Cấu tạo và sự hình thành lớp thạch quyển đại dương

CH­¬NG 4 CÊU T¹O Vµ Sù h×nh THµNH líp TH¹CH QUYÓN §¹I D­¬NG C¸c th«ng tin vÒ cÊu tróc líp vá ®¹i d­¬ng vµ manti trªn chñ yÕu dùa vµo bèn nguån kÕt qña nghiªn cøu sau: (1) C¸c nghiªn cøu ®Þa vËt lÝ, trong ®ã bao gåm c¸c nghiªn cøu vÒ ®Þa chÊn ph¶n x¹, khóc x¹, tõ tr­êng, träng lùc vµ ®Þa nhiÖt; (2) C¸c nghiªn cøu trong phßng thÝ nghiÖm vÒ ®Æc tÝnh vËt lý cña c¸c mÉu ®Êt ®¸ trªn ®¸y ®¹i d­¬ng vµ trong lâi khoan s©u; (3) C¸c nghiªn cøu thùc ®Þa, ®iÒu tra kh¶o s¸t, quay phim, chôp ¶nh tõ tµu ngÇm; vµ (4) C¸c nghiªn cøu vÒ phøc hÖ ophiolit trªn ®Êt liÒn. §Æc biÖt nhê ph­¬ng ph¸p ®Þa chÊn khóc x¹, ng­êi ta ®· ph¸t hiÖn ra cÊu tróc ph©n tÇng cña líp th¹ch quyÓn ®¹i d­¬ng víi tèc ®é lan truyÒn t¨ng dÇn cña sãng ®Þa chÊn (tèc ®é sãng ©m thanh xuyªn qua c¸c tÇng nham th¹ch) theo chiÒu s©u. Mçi tÇng ®Þa chÊn ë ®©y sÏ ®­îc ®¸nh sè theo thø tù tõ 1 (trªn cïng) ®Õn 4, vµ t­¬ng øng víi chóng lµ c¸c tÇng nham th¹ch ®­îc m« t¶ nh­ trªn h×nh 4.1. H×nh 4.1: (a) S¬ ®å mÆt c¾t líp th¹ch quyÓn vïng §¹i T©y D­¬ng víi ®é phãng ®¹i lín theo trôc ®øng. VËn tèc sãng ®Þa chÊn ®­îc tÝnh b»ng km/s. Tªn cña mçi líp nham th¹ch trong cét ®Þa tÇng sÏ ®­îc minh häa cô thÓ trªn h×nh 4.2 H×nh 4.1: (b) CÊu tróc ph©n líp ®Þa chÊn cña vá ®¹i d­¬ng vµ manti trªn. Tèc ®é lan truyÒn cña sãng däc P t¨ng dÇn theo chiÒu s©u. MÆt c¾t (a) t­¬ng øng víi cét ®Þa tÇng n»m trong giíi h¹n hai ®­êng th¼ng A-B. Sãng ®Þa chÊn P lµ mét lo¹i sãng nÐn, t­¬ng tù nh­ sãng ©m trong kh«ng khÝ. Mçi mét tÇng ®Þa chÊn t­¬ng øng víi mét kiÓu nham th¹ch trong cét ®Þa tÇng ë bªn ph¶i CÊu t¹o ph©n tÇng cña líp vá tr¸i ®Êt trªn ®¸y ®¹i d­¬ng cã thÓ ®­îc m« t¶ tãm t¾t nh­ sau : (i) C¸c tÇng ®¸ phun trµo (2-4) lµ kÕt qña cña qóa tr×nh t¸ch d·n ®¸y biÓn sinh ra líp vá ®¹i d­¬ng, sau ®ã bÞ ch«n vïi bëi c¸c tÇng trÇm tÝch 1 vµ r¾n kÕt l¹i. (ii) C¸c tÇng 2 vµ 3 thuéc thµnh phÇn cÊu t¹o cña vá ®¹i d­¬ng víi bÒ dµy chung kho¶ng 6-7km, (trõ c¸c líp n»m bªn d­íi trôc t¸ch d·n ®ang ho¹t ®éng hoÆc gÇn c¸c ®øt g·y biÕn d¹ng vµ ®íi nøt vì). (iii) N»m d­íi ranh giíi cña tÇng trÇm tÝch 1 vµ tÇng ®¸ 3 lµ c¸c tÇng ®¸ cã tèc ®é sãng ®Þa chÊn t¨ng ®ét biÕn. N»m gi÷a tÇng ®¸ gabro cña líp vá tr¸i ®Êt vµ tÇng peridotit cña manti trªn lµ bÒ mÆt Mohorovic (Moho). (iv) Trong c¸c tÇng ®¸ 2 vµ 3 kh«ng cã sù thay ®æi ®ét ngét tèc ®é cña sãng ®Þa chÊn, nh­ng cã sù t¨ng dÇn vËn tèc theo chiÒu s©u. Ranh giíi gi÷a c¸c phô líp trong tÇng 2 vµ gi÷a tÇng ®¸ 2 vµ tÇng ®¸ 3 ®­îc ph©n chia theo sù biÕn ®æi nµy. (v) MÆc dï kh¸c nhau (h×nh 4.2), nh­ng c¸c tÇng ®¸ 2 vµ 3 vÉn cã sù t­¬ng ®ång vÒ thµnh phÇn hãa häc vµ kho¸ng vËt, theo tØ lÖ phÇn tr¨m hµm l­îng t¨ng dÇn sÏ lµ fenpat plagiocla, pyroxen vµ olivin. TÇng 4 kh¸c biÖt hoµn toµn víi hai tÇng trªn c¶ vÒ thµnh phÇn hãa häc vµ kho¸ng vËt, trong tÇng nµy cã chøa bÒ mÆt ranh giíi ®Þa chÊn ®ét biÕn (Moho) n»m trªn cïng. Thµnh phÇn kho¸ng vËt chÝnh cña peridotit trong tÇng 4 lµ olivin vµ pyroxen. (vi) Sù ph©n chia gi÷a c¸c phô líp trong tÇng 2 (h×nh 4.1) ph¶i dùa vµo c¸c mÉu lâi khoan cô thÓ. Phô líp 2A lµ c¸c gèi dung nham xèp víi nhiÒu khe nøt vµ lç hæng (xem môc 4.1.1). Phô líp 2B lµ c¸c gèi dung nham Ýt xèp h¬n do bÞ c¸c kho¸ng vËt sÐt vµ c¸c kho¸ng vËt biÕn ®æi kh¸c lÊp ®Çy lç hæng. Qóa tr×nh nµy diÔn ra lµ nhê sù tiÕp xóc víi n­íc biÓn cña vá ®¹i d­¬ng sau khi h×nh thµnh ®· dÉn ®Õn nh÷ng biÕn ®æi vÒ hãa häc vµ thµnh phÇn kho¸ng vËt cña chóng, nÕu nhiÖt ®é cµng cao, sù t­¬ng t¸c cña líp vá víi n­íc biÓn cµng m¹nh. Trªn thùc tÕ, kh«ng líp vá ®¹i d­¬ng nµo sinh ra mµ kh«ng bÞ biÕn ®æi vµ biÕn chÊt ë mét møc ®é nµo ®ã. Do vËy, mét sè ý kiÕn cho r»ng ranh giíi gi÷a hai phô líp 2B, 2C vµ gi÷a 2C víi tÇng 3 nªn dùa vµo møc ®é biÕn ®æi cña c¸c líp ®Êt ®¸ h¬n lµ dùa vµo sù kh¸c biÖt vÒ thµnh phÇn gi÷a chóng (xem ch­¬ng 5). (vii) Tèc ®é lan truyÒn cña sãng ®Þa chÊn trong tÇng 2 biÕn ®æi nhanh h¬n tÇng 3 lµ bëi sù co khÐp cña c¸c khe nøt vµ lç hæng trong c¸c líp dung nham kÕ tiÕp nhau khi ®i xuèng s©u do ¸p lùc dån nÐn cña c¸c tÇng. Ngoµi ra, tèc ®é sãng ®Þa chÊn qua tÇng 2 cã xu h­íng t¨ng theo tuæi v× cµng xa trôc sèng nói, c¸c tÇng ®Êt ®¸ cµng trë nªn r¾n ch¾c do c¸c khe hë vµ lç hæng cßn l¹i ®Òu bÞ lÊp dÇn bëi c¸c kho¸ng vËt míi thµnh t¹o tõ sù t­¬ng t¸c gi÷a nham th¹ch vµ n­íc biÓn. (a) (b) (c) (d) (e) H×nh 4.2: Mét sè lo¹i ®¸ trÇm tÝch vµ phun trµo cã trong líp vá ®¹i d­¬ng vµ manti (a) TrÇm tÝch bïn biÓn th¼m (líp 1); (b) C¸c m¶nh vì dung nham bazan d¹ng gèi (líp 2); (c) C¸c m¶nh vì dung nham bazan d¹ng dyke (líp 2); (d) Gabro (líp 3); (e) Peridotit (líp 4) C©u hái 4.1 T¹i sao c¸c tÇng ®¸ dung nham bÞ nøt vì cã tèc ®é sãng ®Þa chÊn nhá h¬n c¸c tÇng ®¸ cïng lo¹i nh­ng kh«ng bÞ nøt vì? 4.1. Sù THµNH T¹O cña líp TH¹CH QUYÓN §¹I D¦¥NG Vïng trôc n»m gi÷a hÖ thèng sèng nói gi÷a ®¹i d­¬ng lµ nh÷ng ®íi ho¹t ®éng phun trµo m¹nh mÏ nhÊt trªn Tr¸i ®Êt vµ ®ã lµ n¬i líp th¹ch quyÓn ®¹i d­¬ng ®­îc sinh ra víi tèc ®é tõ 10 ®Õn 200km trªn mét triÖu n¨m (1- 20cm/n¨m). H×nh 4.3: (a) MÆt c¾t ngang qua vïng trôc sèng nói ®ang diÔn ra ho¹t ®éng phun trµo. Qóa tr×nh d©ng tråi cña manti trong quyÓn mÒm nót kÝn khe hë n»m gi÷a c¸c m¶ng t¸ch d·n. Mét phÇn macma nãng ch¶y phun trµo lªn bÒ mÆt ®¸y biÓn vµ h×nh thµnh nªn líp vá ®¹i d­¬ng míi. Nh÷ng phÇn cßn l¹i b¸m vµo r×a c¸c m¶ng th¹ch quyÓn. (b) S¬ ®å phãng ®¹i c¸c ho¹t ®éng macma bªn d­íi vïng trôc sèng nói ngÇm (a). L­u ý r»ng phÇn lín c¸c vËt chÊt macma ®­îc kÕt tinh ngay trong lß macma - chi tiÕt nµy cã thÓ kh«ng cÇn thiÕt ph¶i hiÓu râ C¸c qu¸ tr×nh phun trµo diÔn ra t¹i ®©y cã hai ®iÓm kh¸c biÖt. Thø nhÊt, kh«ng gièng nh­ ho¹t ®éng cña c¸c nói löa, chØ diÔn ra trong mét chu kú ®Þa chÊt ng¾n, ho¹t ®éng phun trµo t¹i c¸c vïng trôc sèng nói kÐo dµi thµnh tõng ®ît liªn tôc trong suèt thêi gian tån t¹i cña mét ®¹i d­¬ng, tøc lµ cã thÓ tíi vµi tr¨m triÖu n¨m. Thø hai, tÊt c¶ c¸c vËt chÊt macma phun trµo ®Òu t¹o nªn líp dung nham ®ång nhÊt tr¶i dµi hµng tr¨m triÖu km vu«ng ®¸y ®¹i d­¬ng. Tuy nhiªn, liªn quan tíi qóa tr×nh t¸ch d·n ®¸y biÓn, hiÖn vÉn cßn nhiÒu c©u hái ch­a ®­îc gi¶i ®¸p, ch¼ng h¹n nh­: ho¹t ®éng phun trµo t¹i c¸c sèng nói ®¹i d­¬ng cã lµ nguyªn nh©n g©y ra chuyÓn ®éng t¸ch rêi gi÷a c¸c m¶ng hay kh«ng hay chÝnh sù chuyÓn ®éng t­¬ng ®èi gi÷a c¸c m¶ng ®· lµm ph¸t sinh ra c¸c ho¹t ®éng nµy? C©u tr¶ lêi sÏ ®­îc gi¶i ®¸p ë c¸c phÇn tiÕp theo. Nãi chung, xoay quanh qóa tr×nh t¸ch d·n nµy cßn nh÷ng ®iÒu ch­a râ rµng nh­ng c¸c diÔn biÕn c¬ b¶n x¶y ra theo c¬ chÕ ho¹t ®éng chung nh­ m« t¶ trªn h×nh 4.3 vÉn nhËn ®­îc sù ®ång t×nh cña c¸c nhµ nghiªn cøu. Theo ®ã, c¸c vËt chÊt manti n»m bªn d­íi th¹ch quyÓn - thuéc quyÓn mÒm - do tiÕn gÇn tíi ®iÓm nãng ch¶y nªn cã ®Æc tÝnh dÎo ®· d©ng tråi qua trôc sèng nói vµ lÊp ®Çy khe trèng ®­îc t¹o thµnh gi÷a hai m¶ng t¸ch rêi. Khi líp quyÓn mÒm n»m d­íi ®Ønh trôc bÞ hót lªn, c¸c vËt chÊt peridotit cã trong thµnh phÇn cña chóng sÏ bÞ nãng ch¶y tõng phÇn vµ h×nh thµnh c¸c khèi macma bazan ngay trong líp vá vµ ®­îc gäi lµ lß macma. Qóa tr×nh phun trµo cña c¸c lß macma qua khe trôc lµ ®iÓm gèc cña c¸c chång gèi dung nham trªn ®¸y ®¹i d­¬ng. Qóa tr×nh nµy dï xÈy ra t¹i bÊt kú vÞ trÝ nµo däc theo trôc sèng nói còng ®Òu mang tÝnh ph©n ®ît vµ cuèi mçi mét ®ît phun trµo cña nã lµ sù h×nh thµnh cña mét v¸ch dung nham trong lßng c¸c khe nøt do sù r¾n kÕt cña mét l­îng macma nµo ®ã (d¹ng dyke), bÒ dµy phæ biÕn cña c¸c v¸ch nµy kho¶ng chõng 1m. Víi mçi ®ît phun trµo tiÕp theo trong cïng mét khu vùc lµ sù ra ®êi cña mét khe nøt míi bªn c¹nh c¸c khe nøt cò hoÆc còng cã thÓ ngay chÝnh t¹i líp v¸ch dung nham võa ®­îc h×nh thµnh tr­íc ®ã. VÞ trÝ c¸c ®ai v¸ch dung nham th­êng n»m ë phÇn d­íi cïng cña tÇng ®Þa chÊn 2 (phô tÇng 2C). PhÇn chÝnh cña khèi macma sÏ tõ tõ nguéi dÇn vµ kÕt tinh b¾t ®Çu tõ thµnh lß khi hai m¶ng tiÕp tôc rêi xa nhau. Qóa tr×nh kÕt tinh cña macma lµ nguyªn nh©n h×nh thµnh tÇng ®¸ gabrro cña líp 3 vµ tÇng peridotit ph©n líp n»m trªn líp ®Þa chÊn 4. C¸c vËt chÊt n»m gi÷a lß macma cã thÓ ®­îc duy tr× ë tr¹ng th¸i láng trong mét thêi gian dµi do ®­îc bæ sung liªn tôc macma t­¬i tõ d­íi s©u ®i lªn. Nh÷ng phÇn manti cßn l¹i ch­a bÞ nãng ch¶y sÏ cïng c¸c m¶ng ph©n kú ch×m s©u xuèng d­íi t¹o thµnh phÇn cßn l¹i cña líp th¹ch quyÓn ®¹i d­¬ng. C©u hái 4.2 Gi¶ sö nÕu c¸c v¸ch dung nham ®­îc h×nh thµnh trong qu¸ tr×nh t¸ch d·n cã bÒ dµy trung b×nh lµ 1m, hái thêi gian h×nh thµnh cña mçi v¸ch sÏ lµ bao l©u ®èi víi c¸c khu vùc t¸ch d·n nh­ sèng nói ngÇm gi÷a §¹i T©y D­¬ng (tèc ®é t¸ch d·n cña mét m¶ng lµ 2cm/n¨m) vµ vïng ch©n lôc ®Þa phÝa ®«ng Th¸i B×nh §­¬ng (tèc ®é t¸ch d·n cña mét m¶ng lµ 8cm/n¨m)? 4.1.1. Dung nham d¹ng gèi : Líp vËt chÊt bªn ngoµi cña vá ®¹i d­¬ng C¸c dung nham d¹ng gèi (lava) th­êng xuÊt hiÖn t¹i nh÷ng khu vùc cã sù phun trµo cña macma bazan d­íi n­íc, v× vËy phÇn vá bªn ngoµi cña líp vá ®¹i d­¬ng cã cÊu t¹o chñ yÕu bëi c¸c dung nham lava - ®©y lµ mét lo¹i ®¸ nói löa kh¸ phæ biÕn trªn tr¸i ®Êt. Theo b¹n c¸c dung nham bazan phun trµo d­íi n­íc sÏ nguéi nhanh h¬n hay chËm h¬n so víi c¸c dung nham phun trµo trªn bê? C¸c dung nham phun trµo d­íi n­íc sÏ nguéi nhanh h¬n v× n­íc cã ®é dÉn nhiÖt cao h¬n kh«ng khÝ. Qóa tr×nh nguéi l¹nh nhanh chãng cã thÓ lµ nguyªn do dÉn ®Õn cÊu tróc d¹ng gèi kh¸c biÖt cña líp dung nham nµy: ngay khi dßng macma phun trµo tråi lªn ®¸y biÓn, bÒ mÆt bªn ngoµi cña chóng nhanh chãng bÞ nguéi l¹nh vµ kÕt r¾n nh­ng kh«ng qóa cøng mµ vÉn ®ñ mÒm ®Ó cã thÓ tiÕp tôc di chuyÓn theo c¸c dßng dung nham. Khi dßng macma trµo lªn qóa nhanh, ¸p lùc bªn trong dßng sÏ sinh ra c¸c chåi dung nham trßn hoÆc dµi. C¸c chåi nµy sÏ næ bung khi ph¸t triÓn tíi mét kÝch th­íc nµo ®ã vµ khëi sinh ra c¸c dßng dung nham míi, t¸ch khái dßng ch¶y cò vµ h×nh thµnh líp gèi kh¸c. Qóa tr×nh thµnh t¹o c¸c dung nham d¹ng gèi lu«n lµ chñ ®Ò nghiªn cøu chuyªn s©u, c¸c giai ®o¹n h×nh thµnh vµ ph¸t triÓn chÝnh cña chóng cã thÓ ®­îc minh häa s¬ bé nh­ trªn h×nh 4.4. Sù lÆp l¹i liªn tiÕp cña qu¸ tr×nh nµy cã thÓ t¹o ra mét chång gèi dung nham dµy ®Õn hµng tr¨m mÐt vµ sinh ra d¹ng ®Þa h×nh næi cuén ®Æc tr­ng trªn ®¸y ®¹i d­¬ng. Nh÷ng gèi dung nham cã ®­êng kÝnh tõ 10cm ®Õn trªn 1m vµ dµi tíi vµi mÐt ®­îc gäi lµ gèi dung nham lín. Khi ®«ng cøng chóng cã cÊu t¹o líp vá thñy tinh sÉm mµu bªn ngoµi (do qu¸ tr×nh nguéi l¹nh nhanh cña bÒ mÆt bªn ngoµi), bªn trong lµ lâi dung nham kÕt tinh h¬n cã cÊu t¹o r¹n nøt d¹ng to¶ tia do bÞ nguéi l¹nh chËm. H×nh 4.4: (a) - (c) C¸c giai ®o¹n ph¸t triÓn chÝnh trong qu¸ tr×nh h×nh thµnh c¸c chång gèi dung nham. Qóa tr×nh h×nh thµnh cña chóng lµ do sù ph¸t triÓn cña líp vá bäc míi t¹i vÞ trÝ xuÊt hiÖn c¸c vÕt nøt nãng ch¶y. (a) §Çu l­ìi dung nham ch¶y trªn s­ên dèc liªn kÕt víi dßng dung nham lín h¬n ë phÝa tr¸i. C¸c khe nøt xuÊt hiÖn do qóa tr×nh nãng ch¶y cña líp vá bäc máng bªn ngoµi gióp gi¶i tho¸t mét phÇn ¸p lùc sinh ra bªn trong líp vá bëi sù phun trµo liªn tôc cña c¸c dung dÞch macma. T¹i c¸c ®iÓm xung yÕu trªn dßng ch¶y cã thÓ xuÊt hiÖn c¸c chåi dung nham do sù h×nh thµnh cña c¸c vÕt nøt trßn. (b) Sù ph¸t triÓn cña chång gèi dung nham míi víi c¸c vÕt nh¨n trªn bÒ mÆt tõ vÞ trÝ c¸c vÕt nøt nãng ch¶y. C¸c l­ìi dung nham tiÕp tôc ph¸t triÓn kÐo dµi theo s­ên dèc, c¸c chåi dung nham bÞ cong xuèng do søc nÆng cña cét dung nham khi bÞ ®ïn lªn liªn tôc. (c) Qóa tr×nh më réng cña vÕt nøt t¹i ®Çu l­ìi bÞ suy yÕu dÇn vµ sinh ra c¸c khóc do sù xuÊt hiÖn cña c¸c nÕp nh¨n ngang vµ sù h×nh thµnh cña c¸c khÊc ®øt g·y c¾t qua khe nøt. Bªn trong lâi cña dßng dung nham xuÊt hiÖn mét khe nøt däc kÐo dµi cã ®é d·n réng chËm. Gi÷a th©n cña c¸c dßng chåi dung nham cã thÓ ph¸t triÓn c¸c vÕt nøt t¸ch míi khiÕn chóng tiÕp tôc mäc dµi ra. (d) ¶nh chôp mét thiÕt bÞ lÊy mÉu ngÇm thuéc dù ¸n FAMOUS (môc 4.1.2) ®ang thu thËp c¸c m¶nh dung nham trªn ®¸y ®¹i d­¬ng KÕt qu¶ ph©n tÝch c¸c mÉu lâi khoan cho thÊy thµnh phÇn cÊu t¹o cña tÇng ®¸ nói löa kh«ng hoµn toµn lµ c¸c dung nham d¹ng gèi. §«i khi xen gi÷a chóng lµ c¸c líp dung nham d¹ng tÊm (do sù ch¶y trµn cña c¸c dßng dung nham). H¬n n÷a, do ®Æc tÝnh dÔ bÞ vì vôn nªn th­êng gÆp c¸c tËp hîp côc bé m¶nh vôn ®¸ nói löa vµ m¶nh vôn thñy tinh cã nguån gèc tõ c¸c lava. Sù thµnh t¹o cña c¸c dung nham d¹ng gèi gãp phÇn lµm cho ®¸y biÓn trë nªn gå ghÒ vµ cïng víi nhiÒu qóa tr×nh kiÕn t¹o kh¸c, ®Þa h×nh bÒ mÆt ®¸y ®¹i d­¬ng cµng trë nªn th« r¸p. 4.1.2. Sù h×nh thµnh cña tÇng ®¸ nói löa – tr­êng hîp nghiªn cøu cô thÓ Trong phÇn nµy, chóng t«i sÏ tr×nh bµy mét sè kÕt qña nghiªn cøu chi tiÕt mét phÇn vïng sèng nói gi÷a §TD ®­îc thùc hiÖn trong suèt thËp niªn 70 vµ ®· ®­îc c«ng nhËn lµ mét c«ng tr×nh khoa häc xuÊt s¾c. Qua nh÷ng nghiªn cøu nµy, b¹n ®äc cã thÓ hiÓu thªm vÒ c¸c c¬ chÕ ho¹t ®éng cña nói löa, sù h×nh thµnh cña c¸c khe nøt, ®Þa hµo (®øt g·y) vµ c¸c ®ai x©m nhËp däc theo c¸c trôc sèng nói ®¹i d­¬ng. C¸c thiÕt bÞ kü thuËt ®Þnh vÞ hµng h¶i vµ kh¶o s¸t ®¸y biÓn ®­îc m« t¶ trong ch­¬ng 1 ®· ®­îc sö dông trong c¸c ch­¬ng tr×nh nghiªn cøu thuéc dù ¸n FAMOUS (French-American Mid-Ocean Undersea Study) ®Ó lùa chän vïng nghiªn cøu vµ tiÕn hµnh ®iÒu tra chi tiÕt. Vïng nghiªn cøu cña dù ¸n FAMOUS. Dù ¸n nµy b¾t ®Çu n¨m 1971 khi häc thuyÕt t¸ch d·n ®¸y biÓn vµ kiÕn t¹o m¶ng ®­îc c¸c nhµ khoa häc tr¸i ®Êt thõa nhËn vµ còng lµ thêi ®iÓm thuËn lîi ®Ó thùc hiÖn c¸c cuéc ®iÒu tra kh¶o s¸t tû mØ nh÷ng khu vùc sinh ra c¸c m¶ng th¹ch quyÓn – vïng trôc sèng nói gi÷a ®¹i d­¬ng. Vïng nghiªn cøu thuéc dù ¸n FAMOUS lµ mét d¶i sèng nói ng¾n, kho¶ng chõng 640 km n»m trong hÖ thèng sèng nói ngÇm gi÷a §¹i T©y D­¬ng kÐo dµi vÒ phÝa t©y nam Azores (h×nh 4.5) vµ lµ ranh giíi gi÷a hai m¶ng Ch©u Phi vµ Ch©u Mü. Cã hai lý do cho sù lùa chän nµy: thø nhÊt nh÷ng dÞ th­êng tõ ë vïng trung t©m sèng nói thÓ hiÖn rÊt râ qua c¸c nghiªn cøu b»ng m¸y bay. Thø hai, vÞ trÝ cña khu vùc n»m kh«ng qóa xa bÕn c¶ng Ponta Delgada cña Azores nªn t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho viÖc sö dông c¸c tµu ngÇm nghiªn cøu kh¶o s¸t ®¸y ®¹i d­¬ng. Sau khi lùa chän vïng kh¶o s¸t, mét lo¹t c¸c cuéc ®iÒu tra ®o ®¹c vïng ®¸y s©u ®· ®­îc tiÕn hµnh víi c¸c tØ lÖ kh¸c nhau nh»m thµnh lËp c¸c b¶n ®å ®é s©u nh­ trªn h×nh 4.5 vµ 4.6. Trªn s¬ ®å tØ lÖ nhá (h×nh 4.5), b¹n cã thÓ thÊy d¶i sèng nói gi÷a §¹i T©y D­¬ng bÞ chia c¾t vµ x« lÖch bëi mét sè c¸c ®øt gÉy biÕn d¹ng. Kho¶ng c¸ch gi÷a hai ®íi ®øt g·y A vµ B xÊp xØ 50 km vµ lµ chiÒu dµi giíi h¹n cña vïng nghiªn cøu FAMOUS. C¸c tuyÕn kh¶o s¸t cña tµu ngÇm ®­îc biÓu diÔn cô thÓ trªn s¬ ®å h×nh 4.6. §é s©u cña ®¸y thung lòng ®Þa hµo kho¶ng 2500 km vµ r¶i r¸c trong khu vùc nµy lµ mét vµi khèi nói thÊp, trong ®ã nh÷ng khèi nói cã ®Ønh nh« cao ®­îc ®Æt tªn riªng nh­ ®Ønh Venus, ®Ønh Pluto. H×nh 4.7 lµ s¬ ®å mÆt c¾t ngang qua vïng thung lòng trung t©m vµ qua ®Ønh Venus (h×nh 4.6). C©u hái 4.3(a) Nh÷ng ®øt g·y lín nhÊt sÏ n»m t¹i vÞ trÝ nµo cña vïng thung lòng ®Þa hµo ®­îc m« t¶ trªn h×nh 4.7? (b) Nh÷ng vÞ trÝ nµo trong lßng thung lòng nµy cã thÓ xuÊt hiÖn nói löa (h×nh 4.7)? H×nh 4.5: S¬ ®å ®é s©u vïng thung lòng gi÷a nói thuéc vïng nghiªn cøu FAMOUS. Khu vùc kh¶o s¸t cña tµu ngÇm (h×nh 4.6) t­¬ng øng víi vÞ trÝ n»m trong giíi h¹n h×nh vu«ng trªn b¶n ®å gi÷a hai ®íi ®øt g·y A vµ B. §¬n vÞ ®o cña c¸c ®­êng ®¼ng s©u lµ fathom (1 fathom = 1,829m) H×nh 4.6: B¶n ®å m« t¶ chi tiÕt vïng thung lòng ®Þa hµo n»m trong khu vùc kh¶o s¸t cña tµu Alvin. C¸c ®­êng ®Ëm nÐt mµu ®en lµ tuyÕn kh¶o s¸t cña tµu. §­êng th¼ng c¾t ngang qua thung lòng ë phÇn trªn cña b¶n ®å lµ vÞ trÝ mÆt c¾t ngang trªn h×nh 4.7 H×nh 4.7: S¬ ®å mÆt c¾t ngang qua ®Ønh Venus (xem vÞ trÝ trªn h×nh 4.6) C¸c thiÕt bÞ kü thuËt ®­îc sö dông trong qóa tr×nh nghiªn cøu cña dù ¸n HÇu hÕt c¸c m¸y mãc, thiÕt bÞ nghiªn cøu vÒ ®Þa chÊt, ®Þa vËt lý biÓn cã kh¶ n¨ng sö dông ®Òu ®­îc FAMOUS khai th¸c trong ch­¬ng tr×nh nghiªn cøu cña m×nh. Vµo thêi ®iÓm ®ã, rÊt nhiÒu lo¹i m¸y cßn Ýt ®­îc dïng vµo môc ®Ých nghiªn cøu biÓn, nh­ng chóng ®· ®­îc thay ®æi vµ c¶i tiÕn ®Ó phôc vô cho ho¹t ®éng nghiªn cøu cña dù ¸n. 1. HÖ thèng ®Þnh hµng hµng h¶i. Nh­ ®· nãi ë ch­¬ng 1, c¸c ho¹t ®éng quan tr¾c trªn biÓn sÏ gÆp khã kh¨n nÕu thiÕu c¸c thiÕt bÞ ®Þnh vÞ hµng h¶i. §èi víi c¸c ho¹t ®éng kh¶o s¸t cña FAMOUS, viÖc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c vÞ trÝ c¸c tr¹m quan tr¾c lu«n lµ vÊn ®Ò ­u tiªn hµng ®Çu bëi nh÷ng yªu cÇu cao cña dù ¸n (®é sai lÖch cho phÐp chØ kho¶ng 10m). Do vËy, ng­êi ta ®· thiÕt kÕ mét hÖ thèng ®Þnh vÞ b»ng ©m thanh cã sö dông c¸c m¸y thu ph¸t ®­îc ®Æt trªn ®¸y biÓn kÕt nèi víi tµu ngÇm hoÆc tµu næi. §©y lµ mét thiÕt bÞ ®a n¨ng cã thÓ sö dông kÕt hîp víi c¸c nhãm thiÕt bÞ ngÇm kh¸c. H×nh 4.8: H×nh ¶nh mét phÇn ®¸y biÓn thuéc vïng nghiªn cøu cña dù ¸n FAMOUS do thiÕt bÞ quÐt s­ên GLORIA cung cÊp. ¶nh ®­îc x©y dùng nhê viÖc chång ghÐp c¸c m¶nh s¬ ®å quÐt cña m¸y GLORIA theo tuyÕn ®«ng nam. C¸c vïng mµu s¸ng lµ khu vùc ph¶n x¹ sãng m¹nh. 2. Sonar quÐt s­ên. Sù trî gióp cña ng­êi Anh cho dù ¸n nµy lµ hÖ thèng m¸y dß ®é s©u vµ quÐt s­ên b»ng ©m thanh cã tªn gäi GLORIA (ch­¬ng 1). Nhê kh¶ n¨ng cña GLORIA, ng­êi ta ®· thu ®­îc nh÷ng h×nh ¶nh vÒ h×nh th¸i bÒ mÆt ®¸y biÓn. C¸c bøc tranh vÒ ®é nh¸m ®Þa h×nh ®¸y ®· ®­îc x©y dùng tõ c¸c m¶nh chång ghÐp cña s¬ ®å m¸y quÐt (h×nh 4.8). §ã lµ nh÷ng tµi liÖu v« cïng qóy gi¸ gióp cho viÖc x¸c ®Þnh c¸c thµnh v¸ch cña nh÷ng ®øt g·y lín vµ ph¹m vÞ ¶nh h­ëng cña c¸c ®íi ®øt g·y ®­îc chÝnh x¸c h¬n. 3. LIBEC. §é réng cña èng kÝnh vµ chÊt l­îng ¶nh chôp th­êng, ngÇm d­íi n­íc lu«n bÞ giíi h¹n bëi ¶nh h­ëng cña c¸c tia s¸ng ng­îc. §Ó kh¾c phôc hiÖn t­îng nµy mét hÖ thèng camera chuyªn dông cã c­êng ®é chiÕu s¸ng m¹nh (Light Behind Camera system - LIBEC) ®· ®­îc sö dông, nã cã kh¶ n¨ng di chuyÓn ngÇm trªn ®¸y biÓn vµ cã ®é phãng ®¹i lín. B»ng c¸ch chôp liªn tiÕp mét l­îng ¶nh lín víi tèc ®é nhanh, LIBEC cã thÓ cung cÊp nh÷ng h×nh ¶nh thùc cña ®¸y biÓn d­íi d¹ng ¶nh ghÐp. H×nh 4.9 lµ mét vÝ dô vÒ kiÓu ¶nh nµy, trªn ®ã cã thÓ quan s¸t thÊy nh÷ng vÕt nøt ®Æc tr­ng cña vïng ®¸y thung lòng ®Þa hµo. 4. M¸y ®o s©u håi ©m cã sö dông chïm tia hÑp. C¸c m¸y håi ©m ®­îc sö dông phæ biÕn trªn c¸c tµu nghiªn cøu vµo thêi ®iÓm ®ã cã ®é réng cña chïm tia kho¶ng 300, do ®ã kh«ng ®¸p øng ®­îc yªu cÇu kh¶o s¸t chi tiÕt cña dù ¸n FAMOUS. Víi ®é ph©n gi¶i lín h¬n 1km nªn lo¹i m¸y nµy khã cã kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn ®­îc nh÷ng d¹ng ®Þa h×nh nh­ kiÓu ®Ønh Venus. Tuy nhiªn, víi hÖ thèng m¸y sö dông chïm tia hÑp kho¶ng 20 nh­ cña H¶i qu©n Mü th× cã thÓ ph¸t hiÖn ®­îc c¶ nh÷ng d¹ng ®Þa h×nh nhá h¬n n÷a (h×nh 4.10). Thùc tÕ, diÖn tÝch chiÕu s¸ng cña mét chïm tia gÇn nh­ ngang b»ng víi thÞ tr­êng cña cöa sæ tµu ngÇm, do vËy khi chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ lÆn cÇn l­u ý ®Õn ®iÓm nµy. Sù trî gióp cña c¸c m¸y mãc c«ng nghÖ cao ®· t¹o thªm nhiÒu ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho c¸c chuyÕn th¸m hiÓm b»ng tµu ngÇm. Nh÷ng con tµu chuyªn dông ®­îc thiÕt kÕ riªng cho môc ®Ých nghiªn cøu nµy (h×nh 1.21) th­êng cã cÊu t¹o vá ngoµi b»ng titan ®Ó t¨ng kh¶ n¨ng chÞu ¸p lùc cao cña tÇng n­íc, ngoµi ra nã cßn ®­îc l¾p r¸p thªm c¸c c«ng cô lÊy mÉu kh¸c nhau nh­ tay nhÆt mÉu tù ®éng, tói thu mÉu trÇm tÝch bë rêi, èng lÊy mÉu lâi trÇm tÝch b»ng nhùa hay c¸c chai lÊy mÉu n­íc. H×nh 4.9: H×nh ¶nh vïng ®¸y thung lòng ®Þa hµo do LIBEC cung cÊp. Trªn ¶nh thÓ hiÖn râ hai vÖt khe nøt ch¹y song song víi trôc t¸ch d·n. L­u ý, tØ lÖ phãng ë ®©y lín h¬n nhiÒu so ¶nh do GLORIA cung cÊp trªn h×nh 4.8 H×nh 4.10: Gi¸ trÞ sö dông cña c¸c chïm tia hÑp so víi c¸c chïm tia lín cña thiÕt bÞ håi ©m trong viÖc thµnh lËp b¶n ®å ®Þa h×nh vïng thung lòng ®Þa hµo chÝnh lµ ®é ph©n gi¶i cña nã ®èi víi c¸c d¹ng ®Þa h×nh nhá hoÆc cã kÝch th­íc gÇn t­¬ng tù nh­ ®Ønh Venus (h×nh 4.6) H×nh 4.11: (a)-(d). Mét vµi h×nh ¶nh vïng ®¸y thung lòng ®Þa hµo ®­îc chôp qua cöa sæ tµu Alvin. §é réng cña èng kÝnh chôp cã ®­êng kÝnh b»ng 1m ®èi víi ¶nh (a), 3m ®èi víi ¶nh (b), (d) vµ kho¶ng 6m ®èi víi ¶nh (c). Tham kh¶o thªm c©u hái vµ c©u tr¶ lêi 4.4 ®Ó biÕt thªm chi tiÕt H×nh 4.12: L¸t c¾t tõ mét gèi dung nham lava n»m trong vïng nghiªn cøu cña dù ¸n FAMOUS cã ®­êng kÝnh 50cm C©u hái 4.4 H×nh 4.11 cho thÊy mét sè bøc ¶nh vïng ®¸y thung lòng ®Þa hµo ®­îc chôp tõ tµu ngÇm Alvin. H·y quan s¸t vµ cho biÕt c¸c ®Æc ®iÓm sau ®©y ®­îc thÓ hiÖn trong bøc ¶nh nµo?(mét hay nhiÒu ®Æc ®iÓm cã thÓ xuÊt hiÖn trong cïng mét ¶nh) BiÓu hiÖn râ nÐt cña c¸c dung nham d¹ng gèi. C¸c m¶nh ®¸ vôn. Líp phñ trÇm tÝch. Khe nøt. H×nh 4.12 lµ mét l¸t c¾t cña gèi dung nham kÐo dµi, cã thÓ ®· ®­îc thµnh t¹o chØ trong mét vµi phót sau khi dßng dung nham bazan nãng ch¶y võa trµo lªn. PhÇn r×a bªn ngoµi cña nã lµ líp vá thñy tinh ®­îc h×nh thµnh do qóa tr×nh nguéi l¹nh nhanh cña bÒ mÆt dßng dung nham, sau ®ã bÞ biÕn ®æi nhanh chãng bëi c¸c ph¶n øng t­¬ng t¸c víi n­íc biÓn nh­ hydrat hãa, thñy tinh hãa. PhÇn lâi bªn trong v× nguéi l¹nh chËm h¬n (kho¶ng sau mét vµi ngµy) nªn cã cÊu t¹o r¹n nøt d¹ng táa tia trªn bÒ mÆt c¾t ngang. PhÇn lâi tung t©m lµ mét lç ®en, ®ã cã thÓ lµ ®­êng èng nhá kÐo dµi xuyªn suèt chiÒu dµi gèi. PhÇn dung nham cßn l¹i trong lßng èng lu«n ®­îc duy tr× ë tr¹ng th¸i nãng ch¶y, khiÕn nã cã thÓ di chuyÓn vµ tho¸t ra ngoµi sinh ra nh÷ng chåi gèi míi. Ph©n tÝch c¸c d÷ liÖu C¬ së ®Ó ph©n tÝch c¸c d÷ liÖu cña FAMOUS ®­îc b¾t ®Çu víi gi¶ thiÕt r»ng ho¹t ®éng phun trµo lµ nguån gèc h×nh thµnh cña ®a sè c¸c d¹ng ®Þa h×nh trªn ®¸y thung lòng (h×nh 4.6). Theo ®ã, trªn ®Ønh hoÆc gÇn ®Ønh cña mçi ®Þa h×nh d¹ng nói ph¶i cã mét hoÆc nhiÒu miÖng nói löa víi c¸c h­íng dßng ch¶y táa ra kh¸c nhau cña dung nham. Sau ®ã, ®iÒu nµy ®· ®­îc x¸c thùc qua viÖc kh¶o s¸t trùc tiÕp b»ng tµu ngÇm trªn ®Ønh Pluto (h×nh 4.6). T¹i ®ã, ng­êi ta ®· t×m thÊy nh÷ng häng phun trµo víi c¸c dßng dung nham tr­ên theo s­ên dèc, ®Ó l¹i c¸c d¹ng ®Þa h×nh dßng ch¶y trªn s­ên nói. Trong vïng nghiªn cøu cña FAMOUS ®· ph¸t hiÖn ®­îc 18 ®Þa h×nh d¹ng nói trªn ®¸y thung lòng cã nguån gèc t­¬ng tù nh­ ®Ønh Pluto. Nh÷ng ®Ønh nói xuÊt hiÖn gÇn vïng trung t©m cña thung lòng, nh­ Venus (h×nh 4.13) d­êng nh­ vÉn cßn ho¹t ®éng cho tíi gÇn ®©y. Víi nh÷ng ®Ønh nói n»m xa trôc h¬n, kho¶ng c¸ch ph©n bè cña chóng th­êng d·n ra vµ tuæi th× còng giµ h¬n, ®«i khi chóng cßn bÞ chia c¾t bëi c¸c ®øt g·y song song víi trôc t¸ch d·n (h×nh 4.14). H×nh 4.13: S¬ ®å ph©n tÝch ®é s©u khu vùc ®Ønh nói Venus. Vïng mµu ®á lµ ®Ønh Venus, c¸c chÊm ®ªn lµ miÖng nói löa, c¸c mòi tªn lµ h­íng dßng ch¶y dung nham. §¬n vÞ ®é s©u ë ®©y ®­îc tÝnh b»ng fathom Sù tiÕn hãa cña vïng ®¸y thung lòng ®Þa hµo H×nh 4.14 cho thÊy møc ®é phøc t¹p cña ®Þa h×nh vïng sèng nói gi÷a §¹i T©y D­¬ng. Qua c¸c chuyÕn kh¶o s¸t chi tiÕt vÒ ®Þa h×nh vµ thèng kª c¸c ®ît phun trµo, nhãm nghiªn cøu FAMOUS ®· hoµn thiÖn s¬ ®å ®Þa h×nh vïng ®¸y thung lòng (h×nh 4.15 vµ h×nh 4.16). Trªn nh÷ng s¬ ®å nµy ®· thÓ hiÖn ®­îc nh÷ng sù kiÖn ®· diÔn ra trong suèt 200.000 n¨m qua. §ã lµ diÔn biÕn cña c¸c qóa tr×nh phun trµo vµ t¸ch d·n ®Æc tr­ng cña vïng trôc sèng nói gi÷a §¹i T©y D­¬ng trong hµng chôc triÖu n¨m kÓ tõ khi §¹i T©y D­¬ng b¾t ®Çu ®­îc h×nh thµnh. Theo dâi c¸c s¬ ®å, b¹n cã thÓ hiÓu ®­îc nh÷ng giai ®o¹n thµnh t¹o chÝnh cña líp vá ®¹i d­¬ng ë hai bªn s­ên nói trong suèt 200.000 n¨m qua víi ®é réng tõ 2-3km t­¬ng øng víi tèc ®é t¸ch d·n mét phÝa lµ 1-2cm/n¨m (tèc ®é t¸ch d·n cña mét c¸nh). H×nh 4.14: S¬ ®å ph©n bè c¸c ®øt g·y vµ nói löa trong lßng thung lòng ®Þa hµo thuéc vïng nghiªn cøu cña dù ¸n FAMOUS. Vïng mµu ®á ®Ëm lµ c¸c nói löa trÎ n»m trªn c¸c trôc t¸ch d·n hiÖn t¹i. C¸c ®­êng ®øt g·y ®Ëm nÐt lµ nh÷ng ®øt g·y s©u d¹ng ®Þa hµo, c¸c ®­êng m¶nh nÐt lµ c¸c ®øt g·y n»m trªn ®¸y thung lòng. C¸c chÊm ®en lµ miÖng nói löa ®ång thêi còng lµ h­íng ®­êng ph©n thñy trªn ®Ønh nói. S¬ ®å nµy ®­îc x©y dùng tõ c¸c nguån d÷ liÖu vÒ ®é s©u, quan tr¾cb»ng tµu ngÇm, kh¶o s¸t ®Þa h×nh ®¸y b»ng c¸c thiÕt bÞ m¸y mãc th¶ s©u chuyªn dông H×nh 4.15: S¬ ®å tiÕn hãa vïng ®¸y thung lòng ®Þa hµo trong 200.000 n¨m qua, dùa trªn c¸c nghiªn cøu vÒ tuæi t­¬ng ®èi cña c¸c dung nham lava. Tuæi cña c¸c khèi nói ®­îc tÝnh b»ng 103 n¨m. §èi víi mçi giai ®o¹n tõ (a) ®Õn (g), ho¹t ®éng cña c¸c trôc nói löa (VA) vµ sù h×nh thµnh cña c¸c ®Þa hµo (SR) ®Òu ®­îc thÓ hiÖn râ. Giai ®o¹n (h) tÊt c¶ c¸c ®Þa hµo ®­îc h×nh thµnh ph¸t triÓn chång lªn nhau. L­u ý r»ng, qóa tr×nh chia c¾t vµ x« lÖch t¹m thêi ch¾c ch¾n sÏ x¶y ra t¹i mét thêi ®iÓm nµo ®ã vµ lu«n cã sù trïng hîp ngÉu nhiªn gi÷a c¸c hÖ thèng trôc phun trµo vµ hÖ thèng c¸c ®Þa hµo. Xem gi¶i thÝch trong phÇn bµi viÕt H×nh 4.16: S¬ ®å mÆt c¾t biÓu diÔn qóa tr×nh ph¸t triÓn cña lßng thung lòng, dùa trªn nhiÒu mÆt c¾t ngang qua vïng ®¸y thung lòng sau khi ®· lo¹i bá ho¹t ®éng cña c¸c ®øt g·y. (g) lµ mÆt c¾t thùc tÕ víi sù cã mÆt cña hÖ thèng ®øt g·y. Tuæi cña líp vá h×nh thµnh trªn ®¸y thung lòng ®­îc thÓ hiÖn cô thÓ b»ng nh÷ng con sè trªn h×nh v