Biến chất chôn vùi (Burial metamorphism)

Điều kiện hình thành

Điều kiện cần thiết cho biến chất chôn vùi bao gồm:

• Chôn sâu: Đá ban đầu phải bị chôn vùi ở độ sâu đáng kể, thường là vài km, dưới các lớp trầm tích khác. Độ sâu này tương đương với áp suất khoảng 1 kbar trở lên. Việc chôn sâu này tạo ra áp suất đồng nhất, còn được gọi là áp suất lithostatic, lên đá.
• Nhiệt độ thấp – trung bình: Nhiệt độ tăng dần theo độ sâu (gradient địa nhiệt). Trong biến chất chôn vùi, nhiệt độ thường nằm trong khoảng 200-400°C, thấp hơn đáng kể so với biến chất tiếp xúc hay biến chất khu vực ở các đới tạo núi. Sự gia tăng nhiệt độ chủ yếu là do gradient địa nhiệt chứ không phải do các nguồn nhiệt magma gần đó. Gradient địa nhiệt trung bình khoảng 30°C/km, nhưng có thể thay đổi tùy thuộc vào môi trường địa chất.
• Thời gian dài: Quá trình biến chất chôn vùi diễn ra chậm, trong thời gian địa chất dài, thường là hàng triệu năm. Thời gian dài này cho phép các phản ứng hóa học trạng thái rắn diễn ra và các khoáng vật mới được hình thành một cách từ từ.

Các yếu tố ảnh hưởng

Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến chất chôn vùi bao gồm:

• Gradient địa nhiệt: Gradient địa nhiệt càng cao, nhiệt độ đạt được ở một độ sâu nhất định càng lớn, do đó biến chất xảy ra mạnh hơn. Các khu vực có hoạt động núi lửa hoặc dòng nhiệt cao sẽ có gradient địa nhiệt cao hơn.
• Thành phần đá ban đầu: Loại đá ban đầu ảnh hưởng đến các khoáng vật mới được hình thành trong quá trình biến chất. Ví dụ, đá bazan sẽ tạo ra các khoáng vật biến chất khác với đá vôi.
• Dòng lưu chất: Sự hiện diện của lưu chất, như nước, có thể xúc tác cho các phản ứng hóa học và làm tăng tốc độ biến chất. Lưu chất có thể mang theo các ion hòa tan, góp phần vào sự thay đổi thành phần hóa học của đá.

Các thay đổi trong đá

Biến chất chôn vùi thường dẫn đến sự tái kết tinh của các khoáng vật hiện có và hình thành các khoáng vật mới ổn định ở nhiệt độ và áp suất cao hơn. Một số thay đổi điển hình bao gồm:

• Tăng kích thước hạt: Các khoáng vật nhỏ ban đầu có thể kết hợp lại thành các hạt lớn hơn do quá trình kết tinh lại.
• Thay đổi cấu trúc: Cấu trúc đá ban đầu có thể thay đổi, ví dụ từ cấu trúc phân lớp sang cấu trúc phiến. Sự thay đổi này thường liên quan đến sự sắp xếp lại của các khoáng vật dạng tấm hoặc dạng sợi dưới tác dụng của áp suất.
• Hình thành khoáng vật mới: Một số khoáng vật đặc trưng cho biến chất chôn vùi bao gồm laumontit, prehnit, pumpellyit, lawsonit, glaucophane (trong trường hợp gradient địa nhiệt thấp và áp suất cao). Sự xuất hiện của các khoáng vật này cho phép xác định mức độ biến chất.

Phân biệt với các loại biến chất khác

Biến chất chôn vùi khác với biến chất tiếp xúc ở chỗ nó xảy ra trên diện rộng và không liên quan đến sự xâm nhập của magma. Nó cũng khác với biến chất khu vực ở đới tạo núi, nơi áp suất và nhiệt độ cao hơn nhiều, dẫn đến sự biến dạng mạnh mẽ và hình thành các khoáng vật biến chất cao cấp hơn như garnet, staurolite, kyanite, và sillimanite. Biến chất chôn vùi thường tạo ra các tướng biến chất cấp thấp hơn.

Ví dụ

Biến chất chôn vùi thường được tìm thấy trong các bồn trầm tích lớn, chẳng hạn như bồn trũng tiền đất (foreland basin). Các bồn trầm tích này nhận được một lượng lớn trầm tích từ các dãy núi lân cận, tạo điều kiện cho quá trình chôn vùi và biến chất diễn ra.

Ý nghĩa

Nghiên cứu biến chất chôn vùi cung cấp thông tin quan trọng về lịch sử nhiệt độ và áp suất của các lớp đá, giúp tái tạo lại lịch sử địa chất của một khu vực. Thông tin này có thể được sử dụng để hiểu rõ hơn về sự hình thành và phát triển của các bồn trầm tích, cũng như các quá trình kiến tạo mảng liên quan.

Các tướng biến chất

Trong biến chất chôn vùi, các tướng biến chất được xác định dựa trên sự xuất hiện của các khoáng vật chỉ tiêu. Ví dụ, tướng zeolit đặc trưng bởi sự hiện diện của các khoáng vật zeolit như laumontit và heulandit. Tướng prehnit-pumpellyit được đặc trưng bởi sự hiện diện của prehnit và pumpellyit. Các tướng biến chất khác bao gồm tướng đá phiến lục (greenschist facies) ở nhiệt độ và áp suất cao hơn. Sự xuất hiện của các khoáng vật này phản ánh các điều kiện nhiệt độ và áp suất cụ thể trong quá trình biến chất.

Mối liên hệ với sự thành tạo dầu khí

Biến chất chôn vùi có vai trò quan trọng trong sự thành tạo dầu khí. Khi các lớp trầm tích giàu chất hữu cơ bị chôn vùi và chịu tác động của nhiệt độ và áp suất tăng dần, chất hữu cơ này trải qua một loạt các phản ứng hóa học, cuối cùng tạo thành dầu và khí. Các phản ứng này được xúc tác bởi các khoáng vật sét và được ảnh hưởng bởi các điều kiện biến chất. Ví dụ, sự hình thành graphit từ kerogen là một quá trình xảy ra trong biến chất chôn vùi. Quá trình này gọi là quá trình chín dầu (oil maturation).

Ứng dụng trong nghiên cứu địa chất

Nghiên cứu biến chất chôn vùi cung cấp thông tin quan trọng cho việc:

• Xác định lịch sử nhiệt độ và áp suất của các lớp đá: Việc xác định các khoáng vật biến chất cho phép ước tính nhiệt độ và áp suất tối đa mà đá đã trải qua. Dữ liệu này có thể được biểu diễn trên biểu đồ P-T (áp suất – nhiệt độ).
• Tái tạo lại lịch sử chôn vùi và nâng lên của các bồn trầm tích: Sự biến thiên của các tướng biến chất theo chiều sâu phản ánh lịch sử chôn vùi và nâng lên của bồn trầm tích.
• Đánh giá tiềm năng dầu khí: Việc nghiên cứu các phản ứng biến chất của chất hữu cơ giúp đánh giá tiềm năng dầu khí của một khu vực.
• Nghiên cứu kiến tạo mảng: Biến chất chôn vùi có thể cung cấp thông tin về sự tiến hóa của các bồn trầm tích liên quan đến các quá trình kiến tạo mảng.

• Yardley, B. W. D. (1989). An introduction to metamorphic petrology. Longman Scientific & Technical.
• Winter, J. D. (2010). Principles of igneous and metamorphic petrology. Pearson Education.
• Buchanon, D. L. (1982). Metamorphic Rocks. Springer.
• Spear, F. S. (1993). Metamorphic Phase Equilibria and Pressure-Temperature-Time Paths. Mineralogical Society of America.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt giữa biến chất chôn vùi và biến chất khu vực ở các đới tạo núi?

Trả lời: Biến chất chôn vùi xảy ra ở nhiệt độ và áp suất thấp hơn so với biến chất khu vực ở đới tạo núi. Biến chất khu vực thường đi kèm với biến dạng mạnh mẽ, tạo ra các cấu trúc như phiến thạch, phyllite, và schist. Các khoáng vật biến chất cao cấp như garnet, staurolite, kyanite cũng là đặc trưng cho biến chất khu vực, trong khi biến chất chôn vùi được đặc trưng bởi các khoáng vật như zeolit, prehnit, và pumpellyit.

Vai trò của nước trong biến chất chôn vùi là gì?

Trả lời: Nước đóng vai trò là một lưu chất quan trọng trong biến chất chôn vùi. Nó có thể: (1) vận chuyển các ion hòa tan, xúc tác cho các phản ứng hóa học; (2) làm giảm nhiệt độ nóng chảy của đá, tạo điều kiện cho sự tái kết tinh; (3) tham gia trực tiếp vào các phản ứng biến chất, ví dụ như quá trình hydrat hóa các khoáng vật.

Làm thế nào để xác định mức độ biến chất chôn vùi mà một mẫu đá đã trải qua?

Trả lời: Mức độ biến chất chôn vùi được xác định bằng cách nghiên cứu tập hợp khoáng vật của đá. Các khoáng vật khác nhau ổn định ở các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau. Ví dụ, sự xuất hiện của laumontit chỉ ra biến chất cấp thấp, trong khi sự xuất hiện của prehnit và pumpellyit chỉ ra biến chất cấp trung bình.

Biến chất chôn vùi có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ học của đá như thế nào?

Trả lời: Biến chất chôn vùi có thể làm tăng độ cứng và độ bền của đá do sự tái kết tinh của các khoáng vật và sự giảm độ rỗng. Tuy nhiên, sự hiện diện của một số khoáng vật như zeolit, có thể làm giảm độ bền của đá do tính chất dễ phong hóa của chúng.

Biến chất chôn vùi có liên quan gì đến sự hình thành mỏ khoáng sản không?

Trả lời: Mặc dù không phải là môi trường hình thành mỏ khoáng sản chính, biến chất chôn vùi có thể góp phần vào sự tập trung của một số nguyên tố. Ví dụ, sự hình thành zeolit có thể dẫn đến sự tập trung của các nguyên tố như Na, Ca, và K. Ngoài ra, biến chất chôn vùi có thể làm thay đổi tính thấm của đá, ảnh hưởng đến dòng chảy của lưu chất chứa khoáng và tạo điều kiện cho sự hình thành mỏ khoáng sản ở các giai đoạn sau.