Nghiên cứu cổ từ là nghiên cứu NRM ở các đá, dựa vào đó để tái lập một cách có căn cứ chiều và cường độ của địa từ trường trong quá khứ địa chất. Nhằm mục đích này phải lấy mẫu đá được định hướng ở thực địa, đo NRM trong phòng thí nghiệm với từ kế và tính các vị trí cổ cực từ.
Các kết quả nghiên cứu cổ từ đặc biệt quan trọng trong việc tái lập các vị trí lục địa trước khi xảy ra phân rã siêu lục địa Pangea bắt đầu vào Mesozoi sớm. Chúng cung cấp bằng chứng là phần lớn Gondwana (gồm Châu Phi, Nam Mỹ, Ấn Độ, Australia, Nam Cực) vốn còn nguyên vẹn trước khi nó bị chia mảnh trong Tiền– Cambri muộn. Eurasia củng bị chia mảnh trong Tiền–Cambri muộn và Paleozoi
26
sớm. Trong Paleozoi muộn các lục địa này liên kết với Bắc Mỹ và Gondwana để tạo thành Pangea.
1.8 CÁC ĐIỂM NÓNG (HOTSPOTS) VÀ CÁC PLUM (PLUMES)
Mô hình điểm nóng (Wilson, 1963) cho rằng các dãy núi lửa dạng tuyến trên đáy biển tạo thành trong khi vỏ đại dương chuyển động trên các nguồn magma tương đối đứng yên. Các điểm nóng hình thành ở đáy thạch quyển bên trên các plum manti. Sự nóng chảy cục bộ của các plum trong manti trên cho ra các khối lượng lớn magma, mà một phần xâm nhập lên hoặc phun ra mặt đất. Các điểm nóng cũng có thể là nhân tố quan trọng làm tách vỡ các siêu lục địa trong quá khứ.
Các điểm nóng có các đặc điểm sau đây :
1- Ở các bồn đại dương các điểm nóng tạo thành các địa hình nổi cao 500– 1200m với chiều rộng điển hình 1000–1500km. Các điểm cao này chắc là các biểu hiện gián tiếp của các plum manti dâng lên.
2- Trên nhiều điểm nóng có các núi lửa đang hoạt động hoặc mới tắt không lâu. Các thí dụ là Hawaii và Công viên Yellowstone ở Tây Mỹ.
3- Phần lớn các điểm nóng có các điểm cao trọng lực, phản ánh sự dâng lên vật chất manti có mật độ cao hơn. Tuy nhiên, 1 số lại có các điểm thấp trọng lực.
4- Một hoặc hai sống phi địa chấn của các dãy núi lửa hầu hết đã tách được đưa ra khỏi nhiều điểm nóng đại dương. tương tự, ở các vùng lục địa, tuổi hoạt động magma và biến dạng có thể tăng khoảng cách từ điểm nóng. Đặc tính này gọi là
các vệt điểm nóng (hotspot tracks).
5- Nhiều điểm nóng có dòng nhiệt cao, có lẽ phản ứng một plum manti ở dưới sâu.
Có khoảng 40 – 150 điểm nóng đang hoạt động đây đó trên các Trái Đất đã được miêu tả. Các điểm nóng tương tác với các mảng thạch quyển theo nhiều cách như minh hoạ ở H.11
H1. 17 Plum manti hình thành từ lớp D’’ và xuyên lên đến đáy thạch quyển tạo ra các điểm nóng.
27
H1. 18 Dãy đảo đại dương Hawai và dãy núi biển Emperor hình thành do tương tác giữa mảng đại dương và plum manti
1.9 CÁC SIÊU LỤC ĐỊA
Vụ tan vỡ Pangea bắt đầu khoảng 200 triệu năm trước đây, có thể là vụ mới nhất trong số vài vụ tan vỡ siêu lục địa. Mặc dù chứng cớ còn ít nhưng các nhà địa chất đang dần thử ráp lại bức tranh của các lục địa tập kết lại và phân tán ra đôi lần từ khoảng 3 tỉ năm. Vậy cái gì gây ra sự kết lại và rã ra đó của các lục địa? Đáp án hầu như chắc chắn nằm ở mô hình vận chuyển nhiệt trong manti.
Khoảng 200 triệu năm trước, Pangea có vẻ như tập trung trên một plum manti dâng trồi do được nung nóng. Ngày nay tất cả các lục địa trừ Châu Phi đều chuyển động ra khỏi các đụn trồi manti và tụ tập lại ở những chỗ manti tụt xuống do tương đối nguội. Tính chất dị thường của Châu Phi là phù hợp với việc nó nằm trên một plum manti nóng được biểu hiện bằng bề mặt dòng nhiệt cao và các tốc độ sóng địa chấn thấp trong manti trên.
Nếu các siêu lục địa tập hợp trên chổ manti nguội tụt xuống thì tại sao chúng lại tan rã? Có khả năng là các mảng lục địa nằm trên cách ly manti, cuối cùng trờ nên cao hơn nhiệt độ manti ở dưới các lục địa. Khi manti nóng lên, nó dãn nỡ và
28
mảng lục địa nằm trên nứt vỡ tạo rift và các lục địa bắt đầu phân tán. Các tính toán mô hình của Michael Garnis chỉ ra rằng sự nứt vỡ và phân tán đó rất phù hợp với các thời kì tạo núi cực đại trong dữ liệu địa chất. Mô hình này dự báo tốc độ mảng lục địa sẽ nhanh nhất (4cm/năm) ngay sau khi tách và chậm nhất khi một lục địa tạo thành. Các tốc độ dự báo đó rất phù hợp với các tốc độ được đánh giá từ dữ liệu cổ từ do vụ tan vỡ Pangea cách nay 200 triệu năm. Mô hình này cũng phù hợp với các dữ liệu địa chất về mực nước biển cao trong khi tập kết siêu lục địa và thấp nhất ngay trước khi tan vỡ.
29
H1. 20 Siêu lục địa Rodinia đã hình thành vào khoảng
1,2-1,0 tỷ năm trước đây
H1. 21 Siêu lục địa Gondwana tồn tại vào
Paleozoi sớm
30
Chương 2- VỎ TRÁI ĐẤT
Vỏ Trái Đất là phần cứng rắn nằm ở phía trên của thạch quyển. Đáy vỏ là Moho được xác định bằng 1 gián đoạn địa chấn nổi bật. Có ba đơn vị vỏ: đại dương, chuyển tiếp và lục địa, trong đó vỏ đại dương và lục địa chiếm ưu thế.
Bảng 2.1. Các đặc trưng địa vật lý của vỏ
Kiểu vỏ Diện tích (%) Khối lượng (%) Độ bền Dòng nhiệt (mW/m2) Dị thường Bouger (mgal) Tỷ số Poisson Lục địa 1. Khiên 2. Nền 3. Tạo núi PZ MZ-KZ
4. Cung rìa lục địa
Chuyển tiếp 5. Rift 6. Cung đảo 7. Cao nguyên ngầm dưới biển 8. Bồn biển nội lục Đại dương 9. Sống đại dương 10. Bồn đại dương 11. Bồn biển rìa 12. Cung núi lửa 13. Máng Trung bình lục địa Trung bình biển 6 18 8 6 2 1 1 3 1 10 38 4 <1 2 40 54 11 15 13 14 4 1 1 3 1 2 12 2 <1 1 77 17 8 8.1 B T-K T-K K T-K B-T B K B K-T T-K K 40 49 60 70 50-70 60-80 50-75 50-60 50 100-200 50 50-150 60-80 45 55 67(95)+ -20 đến -30 -10 đến -50 -100 đến -200 -200 đến -300 -50 đến -100 -200 đến -300 -50 đến +100 -100 đến +50 0 đến +200 +200 đến +250 +250 đến +350 +50 đến +100 +250 -100 đến -150 -100 +250 0,29 0,27 0,26 0,26 0,25 0,30 0,25 0,30 0,27 0,22 0,29 0,25 0,25 0,29 0,27 0,29 Ghi chú: Độ bền: B –bền; T – trung bình ; K – không bền
Tỉ số Poisson: tỉ số của đơn vị biến dạng ngang so với đơn vị biến dạng dọc trong một thể bị ép dọc trong giới hạn ở trạng thái dẻo của nó.
+: dòng nhiệt đại dương tính toán.
Sau đây trình bày tóm tắt các đặc điểm của vỏ Trái Đất:
1. Các kiểu vỏ là các phần vỏ có cùng các đặc tính địa chất và địa vật lý. Có 13 kiểu vỏ được nhận biết là: khiên, nền, đới tạo núi, cung rìa lục địa, rift, cung đảo, cao nguyên ngầm dưới biển, sống đại dương, bồn đại dương, bồn biển rìa, đảo núi lửa và máng.
2. Kết quả đo tốc độ địa chấn cho biết cả vỏ đại dương và vỏ lục địa đều phân lớp và các tốc độ tăng lên theo chiều sâu. Vỏ đại dương gồm có các lớp: trầm tích (dày 0-1km), móng (dày 0,7-2km) và đại dương (dày 3,7 km), kể từ trên xuống.
31
3. Sự đối sánh giữa các vùng lục địa về chiều dày, độ cao trung bình trên mực nước biển có thể phản ánh sự tăng trưởng các lục địa do các va chạm lục địa.
4. Độ dẫn điện (electrical conductivity) nói chung tăng theo chiều sâu trong vỏ lục địa. Điều này có thể do nước lỗ hổng, sự nóng chảy cục bộ hoặc các màng carbon ở các ranh giới hạt trong các đá của vỏ dưới gây ra.
5. Khoảng 66% nhiệt Trái Đất đã bị mất đi bởi các hoạt động kiến tạo
mảng và 12% khác bị mất đi từ các lục địa do sự phân rã phóng xạ của các nguyên tố sinh nhiệt.
6. Dòng nhiệt bề mặt (surface heat flow) từ các lục địa có quan hệ tuyến tính với độ dẫn nhiệt gần bề mặt của vỏ. Một trong những nguồn nhiệt quan trọng nhất bị mất từ Trái Đất là sự chu chuyển nhiệt dịch ở các sống đại dương. Dòng nhiệt ở các lục địa và cung đảo thay đổi phụ thuộc vào tuổi
sự kiện magma mới nhất. Địa nhiệt (geotherm), là sự phân bố nhiệt độ theo
chiều sâu trong Trái Đất dưới một địa điểm trên mặt nhất định, phụ thuộc vào dòng nhiệt bề mặt và manti và sự phân bố của độ dẫn nhiệt và hoạt tính phóng xạ theo chiều sâu. Tất cả các địa nhiệt có gradient gần như không đổi
ở vỏ trên, nhưng khác nhau ở dưới sâu. Sự sai khác này có thể đến 500oC ở
các kiểu vỏ khác nhau, tại các độ sâu của Moho. Tuy nhiên ở độ sâu >300km thì các địa nhiệt lại như nhau vì ở đó có sự truyền nhiệt đối lưu.
7. Dòng nhiệt trung bình của vỏ suy giảm theo tuổi vỏ trung bình. Ở các lục địa, dòng nhiệt giảm đến 40-50 mW/m2 trong gần 1 tỷ năm và đến các giá trị tương tự ở đại dương trong 50-100 triệu năm. Dòng nhiệt sụt giảm ở các lục địa cũng giảm theo tuổi vỏ trung bình.
8. Các dị thường từ (magnetic anomalies) ở các vùng lục địa phản ánh các kiểu đá gần bề mặt và các gián đoạn cấu tạo (structural discontinuities). Ở các khu vực vỏ mỏng và dòng nhiệt cao, các hạt từ tính nói chung sắp song song với các cấu tạo tạo núi. Vỏ đại dương có đặc trưng bởi các dị thường từ tuyến tính song song với các hệ thống sống đại dương.
9. Các đường biểu diễn áp suất - nhiệt độ - thời gian (P-T-t) có tầm quan trọng trong việc theo dõi lịch sử của vỏ lục địa. Chúng được xác định bằng các mối quan hệ kiến trúc giữa sự tăng trưởng khoáng vật và các cấu trúc biến dạng (deformational fabrics), bằng sự tăng trưởng khoáng vật có liên quan đến các trường ổn định P-T được xác định bằng thí nghiệm của các khoáng vật biến chất và bằng các tuổi đồng vị của các khoáng vật tạo thành và mất đi dọc theo các đoạn khác nhau của các đường P-T-t.
10. Các đường P-T-t của các đai tạo núi có chiều thuận theo kim đồng
32
khi nhiệt độ cực đại. Sự căng dãn vỏ lục địa sinh ra các đường P-T-t ngược chiều kim đồng hồ, trong đó nhiệt độ cực đại xảy ra trước hoặc cùng lúc với sự biến dạng sớm.
11. Các craton là sản phẩm cuối của quá trình tạo núi va chạm và bao
gồm các tạo núi xâm thực và nâng cao.Các tốc độ nguội đi của các craton thay đổi từ <2oC/triệu năm đến >10oC/triệu năm, và các đường P-T-t khá phức tạp đến nỗi phần lớn hoặc tất cả lịch sử nhiệt có thể bị xóa đi bởi sự kiện nhiệt cuối cùng.
12. Sự chuyển tiếp giữa tính trạng đàn hồi và mềm dẻo trong vỏ lục địa
xuất hiện ở độ sâu nông trong vỏ trẻ và ấm (10-20km), trong khi trong vỏ già và lạnh nó xuất hiện ở độ sâu lớn hơn (20-30km).
13. Sự thành tạo các lò nóng chảy granit trong lớp vỏ dưới và sự vận chuyển chúng lên các độ sâu nông là quá trình cơ bản dẫn đến sự phân dị hóa học của các lục địa.
14. Sự vận chuyển các chất lưu trong vỏ là một quá trình quan trọng ảnh hưởng đến cả sự lưu biến (rheology) và sự tiến hóa hóa học của vỏ. Các chất lưu ở vỏ nông chủ yếu là nước, trong khi các chất lưu ở vỏ sâu là hỗn hợp của H2O và CO2.
15. Thành phần của vỏ lục địa được khống chế bởi các phân bố tốc độ
địa chấn, thành phần của các khiên Tiền-Cambri, thành phần của các trầm tích hạt mịn, các mẫu vỏ sâu trồi lộ và thành phần các đá tù (xenoliths) trong các đá núi lửa.
16. Bởi vì có sự chồng lên nhau trong các tốc độ địa chấn của các đá có thành phần và nguồn gốc khác nhau nên không thể định rõ các thành phần đá duy nhất cho vỏ dưới chỉ bằng dữ liệu địa chấn. Tuy nhiên, khi kết hợp với dữ liệu đá tù thì các phân bố tốc độ địa chấn cho biết rằng vỏ dưới ở lục địa phần lớn gồm có các đá granulit, gabro và amphibolit (50-65%) với khoảng 10% đá metapelit, còn lại là các đá magma trung tính và felsic.
17. Các nghiên cứu vỏ dưới trồi lộ và các đá tù là của vỏ dưới cho biết các phản xạ ở vỏ dưới dường như được gây ra bởi các xâm nhập mafic và, ở một số trường hợp, các phản xạ đã được tăng cao bởi biến dạng dẻo muộn hơn.
18. Vỏ trên ở lục địa có thành phần trung bình của granodiorit, vỏ dưới có thành phần mafic và vỏ tổng là trung tính. Vỏ đại dương có thành phần mafic.
19. Sự phân bố nguyên tố vỏ bổ sung ở vỏ lục địa và đại dương có thể
được giải thích là phần lớn vỏ lục địa được trích chiết từ manti trên ban đầu, khiến cho manti trên bị nghèo các nguyên tố rất không tương hợp (very
33
incompatible elements). Vỏ đại dương sau đó tiếp tục được tạo ra từ manti trên cạn kiệt trong suốt thời gian địa chất.
20. Các teran (terrane) là các khối vỏ có ranh giới là đứt gãy, có các dãy địa tầng và thạch học riêng biệt và có lịch sử địa chất khác với các teran lân cận. Chúng được tạo thành trong các bối cảnh kiến tạo khác nhau, bao gồm các cung đảo, các cao nguyên ngầm dưới biển, các đảo núi lửa và các vi lục địa.
21. Các teran là các khối xây dựng cơ bản của các lục địa và sự va chạm teran là phương thức chính để các lục địa tăng kích thước.
22. “Tỉnh” vỏ (hay miền vỏ) là một đai tạo núi đang hoạt động hoặc được bộc lộ (exhumed), bao gồm các teran và nó ghi giữ một khoảng tuổi đồng vị giống nhau và có cùng một lịch sử biến dạng sau tập kết giống nhau. Các craton bao gồm các đai tạo núi được bộc lộ.
23. Các ranh giới teran và các tỉnh vỏ là các đới cắt trượt (shear zone) mà một số trong đó là các đới khâu giữa các khối va chạm nhau trước kia.
34
Chương 3- CÁC BỐI CẢNH KIẾN TẠO
Những đặc điểm của các bối cảnh kiến tạo bao gồm các tổ hợp thạch học (cả các đá vỏ trên và các đá xâm nhập), phong cách và lịch sử biến dạng, hoạt động biến chất và các đường P-T-t, cũng như các tích tụ khoáng chất và năng lượng. Các tổ hợp đá tạo thành ở các bối cảnh kiến tạo mảng hiện đại gọi là các tổ hợp thạch kiến tạo (petrotectonic assemblages). Các tổ hợp đó bao gồm các đá vỏ trên (các đá trầm tích và các đá núi lửa) và các đá xâm nhập nông. Từ nghiên cứu các bối cảnh kiến tạo mảng hiện đại có thể biết nhiều hơn về điều mong đợi ở các đá cổ nhằm xác định, hay ít ra là khoanh định, bối cảnh kiến tạo mà trong đó chúng được tạo thành. Từ các kết quả đó còn có thể đánh giá vấn đề hấp dẫn về kiến tạo mảng đã vận hành như thế nào trong quá khứ.
Mặc dù các trầm tích đang tạo thành ở các bối cảnh mảng hiện đại có thể được lấy mẫu và nghiên cứu, nhưng nghiên cứu các đá xâm nhập và biến chất trẻ và các