Cần phải có một vài điệu kiện trong bất kì bối cảnh kiến tạo nào để sản sinh và tích tụ các hydrocarbon như là dầu và khí tự nhiên. Trước hết, sự bảo tồn vật chất hữu cơ đòi hỏi phải có sự chu chuyển nước biển hạn chế để ngăn cản oxy hóa và phân giải. Cần có gradient địa nhiệt cao để biến đổi vật chất hữu cơ thành dầu và khí. Cuối cùng, cần có các điều kiện kiến tạo như là tạo nên các bẫy cho các hydrocarbon tích tụ. Một vài bối cảnh kiến tạo có thể có tiềm năng đáp ứng được các đòi hỏi trên.
Cả dầu và khí được tạo thành ở các bồn trước cung và sau cung là các nơi có thể bẫy và bảo tồn vật chất hữu cơ, cũng như các nguồn địa nhiệt để giúp biến đổi vật chất hữu cơ thành hydrocarbon. Các biến dạng muộn hơn, thường là cộng sinh với các va chạm, tạo ra đủ loại bẫy cấu tạo và địa tầng mà trong đó hydrocarbon tích tụ. Một nơi quan trọng thành tạo hydrocarbon là các bồn tiền xử. Các tích tụ dầu khí khổng lồ ở vùng vịch Persic được tạo thành trong các bồn tiền xứ ngoại vi cộng sinh với các va chạm Arabia-Iran trong Đệ tam.
Bảng 3.2 Các trữ lượng dầu trong các mỏ Devon và trẻ hơn (%)
Bồn giữa Craton Rìa thụ động Bồn trước cung Cenozoi Mesozoi Paleozoi 5 43 13 8 5 1 18* 6 4 Tổng cộng 61 14 25 *14% ở vùng vịnh Persic và 4% ở các nơi khác.
Phần lớn trữ lượng dầu và khí trên thế giới được thành tạo hoặc ở các bồn trên craton hoặc ở các rìa lục địa thụ động. Trong các giai đoạn đầu mở rift lục địa, nước biển có thể chảy vào thung lũng rift và nếu sự bốc hơi vượt quá dòng chảy vào thì các evaporit sẽ tích tụ. Môi trường đó cũng đặc trưng bởi sự chu chuyển nước hạn chế trong đó vật chất hữu cơ được bảo tồn. Khi rift tiếp tục mở thì chu chuyển nước không còn được giới hạn và sự tích tụ vật chất hữu cơ và evaporit ngừng lại. Các gradient địa nhiệt cao bên dưới các rift đang mở ra và áp lực tăng lên do trầm tích vùi lấp khiến cho các vật chất hữu cơ biến thành dầu và khí. Ở giai đoạn mở muộn hơn, các lớp muối trong loạt evaporit vì có tính không ổn định về trọng lực nên có thể trồi lên thành các vòm muối và bẫy dầu và khí. Dầu và khí
95
cũng có thể bị bẫy trong các bẫy cấu tạo hoặc địa tầng khi chúng di chuyển lên để ứng phó lại sự tăng áp suất và nhiệt độ ở dưới sâu. Các dữ liệu thu được từ các giếng khoan ở Hồng Hải phù hợp với mô hình này, tương ứng với một giai đoạn sớm của tiến hóa đại dương. Các giếng khoan này bắt gặp các hydrocarbon nằm trùng với các mặt địa nhiệt cao và với tầng muối dày đến 5km. Vòng quanh bồn Đại Tây Dương cững có mối tương quan địa lý và địa tầng chặt chẽ giữa sự tích tụ evaporit và hydrocarbon.
Sự sinh ra hydrocarbon trong các bồn trên craton cững có thể liên quan đến các quá trình kiến tạo mảng. Việc tăng tốc độ tách dãn đáy biển và chiều dài sống đại dương có thể gây ra biển tiến, dẫn đến tích tụ ở các bồn giữa craton. Sự giảm sút tốc độ tách dãn thì gây ra biển lùi, khiến tạo ra các bồn có sự chu chuyển giới hạn, và do đó vật chất hữu cơ và các evaporit được tích tụ. Các bất chỉnh hợp cũng phát triển trong giai đoạn này. Sự chôn vùi và hun nóng vật chất hữu cơ trong các bồn giữa craton giúp sinh ra hydrocarbon, và các vòm muối cũng như các bất chỉnh hợp có thể cung cấp các bẫy chính để tích tụ.
Than đá được thành tạo ở hai bối cảnh kiến tạo chính: các bồn craton và các bồn tiền xử. Để than thành tạo thì các di tích thực vật phải được nhanh chóng bị vùi lắp trước khi chúng kịp phân hủy và sự vùi lấp nhanh chóng đó xảy ra ở các đầm lầy có nhiều cây cối. Biến tiến phổ biến rộng rãi trong Creta đặc biệt thuận tiện cho các đầm lầy tạo than trong các vùng trên craton. Các đầm lầy trong các bồn tiền xử thường là bộ phận của các bồn hồ lớn và than Paleozoi muộn phổ biến rộng rãi ở Trung Âu có vẻ đã tạo thành trong các môi trường như thế. Các đá phiến cháy (oil shales) có thể tích tụ trong các điều kiện tương tự, thí dụ như các đá phiến cháy Đệ tam ở các bồn tiền xử Đệ tam sớm ở Đông Utak (Mỹ).
Các nguồn năng lượng địa nhiệt xuất hiện dọc theo các sống đại dương, với Iceland là biểu hiện trên cạn duy nhất của sống. Các nguồn địa nhiệt khác xuất hiện cộng sinh với các điểm nóng (ví dụ như công viên Yellowstone), các hệ thống cung (như vùng Tampo ở New Zealand) và các rift lục địa (như điểm Jemez ở New Mexico).
Chương 4- MANTI VÀ NHÂN TRÁI ĐẤT (Tóm tắt)
Nhân và manti Trái Đất đóng những vai trò quan trọng trong sự tiến hóa vỏ và cung cấp nhiệt và các lực vận hành cơ học cho kiến tạo mảng. Nhiệt thoát từ nhân và chuyển vào manti, nơi phần lớn (>90%) nó bị đối lưu qua manti đến đáy thạch quyển. Nhiệt còn lại được chuyển lên trên bởi các plum manti phát sinh ở lớp ranh giới giữa nhân và manti. Manti còn là nơi chôn vùi các tấm mảng thạch quyển chúc
96
chìm và số phận của các tấm mảng này trong manti là đề tài đang được thảo luận và tranh cãi. Phải chăng chúng tụ tập ở gián đoạn 660km trong manti trên, hay phải chăng chúng chìm xuống đáy manti? Các tấm này đúng ra đã kiểm soát như thế nào kiểu đối lưu trong manti. Nếu chúng không xuyên thủng gián đoạn 660km thì manti trên có thể đối lưu riêng rẽ từ manti dưới, trong khi nếu chúng chìm tới đáy manti thì sự đối lưu toàn manti là có thể xảy ra. Một vấn đề có liên quan là các plum manti đã sinh ra ở đâu và như thế nào, và chúng có vai trò gì trong tiến hóa manti–vỏ.
Một chủ đề manti hấp dẫn khác là về nguồn gốc và sự trưởng thành của thạch quyển và phải chăng vai trò của nó trong kiến tạo mảng đã thay đổi theo thời gian. Chẳng hạn, thạch quyển Archei dày hơn đáng kể so với thạch quyển sau Archei, và các dữ liệu địa hóa từ các đá tù (xenoliths) cho thấy nó có nguồn gốc hoàn toàn khác. Còn chủ đề gay cấn khác nữa là nguồn gốc và các khác biệt về đồng vị của các basalt, mà đó là sự phản ánh các thành phần và tuổi khác nhau của các nguồn manti. Các nguồn này đã hình thành và sống sót thế nào qua hàng tỉ năm trong manti đối lưu? Nhân đã hình thành thế nào và các quá trình nhân ảnh hưởng đến các quá trình manti ra sao? Những vấn đề nêu trên sẽ được giải bày tóm tắt như sau:
1- Các gián đoạn địa chấn chính được nhận biết trong manti ở 410 và 660km và một đới tốc độ địa chấn thấp (LVZ) xuất hiện giữa độ sâu 50 và 300km, ngoại trừ bên dưới các khiên Archei là nơi mà nó dường như không tồn tại.
2- Dữ liệu chụp cắt lớp địa chấn (seismic tomography) cho thấy sự có mặt các bất đồng nhất (heterogeneties) lớn trong lớp manti, nhiều cái đó nằm cắt qua gián đoạn 660km và một số có thể trải xuống đến ranh giới giữa manti và nhân. Cả hai bề mặt trái đất và mặt ranh giới giữa manti và nhân đều vồng lên ở các khu vực có các tốc độ địa chấn thấp trong manti dưới.
3- Các độ lệch trong mặt địa cầu chuẩn (geoid) và hình dáng của ranh giới nhân-manti, mật độ điểm nóng, các tốc độ địa chấn manti dưới, và các dị thường địa hóa manti đều cho thấy các thay đổi nằm ngang về nhiệt độ trong manti sâu. Các khu vực tương đối nóng có thể là các dâng trồi lớn mang vật chất manti dưới lên đến mức nông hơn.
4- Không giống như quyển mềm và quyển giữa là nơi nguội mát nhờ sự đối lưu duy trì một gradient đoạn nhiệt (adiabatic), thạch quyển nguội mát là do sự truyền dẫn và các nhiệt độ thay đổi nhanh chóng theo độ sâu và theo bối cảnh kiến tạo.
5- Các dữ liệu đo tốc độ độ sóng địa chấn, các nghiên cứu thực nghiệm áp suất cao và các nghiên cứu đá tù manti đều chỉ ra rằng thạch quyển manti và manti trên cấu tạo chủ yếu bởi các đá siêu mafic, trong đó olivin là thành phần chính.
97
6- Sự cạn kiệt phần lớn các nguyên tố không tương hợp trong các nguồn basalt đại dương phản ánh sự loại bỏ các dung thể basalt giàu các nguyên tố này, có lẽ khá sớm trong lịch sử Trái Đất. Trái lại, manti thạch quyển thể hiện sự làm giàu rõ rệt phần lớn các nguyên tố không tương hợp, mà chắc đã được đưa vào bởi hoạt động biến chất trao đổi manti.
7- Các dữ liệu địa hóa và đồng vị là các đá từ manti cho thấy thạch quyển manti dày bên dưới các khiên Archei đã hình thành trong Archei và khác biệt về địa hóa so với thạch quyển sau Archei.
8- Tính dị hướng (anisotropy) sóng S trong thạch quyển lục địa đối sánh với các mảng chuyển động hiện đại cho thấy tính dị hướng đó không phải là một đặc tính Tiền Cambri mà là do dự kéo lê đề kháng (resistive drag) dọc theo đáy thạch quyển.
9- Thạch quyển đại dương dày lên khi nó mở rộng ra và nguội đi do sự chuyển khối lượng từ quyển mềm đối lưu.Trái lại, thạch quyển á lục địa sau Archei có thể tăng trưởng bởi sự bồi kết đáy (basal accretion) của các plum manti tàn lụi và thạch quyển Archei có thể bao gồm cả vật chất plum tàn lụi lẫn các tấm chúc chìm cục bộ.
10- Đới tốc độ thấp (LVZ) ở đáy thạch quyển mà chắc là do sự chớm nóng chảy (incipient melting) đóng một vai trò trong kiến tạo mảng trong việc cung cấp một khu vực tương đối ít nhớt, trên đó các mảng thạch quyển có thể trượt với sự ma sát rất nhỏ.
11- Gián đoạn 410km dường như được gây ra bởi sự nghịch đảo của olivin đến pha wadsleyit áp suất cao. Đến lượt mình wadsleyit lại lộn ngược xuống spinel ở 500-550km.
12- Gián đọan 660km chắc là được gây ra bởi sự đổi pha của spinel Mg sang perovskit Mg+magnesiowustit. Tuy nhiên, bởi vì phản ứng này là thu nhiệt (endothermic) và có thể cản trở sự lún chìm trực tiếp của các tấm vào manti sâu nên không có chứng cớ từ dữ liệu chụp cắt lớp địa chấn rằng các tụ tập ở gián đoạn 660km.
13- Lớp D” là một vùng manti nằm ở vài trăm km trên nhân, nơi các gradient tốc độ địa chấn thấp một cách khác thường và thể hiện các bất đồng nhất cực kì cả nằm ngang lẫn thẳng đứng. Các bất đồng nhất này dường như được gây ra bởi các thay đổi về nhiệt độ, về thành phần và về pha khoáng vật học. Chuyển động của các cặn (vật chất đặc hơn) có thể là tác nhân gây ra một số thay đổi tốc độ sóng địa chấn quy mô lớn và các thay đổi chiều dày D”.
98
14- Các mô hình lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng các plum manti gồm có một ngọn vật liệu nổi có đường kính lớn hơn đuôi nhiều. Có bằng chứng chắc chắn rằng các plum manti được sinh ra ở lớp D” và có thể lôi cuốn đến 90% khối lượng ban đầu của chúng, chủ yếu từ manti dưới. Phần lớn các plum đi qua ranh giới pha spinel-perovskit ở độ sâu 660km mà không bị cản trở.
15- Các siêu lục địa dường như tạo thành bên trên các chỗ sụt lún (downwellings) của manti mà sau đó lại đổi các chỗ nhô trồi (upwellings) để ứng phó phần nào với hệ quả cách ly của các siêu lục địa. Điều đó dẫn tới sự tan vỡ và phân tán các siêu lục địa. Vai trò của các plum manti trong sự tan vỡ siêu lục địa chưa được hiểu thấu đáo.
16- Các dữ liệu địa hóa từ các basalt đại dương và các mô hình lí thuyết cho thấy các bất đồng nhất manti ở các quy mô từ mấy mét đến hơn 104 km có thể được bảo tồn lâu dài đến 109 năm.
17- Ít nhất có bốn và có thể nhiều đến sáu thành tố đồng vị tồn tại trong manti. Chúng là thành tố manti cạn kiệt DM (depleted mantle) xuất hiện ở manti trên.
* HIMU là miền nguồn manti cao µ, trong đó µ là tỉ số đồng vị 238U/204Pb, đặc trưng bởi tỉ số U/Pb cao của nó, có thể là vỏ đại dương chúc chìm.
* EM1 (EM= enriched mantle - manti được làm giàu) có các tỉ số Pb tương đối thấp và Sr trung bình và có thể là thạch quyển đại dương cạn kiệt hoặc các trầm tích cổ bị chúc chìm.
* EM2 có các tỉ số đồng vị Pb trung bình và Sr cao có thể là trầm tích các lục địa trẻ bị chúc chìm.
Nếu EM1, EM2 và HIMU tương ứng là thạch quyển đại dương, các trầm tích trẻ và vỏ đại dương tái sinh (recycled) thì có khả năng ba thành tố này là chuỗi đá siêu mafic-basalt-trầm tích trong các ophiolit.
8- Những sự kiện mấu chốt kiểm soát các sự thay đổi thành phần trong Trái Đất là sự thành tạo nhân ban đầu, tiếp sau đó là sự chiết tách dần dần hoặc từng hồi của vỏ lục địa để lại ít nhất một phần manti bị cạn kiệt các nguyên tố không tương hợp và ưa sắt (DM, FOZO). Các thành tố manti khác (HIMU, EM1, EM2) là ở các plum và dường như phản ánh các bất đồng nhất chúc chìm mà không được trộn lẫn đầy đủ vào trong manti đối lưu cho đến mất các dấu ấn địa hóa và đồng vị.
19- Các dị thường tốc độ thấp bên dưới các sống đại dương cho thấy các sống là những biểu hiện thụ động nông, không liên quan trực tiếp đến đối lưu sâu. Các đặc trưng địa vật lí và địa hóa của manti được giải thích hay nhất bởi sự đối lưu tòan thể manti.
20- Bởi vì nhân ngoài không chuyển giao các sóng S nên nó phải ở trạng thái lỏng, trong khi nhân trong ở trạng thái rắn gần điểm nóng chảy của nó. Sự đối lưu có lẽ xuất hiện cả ở nhân ngoài lẫn nhân trong. Mặc dù nhân cần phải có sắt là
99
chủ yếu (với một số Ni) nhưng các tốc độ sóng P đòi hỏi phải có một hoặc một số nguyên tố có số nguyên tử thấp, có lẽ là lưu hùynh hoặc oxy. Các tuổi mô hình Pb và các tuổi đồng vị Hf-W cho thấy nhân đã hình thành trong 100 triệu năm đầu tiên của lịch sử Trái Đất và có lẽ trước khi kết thúc sự bồi kết hành tinh.
21- Có bằng chứng cho thấy địa từ trường hình thành ở nhân ngoài chảy lỏng bởi một sự vận hành giống máy phát điện (dynamo-like action) còn chưa biết rõ. Năng lượng cho “máy phát điện Trái Đất” (geodynamo) này dường như được cung cấp từ sự tăng trưởng của nhân trong. Các đảo nghịch từ trong từ trường có thể được gây ra bởi các bất ổn ở ranh giới nhân-manti, ở đó các khối sắt thoát ra và chìm xuống và làm mất sự ổn định của đối lưu ở nhân ngoài, các plum nóng dâng lên từ ranh giới nhân trong cũng có cùng hệ quả hoặc bởi các dao động lớn của trường từ ở nhân ngoài.
22- Nhân tạo thành như sắt li tụ ở manti bởi sự lắng đọng các giọt nóng chảy trong đại dương magma silicat, sự chìm xuống của các diapir sắt nóng chảy hoặc bởi sự thẩm thấu (percolation) xuống dưới của các dung thể hợp kim sắt-oxy. Một số kim lọai ở trong nhân có thể đến từ một hành tinh cỡ Hỏa Tinh mà đã va chạm vào Trái Đất trong khi hình thành nhân. Trong khi Trái Đất đã bắt đầu nguội thì nhân trong bắt đầu tạo thành như là sắt trong nhân được kết tinh và chìm xuống.
100
H4.2. Lộ trình các sóng địa chấn xuyên qua các quyển bên trong Trái đất
101