Giải mã sự hình thành các lục địa, động đất và núi lửa

Giải mã sự hình thành các lục địa, động đất và núi lửa

1. Mảng kiến tạo vỏ trái đất

Mảng kiến tạo, xuất phát từ thuyết kiến tạo mảng, là một phần của lớp vỏ Trái Đất (tức thạch quyển). Bề mặt Trái Đất có thể chia ra thành bảy mảng kiến tạo chính và nhiều mảng kiến tạo nhỏ. Thuật ngữ mảng kiến tạo (tectonic plate hay plaque) hay bị dùng sai thành đĩa kiến tạo hay địa tầng kiến tạo. Địa tầng (strata) chỉ các lớp đất đá hình thành bên trên vỏ Trái Đất, gồm các thang phân vị địa tầng: liên giới, giới, hệ, thống, bậc và đới, tương ứng với các thời kỳ địa chất (liên đại, đại, kỷ), và thường chứa hóa thạch. Mảng có bề dày lớn hơn nhiều so với địa tầng.

Các mảng kiến tạo có độ dày khoảng 100 km (60 dặm) và bao gồm hai loại vật liệu cơ bản: lớp vỏ đại dương (còn gọi là quyển sima) và lớp vỏ lục địa (quyển sial). Nằm dưới chúng là một lớp tương đối dẻo của lớp phủ được gọi là quyển mềm (asthenosphere), nó chuyển động liên tục. Dưới lớp quyển mềm có một lớp rắn chắc hơn của lớp phủ gọi là lớp quyển rắn.

Cấu tạo các lớp của trái đất từ ngoài vào trong: vỏ, quyển mềm (lớp phủ mềm), quyển rắn (lớp phủ rắn), lõi.

Thành phần của hai dạng lớp vỏ khác nhau một cách đáng kể. Lớp vỏ đại dương chủ yếu chứa các loại đá bazan, trong khi lớp vỏ lục địa chủ yếu chứa các loại đá granit với tỷ trọng thấp có chứa nhiều nhôm và điôxít silic (SiO₂). Hai dạng này của lớp vỏ cũng khác nhau về độ dày, trong đó lớp vỏ lục địa dày hơn một cách đáng kể.

Sự chuyển động của quyển mềm làm cho các mảng kiến tạo bị chuyển động theo một tiến trình gọi là sự trôi dạt lục địa, nó được giải thích bằng thuyết kiến tạo mảng. Sự tương tác giữa các mảng kiến tạo đã tạo ra các dãy núi và núi lửa, cũng như tạo ra các trận động đất và các hiện tượng địa chất khác.

Ranh giới giữa các mảng kiến tạo không trùng với ranh giới các châu lục. Ví dụ, mảng kiến tạo Bắc Mỹ bao trùm không chỉ Bắc Mỹ mà còn cả Greenland, vùng viễn đông của Siberi và phần phía bắc Nhật Bản.

Hiện nay người ta biết rằng Trái Đất là hành tinh duy nhất trong hệ Mặt Trời có hiện tượng kiến tạo mảng, mặc dù có một số giả thuyết cho rằng Sao Hỏa có thể cũng đã từng có các mảng kiến tạo trong quá khứ trước khi lớp vỏ của nó bị đông cứng lại tại chỗ.

Các mảng kiến tạo của Trái Đất được lập thành bản đồ cho giai đoạn nửa sau của thế kỷ 20.  

Sơ đồ các mảng kiến tạo

Các mảng kiến tạo

Bảy địa mảng chính cấu tạo nên lớp vỏ Trái đất

1. Mảng Thái Bình Dương

2. Mảng Á-Âu

3. Mảng Ấn-Úc

4. Mảng châu Phi

5. Mảng Bắc Mỹ

6. Mảng Nam Mỹ

7. Mảng Nam Cực

   

   Một số mảng kiến tạo nhỏ

8. Mảng Ả Rập (bán đảo Ả Rập)

9. Mảng Ấn Độ (toàn bộ tiểu lục địa Ấn Độ và một phần lòng chảo thuộc Ấn Độ Dương.)

10. Mảng Caribe (Trung Mỹ và biển Caribe)

11. Mảng Cocos (phía tây México)

12. Mảng Juan de Fuca (ngoài khơi California)

13. Mảng Nazca (phía tây châu Nam Mỹ)

14. Mảng Philippin

15. Mảng Scotia (phía đông nam mũi Horn)

    

    Các thợ lặn đang thám hiểm rãnh Silfra tại vườn quốc gia Þingvellir, là một khe nứt giữa hai mảng kiến tạo Bắc Mỹ và Á-Âu.

    Người phát hiện ra các mảng kiến tạo

    Alfred Wegener, nhà vật lý, nhà địa chất người Đức đã tìm ra "thuyết trôi lục địa" sau này gọi là "thuyết kiến tạo mảng". Ông phát hiện ra rằng mảng bờ đông của Nam Mĩ hợp với mảng tây của bờ châu Phi, lục địa Á-Âu với lục địa Phi. Nhờ quan sát, hình thái, di tích hóa thạch các châu lục và sự ăn khớp của nó. Các căn cứ trên chưa đủ để giải thích. Sau này các nhà khoa học tìm ra, khám phá và bổ sung giả thuyết của Wegener và xây dưng nên "thuyết kiến tạo mảng"

    2. Thuyết kiến tạo mảng

    Kiến tạo mảng (plate tectonics) mô tả các chuyển động ở quy mô lớn của thạch quyển Trái Đất. Học thuyết này hoàn thiện các quan niệm trước đây về trôi dạt lục địa do Alfred Wegener đề xuất trong các thập niên đầu thế kỷ 20 và tách giãn đáy đại dương trong thập niên 1960.

    Phần ngoài cùng nhất của Trái Đất được cấu tạo bởi thạch quyển nằm trên và quyển mềm bên dưới. Thạch quyển bao gồm vỏ Trái Đất và phần trên cùng nhất của quyển manti. Quyển mềm thuộc manti ở trạng thái rắn, nhưng có độ nhớt và ứng suất cắt tương đối thấp nên có thể chảy giống như chất lỏng nếu xét theo thời gian địa chất. Phần sâu nhất của manti bên dưới quyển mềm thì cứng do chịu áp suất lớn hơn.

    Thạch quyển bị vỡ ra thành các mảng kiến tạo và chúng trượt trên quyển mềm. Các mảng này di chuyển tương đối với nhau theo một trong ba kiểu ranh giới mảng: hội tụ hay va chạm; tách giãn, cũng được gọi là trung tâm tách giãn; và chuyển dạng. Các trận động đất, hoạt động núi lửa, sự hình thành các dãy núi, và rãnh đại dương đều xuất hiện dọc theo các ranh giới này. Sự dịch chuyển sang bên của các mảng vào khoảng 50–100 mm/năm.

    2.1. Các nguyên tắc chính

    Các lớp bên ngoài của Trái Đất được chia thành thạch quyển và quyển mềm. Việc phân chia này dựa trên sự khác biệt về các đặc điểm cơ học và phương thức truyền nhiệt trong chúng. Về mặt cơ học, thạch quyển lạnh hơn và cứng hơn, trong khi đó quyển mềm thì nóng hơn và dễ chảy hơn. Về mặt truyền nhiệt, thạch quyển mất nhiệt do sự truyền nhiệt trong khi đó quyển mềm cũng truyền nhiệt bởi sự đối lưu và có gradien nhiệt độ gần như đoạn nhiệt. Sự phân chia này không nên lẫn lộn với sự phân chia về mặt hóa học của cùng các lớp này thành quyển manti (bao gồm cả quyển mềm và phần manti của thạch quyển) và lớp vỏ: các phần của quyển manti có thể là một phần của thạch quyển hoặc quyển mềm ở các thời điểm khác nhau, tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất của nó.

    Nguyên tắc chủ yếu của kiến tạo mảng là thạch quyển tồn tại như là các mảng kiến tạo tách rời và riêng biệt, trôi dạt trên quyển mềm gần như chất lưu (chất rắn nhớt đàn hồi). Sự chuyển động của các mảng vào khoảng 10–40 mm/năm (Sống núi giữa Đại Tây Dương; nhanh như sự phát triển của móng tay) cho tới khoảng 160 mm/năm (mảng Nazca; bằng tốc độ mọc tóc).

    Các mảng kiến tạo gồm phần thạch quyển của quyển manti và phần nằm phủ bên trên là một trong hai kiểu vật liệu lớp vỏ: lớp vỏ đại dương (hay quyển sima từ ghép của silic và magiê) và lớp vỏ lục địa (hay quyển sial từ ghép của silic và nhôm). Thạch quyển đại dương trung bình dày khoảng 100 km; bề dày cũng phản ảnh tuổi của nó: theo thời gian nó lạnh dần và trở nên dày hơn. Do nó được hình thành từ sống núi giữa đại dương và tách giãn về hai phía, bề dày của nó cũng dùng để đo đạc khoảng cách từ vị trí hiện tại của chúng đến sống núi giữa đại dương. Thạch quyển đại dương phải di chuyển một khoảng cách nhất định trước khi bị hút chìm, độ dày thay đổi trong khoảng từ 6 km ở sống núi giữa đại dương đến hơn 100 km tại các đới hút chìm; tùy thuộc vào khoảng cách di chuyển ngắn hơn hay dài hơn, mà bề dày tại đới hút chìm (tính trung bình) sẽ mỏng hơn hay dày hơn. Thạch quyển lục địa điển hình dày khoảng 200 km và cũng thay đổi giữa các bồn địa, dãy núi, và bên trong nền cổ ổn định của lục địa. Hai kiểu lớp vỏ cũng có bề dày khác nhau, lớp vỏ lục địa dày hơn lớp vỏ đại dương (35 km so với 6 km của lớp vỏ đại dương).

    Nơi hai mảng gặp nhau được gọi là ranh giới mảng, và các ranh giới mảng thường liên quan đến các hoạt động động đất và tạo thành các dạng địa hình như dãy núi, núi lửa, sống núi giữa đại dương và rãnh đại dương. Các hoạt động núi lửa chính xuất hiện dọc theo các ranh giới mảng, trong đó ranh giới mảng hoạt động mạnh nhất và được biết đến nhiều nhất là vành đai lửa Thái Bình Dương của mảng Thái Bình Dương. Các ranh giới này sẽ được nêu chi tiết ở các mục sau.

    Các mảng kiến tạo có thể chỉ bao gồm lớp vỏ lục địa hay lớp vỏ đại dương, hoặc cả hai. Ví dụ, mảng châu Phi bao gồm lớp vỏ lục địa và các phần của đáy biển Đại Tây Dương và Ấn Độ Dương. Sự phân chia giữa lớp vỏ đại dương và lớp vỏ lục địa dựa trên cơ chế hình thành của chúng. Vỏ đại dương được hình thành ở trung tâm tách giãn đáy biển và vỏ lục địa được hình thành từ hoạt động của cung núi lửa và từ sự lớn dần của các địa thể từ các quá trình kiến tạo; mặc dù một số dạng địa thể này có thể chứa các chuỗi ophiolit, là các mảnh của vỏ đại dương, và chúng vẫn được xem là một phần của lục địa khi chúng thoát khỏi chu trình chuẩn của sự hình thành và các trung tâm tách giãn cũng như sự hút chìm bên dưới các lục địa. Vỏ đại dương nặng hơn vỏ lục địa do chúng khác nhau về thành phần cấu tạo như vỏ đại dương chứa ít silic và nhiều các nguyên tố nặng ("mafic") hơn so với vỏ lục địa ("felsic"). Như là kết quả của phân tầng theo tỷ trọng, vỏ đại dương thường nằm bên dưới mực nước biển (hầu hết mảng Thái Bình Dương dưới mực nước biển), trong khi vỏ lục địa nổi cao hơn mực nước biển (xem đẳng tĩnh giải thích về nguyên lý này).

    2.2. Các kiểu ranh giới mảng

    

    Ba kiểu ranh giới mảng.
    1–Quyển mềm; 2–Thạch quyển; 3–Điểm nóng; 4–Vỏ đại dương; 5–Mảng hút chìm; 6–Vỏ lục địa; 7–Đới tách giản trên lục địa; 8–Ranh giới hội tụ; 9–Ranh giới phân kỳ; 10–Ranh giới chuyển dạng; 11–Núi lửa dạng khiên; 12–Sống núi giữa đại dương; 13–Ranh giới mảng hội tụ; 14–Núi lửa dạng tầng; 15–Cung đảo núi lửa; 16–Mảng; 17–Quyển mềm; 18–Rãnh đại dương.

    Có ba kiểu ranh giới mảng đặc trưng cho các phương thức chuyển động tương đối giữa chúng. Các kiểu này cũng liên quan đến các hiện tượng xảy ra trên mặt đất. Các kiểu ranh giới khác nhau là:

    1) Ranh giới chuyển dạng xuất hiện khi các mảng trượt tương đối theo mặt phẳng nằm ngang dọc theo các đứt gãy chuyển dạng. Chuyển động tương đối giữa hai mảng hoặc là đứt gãy trượt bằng trái (sang bên trái về phía người quan sát) hoặc là đứt gãy trượt bằng phải (sang bên phải về phía người quan sát). Đứt gãy San Andreas ở California là một ví dụ của ranh giới loại này.

    2) Ranh giới phân kỳ xuất hiện ở nơi mà hai mảng di chuyển xa ra nhau. Các sống núi giữa đại dương (như sống núi Trung Đại Tây Dương) và các đới đang có hoạt động tách giãn (như thung lũng tách giãn Lớn ở châu Phi) là các ví dụ về kiểu ranh giới này.

    3) Ranh giới hội tụ (hay các rìa chủ động) xuất hiện khi hai mảng trượt về phía nhau tạo thành đới hút chìm (nếu một mảng chui xuống dưới mảng kia) hoặc va chạm lục địa (nếu hai mảng đều là vỏ lục địa). Các rãnh đại dương sâu thường liên quan đến đới hút chìm. Các phiến đang hút chìm mang theo các khoáng vật chứa nước, chúng sẽ giải phóng nước khi bị nung nóng; lượng nước này sau đó làm cho manti chảy lỏng để tạo ra các hoạt động núi lửa.^[14] Các ví dụ về dãy núi Andes ở Nam Mỹ và cung núi lửa Nhật Bản.

    

    Anh Mustard đã lặn sâu hơn 24 mét xuống khe nứt giữa hai mảng kiến tạo Bắc Mỹ và Á - Âu gần Iceland. Ảnh: Solent.

     2.3. Ranh giới mảng chuyển dạng và động đất 

    John Tuzo Wilson nhận ra rằng do ma sát các mảng không thể trượt qua nhau một cách đơn giản. Thay vì thế, một ứng suất tạo ra trong cả hai mảng và khi nó đạt tới mức vượt qua ngưỡng sức căng của đá trên một trong hai mặt đứt gãy thì thế năng đã tích lũy sẽ được giải phóng ở dạng sức căng. Sức căng mang yếu tố tích lũy và/hoặc tức thời tùy thuộc vào tính lưu biến của đá; lớp vỏ dễ dát mỏng bên dưới và manti tích lũy biến dạng từ từ qua ứng suất cắt trong khi đó phần vỏ bên trên giòn dễ tạo thành đứt gãy, hoặc giải phóng áp lực tức thời gây ra sự chuyển động dọc theo đứt gãy. Bề mặt dễ dát mỏng của đứt gãy cũng có thể giải phóng ngay lập tức khi mức độ sức căng là quá lớn. Năng lượng được giải phóng từ ứng suất sức căng này gây nên các trận động đất, là một hiện tượng phổ biến dọc theo các ranh giới chuyển dạng.

    Ví dụ điển hình của loại ranh giới này là đứt gãy San Andreas ở bờ biển phía tây Bắc Mỹ, và là một phần của hệ thống đứt gãy cực kỳ phức tạp trong khu vực này. Ở đây, mảng Thái Bình Dương di chuyển về hướng tây bắc còn mảng Bắc - Mỹ di chuyển về hướng đông nam. Các ví dụ khác như là đứt gãy Alpine ở New Zealand và đứt gãy Bắc Anatolia ở Thổ Nhĩ Kỳ. Các đứt gãy chuyển dạng cũng được tìm thấy ở dạng vuông góc với sống núi giữa đại dương (như đới đứt gãy Mendocino ngoài khơi bắc California).

    2.4. Ranh giới phân kỳ

    

    Cầu bắc qua thung lũng tách giãn Álfagjá ở tây nam Iceland, ranh giới giữa các mảng lục địa Á–Âu và Bắc Mỹ.

    Ở các ranh giới phân kỳ, hai mảng di chuyển ra xa nhau và khoảng không giữa chúng dần dần được lấp đầy bởi vật liệu lớp vỏ mới từ nguồn macma nóng chảy bên dưới. Nguồn gốc của các ranh giới phân kỳ mới ở điểm nối ba đôi khi liên quan đến hoạt động của các điểm nóng. Ở đây, các vòng đối lưu cực kỳ lớn mang một lượng rất lớn vật chất của quyển mềm nóng lên gần bề mặt và động năng này cũng đủ để phá vỡ thạch quyển ra thành các phần nhỏ. Điểm nóng có thể xuất hiện vào thời điểm ban đầu tạo hệ thống sống núi giữa Đại Tây Dương, hiện tại nằm bên dưới Iceland với tốc độ mở rộng khoảng vài xentimet một năm.

    Ranh giới phân kỳ trên thạch quyển đại dương tạo ra sự tách giãn của hệ hống sống núi đại dương bao gồm sống núi giữa Đại Tây Dương và đới nâng đông Thái Bình Dương, và trên thạch quyển lục địa tạo ra các thung lũng tách giãn như Thung lũng tách giãn Lớn Đông Phi. Các ranh giới phân kỳ có thể tạo ra các đới đứt gãy lớn trong hệ thống sống núi đại dương. Sự mở rộng thường không đồng đều, do vậy nơi nào có tốc độ mở rộng của các khối sống núi cận kề là khác nhau thì sẽ tạo ra các đứt gãy chuyển dạng lớn. Chúng là các đới đứt gãy, nhiều trong số đó có tên gọi, và là nguồn gây ra các trận động đất lớn dưới biển. Bản đồ đáy biển thể hiện một bức tranh khác về các cấu trúc khối tảng bị phân chia bởi các yếu tố tuyến tính vuông góc với trục sống núi. Nếu nhìn đáy biển giữa các đới đứt gãy như là các dây đai buộc vào sống núi và kéo về hai phía từ trung tâm tách giãn thì sẽ thấy các yếu tố hoạt động của hệ thống này rõ ràng hơn. Độ cao chỏm của các sống núi cổ chạy song song với trung tâm tách giãn hiện tại sẽ trở nên già hơn và chìm sâu hơn (giảm nhiệt độ và lún chìm).

    Ở sống núi giữa đại dương, người ta cũng tìm thấy một dấu hiệu quan trọng về lực tác động được chấp nhận trong học thuyết tách giãn đáy biển. Các khảo sát địa từ trường từ trên không cho thấy kiểu mẫu kỳ dị của đảo cực từ đối xứng hai bên trung tâm sống núi. Kiểu mẫu này là quá cân đối để có thể coi là trùng hợp ngẫu nhiên do bề rộng của các dải đối diện là gần như trùng khớp với nhau. Các nhà khoa học đã từng nghiên cứu đảo cực từ và liên kết đã được Lawrence W. Morley, Frederick John Vine và Drummond Hoyle Matthews đưa ra trong giả thuyết Morley-Vine-Matthews. Các dải từ trùng khớp với các thời kỳ đảo cực từ của Trái Đất. Điều này được xác nhận bằng các đo đạc về tuổi của đá nằm trong các dải từ này. Dải từ vẽ nên một bản đồ thời gian và không gian về cả tốc độ tách giãn và các kỳ đảo cực từ.

     2.5. Ranh giới hội tụ và hình thành núi lửa 

    Bản chất của ranh giới hội tụ tùy thuộc vào kiểu thạch quyển của các mảng tham gia vào sự va chạm. Ở nơi một mảng đại dương đặc va vào một mảng lục địa ít đặc hơn, mảng đại dương thường sẽ chui xuống dưới do sức nổi nhỏ hơn thạch quyển lục địa, tạo ra đới hút chìm. Trên bề mặt, các dạng địa hình được thành tạo như rãnh đại dương nằm về phía đại dương và dãy núi ở phía lục địa. Một ví dụ về đới hút chìm đại dương - lục địa là khu vực dọc theo bờ biển phía tây Nam Mỹ, ở đây mảng đại dương Nazca bị hút chìm dưới mảng lục địa Nam Mỹ.

    Hoạt động núi lửa bề mặt (các núi lửa dưới đáy biển hoặc trên lục địa) thường xuất hiện bên trên các vùng nóng chảy được hình thành do các mảng bị hút chìm. Vấn đề này vẫn còn đang tranh luận trong giới địa chất để giải thích cơ chế sinh ra hiện tượng này. Tuy nhiên, quan điểm được số đông đồng ý về hiện tượng này là do sự giải phóng các chất khí. Khi một mảng bị chìm xuống, nhiệt độ của nó tăng lên sẽ tạo ra nhiều chất khí (hầu hết là hơi nước) được chứa trong lớp vỏ đại dương xốp rỗng. Khi lượng nước này tăng lên trong manti, nó làm giảm nhiệt độ nóng chảy của các phần xung quanh manti tạo ra macma chứa một lượng lớn khí hòa tan. Macma này dâng lên trên bề mặt và cũng là nguồn của hầu hết các núi lửa phun nổ trên Trái Đất vì chúng chứa một thể tích lớn các chất khí bị nén ở áp suất cao (như núi St. Helens). Macma dâng lên trên mặt và nguội dần tạo ra một chuỗi các núi lửa trên đất liền từ thềm lục địa và song song với thềm lục địa. Lục địa phía tây Nam Mỹ thì đặc với kiểu hình thành các dãy núi lửa từ sự hút chìm của mảng Nazca. Ở Bắc Mỹ, dãy núi Cascade, mở rộng về phía bắc của Sierra Nevada, California cũng thuộc loại này. Các núi lửa này được đặc trưng bởi các chu kỳ phun trào và yên tĩnh, và thường bắt đầu bằng hoạt động phun khí và các hạt tro núi lửa mịn dạng thủy tinh và tro dạng sương, theo sau là các pha phun mácma. Toàn bộ ranh giới Thái Bình Dương được bao bọc bởi các dãy núi lửa và thường được gọi là vành đai núi lửa Thái Bình Dương.

    Ở nơi mà hai mảng lục địa va nhau làm cho các mảng bị biến dạng và chịu nén, kết quả là hoặc một mảng chui xuống hoặc trượt lên trên (trong một số trường hợp) và sẽ tạo nên các dãy núi rộng lớn. Dấu hiệu dễ nhận thấy nhất là rìa phía bắc của mảng Ấn Độ chui xuống dưới một phần của mảng Á-Âu, nâng nó lên để tạo ra dãy núi Himalaya và cao nguyên Tây Tạng nằm phía sau. Nó cũng có thể đẩy các phần cận kề của lục địa châu Á dịch về phía đông.

    Khi hai mảng đại dương va nhau, chúng sẽ tạo nên cung đảo khi đó một mảng sẽ chui xuống bên dưới mảng kia. Cung đảo được hình thành từ các núi lửa phun trào trên mảng nằm trên do mảng nằm dưới bị nóng chảy phía dưới nó. Sở dĩ cung đảo có dạng cung là do bề mặt cầu của Trái Đất. Rãnh đại dương nằm phía trước các cung này thuộc về phía mảng bị hút chìm xuống dưới. Ví dụ điển hình của kiểu mảng hội tụ này là Nhật Bản và quần đảo Aleutia ở Alaska.

Các mảng thường va chạm theo một góc khác 90 độ hơn là đối đầu nhau (như một mảng chuyển động về phía bắc, mảng còn lại về phía đông nam), và có thể tạo nên đứt gãy ngang dọc theo đới va chạm, và có thể là hút chìm hoặc nén ép.

Không phải tất cả ranh giới mảng đều dễ dàng xác định như các mảng có dạng đai với hướng di chuyển không rõ ràng. Một ví dụ là ranh giới Địa Trung Hải - Anpơ, là ranh giới liên quan đến hai mảng lớn và một số mảng nhỏ. Bên cạnh đó, ranh giới của các mảng không phải lúc nào cũng trùng với ranh giới của các lục địa, ví dụ như, mảng Bắc Mỹ bao phủ không chỉ lục địa Bắc Mỹ mà còn trãi rộng đến tây bắc Siberi, cộng thêm một phần của Đại Tây Dương.