Hoạt động thủy nhiệt trong vỏ đại dương

CH¦¥NG 5 HO¹T §éNG THñY NHIÖT TRONG Vá §¹I D¦¥NG Sù ph¸t hiÖn ra c¸c häng phun n­íc nãng trªn ®¸y ®¹i d­¬ng vµo nh÷ng n¨m 1970 ®­îc xem lµ mét trong nh÷ng sù kiÖn khoa häc thó vÞ trong lÞch sö nghiªn cøu ®¹i d­¬ng. §ã lµ khung c¶nh Ên t­îng cña nh÷ng cét “khãi ®en” (h×nh 5.1) n»m trªn ®¸y biÓn, n¬i mµ c¸c giÕng n­íc nãng cã nhiÖt ®é tõ 350oC hoÆc lín h¬n phun lªn thµnh nh÷ng lµn “khãi” dµy ®Æc, cã mµu ®en do chøa c¸c h¹t mÞn sunfua kim lo¹i. ë nhiÖt ®é thÊp h¬n (30 - 330oC), nh÷ng lµn khãi nµy chuyÓn sang mµu tr¾ng do sù cã mÆt cña c¸c h¹t bari sunfat vµ ®­îc gäi cét “khãi tr¾ng”. Ýt g©y chó ý h¬n, nh­ng cã ý nghÜa kh«ng kÐm phÇn quan träng lµ sù hiÖn diÖn cña nh÷ng m¹ch phun trµo n­íc Êm víi nhiÖt ®é dao ®éng tõ 10- 20oC trªn nÒn nhiÖt ®é n­íc vïng ®¸y biÓn bao quanh 2-3 oC. Sù ph¸t triÓn cña c¸c m¹ch phun trµo n­íc nãng ®· t¹o ra mét hÖ thèng sinh th¸i kh¸c th­êng (h×nh 5.2), trong ®ã nguån n¨ng suÊt nguyªn sinh lµm c¬ së h×nh thµnh l­íi thøc ¨n ®Þa ph­¬ng trong m«i tr­êng nµy kh«ng phô thuéc vµo quang hîp mµ phô thuéc vµo ho¹t ®éng cña c¸c vi khuÈn cã kh¶ n¨ng tæng hîp hãa häc nhê hÊp thô n¨ng l­îng b»ng qóa tr×nh ü«y hãa c¸c hîp chÊt sunfua tõ giÕng phun. Sau khi vá ®¹i d­¬ng võa h×nh thµnh tõ qóa tr×nh phun trµo vµ cßn nãng ch¶y, n­íc biÓn cã thÓ x©m nhËp vµ l­u th«ng tuÇn hoµn qua c¸c tÇng ®¸ phun trµo vµ t¹o ra qóa tr×nh thñy nhiÖt. HiÖn t­îng nµy kh«ng thÓ coi lµ b×nh th­êng bëi gÇn mét phÇn ba ®¸y biÓn vµ ®¹i d­¬ng trªn thÕ giíi ®Òu xuÊt hiÖn hÖ thèng ho¹t ®éng thñy nhiÖt n­íc biÓn. Víi tèc ®é l­u th«ng trung b×nh cña mçi giät n­íc trong 1,4 tØ km3 n­íc biÓn qua vá ®¹i d­¬ng lµ vµi triÖu n¨m th× ®ñ thêi gian ®Ó x¶y ra sù trao ®æi nguyªn tè hãa häc gi÷a n­íc biÓn vµ bazan nãng ch¶y trªn quy m« lín. Cã thÓ nãi vá ®¹i d­¬ng lµ m«i tr­êng ®Öm chøa c¸c thµnh phÇn hãa häc cña ®¹i d­¬ng vµ lµ nguån duy nhÊt cung cÊp mét sè nguyªn tè hãa häc cã trong thµnh phÇn n­íc biÓn. Sù h×nh thµnh c¸c tÝch tô sunfua kim lo¹i do ho¹t ®éng phun trµo cña dung dÞch thñy nhiÖt trong lßng ®¹i d­¬ng lµ mét trong nh÷ng c¬ chÕ sinh quÆng chÝnh cña Tr¸i ®Êt. Nh÷ng má quÆng sunfÝt n»m trong phøc hÖ ophiolit ®­îc t×m thÊy trªn ®¶o SÝp vµ Newfoundland (mét ®¶o biÓn ngoµi kh¬i phÝa ®«ng nam Canada) lµ kiÓu quÆng ph¸t triÓn theo c¬ chÕ nµy. H×nh 5.1: H×nh ¶nh mét cét “khãi ®en” xuÊt hiÖn trong vïng ®íi trôc khu vùc sèng nói ®«ng Th¸i B×nh D­¬ng. Sù biÕn ®æi vÒ thµnh phÇn hãa häc vµ nhiÖt ®é cña dung dÞch ®­îc phun lªn tõ ®¸y biÓn víi nhiÖt ®é 3500C khi tiÕp xóc víi n­íc biÓn l¹nh bao quanh ë tÇng ®¸y ®· lµm c¸c h¹t sunfua kim lo¹i bÞ kÕt tña nhanh chãng vµ r¬i xuèng chång chÊt quanh miÖng phun trµo t¹o thµnh èng khãi víi sù tho¸t ra liªn tôc cña mét lµn “khãi ®en” dµy ®Æc. §­êng kÝnh häng tho¸t kho¶ng 20cm Tr­íc khi ph¸t hiÖn ra nh÷ng häng phun trµo nhiÖt dÞch ®Çu tiªn trªn ®¸y ®¹i d­¬ng, c¸c nhµ nghiªn cøu ®· tõng nghÜ ®Õn sù cã mÆt cña chu tr×nh thñy nhiÖt trong líp vá ®¹i d­¬ng t¹i vïng trôc sèng nói tõ nhiÒu n¨m tr­íc khi hä t×m thÊy mét hÖ thèng ho¹t ®éng t­¬ng tù t¹i c¸c vïng nói löa trªn ®Êt liÒn vµo gi÷a nh÷ng n¨m 1960. Trªn thùc tÕ, c¸c vïng trôc sèng nói ®· ®­îc c«ng nhËn lµ mét trong nh÷ng ®íi ho¹t ®éng nói löa trªn tr¸i ®Êt nªn kh¶ n¨ng xuÊt hiÖn c¸c ho¹t ®éng nhiÖt dÞch trong líp vá n»m bªn d­íi lµ rÊt tù nhiªn. Nh÷ng b»ng chøng cô thÓ cho kÕt qña suy luËn nµy lµ ®· ®­îc t×m thÊy ë Iceland (h×nh 5.3), n¬i cã sù ho¹t ®éng thùc sù cña c¸c m¹ch n­íc nãng vµ häng phun trµo nhiÖt dÞch ë hai bªn d¶i sèng nói gi÷a §¹i T©y D­¬ng (h×nh 4.22). Cïng kho¶ng thêi gian nµy, kÕt qu¶ ph©n tÝch hãa häc c¸c mÉu trÇm tÝch ®¸y biÓn còng cho thÊy sù t¨ng dÇn cña hµm l­îng s¾t, mangan vµ mét sè kim lo¹i kh¸c (nh­ Ag, Cr, Pb, Zn) trong trÇm tÝch vÒ phÝa trôc sèng nói (h×nh 5.4). Nh­ vËy, râ rµng lµ nguån cung cÊp c¸c nguyªn tè kim lo¹i nµy ph¶i ®­îc h×nh thµnh ngay trªn ®¸y biÓn vµ chÝnh c¸c ho¹t ®éng cña dßng thñy nhiÖt nãng lµ nguån gèc sinh ra chóng . H×nh 5.2: H×nh ¶nh nh÷ng sinh vËt h×nh èng lµ c­ d©n chÝnh cña hÖ sinh th¸i ®Æc tr­ng cho khu vùc bao quanh c¸c häng phun trµo nhiÖt dÞch. §©y lµ nh÷ng sinh vËt cã mµu ®á sèng trong líp vá bao bäc h×nh èng b»ng chÊt chitin víi chiÒu dµi cã thÓ tíi vµi mÐt. Loµi sinh vËt nµy kh«ng cã d¹ dµy, nh÷ng cã thÓ hÊp thô dinh d­ìng trùc tiÕp tõ n­íc biÓn. Loµi gi¸p x¸c nhá quan s¸t thÊy trong ¶nh kh«ng cã m¾t bëi hè m¾t cña chóng ®· bÞ biÕn ®æi thÝch øng víi m«i tr­êng thµnh cµng n¹o ®Ó ®µo bíi c¸c vi sinh vËt b¸m phñ trªn th©n cña sinh vËt èng lµm thøc ¨n KÕt qu¶ ph©n tÝch c¸c mÉu ®Êt ®¸ bazan vïng trôc sèng nói ®· cho thªm nh÷ng b»ng chøng kh¸c. §ã lµ c¸c dÊu vÕt biÕn ®æi, biÕn chÊt cña ®Êt ®¸ liªn quan ®Õn qóa tr×nh t­¬ng t¸c víi n­íc biÓn nãng trong nhiÒu mÉu. Ngoµi ra, c¸c nghiªn cøu vÒ phøc hÖ ophiolit cã chøa quÆng ®· cho thÊy sù x©m nhËp s©u cña mét khèi n­íc biÓn lín vµo vá ®¹i d­¬ng tíi h¬n 5km vµ l­u th«ng tuÇn hoµn trong ®ã víi nhiÖt ®é cao. H×nh 5.3: Ho¹t ®éng cña mét m¹ch phun trµo nhiÖt dÞch ë Iceland. N­íc nãng vµ h¬i n­íc ®­îc phun lªn d÷ déi vµ gÇn nh­ liªn tôc tõ c¸c miÖng tho¸t nhá. H×nh 5.4: B¶n ®å (®­îc thµnh lËp vµo nh÷ng n¨m 1960) biÓu diÔn tØ lÖ hµm l­îng t­¬ng quan gi÷a c¸c nguyªn tè Al, Fe vµ Mn so víi Al trong tÇng trÇm tÝch mÆt trªn ®¸y ®¹i d­¬ng. TØ lÖ nµy gi¶m dÇn theo kho¶ng c¸ch xa dÇn trôc sèng nói v× Al lµ hîp phÇn chÝnh cña c¸c kho¸ng vËt sÐt, ®ã lµ mét trong nh÷ng kho¸ng vËt cã mÆt trong trÇm tÝch biÓn s©u vµ nguån cung cÊp Al chñ yÕu cho ®¹i d­¬ng chÝnh lµ c¸c qóa tr×nh phong hãa trªn lôc ®Þa. Tr¸i l¹i, Fe vµ Mn lµ hai nguyªn tè ®­îc h×nh thµnh t¹i chç trªn ®¸y ®¹i d­¬ng tõ c¸c qóa tr×nh ho¹t ®éng thñy nhiÖt gÇn trôc sèng nói 5.1. B¶N CHÊT CñA qóa tr×nh thñy nhiÖt C¸c hÖ thèng thñy nhiÖt cã hai ®Æc tr­ng c¬ b¶n: thø nhÊt, chóng th­êng xuÊt hiÖn t¹i c¸c khu vùc cã gradien ®Þa nhiÖt cao do tÇng ®¸ nãng ch¶y n»m gÇn s¸t bÒ mÆt ®¸y ®¹i d­¬ng vµ cã mét “hÖ thèng m¹ng l­íi” khe nøt trong líp vá cho phÐp n­íc biÓn l¹nh cã thÓ thÈm thÊu xuèng c¸c tÇng ®¸ bªn d­íi vµ råi sau ®ã d©ng tråi ng­îc trë l¹i bÒ mÆt ®¸y d­íi d¹ng n­íc nãng. Thø hai, qóa tr×nh x©m nhËp cña n­íc biÓn qua lç hæng, khe hë vµ c¸c vÕt r¹n nøt trong líp vá b»ng con ®­êng thÈm thÊu th­êng diÔn ra trªn diÖn réng trong khi qóa tr×nh d©ng tråi ng­îc l¹i chØ tËp trung qua mét sè kªnh tho¸t h÷u h¹n khiÕn qóa tr×nh phun trµo diÔn ra m¹nh mÏ (h×nh 5.5). H×nh 5.5: S¬ ®å mÆt c¾t qua mét vïng trôc t¸ch d·n th­êng minh häa ho¹t ®éng ®èi l­u cña c¸c dßng thñy nhiÖt trong líp vá ®¹i d­¬ng. H­íng c¸c mòi tªn cho thÊy qóa tr×nh thÈm thÊu vµ x©m nhËp cña n­íc biÓn lan táa trªn diÖn réng trong khi qóa tr×nh trôc xuÊt nã ra khái líp vá chØ giíi h¹n trong hÖ thèng chïm tia m¹ch lan táa hÑp. Ho¹t ®éng cña qóa tr×nh nµy dÉn ®Õn sù h×nh thµnh cña c¸c má kho¸ng vËt trªn bÒ mÆt vµ trong líp vá biÓu hiÖn qua sù tËp trung cao cña c¸c trÇm tÝch giµu kim lo¹i t¹i vïng trôc sèng nói nh­ trªn h×nh 5.4. Kh¸i niÖm “quÆng x©m t¸n” sÏ ®­îc gi¶i thÝch trong môc 5.3.1 Sù kh¸c nhau chÝnh gi÷a hÖ thèng thñy nhiÖt x¶y ra trong ®¹i d­¬ng vµ trªn lôc ®Þa lµ ë chç nã ph¶i chÞu ¸p lùc thñy tÜnh cao khi diÔn ra trong vá d¹i d­¬ng do søc nÆng cña tÇng n­íc biÓn dÇy hµng ngh×n mÐt ®Ì lªn, trong khi trªn lôc ®Þa nã chØ ph¶i chÞu ¸p suÊt khÝ quyÓn. Trªn quy m« toµn cÇu, ho¹t ®éng cña c¸c dßng thñy nhiÖt trong ®¹i d­¬ng quan träng h¬n nhiÒu so víi ho¹t ®éng thñy nhiÖt trªn lôc ®Þa v× hai lý do. Thø nhÊt nã xuÊt hiÖn däc theo toµn bé chiÒu dµi cña hÖ thèng trôc sèng nói ®¹i d­¬ng vµ ph¸t triÓn réng ra hai bªn s­ên, ho¹t ®éng cña nã gÇn nh­ kh«ng ngõng nghØ v× sù sinh thµnh cña vá ®¹i d­¬ng míi diÔn ra gÇn nh­ liªn tôc trong suèt lÞch sö ®Þa chÊt. Thø hai, nhiÖt ®é cña c¸c dßng thñy nhiÖt vµ tèc ®é phun trµo cña nã cao h¬n nhiÒu so víi hÖ thèng thñy nhiÖt x¶y ra trªn lôc ®Þa. 5.1.1. Dßng nhiÖt, qóa tr×nh ®èi l­u vµ thÈm thÊu Ranh giíi d­íi cña líp vá ®¹i d­¬ng cã nhiÖt ®é cao h¬n ranh giíi trªn, do sù tiÕp xóc víi n­íc biÓn vµ trÇm tÝch ­ít nªn bÒ mÆt ranh giíi trªn chØ kho¶ng vµi ®é trªn OoC. Sù chªnh lÖch nhiÖt ®é nµy ®Æc biÖt râ nÐt ë nh÷ng vïng gÇn trôc sèng nói ®ang ho¹t ®éng, n¬i cã sù xuÊt hiÖn cña c¸c lß macma nãng (th­êng trªn 900oC, trõ khi bÞ kÕt tinh hoµn toµn) n»m bªn d­íi, nh­ng kh«ng cã sù che phñ cña tÇng trÇm tÝch mÆt hoÆc rÊt Ýt. NhiÖt ®é tho¸t ra tõ phÇn vá nãng sÏ ph¶i lan tíi phÇn vá l¹nh vµ qóa tr×nh nµy diÔn ra theo hai ph­¬ng thøc: truyÒn dÉn do qóa tr×nh khuÕch t¸n nhiÖt lªn trªn hoÆc ®èi l­u theo qóa tr×nh chuyÓn ®éng cña khèi n­íc tøc lµ qua chu tr×nh thñy nhiÖt. VËy theo ph­¬ng thøc nµo sÏ quan träng h¬n? Sù chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a bÒ mÆt trªn vµ bÒ mÆt d­íi cña líp vá sÏ gi¶m dÇn theo sù nguéi l¹nh cña líp th¹ch quyÓn khi xa rêi trôc sèng nói ho¹t ®éng. Nh­ b¹n ®· biÕt, qóa tr×nh co xÑp cña th¹ch quyÓn do mÊt nhiÖt ®· dÉn tíi mèi t­¬ng gi÷a tuæi- ®é s©u cña ®¸y biÓn theo hµm sè mò (h×nh 2.13). NÕu xÐt vÒ lý thuyÕt, mét mèi t­¬ng quan t­¬ng tù gi÷a tuæi vµ tèc ®é mÊt nhiÖt cña vá ®¹i d­¬ng còng cã thÓ ®­îc x©y dùng nÕu gi¶ thiÕt sù mÊt nhiÖt chñ yÕu lµ do truyÒn dÉn, tøc lµ qóa tr×nh khuyÕch t¸n nhiÖt qua líp vá cøng. H×nh 5.6: §å thÞ biÓu diÔn mèi t­¬ng quan gi÷a dßng nhiÖt (tèc ®é mÊt nhiÖt trªn ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt ®¸y) vµ tuæi cña líp vá ®¸y ®¹i d­¬ng trªn thÕ giíi theo lý thuyÕt vµ ®o ®¹c thùc tÕ. C¸c chÊm nhá t¹i t©m ®iÓm giao nhau h×nh dÊu céng lµ c¸c gi¸ trÞ dßng nhiÖt trung b×nh trong khu vùc theo tØ lÖ kho¶ng c¸ch tuæi trªn trôc hoµnh. ChiÒu cao cña c¸c thanh ®øng biÓu diÔn ®é lÖch chuÈn so víi c¸c kÕt qña ®o ®¹c trung b×nh trªn thùc tÕ. §­êng cong ®øt ®o¹n thÓ hiÖn hµm suy gi¶m dßng nhiÖt theo møc ®é xa dÇn trôc sèng nói theo lý thuyÕt víi gi¶ thiÕt qóa tr×nh mÊt nhiÖt chñ yÕu lµ do truyÒn dÉn. Vïng mµu ®en thÓ hiÖn l­îng nhiÖt bÞ mÊt do c¸c qóa tr×nh kh¸c mµ kh«ng thÓ ®o ®­îc b»ng thiÕt bÞ. KÕt qña ®o ®¹c dßng nhiÖt truyÒn dÉn (tèc ®é mÊt nhiÖt trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt) ®­îc thùc hiÖn b»ng c¸ch ®­a c¸c dông cô ®o nhiÖt c¶m øng vµo trong tÇng trÇm tÝch n»m che phñ trªn tÇng ®¸ x©m nhËp phun trµo. H×nh 5.6 biÓu diÔn c¸c biÕn thiªn cña dßng nhiÖt truyÒn dÉn trªn ®¸y ®¹i d­¬ng theo kÕt qña tÝnh to¸n lý thuyÕt vµ ®o ®¹c trùc tiÕp. C©u hái 5.1 (a) Theo kÕt qña tÝnh to¸n lý thuyÕt, t¹i c¸c vïng sèng nói cã mét dÞ th­êng nhiÖt truyÒn dÉn lín. VËy, nh÷ng kÕt qña ®o ®¹c cã x¸c nhËn ®iÒu nµy kh«ng? (b) Vïng mµu ®en trªn h×nh 5.6 cã ý nghÜa nh­ thÕ nµo? (c) §å thÞ ®­êng cong trªn h×nh 5.6 cã g× gièng víi ®å thÞ ®­êng cong trªn h×nh 2.13? (d) H×nh 5.6 cã ý nghÜa nh­ thÕ nµo ®èi víi nhËn ®Þnh ë ®Çu ch­¬ng r»ng kho¶ng mét phÇn ba ®¸y ®¹i d­¬ng cã hÖ thèng thuû nhiÖt ho¹t ®éng bªn d­íi? NhËn ®Þnh vÒ “l­îng nhiÖt thÊt tho¸t b»ng ph­¬ng thøc kh¸c” qua c©u hái 5.1 ®· cung cÊp cho c¸c nhµ khoa häc biÓn b»ng chøng nhÊt qu¸n vÒ sù cã mÆt cña chu tr×nh thñy nhiÖt trong líp vá ®¹i d­¬ng trªn quy m« lín, khi mµ nã vÉn cßn n»m trong sù pháng ®o¸n kÐo dµi tíi tËn ®Çu nh÷ng n¨m 1970. Cã hai ®iÒu kiÖn quan träng nhÊt ®Ó qóa tr×nh truyÒn nhiÖt ®èi l­u x¶y ra lµ gradien ®Þa nhiÖt ph¶i ®ñ lín ®Ó th¾ng ®­îc c¸c lùc c¶n tù nhiªn trong chuyÓn ®éng cña chÊt láng vµ bªn trong líp vá ph¶i cã sù ph¸t triÓn cña c¸c khe nøt ®Ó n­íc biÓn cã kh¶ n¨ng l­u th«ng trong ®ã- hay nãi c¸ch kh¸c, c¸c lo¹i ®¸ trong cÊu tróc líp vá ph¶i cã tÝnh chÊt thÈm thÊu. Nh÷ng yÕu tè nµo ®· gióp cho vá ®¹i d­¬ng cã tÝnh thÈm thÊu ®Ó n­íc biÓn cã thÓ l­u th«ng trong nã? DÜ nhiªn, ®ã chÝnh lµ nh÷ng ®øt g·y lín vµ khe nøt, nh­ng còng cã thÓ lµ c¸c vÕt r¹n nøt xuÊt hiÖn trong ®¸, ch¼ng h¹n nh­ c¸c thí chÎ trong dung nham lava d¹ng gèi hay nh÷ng kho¶ng trèng gi÷a c¸c gèi dung nham vµ c¸c “m¶nh vôn” trong tÇng ®Þa chÊn 2A vµ nh÷ng khe nøt n»m bªn trong vµ gi÷a c¸c v¸ch dung nham d¹ng dyke. §é thÈm thÊu cña líp vá n»m gÇn c¸c trôc t¸ch d·n ho¹t ®éng th­êng lµ lín nhÊt do qóa tr×nh nguéi l¹nh cña c¸c ®¸ phun trµo nãng ch¶y trong líp vá ®· sinh ra nhiÒu khe nøt míi. C¸c khe nøt nµy sÏ dÇn bÞ lÊp ®Çy bëi sù kÕt tña cña c¸c kho¸ng vËt tõ dung dÞch ®ang l­u th«ng trong líp vá khi líp th¹ch quyÓn míi bÞ ®Èy ra xa trôc t¸ch d·n, ®ång thêi lµ sù xuÊt hiÖn cña c¸c qóa tr×nh l¾ng däng trÇm tÝch trªn bÒ mÆt khiÕn líp vá ngµy cµng dÇy h¬n vµ theo ®ã, ®é thÈm thÊu cña nã còng v× thÕ mµ bÞ gi¶m dÇn. 5.2. Nh÷ng BIÕN §æI HãA HäC trong qóa tr×nh THñY NHIÖT §Ó cã thÓ t×m hiÓu râ qóa tr×nh ho¹t ®éng cña dßng ®èi l­u n­íc biÓn trong vá ®¹i d­¬ng, nhiÒu thùc nghiÖm m« pháng theo qóa tr×nh nµy ®· ®­îc thùc hiÖn trong phßng thÝ nghiÖm víi c¸c ®iÒu kiÖn m«i tr­êng gÇn t­¬ng tù. Tr­íc hÕt, ng­êi ta cho n­íc biÓn l­u th«ng tuÇn hoµn qua c¸c tÇng ®¸ bazan bÞ nghiÒn n¸t trong nh÷ng kho¶ng thêi gian kh¸c nhau t¹i ®iÒu kiÖn ¸p suÊt thÝch hîp vµ nhiÖt ®é ®· ®­îc n©ng cao, cã kÌm theo sù thay ®æi tØ lÖ n­íc:®¸ vµ sau ®ã quan s¸t. KÕt qña cho thÊy ®· cã nh÷ng sù thay ®æi m¹nh mÏ dÔ nhËn thÊy vµ c¸c ph¶n øng hãa häc x¶y ra rÊt nhanh so víi thang bËc thêi gian ®Þa chÊt. Ch¼ng h¹n, chØ trong qu·ng thêi gian thêi gian tõ vµi tuÇn ®Õn vµi th¸ng, toµn bé manhª vµ sunfat trong n­íc biÓn ®Òu bÞ chuyÓn sang thµnh phÇn cña ®¸ trong khi mét l­îng lín kali, canxi vµ silic cã trong ®¸ l¹i bÞ n­íc biÓn ph©n läc ra. Nh­ vËy, râ rµng c¸c ho¹t ®éng thñy nhiÖt cã thêi ®· bÞ l·ng quªn l¹i chÝnh lµ t¸c nh©n quan träng dÉn ®Õn qóa tr×nh c©n b»ng hãa häc trong ®¹i d­¬ng suèt thêi kú lÞch sö Tr¸i ®Êt. Sau nµy, nhiÒu m« h×nh thÝ nghiÖm vÉn tiÕp tôc ®­îc thùc hiÖn nh»m ®Þnh l­îng chÝnh x¸c h¬n nh÷ng biÕn ®æi ®· x¶y ra v× nhiÒu hîp phÇn cña hÖ thèng tù nhiªn kh«ng thÓ dÔ dµng cã thÓ thu mÉu. 5.2.1. Sù biÕn ®æi cña ®Êt ®¸ Ghi chó: Trong phÇn nµy, b¹n ®äc kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i ghi nhí nh÷ng ®Þnh nghÜa vÒ c¸c lo¹i ®¸ vµ tªn kho¸ng vËt ®­îc ®Ò cËp ®Õn. NÕu ng­êi nµo ®· cã nh÷ng hiÓu biÕt Ýt nhiÒu vÒ th¹ch häc vµ kho¸ng vËt th× chØ cÇn ®äc hiÓu c¸c môc 1,2,3 råi thùc hµnh theo c¸c chØ dÉn sau ®ã : 1. C¸c lo¹i ®¸ cã thµnh phÇn bazan sÏ kÕt tinh hoµn toµn khi m«i tr­êng nhiÖt ®é xÊp xØ 9000C, cã nghÜa lµ qóa tr×nh ®«ng cøng cña nã sÏ x¶y ra trong kho¶ng nhiÖt ®é ®ã vµ nhiÖt ®é kÕt tinh chÝnh x¸c phô thuéc vµo ¸p suÊt m«i tr­êng, ®é ngËm n­íc cña ®¸. Mçi lo¹i ®¸ ®­îc cÊu thµnh bëi mét tæ hîp kho¸ng vËt ®Æc tr­ng (cã thÓ bao gåm mét vµi m¶nh vôn thñy tinh nói löa nÕu ®ã lµ c¸c dung nham lava d¹ng gèi) kh«ng bÒn v÷ng vÒ mÆt hãa häc trong m«i tr­êng n­íc biÓn. Do ®ã, khi tiÕp xóc víi n­íc biÓn l¹nh, thµnh phÇn hãa häc cña ®¸ cã thÓ bÞ biÕn ®æi vµ khi gÆp n­íc biÓn nãng, nh÷ng biÕn ®æi nµy cµng trë nªn m¹nh mÏ h¬n. 2. Trong ®iÒu kiÖn m«i tr­êng n­íc biÓn l¹nh, c¸c lo¹i ®¸ bazan ®Òu chÞu t¸c ®éng cña qóa tr×nh phong hãa x¶y ra trªn ®¸y biÓn víi c¬ chÕ t­¬ng tù nh­ trªn ®Êt liÒn, nh­ng b¶n th©n c¸c lo¹i ®¸ sÏ bÞ biÕn ®æi hoµn toµn sang kiÓu kh¸c (biÕn chÊt) khi tiÕp xóc víi dßng biÓn nãng trong chu tr×nh thñy nhiÖt. 3. Qóa tr×nh biÕn chÊt ®¸ do ho¹t ®éng thñy nhiÖt th­êng x¶y ra trong m«i tr­êng nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt mµ t¹i ®ã c¸c ®¸ bÞ biÕn chÊt thµnh ®¸ phiÕn lôc. §©y lµ lo¹i ®¸ cã chøa tæ hîp kho¸ng vËt hoµn toµn kh¸c so víi c¸c ®¸ banzan nguyªn sinh ch­a bÞ biÕn ®æi. ë ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cao h¬n, bazan trong c¸c phÇn s©u cña tÇng ®Þa chÊn 2 vµ gabro trong c¸c phÇn trªn cña tÇng ®Þa chÊn 3 sÏ bÞ biÕn ®æi thµnh amphibolit. Nãi chung, qóa tr×nh biÕn chÊt kh«ng lµm thay ®æi nhiÒu diÖn m¹o bªn ngoµi cña c¸c lo¹i ®¸ bazan. Quan s¸t c¸c mÉu ®¸ trªn h×nh 4.2(b) - (e), b¹n sÏ thÊy chóng rÊt gièng ®¸ t­¬i, nh­ng l¹i kh«ng ph¶i lµ ®¸ t­¬i mµ lµ ®¸ t­¬i ®· bÞ biÕn ®æi bëi qóa tr×nh biÕn chÊt vµ phong hãa trªn ®¸y biÓn. §Ó hiÓu ®­îc nh÷ng biÕn ®æi cña ®¸ do t¸c ®éng cña nh÷ng qu¸ tr×nh nµy g©y ra, chóng ta h·y xem xÐt vÒ sù biÕn ®æi thµnh phÇn kho¸ng vËt cña nã. PhÇn tãm t¾t d­íi ®©y sÏ cho b¹n biÕt vÒ nh÷ng biÕn ®æi thµnh phÇn kho¸ng vËt chÝnh cã thÓ x¶y ra ®èi víi c¸c lo¹i ®¸ banzan trªn ®¸y biÓn. (i) Tæ hîp kho¸ng vËt chÝnh thµnh t¹o nªn c¸c lo¹i ®¸ bazan (nh­ dung nham lava d¹ng gèi, d¹ng dyke trong tÇng ®Þa chÊn 2 hay gabro trong tÇng ®Þa chÊn 3, (h×nh 4.2)), khi ch­a bÞ biÕn ®æi vµ cßn t­¬i lµ: fenpat plagiocla giµu canxi, Ca Al2 Si2 O8 (kho¶ng 50 - 70 %); pyroxen, Ca(Mg,Fe)Si2O6 ( kh. 30 - 40 %); olivin, (Mg,Fe)2SiO4 (kh. 0 - 10 %); vµ thñy tinh bazan (cã thÓ chiÕm tíi 70% trong dung nham lava d¹ng gèi). (ii) Trong cÊu t¹o líp vá ®¸y ®¹i d­¬ng, c¸c dung nham lava d¹ng gèi n»m ë ph©n líp trªn cïng cña tÇng ®Þa chÊn 2 do vËy chóng cã nhiÒu c¬ héi tiÕp xóc víi n­íc biÓn tÇng ®¸y trong kho¶ng nhiÖt ®é tõ 2 - 30C hoÆc thÊp h¬n. C¸c ph¶n øng hãa häc gi÷a dung nham vµ n­íc biÓn nãi chung ®Òu do t¸c ®éng cña qóa tr×nh phong hãa ®¸y biÓn vµ chóng diÔn ra t­¬ng tù nh­ nh÷ng ph¶n øng x¶y ra trªn ®Êt liÒn, tøc lµ còng cã sù biÕn ®æi fenpat vµ thñy tinh dung nham thµnh kho¸ng vËt sÐt (lµ c¸c hîp chÊt alumosilicat ngËm n­íc) vµ cã sù h×nh thµnh cña líp vá hay cßn gäi lµ mò s¾t do qóa tr×nh ü«y hãa s¾t vµ kÕt tña oxit mangan. Qóa tr×nh phong hãa nµy cã thÓ x¶y ra ë bÊt kú khu vùc nµo trªn ®¸y biÓn nÕu cã sù xuÊt lé cña c¸c tÇng ®¸ bazan trªn bÒ mÆt ®¸y. (iii) Mét nhãm c¸c kho¸ng vËt alumosilicat kh¸c cã tªn gäi chung lµ zeolit cã thÓ ®­îc thµnh t¹o trªn ®¸y biÓn do qóa tr×nh phong hãa ®¬n thuÇn hoÆc do c¸c ph¶n øng thñy nhiÖt khi nhiÖt ®é t¨ng cao tíi 100-2000C. (iv) Trong kho¶ng ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é ®Æc tr­ng cho phÇn lín c¸c hÖ thèng thñy nhiÖt trong ®¹i d­¬ng lµ tõ 200-4000C, mét tæ hîp kho¸ng vËt hoµn toµn míi sÏ ®­îc h×nh thµnh, chóng cã thÓ bao gåm nh÷ng tËp hîp kho¸ng vËt kh¸c nhau trong sè nh÷ng kho¸ng vËt sau : plagiocla giµu natri (albit), NaAlSi3O8; clorit (mét kho¸ng vËt gièng nh­ mica nh­ng cã mµu xanh ®Ëm), (Mg,Fe,Al)3(Si,Al)2O5(OH)4; th¹ch anh, SiO2; epidot, Ca2(Al,Fe)3Si3O12(OH); actinolit, Ca2(Al,Fe)5Si8O22(OH)2; Mét khi tæ hîp kho¸ng vËt nµy ®· ®­îc h×nh thµnh vµ æn ®Þnh, ®¸ sÏ chuyÓn sang d¹ng phiÕn lôc - lµ lo¹i ®¸ biÕn chÊt kh¸ phæ biÕn trong vá ®¹i d­¬ng. TØ lÖ c¸c hîp phÇn kho¸ng vËt trong lo¹i ®¸ nµy cã sù biÕn ®æi lín gi÷a n¬i nµy víi n¬i kh¸c do chóng bÞ chi phèi bëi mét sè yÕu tè khu vùc nh­ sù biÕn ®æi cña gradien ®Þa nhiÖt, thêi gian kÐo dµi cña qóa tr×nh phong hãa vµ thÓ tÝch tiÕp xóc gi÷a n­íc vµ ®¸. Tuy nhiªn kho¶ng ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é h×nh thµnh cña tÊt c¶ c¸c tæ hîp kho¸ng vËt kh¸c nhau cña ®¸ phiÕn lôc ®Òu gièng nhau, tøc lµ tõ 200-4000C vµ chung ®iÒu kiÖn ¸p suÊt d­íi ¸p vµi tr¨m atmotphe. (v) §«i khi n­íc biÓn cã thÓ x©m nhËp kh¸ s©u vµo d­íi líp vá ®¹i d­¬ng, n¬i cã nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt rÊt lín lµm biÕn ®æi c¸c ®¸ phun trµo cã thµnh phÇn bazan (c¸c ®¸ n»m ë phÇn d­íi cña c¸c dung nham dyke thuéc tÇng ®Þa chÊn 2C, phÇn trªn cña gabro trong tÇng ®Þa chÊn 3) thµnh lo¹i ®¸ míi cã chøa thµnh phÇn kho¸ng vËt hocblen - (Na,Ca)2(Mg,Fe,Al)5(Si,Al)8O22(OH)2. Lo¹i ®¸ nµy ®­îc gäi lµ amphibolit. (vi) Cuèi cïng, lµ sù h×nh thµnh cña c¸c khèi x©m nhËp secpentinit do qóa tr×nh x©m nhËp s©u cña n­íc biÓn xuèng ®Õn tÇng ®Þa chÊn 4 qua khe nøt cña c¸c ®øt g·y biÕn d¹ng vµ nh÷ng ®øt g·y s©u kh¸c, sau ®ã g©y ra ph¶n øng thñy ph©n olivin – lµ mét hîp phÇn chÝnh cña peredotit - thµnh secpentin - Mg3Si2O5(OH)4. §©y lµ lo¹i ®¸ cã kh¶ n¨ng biÕn d¹ng dÎo trong ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é th­êng. Víi tØ träng nhá h¬n c¸c ®¸ thuéc tÇng ®Þa chÊn 2 vµ 3 n»m trªn, secpentinit th­êng dÔ bÞ nÐn Ðp d©ng tråi däc theo c¸c ®øt g·y xuÊt hiÖn trong líp vá ®¹i d­¬ng. Ghi chó: B¹n ®äc cã Ýt kiÕn thøc vÒ th¹ch häc vµ kho¸ng vËt nªn theo dâi phÇn tiÕp theo. B¶ng 5.1: Thµnh phÇn hãa häc cña bazan biÕn chÊt vµ phiÕn lôc trong vá ®¹i d­¬ng (% träng l­îng) Bazan trung b×nh §¸ phiÕn lôc SiO2 49,92 49,11 42,45 49,39 46,95 49,25 Ti O 1,53 0,49 2,19 0,85 1,46 0,76 Al2O3 15,63 16,72 16,98 16,03 16,58 15,90 Fe2O3 1,65 6,82 11,84 6,80 10,26 2,67 FeO 8,19 3,69 5,69 2,42 1,63 5,83 MnO 0,17 0,17 0,19 0,17 0,05 0,16 MgO 7,65 10,96 11,73 15,42 15,13 8,71 CaO 11,17 6,09 3,18 0,29 0,27 10,44 Na2O 2,75 2,57 0,80 1,34 0,11 3,83 K2O 0,16 0,05 0,01 0,01 0,05 0,02 H2O 0,95 4,18 7,09 7,46 8,47 3,50 99,77 100,85 102,15 100,18 100,96 101,07 Ghi chó : 1. Trong phÐp ph©n tÝch nµy, c¸c mÉu ®¸ ®­îc nghiÒn n¸t thµnh bét mÞn tr­íc khi ®em ®i ph©n tÝch tõng nguyªn tè. 2. KÕt qu¶ ph©n tÝch ®­îc biÓu diÔn d­íi d¹ng hµm l­îng % cña tõng nguyªn tè ®èi víi nh÷ng hîp phÇn Ýt (chiÕm kho¶ng vµi tr¨m phÇn triÖu (p.p.m), hoÆc Ýt h¬n), vµ d­íi d¹ng hµm l­îng % cña «xÝt t­¬ng øng ®èi víi nh÷ng hîp phÇn lín h¬n (chiÕm tõ 0,01% trë lªn). 3. Trong qóa tr×nh ph©n tÝch, tæng hµm l­îng cña c¸c nguyªn tè hiÕm khi ®¹t 100% v× mçi mét hîp phÇn ®­îc thùc hiÖn bëi mét phÐp ph©n tÝch riªng biÖt vµ mçi phÐp ph©n tÝch chØ mang tÝnh t­¬ng ®èi. 4. Mçi mét lo¹i ®¸ lµ mét hÖ thèng tù nhiªn cã tÝnh chÊt biÕn thiªn s½n cã, do vËy hiÕm khi t×m thÊy hai lo¹i bazan hay phiÕn lôc nµo cã sù gièng nhau hoµn toµn c¶ vÒ thµnh phÇn kho¸ng vËt vµ thµnh phÇn hãa häc. Cho nªn, c¸c hîp phÇn chÝnh trong nh÷ng mÉu kh¸c nhau cña cïng mét läai ®¸ sÏ cã sù chªnh lÖch tõ vµi chôc phÇn tr¨m tíi vµi phÇn tr¨m tuú theo hµm l­îng t­¬ng quan cña chóng trong ®¸. Nh÷ng hîp phÇn nhá (nguyªn tè vÕt) cã ®é biÕn thiªn lín tíi vµi tr¨m p.p.m. NÕu quan s¸t ph­¬ng thøc biÕn ®æi cña c¸c kho¸ng vËt trong ®¸, chóng ta cã thÓ hiÓu ®­îc nh÷ng ph¶n øng trao ®æi hãa häc gi÷a ®¸ vµ n­íc biÓn diÔn ra nh­ thÕ nµo. Tuy nhiªn, c¸ch quan s¸t tèt nhÊt lµ tiÕn hµnh ph©n tÝch hãa häc toµn bé c¸c mÉu khèi ®¹i diÖn (b¶ng 5.1). C¸c ®¸ bazan h×nh thµnh tõ qóa tr×nh kÕt tinh macma ®¬n thuÇn th­êng cã thµnh phÇn kh¸c nhau kh«ng nhiÒu. Nh­ng víi c¸c lo¹i ®¸ phiÕn lôc vµ c¸c ®¸ bazan biÕn chÊt kh¸c th× thµnh phÇn hãa häc cña chóng cã sù kh¸c nhau lín v× chóng ®­îc h×nh thµnh bëi c¸c ph¶n øng hãa häc víi nh÷ng khèi n­íc biÓn kh¸c nhau, nhiÖt ®é kh¸c nhau, thêi gian kh¸c nhau. B¶ng 5.1 cho thÊy thµnh phÇn hãa häc trung b×nh cña c¸c lo¹i ®¸ bazan biÕn chÊt kh¸c nhau vµ ®¸ phiÕn lôc qua ph­¬ng ph¸p ph©n tÝch hãa häc. C©u hái 5.2 (a) H·y xem kÕt qña ph©n tÝch trªn b¶ng 5.1 vµ cè g¾ng x¸c ®Þnh (i) hîp phÇn nµo cã biÓu hiÖn râ lµ tõ n­íc biÓn x©m nhËp vµo bazan vµ (ii) hîp phÇn nµo lµ tõ bazan x©m nhËp vµo n­íc biÓn trong qóa tr×nh ho¹t ®éng cña dßng thñy nhiÖt? (b) Lµm c¸ch nµo mµ c¸c ®¸ biÕn chÊt phiÕn lôc vµ amphibolit thµnh t¹o trong líp vá ®¹i d­¬ng do c¸c ph¶n øng hãa häc g©y ra bëi dßng n­íc biÓn nãng cã thÓ lé ra trªn bÒ mÆt ®¸y biÓn? 5.2.2 Nh÷ng thay ®æi x¶y ra trong n­íc biÓn Nh÷ng ph¸t hiÖn vÒ vai trß quan träng cña hÖ thèng ho¹t ®éng thñy nhiÖt vµo nh÷ng n¨m 1970 ®· cã t¸c ®éng to lín tíi c¸c gi¶ thiÕt vÒ ph­¬ng thøc di chuyÓn cña c¸c nguyªn tè hãa häc trong ®¹i d­¬ng. §ã chÝnh lµ c¸c ph¶n øng thñy nhiÖt x¶y ra trong n­íc biÓn, b»ng viÖc so s¸nh thµnh phÇn cña n­íc biÓn th­êng víi dung dÞch thñy nhiÖt, chóng ta cã thÓ theo dâi ®­îc nh÷ng thay ®æi nµy (b¶ng 5.2). B¶ng 5.2: (a) C¸c nguyªn tè hßa tan chiÕm thµnh phÇn chñ yÕu trong n­íc biÓn Nguyªn tè Nång ®é (ppm) Thµnh phÇn hoµ tan chÝnh Cl 19500 Cl- Na 10500 Na+ Mg 1290 Mg2+ S 905 SO4 2+ Ca 400 Ca2+ K 380 K+ Br 67 Br- C 28 HCO3 - Sr 8 Sr2+ B 4 BO3 3- Si 3 Si(OH)4 F 1 F- C©u hái 5.3 B¶ng sè liÖu 5.2(b) cho thÊy nh÷ng b»ng chøng g× chøng tá dung dÞch thñy nhiÖt cã (i) tÝnh axit vµ (b) tÝnh khö cao h¬n n­íc biÓn? So s¸nh b¶ng 5.1 vµ 5.2 cho thÊy mét sè nguyªn tè chiÕm hµm l­îng kh¸ lín trong n­íc biÓn, nh­ng trong thµnh phÇn cña ®¸ chóng chØ lµ c¸c nguyªn tè vÕt, ngo¹i trõ natri, lµ nguyªn tè duy nhÊt chiÕm vai trß quan träng trong thµnh phÇn hãa häc cña ®¸ vµ n­íc biÓn. B¶ng 5.2: (b) Thµnh phÇn hãa häc cña mét dung dÞch thñy nhiÖt ®Æc tr­ng cã nhiÖt ®é 3500C, ®­îc lÊy t¹i vïng khèi n©ng ®«ng Th¸i B×nh D­¬ng t¹i 210 b¾c vµ n­íc biÓn th­êng. §¬n vÞ hµm l­îng ®­îc tÝnh b»ng phÇn triÖu. §é pH cña dung dÞch nµy lµ 4,0, trong khi pH cña n­íc biÓn ®o ®­îc xÊp xØ 8 Nguyªn tè Dung dÞch thñy nhiÖt N­íc biÓn Cl 17300 19500 Na 9931 10500 Mg - 1290 S (d­íi d¹ng SO4 2-) - 905 S (d­íi d¹ng H2S) 210 - Ca 860 400 K 975 380 Sr 8 8 Si 600 3 Li 6 0,18 Rb 2 0,12 Ba 5-13 210-2 Zn 7 510-3 Fe 101 210-3 Mn 33 110-4 Ghi chó: 1. C¸c nguyªn tè thÓ hiÖn trong b¶ng 5.2(a) lµ nh÷ng hîp phÇn chñ yÕu trong n­íc biÓn. PhÇn lín c¸c nguyªn tè nµy ®­îc ®o trùc tiÕp, sè cßn l¹i ®­îc ph©n tÝch b»ng c¸c ph­¬ng ph¸p hãa häc. 2. §¬n vÞ hµm l­îng cña c¸c nguyªn tè ®­îc tÝnh b»ng ®¬n vÞ p.p.m. ®Ó gióp cho c¸c môc ®Ých tham kh¶o sö dông thuËn lîi h¬n. 3. Nãi chung nång ®é hµm l­îng cña c¸c nguyªn tè nªu trong b¶ng 5.2(a) ®Òu mang tÝnh chÊt ®¹i diÖn v× ®«i khi c¸c gi¸ trÞ trung b×nh nµy cã thÓ sai kh¸c ®«i chót so víi mét sè kÕt qña nghiªn cøu t­¬ng tù kh¸c. Tuy nhiªn, trong ®¹i d­¬ng tæng hµm l­îng cña c¸c hîp phÇn hoµ tan dao ®éng rÊt Ýt, chØ kho¶ng vµi phÇn tr¨m vµ tØ lÖ t­¬ng quan gi÷a chón