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.
Khoáng vật
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:
Thành phần: các nguyên tố hóa học và hàm lượng của chúng;
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.
Định nghĩa một khoáng vật:
Một hợp chất được gọi là khoáng vật phải thỏa mãn các điều kiện sau :
Phải được thành tạo trong tự nhiên (không tính đến các hợp chất được tổng hợp trong phòng thí nghiệm).
Phải là một chất rắn (không tính đến tất cả các loại khí và chất lỏng).
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.
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.
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 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.