Bản chất của trầm tích tích đọng trong bất kì môi trường riêng biệt nào đều phụ thuộc vào nhiều nhân tố, bao gồm (1) miền nguồn, hoặc là chỗ phát sinh của trầm tích, là nhân tố kiểm soát các loại khoáng vật sẽ có trong trầm tích; (2) sự phong hóa và vận chuyển là các nhân tố kiểm soát lại sự biến đổi các vật liệu có nguồn gốc từ miền nguồn, và (3) bản chất của môi trường trầm tích mà về phần mình lại phụ thuộc vào các nhân tố như tốc độ vận chuyển ngay trước khi tích đọng và tính chất hóa học của môi trường trầm tích. Trong các nhân tố đó, sự phong hóa và miền nguồn là nhân tố hàng đầu khống chế các thành phần của các trầm tích.
2.1 Sự phong hóa.
Sự phong hóa bao gốm 2 loại quá trình – các quá trình vật lí, cũng cùng được gọi là sự
phân rã (disintegration), và các quá trình hóa học cũng cùng được gọi là sự phân hủy
(decomposition). Vai trò chính của sự phân rã trong khi thành tạo thổ nhưỡng (đất) hoặc trầm tích là giảm kích thước của các hạt vật liệu. Điều này được hoàn thành bởi sự phá vỡ vật lí của đá và các vật liệu khoáng, làm vỡ chúng ra; và hoạt động sinh học (biological activity), như là làm nứt nẻ đá do sự tăng trưởng của các rễ cây trong các khe nứt. Sự giảm sút kích thước hạt là tăng diện tích bề mặt các phần tử, làm tăng tốc độ các phản ứng hóa học xuất hiện trong quá trình phân hủy.
Các quá trình phân hủy bao gồm sự oxy hóa, khử oxy, hòa tan, thủy hóa, thủy phân, chelation và sự tạo keo với sự trao đổi cation. Oxy hóa và khử là các quá trình đối lập.
Oxy hóa là quá trình trong đó hóa trị của một ion là tăng và khử là quá trình trong đó hóa
trị của một ion giảm. Một trong những phản ứng oxy hóa phổ biến nhất trong quá trình phong hóa là sự oxy hóa sắt. Thí dụ, magnetit, một khoáng vật rất phổ biến của đá magma, trầm tích và biến chất, chịu sự oxy hóa sắt khi nó biến thành hematit là sản phẩm phong hóa phổ biến :
magnetit + oxy → hematit
Trong phản ứng này, sắt ferrous (Fe2+) trong magetit bị oxy hóa sinh ra sắt ferric (Fe3+).
Các phản ứng tương tự kéo theo các cation sắt được giải phóng bởi các phản ứng phân hủy khác cũng xuất hiện. Sự khử đơn giản là đảo ngược quá trình oxy hóa. Thí dụ, sự sản xuất pyrit trong các một trường thiếu oxy (anaerobic), chứa sulfur có thể kéo theo sự khử sắt ferric thành trạng thái ferrous.
Nước rất quan trọng trong nhiều phản ứng phân hủy như một dung môi (solvent) hay một chất tham gia phản ứng (reactant). Chẳng hạn, nước và các acid trong dung dịch nước là hai
tác nhân chính của sự hòa tan. Sự hòa tan (solution) là quá trình trong đó các vật chất dễ tan bị tan ra hoặc phân rã để giải phóng các ion. Phản ứng hòa tan tiêu biểu kéo theo sự phân hủy pyroxen như sau :
pyroxen + hydro + nước → các cation Mg,Fe,Ca + phân tử acid silic
Các phản ứng tương tự có thể được viết cho các silicat sắt-magnesi khác. Các ion Ca và Mg và các acid silic sinh ra trong phản ứng này có thể được dịch chuyển đi trong dung dịch nước, trong khi ion đó có thể oxy hóa hay thủy hóa, hoặc cả hai, và kết tủa như là hematit hoặc goethit. Tương tự, các khoáng vật cacbonat tan và cho ra các ion calci, các ion magnesi và các phân tử bicacbonat mà tất cả được vận chuyển trong dung dịch nước. Đặc biệt, dung dịch có thể làm tăng độ rỗng lên tới 40% trong đá gốc bị phong hóa. Điều đó cho phép dòng chất lưu lớn hơn và tăng sự phân hủy.
Nước cũng còn gây ra sự thủy hóa (hydration) và thủy phân (hydrolysis). Các phản ứng
thủy hóa là phản ứng mà trong đó nước kết hợp với thành phần khác để cho ra một pha mới.
Thí dụ, goethite được sinh ra từ hematit bởi phản ứng thủy hóa sau.
Trái lại, thủy phân là nói đến các phản ứng mà trong đó một sự dôi dư của H+ hoặc OH-
được sinh ra trong dung dịch kết hợp đó. Mặc dù các phản ứng này có thể được viết theo nhiều cách, nhưng các phản ứng thủy phân có thể được xem như là các phản ứng mà trong đó hydro thay thế cation khác trong cấu tạo khoáng vật. Do vậy, olivin phong hóa cho ra acid silic cộng với sắt và các ion magnesi qua phản ứng :
trong đó hydro thay thế Mg và Fe. Tương tự, các feldspat thủy phân qua các phản ứng như là :
và thủy hóa tức thời để tạo thành khoáng vật kaolinit :
Trong các môi trường địa chất, sự thành tạo chất keo và thay đổi cation cùng phụ thuộc vào nước. Các chất keo (colloids) là các vật chất bị chia tách trong trạng thái lơ lửng hay
huyền phù (suspension). Các bề mặt của các phân tử điển hình mang điện tích âm, nên hút
khác, chúng có thể trao đổi hydro được cầm giữ yếu với các ion ở vật liệu tiếp xúc. Và như vậy, các chất keo gây ra sự phân hủy.
Chelate là các hợp chất mà trong đó một cation kim loại được gắn kết với một cấu tạo
vòng. Sự tạo thành chelate (chelation) làm tăng sự phân hủy, nơi mà các chelate tạo thành bởi sự trích chiết một cation kim loại (ví dụ như silic, đồng) là quặng. Chelate cũng dung để bảo vệ ion kim loại khỏi phản ứng, để cho có khả năng hơn được chuyển đi trong dung dicjb so với được tái kết tủa ở chỗ phong hóa.
Mỗi một trong các quá trình phân hủy là một quá trình mà trong đó các khoáng vật không cân bằng ở mặt đất phản ứng để tạo thành các ion, các phân tử và các khoáng vật mới bền vững hơn trong các điều kiện ở mặt đất. Trong số các sản phẩm quan trong nhất của các
quá trình như thế là thạch anh, các khoáng vật sét, các oxyd sắt và các ion như Ca2+ và Mg2+.
Ba sản phẩm chính của phong hóa – các khoáng vật cacbonat được thành tạo từ Ca2+ và Mg2+,
các khoáng vật sét và thạch anh lẫn opal – được sản xuất với các lượng gần bằng nhau trong quá khứ 4,5 tỉ năm của lịch sử trái đất. Các sản phẩm phong hóa khác nói chung có ít hơn ba loại vật liệu đó.
Trong hoạt động phong hóa các nhà nghiên cứu nhận thấy các khoáng vật phổ biến có độ bền tương đối. Olivin, pyroxen và các feldspat plagioclas giàu Ca nằm trong số pha phong hoá dễ nhất, trong lúc thạch anh và muscovit ở trong nhóm khoáng vật sau cùng bị phong hoá. Dãy phong hoá đó sao chép lại loạt phản ứng Bowen. Các khoáng vật đầu tiên phong hoá là các khoáng vật tạo thành trước tiên trong kết tinh phân đoạn và các khoáng vật sau phong hoá là các khoáng vật thành tạo sau cùng. Các khoáng vật tạo trước được sinh ra ở các nhiệt độ cao nhất là nằm xa nhất từ trường bền vững của chúng trong khi chúng có mặt ở ngay hoặc ở gần mặt đất. Hơn nữa, các khoáng vật này chứa một hoặc nhiều hơn các nguyên tố natri, calci, kali và magnesi, các nguyên tố này mất sớm trong khi phong hoá các đá do dễ bị phá vỡ các mối liên kết ion mà chúng tạo thành với oxy trong các cấu tạo khoáng vật. Các nguyên tố tàn dư trong các đá bị phong hoá, như silic, nhôm và titan, tạo thành các liên kết đồng hoá trị với oxy nên khó bị phong hoá hơn.
2.2 Miền nguồn
Miền nguồn kiểm soát hàng đầu thành phần trầm tích. Các nhân tố miền nguồn kiểm soát các quá trình phong hoá và bản chất các trầm tích mà có thể được cung cấp cho bất kỳ tác nhân vận chuyển nào. Trong số các nhân tố này có địa hình và độ cao, khí hậu và thảm thực vật liên quan và thành phần đá gốc. Nói về thành phần đá gốc, dùng 1 thí dụ đơn giản, nếu chỉ các kết thạch anh lộ ở miền nguồn thì trầm tích trôi ra từ miền nguồn đó phải là giàu thạch anh. Nếu các đá ở miền nguồn giàu feldspat thì hoặc feldspat hoặc sét sẽ giàu trong trầm tích, phụ thuộc vào mức độ phong hoá của các kiểu đá ở các miền nguồn giới hạn các loại vật liệu sẽ có mặt trong trầm tích trôi ra từ miền nguồn đó.
Địa hình và độ cao miền nguồn sẽ ảnh hưởng đến (1) các vai trò tương đối của sự phân huỷ và phân rã (2) bản chất của sự vận chuyển. Địa hình, sự sai khác vế các độ cao trong một bồn xâm thực, kiểm soát tốc độ xâm thực. Nói chung, các vùng có địa hình cao, đặc biệt những nơi đang có hoạt động nâng cao, thì chịu sự xâm thực nhanh. Trái lại, những vùng nói chung bằng phẳng thì có tốc độ xâm thực thấp. Các vùng bằng phẳng nằm ở các mức cao cơ
sở địa phương là tạm ổn định có thế năng cực tiểu. Kết quả là, ở các vùng phẳng, cả sự bào mòn khối và thành phần xuống dưới của dòng chảy đều giảm, kéo theo sự giảm mức độ xâm thực xuống dưới và sự phân rã cảnh quan. Các quá trình phong hoá dần dà, đặc biệt là quá trình phân rã, có cơ hội vận hành trong thời gian dài.
Cùng với địa hình, độ cao của miền nguồn cũng quan trọng . Độ cao ảnh hưởng đến khí hậu, mà về phần mình lại ảnh hưởng đến các vai trò tương đối của sự phân huỷ và phân rã. Ở các độ cao lớn, đặc biệt ở các vĩ độ trung bình đến cao, nơi mà sự đóng băng và tan chảy là quan trọng, thì sự đóng nêm băng giá là quá trình phong chủ yếu. Sự bào mòn và mài mòn khối cũng quan trọng ở các môn trường đó. Như vậy, nơi nào địa hình cao thì sự phân rã xảy ra dễ dàng. Trái lại, ở các độ cao thấp, đặc biệt ở các vùng nhiệt đới có địa hình thấp, thì sự phân huỷ là kiểu phong hoá chính xảy ra.
Khí hậu và thảm thực vật cũng quan trọng. Các khí hậu lạnh làm giảm tốc độ phân huỷ và làm tăng sự phân rã. Các khí hậu ấm sinh ra hệ quả ngược lại. Tương tự, các khí hậu khô làm giảm vai trò phân huỷ, trong khi các khí hậu ẩm thì sự phân rã được tăng cường. Thêm nữa, thảm thực vật phong phú hơn ở các khí hậu nóng ẩm so với các khí hậu lạnh và khô. Thảm thực vật sản sinh ra các acid hữu cơ và các hợp chất khá làm tăng sự phân huỷ.
2.3 Các sản phẩm phong hoá
Căn cứ vào các giới hạn được áp đặt bởi miền nguồn và khí hậu, quá trình phong hoá sẽ cho ra các sản phẩm phong hoá khác nhau. Các sản phẩm này được tổng kết ở bảng 3.1.
Bảng 3.1 các sản phẩm phong hoá của các khoáng vật phổ biến
Các khoáng vật phổ biến trong đá Các sản phẩm phong hoá
Thạch anh Thạch anh, silic không hoà tan
Feldspat Sét, ion Ca, Na, K, silic không tan
Mica trắng Sét, ion Ca, Na, K, silic không tan, gibbsit
Biotit Sét, ion K, Mg, Fe, silic không tan, oxyd sắt
Amphibol Oxyd sắt, ion Na, Ca, Fe, Mg, sét, silic không
tan
Pyroxen Oxyd sắt, ion Ca, Fe, Mg, sét, silic không tan
Olivin Oxyd sắt, ion Fe, Mg, sét, silic không tan
Granat Ion Ca, Mg, Fe, sét, oxyd sắt, silic không tan
Silicat Al Sét, silic, gibbsit
Magnetit Hematit, goethit, limonit
Calcit Ion Ca, HCO3-
Dolomit Ion Ca, Mg, HCO3-
Carbonat sắt Ion Ca, Mg, Fe HCO3-
Chú ý rằng thạch anh tương đối không hoà tan, cộng với sét bền vững cùng với các oxyd và các hydrat sắt là các vật liệu tàn dư chính còn lại trong đất có nguồn gốc từ đá bị phân huỷ cao. Acid silic và các cation kim loại khác nhau, bao gồm Ca, Mg, Fe, Mn, Na, K và P sẽ chuyển đi khỏi đá phong hoá trong các dung dịch nước ngầm và nước mặt.
Ở các vùng địa hình cao,sự xâm thực nhanh và sự phân rã đáng kể thì các mảnh đá và các hạt khoáng vật không bền sẽ là một phần của đất và sẽ bị xâm thực từ đá gốc để cung cấp trầm tích bổ sung cho vận chuyển và tích đọng.Ở các vùng địa hình thấp và xâm thực
chậm,nơi mà sự phân hủy kéo dài là loại phong hóa chính xảy ra,thì chỉ các vật liệu khó hòa tan nhất và bền vững về hóa học sẽ còn lại trong đất để trở thành một phần của trầm tích lấy từ miền nguồn ra.Mối quan hệ đó giữa bản chất miền nguồn và kiểu trầm tích dĩ nhiên là cực kì có giá trị trong việc giải đoán lịch sử các đá trầm tích.