Dung nham

Bài viết này đề cập đến đá magma như một khái niệm trong địa chất học.

Dung nham hay còn gọi là đá mắc-ma, đá hỏa sinh hoặc hỏa thành nham là những loại đá hình thành từ sự đông cứng của dung nham nóng chảy đưa lên từ các lớp sâu của vỏ Trái Đất. Quá trình đông cứng có thể tạo ra các đá với khoáng vật kết tinh rõ ràng hoặc không tùy thuộc vào môi trường đông cứng của dung nham, và do đó, chúng được phân loại thành đá xâm nhập và đá phun trào. Dung nham này có thể xuất phát từ manti của Trái Đất hoặc từ các loại đá đã có trước đó bị nóng chảy do sự thay đổi nhiệt độ và áp suất cao. Đã có hơn 700 loại đá magma được mô tả, phần lớn trong số đó được hình thành gần bề mặt lớp vỏ Trái Đất.

Ý nghĩa địa chất học

Đá magma mang ý nghĩa địa chất quan trọng vì:

Khi núi lửa phun trào, đá magma bị làm cứng và đông đặc do tiếp xúc với khí quyển. Vì bị làm nguội nhanh chóng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp, các khoáng vật không kịp kết tinh hoặc chỉ kết tinh một phần, dẫn đến kích thước tinh thể nhỏ, chưa hoàn chỉnh, hoặc ở dạng vô định hình. Bên cạnh đó, các khí và hơi nước không kịp thoát ra, để lại nhiều lỗ rỗng, khiến đá trở nên nhẹ, thậm chí có loại nổi trên mặt nước.

Ngoài ra, đá phun trào còn được gọi là đá núi lửa. Trong một số ngôn ngữ nước ngoài như tiếng Anh, chúng được gọi là volcanic rock, theo tên của Vulcan, vị thần lửa trong thần thoại La Mã. Ở độ sâu vài kilômét dưới bề mặt Trái Đất, nhiệt độ cao hơn so với nhiệt độ mà hầu hết các loại đá có thể nóng chảy ở bề mặt. Tuy nhiên, do áp suất lớn từ các lớp đá phía trên, các loại đá này vẫn giữ dạng cứng. Nếu có các khe nứt trong các lớp đá, áp suất giảm và một khối lượng lớn đá bị nóng chảy. Dung nham sẽ được ép phụt lên trên qua các khe nứt đến bề mặt và tạo thành núi lửa.

Đá nóng chảy (còn gọi là dung nham hay lava) sẽ chảy ra từ núi lửa và lan rộng. Vì dung nham nguội và kết tinh nhanh chóng, nó hình thành các loại đá với cấu trúc vi tinh. Nếu quá trình làm nguội diễn ra quá nhanh, không đủ thời gian cho kết tinh, các loại đá tạo thành sẽ có cấu trúc thủy tinh, như đá obsidian (đá vỏ chai).

Do cấu trúc vi tinh, các loại đá phun trào thường khó phân biệt bằng mắt thường so với đá xâm nhập. Thông thường, các khoáng vật trong đá phun trào chỉ có thể được nhận diện qua kính hiển vi thạch học (đá được mài thành lát mỏng và quan sát dưới kính hiển vi hai ni-côn), còn phân loại bằng mắt thường chỉ mang tính chất tương đối.

Trong quá trình phun trào, núi lửa có thể phun ra các khối đá và tro với sức mạnh rất lớn. Những vật chất này được gọi là đá trầm tích núi lửa (hoặc đá vụn núi lửa, tuf), có thể rơi gần núi lửa hoặc được gió mang đi xa.

Các tinh thể có trong đá lửa với cấu trúc mịn gọi là pocfia. Cấu trúc pocfia hình thành khi một số tinh thể đạt kích thước đáng kể trước khi phần lớn dung nham đông đặc thành khối vật liệu đồng nhất hạt mịn.

Xâm nhập cạn

Khái niệm xâm nhập cạn hiện vẫn còn gây tranh cãi, nhưng đa số ý kiến cho rằng nó xảy ra khi đá kết tinh ở độ sâu dưới mặt đất khoảng 1,5 km.

Bối cảnh địa chất học

Đá dung nham có thể được phân loại thành hai nhóm: đá dung nham xâm nhập (bao gồm đá siêu nhiệt đới và siêu sâu) và đá dung nham ngoại vi (bao gồm đá núi lửa).

Đá xâm nhập

Đá núi lửa xâm nhập là loại đá chủ yếu trong nhóm đá núi lửa, hình thành từ magma khi nguội và đông cứng bên trong vỏ Trái Đất. Các khối đá núi lửa xâm nhập, được gọi là 'xâm nhập', nằm trong đá nền, loại đá đã có từ trước và có tính cách nhiệt tốt, giúp magma nguội chậm, tạo nên cấu trúc thô (phaneritic). Các tinh thể khoáng trong đá loại này thường có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Các dạng xâm nhập được phân loại dựa vào hình dạng và kích thước của chúng cùng với sự liên kết với lớp đá nền mà chúng xâm nhập vào, bao gồm các loại như batholith, stock, laccolith, sill và dike. Các đá xâm nhập phổ biến bao gồm granite, gabbro và diorite. Các phần lõi của các dãy núi lớn thường là đá núi lửa xâm nhập và khi bị xói mòn, chúng có thể phủ rộng trên bề mặt Trái Đất dưới dạng batholith. Đá xâm nhập hình thành sâu trong vỏ Trái Đất được gọi là đá plutonic (hoặc abyssal), trong khi đá gần mặt đất gọi là subvolcanic hoặc hypabyssal và thường có cấu trúc mịn hơn. Đá hypabyssal ít phổ biến hơn và thường tạo thành các loại dike, sill, laccolith, lopolith hoặc phacolith.

Trầm tích

Đá núi lửa trầm tích, hay còn gọi là đá núi lửa, được hình thành khi dung nham nóng chảy nguội trên bề mặt Trái Đất. Dung nham được đưa lên qua các khe nứt hoặc phun trào, sau đó nguội cứng nhanh chóng. Vì vậy, loại đá này có cấu trúc mịn (aphanitic) hoặc thậm chí thủy tinh. Basalt là loại đá núi lửa trầm tích phổ biến nhất, hình thành thành các dòng dung nham, lớp dung nham và cao nguyên dung nham. Một số basalt nguội cứng thành các cột đa giác dài, như Giant's Causeway ở Antrim, Bắc Ireland. Dung nham nóng chảy, thường chứa các tinh thể treo và khí hòa tan, gọi là lava khi nó tiếp xúc với mặt đất. Sự phun trào trên mặt đất được gọi là trên mặt đất, trong khi dưới nước là dưới nước. Black smokers và basalt ở rìa đại dương là ví dụ về hoạt động núi lửa dưới nước. Thể tích đá trầm tích phun trào hàng năm thay đổi theo vị trí của các hoạt động địa chất trong biển.

• Ranh giới phân kỳ: 73%
• Ranh giới hội tụ (vùng subduction): 15%
• Điểm nóng: 12%.

Hành vi của dung nham phụ thuộc vào độ nhớt của nó, điều này được ảnh hưởng bởi nhiệt độ, thành phần và hàm lượng tinh thể. Dung nham có nhiệt độ cao, chủ yếu là basalt, có tính chất giống như dầu đặc và khi nguội, giống như mật ong. Các dòng basalt thường dài và mỏng với bề mặt pahoehoe. Dung nham có thành phần trung gian như andesit, thường tạo ra các đống tro núi lửa, tuff và dung nham, với độ nhớt có thể giống như mật đường đặc, lạnh hoặc thậm chí cao su trong quá trình phun trào. Dung nham felsic, như rhyolite, thường được phun trào ở nhiệt độ thấp và có độ nhớt cao gấp 10,000 lần so với basalt. Các núi lửa với dung nham rhyolite thường phun trào mạnh mẽ, và dòng dung nham rhyolite thường có giới hạn và độ dốc cao vì tính nhớt của dung nham.

Dung nham felsic và trung gian thường gây ra các vụ phun trào mạnh mẽ, với các vụ nổ do khí hòa tan - thường là hơi nước, cũng có thể là khí carbon dioxide. Vật liệu núi lửa được phun trào mạnh mẽ gọi là tephra, bao gồm tuff, agglomerate và ignimbrite. Bụi núi lửa mịn cũng được phun trào và hình thành các lớp tuff, có thể bao phủ các khu vực rộng lớn.

Do đá núi lửa thường có kích thước nhỏ hoặc dạng thủy tinh, việc phân biệt giữa các loại đá núi lửa ngoại vi khác nhau trở nên khó khăn hơn so với các loại đá núi lửa nội vi. Thông thường, thành phần khoáng vật của đá núi lửa ngoại vi chỉ có thể xác định qua kiểm tra các mẫu mỏng dưới kính hiển vi, dẫn đến phân loại gần đúng trong khảo sát. Mặc dù phân loại theo thành phần khoáng vật được ưu tiên bởi IUGS, việc này thường không thực tế, nên phân loại hóa học được thực hiện thay thế bằng phương pháp phân loại TAS.

Phân loại

Phân loại đá magma có thể cung cấp thông tin quan trọng về điều kiện hình thành của chúng. Hai yếu tố chính trong phân loại đá lửa là kích thước hạt (phụ thuộc vào lịch sử làm nguội) và thành phần khoáng vật của đá. Fenspat, thạch anh, olivin, pyroxen, amphibol và mica là các khoáng vật quan trọng trong quá trình hình thành đá magma và chúng là cơ sở phân loại các loại đá này. Các khoáng vật khác không điển hình trong đá được gọi là khoáng chất phụ.

Trong phân loại đơn giản, các loại đá magma được phân loại dựa trên sự hiện diện của fenspat, sự có hoặc vắng mặt của thạch anh, và trong các loại đá không có fenspat hoặc thạch anh, dựa vào sự hiện diện của các khoáng vật chứa sắt hoặc magnesi.

Kích thước tinh thể

Theo kích thước tinh thể, đá magma có thể được phân loại thành pecmatit (hạt rất lớn), hiển tinh (các tinh thể lớn có thể nhìn thấy rõ), ban tinh (có một số tinh thể lớn trên nền hạt nhỏ hoặc pocfia), vi tinh (chỉ có hạt nhỏ hoặc aphanit), và thủy tinh (không có hạt).

• Đá với kiến trúc hiển tinh chứa các tinh thể khoáng vật có thể nhìn thấy bằng mắt thường và thường đặc trưng cho đá xâm nhập (do làm nguội chậm nên tinh thể lớn). Trong một số trường hợp, đá này có thể chứa các tinh thể cực lớn, được gọi là pecmatit.
• Trong đá phun trào, do quá trình làm nguội nhanh, các tinh thể khoáng vật thường không nhìn thấy được bằng mắt thường và được gọi là kiến trúc vi tinh.
• Kiến trúc ban tinh là trạng thái trung gian giữa hai loại trên: đá có kiến trúc vi tinh, nhưng trên nền vi tinh có thể quan sát được một số tinh thể.
• Nếu magma nóng chảy nguội quá nhanh không đủ thời gian cho quá trình kết tinh, sản phẩm tạo ra có kiến trúc thủy tinh như thủy tinh núi lửa hay Obsidian, đôi khi còn gọi là đá vỏ chai.

Hình dạng của tinh thể

Hình dạng của tinh thể là một yếu tố quan trọng trong cấu trúc của đá magma. Các tinh thể có thể được phân loại thành ba dạng: tự hình, bán tự hình và tha hình.

• Tự hình (Euhedral): tinh thể có hình dạng rõ ràng và các mặt kết tinh được bảo tồn tốt.
• Bán tự hình (Subeuhedral): chỉ một phần của tinh thể có hình dạng rõ ràng và các mặt kết tinh không hoàn toàn được bảo tồn.
• Tha hình (Anhedral): tinh thể không có hình dạng rõ ràng và không thể nhận biết được các hướng kết tinh.

Cấu tạo theo hình thức

• Cấu tạo lỗ hổng là đá có chứa các khoảng trống do khí bị mắc kẹt trong quá trình làm nguội.
• Cấu tạo dòng chảy hình thành khi magma chảy trên bề mặt và đông cứng với các tốc độ khác nhau, tạo ra các kiểu mẫu độc đáo.
• Tuf bao gồm các mảnh vụn đá hoặc bom núi lửa bị phun ra trong các vụ phun trào, có thể phân loại thành các loại như: tufit và tufogen.

Thành phần khoáng vật và hóa học

Các loại đá magma có thể được phân loại dựa trên các yếu tố hóa học và khoáng vật, theo hai phương pháp chính sau đây:

• Hóa học: - Tổng hàm lượng kiềm và silica (theo biểu đồ TAS) giúp phân loại đá magma khi thiếu thông tin về quá trình hình thành hoặc thành phần khoáng vật:
  • Đá magma acid có hàm lượng silica cao, trên 63% SiO₂ (như rhyolit và dacit).
  • Đá magma trung tính có chứa từ 52 đến 63% SiO₂ (như andesit).
  • Đá magma mafic có hàm lượng silica thấp (45 - 52%) và thường chứa nhiều sắt và magnesi (như đá bazan).
  • Đá magma siêu mafic chứa dưới 45% silica (như picrit và komatiit).
  • Đá magma kiềm có từ 5 đến 15% chất kiềm (K₂O + Na₂O) (như phonolit và trachyt).

Ghi chú: Thuật ngữ acid-base thường được sử dụng trong các tài liệu địa chất cũ. Hiện nay, các thuật ngữ như felsic, mafic và siêu mafic được sử dụng phổ biến hơn.

• Khoáng vật: Hàm lượng khoáng vật chứa Fe và Si hoặc mafic:
  • Đá felsic chủ yếu chứa thạch anh, fenspat kiềm và/hoặc khoáng vật chứa fenspat: các khoáng vật chứa Fe và Si; các loại đá này (như granit) thường có màu sáng và tỷ trọng thấp.
  • Đá mafic chủ yếu chứa các khoáng vật mafic: pyroxen, olivin và plagiocla calci; các đá này (như đá bazan) thường có màu tối và tỷ trọng lớn hơn đá felsic.
  • Đá siêu mafic chứa trên 90% khoáng chất mafic (như dunit).

Bảng dưới đây cung cấp một cái nhìn tổng quan về phân loại đá lửa dựa trên thành phần và cách hình thành của chúng.

Để tìm hiểu chi tiết hơn về phân loại, hãy tham khảo Biểu đồ QAPF.

Nguồn gốc từ

• Từ igneous (đá nham thạch) xuất phát từ tiếng Latin gốc igni-, có nghĩa là lửa, kết hợp với -eous có nghĩa là được hình thành từ.
• Từ volcanic rock (đá núi lửa) có nguồn gốc từ tiếng Latin Vulcan, tên của thần lửa trong thần thoại La Mã, kết hợp với -ic, nghĩa là có đặc điểm của.
• Từ plutonic (đá nham thạch sâu), còn gọi là đá nham thạch xâm nhập, bắt nguồn từ Pluto, tên của thần Hades trong thần thoại La Mã, kết hợp với -ic, nghĩa là có đặc điểm của.

Các khoáng vật chủ yếu trong đá

Các khoáng vật cấu thành đá magma chủ yếu bao gồm thạch anh, fenspat, mica và các khoáng vật màu.

Mỗi loại khoáng vật có đặc tính riêng biệt, do đó sự hiện diện của chúng trong đá sẽ ảnh hưởng đến các thuộc tính của đá như độ bền, độ cứng và khả năng gia công.

• Thạch anh là dạng kết tinh của SiO₂, thường có hình lăng trụ 6 cạnh, thường có màu trắng hoặc trắng sữa, độ cứng đạt 7, khối lượng riêng là 2,65 g/cm³, cường độ khoảng 20.000 kg/cm². Thạch anh có khả năng chống mài mòn tốt và ổn định với acid (ngoại trừ acid fluohidric và fosforic). Ở nhiệt độ phòng, thạch anh không phản ứng với vôi, nhưng trong môi trường hơi nước bão hòa ở 175 - 200°C có thể xảy ra phản ứng silicat.
• Fenspat có hai loại chính:
  • Fenspat kali - octola (K₂O.Al₂O₃.6SiO₂)
  • Fenspat natri và fenspat calci - plagiocla (Na₂O.Al₂O₃.6SiO₂ và CaO.Al₂O₃.2SiO₂)
  • Fenspat có thể có màu từ trắng, trắng xám, vàng đến hồng và đỏ; khối lượng riêng từ 2,55 - 2,76 g/cm³, độ cứng từ 6 - 6,5, cường độ chịu nén từ 1200 – 1700 kg/cm². Fenspat có khả năng chống phong hóa kém, đặc biệt là khi tiếp xúc với nước có chứa CO₂, dẫn đến sự hình thành của Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O (caolonit), một thành phần chính của đất sét, qua phản ứng sau:

K₂O.Al₂O₃.6SiO₂ + CO₂ + 2H₂O → K₂CO₃ + 4SiO₂ + Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O

• Mica là alumôsilicat ngậm nước với cấu trúc phức tạp, có độ cứng từ 2-3, khối lượng riêng từ 2,76 - 3,2 g/cm³. Hai loại mica phổ biến nhất là biotit và muscovit.
  • Biotit, còn gọi là mica đen, có màu nâu đen và thường chứa oxide magiê và sắt, với công thức (Mg, Fe)₃.Si₃.AlO₁₀.OHF)₂.
  • Muscovit, hay mica trắng, có màu trong suốt với công thức K₂O. Al₂O₃.6SiO₂.2H₂O.
  • Thêm vào đó, còn có vecmiculit, được hình thành do oxy hóa và hydrat hóa biotit. Khi nung ở 900 - 1000°C, thể tích vecmiculit có thể tăng từ 18 - 25 lần do mất nước.
• Các khoáng vật màu sẫm như amphibol, pyroxen và olivin có màu từ xanh lục đến đen, cường độ cao, dai và khó gia công.

Ứng dụng

đá magma xâm nhập

• Dunit là đá xâm nhập sâu thuộc nhóm đá siêu mafic, chủ yếu chứa olivin chiếm hơn 90%, cùng với pyroxen, hocblen hiếm hơn, và có thể có mica, cromit. Đá có cấu trúc đặc sít và đôi khi phân dải, với kiến trúc hạt thô.
• Granit (đá hoa cương) là loại đá acid phổ biến, chủ yếu cấu thành từ thạch anh, fenspat và một ít mica, thỉnh thoảng còn có amphibol và pyroxen. Granit có màu từ xám nhạt, hồng nhạt đến vàng, thường có cấu trúc hạt lớn.
• Granit rất đặc chắc, với khối lượng thể tích từ 2600 – 2700 kg/m³, cường độ nén cao (1200 – 2500 kg/cm²), độ hút nước thấp (dưới 1%), khả năng chống phong hóa rất tốt, tuy nhiên độ chịu lửa không cao. Đá granit thường được sử dụng trong xây dựng, như ốp mặt ngoài nhà, công trình công cộng, nền móng cầu, cống, đập, v.v.
• Syenit là đá trung tính, chủ yếu chứa Orthoclas, plagiocla, các khoáng vật acid, và một số khoáng vật màu sẫm như amphibol, pyroxen, biotit, ít mica và thạch anh. Sienit có màu từ xám hồng, cấu trúc tinh thể đều đặn, khối lượng riêng từ 2,7 - 2,9 g/cm³, khối lượng thể tích từ 2400 – 2800 kg/m³, cường độ chịu nén từ 1500 – 2000 kg/cm². Đá sienit được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng.
• Diorit là đá trung tính với thành phần chính là plagiocla trung tính (khoảng ¾), hocblen, augit, biotit, amphibol, và một ít mica và pyroxen. Diorit có màu xám, xám lục với các vết sẫm và trắng; khối lượng thể tích từ 2900 – 3300 kg/m³, cường độ chịu nén từ 2000 – 3500 kg/cm². Đá diorit dai, chống va chạm tốt, chống phong hóa cao, dễ đánh bóng, nên thường được dùng làm mặt đường và tấm ốp.
• Gabbro là đá base, chứa plagiocla base (khoảng 50%) và các khoáng vật màu sẫm như pyroxen, amphibol, olivin. Gabbro có màu từ xám sẫm đến đen, có thể mài nhẵn, khối lượng thể tích từ 2900 – 3300 kg/m³, cường độ chịu nén từ 2000 – 3500 kg/cm². Đá gabbro được dùng làm đá dăm, đá tấm để lát mặt đường và trang trí kiến trúc.

Đá magma phun trào

• Diaba có thành phần tương tự như gabbro, là loại đá magma xâm nhập nông với thành phần mafic, cấu trúc hạt nhỏ và hạt vừa xen lẫn với kiến trúc hiển tinh. Thành phần khoáng vật bao gồm fenspat, pyroxen, olivin, màu từ xám sẫm đến lục nhạt, cường độ nén từ 3000 – 4000 kg/cm². Đá diaba rất dai, khó mài mòn, thường được dùng làm đá rải đường và nguyên liệu đá đúc.
• Bazan là đá base với thành phần khoáng vật tương tự như gabbro. Đá bazan có cấu trúc vi tinh hoặc pocfia, và là loại đá nặng nhất trong nhóm đá magma, với khối lượng thể tích từ 2900 – 3500 kg/m³, cường độ chịu nén từ 1000 – 5000 kg/cm² (có loại lên đến 8000 kg/cm²), rất cứng, giòn, và khả năng chống phong hóa cao. Đá bazan phổ biến trong xây dựng, thường dùng để lát đường, làm cốt liệu bê tông, và tấm ốp chống ăn mòn.
• Andesit là đá trung tính với thành phần bao gồm plagiocla trung tính, các khoáng vật màu sẫm (amphibol, pyroxen) và mica; có cấu trúc ẩn tinh và pocfia; màu từ xám vàng, hồng đến lục. Đá andesit có khả năng hút nước cao, khối lượng thể tích từ 2200 đến 2700 kg/m³, cường độ chịu nén từ 1200 – 2400 kg/cm², và có khả năng chống acid, vì vậy được dùng làm vật liệu chống acid.

Đá trầm tích núi lửa

Bên cạnh các loại đá magma đã đề cập, còn có đá bọt, tuf, tro, và tuf dung nham trong nhóm đá magma phun trào. Các đá này không chỉ hình thành qua quá trình kết tinh nhanh như đá phun trào mà còn qua sự lắng đọng theo quy luật trầm tích. Một số tài liệu của Liên Xô cũ phân loại những đá này vào nhóm đá trầm tích.

• Tro núi lửa thường xuất hiện dưới dạng bột màu xám. Các hạt lớn được gọi là cát núi lửa. Đá bọt, loại thủy tinh núi lửa có độ rỗng cao (lên tới 80%), hình thành khi tro núi lửa lắng đọng từ không khí. Đá bọt có kích thước từ 5-30mm, khối lượng thể tích 500 kg/m³, độ hút nước thấp do các lỗ rỗng lớn và ít liên thông, hệ số truyền nhiệt nhỏ (0,12 - 0,2 kCal/m.°C.h), cường độ chịu nén 20 – 30 kg/cm². Cát núi lửa và đá bọt thường được sử dụng làm cốt liệu cho bê tông nhẹ, trong khi bột núi lửa được dùng làm vật liệu cách nhiệt và bột mài.
• Tuf núi lửa là loại đá rỗng hình thành từ quá trình tự lèn chặt của tro núi lửa. Loại tuf núi lửa đặc nhất được gọi là tơrat. Tuf núi lửa, đá bọt, và tro núi lửa thường được dùng làm phụ gia hoạt tính chịu nước cho chất kết dính vô cơ.
• Tuf dung nham hình thành khi tro và cát núi lửa rơi vào dung nham nóng chảy. Đây là loại đá thủy tinh rỗng với màu sắc hồng, tím..., khối lượng thể tích từ 750 đến 1400 kg/m³, cường độ chịu nén từ 60 – 100 kg/cm², hệ số dẫn nhiệt trung bình là 0,3 kCal/m.°C.h. Trong xây dựng, tuf dung nham được cắt thành đá hộc để xây tường và sản xuất đá dăm cho bê tông nhẹ.

Phân loại

Đá nham thạch được phân loại dựa trên cách hình thành, cấu trúc, thành phần khoáng vật, hóa học và hình dạng của khối nham thạch.

Việc phân loại đá nham thạch cung cấp thông tin quan trọng về điều kiện hình thành chúng. Hai yếu tố chính trong phân loại đá nham thạch là kích thước hạt, chủ yếu ảnh hưởng bởi quá trình làm lạnh, và thành phần khoáng vật. Feldspar, quartz hoặc feldspathoid, olivine, pyroxene, amphibole, và mica là những khoáng vật chính trong quá trình hình thành các loại đá nham thạch và là cơ sở cho phân loại chúng. Các khoáng vật khác có mặt thường không cần thiết và được gọi là khoáng vật phụ. Một số đá nham thạch hiếm gặp với khoáng vật cần thiết khác bao gồm carbonatite, chứa các carbonate cần thiết.

Trong phân loại đơn giản, đá nham thạch được phân loại dựa trên loại feldspar hiện diện, sự có mặt hay không của quartz, và đối với các loại đá không chứa feldspar hoặc quartz, loại khoáng vật sắt hoặc magiê có mặt. Đá chứa quartz (silica) được gọi là quá mức silica, trong khi đá với feldspathoids được gọi là thiếu hụt silica vì feldspathoids không thể cùng tồn tại ổn định với quartz.

Các loại đá nham thạch có tinh thể lớn đủ để quan sát bằng mắt thường được gọi là phaneritic; còn những loại với tinh thể quá nhỏ để nhìn thấy được gọi là aphanitic. Thông thường, phaneritic chỉ nguồn gốc xâm nhập, trong khi aphanitic thường có nguồn gốc phun trào.

Một loại đá nham thạch với tinh thể lớn hơn, phân biệt rõ ràng trong một ma trận hạt nhỏ hơn gọi là porphyry. Kết cấu porphyritic hình thành khi một số tinh thể phát triển đến kích thước đáng kể trước khi phần lớn magma tạo thành tinh thể dưới dạng vật liệu đồng nhất với hạt nhỏ hơn.

Đá nham thạch được phân loại dựa trên cấu trúc và thành phần. Cấu trúc đề cập đến kích thước, hình dạng và cách sắp xếp của các hạt khoáng vật hoặc tinh thể tạo nên đá.

Cấu trúc

Cấu trúc là tiêu chí quan trọng trong việc đặt tên cho các loại đá núi lửa. Cấu trúc của đá núi lửa, bao gồm kích thước, hình dạng, hướng và phân bố của các hạt khoáng vật, cũng như mối quan hệ giữa chúng, sẽ xác định loại đá là tuff (tro núi lửa), pyroclastic lava (nham thạch phun trào) hay lava thông thường. Tuy nhiên, cấu trúc chỉ là một yếu tố phụ trong phân loại đá núi lửa, vì thường cần thêm thông tin hóa học từ các loại đá có ma trận hạt mịn hoặc từ tro rơi từ không khí, có thể tạo thành từ tro núi lửa.

Tiêu chí về cấu trúc ít quan trọng hơn trong phân loại đá nham thạch xâm nhập, nơi các khoáng vật thường dễ dàng nhìn thấy bằng mắt thường hoặc bằng kính lúp hoặc kính hiển vi. Đá plutonic thường ít đa dạng về cấu trúc và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố tạo thành cấu trúc đặc biệt. Các thuật ngữ cấu trúc có thể được sử dụng để phân biệt các giai đoạn xâm nhập khác nhau của các khối đá nham thạch lớn, chẳng hạn như rìa phaneritic của các cơ thể xâm nhập lớn, cổ phiếu porphyry và khoan dính nham thạch. Phân loại khoáng học thường được áp dụng cho đá plutonic, trong khi phân loại hóa học được ưu tiên cho đá núi lửa, với các loài phenocryst được sử dụng làm tiền tố, ví dụ như 'picrite chứa olivine' hoặc 'rhyolite có orthoclase-phyric'.

Phân loại khoáng vật

IUGS khuyến cáo rằng phân loại đá nham thạch nên dựa vào thành phần khoáng vật của chúng bất cứ khi nào có thể. Điều này khá đơn giản với đá nham thạch xâm nhập có hạt thô, nhưng có thể cần phải kiểm tra các mẫu mỏng dưới kính hiển vi đối với đá nham thạch núi lửa hạt mịn và có thể không thực hiện được với đá nham thạch kính. Khi đó, đá sẽ được phân loại theo thành phần hóa học.

Để phân loại khoáng vật của một loại đá nham thạch xâm nhập, trước tiên cần xác định đá có phải là siêu magiê, carbonatite hay lamprophyre không. Đá siêu magiê chứa hơn 90% khoáng vật giàu sắt và magiê như hornblende, pyroxene hoặc olivine, và có hệ thống phân loại riêng biệt. Tương tự, các loại đá chứa hơn 50% khoáng vật cacbonat được phân loại là carbonatites, trong khi lamprophyres là loại đá siêu kali hiếm. Cả hai loại đá này sẽ được phân loại tiếp dựa trên các chi tiết khoáng vật học.

Trong hầu hết các trường hợp, đá có thành phần khoáng vật rõ ràng hơn, với sự hiện diện đáng kể của quartz, feldspar hoặc feldspathoid. Phân loại dựa vào tỷ lệ phần trăm của quartz, feldspar kiềm, plagioclase và feldspathoid so với tổng số khoáng vật tạo thành đá, loại bỏ các khoáng vật khác. Tỷ lệ này xác định vị trí của đá trên biểu đồ QAPF, thường cho biết ngay loại đá. Trong một số trường hợp, như diorite-gabbro-anorthite, các tiêu chí khoáng vật phụ bổ sung có thể cần áp dụng để xác định phân loại cuối cùng.

Khi thành phần khoáng vật của một loại đá núi lửa có thể được xác định, quá trình phân loại tương tự được áp dụng, nhưng với một biểu đồ QAPF điều chỉnh dành riêng cho các loại đá núi lửa.

Phân loại hóa học và địa lý

Khi việc phân loại đá núi lửa dựa vào khoáng vật trở nên không thực tiễn, phương pháp phân loại hóa học sẽ được áp dụng.

Số lượng khoáng vật quan trọng trong các loại đá nham thạch thông thường rất ít, vì magma từ đó các khoáng vật kết tinh chứa các nguyên tố chính: silic, oxy, nhôm, natri, kali, canxi, sắt và magiê. Những nguyên tố này kết hợp để tạo ra các khoáng chất silicat, chiếm trên 90% tổng số đá nham thạch. Hóa học của các loại đá nham thạch được thể hiện qua các nguyên tố chính và phụ, cũng như các nguyên tố vi phân. Nồng độ của các nguyên tố chính và phụ thường được biểu thị bằng phần trăm trọng lượng oxy (ví dụ: 51% SiO₂ và 1,50% TiO₂), trong khi các nguyên tố vi phân được biểu thị theo phần triệu trọng lượng (ví dụ: 420 ppm Ni và 5,1 ppm Sm). Thuật ngữ 'nguyên tố vi phân' chỉ các nguyên tố có mặt ở nồng độ dưới 100 ppm trong hầu hết các loại đá, nhưng một số có thể xuất hiện với nồng độ vượt quá 1.000 ppm trong một số loại đá. Sự đa dạng về thành phần của đá được xác định dựa trên một khối lượng dữ liệu phân tích lớn - hơn 230.000 phân tích đá có thể được truy cập trực tuyến thông qua trang web do Cơ quan Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ tài trợ (xem liên kết đến EarthChem).

Silica, hay SiO₂, là thành phần quan trọng nhất, dù nó có thể xuất hiện dưới dạng quartz hoặc kết hợp với các oxit khác như feldspar hoặc các khoáng vật khác. Cả đá nham thạch xâm nhập và đá nham thạch núi lửa đều được phân loại dựa trên tổng hợp thành phần silica vào các nhóm chính.

• Đá Felsic có mức silica cao nhất, chủ yếu gồm các khoáng chất felsic như quartz và feldspar. Các loại đá này (như granit, rhyolite) thường có màu sáng và mật độ tương đối thấp.
• Đá Intermediate có mức silica trung bình, chủ yếu gồm feldspar. Những loại đá này (như diorite, andesite) thường có màu tối hơn so với đá felsic và mật độ hơi cao hơn.
• Đá Mafic có mức silica thấp và chủ yếu bao gồm các khoáng chất pyroxene, olivine và plagioclase calci. Những loại đá này (như basalt, gabbro) thường có màu đen và mật độ cao hơn so với đá felsic.
• Đá Ultramafic có mức silica rất thấp, với hơn 90% khoáng chất mafic (như komatiite, dunite).

Bảng phân loại sau đây tóm tắt các nhóm đá dựa trên thành phần silica.

Tỷ lệ của các oxit kim loại kiềm (Na₂O cộng K₂O) là yếu tố quan trọng thứ hai sau silica trong việc phân loại hóa học đá núi lửa. Tỷ lệ giữa silica và oxit kim loại kiềm được dùng để xác định đá núi lửa trên biểu đồ TAS, điều này đủ để phân loại hầu hết các loại đá núi lửa ngay lập tức. Một số loại đá, như trachyandesite, được phân loại thêm dựa trên tỷ lệ kali và natri (trachyandesites chứa kali gọi là latites và chứa natri gọi là benmoreites). Các đá mafic hơn có thể được phân chia thành các phân vùng hoặc xác định bằng khoáng vật học định tính, trong đó thành phần khoáng chất giả định được tính toán từ thành phần hóa học của đá. Ví dụ, basanite được phân biệt với tephrite nhờ vào nồng độ olivine giả định cao.

Các điều chỉnh khác đối với phân loại cơ bản TAS bao gồm:

• Đá siêu kali - đá có tỷ lệ mol K₂O/Na₂O lớn hơn 3.
• Đá siêu kiềm - đá có tỷ lệ mol (K₂O + Na₂O)/Al₂O₃ lớn hơn 1.
• Đá siêu nhôm - đá có tỷ lệ mol (K₂O + Na₂O + CaO)/Al₂O₃ nhỏ hơn 1.

Theo thuật ngữ cổ điển, các loại đá giàu silica được gọi là silicic hoặc acidic khi nồng độ SiO₂ vượt quá 66%, và thuật ngữ quartzolite được dùng cho loại đá giàu silica nhất. Sự hiện diện của khoáng chất giả định feldspathoid xác định đá là siêu kiềm; ví dụ như nephelinite.

Magma được phân loại thành ba chuỗi chính:

• Chuỗi magma tholeiitic - bao gồm các loại đá basaltic, andesite và andesite.
• Chuỗi magma calc-alkaline - bao gồm các loại đá andesite.
• Chuỗi magma alkaline - bao gồm các nhóm con của đá alkaline basalt và các loại lava có hàm lượng kali rất cao (như shoshonitic).

Chuỗi magma alkaline có thể được phân biệt với hai chuỗi còn lại trên biểu đồ TAS nhờ vào tỷ lệ oxit kiềm cao hơn ở cùng mức độ silica. Trong khi đó, chuỗi magma tholeiitic và calc-alkaline có vị trí tương đương trên biểu đồ TAS, nhưng chúng khác nhau về tỷ lệ kiềm so với hàm lượng sắt và magiê.

Ba chuỗi magma này xuất hiện ở nhiều môi trường kiến tạo khác nhau trên lớp vỏ Trái Đất. Đá thuộc chuỗi magma tholeiitic, chẳng hạn như basaltic andesite và andesite, thường được tìm thấy ở các dãy núi dưới đáy đại dương, lưu vực sau lưng hẻm núi, các đảo đại dương hình thành từ điểm nóng, và các vùng đá núi lửa lớn trên lục địa.

Các chuỗi magma này có sự phân bố gần nhau trong các vùng chìm giảm, với sự phân bố liên quan đến độ sâu và tuổi của các vùng chìm. Chuỗi magma tholeiitic được thấy rõ ở các vùng chìm giảm trẻ với magma hình thành ở độ sâu nhỏ. Trong khi đó, chuỗi magma calc-alkaline và chuỗi magma alkaline xuất hiện ở các vùng chìm giảm trưởng thành và liên quan đến magma ở độ sâu lớn hơn. Andesite và basaltic andesite là những loại đá núi lửa phổ biến trong cung đảo, cho thấy sự hiện diện của magma calc-alkaline. Một số hệ cung đảo có chuỗi núi lửa phân tán, như hệ cung đảo Nhật Bản, nơi đá núi lửa chuyển từ tholeiite - calc-alkaline - alkaline khi xa khỏi rãnh chìm.

Lịch sử phân loại

Nhiều tên gọi của đá nham thạch đã tồn tại trước khi có các phương pháp phân loại hiện đại. Ví dụ, thuật ngữ 'basalt' để chỉ loại đá nham thạch đặc trưng được đưa ra bởi Georgius Agricola vào năm 1546 trong tác phẩm De Natura Fossilium. Từ 'granite' đã có từ ít nhất những năm 1640, xuất phát từ tiếng Pháp 'granit' hoặc tiếng Ý 'granito', có nghĩa là 'đá hạt'. Thuật ngữ 'rhyolite' được Ferdinand von Richthofen giới thiệu vào năm 1860. Việc đặt tên cho các loại đá mới tăng lên đáng kể trong thế kỷ 19 và đạt đỉnh vào đầu thế kỷ 20.

Trước đây, phân loại đá nham thạch chủ yếu dựa vào tuổi địa chất và đặc điểm xuất hiện của chúng. Tuy nhiên, vào năm 1902, các nhà địa chất học người Mỹ như Charles Whitman Cross, Joseph P. Iddings, Louis V. Pirsson và Henry Stephens Washington đã đề xuất một phương pháp phân loại mới dựa trên phân tích hóa học, thay vì các phân loại hiện có. Họ chỉ ra rằng các thuật ngữ hiện tại thường thiếu chính xác và tính khoa học, và lập luận rằng thành phần hóa học của đá là yếu tố cơ bản nhất nên được ưu tiên trong phân loại.

Các tiêu chí như sự xuất hiện địa chất, cấu trúc, và thành phần khoáng học trước đây dùng để phân biệt đá đã trở nên kém quan trọng. Phân tích đá giờ đây được dựa trên các khoáng chất hình thành từ dung nham, như thạch anh, feldspath, olivine, akermannite, feldspathoid, nam châm, corundum, v.v., và các loại đá được phân loại dựa trên tỷ lệ tương đối của các khoáng chất này. Mặc dù hệ thống phân loại mới đã gây ngạc nhiên nhưng cũng bị chỉ trích vì thiếu tính thực tiễn và đã bị từ bỏ vào những năm 1960. Tuy nhiên, khái niệm về khoáng hóa bình thường vẫn tồn tại và công trình của Cross cùng các đồng sự đã ảnh hưởng đến nhiều hệ thống phân loại mới.

Trong số các hệ thống phân loại mới, M.A. Peacock đã chia đá nham thạch thành bốn loạt: kiềm, kiềm-calci, calci-kiềm và calci. Định nghĩa của ông về loạt kiềm và thuật ngữ calci-kiềm vẫn được sử dụng trong hệ thống phân loại Irvine-Barager, được áp dụng rộng rãi. Hệ thống phân loại tholeiitic của W.Q. Kennedy cũng là một phần trong đó.

Đến năm 1958, đã có khoảng 12 hệ thống phân loại khác nhau và ít nhất 1637 tên loại đá được sử dụng. Trong năm đó, Albert Streckeisen đã công bố một bài viết tổng quan về phân loại đá nham thạch, dẫn đến việc thành lập Ban công tác về Hệ thống hóa đá nham thạch của Liên minh Quốc tế Vật lý Trái đất. Đến năm 1989, một hệ thống phân loại thống nhất đã được thông qua và sau đó được cập nhật vào năm 2005, với số lượng tên đá được khuyến nghị giảm xuống còn 316, trong đó có nhiều tên mới được đề xuất bởi Ban công tác.

Nguồn gốc và phân bố

Lớp vỏ Trái Đất có độ dày khoảng 35 km (22 dặm) ở các khu vực lục địa, nhưng trung bình chỉ khoảng 7 km (4,3 dặm) dưới các đại dương. Vỏ Trái Đất chủ yếu được cấu thành từ các loại đá có tỷ trọng thấp hơn, bên dưới là lớp phủ dày hơn và mở rộng đến độ sâu khoảng 3.000 km (1.860 dặm). Phần lớn magma, nguyên liệu hình thành đá magma, được sinh ra ở các phần trên của lớp phủ với nhiệt độ dao động từ 600 đến 1.600 °C.

Khi magma nguội đi, các khoáng vật sẽ kết tinh từ hỗn hợp nóng chảy ở các nhiệt độ khác nhau (quá trình kết tinh phân đoạn). Chỉ có một số khoáng vật nhất định đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành đá magma, bởi vì magma chỉ chứa một số nguyên tố chủ yếu như silíc, oxy, nhôm, natri, kali, calci, sắt và magiê. Các nguyên tố này kết hợp với nhau tạo thành các khoáng vật silicat, chiếm hơn 90% thành phần của đá magma.

Các loại đá magma chiếm khoảng 95% toàn bộ phần trên của lớp vỏ Trái Đất, tuy nhiên chúng thường phân bố rộng rãi dưới lớp đá trầm tích và đá biến chất, mặc dù lớp đá này tương đối mỏng.

Hình ảnh

• Đá bọt núi lửa
• Danh sách các khoáng chất
• Danh mục các loại đá
• Danh sách các tỉnh đá magma chính

• Le Maitre, L.E., biên tập, (2002) Đá Magma: Phân loại và Thuật ngữ Tái bản lần thứ hai, Cambridge.

Liên kết hữu ích

• Đá magma trên trang USGS Lưu trữ ngày 21-02-2013 tại Wayback Machine