt các loại oxalat, mellitat, citrat, xyanat, axetat, format, hyđrocarbon và các loại linh tinh khác. Ví dụ về khoáng vật lớp hữu cơ là whewellit, moolooit, mellit, fichtelit, carpathit, evenkit và abelsonit. 3.2.2. 4. Cấu trúc tinh thể khoáng vật Trong khoáng vật học và tinh thể học, một cấu trúc tinh thể là một sự sắp xếp đặc biệt của các nguyên tử trong tinh thể. Một cấu trúc tinh thể gồm có một ô đơn vị và rất nhiều các nguyên tử sắp xếp theo một cách đặc biệt; vị trí của chúng được lặp lại một cách tuần hoàn trong không gian ba chiều theo một mạng Bravais. Kích thước của ô đơn vị theo các chiều khác nhau được gọi là các thông số mạng hay hằng số mạng. Tùy thuộc vào tính chất đối xứng của ô đơn vị mà tinh thể đó thuộc vào một trong các nhóm không gian khác nhau. Cấu trúc và đối xứng của tinh thể có vai trò rất quan trọng với các tính chất liên kết, tính chất điện, tính chất quang, của của tinh thể. Dựa vào sự sắp xếp và đặc tính liên kết giữa các nguyên tố trong các khoáng vật, người ta có thể chia cấu trúc của các loại tinh thể khoáng vật khác nhau thành các lớp sau: a. Tứ diện đơn (Single tetrahedral) b. Mạch đơn (Single chain) c. Mạch kép (Double chains) d. Cấu trúc lớp e. Cấu trúc khung Cấu trúc tinh thể tứ diện đơn: Trong cấu trúc tứ diện riêng rẽ thì các tứ diện sắp xếp riêng rẽ và liên kết với nhau bởi các cation. Tỷ lệ Silic : Oxy của các khoáng vật này là Olivine. Ví dụ điển hình là các khoáng vật nhóm Olivine (Fe, Mg) SiO4. Đây là một chuỗi dung dịch cứng (Solid - Solution) bao gồm 35
37. một nhóm các khoáng vật có cấu trúc giống nhau nhưng có các ion kim loại khác nhau có cùng kích thước có thể thay thế cho nhau. Một chuỗi dung dịch cứng thường có 2 khoáng vật cuối cùng (end - nember) trong đó tất cả các vị trí Cation tiềm tàng đều được chiếm giữ bởi một loại Ion. Giữa 2 thành viên này là các khoáng vật mà các vị trí Cation thường bị chiếm giữ bởi 2 hay nhiều hơn các Cation khác nhau. Các khoáng vật tứ diện đơn khác còn có Granat, Topaz Cấu trúc tinh thể dạng mạch đơn: Trong cấu trúc tinh thể dạng mạch đơn thì các tứ diện Silic - Oxy được nối với nhau tạo thành một mạch trong đó 2 góc của mỗi tứ diện nối với nhau, tạo thành một đơn vị với tỷ lệ Silic - Oxy là 1 : 3. Đại diện điển hình nhất Cấu trúc của Olivin dạng nguyên tử nhìn từ của cấu trúc này là nhóm Pyroxene mà thành trục a. Màu đỏ là ôxy, màu hồng là silic, và viên cuối Augit {(Ca, Na)(Mg, Fe3+, Fe2+, magiê/sắt có màu lam. Hình chiếu của ô đơn vị Al) [(Si, Al)2O6]} là phổ biến nhất. Sự liên kết được giới hạn trong hình chữ nhật đen yếu hơn giữa các mạch nằm cạnh nhau bởi các Ion dương so với sự liên kết chặt chẽ trong mạch dẫn đến sự thành tạo cắt khai trong khoáng vật. Cấu trúc dạng mạch kép: Cấu trúc dạng mạch kép được hình thành khi 2 mạch đơn liên kết với nhau bằng cách chia xẻ các nguyên tử Oxy. Ở đây góc thứ 3 của tứ diện nối với nhau. Cấu trúc khung được đặc trưng bởi nhóm khoáng vật Amphibol mà thành viên Hornblende {(Na, Ca)2-3(Mg, Fe2+, Fe3+, Al)[(Si, Al)2O22(OH)2} là phổ biến nhất. Cấu trúc mạch kép giống như các tấm ván với cấu trúc tinh thể được hình thành bằng cách chất các tấm lần lượt Hình ảnh cho cấu trúc tinh thể pyroxen chồng lên nhau và gắn với nhu bởi các Cation. Sự gắn kết yếu giữa các mạch kép bởi các Ion dương cũng tạo nên các cắt khai đặc trưng của khoáng vật (như Amphibole). 36
38. Cấu trúc lớp: Trong cấu trúc lớp, các tứ diện Silicate nối với nhau tạo thành các lớp với cấu trúc hình 6 cạnh cân xứng. Ba nguyên tử Oxy của mỗi tứ diện liên kết với các Ion khác và để lại 1 Ion trống nằm phía ngoài của lớp. Tỷ lệ (Silic + nhôm) : Oxy là 2 : 5. Hầu hết các khoáng vật dạng lớp đều được hình thành bởi sự liên kết của 2 lớp tứ diện với nhau với các Cation nối các mặt Oxy hóa trị âm. Sự gắn kết giữa các lớp tứ diện rất chặt chẽ. Các lớp liên kết xếp chồng lên nhau tạo ra cấu trúc của khoáng vật. Đại diện của cấu trúc này là nhóm Mica. Trong nhóm này, khoáng vật Mica Sắt - Magie, Biotite, {K Hình ảnh cho cấu trúc tinh thể muscovit (Mg, Fe2+)3(Al, Fe3+)Si3O10(OH)2} hai lớp tứ diện được liên kết với nhau bởi sắt hoặc Magie trong khi đó trong loại Mica không chứa Sắt và Magie, KAl2(AlSi3)O10(OH)2 thì 2 lớp được nối với nhau bởi nhôm. Các tấm Silicate được liên kết yếu ớt với nhau bởi các ion Kali. Đặc tính cắt khai mạnh của Mica chính là do sự liên kết yếu của Ion Kali giữa các lớp cấu trúc. Các khoáng vật sét cũng có cấu trúc lớp điển hình. Chúng được thành tạo bởi phong hóa hóa học của hầu hết các khoáng vật Silicate và là thành phần chính của nhiều loại đất khác nhau. Cấu trúc khung: Cấu trúc khung là sự sắp xếp 3 chiều của các tứ diện trong đó 2 tứ diện cạnh nhau đều có chung 1 Oxy, tạo ra một tỷ lệ Silic / Oxy = 1 : 2. Các khoáng vật Feldspar (các khoáng vật tạo đá chính) và Thạch anh có cấu trúc kiểu này. Các khoáng vật nhóm Feldspar được chia thành 2 phụ nhóm là các khoáng vật Feldspar Kali và Plagioclas. Phụ nhóm Plagioclas là một chuỗi dung dịch cứng trong đó thành phần thay đổi từ thành viên cuối giàu Canxi (Anorthoclas - CaAl2Si2O8) tới thành viên cuối giàu Natri (Albit - NaAlSi2O8). Các khoáng vật Feldspar gồm có Octhoclase, Microcline và Sanidine. Tất cả các khoáng vật này đều khác nhau về cấu trúc tinh thể. Thạch anh (SiO2) là khoáng vật có mặt nhiều thứ hai trong vỏ Trái Đất sau Feldspar. Trong cấu trúc tinh thể của thạch anh thì mỗi nguyên tử ôxy trong cấu trúc tứ diện Silic - Oxy cung cấp một hóa trị âm cho hai phức Si4+. Do đó không cần bất cứ một ion dương nào cần thiết để trung hòa điện thế. Vì vậy công thức cấu trúc của thạch anh (SiO2; 1 : 2) cũng giống với tỷ lệ Silic / Oxy (1 : 2) của cấu trúc mạng. Việc phân chia các khoáng vật Silicate thành các nhóm Sắt - Magie và không Sắt – Magie cũng phân chia chúng thành các nhóm có các đặc tính vật lý cơ bản khác nhau. Vì sắt trong cấu trúc tinh thể có đặc tính hấp thụ ánh sáng mạnh nên tất cả các khoáng vật chứa Sắt - Magie đều có màu sẫm, từ màu đen, xanh thẫm, tới nâu. Ngược lại, các khoáng vật không chứa Sắt - Magie thường có màu nhạt, từ không màu, trắng, hoặc hồng. Do có chứa những hàm lượng nhất định của sắt nên các khoáng vật Sắt - Magie thường có trọng lượng riêng cao hơn 37
39. các khoáng vật không Sắt - Magie. Đây là những đặc tính quan trọng để phân biệt hai nhóm khoáng vật trên. Các khoáng vật không Silicate: Mặc dù các khoáng vật không Silicate chỉ tạo thành dưới 10% khối lượng vỏ Trái Đất, nhưng chúng đóng mọt vai trò quan trọng. Chúng bao gồm các khoáng vật Carbonat, Sulphur, Sulphat, Halid, Hydroxyt, Photphat và tự sinh. Các khoáng vật nhóm Carbonat, Sulphat, và Photphat: Phức anion (CO2)2- kết hợp với các Cation kim loại tạo thành các khoáng vật Carbonat. Trong số đó quan trọng nhất là Calcit, Aragonit và Dolomit. Aragonit và Calcit có cùng thành phần và là dạng đồng hình của nhau (Polymorph). Khoáng vật Calcit (CaCO3) là khoáng vật chủ yếu của đá vôi, là nguyên liệu quan trọng của ngành công nghiệp xây dựng. Apatit là khoáng vật Photphat quan trọng nhất, được tạo thành từ phức Anion (PO4)3- và tạo thành công thức khoáng vật Ca5(PO4)3(F,OH). Apatit là những nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp hóa chất (Phân bón, thuốc trừ sâu ). Các khoáng vật Sulphat được tạo thành nhờ phức Anion (SO4)2-. Các khoáng vật phổ 4 4 biến nhất là Anhydrit (CaSO ) và Gypsit (CaSO . 2H2O) được thành tạo chủ yếu từ sự bốc hơi của nước biển. 3.3. Đá và chu trình thạch học 3.3.1. Đá Khái niệm: Đá là tập hợp có quy luật của một hay nhiều khoáng vật và là bộ phận chủ yếu cấu tạo nên các thể địa chất độc lập trong vỏ Trái Đất. Khi nghiên cứu về đá cần phải xét tới kiến trúc, cấu tạo và thế nằm của nó vì chúng phản ánh điều kiện thành tạo của đá. Theo nhà địa chất lớn người Đức Rosenbusch, ba điều kiện qui định cho một thể địa chất độc lập là: - Được phân biệt rõ rệt với các thể xung quanh về nguồn gốc, tức là do những quá trình địa chất riêng tạo nên; - Có thành phần vật chất xác định, khác biệt với thành phần vật chất của các thể bao quanh; - Giữa các hợp phần tạo đá có một cách thức tập hợp đặc trưng. Phân loại: Có nhiều cách phân loại: phân loại theo thành phần hóa học, nguồn gốc thành tạo, thành phần các oxyt tạo đá Một trong các phân loại có ý nghĩa nhất là phân loại theo nguồn gốc, theo cách phân loại này tất cả các đá tạo nên vỏ Trái Đất được chia ra làm 3 nhóm: đá magma, đá biến chất và đá trầm tích; hai nhóm đầu có nguồn gốc nội sinh còn nhóm thứ ba có nguồn gốc ngoại sinh. Trong việc nghiên cứu bất cứ đá thuộc nhóm nào thì cũng phải giải quyết ba vấn đề cơ bản là: 1)-Dạng nằm của đá trong tự nhiên và mối quan hệ của chúng với các đá khác; 2)-Thành phần khoáng vật và hóa học của đá; 3)-Kiến trúc và cấu tạo của đá, tức là cách thức sắp xếp của các phần tử hợp thành đá. 3.3.1.1. Đá magma a)- Khái niệm và phân loại - Khái niệm: Ðá magma (igneous rocks) được xem là nguồn cội của các đá khác. Tên gọi xuất phát từ tiếng Latinh (ignis) nghĩa là lửa vì nó được hình thành từ sự nguội lạnh của một khối nóng lỏng hay nói khác hơn là quá trình ngưng kết của các silicat nóng chảy xảy ra trong lòng hoặc trên bề mặt Trái Đất. - Phân loại magma: có hai cách phân loại: * Phân loại theo độ sâu thành tạo: + Đá magma xâm nhập (đá sâu) thành tạo do magma xâm nhập vào vỏ Trái Đất và ngưng kết ở dưới sâu. Chia làm 3 loại: đá sâu (trên 3 - 5km), đá nông và đá mạch. 38