Địa chất học tập trung nghiên cứu:cấu trúc, đặc điểm vật lý, động lực, vàlịch sửcủa các vật liệu trên Trái Đất, kể cả các quá trình hình thành, vận chuyển và biến đổi của các vật liệu nà
Trang 1Địa chất học là một ngành thuộc các khoa
học Trái Đất
}
Địa ất học là một ngành thuộc các khoa học Trái
Đất, là môn khoa học nghiên cứu về các vật chất rắn và
lỏng cấu tạo nênTrái Đất, đúng ra là nghiên cứu thạch
quyển bao gồm cả phần vỏTrái Đấtvà phần cứng của
manti trên Địa chất học tập trung nghiên cứu:cấu trúc,
đặc điểm vật lý, động lực, vàlịch sửcủa các vật liệu trên
Trái Đất, kể cả các quá trình hình thành, vận chuyển
và biến đổi của các vật liệu này Giải quyết các vấn đề
của địa chất liên quan đến rất nhiều chuyên ngành khác
nhau Lĩnh vực này cũng rất quan trọng trong việckhai
thác khoáng sảnvàdầu khí Ngoài ra, nó cũng nghiên
cứu giảm nhẹ cáctai biến tự nhiênvàcổ khí hậucùng
các lĩnh vựckỹ thuậtkhác
uật ngữ "địa chất học” được Jean-André Delucsử
dụng lần đầu tiên vào năm 1778 và được
Horace-Bénédict de Saussure sử dụng là thuật ngữ chính
thức từ năm 1779 Là khoa học không có tên trong
Encyclopædia Britannicaxuất bản lần thứ 3 năm 1797,
nhưng 10 năm sau nó đã được khẳng định trong tái bản
thứ 4 vào năm 1809.[1]Một nghĩa cổ hơn đượcRichard
de Burysử dụng lần đầu tiên để phân biệt giữa thuyết
về thần học và về Trái Đất
Công trình Peri Lithon (bên trong hòn đá) của học giả
người Hy Lạp cổ đạieophrastus(372-287 BC), là một
Một con muỗi trong hổ phách biển Baltic có tuổi khoảng 40 đến
60 triệu năm
học trò của triết gia Hy Lạp cổ đạiAristotle, là công
trình có giá trị trong khoảng 10 thế kỷ Peri Lithon được
dịch sang tiếng Latin và một số ngoại ngữ khác Sự giải đoán về các hóa thạch của nó là học thuyết nổi trội nhất trongthời cổ đạivà đầuthời Trung cổ, cho đến khi nó được thay thế bởi học thuyết về các dòng chảyhóa đá củaAvicennavào cuốithời Trung cổ.[2][3] Trong thời đại La Mã, Pliny the Elderđưa ra rất nhiều các thảo luận mở rộng về một số các khoáng vật và kim loại sau đó được sử dụng rộng rãi trong thực tế Ông là một trong số những người đầu tiên xác định một cách chính xác nguồn gốc củahổ phách, là một loạinhựacủa các cây thông bịhóa thạch, từ việc quan sát các côn trùng
bị giữ trong một số mẫu Ông cũng đặt ra nền tảng của tinh thể họcthông qua việc nhận biết dạng thù hình bát diệncủa kim cương
Một số học giả hiện đại nhưFielding H Garrison, đưa
ra ý tưởng về địa chất học hiện đại bắt đầu trong thế giới đạo Hồithời Trung cổ.[4]Abu al-Rayhan al-Biruni (973-1048 SCN) là một trong nhữngnhà địa chất đạo Hồiđâu tiên, với công trình bao gồm các bài viết đầu tiên về địa chất Ấn Độ, và cho rằng tiểu lục địa Ấn
Độtrước kia là biển.[5] Ibn Sina(Avicenna, 981-1037), thì có những đóng góp đặc biệt hơn cho địa chất học
và các khoa học tự nhiên (ông được gọi là Aabieyat)
cùng với các nhà triết học tự nhiên khác nhưIkhwan AI-Safavà những người khác Ông viết một công trình bách khoa toàn thư với tựa đề "Kitab al-Shifa" (sách về
sự chữa bệnh từ sự thiếu hiểu biết), trong phần 2, mục
5 có bài viết về khoáng vật học và thiên thạch học, gồm 1
Trang 22 1 LỊCH SỬ VÀ TỪ NGUYÊN HỌC
sáu chương: Sự hình thành núi, Ưu điểm của núi trong
việc hình thành các đám mây; Nguồn nước; Nguồn gốc
động đất; Sự thành tao khoáng vật; Sự đa dạng địa hình
trên Trái Đất Các nguyên tắc này sau này được biết
đến nhưluật xếp chồngtrong địa tầng, gồm ý tưởng
vềthuyết tai biến, vàhiện tại luậnvàothời Phục Hưng
củaChâu Âu Các khái niệm này cũng được nhắc đến
trong các học thuyết về Trái Đất củaJames Huonvào
thế kỷ 18 C.E Các học giả nhưToulminvàGoodfield
(1965), nhận xét về sự đóng góp của Avicenna như sau:
“Khoảng 1000 Sau CN, Avicenna đã từng đề xuất học
thuyết về nguồn gốc của các dãy núi, trong thế giới
Công giáo vẫn được đề cập đến khá căn bản vào 800
năm sau ".[6] Phương pháp khoa học của Avicenna về
quan sát thực địa cũng là nguồn gốc của các khoa học
về Trái Đất, và vẫn còn được giữ một phần trong các
cuộc khảo sát thực địa hiện đại.[3]
Bản đồ địa chất Anh , Wales và miền nam Scotland Được hoàn
thành vào năm 1815, nó là bản đồ địa chất đầu tiên ở tỷ lệ quốc
gia, và hầu như được chấp nhận là chính xác vào thời điểm
đó [7]
Ở Trung ốc,học giả Shen Kua(1031-1095) tính toán
một học thuyết về các quá trình tạo ra đất liền: dựa trên
sự quan sát của ông ta về các vỏ sò hóa thạch trong cột
địa tầngđịa chất xuất hiện ở một dãy núi cách biển
hàng trăm dặm Ông ta cho rằng đất liền được hình
thành từ sự xói mòn của các dãy núi vàsự tích tụcủa
bột
Georg Agricola(1494-1555), một nhà vật lý, viết luận
án đầu tiên một cách hệ thống hóa về các công trình
khai thác mỏvànung chảy, De re metallica libri XII, với phụ lục Buch von den Lebewesen unter Tage (sách
về các loài vật bên trong Trái Đất) Ông cũng quan tâm đến năng lượng gió, thủy điện,các lò nung chảy, vận chuyển quặng, chiết táchsoda,lưu huỳnhvànhôm, và các vấn đề quản trị yển sách được xuất bản năm 1556
Nicolas Steno(1638-1686) công nhận luật xếp chồng, nguyên tắc phân lớp ngang nguyên thủy, vànguyên tắc liên tục theo chiều ngang: là 3 nguyên tắc xác định địa tầng
Vào thập niên 1700Jean-Étienne GueardvàNicolas Desmarestquan sát vùng trung tâm nước Pháp và ghi nhận những quan sát của họ trên cácbản đồ địa chất; Gueard ghi nhận quan sát đầu tiên của ông về các nguồn gốcnúi lửaở khu vực này của Pháp
William Smith (1769-1839) đã vẽ một vài bản đồ địa chất đầu tiên và bắt đầu quá trình xếp các lớp đá theo cộtđịa tầngbằng cách kiểm tra các hóa thạch được chứa trong chúng.[7]
James Huonthường được xem là nhà địa chất học hiện đại đầu tiên.[8]Năm 1785 ông ta đăng một bài báo có tựa
là Học thuyết về Trái Đất trêntạp chí Khoa học Hoàng gia Edinburgh Trong bài báo này, ông đã giải thích học thuyết của ông rằng Trái Đất phải cổ hơn các nghiên cứu được đưa ra trước đây, nhằm có đủ thời gian để các dãy núi bị bào mòn và tạo ra cáctrầm tíchđể tạo thành
đá mới dưới đáy biển, sau đó các đá này được nâng lên thành đất liền Huon xuất bản hai quyển sách về các
ý tưởng của ông vào năm 1795 (quyển 1,quyển 2)
Nhà địa chất học thế kỷ 19 do Carl Spitzweg vẽ.
Trang 3Các nhà nghiên cứu sau Huon được biết đến là các
nhà theohọc thuyết hỏa thànhbởi vì họ tin rằng một số
đá được hình thành từnúi lửa, là loại lắng đọng từ dụng
nham của các núi lửa, ngược lại các nhà theohọc thuyết
thủy thành, tin rằng tất cả các đá lắng đọng trong bồn
biển rộng lớn và sau đó bị lộ ra khi mực nước biển bị
hạ thấp liên tục theo thời gian
Năm 1811 Georges Cuvier và Alexandre Brongniart
xuất bản các giải thích của họ về sự cổ xưa của Trái
Đất, dựa trên các khám phá của Cuvier về xương voi
hóa thạch ở Paris Để chứng minh quan điểm này, họ
đã tính toán theo nguyên tắc kế thừa trongđịa tầng
của các lớp đá trên Trái Đất Họ thực hiện trước một
cách độc lập vớiWilliam Smith về địa tầng ởAnhvà
Scotland
Kiến tạo mảng – tách giãn đáy đại dương và trôi dạt lục địa minh
họa bằng quả địa cầu tại bảo tàng lịch sử tự nhiên tại Chicago,
Illinois, Hoa Kỳ.
Sir Charles Lyelllần đầu tiên xuất bản quyển sách nổi
tiếng vềcác nguyên tắc trong địa chất[9], vào năm 1830
Lyell tiếp tục xuất bản các tái bản cho đến khi ông mất
vào năm 1875 yển sách đã ảnh hưởng đếnCharles
Darwin, và đề cập đến lý thuyếthiện tại luận Lý thuyết
này đề cập đến các quá trình địa chất diễn ra trong suốt
lịch sử Trái Đấtvà vẫn còn tiếp diễn cho đến ngày nay
Ngược lại, thuyết tai biến là học thuyết về tương lai
của Trái Đất đề cập đến các sự kiện riêng lẻ, thảm họa
và lưu truyền không đổi sau đó Huon tin vào hiện tại
luận, là ý tưởng mà không được chấp nhận rộng rãi vào
thời điểm đó
Địa chất thế kỷ 19 phát triển xung quanh câu hỏi về
tuổi chính xác của Trái Đất Các phỏng đoán đưa ra vào
khoảng vài trăm ngàn triệu năm.[10]Các tiến bộ về sự
phát triển của địa chất trong thế kỷ 20 được ghi nhận
bởi thuyết kiến tạo mảng vào thập niên 1960 uyết
kiến tạo mảng giải quyết được hai vấn đề chính đó là:
tách giãn đáy đại dươngvàtrôi dạt lục địa Học thuyết
này cách mạng hóa cáckhoa học Trái Đất
uyết trôi dạt lục địa đượcFrank Bursley Taylorđưa
ra năm 1908, và được phát triển bởi Alfred Wegener
năm 1912 và bởiArthur Holmes, nhưng nó không được
chấp nhận cho đến cuối thập kỷ 1960 khi thuyếtkiến tạo mảngđược phát triển
2 Các quan điểm quan trọng 2.1 Chu trình thạch học
Chu trình thạch học là một quan điểm quan trọng trong địa chất học, nó mô tả mối quan hệ giữađá mácma,đá trầm tích,đá biến chấtvàmác ma Khi đá kết tinh từ dạng nóng chảy thì gọi là đá mác ma Loại đá này sau
đó hoặc bị bào mòn và tái lắng đọng để tạo thành đá trầm tích hoặc bị biến đổi thành đá biến chất bởi nhiệt
độ và áp suất Đá trầm tích có thể sau đó bị biến đổi thành đá biến chất bởi nhiệt độ và áp suất, và đá biến chất có thể bị phong hóa, bào mòn, lắng đọng và hóa
đá để trở thành đá trầm tích Tất cả các loại đá này có thể bị tái nóng chảy và tạo thành mác ma mới, rồi mác
ma này chúng có thể kết tinh để tạo ra đá mác ma một lần nữa Chu trình này được thể hiện rõ nét bởi các yếu
tố động lực liên quan đến học thuyết kiến tạo mảng
2.2 Kiến tạo mảng
Sự hút chìm của vỏ đại dương (1) và vỏ lục địa (4) tạo ra đới hút chìm và vòng cung núi lửa (5), minh họa cho tác động của
kiến tạo mảng
Vào thập niên 1960, một phát hiện quan trọng nhất
đó là sựtách giãn đáy đại dương[11][12] eo đó,thạch quyểncủa Trái Đất bao gồmvỏvà phần trên cùng của mantitrên, bị chia tách thành cácmảng kiến tạovà di chuyển trên manti trên ở dạng rắn, dẻo, dễ biến dạng hay trênquyển astheno Đây là sự chuyển động cặp đôi giữa cácmảngtrên mặt và dòngđối lưu manti: sự
di chuyển mảng và các dùng đối lưu manti lúc nào cũng cùng hướng Sự dịch chuyển cặp đôi của các mảng trên
bề mặt của Trái Đất và dòng đối lưu manti được gọi là kiến tạo mảng
Trang 44 2 CÁC QUAN ĐIỂM QUAN TRỌNG
Sự phát triển của kiến tạo địa tầng cung cấp những kiến
thức vật lý cơ bản cho việc quan sát Trái Đất rắn Các
khu khực dạng tuyến kéo dài trên Trái Đất có thể được
giải thích đó là ranh giới giữa các mảng.[13] Cácsống
núi giữa đại dương, là các khu vực cao trong đáy biển,
tại đây tồn tại các quá trìnhthủy nhiệtvà hoạt động
núi lửa cũng được giải thích đó làranh giới tách giãn
Cácvòng cung núi lửavà các trận động đất cũng được
giải thích đó làranh giới hội tụ, nơi mà một mảng bị
hút chìm dưới một mảng.Ranh giới biến dạng, như hệ
thốngđứt gãy San Andreas, tạo ra các trận động đất
mạnh và thường xuyên Kiến tạo địa tầng cũng góp
phần làm sáng tỏ cơ chếthuyết trôi dạt lục địa của
Alfred Wegener[14], theo đó, cáclục địadi chuyển trên
mặt Trái Đất trong suốt thời gian địa chất Kiến tạo địa
tầng cũng nêu ra các tự tác động làm biến dạng và trạng
thái mới của vỏ Trái Đất trong việc nghiên cứuđịa chất
cấu tạo Điểm mạnh của thuyết kiến tạo địa tầng là hợp
thức hóa việc kết hợp các học thuyết riêng lẻ về cách
thức mà thạch quyển di chuyển trên các dòng đối lưu
của manti
Dựa trên học thuyết này, hiện tại, người ta đã làm rõ
được lịch sử phát triển địa chất Trái Đất nói chung và
địa chất khu vực nói riêng
Các lớp đá trầm tích nguyên thủy bị ảnh hưởng bởi hoạt động
mácma Bên dưới bề mặt là lò mácma (13) và các thể xâm nhập
lớn (12,14) Lò mácma cung cấp mácma cho núi lửa (1), và kết
tinh thành các đê (10) và sàng (8,9) Mácma cũng dâng lên tạo
thành các dạng đá xâm nhập (11) Sơ đồ minh họa của nón núi
lửa phun tro (3) và núi lửa hỗn hợp (1) phun cả dung nham và
tro (2).
Tiến hóa địa chất khu vực là sự hình thành các loạiđá
trong một khu vực tuân theochu trình thạch họcvà các
quá trìnhtác động lên chúng làm chúng bị biến dạng
và thay đổi vị trí Sự biến đổi đổi này được thể hiện bởi
các dấu vết được lưu lại trên các đơn vị địa chất
Các đơn vị đá đầu tiên được hình thành hoặc bởi sự
tích tụ trên bề mặt hoặc xâm nhập vào trong các lớp đá
khác Sự tích tụ có thể xảy ra khitrầm tíchlắng đọng
trên bề mặt Trái Đất và sau đóhóa đátạo thànhđá trầm
tích, hoặc khivật liệu núi lửanhưtro núi lửahoặc các
dòng dung nhamphủ lên bề mặt Đá xâm nhậpnhư
batholith,laccolith,đê, vàsàng, xâm nhập vào các đá,
và kết tinh tại đó
Hình minh họa ba loại đứt gãy (phay) (1) Đứt gãy ngang (bình đoạn tầng), (2) Đứt gãy thuận (phay thuận) và (3) Đứt gãy nghịch (phay nghịch).
Sau khi một chuỗi các đá ban đầu được tạo ra, các đá này có thể bịbiến dạngvàbiến chất Sự biến dạng tạo ra bởi sựcăng giãn, sựnén ép, hoặcbình đoạn tầng(phay ngang) Các cơ chế này liên quan đến cácranh giới hội
tụ,ranh giới phân kỳ, vàranh giới chuyển dạnggiữa các mảng kiến tạo
Trang 52.3 Tiến hóa địa chất khu vực 5
Sơ đồ minh họa các nếp uốn, gồm (1) trục nếp uốn, (2) nếp uốn
lồi và (3) nếp uốn lõm
Mặt cắt địa chất của Núi Kittatinny Mặt cắt này hiển thị các đá
biến chất, bị phủ bởi các đá trầm tích trẻ hơn sau khi biến chất
xảy ra Các đá này sau đó bị uốn nếp và đứt gãy trong quá trình
nâng lên thành núi.
Khi đá chịu tác động bởi lực nén ngang, chúng trở nên
ngắn và dày hơn Bởi vì các đá ít bị biến dạng về thể
tích, và ứng xử theo hai cách là tạo thànhđứt gãyvà
uốn nếp Trong các phần nông của vỏ Trái Đất, thường
xảy rabiến dạng giòn, hình thành cácđứt gãy nghịch,
đây là trường hợp các đá ở sâu di chuyển lên trên các
đá ở trên Các đá ở sâu thường cổ hơn, theonguyên tắc
chồng lớp, lại di chuyển lên nằm trên các đá trẻ hơn
Sự dịch chuyển dọc theo đứt gãy có thể tạo ra nếp uốn,
hoặc do các đứt gãy không có mặt phẳng, hoặc do các
lớp đá trượt dọc theo nó, tạo thành các nếp uốn kéo, khi
trượt xuất hiện dọc theo đứt gãy Các đá nằm sâu hơn
trong lòng đất thì có ứng xử như vật liệudẻo, và tạo ra
nếp uốn thay vì đứt gãy Các nếp uốn này có thể hoặc
lànếp uốn lồinếu lõ của nếp uốn trồi lên hoặcnếp uốn
lõmkhi lõi bị hạ thấp Nếu một số phần của nếp uốn bị
sụt xuống, thì cấu trúc này được gọi là nếp lồi đảo hoặc
nếp lõm đảo
Khi đá chịu nép ép ở nhiệt độ và áp suất cao hơn có thể
gây uốn nếp vàbiến chấtđá Sự biến chất có thể làm
thay đổithành phần khoáng vậtcủa đá; sự phân phiến
liên quan đến các khoáng vật được phát triển khi chịu
nén; và vó thể làm mất đi cấu tạo ban đầu của đá, như
đá gốctrong đá trầm tích, dạng dòng chảy củadung
nham, và cấu tạo kết tinh củađá kết tinh
Căng giãn làm cho các đá trở nên dài và mỏng hơn,
và thường tạo ra cácđứt gãy thuận Sự căng giãn làm các đá mỏng hơn: như ở vùngnếp uốn và đai đứt gãy nghịch Maria, được cấu tạo toàn bộ là trầm tích của Grand Canyon có thể quan sát được chiều dài nhỏ hơn 1m Các đá ở độ sâu dễ bị kéo giãn cũng thường bị biến chất Các đá bị kéo giãn cũng có thể tạo thành dạng thấu kính, được gọi làboudin, sau này tiếng Pháp gọi
là “xúc xích”, vì chúng nhìn giống nhau
Khi các đá bị dịch chuyển tương đối nhau theo mặt phẳng thì gọi làđứt gãy ngang, các đứt gãy này phát triển trong các khu vực nông, và trongđới cắt ở sâu hơn khi đá bị biến dạng dẻo
Khi các đá mới hình thành, cả tích tụ và xâm nhập, thường tạo ra sự biến dạng Khi đó sẽ thình thành các đứt gãy và gây ra các biến dạng khác làm cho địa hình phân dị, từ đó xuất hiện sự xâm thực, bào mòn dọc theo sườn và các dòng chảy á trình này tạo ra các trầm tích, và sau đó chúng được lắng đọng và nhấn chìm Trong trường hợp sự dịch chuyển dọc theo đứt gãy diễn
ra liên tục sẽ duy trì sự gia tăng gradient địa hình một cách liên tục và tiếp tục tạo ra các khoảng không gian cho trầm tích lắng đọng Các sự kiện biến dạng thường liên quan đến các hoạt động xâm nhập và núi lửa Tro núi lửa và dung nham lắng đọng trên bề mặt, còn sự xâm nhập thì tạo thành các đá nằm bên dưới mặt đất
Ví dụ như xâm nhập kiểuđêlà sự xâm nhập theo mặt phẳng thẳng đứng và kéo dài, và thường gây ra các biến dạng trên quy mô rộng lớn Loại này có thể quan sát
ở khiên Canada, hay vòng đê xung quanh ống dung nham núi lửa
Tất cả các quá trình này không nhất thiết phải xảy ra trong một môi trường, và không xuất hiện riêng lẻ
ần đảo Hawaii, là một ví dụ gồm hầu hết là dung nhambazan Các loạt trầm tích giữa lục địa ở Hoa Kỳ và vùngGrand Canyonở tây nam Hoa Kỳ còn sót lại các ống khói bằng đá trầm tích hầu như không bị biến dạng
có tuổiCambri Các khu vực khác có đặc điểm địa chất phức tạp hơn: ở vùng tây nam Hoa Kỳ, các đá trầm tích,
đá núi lửa và đá xâm nhập đều bị biến chất, đứt gãy, và uốn nếp ậm chí các đá có tuổi cổ hơn như đágơnai Acastathuộcnền cổ Slavở tây bắcCanada,đá cổ nhất trên thế giớiđã bị biến chất tại điểm mà nguồn gốc của
nó không thể nhận ra được bằng các phân tích trong phòng thí nghiệm êm vào đó, các quá trình này có thể xảy ra trong nhiều giai đoạn Ở một vài nơi, Grand Canyon ở tây nam Hoa Kỳ là một ví dụ đơn giản nhất, các đá nằm bên đưới bị biến chất và biến dạng, và sau
đó sự biến dạng kết thúc; còn phần trên, các đá không
bị biến dạng thì được tích tụ Mặc dù số lượng các đá được thay thế và biến dạng có thể xảy ra và chúng có thể xuất hiện nhiều lần, thì các khái niệm này vẫn cung cấp những hiểu biết về lịch sử của một khu vực…
Trang 66 3 CẤU TẠO CỦA TRÁI ĐẤT VÀ ĐỊA CHẤT HÀNH TINH
hành tinh
1 2 3 4 5 6
Cấu tạo các lớp của Trái Đất (1) nhân trong; (2) nhân ngoài;
(3) manti dưới; (4) manti trên; (5) thạch quyển; (6) vỏ
Cấu tạo các lớp của Trái Đất Các đường đi của sóng đặc biệt
từ các trận động đất theo quan điểm của các nhà địa chấn học
trước đây trong cấu tạo lớp của Trái Đất
Các tiến bộ vềđịa chấn học,mô hình trên máy tính, và
khoáng vật học-tinh thể họcở nhiệt độ và áp suất cao
cũng đã cho bức tranh về thành phần và cấu tạo bên
trong của Trái Đất
Các nhà địa chấn học có thể sử dụng thời gian đến của
các sóng địa chất phản hồi để hình dung cấu tạo bên
trong của Trái Đất Các khám phá trước đây trong lĩnh
vực này cũng đã cho thấynhân ngoàiở thể lỏng (tại đây
sóng ngang(S) không thể truyền qua) vànhân trongở
thể rắn đặc sít Các phát hiện này đã phát triển mô hình lớp của Trái Đất gồmlớp vỏvàthạch quyểnở trên cùng, mantiở dưới (được phân chia bởisự gián đoạn sóng địa chấnở độ sâu 410 đến 660 km), và nhân ngoài và nhân trong ở bên dưới Gần đây, các nhà địa chấn có thể tạo
ra các bức ảnh chi tiết về tốc độ truyền sóng trong Trái Đất giống như các bức ảnh mà bác sĩ chụp cơ thể người bằngmáy quét CT Các bức ảnh này cho nhiều thông tin chi tiết về cấu tạo của Trái Đất và có thể thay thế
mô hình lớp được đơn giản bằng mộ mô hình mang tính động lực hơn
Các nhà khoáng vật học cũng có thể sử dụng dữ liệu
áp suất và nhiệt độ từ các nghiên cứu về địa chấn và
mô hình cùng với sự hiểu biết về thành phần nguyên
tố cấu tạo nên Trái Đất bằng cách tái tạo các điều kiện này bằng thực nghiệm và đo đạc các biến đổi trong cấu trúc tinh thể Các nghiên cứu này giải thích các biến đổi hóa học liên quan đến sự gián đoạn địa chấn quan trọng trongmanti, và cho thấy các cấu trúc tinh thể học
dự đoán trong nhân trong của Trái Đất
3.2 Địa chất học hành tinh
Bề mặt Sao Hỏa được chụp bởi Viking 2 ngày 9 tháng , 1977
Đầu ngữ geo (γῆ) theo tiếng gốc Hi Lạp hay địa (�) gốc
tiếng Trung ốc có nghĩa là Trái Đất, còn thuật ngữ
"địa chất” (geology hay ��) thường được sử dụng chung
với tên của các hành tinh khác khi mô tả thành phần
và các quá trình nội sinh của chúng như: "địa chất Sao Hỏa" và "địa chất Mặt Trăng" Các thuật ngữ đặc biệt
như selenology (nghiên cứu Mặt Trăng, tức là Nguyệt Học), areology (của Sao Hỏa, Hỏa Tinh Học) cũng được
sử dụng
Cùng với sự tiến bộ vềkhám phá không giantrong thế
kỷ 20, các nhà địa chất đã bắt đầu nghiên cứu đến các
Trang 74.2 Định tuổi tuyệt đối 7
hành tinh khác có dạng giống như Trái Đất Các nghiên
cứu này đã sinh ra nhánhđịa chất học hành tinh, đôi
khi còn được gọi là địa chất học vũ trụ, theo đó các
nguyên tắc địa chất học được áp dụng để nghiên cứu
các hành tinh khác trong hệ mặt trời Mặc dù các nhà
địa chất học hành tinh cũng quan tâm đến bề mặt của
các hành tinh, nhưng chỉ chú ý đến sự sống trong quá
khức và hiện tại của các thế giới khác Điều này đã đặt
ra một số nhiệm vụ với mục tiêu (một trong những mục
tiêu) là tìm hiểu sự sống trên các hành tinh Ví dụ như
Tàu đáp xuống Phoenixđã phân tích đất ở bắc cựcSao
Hỏađể tìm kiếm nước, các hợp chất hóa học và khoáng
vật liên quan đến các quá trình sinh học
C A D B
E C
F
Quan hệ xuyên cắt có thể được sử dụng để xác định tuổi tương
đối của địa tầng và các cấu tạo địa chất khác A - đá bị uốn nếp
bị cắt bởi một đứt gãy ; B - đá xâm nhập cắt qua A; C - bất chỉnh
hợp góc giữa tầng đá trầm tích mới phủ lên A & B bị bào mòn,;
D - đê núi lửa (cắt qua A, B & C); E - tầng đá trẻ hơn (phủ lên
C & D); F - đứt gãy thuận (cắt qua A, B, C & E) Tuổi của các
đá theo tự trẻ dần từ A đến E.
Một phương pháp truyền thống và quan trọng trong
việc định tuổi các yếu tố địa chất là sử dụng các nguyên
tắc địa chất Có nhiều nguyên tắc quan trọng được phát
triển từ khi sơ khai đến khi nó trở thành một ngành
khoa học chính thức Các nguyên lý này vẫn được áp
dụng cho đến ngày nay theo cách mà nó cung cấp
thông tin về lịch sử địa chất và thời gian diễn ra các
sự kiện địa chất
Nguyên tắc quan hệ xâm nhập, khi đá mácmaxâm
nhập lên bề mặt đất nó xuyên cắt qua các tầng nằm
bên trên nó, thường là các tầng đá trầm tích Khi đó
dựa trên quan hệ này có thể xác định được các đá mác
ma trẻ hơn các đá trầm tích bị nó cắt qua Có một số
kiểu xâm nhập khác nhau nhưlaccolith,batholith,sàng
vàđê
Nguyên tắc quan hệ cắt theo mặt cắt, đề cập đến các
đứt gãyvà tuổi của đứt gãy Đứt gãy trẻ hơn đá mà
chúng cắt qua; nếu các đứt gãy này cắt qua hai hay nhiều loại đá theo thứ tự địa tầng, nếu chúng phát triển liên tục trên đá này mà không phát triển trên đá kia thì các đá bị cắt có tuổi cổ hơn đứt gãy, còn các đá không
bị cắt có tuổi trẻ hơn đứt gãy Tìm các dấu hiệu này trên đá có thể xác định được loại đứt gãy đó làđứt gãy thườnghayđứt gãy sâu(trong toàn vỏ Trái Đất)
Nguyên tắc bắt tù hay chứa, thường dùng trong đá trầm tích, khi mà một loại đá ngoại lai có mặt trong
đá trầm tích, thì nó có tuổi cổ hơn tuổi đá trầm tích Tương tự, trong đá mácma, khi một loại đá bị bao bọc bởi một đá mácma khác thì đá bị bao bọc có tuổi cổ hơn tuổi đá mácma chứa nó
Nguyên tắc tương tựđề cập đến các quá trình địa chất diễn ra trong hiện tại cũng giống với các quá trình diễn
ra trong quá khứ Nguyên tắc này được phát triển từ nguyên tắc của nhà vật lý và địa chất họcJames Huon thế kỷ 18, là “hiện tại là chìa khóa mở cách cửa quá khứ" nguyên văn: “the past history of our globe must
be explained by what can be seen to be happening now” (Lịch sử trong quá khứ có thể được giải thích giống như những gì xảy ra trong hiện tại)
Nguyên tắc lớp nằm ngang nguyên thủyđề cập đến các lớp trầm tích tồn tại trong môi trường ở dạng đá gốc nằm ngang an sát các lớp trầm tích hiện đại (đặc biệt là trầm tích biển) ở nhiều môi trường khác nhau cũng chứng minh cho nguyên tắc này (mặc dù trong tự nhiên các lớp này hơi nghiêng, nhưng xu hướng chung
là nó nằm ngang)
Nguyên tắc xếp ồngđể chỉ các lớp đá trầm tích trẻ hơn nằm trên các lớp đá trầm tích cổ trong vùng yên tĩnh kiến tạo Nguyên tắc này dùng để phân tích quan
hệ của các lớp trầm tích trong cùng một mặt cắt đứng, theo đó có thể phân tích sự gián đoạn trầm tích trong toànđịa tầng
Nguyên tắc động vật hóa thạdựa trên sự xuất hiện của hóa thạch trong các đá trầm tích Khi các loài xuất hiện cùng thời điểm trên toàn thế giới, sự có mặt hoặc không có mặt (thỉnh thoảng) của chúng có thể cung cấp tuổi tương đối của cáchệ tầngchứa chúng Dựa trên nguyên tắc củaWilliam Smith, đã ra đời trướcthuyết tiến hóacủaCharles Darwingần 100 năm, nguyên tắc này phát triển độc lập với thuyết tiến hóa Nguyên tắc trở nên khá phức tạp, tuy nhiên đã đưa ra được sự hóa thạch của các loài dễ biến đổi và hóa thạch địa phương dựa trên sự thay đổi theo chiều đứng trong môi trường sống (cácloàithay đổi trongtầngtrầm tích), và không phải tất cả hóa thạch có thể được tìm thấy trên toàn thế giới trong cùng một thời điểm
4.2 Định tuổi tuyệt đối
Một sự kiện lớn của ngành địa chất trong thế kỷ 20 là khả năng sử dụng tỷ lệđồng vịphóng xạ để xác định
Trang 88 5 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
khoảng thời gian mà đá chịu tác động bởi một nhiệt độ
cụ thể Các phương pháp này đo đạc thời gian từ lúc
một hạt khoáng vật cụ thể nguội đi ởnhiệt độ kết thúc
của nó, tại điểm này các đồng vị phóng xạ khác nhau
không còn khuếch tán trong các cấu trúc tinh thể.[15][16]
Việc sử dụng định tuổi đồng vị đã làm thay đổi các hiểu
biết về thời gian địa chất Trước đây, các nhà địa chất
chỉ có thể sử dụng hóa thạch để định tuổi trong các
mặt cắt của đá trong mối quan hệ với các mặt cắt khác
Trong khi đó, định tuổi đồng vị, có thể định tuổi chính
xác, và tuổi chính xác này có thể được ứng dụng đối
với các chuỗi hóa thạch trong các vật liệu đã được định
tuổi, đổi từ tuổi tương đối thành tuổi tuyệt đối
Các nhà địa chất đã dùng phân rã phóng xạ để
xác định tuổi của Trái Đất vào khoảng 4,54 tỉ năm
(4,5x109)[17][18]và tuổi của các vật liệu tạo thành hành
tinh cổ nhất (các thiên thạchChondrit kỷ Cacbon) là
4,567 tỉ năm.[19]
4550 Ma:
Tông Người Động Vật Có Vú Thực Vật Ở Trên Cạn Động Vật Sinh Vật Đa Tế Bao Sinh Vật Nhân Chuẩn Sinh Vật Nhân Sơ
Hỏa Thành
Thái C ổ Nguyên Sinh
Cổ Sinh
Trung Sinh
4527 Ma:
Hình Thành Mặt Trăng 4.6 Ga
4 Ga
3.8 Ga
3 Ga
2.5 Ga
2 Ga
1 Ga
542 Ma
251 Ma
Thiên Thạch Cuối Cùng;
Sinh Vật Đầu Tiên
ca 3500 Ma:
Sinh Vật Quang Hợp
ca 2300 Ma:
Ôxi Hóa Khí Quyển;
Quả Cầu Tuyết Đầu Tiên
750-635 Ma:
Hai Quả Cầu Tuyết
≈ 530 Ma:
Bùng Nổ Cambri
≈ 380 Ma:
Động Vật Có Xương Sống Ở
Trên Cạn Đầu Tiên
230-65 Ma:
Khủng Long
2 Ma:
Tông Người Xuất Hiện
Hình Thành Trái đất
Thời gian địa chất trong sơ đồ được gọi là đồng hồ địa chất , thể
hiện các giai đoạn tương đối của các kỷ trong lịch sử Trái Đất.
Đồng hồ thang thời gian địa chất về lịch sử của Trái
Đất từ lúc hình thànhhệ Mặt Trờicách đây 4,567Ga
(Ga: tỉ năm) đến hiện tại.[20]
• 4,567 Ga:Hình thành hệ Mặt Trời[19]
• 4,54 Ga: Hình thành Trái Đất[17][18]
• ~ 4 Ga: Kết thúcsự dội bom cuối cùng, sự sống đầu
tiên
• ~ 3,5 Ga: Bắt đầu sựquang hợp
• ~ 2,3 Ga: Ôxi hóakhí quyển,ả cầu tuyết Trái
Đấtđầu tiên
• 730-635Ma(Ma: cách đây triệu năm): Hai quả cầu tuyết?
• 542± 0,3 Ma:Bùng nổ Cambri- các loài thân cứng xuất hiện; cáchóa thạchđầu tiên; bắt đầuĐại Cổ Sinh
• ~ 380 Ma: Xuất hiện các loàiđộng vật có xương sốngsinh sống trên cạn đầu tiên
• 250 Ma:Sự kiện tuyệt chủng kỷ Permi-kỷ Trias -90% động vật trên đất liền bị chết Kết thúc đại Cổ sinh và bắt đầuđại Trung sinh
• 65 Ma:Sự kiện tuyệt chủng kỷ Creta-Paleogen -Khủng longchết; kết thúc đại Trung sinh và bắt đầuđại Tân sinh
• ~ 7 Ma - hiện tại: Hominin
• ~ 7 Ma:homininđầu tiên xuất hiện
• 3,9 Ma:Australopithecusđầu tiên xuất hiện,
tổ tiên trực tiếp củaloài ngườihiện đại,
• 200ka(ka: cách đây nghìn năm): Loài người hiện đại đầu tiên xuất hiện ở Đông châu Phi
4.4 Tóm lược thang địa thời
Dòng thứ 2 và 3 là phần mở rộng của các phần được đánh dấu sao
Triệu năm
Holocen(thếcuối cùng) rất nhỏ nên thể hiện không rõ trên thang này
5 Các phương pháp nghiên cứu
Các nhà địa chất sử dụng các phương pháp thực địa, phân tích trong phòng thí nghiệm, và mô hình số để giải mã lục sử Trái Đất và hiểu các quá trình xảy ra trên Trái Đất Trong các cuộc khảo sát địa chất, các nhà địa chất thường dùng các thông tin nguyên thủy liên quan đếnthạch học(nghiên cứu về các loại đá), địa tầng học(nghiên cứu các lớp trầm tích), vàđịa chất cấu tạo(nghiên cứu về thế nằm và sự biến dạng của đá) Trong một số trường hợp, các nhà địa chất cũng nghiên cứuđất,sông,địa hình, vàbăng hà; khảo sát sự sống hiện tại và quá khứ và các con đườngđịa hóa, và
sử dụng các phương phápđịa vật lýđể khảo sát phần bên dưới mặt đất
Trang 95.2 Các phương pháp trong phòng thí nghiệm 9
Cắm trại tại khu vực đo vẽ bản đồ của USGS thập niên 1950.
Ngày nay máy tính xách tay kèm với GPS và phần mềm hệ thống
thông tin địa lý thường được sử dụng trong công tác khảo sát
thực tế.
Công việc khảo sát địa chất thực tế hay thực địa thay
đổi tùy theo nhiệm vụ được giao (đặt ra) Các công việc
thông thường bao gồm:
• Lậpbản đồ địa chất
• Bản đồ cấu trúc: xác định các vị trí của các
thành tạo đá chính và các đứt gãy, nếp uốn
tác động lên (tạo ra) nó
• Bản đồ địa tầng: Xác định các vị trí của các
tướng trầm tích(tướng thạch họcvàtướng
sinh học) hoặc lập bản đồđẳng dàycủa các
lớp đá trầm tích
• Bản đồ Surficial: Xác định vị trí của các loại
đất và các tích tụ surficial
• Khảo sát các đặc điểm địa hình
• Tạo rabản đồ địa hình
• Khảo sát sự thay đổi của địa hình cảnh quan
bao gồm:
• Các dạngxói mònvàtích tụ
• ay đổi lòng sông tạo rakhúc uốnvà thay đổimực xâm thực cơ sở(avulsion)?
• Các quá trình sườn
• Lập bản đồ dưới bề mặt bằng phương phápđịa vật lý
• Các phương pháp bao gồm:
• Khảo sát bằngsóng địa chấnở độ sâu nông
• ẩm thấu radar mặt đất(GPR)
• Ảnh điện trở
• Các phương pháp được sử dụng trong:
• Tìm kiếm hydrocacbon
• Tìmnước ngầm
• Xác định vị trí các kiến trúc cổ bị chôn vùi
• Địa tầng học phân giải cao
• Đo đạc và mô tả các mặt cắt địa tầng trên bề
mặt
• Khoan giếng vàđo đạc trong giếng
• Sinh địa hóa họcvàvi sinh địa học
• u thập mẫu để:
• Xác định cácđường sinh hóa
• Xác định các tổ hợploàimới
• Xác định các hợp chất hóa học mới
• Và sử dụng các phát hiện này để
• Hiểu sự sống trước đây trên Trái Đất và
nó thực hiện chức năng và trao đổi chất như thế nào
• Tìm kiếm các hợp chất quan trọng để sử
dụng trong dược phẩm
• Cổ sinh vật học: khai quật các vật liệuhóa thạch
• Dùng nghiên cứu sự sống trong quá khứ và
sựtiến hóa
• Dùng trưng bày trongbảo tàngvà giáo dục
• u thập mẫu để nghiên cứuNiên đại địa chấtvà Niên đại chính xác(thermochronology) ?
• Băng hà học: đo đạc các đặc điểm của băng hà và
sự di chuyển của chúng
5.2 Các phương pháp trong phòng thí nghiệm
5.2.1 Thạch học
Trang 1010 5 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Kính hiển vi nghiên cứu thạch học, gồm kính hiển vi quang học
với tấm lọc ánh sáng phân cực , là lăng kính lồi , và cái bù dùng
phân tích tinh thể học.
Trong lĩnh vực thạch học, các nhà thạch học xác định
các mẫu đá trong phòng thí nghiệm bằng hai phương
pháp là soi mẫu dướikính hiển vi quang họcvà dưới
kính hiển vi điện tử Trong các phân tíchkhoáng vật
quang học, mẫu lát mỏng được phân tích bằngkính
hiển vi thạch học, nhờ đó các khoáng vật có thể được
xác định qua các thuộc tính khác nhau của chúng bởi
ánh sáng phân cực xuyên qua và mặt phẳng phân cực,
gồm các tính chất của nó nhưkhúc xạ kép,đa sắc,song
tinh, và sự giao thoa bởilăng kính lồi.[21]Khi dùng máy
dò điện tử, các vị trí riêng lẻ được phân tích về thành
phần hóa học chính xác và sự thanh đổi về thành phần
trong các tinh thể riêng lẻ.[22]Các nghiên cứu vềđồng
vị bền[23]vàphóng xạ[24]giúp con người hiểu hơn về
thành phần vật chất bên trong, cũng như sự phát triển
củađịa hóa họcvề các loại đá
Các nhà thạch học sử dụng dữ liệu về cácbao thể[25]
và các thí nghiệm vật lý ở nhiệt độ và áp suất cao[26]
để tìm hiểu nhiệt độ và áp suất mà tại đó hình thành
các pha tạo khoáng vật khác nhau, và bằng cách nào
chúng biến đổi trong các quá trình mácma[27]và biến
chất Nghiên cứu này có thể được ngoại suy từ thực
tế để hiểu các quá trình biến chất và các điều kiện kết
tinh của các đá mácma.[28] Công trình này cũng giúp
giải thích các quá trình xuất hiện trong lòng Trái Đất
như sựhút chìmvà sự tiến hóa củalò mácma
Sơ đồ về nêm bồi kết (lục) Trong nêm phát triển các đứt gãy dọc theo đứt gãy bazan chính Nó tạo nên hình dạng của một cái
nêm , các góc của các lớp đá trong nêm so với mặt phẳng nằm ngang là giống nhau chạy song song với đứt gãy chính Nó giống như một xe ủi đất đẩy một đống đất, ở đây xe ủi đất là mảng hút vào.
5.2.2 Địa chất cấu tạo
Các nhà địa chất cấu tạo sử dụng phương pháp phân tích thạch họclát mỏngđể quan sát cấu tạothớ của
đá vì chúng cung cấp thông tin về ứng suất bên trong cấu trúc tinh thể của đá Họ cũng vẽ và kết hợp các đo đạc về địa chất cấu tạo nhằm hiểu rõ hơn xu hướng của đứt gãy hoặc nếp uốn để hồi phục lại lịch sử biến dạng
đá của một khu vực hay rộng hơn là lịch sử phát triển kiến tạo của khu vực êm vào đó, họ tiến hành phân tích các thí nghiệm dạng mô phỏng trên máy tính về sự biến dạng của đá ở phạm vi lớn trong môi trường nhỏ Các phân tích về cấu tạo thường được tiến hành bằng cách vẽ đồ thị xu hướng về các đặc điểm biến đổi trên lưới chiếu nổi Lưới chiếu nổi là một lưới chiếu hình cầu được thể hiện trên mặt phẳng, trên lưới này các mặt phẳng được biểu diễn thành những đường thẳng và các đường thẳng được biểu diễn thành các điểm Lưới này
có thể được sử dụng để tìm vị trí của cáctrục nếp uốn, quan hệ giữa các đứt gãy, và quan hệ giữa các cấu tạo địa chất khác nhau
Mộ trong những thí nghiệm nổi tiếng nhất về địa chất cấu tạo là thí nghiệm liên quan đến cácnêm bồi kết, nó
là các khu vực tạo ra cácdãy núidọc theo các ranh giới mảnghội tụ.[29]Trong các lần thí nghiệm khác nhau, các lớp cát nằm ngang bị kéo dọc theo bề mặt bên dưới tạo ra các kiến trúc giống như với thực tế và sự phát triển của đai tạo núivuốt nhọn giới hạn(tất cả các góc giống nhau).[30] Các mô hình số cũng thực hiện bằng cách tương tự, chúng thường phức tạp và có thể bao gồm các kiến trúc xói mòn và nâng trong đai tạo núi.[31]
í nghiệm này giúp thể hiện quan hệ giữa xói mòn và hình dạng của dãy núi Các nghiên cứu trên cũng cung cấp thông tin có ích cho việc tìm hiểu cách biến chất
do áp lực, nhiệt độ, không gian và thời gian.[32]
5.2.3 Địa tầng học