Sự phát triển nói chung của lớp vỏ đại dương (các tầng địa chấn 2 và 3) được hình thành tại các trục sống núi lớn, thường có bề dày trung bình là 7km với tỉ lệ tương quan bề dày giữa các tầng cấu trúc khác nhau gần tương đương với mặt cắt mô tả trên hình 4.1. Tuy nhiên, lớp vỏ được hình thành tại các trục tách dãn phía sau cung đảo (tham khảo hình 3.8) lại có bề dày nhỏ hơn 2-3km mặc dù chúng vẫn có cấu tạo đầy đủ như lớp vỏ bình thường.
ở một số khu vực khác, người ta cũng tìm thấy những vùng vỏ đại dương có bề dày khác thường, chẳng hạn như vùng vỏ đại dương tại khu vực đảo Iceland nằm trên địa phận sống núi giữa Đại Tây Dương. Tại đây, có thể quan sát qúa trình phát sinh vỏ đại dương ngay trên bề mặt đất liền và các nhà khoa học đã dựa vào những nghiên cứu về hoạt động núi lửa và cấu tạo địa chất của Iceland để xác nhận tính đúng đắn của học thuyết kiến tạo mảng và tách dãn đáy biển. Khoảng cách giữa các họng núi lửa hình thành trong khu vực này hoàn toàn phù hợp với mô hình phân đoạn sống núi được trình bày tóm tắt ở mục 4.2, và qúa trình trượt ngang của các trục tách dãn chính như đã đề cập ở trên (hình 4.22). Những vùng vỏ có cấu tạo như vỏ đại dương, nhưng có bề dày gần ngang bằng vỏ lục địa đã được tìm thấy ở các vùng như Nam cực và tây Thái Bình Dương, song chúng còn ít được biết đến do nằm dưới mực nước biển.
Hình 4.22: Mảnh bản đồ thể hiện vị trí của Iceland nằm trên địa phận sống núi giữa Đại Tây Dương với sự phân bố của các đới địa hào hoạt động. Chú ý rằng các trục tách dãn (được xác định bằng các đới đứt gãy) luôn có sự thay đổi vị trí theo thời gian. Sống núi Reykjanes là một bộ phận của hệ thống sống núi giữa Đại Tây Dương
Ngoài ra, ngay trong tầng địa chấn 1 cũng có những dấu hiệu khác thường, trên thực tế tầng này không hoàn toàn là trầm tích. Kết qủa phân tích các mẫu lõi khoan do ODP và DSDP thực hiện (mục 1.3) đã phát hiện ra sự có mặt khá phổ biến của các loại đá phun trào trong các tập trầm tích. Như đã biết các dung nham phun trào hình thành nên núi ngầm và gayot trên đáy đại dương có tuổi
trẻ hơn nhiều so với các tầng đá phun trào nằm bên dưới chúng (mục 2.5.2) và các lớp dung nham lava này có thể nằm xen kẽ với các trầm tích. Ví dụ, đáy của bồn trũng Nauru nằm ở phía đông máng sâu Marianas thuộc tây Thái Bình Dương có tuổi là Jura (khoảng 150 triệu năm), nhưng đợt phun trào lớn của nó xảy ra trong suốt Creta, tức là cách đây khoảng 80-90 triệu năm lại không có mối quan hệ gì với ranh giới giữa các mảng trong khu vực này. Kết qủa hoạt động phun trào của nó không phải là sự hình thành của các núi ngầm hay gayot mà là các dòng lava nằm trong các tập trầm tích, đôi khi là các vỉa bazan nằm kẹp giữa các mặt phân lớp giống như các xâm nhập phun trào dạng tấm.
Vào giai đoạn đầu của quá trình hình thành đáy đại dương (giai đoạn 2, bảng 3.1), các vỉa xâm nhập phun trào thường nằm trong các tập trầm tích lắng đọng nhanh ở lòng thung lũng địa hào bị sụt lún (tham khảo hình 3.2), chẳng hạn như phức hệ đá xâm nhập phun trào-trầm tích ở vịnh California.
Tại những khu vực có hoạt động đứt gãy hoặc nứt vỡ mạnh như vùng thung lũng giữa núi hay dọc theo các đứt gãy biến dạng và đới nứt vỡ, các tầng vỏ đại dương dưới sâu có thể lộ ra trên đáy biển, nhất là tại những vị trí có biên độ trượt lở lớn như tại các điểm giao cắt giữa sống núi với đứt gãy biến dạng.
Trước khi khái niệm tách dãn đáy biển được thừa nhận, các thông tin về cấu trúc vỏ đại dương chủ yếu dựa vào các mẫu đất đá được lấy lên từ đáy đại dương và nhiều mẫu trong số đó cho thấy sự có mặt đầy đủ của bốn tầng cấu trúc với bốn kiểu nham thạch khác nhau như trên hình 4.1. Ngày nay, những khảo sát bằng tàu ngầm, camera ngầm và các hoạt động khoan sâu dưới lòng đại dương đã phát hiện ra dấu vết xuất lộ của những mạch đất đá đặc trưng cho tầng 3 (gabro) và tầng 4 (peridotit) trên mặt vách của các thung lũng địa hào và bề mặt dốc đứng của các đứt gãy biến dạng.
Do qúa trình tương tác với nuớc biển, peridotit trong tầng 4 bị biến đổi thành secpentinit. Đây là một loại đá có đặc tính nhẹ và dẻo hơn peridotit nên nó dễ dàng bị đùn lên bề mặt đáy biển tại các khe đứt gãy xuất hiện trong lớp vỏ. Đặc biệt là ở những khu vực xuất hiện đứt gãy “khe hở” (hình 2.17), người ta thường tìm thấy các xâm nhập phun trào secpentinit, một kiểu đá phun trào khác thường.
Nói tóm lại, mặc dù cấu tạo vỏ đại dương nhìn chung rất đơn giản và khá đồng đều theo chiều sâu những nó vẫn có những sự biến đổi bất thường mang tính cục bộ. Ngày nay, việc phát hiện và nghiên cứu những sự dị thường của lớp vỏ thuận lợi hơn nhiều so với trước đây. Sự ra đời của nhiều thiết bị địa vật lý tinh vi đã cho phép tiến hành một số đo đạc trực tiếp các thông số của đất đá ngay trong lòng các lỗ khoan thăm dò dầu khí như mật độ các khe nứt, thành phần khoáng vật sét, tốc độ sóng địa chấn và mức độ biến chất của đá hoặc có thể qua suy luận và những thước phim ghi hình bằng máy camera thả xuống lỗ khoan. Sự phân loại các thiết bị nghiên cứu phù hợp cho từng hố khoan có thể giúp làm giảm chi phí cho hoạt động khoan trong tầng đá phun trào của lớp vỏ đại dương.
Như vậy, trong phần này chúng ta chủ yếu tập trung vào việc xem xét các quá trình diễn ra tại sống núi giữa đại dương, mặc dù đó là những khu vực hoạt động phun trào mạnh nhất trên trái đất, nhưng không phải là vùng hoạt động núi lửa duy nhất trên đáy đại dương.
4.3. Các NúI LửA NGầM Và đảo núi lửa
Xem qua hình 1.11 chúng ta đều nhận thấy sự có mặt khá nổi bật của các dạng địa hình núi lửa ngầm và đảo núi lửa trên khắp các đại dương. Mặc dù số lượng phân bố của chúng có thể khác nhau tuỳ từng nơi, ở một vài khu vực như Thái Bình Dương, chúng có thể xuất hiện khá nhiều trong khi ở một vài khu vực khác như Địa Trung Hải chúng lại có mặt ít hơn. Xét về hình thái, các núi lửa ngầm có hình dáng gần tương tự như các núi lửa trên lục địa (hình 2.20), và phương thức hoạt động của chúng chúng cũng giống hệt như vậy với các sản phẩm núi lửa đặc trưng như dung nham (trong trường hợp này chủ yếu là dung nham dạng gối) và tro núi lửa.
Tuy nhiên, ngay trong thành phần lớp vỏ đại dương lại rất hiếm gặp tro núi lửa. Tại độ sâu vài kilomet nước, áp suất thủy tĩnh có thể đạt tới vài trăm atmotphe, khiến các chất khí hoà tan trong dung nham không thoát ra được. Nhưng với độ sâu nhỏ hơn, khoảng dưới 500m nước, áp lực khí có thể vượt qúa áp suất thủy tĩnh và bùng thoát ra khỏi dòng dung nham một cách mạnh mẽ khiến các dung nham bị nổ tung thành những mảnh vụn tro núi lửa với thành phần là các mảnh thủy tinh lava. Như vậy cấu trúc thành phần của chân núi lửa ngầm chủ yếu là dung nham lava, phần đỉnh có thể bao gồm cả dung nham và tro núi lửa nếu nó phun trào ở độ sâu gần mặt nuớc.
Tại vùng nước nông, qúa trình phun nổ và thành tạo mảnh vụn tro núi lửa có thể trở nên mạnh hơn khi nước biển xâm nhập và tiếp xúc với macma nóng chảy bị đẩy nhanh tới nhiệt độ sôi và giãn nở đột ngột thành hơi nóng gây ra những vụ nổ lớn (hình 4.23).
Hình 4.23: Qúa trình phun nổ của núi lửa Surtsey (S-W Iceland) xảy ra vào tháng 11, 1963. Khi các núi lửa ngầm hình thành gần mặt biển và có sự tiếp xúc của nước biển với macma nóng chảy, áp lực kìm nén các chất khí không còn đủ để ngăn cản sự chuyển hóa chúng thành hơi nước. Qúa trình phun nổ này sẽ chấm dứt khi độ cao của ngọn núi nhô lên trên mặt nước đủ để cách ly khỏi sự xâm nhập của nước biển vào macma. Đương nhiên, sự phun nổ của các núi lửa ngầm còn có thể do nhiều nguyên nhân khác nữa, chẳng hạn như dồn nén của áp xuất các chất khí trong macma
Đa số núi lửa ngầm đại dương là những núi lửa chưa bao giờ chạm tới mặt nước biển, số còn lại có thể ngừng phun trào khi nhô lên trên mặt nước và bị tác động xói mòn của các qúa trình sóng.
Vậy lý do nào dẫn đến sự xuất hiện của các gayot đỉnh phẳng nằm cách mực nước biển hàng trăm kilomet?
Rất có thể, đây là những núi lửa đã bị sóng đánh san bằng ngọn (mục 2.5.2) trước khi bị lún chìm do sự nguội lạnh của mảng thạch quyển nằm dưới đáy (hình 2.13).
Tuy nhiên, chỏm cụt của một vài gayot có thể là do nguyên sinh chứ không phải do các qúa trình ngoại sinh xảy ra sau khi chúng được hình thành. Hình 4.24(a) là một gayot được hình thành dưới mực nước biển trước khi bị nâng lên. Đây là một núi lửa thuộc vùng Afar của Ethiopia, nằm ở rìa phía nam của biển Đỏ - một khu vực nổi tiếng về bất ổn định kiến tạo. Hình 4.24(b) là một gayot khác nằm ở phía đông TBD, có chỏm tương đối phẳng và sườn rất dốc. Kết qủa khảo sát bằng các thiết bị đo sâu hồi âm và sonar quét sườn đã cho thấy miệng phun trào của các gayot có đặc điểm vừa nông vừa rộng.
Như vậy, nội dung trình bày trong chương này chủ yếu nhằm hai mục tiêu (i) tổng quan những thông tin cụ thể có thể thu thập được nhờ các kỹ thuật công nghệ tiến tiến có thể áp dụng trong qúa trình nghiên cứu và khảo sát đáy biển, (ii) cung cấp cho bạn đọc kiến thức cơ bản về các quá trình thủy nhiệt diễn ra chủ yếu tại trục sống núi đại dương - chủ đề này sẽ tiếp tục trong chương tiếp theo.
(a)
(b)
Hình 4.24: (a) Núi lửa ngầm Asmara nằm phía tây hồ Abbe (giữa Afar). Đỉnh chóp cụt của nó là do nguyên sinh. (b) ảnh sonar quét sườn (hệ Sea MARC) một núi lửa ngầm trên sườn tây sống núi Thái Bình Dương tại vĩ độ 90055’ bắc. Đường kính đỉnh của nó khoảng 2km và khoảng cách từ chân núi đến đỉnh là 100m. Nguyên nhân hình thành chỏm cụt được giả thiết là do sự sụt lở đỉnh gây ra bởi sự rút xuống sâu của macma. Ngoài ra trên đỉnh, còn quan sát thấy những họng phun trào nhỏ và các đặc điểm phun trào khác nữa. Độ sâu điểm cao nhất của đỉnh núi nằm cách mực nước biển khoảng 1640m và cách đáy khoảng 1km. Tuổi tương đối của nó khoảng chừng 330000 năm tuổi, nên quá trình san phẳng ngọn không thể là do tác động của các quá trình diễn ra ở gần mặt nước. Các vòng tròn đậm nhạt trên ảnh biễu diễn các mực độ sâu khác nhau của sườn núi
4.4. TóM TắT CHƯƠNG 4
1. Vỏ đại dương có cấu tạo phân tầng rõ rệt. Tầng 1 bao gồm chủ yếu là các tập trầm tích nằm trên lớp vỏ phun trào của tầng 2 và 3; tầng 4 là manti trên (thuộc thạch quyển). Tầng 2 là các tập đá núi lửa, trong đó phổ biến là các lava dạng gối (nằm trên) và dung nham dyke (nằm dưới). Tầng 3 là gabro – một loại đá được hình thành do qúa trình xâm nhập và nguội lạnh của các vật chất macma phun trào từ lò macma nằm bên dưới trục sống núi. Bề dày trung bình của lớp vỏ đại dương phun trào là 7km. Xét về thành phần khoáng vật và hóa học, cả tầng 2 và tầng 3 đều có cấu tạo giống nhau là bazan. Tầng 4 có thành phần là peridotit. Các ranh giới ngăn cản sự biến đổi dần của sóng địa chấn nằm ở đáy tầng 1 và mặt tầng 4 (bề mặt Moho). Nhình chung, tốc độ sóng địa chấn có sự tăng dần theo chiều sâu, và sự biến thiên gradient vận tốc của nó cho phép người ta phân chia các phụ tầng.
2. Sự ra đời của một số thiết bị nghiên cứu tiên tiến như máy đo độ sâu hồi âm (sử dụng chùm tia hẹp), máy sonar quét sườn, camera ngầm, và tầu ngầm nghiên cứu biển đã giúp phát hiện ra cơ chế hoạt động phun trào theo đợt tại các
vùng thung lũng địa hào trên đỉnh sống núi đại dương với khoảng cách giữa các đợt kế tiếp từ 104 - 105 năm. Các dung nham lava là sản phẩm phun trào từ các núi lửa ngầm kéo dài trên đáy đại dương chứ không phải từ các khe nứt phát triển liên tục, khoảng cách đường ranh giới tách dãn giữa hai mảng thường không đều nhau theo đơn vị đo chiều dài là km.
3. Các trục tách dãn bị phân chia thành nhiều đoạn với độ dài từ 30-100km. Qúa trình dịch chuyển so le xảy ra giữa các đoạn trục sống núi có thể là do hoạt động của các đứt gãy biến dạng hoặc do sự hình thành của các tâm tách dãn hội tụ. Vị trí sống núi có đỉnh cao nhất, và bề dày lớp vỏ lớn nhất nằm ở chính giữa các phân đoạn trục, nơi mà cường độ các hoạt động phun trào diễn ra mạnh mẽ. Độ cao của các đoạn sống núi giảm dần về hai đầu do sự mỏng dần của lớp vỏ thạch quyển. Bề dày của tầng đá gabro 3 đôi khi gần như bị triệt tiêu khi tiến gần tới các đới nứt vỡ liền kề.
4. Dựa vào cơ chế hoạt động của các qúa trình diễn ra tại trục sống núi có thể phỏng đoán rằng đã có sự xâm nhập kéo dài của các vật chất quyển mềm nằm bên dưới thạch quyển vào các lớp nằm trên và tạo thành các khối xâm nhập cách đều nhau trên một đường thẳng. Mỗi khối là nguồn cung cấp vật liệu cho một lò macma đang hoạt động nằm dưới một đoạn trục sống núi tách dãn. Mỗi lò macma có thể đảm bảo cho một vài họng núi lửa hoạt động trong cùng một đợt phun trào.
5. Bề dày của vỏ đại dương dưới đáy các bồn trũng sau vòng cung đảo mỏng hơn bình thường, nhưng một vài khu vực khác trong đại dương nó lại dày hơn bình thường. Hoạt động của các đứt gãy và khe nứt có thể làm xuất lộ các tầng đá nằm dưới sâu trong lớp vỏ đại dương.
6. Các núi lửa ngầm và đảo núi lửa được hình thành từ các núi lửa ngầm riêng biệt nằm trên đáy đại dương. Chỉ một số ít các dạng địa hình này có thể nhô lên trên mặt biển và hình thành nên các đảo biển. Những núi lửa ngầm có hình chóp cụt (gayot) là sản phẩm chủ yếu của qúa trình bào mòn do sóng khi nó nằm gần mặt nước, ngoài ra một số khối núi là kết qủa của chính qúa trình phun trào sinh ra nó. Các chất khí hoà tan nằm trong dung nham không thể thoát ra ở độ sâu lớn hơn 500m, vì vậy rất hiếm khi tìm thấy dấu vết tro núi lửa trên các đáy đại dương sâu.
Phần câu hỏi sau sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ thêm các nội dung vừa được trình bày trong chương này.
Câu hỏi 4.6 (a) Một số đặc điểm của các tâm tách dãn được mô tả ở trên như là: “phức tạp, dễ biến dạng và có sự bất ổn định bẩm sinh trên quy mô thời gian (chu kỳ 105 - 106 năm) và không gian hình học (cứ 10km chiều dài), nhưng xét trên quy mô lớn hơn thì chúng dường như không thay đổi” có ý nghĩa như thế nào?
(b) Hình 4.19(b) mô tả hai rìa đối xứng của một tâm tách dãn hội tụ nằm tại vĩ độ 90
90.00.5” bắc có nguồn gốc từ những lò macma nào và chúng sẽ giống nhau hay khác nhau về thành phần hóa học và khoáng vật?