Bài giảng địa chất đại cương

BÀI GiẢNG ĐỊA CHẤT ĐẠI CƯƠNG Biên soạn: Hoàng V. Long Bộ môn Địa chất ĐT: +84-4-3.8384048 Email: hovlong@gmail.com Home page: GIÁO TRÌNH THAM KHẢO 1. Mark J. Crawford, M.S. (1998); Physical Geology; Cliffs Notes Inc., USA; 1st edition; 242 tr. 2. Thompson & Turk (1997); Introduction to Geology; Brooks Cole; 2nd edition, 432 tr. 3. Edward J. Tarbuck, Frederick Lutgens and Dennis Tasa (2007); Earth: An introduction to Physical Geology; Prentice Hall; 9th edition; 720 tr. 4. Võ Lạc (1992); Địa chất Đại cương, T1-3; NXB Xây dựng, …. CHƯƠNG 1TRÁI ĐẤT VÀ HỆ MẶT TRỜI VŨ TRỤ VÀ HỆ MẶT TRỜI Vũ trụ, hiểu một cách khái quát là toàn bộ hệ thống không-thời gian và được cấu thành bởi nhiều hệ Siêu thiên hà. Mỗi một hệ Siêu thiên hà lại bao gồm nhiều hệ Thiên hà. Hệ Thiên hà mà trái đất chúng ta đang tồn tại được gọi là hệ Ngân hà (Milky Way). Đây là một hệ thiên hà có dạng xoắn ốc, có đường kính ~100.000 năm ánh sáng, chiều dày ~1.000 năm ánh sáng và bao gồm 200-400 tỉ ngôi sao. Hệ Mặt trời (Thái dương hệ) nằm trong hệ Ngân hà, bao gồm Mặt trời, và 9 hành tinh quay quanh mặt trời theo thứ tự từ trung tâm ra ngoài xa dần là: Mặt trời – sao Thủy – sao Kim – Trái đất – sao Hỏa – sao Mộc – sao Thổ - sao Thiên vương – sao Hải Vương – sao Diêm Vương. Ngoài ra các hành tinh còn có một số các vệ tinh, thiên thạch và sao chổi bay theo những quỹ đạo cố định hoặc tự do (vd: mặt trăng). Đơn vị đo: Năm ánh sáng (1giây ~300.000 km) Đơn vị thiên văn: 1AU = khoảng cách trái đất đến mặ trời ~150 triệu km). HÌNH THÁI VÀ CẤU TẠO CỦA TRÁI ĐẤT Trái đất có hình dạng elipsoid với bán kính tại xích đạo ~ 6378 km, bán kính tại cực ~ 6356 km, diện tích bề mặt ~510.072.000 km2, khối lượng ~5,9736x1024 kg, … Cấu tạo trái đất có tính phân lớp: trong cùng là nhân, chứa vật chất đặc, nóng, thành phần chủ yếu là Fe, Ni, lớp tiếp theo là manti chiếm ~80% trọng lượng trái đất, thành phần chủ yếu là các loại đá. Ngoài cùng là lớp vỏ mỏng và thành phần cơ bản cũng là các loại đá (chi tiết sẽ được đề cập đến trong chương 3 – Kiến tạo mảng) Lục địa: chiếm 30% diện tích bề mặt trái đất, bao gồm các dạng địa hình nằm cao hơn mực nước biển: đồng bằng, đồi và núi *. Các địa hình này phân bố trên năm châu lục: Châu Á, châu Âu, châu Mĩ, châu Phi, Châu Nam cực và châu Úc (châu Đại Dương) Điểm cao nhất trên trái đất là đỉnh Everest (Himalaya) – 8.848 m * Tiêu chuẩn độ cao phân chia theo độ cao địa hình: Đồng bằng: 0-50 m Đồi: 50 – 200 m Núi thấp: 200 – 500 m Núi cao trung bình: 500 – 1000 m Núi cao: 1000 – 3000 Núi rất cao: >3000m Bề mặt trái đất được chia thành hai phần chính: Lục địa và đại dương Đại dương: Chiếm 70% diện tích bề mặt trái đất, bao gồm Thái bình dương, Đại tây dương, Ấn độ dương, đại dương bắc cực, đại dương Nam cực và các biển rìa. (chi tiết sẽ học đến trong chương... – Hoạt động địa chất của biển và đại dương) Điểm sâu nhất dưới đáy đại dương là Mariana Trench (11 km) Trong hệ mặt trời, trái đất tham gia hai chuyển động độc lập: Chuyển động quanh mặt trời ngược chiều kim đồng hồ (nhìn từ cực bắc) với chu kỳ 365 ngày trên một mặt phẳng quỹ đạo gọi là mặt phẳng Hoàng đạo. Trái đất tự quay quan trục của nó ngược chiều kim đồng hồ (nhìn từ cực bắc) với chu kỳ  24 giờ. Mặt phẳng đi qua tâm trái đất và vuông góc với trục quay trái đất gọi là mặt phẳng xích đạo. Mặt phẳng xích đạo chia trái đất làm hai nửa: Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Mặt phẳng này lệch với mặt phẳng Hoàng đạo một góc 23.5o. Hoàng đạo Giao tuyến của mặt phẳng vuông góc với trục quay của trái đất với bề mặt trái đất được gọi là đường vĩ tuyến. Nếu mặt phẳng đó là mặt phẳng xích đạo thì giao tuyến đó gọi là đường xích đạo (0o). Giao tuyến của mặt phẳng chứa trục quay của trái đất với bề mặt trái đất được gọi là đường kinh tuyến. Đường kinh tuyến đi qua trạm thiên văn Greenwich (London) được gọi là đường kinh tuyến gốc (0o) chia trái đất thành hai bán cầu Đông và Tây. Vị trí của mỗi điểm trên trái đất được xác định bằng kinh độ và vĩ độ đi qua điểm đó (chi tiết sẽ được trình bày trong phần thực hành bản đồ). (0o) CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA TRÁI ĐẤT Trái đất giống như một thanh nam châm khổng lồ với trục địa từ (bắc-nam) lệch với trục địa lý (bắc-nam) một góc 11.5o. Từ trường bao quanh trái đấy được gọi là trường địa từ. Địa từ có hai tính chất đặc trưng: Độ từ thiên: góc lệc giữa kinh tuyến dịa lý và knih tuyến địa từ tại mỗi điểm trên trái đất. Có giá trị bằng 0o ở xích đạo và tăng dần đến 11.5o ở hai cực. Tùy theo vị trí của trục địa từ mà sẽ có độ lệch từ thiên dương và độ lệch từ thiên âm. Độ từ khuynh: góc lệch của thanh na châm với mặt phẳng nằm ngang. Có giá trị bằng 0o ở xích đạo và 90o ở hai cực. Hai giá trị trên thay đổi theo thời gian, vị trí và nhiều yếu tố khác CÁC THUỘC TÍNH VẬTLÝ CỦA TRÁI ĐẤT Sự đảo từ: Là hiện tượng đường lực từ đi theo hướng ngược với thông thường (đi ra khỏi trái đất ở cực bắc và đi vào trái đất ở cực nam) Dị thường từ là hiện tượng cường độ địa từ ở một nơi nào đó cao hơn/thấp hơn giá trị trung bình. Đây là dấu hiệu để nghiên cứu các hiện tượng địa chất và tìm kiếm khoáng sản. Để nghiên cứu từ trường, người ta dùng từ kế có thể đo trên mặt đất, trên máy bay hoặc vệ tinh. Trọng lực: là lực hút của trái đất tác dụng lên vật thể. Giá trị trọng lực trên bề mặt trái đất không đồng nhất mà thay đổi theo độ cao địa hình và thành phần vật chất. Để đo trọng lực người ta dùng trọng lực kế để đo trực tiếp trên mặt đất hoặc trên máy may hoặc trên vệ tinh. Những nơi có giá trị trọng lực cao/thấp giá trị trung bình (sau khi đã hiệu chỉnh độ cao) thì được gọi là có dị thường trọng lực (dương hoặc âm). Dị thường này là các dấu hiệu nghiên cứu địa chất và tìm kiếm khoáng sản. Trường lực hấp dẫn bao quanh trái đất bao quanh trái đất gọi là trường trọng lực. Cường độ trọng lực giảm dần theo độ cao. Nguồn nhiệt do trái đất sản sinh ra bao gồm: nhiệt tồn tại từ các vụ nổ hành tinh khi hình thành trái đất và đang trong quá trình nguội lạnh; nhiệt do phân hủy phóng xạ, nhiệt do các phản ứng hóa học, nhiệt do bức xạ mặt trời (nguồn bên ngoài chỉ có tác dụng đến một độ sâu hạn chế),… Mức̣ tăng nhiệt độ theo độ sâu gọi là gradient địa nhiệt. Giá trị trung bình của gradient địa nhiệt là ~25oC/km. Một số khu vực có địa nhiệt cao hơn hẳn mức đạ nhiệt thông thường (dị thường nhiệt) và có tiềm năng về địa nhiệt Một lượng nhiệt nhỏ nhưng có thể đo được được giải phóng chậm chạp từ dưới sâu của trái đất thông qua mặt đất được gọi là dòng nhiệt. Nghiên cứu dòng nhiệt có thể giúp làm sáng tỏ các quá trình địa chất dưới sâu. CÁC QUYỂN CỦA TRÁI ĐẤT Sinh quyển: Là một đới mỏng phân bố trên bề mặt đến độ sâu vài km bên dưới bề mặt trái đất mà ở đó có sự tồn tại của thế giới sinh vật (Phần trên cùng của thạch quyển +thủy quyển + phần dưới cùng của khí quyển) Thủy quyển: Bao gồm toàn bộ lượng nước phân bố trong các đại dương, biển, sông, hồ, đầm lầy, lỗ rỗng của đấ tới độ sâu vài kim bên dưới mặt đất. Thạch quyển: Bao gồm toàn bộ các loại đá tồn tại trong lớp vỏ và phần trên của lớp manti (chi tiết sẽ trình bày ở chương.... – Thành phần vật chất của trái đất) Khí quyển: là hỗn hợp nhiều loại khí (chủ yếu là Nitơ và Oxi) bao bọc xung quanh trái đất hoặc thẩm thấu xuống đến độ sâu vài km dưới mặt đất và bị giữ bởi trọng lực. Khí quyển có cấu tạo phân tầng (theo thứ tự từ dưới mặt đất lên): Tầng Đối lưu: 0 - 6 (7) km ở vùng cực và 0 – 17 (20) km ở xích đạo. Không khí luân chuyển theo chiều thẳng đứng, nhiệt độ giảm dần từ xích đạo về phía hai cực, chủ yếu nhận nguồn nhiệt bức xạ từ bề mặt trái đất. Tầng Bình lưu: từ giới hạn trên của tầng đối lưu đến độ cao 50 (51) km, không khí chuyển động theo phương nằm ngang, nhiệt độ tăng dần theo độ cao Tầng Trung gian: tiếp từ tầng Bình lưu đến độ cao 85 km, đây là tầng mà phần lớn các thiên thạch bị đốt cháy khi bay vào tầng khí quyển; Nhiệt độ giảm theo độ cao, giới hạn trên của tầng trung gian là nơi có nhiệt độ thấp nhất ( -85 oC), hơi nước bốc hơi lên tầng này sẽ đóng băng tạo thành các đám mây băng và tạo ra hiện tượng cực quang. Tầng nhiệt: Giới hạn từ tầng Trung gian đến độ cao 690 km; nhiệt độ tăng theo độ cao và có thể đạt đến 1500 oC sau đó duy trì ở mức ổn định. Tuy nhiên bản chất của các loại khí và nhiệt độ còn chưa được xác định chi tiết. Trạm vũ trụ quốc tế hoạt động trong tầng này ở độ cao 320 – 380 km. Tầng Ngoại vi: Đây là tầng cao nhất có giới hạn trên đạt đến độ cao  10.000 km. Mật độ không khí ở đây rất loãng, các phân tử khí co thể di chuyển tự do hàng trăm km mà khong xảy ra va chạm với các phân tử khác. Các phân tử khí này cũng có thể gi chuyển ra/vào dễ dàng khỏi tầng ngoại vị dưới tác dụng của từ trường và gió mặt trời. NGUỒN GỐC TRÁI ĐẤT VÀ HỆ MẶT TRỜI Xác định nguồn gốc trái đất và hệ mặt trời chủ yếu dựa vào việc quan sát sự tương tác của bụi, khí các đám mây và các ngôi sao trong dải Ngân hà: Khoảng 5 tỉ năm trước đây, vật chất mà chúng tạo lên hệ mặt trời ngày hôm nay là một đám mây bụi, khí khổng lồ phân tán và di chuyển chậm chạp trong vũ trụ. 90% thành phần của các đám mây này He và H – các nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, được phát ra từ một vụ nổ của một siêu ngôi sao. Lực hấp dẫn ban đầu còn yếu nhưn đủ để cho các hạt bụi, khí hút lại gần nhau tạo lên các cấu trúc hình cầu (H. a,b,) Quá trình tích tụ, dồn nén tiếp tục làm cho các đám mây này quay nhanh hơn tạo lên cấu trúc hình đĩa (H. c) Khoảng 90% khối lượng của đám mây tinh vân bị sụp đổ vào trung tâm tạo thành mặt trời cổ (H. d). Sự va chạm của các hạt với tốc độ rất cao trong quá trình sụp đổ đã giải phóng ra một lượng nhiệt khổng lồ. Sau khi quá trình sụp đổ gần kết thúc, nhiệt lượng đốt nóng bên trong đĩa cầu trong khi bụi khí ở lớp ngoài nguội dần tạo thành các tích tụ nhỏ. Theo thời gian các tích tụ này lớn dần và thu hút các đám mây bụi xung quanh bằng lực trọng trường để tạo lên các hành tinh sơ khai Các hành tinh sơ khai lại thu hút và gắn kết vào nhau tạo thành các hành tinh lớn hơn như ngày nay, trong đó có trái đất (H. e). Đồng thời với sự hình thành các hành tinh, lực hút trọng trường hút các nguyên tử khí vào trong nhân mặt trời cổ. Dưới áp suất rất cao nhiệt độ nóng tới mức làm cho các hạt nhân H kết hợp lại với nhau tạo thành hạt nhân của nguyên tố nặng hơn là He. Phản ứng hạt nhân này giải phóng ra một lượng nhiệt vô cùng lớn va vẫn tiếp diễn cho đến ngày hôm nay – đó là thời kỳ sơ khai tạo lên mặt trời ngày nay H. e). Nhiệt mặt trời đốt nóng và làm bốc hơi các nguyên tố H, He và các nguyên tố nhẹ khác bay xa khỏi trung tâm mặt trời – dẫn đến kết quả là bốn hành tinh gần mặt trời nhất (sao thủy, sao kim, trái đất sao hỏa) có thành phần chủ yếu là các loại đá với nhân là kim loại nên được gọi là nhóm hành tinh đá. Các hành tinh còn lại (sao mộc, sao thổ, sao thiên vương, sao hải vương và sao diêm vương) chủ yếu là bụi, khí và băng.