Hoạt động biến chất là quá trình biến đổi đá (trầm tích, magma, biến chất) trong trạng thái rắn dưới tác động của các yếu tố biến chất: nhiệt độ, áp suất và chất lưu. Các đá được hình thành trong quá trình biến chất gọi là đá biến chất. Thuật ngữ “biến chất” lần đầu tiên được A. Bue đưa vào văn liệu địa chất năm 1820 (tiếng Hy Lạp nghĩa là biến hình) và thuật ngữ “đá biến chất” trở nên phổ biến sau lần xuất bản đàu tiên của cuốn “Cơ sở địa chất” của Charles Lyell (1883). Quá trình biến chất được giới hạn trên bởi quá trình thành đá trầm tích (diagenese), các khoáng vật tạo đá được gắn kết với nhau thông qua áp lực của tải trọng của chính khối đá, không đi với quá trình hình thành khoáng vật mới và được giới hạn dưới là hoạt động magma.

Trong quá trình biến chất xảy ra tái kết tinh (trong trạng thái rắn) các khoáng vật của đá ban đầu, phát triển các khoáng vật tạo đá biến chất mới. Biến chất luôn kéo theo sự thay đổi thành phần hóa học của đá ban đầu. Nếu trong quá trình biến chất chỉ có sự thay đổi các hợp phần chất bốc (H2O, CO2H2O, CO2) được gọi là đẳng hóa, ngược lại biến chất dị hóa kéo theo sự biến đổi một cách cơ bản thành phần hóa học của đá, trường hợp cao nhất gọi là biến chất trao đổi. Hoạt động biến chất là quá trình phức tạp và được chia thành các kiểu chính: biến chất tiếp xúc (hay còn gọi là biến chất nhiệt), biến chất khu vực, biến chất động lực và biến chất do va chạm.

Hoạt động biến chất khu vực khi vùng rộng lớn vỏ lục địa bị lôi vào quá trình tạo núi, nơi hội tụ của các mảng thạch quyển tạo nên Hoạt động biến chất quy mô lớn, sự va chạm của hai mảng lục địa tạo ra các lực nén cực mạnh, làm tăng bề dày vỏ dẫn đến các thay đổi của các điều kiện nhiệt độ và áp suất, hoạt động này tạo ra các đá biến chất. So với cấu trúc địa chất, mức độ biến chất được tạo ra với điều kiện áp suất và nhiệt độ ngày càng tăng được gọi là Hoạt động biến chất tịnh tiến (thuận). Ngược lại, nhiệt độ và áp suất giảm đặc trưng cho Hoạt động biến chất giật lùi (nghịch).

Hoạt động biến chất tiếp xúc (Hoạt động biến chất nhiệt) thường xảy ra xung quanh các khối magma xâm nhập, nơi có sự gia tăng nhiệt do sự xâm nhập của magma vào đá “nền” trong vỏ Trái đất. Khu vực vành tiếp xúc tạo nên đá biến chất tiếp xúc thường đặc trưng bởi đá sừng. Đá hình thành do biến chất tiếp xúc không bị biến dạng mạnh và thường có dạng hạt mịn, hoặc giữ nguyên cấu tạo ban đầu. Nhiệt của khối mácma tạo nên mức độ biến chất được đo bằng sự xuất hiện khoáng vật mới. Với các đá giàu nhôm, rất dễ nhận ra ví như sừng Andalusit, sừng sillimanit hay sừng pyroxen.

Hoạt động biến chất nhiệt dịch là kết quả của sự tương tác của đá nền với dung dịch nhiệt dịch nhiệt độ cao, có thành phần hóa học đa dạng. Sự khác biệt về thành phần hóa học giữa đá nền và dung dịch nhiệt dịch gây ra một loạt các phản ứng biến chất. Dung dịch nhiệt dịch có thể bắt nguồn từ magma xâm nhập, từ sự đối lưu của dung dịch nhiệt dịch trong các đá basalt đáy đại dương nơi tiếp giáp với các sống núi giữa đại dương hay các núi lửa ngầm dưới đáy biển, tạo ra biến chất nhiệt dịch trên diện rộng. Hoạt động biến chất nhiệt dịch này là dấu hiệu quan trọng trong việc tìm kiếm các mỏ quặng kim loại có giá trị.

Dung dịch mácma từ khối đá xâm nhập tham gia phản ứng biến chất. Sự tiêm nhập của chất lưu làm thay đổi thành phần hóa học của đá xung quanh. Nếu đá nền có thành phần carbonat (đá vôi) hình thành nên đá skarn. Nếu chất lưu giàu Flo để lại khi đá granit nguội đi thường hình thành đá greisen tại vành tiếp xúc. Điều quan trọng, nơi đây thường lắng đọng các quặng kim loại và nên rất được quan tâm về mặt kinh tế. Một Hoạt động biến chất tiếp xúc đặc biệt liên quan tới đá xung quanh có giàu chất hữu cơ thường sinh ra nhiên liệu hóa thạch như than hoặc dầu khí.

Hoạt động biến chất động lực liên quan đến các đới có biến dạng dọc đới đứt gãy sâu. Ở độ sâu 0-5 km, biến chất động lực thường không được tạo ra vì áp suất giới hạn quá thấp để tạo ra nhiệt ma sát. Không có đá biến chất được hình thành mà tạo ra các đábreccia hoặc cataclasit.Với độ sâu 5-10 km, đá pseudotachylit được hình thành do năng lượng tập trung vào mặt đứt gãy và áp suất giới hạn đủ để làm thay đổi kiến trúc của đá gốc, chúng bị nghiền nhỏ tới cấp hạt nhỏ như dạng thủy tinh nhiệt độ tăng cao do ma sát đủ để hình thành một số khoáng vật mới trong đá này. Độ sâu 10-20 km, nhiệt ma sát và áp suất tăng cao có định hướng và làm các đá bị nghiền nát, tái kết tinh toàn bộ hình thành các khoáng vật mới tạo nên đá mylonit có cấu tạo định hướng theo phương của đới đứt gãy.

Hoạt động biến chất do va chạm xảy ra khi một thiên thạch va chạm với bề mặt Trái đất. Do đó, biến này được đặc trưng bởi điều kiện áp suất cực cao và nhiệt độ cao, xẩy ra trong khoảng thời gian ngắn. Các khoáng vật coesit, stishovit,… được tạo thành trong đá.

Tài liệu tham khảo

1. Bucher, Kurt, Petrogenesis of Metamorphic Rock, Springer, 2002.
2. Vernon, R. H., Metamorphic Processes, Halsted Press, 1976.