1 bi giảng thạch học cơ sở Mở đầu 1- Đối tợng nghiên cứu của môn học: + Khái niệm chung về đất đá: Theo quan niệm thông thờng thì trên bề mặt Trái đất bao gồm hai loại đất và đá. Chúng có thể là hai đối tợng của hai lĩnh vực khoa học khác nhau, cũng có thể là đối tợng của cùng một lĩnh vực khoa học. Ví dụ: đất là đối tợng của ngành Thổ nhỡng học (lu ý đó là đất thổ nhỡng), đá là đối tợng của ngành Thạch học-Khoáng vật, nhng cả đá và đất đều là một trong các đối tợng của ngành Xây dựng, đặc biệt là chuyên sâu Đất xây dựng-Địa chất công trình. Theo chuyên sâu Đất xây dựng-Địa chất công trình thì trong tự nhiên đất đá bao gồm các loại sau: - Đá cứng: là các đá có liên kết kiến trúc bền (mà bản chất là liên kết hóa học). Chúng thờng có độ bền cao và ít thay đổi khi bão hoà nớc. Trong đá cứng có các loại đá magma, trầm tích, biến chất. - Đất phân tán: bao gồm các đất có liên kết kiến trúc bản chất vật lý (liên kết phân tử, liên kết ion-tĩnh điện, mao dẫn và từ tính). Chúng có độ bền thấp và thay đổi nhiều khi bão hoà nớc. - Ngoài ra trong tự nhiên còn tồn tại những nhóm đất đặc biệt nh bùn, đất thổ nhỡng (có độ phì nhất định), đá nhân tạo (đất đá đợc đầm nén bằng nhiều phơng pháp khác nhau hoặc gia cố bằng phơng pháp xi măng hóa, vôi hóa, kiềm hóa. + Khái niệm về đá theo chuyên ngành Thạch học: Thạch học là môn học nghiên cứu các đá cấu tạo nên Vỏ Trái đất. Đá là tập hợp có quy luật của một hay nhiều khoáng vật tạo thành các thể địa chất độc lập. Mỗi thể địa chất độc lập phải có 3 điều kiện: - Thể đó phải đợc phân biệt rõ rệt với các khối xung quanh và chứng tỏ rằng nguồn gốc thành tạo của nó phải do những quá trình địa chất riêng (dạng nằm của đá) - Thể đó có thành phần vật chất xác định, khác biệt với thành phần vật chất của các khối khác bao quanh (thành phần hóa học và thành phần khoáng vật). 2 - Giữa các hợp phần tạo đá có một cách thức kết hợp riêng biệt (cấu tạo và kiến trúc). Đá có thể tồn tại dới dạng rắn (nh đá granit, đá vôi, đá bazan), dạng bở rời (nh cát, bột ) hoặc dạng dẻo (sét). + Phân biệt các khái niệm khoáng vật, đất, quặng: - Khoáng vật là một hợp chất hóa học tự nhiên có công thức hóa học và cấu trúc nhất định. Ví dụ canxit có thành phần hóa học là CaCO 3 , cấu trúc tinh thể hệ 3 phơng. Nó là thành phần khoáng vật chủ yếu của đá vôi và đá hoa. - Quặng là những thành tạo khoáng vật hoặc đá mà ta có thể dùng trực tiếp hoặc lấy ra những chất có ích phục vụ cho nền kinh tế quốc dân. Chính vì vậy mà có những loại đá hay khoáng vật vào thời điểm nào đó không phải là quặng nhng vào thời điểm khác lại trở thành quặng cho 1 quốc gia vì nó có thể dùng cho nền kinh tế của quốc gia đó. - Đất là sản phẩm phong hóa của các đá. 2- Vị trí của môn học và tơng quan của nó với các khoa học khác: - Thạch học nghiên cứu các loại đá không những về phơng diện thành phần, cấu trúc mà còn về phơng diện thế nằm địa chất, nguồn gốc và ý nghĩa của chúng đối với nền kinh tế quốc dân. Vì vậy nó là một khoa học địa chất, một môn khoa học không thể thiếu đợc đối với các ngành khoa học có liên quan đến Vỏ Trái đất: Địa chất công trình, Địa chất thủy văn, Địa chất thăm dò, Địa chất khoáng sản, Địa vật lý, Địa chất dầu, Địa chất mỏ Đặc biệt đối với Địa chất công trình, việc phân biệt đợc các loại đá sẽ có nhiều thuận lợi cho việc sử lý nền móng khi xây dựng các công trình. Để nghiên cứu đợc môn thạch học thì nhà nghiên cứu cần phải có kiến thức của các môn học Hóa, Hóa-lý, Hóa phân tích, Vật lý, Địa chất đại cơng, Tinh thể-khoáng vật - Chuyên ngành thạch học bao gồm hai bộ phận: thạch học mô tả (petrographie) và thạch luận (petrologie). 3- Cơ sở chung để phân loại đá: Việc phân loại đá có tầm quan trọng đặc biệt. Cũng nh các ngành khoa học khác, việc phân loại phải đợc dựa trên những đặc điểm cơ bản và quan trọng nhất của đá. Đối với đá thì nguồn gốc thành tạo có một ý nghĩa đặc biệt. Chính sự nghiên cứu các quá trình địa chất dẫn tới sự thành tạo các loại đá đã 3 cho phép phân loại đá thành 3 nhánh chính: đá magma, đá trầm tích và đá biến chất. - Đá magma: là loại đá đợc thành tạo do sự đông đặc các dung thể magma. Nếu quá trình đông đặc xảy ra ở dới sâu ta có đá magma xâm nhập sâu. Nếu magma phun trào ra bề mặt Trái đất dới dạng núi lửa và đông đặc tại đó ta có đá magma phun trào. Nếu magma có dạng mạch nằm gần bề mặt Trái đất ta có đá mạch hoặc đá xâm nhập nông. Chúng có nguồn gốc nội sinh. Ví dụ: đá bazan, đá granit, gabro là những đá magma. - Đá trầm tích là sản phẩm của các quá trình ngoại sinh: phong hóa, vận chuyển, lắng đọng và gắn kết các vật liệu vụn cơ học hoặc do lắng đọng các muối từ dung dịch thật hoặc dung dịch keo có sự tham gia trực tiếp hay gián tiếp của sinh vật. Chúng đợc thành tạo ngay trên bề mặt của Trái đất. Ví dụ: đá vôi, đá cát kết, đá sét, than là các đá trầm tích. - Đá biến chất là sản phẩm biến đổi các đá có trớc do tác dụng nội sinh (sự nâng cao nhiệt độ, áp suất trong vỏ Trái đất) và xảy ra ở trạng thái cứng. Ví dụ: đá hoa là đá biến chất từ đá vôi, đá gneis là đá biến chất từ các đá magma axit Trong tự nhiên, giữa 3 nhánh đá này luôn tồn tại 1 quá trình chuyển hóa lẫn nhau trong lịch sử phát triển của Vỏ Trái đất, và trên thực tế luôn tồn tại các biến thể đá trung gian giữa 3 nhánh đá này: Khi nghiên cứu bất kỳ một loại đá nào thì cũng phải đề cập đến 3 vấn đề chính sau: - Dạng nằm của đá: đá đó gặp trong tự nhiên nh thế nào, quan hệ với đá vây quanh ra sao. Magma biến chất Trầm tích Trầm tíc h phu n tr o Siêu biến chất biến chất thấp 4 - Thành phần vật chất cuả đá: đá đó đợc tạo nên bằng gì. - Cấu tạo và kiến trúc của đá: các phần tử hợp thành đá đợc sắp xếp trong không gian nh thế nào, quan hệ giữa chúng ra sao. 4- Các phơng pháp thạch học nghiên cứu các đá: Bao gồm 2 hệ phơng pháp: a- Hệ phơng pháp ngoài trời: - Khảo sát thực địa, quan sát dạng nằm, sự phân bố và quan hệ của các đá về không gian và thời gian, đo vẽ các mặt cắt, bản đồ thạch học cấu trúc, thạch-kiến tạo - Thu thập các loại mẫu. Ngoài thực địa nhà nghiên cứu có thể biết đợc dạng nằm của đá, cấu tạo của đá cũng nh màu sắc, diện phân bố b- Hệ phơng pháp trong phòng: - Phân tích các loại mẫu: hóa silicat, quang phổ hấp phụ nguyên tử, thạch học lát mỏng, microsond, plasma, hiển vi điện tử - Sử lý các số liệu, đối sánh chuẩn hóa - Vẽ chi tiết các mặt cắt, bản đồ Một trong các phơng pháp nghiên cứu đá truyền thống đó là thạch học lát mỏng, sử dụng kính hiển vi phân cực. Dới kính hiển vi phân cực nhà nghiên cứu có thể xác định đợc kiến trúc của đá, thành phần khoáng vật định lợng của đá, các quá trình biến đổi của đá Muốn nghiên cứu thạch học lát mỏng thì phải nắm đợc những kiến thức về tính chất quang học của các tinh thể của các khoáng vật tạo đá thông qua môn học Quang học tinh thể Phần quang học tinh thể Bi 1: Các khái niệm chung 1- ánh sáng thờng và ánh sáng phân cực: a- ánh sáng tự nhiên: - Các ánh sáng phát ra từ các nguồn sáng khác nhau nh mặt trời, đèn điện, nến truyền đi tất cả mọi phơng mà phơng dao động của sóng ánh 5 sáng luôn vuông góc với phơng truyền. Trong quá trình truyền sóng sáng của ánh sáng tự nhiên, phơng dao động của sóng sáng vuông góc với phơng truyền và tia sáng xoay xung quanh phơng truyền với tốc độ cao mà tại mọi thời điểm ngời ta thấy phơng dao động của sóng sáng trùng với đờng kính của vòng tròn vuông góc với phơng truyền (hình vẽ). Đó là ánh sáng thờng và ta có thể nhận biết chúng bằng mắt thờng. S b- ánh sáng phân cực: - Có một loại ánh sáng mà phơng dao động của của nó chỉ là 1 phơng duy nhất, mặt phẳng dao động cố định. Đó là ánh sáng phân cực. Ta chỉ có thể nhận biết đợc ánh sáng phân cực nhờ 1 dụng cụ quang học gọi là nicon. Nicon sẽ biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực. Ngoài ra có 1 số ánh sáng phản xạ là ánh sáng phân cực. o s o s 2- Chiết suất. Hiện tợng phản xạ toàn phần. a- Khái niệm chiết suất: - Chiết suất là một đại lợng không thứ nguyên, đợc tính bằng tỷ số giữa hai tốc độ của ánh sáng truyền trong hai môi trờng khác nhau. - Chiết suất tuyệt đối: chiết suất của một chất (N 1 ) là một đại lợng không thứ nguyên, tính bằng tỷ số giữa tốc độ của ánh sáng truyền trong chân không và tốc độ của ánh sáng truyền trong chất đó (V 1 ). 1 0 1 V V N = Vì V 0 là lớn nhất nên N 1 >>1. Chiết suất của môi trờng càng cao thì ánh sáng truyền trong môi trờng đó càng chậm. - Chiết suất tơng đối: chiết suất giữa hai chất n 1 và n 2 là một đại lợng không thứ nguyên tính bằng tỷ số giữa tốc độ của ánh sáng truyền trong môi trờng chất n 2 với tốc độ của ánh sáng truyền trong môi trờng chất n 1 . 6 1 2 2 1 n n v v n == b- Hiện tợng phản xạ toàn phần: Để đo chiết suất của một môi trờng ngời ta dựa vào công thức : N 1 sin i = N 2 sin r Khi một tia sáng truyền từ một môi trờng có chiết suất thấp n 1 sang môi trờng có chiết suất cao hơn n 2 sẽ khúc xạ với góc khúc xạ r nhỏ hơn góc tới i. Ta có sin r= i n n sin 2 1 Khi góc tới i lớn dần tới 90 0 thì góc khúc xạ r lớn dần đến góc tới hạn , ta có sin = 0 2 1 90sin n n = 2 1 n n Ngợc lại một tia sáng truyền từ môi trờng có chiết suất cao n 2 sang môi trờng có chiết suất thấp n 1 sẽ có góc tới nhỏ hơn góc khúc xạ. Khi góc tới lớn dần tới giá trị tới hạn , góc khúc xạ lớn dần tới giá trị 90 0 . Nếu góc tới lớn hơn , tia sáng không qua đợc môi trờng có chiết suất thấp mà phản xạ toàn phần. Nh vậy điều kiện để có phản xạ toàn phần là: ánh sáng truyền từ môi trờng có chiết suất tuyệt đối lớn hơn n 1 sang môi trờng có chiết suất tuyệt đối nhỏ hơn n 2 (n 1 >n 2 ) và góc tới lớn hơn góc tới hạn (i> ). Dựa vào hiện tợng phản xạ toàn phần ngời ta đã chế tạo ra khúc xạ kế để đo chiết suất của 1 môi trờng. 3- Hiện tợng khúc xạ kép trong tinh thể. Mặt chiết suất. a- Hiện tợng khúc xạ kép trong tinh thể: + Trong những môi trờng vô định hình và những tinh thể hệ lập phơng, ánh sáng tự nhiên truyền vào có tốc độ không đổi theo mọi phơng, khi ra khỏi tinh thể chúng vẫn đi thẳng. Chúng chỉ có 1 đại lợng chiết suất và đợc gọi là những chất đẳng hớng quang học. Và tinh thể hạng cao có vô số trục quang. + Một tia sáng AB truyền vào một tinh thể hạng vừa hoặc hạng thấp thờng tách thành 2 tia khúc xạ BC và CD. Hai tia này truyền trong tinh thể 7 với hai tốc độ khác nhau, cả hai sóng ứng với hai tia này đều phân cực và có phơng dao động vuông góc với nhau (đồng thời vuông góc với phơng truyền sóng). Nh vậy theo mỗi phơng truyền cho trớc tinh thể có 2 đại lợng chiết suất. + Đối với tinh thể hạng vừa, ánh sáng tự nhiên chiếu vào tinh thể khi đi ra khỏi tinh thể sẽ tách thành 2 tia: tia thờng S o đi thẳng và tia bất thờng S e đi lệch. S o và S e có phơng dao động vuông góc với nhau. Tinh thể hạng vừa có 1 phơng mà ánh sáng chiếu vào sẽ không bị phân cực, ta gọi đó là tinh thể 1 trục quang. + Đối với tinh thể hạng thấp, ánh sáng tự nhiên khi ra khỏi tinh thể bị tách làm 2 tia phân cực và đều đi lệch. Tinh thể hạng thấp có 2 phơng mà ánh sáng chiếu vào không bị phân cực, ta gọi đó là tinh thể 2 trục quang. b- Mặt chiết suất: đợc đa ra dới dạng mô hình: nếu từ 1 điểm O trong tinh thể, trên mỗi phơng truyền sóng khác nhau ta đặt một vectơ có độ dài ứng với giá trị chiết suất đo đợc theo phơng đó rồi nối tất cả các đầu mút của các vectơ đó ta đợc mặt chiết suất của tinh thể. Mặt chiết suất của môi trờng đẳng hớng là một hình cầu. Mặt chiết suất của môi trờng dị hớng là một mặt kép có 2 vỏ lồng vào nhau. 4- Mặt quang suất: Khi thực hành để tiện lợi ngời ta dùng một mô hình khác có tên gọi là mặt quang suất để thay thế cho mặt chiết suất vì hình dạng của mặt quang suất đơn giản hơn, ứng với một phơng truyền cho trớc ta có thể suy đợc chiết suất và phơng dao động của hai sóng. S 0 S e 8 Trong một môi trờng tinh thể hạng vừa và hạng thấp, theo mỗi phơng truyền có hai sóng sáng. Phơng dao động của chúng vuông góc với nhau và cùng vuông góc với phơng truyền. Tại một điểm O trong tinh thể, theo phơng OM có hai sóng truyền đi ứng với hai chiết suất n 1 và n 2 . Qua O ta có thể vạch các đoạn thẳng A 1 A 1 và A 2 A 2 biểu diễn phơng dao động của 2 sóng, đồng thời có OA 1 =n 1 , OA 2 =n 2 . Tơng tự ta có các điểm có tính chất tơng tự A 1 , A 2 Nối tất cả các điểm trên ta đợc một mặt cầu, mặt elipxoit tròn xoay hoặc elipxoit ba trục và đợc gọi là mặt quang suất. Qua điểm O ta vạch một mặt phẳng thẳng góc với phơng truyền, mặt này sẽ cắt mặt quang suất theo một hình elip. Phơng và độ dài của hai bán trục của tiết diện elip chính là phơng dao động và chiết suất của hai sóng truyền theo phơng cho trớc. Ngời ta sử dụng giá trị tuyệt đối hiệu số giữa hai đại lợng chiết suất của tinh thể và gọi là lỡng chiết suất. Đại lợng lỡng chiết suất lớn nhất gọi là lỡng chiết suất chính của tinh thể. a- Mặt quang suất của tinh thể một trục quang: Đối với tinh thể một trục, phơng dao động của sóng bất thờng nằm trong mặt phẳng tạo bởi trục quang và phơng truyền. Mặt quang suất của những tinh thể một trục (sáu phơng, bốn phơng và ba phơng) có dạng elipxoit tròn xoay có trục xoay trùng với trục quang của tinh thể và trùng với phơng dao động của sóng bất thờng N e . Phơng dao động N e bao giờ cũng dao động trong mặt phẳng chứa trục quang và phơng truyền. Tiết diện vuông góc với trục quang là một hình tròn có bán kính không đổi, đợc gọi là tiết diện chính. Các tiết diện khác không vuông góc với trục quang sẽ có hai bán trục tơng ứng với n 0 ' và n e ' . Mặt quang suất của tinh thể 1 trục: N g N e N p N e N p =const=N o N g=const Tinh thể quang dơng Tinh thể quang âm 9 Để xác định phơng dao động và giá trị chiết suất ứng với phơng truyền sáng bất kỳ ngời ta vẽ 1 mặt phẳng vuông góc với phơng truyền tại tâm của mặt quang suất. Mặt phẳng này sẽ cắt mặt quang suất theo 1 hình elip. Độ dài 2 bán trục elip này chính là giá trị chiết suất n 0 ' và n e '. Phơng của hai bán trục là phơng dao động của hai sóng lỡng chiết. b- Mặt quang suất của tinh thể 2 trục quang: Đối với tinh thể hai trục, phơng dao động của hai sóng nằm trong hai mặt phân giác của nhị diện tạo bởi hai trục quang và phơng truyền với đỉnh là phơng truyền. - Mặt quang suất của những tinh thể hai trục (thoi, một xiên, ba xiên) có dạng elipxoit ba trục. Ngời ta dùng các ký hiệu N g , N p , N m để chỉ trục dài, trục ngắn và trục trung bình của mặt quang suất, tơng ứng có các giá trị chiết suất n g , n p , n m . Mặt quang suất của tinh thể 2 trục: N g N g Tinh thể quang dơng Tinh thể quang âm Mặt trục quang là mặt phẳng chứa N g và N p . Tiết diện cắt qua tâm O của mặt quang suất và vuông góc với 2 trục quang là 1 hình tròn. Góc tạo bởi 2 trục quang là góc 2V. Để xác định phơng dao động của sóng sáng và độ lớn của giá trị chiết suất ứng với một phơng truyền bất kỳ, ta cắt mặt quang suất bằng một mặt phẳng qua tâm O và vuông góc với phơng truyền, ta đợc 1 hình elip có hai 10 bán trục N g ' và N p '. Phơng của hai bán trục là phơng dao động của sóng sáng, độ lớn của hai bán trục là giá trị chiết suất. Bi 2: Cấu tạo của kính hiển vi phân cực Bi 3: Nicon v hệ thống hai nicon 1- Nicon: Nicon là một dụng cụ quang học chuyển ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực. Nicon đợc làm bằng tấm canxit trong suốt ca ra làm đôi theo trục ngắn rồi lại đợc gắn lại bằng lớp nhựa Canada có chiết suất n n =1,537. Khi ánh sáng tự nhiên chiếu vào tinh thể canxit thì sẽ xuất hiện 2 sóng sáng. Ngời ta bố trí cho tia thờng khi tiếp xúc với ranh giới lớp nhựa có góc tới lớn hơn góc giới hạn nên xảy ra phản xạ toàn phần, tia sáng không đi qua đợc lớp nhựa mà sẽ bị hấp thụ sau khi phản xạ toàn phần ở rìa của nicon bởi lớp nhựa màu đen. Còn tia bất thờng có chiết suất n=1,516 truyền tới lớp nhựa canada có n n =1,537 lớn hơn nên tia sáng này xuyên qua môi trờng nhựa và đi thẳng ra ngoài. Đây là tia sáng phân cực. Ngày nay thờng sử dụng những bản polaroit làm bằng xenluloit trong suốt, trên mặt phủ những tinh thể hình kim trong suốt có tính chất nh tinh thể canxit. Trong kính hiển vi có hai nicon: nicon phân cực và nicon phân tích. Tinh thể của 1 khoáng vật dới kính hiển vi đợc nghiên cứu các tính chất quang học ở các vị trí sau: vị trí chỉ có 1 nicon phân cực, vị trí 2 nicon vuông góc dùng ánh sáng song song và vị trí 2 nicon vuông góc dùng ánh sáng hình nón. [...]... giảm Trong kính hiển vi ngời ta chế tạo ra một số loại bản bù màu sử dụng nguyên lý bù màu nêu trên: nêm thạch anh, bản thạch cao hay bản đỏ bậc 1, bản mica hay bản 1/4 Cách xác định phơng dao động của lát cắt bằng nêm thạch anh: - Chọn lát cắt có màu giao thoa sáng rõ - Đa lát cắt về vị trí 450 Đa nêm thạch anh từ từ vào, quan sát màu giao thoa tổng hợp Nếu màu giao thoa tổng hợp tăng thì ta có phơng... xuất hiện màu thay thế cho ánh sáng trắng do giao thoa gọi là hiện tợng phân cực hiện sắc Có thể quan sát màu giao thoa ứng với những hiệu số đờng đi khác nhau từ 0m đến 2000m trên nêm thạch anh Nêm thạch anh là 1 bản thạch anh hình chữ nhật vát nhọn theo chiều dài, có (ng-np) không đổi, chỉ có d thay đổi ứng với R từ 0 tăng dần sẽ thấy lần lợt: tối đen, xám trắng, vàng, da cam, đỏ, tím, xanh, vàng,...Khi nghiên cứu các tính chất quang học của tinh thể, yêu cầu: phơng dao động của nicon phân cực (PP) ở vị trí thẳng đứng, phơng dao động của nicon phân tích (AA) ở vị trí nằm ngang Có nh vậy thì các tính chất quang học của tinh thể mới thể hiện đầy đủ và ta có thể phân biệt đợc các khoáng vật 2- Hệ thống hai nicon: - Nếu ta... cắt tinh thể (mica, felspat ) - Cát khai hoàn toàn: khe cát khai thô (pyroxen, amphibol ) - Cát khai không hoàn toàn: khe cát khai đứt đoạn (turmalin ) - Không cát khai: không có khe cát khai (olivin, thạch anh ) Nếu lát cắt chỉ có 1 hệ thống khe cát khai thì gọi là cát khai 1 hệ thống, nếu có hai hệ thống khe cát khai thì gọi là cát khai 2 hệ thống và ta phải đo góc giữa hai hệ thống cát khai đó Cách... toàn tắt qua hai nicon vuông góc khi : - Phơng dao động của nicon và của tinh thể trùng nhau - R=k (hiệu số đờng đi bằng số nguyên lần bớc sóng đợc dùng) - R=0 (trờng hợp của những vật đẳng hớng quang học) + ánh sáng sẽ sáng nhất khi: - Phơng dao động của lát cắt làm với phơng dao động hai nicon vuông góc một góc 450 - R=(2k+1) , nghĩa là ánh sáng sẽ sáng nhất trong trờng hợp hiệu số 2 đờng đi bằng . 1 bi giảng thạch học cơ sở Mở đầu 1- Đối tợng nghiên cứu của môn học: + Khái niệm chung về đất đá: Theo quan niệm thông thờng. cứu đợc môn thạch học thì nhà nghiên cứu cần phải có kiến thức của các môn học Hóa, Hóa-lý, Hóa phân tích, Vật lý, Địa chất đại cơng, Tinh thể-khoáng vật - Chuyên ngành thạch học bao gồm hai. hai bộ phận: thạch học mô tả (petrographie) và thạch luận (petrologie). 3- Cơ sở chung để phân loại đá: Việc phân loại đá có tầm quan trọng đặc biệt. Cũng nh các ngành khoa học khác, việc