Địa chất cấu trúc ( cg. Địa chất cấu tạo) là chuyên ngành khoa học nghiên cứu về sự phân bố ba chiều và cách thức liên kết của các đá trong vỏ Trái đất cũng như lịch sử biến dạng của chúng. Địa chất cấu trúc sử dụng các phép đo hình học để nhận dạng lịch sử tiến hóa cấu trúc của một khu vực. Các cấu trúc địa chất hình thành khi chuyển động kiến tạo làm biến dạng vỏ Trái đất. Để nghiên cứu cấu trúc địa chất, các nhà khoa học phân chia chúng theo nhiều cách khác nhau, dựa vào:

1. Đặc điểm hình học: (i) cấu trúc dạng mặt phẳng (vd. khe nứt, đứt gãy); (ii) cấu trúc dạng mặt cong (vd. nếp uốn);(iii) cấu trúc dạng tuyến (vd. vết xước kiến tạo trên mặt đứt gãy, đường bản lề nếp uốn)
2. Ý nghĩa địa chất: (i) nhóm cấu trúc nguyên sinh và phi kiến tạo; (ii) nhóm cấu trúc kiến tạo. Nhóm cấu trúc nguyên sinh và phi kiến tạo bao gồm: cấu trúc nguyên sinh (vd. cấu tạo nằm ngang của lớp đá trầm tích); cấu trúc do trượt trọng lực sinh ra; cấu trúc hình thành do sự khác biệt tỷ trọng theo chiều ngang của lớp đá; cấu trúc hình thành do tác động của áp suất chất lưu
3. Thời gian hình thành: (i) cấu trúc hình thành đồng thời với quá trình tạo các thể đá; (ii) cấu trúc hình thành gần đồng thời, hình thành ngay sau khi lắng đọng trầm tích nhưng trước khi thành đá (vd. cấu tạo uốn nếp do dòng rối trong nội tầng trầm tích); (iii) cấu trúc hình thành sau khi thành tạo các thể đá
4. Quá trình hay cơ chế biến dạng: (i) cấu trúc sinh ra do nứt vỡ; (ii) cấu trúc sinh ra do quá trình trượt có ma sát (vd. đứt gãy); (iii) cấu trúc sinh ra do biến dạng trượt dẻo ở quy mô tinh thể; (iv) cấu trúc sinh ra do quá trình khuếch tán
5. Mức độ cố kết trong quá trình biến dạng: (i) cấu trúc dòn; (ii) cấu trúc dẻo; (iii) cấu trúc dòn-dẻo
6. Dựa vào kiểu biến dạng: (i) cấu trúc nén ép; (ii) cấu trúc căng giãn; (iii) cấu trúc trượt bằng
7. Sự phân bố biến dạng bên trong thể đá: (i) biến dạng liên tục; (ii) biến dạng đồng đều; (iii) biến dạng cục bộ; (iv) biến dạng rời rạc

Trong lĩnh vực các khoa học Trái đất, Địa chất cấu trúc có quan hệ chặt chẽ với Kiến tạo, Thạch học magma, Thạch học trầm tích, Thạch học biến chất, Địa động lực, Địa vật lý, Địa mạo, Địa tầng và Địa niên biểu. Cùng với Kiến tạo học, Địa chất cấu trúc giúp con người hiểu biết quá trình, cách thức, thời gian hình thành và biến đổi cấu trúc bên trong của các dãy núi, các cao nguyên, bình nguyên, các đồng bằng, các bể trầm tích, các thung lũng tách giãn, các mỏ khoáng sản cũng như toàn bộ lớp vỏ Trái đất.

Thời gian hình thành

Địa chất cấu trúc đã phôi thai hình thành từ thế kỷ XVIII. Hiện tượng thay đổi hình dạng, vị trí của lớp đá trầm tích, được ghi nhận lần đầu trong văn liệu tiếng Anh từ 1788, bắt đầu từ sự quan sát các lớp đá vốn dĩ nằm ngang, nay bị uốn cong và trở nên dốc đứng của Jame Hutton, một nhà địa chất Scotland. Tuy nhiên, hiện tượng các lớp đá trầm tích bị uốn cong ở dãy núi Alpơ đã được nhà địa chất Ý Antonio Vallisneri mô tả từ 1715. Đến 1796, Horace Bénédict de Saussure, một nhà khoa học Địa chất, Khí tượng và Vật lý Thụy Sĩ, đã giải thích hiện tượng uốn nếp trong dãy Alpơ là do các lực nén ép nằm ngang gây ra. Đến 1815, khái niệm “uốn nếp” mới thực sự ra đời. Kể từ đó, hàng loạt khái niệm mới của Địa chất cấu trúc lần lượt được các nhà khoa học đề xuất để mô tả và giải thích các hiện tượng, sản phẩm của quá trình biến dạng xuất hiện trong các tầng đá trầm tích, các thể đá magma, đá biến chất ở lục địa châu Âu, Anh Quốc, lục địa Bắc Mỹ, châu Á, châu Úc. Cùng với sự phát triển của các công cụ nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu của Địa chất cấu trúc cũng được mở rộng từ quy mô mạng tinh thể khoáng vật có kích thước nanomet đến các khu vực có diện tích hàng trăm nghìn km vuông.

Vai trò

Địa chất cấu trúc có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội, đặc biệt đối với lĩnh vực tìm kiếm, thăm dò và khai thác các mỏ khoáng, nền móng công trình giao thông, công trình thủy lợi, thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, lĩnh vực nghiên cứu giảm thiểu trượt lở mái dốc. Công việc quan trọng nhất trong lĩnh vực tìm kiếm và thăm dò dầu khí là xác định chính xác các cấu trúc uốn nếp, đứt gãy, bất chỉnh hợp có tiềm năng tạo thành các bẫy chứa dầu khí. Đối với Địa chất thủy văn, hiểu biết về Địa chất cấu trúc có vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí các cấu trúc địa chất cho phép các dòng nước ngầm lưu thông thuận lợi. Trong địa chất môi trường, Địa chất cấu trúc giúp cho việc xác định các cấu trúc có khả năng xảy ra sự xâm nhập của nước ngầm dẫn đến việc rò rỉ các chất độc hại từ các bãi chôn lấp chất thải hoặc rò rỉ nước mặn, chất gây ô nhiễm vào các tầng chứa nước ngọt dưới đất. Trong lĩnh vực nền móng, đặc biệt đối với các khu vực dự kiến xây dựng đập và hồ chứa thủy điện, thủy lợi có quy mô và dung tích lớn, việc xác định rõ các đặc tính cấu trúc địa chất như mức độ uốn nếp, dập vỡ, quy mô, mật độ, độ sâu phân bố đứt gãy, đặc điểm chuyển động kiến tạo đóng vai trò quan trọng bậc nhất trong việc lựa chọn phương án thiết kế. Các khu vực miền núi có cấu trúc địa chất phức tạp và mức độ phá hủy kiến tạo mạnh thường dễ xảy ra hiện tượng trượt lở trên các sườn dốc. Các cấu trúc uốn nếp, đứt gãy, các đới xiết trượt, đới khe nứt, đới vỡ vụn, hướng cắm của các mặt gián đoạn, mặt xung yếu của khối đá sẽ kiểm soát hành vi và khả năng ổn định hay mất ổn định của lớp đất, đá trên sườn dốc tùy thuộc vào định hướng và mức độ phá hủy của các yếu tố cấu trúc đó.

Tài liệu tham khảo

1. Fossen H. Structural Geology, Cambridge University Press, 481p, 2010.
2. Selley R.C., Cocks L.R.M., Plimer I.R. (Editors), Encyclopedia of Geology, Volum 1-5. Elsevier, Academic Press, 2005.
3. Twiss R.J., Moores E.M, Structural Geology, W.H. Freeman and Company. 2nd Edition, 737p, 2006.
4. Van Der Pluijm B.A., Marshak S., Earth structure: An Introduction to Structural Geolgy and Tectonics, 2nd Edition, W.W. Norton & Company, 673p, 2004.