Chu trình thạch học

Chu trình thạch học là một quan điểm quan trọng trong địa chất học, nó mô tả mối quan hệ giữa đá mácma, đá trầm tích, đá biến chất và mác ma. Khi đá kết tinh từ dạng nóng chảy thì gọi là đá mác ma. Loại đá này sau đó hoặc bị bào mòn và tái lắng đọng để tạo thành đá trầm tích hoặc bị biến đổi thành đá biến chất bởi nhiệt độ và áp suất. Đá trầm tích có thể sau đó bị biến đổi thành đá biến chất bởi nhiệt độ và áp suất, và đá biến chất có thể bị phong hóa, bào mòn, lắng đọng và hóa đá để trở thành đá trầm tích. Tất cả các loại đá này có thể bị tái nóng chảy và tạo thành mác ma mới, rồi mác ma này chúng có thể kết tinh để tạo ra đá mác ma một lần nữa. Chu trình này được thể hiện rõ nét bởi các yếu tố động lực liên quan đến học thuyết kiến tạo mảng.

Kiến tạo mảng

Sự hút chìm của vỏ đại dương (1) và vỏ lục địa (4) tạo ra đới hút chìm và vòng cung núi lửa (5), minh họa cho tác động của kiến tạo mảng.

Vào thập niên 1960, một phát hiện quan trọng nhất đó là sự tách giãn đáy đại dương[11][12]. Theo đó, thạch quyển của Trái Đất bao gồm vỏ và phần trên cùng của manti trên, bị chia tách thành các mảng kiến tạo và di chuyển trên manti trên ở dạng rắn, dẻo, dễ biến dạng hay trên quyển astheno. Đây là sự chuyển động cặp đôi giữa các mảng trên mặt và dòng đối lưu manti: sự di chuyển mảng và các dùng đối lưu manti lúc nào cũng cùng hướng. Sự dịch chuyển cặp đôi của các mảng trên bề mặt của Trái Đất và dòng đối lưu manti được gọi là kiến tạo mảng.

Sự phát triển của kiến tạo địa tầng cung cấp những kiến thức vật lý cơ bản cho việc quan sát Trái Đất rắn. Các khu khực dạng tuyến kéo dài trên Trái Đất có thể được giải thích đó là ranh giới giữa các mảng.[13] Các sống núi giữa đại dương, là các khu vực cao trong đáy biển, tại đây tồn tại các quá trình thủy nhiệt và hoạt động núi lửa cũng được giải thích đó là ranh giới tách giãn. Các vòng cung núi lửa và các trận động đất cũng được giải thích đó là ranh giới hội tụ, nơi mà một mảng bị hút chìm dưới một mảng. Ranh giới biến dạng, như hệ thống đứt gãy San Andreas, tạo ra các trận động đất mạnh và thường xuyên. Kiến tạo địa tầng cũng góp phần làm sáng tỏ cơ chế thuyết trôi dạt lục địa của Alfred Wegener[14], theo đó, các lục địa di chuyển trên mặt Trái Đất trong suốt thời gian địa chất. Kiến tạo địa tầng cũng nêu ra các tự tác động làm biến dạng và trạng thái mới của vỏ Trái Đất trong việc nghiên cứu địa chất cấu tạo. Điểm mạnh của thuyết kiến tạo địa tầng là hợp thức hóa việc kết hợp các học thuyết riêng lẻ về cách thức mà thạch quyển di chuyển trên các dòng đối lưu của manti.

Dựa trên học thuyết này, hiện tại, người ta đã làm rõ được lịch sử phát triển địa chất Trái Đất nói chung và địa chất khu vực nói riêng.

Tiến hóa địa chất khu vực

Các lớp đá trầm tích nguyên thủy bị ảnh hưởng bởi hoạt động mácma. Bên dưới bề mặt là lò mácma (13) và các thể xâm nhập lớn (12,14). Lò mácma cung cấp mácma cho núi lửa (1), và kết tinh thành các đê (10) và sàng (8,9). Mácma cũng dâng lên tạo thành các dạng đá xâm nhập (11). Sơ đồ minh họa của nón núi lửa phun tro (3) và núi lửa hỗn hợp (1) phun cả dung nham và tro (2).

Tiến hóa địa chất khu vực là sự hình thành các loại đá trong một khu vực tuân theo chu trình thạch học và các quá trình tác động lên chúng làm chúng bị biến dạng và thay đổi vị trí. Sự biến đổi đổi này được thể hiện bởi các dấu vết được lưu lại trên các đơn vị địa chất.

Các đơn vị đá đầu tiên được hình thành hoặc bởi sự tích tụ trên bề mặt hoặc xâm nhập vào trong các lớp đá khác. Sự tích tụ có thể xảy ra khi trầm tích lắng đọng trên bề mặt Trái Đất và sau đó hóa đá tạo thành đá trầm tích, hoặc khi vật liệu núi lửa như tro núi lửa hoặc các dòng dung nham phủ lên bề mặt. Đá xâm nhập như batholith, laccolith, đê, và sàng, xâm nhập vào các đá, và kết tinh tại đó.

Hình minh họa ba loại đứt gãy (phay). (1) Đứt gãy ngang (bình đoạn tầng), (2) Đứt gãy thuận (phay thuận) và (3) Đứt gãy nghịch (phay nghịch).Sơ đồ minh họa các nếp uốn, gồm (1) trục nếp uốn, (2) nếp uốn lồi và (3) nếp uốn lõm.Mặt cắt địa chất của Núi Kittatinny. Mặt cắt này hiển thị các đá biến chất, bị phủ bởi các đá trầm tích trẻ hơn sau khi biến chất xảy ra. Các đá này sau đó bị uốn nếp và đứt gãy trong quá trình nâng lên thành núi.

Sau khi một chuỗi các đá ban đầu được tạo ra, các đá này có thể bị biến dạng và biến chất. Sự biến dạng tạo ra bởi sự căng giãn, sự nén ép, hoặc bình đoạn tầng (phay ngang). Các cơ chế này liên quan đến các ranh giới hội tụ, ranh giới phân kỳ, và ranh giới chuyển dạng giữa các mảng kiến tạo.

Khi đá chịu tác động bởi lực nén ngang, chúng trở nên ngắn và dày hơn. Bởi vì các đá ít bị biến dạng về thể tích, và ứng xử theo hai cách là tạo thành đứt gãy và uốn nếp. Trong các phần nông của vỏ Trái Đất, thường xảy ra biến dạng giòn, hình thành các đứt gãy nghịch, đây là trường hợp các đá ở sâu di chuyển lên trên các đá ở trên. Các đá ở sâu thường cổ hơn, theo nguyên tắc chồng lớp, lại di chuyển lên nằm trên các đá trẻ hơn. Sự dịch chuyển dọc theo đứt gãy có thể tạo ra nếp uốn, hoặc do các đứt gãy không có mặt phẳng, hoặc do các lớp đá trượt dọc theo nó, tạo thành các nếp uốn kéo, khi trượt xuất hiện dọc theo đứt gãy. Các đá nằm sâu hơn trong lòng đất thì có ứng xử như vật liệu dẻo, và tạo ra nếp uốn thay vì đứt gãy. Các nếp uốn này có thể hoặc là nếp uốn lồi nếu lõ của nếp uốn trồi lên hoặc nếp uốn lõm khi lõi bị hạ thấp. Nếu một số phần của nếp uốn bị sụt xuống, thì cấu trúc này được gọi là nếp lồi đảo hoặc nếp lõm đảo.

Khi đá chịu nép ép ở nhiệt độ và áp suất cao hơn có thể gây uốn nếp và biến chất đá. Sự biến chất có thể làm thay đổi thành phần khoáng vật của đá; sự phân phiến liên quan đến các khoáng vật được phát triển khi chịu nén; và vó thể làm mất đi cấu tạo ban đầu của đá, như đá gốc trong đá trầm tích, dạng dòng chảy của dung nham, và cấu tạo kết tinh của đá kết tinh.

Căng giãn làm cho các đá trở nên dài và mỏng hơn, và thường tạo ra các đứt gãy thuận. Sự căng giãn làm các đá mỏng hơn: như ở vùng nếp uốn và đai đứt gãy nghịch Maria, được cấu tạo toàn bộ là trầm tích của Grand Canyon có thể quan sát được chiều dài nhỏ hơn 1m. Các đá ở độ sâu dễ bị kéo giãn cũng thường bị biến chất. Các đá bị kéo giãn cũng có thể tạo thành dạng thấu kính, được gọi là boudin, sau này tiếng Pháp gọi là "xúc xích", vì chúng nhìn giống nhau.

Khi các đá bị dịch chuyển tương đối nhau theo mặt phẳng thì gọi là đứt gãy ngang, các đứt gãy này phát triển trong các khu vực nông, và trong đới cắt ở sâu hơn khi đá bị biến dạng dẻo.

Khi các đá mới hình thành, cả tích tụ và xâm nhập, thường tạo ra sự biến dạng. Khi đó sẽ thình thành các đứt gãy và gây ra các biến dạng khác làm cho địa hình phân dị, từ đó xuất hiện sự xâm thực, bào mòn dọc theo sườn và các dòng chảy. Quá trình này tạo ra các trầm tích, và sau đó chúng được lắng đọng và nhấn chìm. Trong trường hợp sự dịch chuyển dọc theo đứt gãy diễn ra liên tục sẽ duy trì sự gia tăng gradient địa hình một cách liên tục và tiếp tục tạo ra các khoảng không gian cho trầm tích lắng đọng. Các sự kiện biến dạng thường liên quan đến các hoạt động xâm nhập và núi lửa. Tro núi lửa và dung nham lắng đọng trên bề mặt, còn sự xâm nhập thì tạo thành các đá nằm bên dưới mặt đất. Ví dụ như xâm nhập kiểu đê là sự xâm nhập theo mặt phẳng thẳng đứng và kéo dài, và thường gây ra các biến dạng trên quy mô rộng lớn. Loại này có thể quan sát ở khiên Canada, hay vòng đê xung quanh ống dung nham núi lửa.

Tất cả các quá trình này không nhất thiết phải xảy ra trong một môi trường, và không xuất hiện riêng lẻ. Quần đảo Hawaii, là một ví dụ gồm hầu hết là dung nham bazan. Các loạt trầm tích giữa lục địa ở Hoa Kỳ và vùng Grand Canyon ở tây nam Hoa Kỳ còn sót lại các ống khói bằng đá trầm tích hầu như không bị biến dạng có tuổi Cambri. Các khu vực khác có đặc điểm địa chất phức tạp hơn: ở vùng tây nam Hoa Kỳ, các đá trầm tích, đá núi lửa và đá xâm nhập đều bị biến chất, đứt gãy, và uốn nếp. Thậm chí các đá có tuổi cổ hơn như đá gơnai Acasta thuộc nền cổ Slav ở tây bắc Canada, đá cổ nhất trên thế giới đã bị biến chất tại điểm mà nguồn gốc của nó không thể nhận ra được bằng các phân tích trong phòng thí nghiệm. Thêm vào đó, các quá trình này có thể xảy ra trong nhiều giai đoạn. Ở một vài nơi, Grand Canyon ở tây nam Hoa Kỳ là một ví dụ đơn giản nhất, các đá nằm bên đưới bị biến chất và biến dạng, và sau đó sự biến dạng kết thúc; còn phần trên, các đá không bị biến dạng thì được tích tụ. Mặc dù số lượng các đá được thay thế và biến dạng có thể xảy ra và chúng có thể xuất hiện nhiều lần, thì các khái niệm này vẫn cung cấp những hiểu biết về lịch sử của một khu vực...