Bazan

Bazan (xuất phát từ từ tiếng Pháp basalte /bazalt/), đôi khi viết là ba-zan hoặc ba-dan, là một loại đá magma được hình thành từ việc dung nham bazan làm nguội nhanh chóng khi tiếp xúc gần với bề mặt của một hành tinh đá hoặc mặt trăng. Các dòng dung nham bazan hình thành từ hiện tượng này.

Khái niệm

Theo định nghĩa, đá bazan là loại đá magma có cấu trúc tinh thể vi mô (hạt rất nhỏ), thường chứa 45-55% thể tích silica (SiO₂) và dưới 10% thể tích là khoáng vật chứa fenspat, với ít nhất 65% thành phần là plagioclase. Đây là loại đá phổ biến nhất trong các đá núi lửa trên Trái Đất, chiếm một phần quan trọng của lớp vỏ đại dương và các đảo núi lửa giữa đại dương như Iceland, Réunion và Hawaii. Đá bazan thường có tinh thể rất nhỏ hoặc nền thủy tinh núi lửa hòa lẫn với các hạt có thể nhìn thấy được. Khối lượng riêng của nó là 3.0 g/cm³.

Đá bazan được phân loại dựa trên thành phần khoáng chất và cấu trúc của nó; các mô tả về tính chất vật lý mà không đề cập đến khoáng chất có thể không chính xác trong một số trường hợp. Đá bazan thường có màu xám đến đen, nhưng sự phong hóa có thể nhanh chóng làm chúng chuyển sang màu nâu hoặc đỏ gỉ sắt do sự oxy hóa của khoáng chất mafic (giàu sắt) thành hematit và các oxit sắt khác. Mặc dù thường có màu tối, đá bazan có thể có những vùng sáng hơn do hoạt động địa chất địa phương. Do phong hóa hoặc nồng độ cao của plagioclase, một số bazan có thể sáng màu hơn, trông giống như andesit. Đá bazan có cấu trúc tinh thể khoáng chất rất nhỏ vì đá nóng chảy bị làm nguội quá nhanh, làm cho các tinh thể khoáng chất lớn chưa kịp phát triển; nó thường có đặc điểm của ban tinh, chứa các tinh thể lớn hơn (ban tinh) hình thành trước khi sự phun trào kịp đưa dung nham lên bề mặt, bị bao quanh bởi nền các tinh thể nhỏ hơn. Những ban tinh thường là olivin hoặc plagioclase giàu canxi, có nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong các khoáng chất điển hình có thể kết tinh từ sự tan chảy.

Bazan có thể có cấu trúc lỗ rỗng, gọi là bazan lỗ rỗng khi khối đá chủ yếu là rắn; nếu phần lỗ rỗng chiếm hơn 1/2 thể tích của đá, thì được gọi là scoria. Cấu trúc này hình thành khi các khí hòa tan thoát ra khỏi dung dịch dưới dạng bong bóng do áp suất giảm khi magma gần bề mặt, nhưng bị kẹt lại vì dung nham làm nguội quá nhanh trước khi khí có thể thoát ra.

Thuật ngữ bazan đôi khi được dùng để chỉ các đá xâm nhập có thành phần tương tự như đá bazan, nhưng có cấu trúc hạt to hơn, thường được gọi là diabaz (hoặc Dolerit) hoặc, nếu hạt to hơn 2 mm, là gabro. Gabro thường được bán trên thị trường với tên gọi 'đá granit đen'.

Trong thời kỳ liên đại thái cổ và đầu Nguyên sinh của Trái Đất, thành phần hóa học của magma phun trào đã khác biệt nhiều so với hiện tại, do vỏ hành tinh chưa hoàn thiện và sự khác biệt trong quyển mềm. Những khối đá núi lửa siêu mafic, với thành phần silica (SiO₂) dưới 45%, thường được gọi là komatiit.

Phân loại

• Bazan tholeiit thường chứa nhiều silica và ít natri, phổ biến ở đáy đại dương, các đảo đại dương lớn và các lũ bazan như ở cao nguyên Sông Columbia.
  • Bazan giàu silica và ít titan. Trong một số trường hợp, đá bazan được phân loại theo hàm lượng titan của chúng. Bazan với nhiều Ti và ít Ti đã được nhận diện ở trap Paraná và Etendeka cũng như trap Emeishan.
  • Bazan ở sống núi giữa đại dương chủ yếu là bazan tholeiit, thường chỉ phun trào tại sống núi đại dương với ít yếu tố không tương thích.
• Bazan giàu nhôm có thể bảo hòa hoặc quá bảo hòa silica, với hơn 17% alumina (Al₂O₃) và thành phần trung gian giữa tholeiit và bazan kiềm; thành phần nhôm tương đối cao tùy thuộc vào loại đá không có ban tinh plagioclase.
• Bazan kiềm thường ít silica và giàu natri. Đây là loại đá chưa bảo hòa silica và có thể chứa felspatoid, fenspat kiềm và phlogopit.
• Boninit là dạng bazan chứa nhiều magnesi, thường được phun trào ở các bồn trũng sau cung, với đặc trưng là lượng titan thấp.
• Bazan tại các hải đảo
• Bazan trên Mặt Trăng

Đặc điểm

Trên Trái Đất, đa số đá bazan magma được hình thành qua quá trình giải nén nóng chảy của vỏ manti. Bazan cũng thường xuyên bùng nổ trên Io, mặt trăng lớn thứ ba của sao Mộc, và đã được tìm thấy trên Mặt Trăng, sao Hỏa, sao Kim và tiểu hành tinh Vesta.

Các lớp vỏ của mảng kiến tạo đại dương chủ yếu được cấu tạo từ đá bazan, được hình thành từ sự phun trào của lớp manti phía dưới các rãnh đại dương.

Thạch học

Các khoáng vật trong đá bazan được nhận diện chủ yếu bởi sự hiện diện nổi bật của fenspat plagioclase và pyroxen. Olivin cũng có thể là một thành phần quan trọng. Các khoáng vật phụ xuất hiện với số lượng nhỏ hơn bao gồm oxit sắt và oxit sắt titan, như magnetit, ulvospinel, và ilmenit. Sự có mặt của các khoáng chất oxit này có thể tạo ra từ trường mạnh khi đá bazan nguội đi, và các nghiên cứu cổ địa từ thường sử dụng đá bazan.

Trong bazan tholeiit, các khoáng chất ban tinh phổ biến bao gồm pyroxen (augit và orthopyroxen hoặc pigeonit) và plagioclase giàu canxi. Olivin cũng có thể là một ban tinh, và có thể hiện diện vành pigeonit. Chất nền có thể chứa thạch anh, tridymit hoặc cristobalit. Olivin tholeiit có augit và orthopyroxen hoặc pigeonite cùng với olivin dồi dào, nhưng olivin có thể chứa vành pyroxen và không thể có mặt trong chất nền. Đá bazan đáy đại dương, phun trào tại rãnh đại dương, đặc trưng với ít yếu tố không tương thích.

Bazan kiềm thường thiếu orthopyroxen nhưng chứa olivin. Các ban tinh feldspar thường là labradorit hoặc andesin. Augit trong bazan kiềm có hàm lượng titan cao hơn so với augit trong bazan tholeiit. Chất nền có thể chứa fenspat kiềm, leucit, nephelin, sodalit, mica phlogopit, và apatit.

Bazan có điểm nóng chảy và điểm đông đặc cao - điểm nóng chảy ở bề mặt khoảng 1200 °C và điểm đông đặc gần hoặc dưới 1000 °C; những giá trị này cao hơn so với các đá magma thông thường.

Hầu hết tholeiit được hình thành ở độ sâu khoảng 50–100 km trong lớp manti. Nhiều bazan kiềm có thể được hình thành ở độ sâu lớn hơn, có thể lên đến 150–200 km. Vẫn còn tranh cãi về nguồn gốc của bazan giàu nhôm, với các ý kiến khác nhau về việc nó có nguồn gốc từ sự tự tan chảy hay từ các loại đá bazan khác qua phân đoạn.

Đặc điểm địa hóa

So với các đá magma phổ biến, thành phần của bazan thường chứa nhiều MgO và CaO, trong khi ít oxit SiO₂ và kiềm (Na₂O + K₂O), phù hợp với bảng phân loại TAS.

Bazan thường chứa 45-55% trọng lượng SiO₂, 2-6% trọng lượng kiềm, 0,5-2,0% trọng lượng TiO₂, 5-14% trọng lượng FeO và ít nhất 14% trọng lượng Al₂O₃. Thành phần CaO thường gần 10% trọng lượng, trong khi MgO thường dao động từ 5-12% trọng lượng.

Bazan giàu nhôm có thành phần lên tới 17-19% trọng lượng Al₂O₃; boninit có thể chứa đến 15% MgO. Bazan chứa khoáng chất felspat hiếm trong đá giàu nhôm, tương tự như bazan kiềm, có thể có thành phần Na₂O + K₂O chiếm 12% hoặc nhiều hơn.

Sự phong phú của nhóm lanthan hoặc các yếu tố đất hiếm có thể là công cụ chẩn đoán hữu ích trong việc giải thích quá trình kết tinh khoáng như sự làm nguội của magma. Đặc biệt, sự phong phú tương đối của europium so với các yếu tố đất hiếm khác thường cao hơn hoặc thấp hơn rõ rệt, được gọi là sự bất thường europium. Điều này xảy ra vì Eu2+ có thể thay thế Ca2+ trong plagioclase, khác với các nguyên tố khác trong nhóm lanthan chỉ tạo ra cation 3+.

Tỷ lệ đồng vị của các nguyên tố như stronti, neodymi, chì, hafni và osmi trong đá bazan đã được nghiên cứu nhiều để hiểu rõ về sự tiến hóa của lớp vỏ Trái Đất. Tỷ lệ đồng vị của khí hiếm như He/He cũng rất quan trọng: ví dụ, tỷ lệ của bazan nằm trong khoảng 6-10 ở các núi giữa đại dương, nhưng có thể lên tới 15-24 hoặc cao hơn ở bazan của các đảo, cho thấy nguồn gốc từ chùm manti.

Đá tham gia vào quá trình nóng chảy từng phần có thể bao gồm peridotit và pyroxenit (theo nghiên cứu của Sobolev et al., 2007).

Hình thái và cấu trúc

Hình dạng, cấu trúc và kết cấu của đá bazan giúp xác định cách thức và nơi phun trào - liệu đó là một vụ nổ mạnh mẽ hay dung nham di chuyển từ từ như ở Hawaii.

Khi phun trào từ trên không, bazan được chia thành ba loại chính của dung nham núi lửa: scoria; tuff hoặc cinder (dăm kết); và dung nham chảy.

Bazan trên đỉnh của dòng dung nham và gò hình nón thường xuyên bị phun khí, tạo ra kết cấu 'sủi bọt' cho đá. Than bazan thường có màu đỏ, do sắt bị oxy hóa từ sự phong hóa khoáng sản giàu sắt như pyroxen.

Loại dung nham bazan dạng khối ô vuông, than và đá dăm kết phổ biến ở Hawaii. Pāhoehoe là dung nham nóng chảy dạng lỏng có xu hướng tạo thành lớp mỏng, lấp vào chỗ trũng và đôi khi tạo thành hồ dung nham. Các hang dung nham là đặc điểm thường thấy trong các vụ phun trào pahoehoe.

Đá tuff hoặc đá vụn núi lửa không phải là rất phổ biến nhưng vẫn xuất hiện. Thường thì bazan quá nóng và lỏng, tạo ra áp lực đủ lớn để gây ra phun trào mạnh mẽ. Tuy nhiên, đôi khi sự phun trào xảy ra khi magma bị giữ lại trong núi lửa và tích tụ khí núi lửa. Núi lửa Mauna Loa ở Hawaii và núi Tarawera ở New Zealand đều phun trào theo cách này vào thế kỷ 19. Núi lửa Maar đặc trưng bởi tro bazan nhỏ, hình thành do phun trào bazan xuyên qua lớp vỏ, tạo thành lớp bazan hỗn hợp và cấu trúc tro bazan hình quạt quanh núi lửa.

Cấu trúc đá hạnh nhân thường xuất hiện trong các mẫu có lỗ hổng và các tinh thể đẹp như zeolit, thạch anh hoặc calcit thường được tìm thấy.

Khi dung nham nguội đi, các vết nứt do sự co lại sẽ hình thành. Nếu dung nham nguội nhanh, lực co lại sẽ rất lớn. Dung nham có thể co lại theo chiều dọc mà không bị gãy, nhưng việc co lại theo chiều ngang có thể tạo ra các vết nứt. Mạng lưới các vết nứt này dẫn đến sự hình thành các cột bazan. Các cột này thường có hình lục giác khi cắt ngang, nhưng cũng có thể có từ 3 đến 12 góc hoặc nhiều hơn. Kích thước của các cột phụ thuộc vào tốc độ làm nguội; làm nguội nhanh có thể tạo ra các cột nhỏ hơn 1 cm, trong khi làm nguội chậm thường dẫn đến các cột lớn hơn.

Khi dung nham bazan phun trào dưới nước hoặc chảy ra biển, sự tiếp xúc với nước làm nguội nhanh chóng bề mặt dung nham, tạo thành cấu trúc gối đặc trưng. Kết cấu 'gối' này rất phổ biến trong các dòng dung nham dưới nước và là chỉ số quan trọng để xác định môi trường phun trào dưới nước trong nghiên cứu đá cổ. Gối bazan thường có một lõi tinh thể nhỏ với lớp vỏ thủy tinh bao quanh và các kết nối xuyên tâm. Kích thước của gối bazan có thể dao động từ 10 cm đến vài mét.

Khi dung nham pahoehoe tiếp xúc với nước biển, nó thường tạo ra các gối bazan. Tuy nhiên, khi dung nham gặp nước trong đại dương, nó có thể hình thành một khu vực hình nón ven bờ, nơi tích tụ tro và mảnh vụn núi lửa tạo ra những vụ nổ hơi nước.

Đảo Surtsey ở Đại Tây Dương là một ngọn núi lửa bazan đã phun trào ra biển vào năm 1963. Giai đoạn đầu của vụ phun trào này gây ra những vụ nổ mạnh do macma khá ẩm, làm đá bị thổi ra ngoài bởi hơi nước sôi, tạo thành tro núi lửa và mảnh vỡ hình nón.

Thủy tinh núi lửa có thể xuất hiện, đặc biệt là khi dung nham nguội nhanh chóng, và thường (nhưng không phải lúc nào cũng) liên quan đến các vụ phun trào dưới nước.

Gối bazan cũng có thể hình thành trong các vụ phun trào của núi lửa gần băng.

Sự sống trên đá bazan

Các đặc điểm ăn mòn của đá bazan dưới nước cho thấy rằng vi sinh vật có thể đóng vai trò quan trọng trong sự trao đổi chất giữa đá và nước biển. Nồng độ cao của Fe (II) và Mn (II) trong đá bazan cung cấp nguồn năng lượng tiềm tàng cho vi khuẩn. Một số vi khuẩn oxy hóa Fe(II) nuôi cấy từ bề mặt sắt-sulfat có thể phát triển trên đá bazan. Vi khuẩn oxy hóa Fe và Mn đã được tìm thấy trong bazan ngầm ở cửa biển Loihi. Sự ảnh hưởng của vi khuẩn đối với thành phần hóa học của thủy tinh bazan (và lớp vỏ đại dương) cũng như nước biển cho thấy những tương tác này có thể liên quan đến sự hình thành các miệng phun thủy nhiệt và nguồn gốc của sự sống.

Phân bố

Bazan là một trong những loại đá phổ biến nhất trên trái đất. Đây là loại đá tiêu biểu của các khu vực macma rộng lớn. Những vùng bazan lớn nhất thường nằm ở đáy biển, nơi đá bazan chiếm ưu thế. Trên mặt đất, bazan phổ biến ở các đảo núi lửa và xung quanh vành đai cung núi lửa, đặc biệt ở những khu vực có lớp vỏ mỏng. Tuy nhiên, khối lượng bazan lớn nhất thường gặp ở các nền đá lục địa. Các khu vực bazan lũ lục địa bao gồm trap Deccan ở Ấn Độ, nhóm Chilcotin ở British Columbia, Canada, trap Paraná ở Brazil, trap Siberia ở Nga, miền bazan Karoo ở Nam Phi, cao nguyên Sông Columbia ở Washington và Oregon.

Nhiều quần đảo và quốc đảo có đá nền chủ yếu là bazan do chúng nằm trên các núi lửa, như Iceland và Hawaii.

Bazan từ thời Tiền Cambri cổ đại thường chỉ xuất hiện ở các vùng uốn nếp và đứt gãy nghịch, và thường bị biến chất nghiêm trọng. Chúng được gọi là vành đai đá màu lục vì quá trình biến chất cấp thấp tạo ra các khoáng chất màu xanh lá cây như clorit, actinolit, và epidote trong đá bazan.

Bazan trên Mặt Trăng và Sao Hỏa

Các vùng tối trên Mặt Trăng, còn được gọi là các vùng Maria, là những đồng bằng rộng lớn hình thành từ các dòng dung nham bazan. Những mẫu đá từ những khu vực này đã được thu thập bởi chương trình Apollo của Mỹ và chương trình robot Luna của Nga.

Bazan trên Mặt Trăng khác biệt so với bazan trên Trái Đất chủ yếu về hàm lượng sắt cao, thường chiếm từ 17 đến 22% trọng lượng là FeO. Chúng cũng có nồng độ titan đa dạng (có mặt trong ilmenite), từ 1 wt% TiO₂ đến khoảng 13 wt%. Truyền thống phân loại bazan Mặt Trăng dựa trên thành phần titan của chúng, chia thành các loại giàu Ti, ít Ti và rất ít Ti. Tuy nhiên, bản đồ địa hóa toàn cầu từ sứ mệnh Clementine cho thấy sự liên tục về hàm lượng titan trong các phần maria của Mặt Trăng, với nồng độ titan cao nhất là ít nhất.

Bazan trên Mặt Trăng thể hiện các đặc điểm cấu trúc và khoáng học đặc biệt, chẳng hạn như biến chất do sốc, thiếu oxy hóa điển hình của bazan trên Trái Đất, và hoàn toàn không có dấu hiệu hydrat hóa. Trong khi hầu hết các dòng bazan trên Mặt Trăng đã xảy ra khoảng 3 đến 3,5 tỷ năm trước, các mẫu đá cổ nhất có thể đạt tuổi lên đến 4,2 tỷ năm, và các dòng bazan trẻ nhất, dựa trên phương pháp đếm miệng núi lửa, được ước tính phun trào chỉ cách đây khoảng 1,2 tỷ năm.

Bazan cũng là loại đá phổ biến trên bề mặt sao Hỏa, được xác định qua dữ liệu gửi về từ bề mặt hành tinh này cũng như từ các thiên thạch sao Hỏa.

Biến đổi của bazan

Biến chất

Bazan đóng vai trò quan trọng trong vành đai biến chất, cung cấp cái nhìn sâu sắc về điều kiện biến chất trong khu vực này. Các loại đá biến chất khác nhau được phân loại dựa trên tập hợp khoáng chất và sự hình thành đá bazan dưới các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau. Các loại đá biến chất bao gồm:

• Đá phiến lam
• Eclogit
• Granulit
• Đá phiến lục
• Zeolit

Bazan biến chất là môi trường quan trọng cho sự hình thành nhiều loại mỏ quặng nhiệt dịch, như mỏ vàng, mỏ đồng, mỏ quặng sulfide núi lửa lớn và các loại khác.

Phong hoá

So với các loại đá khác trên bề mặt Trái Đất, bazan phong hoá nhanh hơn nhiều. Các khoáng chất giàu sắt dễ bị oxy hóa trong nước và không khí, tạo màu nâu đỏ đặc trưng của oxit sắt (gỉ). Phong hóa hóa học cũng giải phóng các cation dễ hòa tan trong nước như canxi, natri và magiê, giúp giảm axit hóa ở những vùng nhiều bazan. Canxi từ bazan kết hợp với CO2 trong khí quyển để tạo thành CaCO3, góp phần giảm CO₂. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng phun trào bazan thường thải ra một lượng lớn CO₂ vào khí quyển từ khí núi lửa.

Ứng dụng

Bazan được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, như làm đá cuội (bao gồm đá bazan dạng cột) và chế tác các bức tượng. Dung nham bazan còn được dùng để sản xuất len khoáng chất, được biết đến với khả năng giữ nhiệt hiệu quả.

Carbon trong bazan đang được nghiên cứu như một phương pháp để loại bỏ khí carbon dioxide do hoạt động công nghiệp tạo ra. Bazan hình thành dưới nước, phân bố rộng rãi trên các đại dương, có thể đóng vai trò như một rào cản trong việc giảm thiểu lượng CO2 thải vào khí quyển.

• Cấu trúc quạt bazan
• Sợi bazan
• Lũ bazan
• Đá macma
• Đá mafic
• Spilit
• Núi lửa