Chương 2: SỰ RA ĐỜI CỦA VŨ TRỤ TỚI VIỆC HÌNH THÀNH ĐƯỜNG BỜ
2.3. Cấu tạo địa chất của trái đất
Theo các nghiên cứu về thiên văn học thì sự hình thành trái đất có lịch sử 4 - 5 tỉ năm gần đây. Các nhà địa chất nghiên cứu sự hình thành của trái đất không bắt đầu từ các vụ nổ hình thành vũ trụ mà họ chia thành các Đại, Kỷ. Cách chia này dựa trên phân tích các mẫu đất đá từ lớp vỏ trái đất và từ các hóa thạch để lại trên đất đá. Những năm đầu thế kỷ 20, kỹ thuật duy nhất là dựa vào các hóa thạch trên cơ sở so sánh tương đối giữa các lớp đất đá để tìm ra tuổi của chúng. Phân tích phóng xạ là một kỹ thuật mới để tính tuổi. Kỹ thuật hiện đại này dựa trên sự phân rã của các chất đồng vị phóng xạ và cho kết quả khá chính xác. Tuy nhiên cũng cần nhớ rằng sự phân rã được thể hiện bằng số năm đồng vị (chẳng hạn như C14) không phải luôn luôn tương tự với tuổi mặt trời.
Theo cách này, địa chất học sẽ tạo ra được bức tranh thời gian khoảng 4-5 tỉ năm từ khi hình thành hành tinh chúng ta. Thang thời gian chia thành các Kỷ và tiếp tục
được chia nhỏ hơn. Những Kỷ gần đây được mô tả tỉ mỉ hơn rất nhiều thời kỳ đầu hình thành trái đất.
Khi nghiên cứu các niên đại địa chất, việc chia Kỷ thành các thời đoạn ngắn hơn được trình bày trong bảng 2.2. Một ví dụ về việc xác định niên đại địa chất là xác định gianh giới giữa đại trung sinh và kỷ thứ ba bằng sự biến mất của hàng trăm loài kể cả khủng long và sự xuất hiện, sinh sôi nảy nở nhanh chóng của rất nhiều loài mới (Stanley [1986]). Đại trung sinh lại được chia thành Kỷ thứ 3 và Kỷ thứ 4. Trong kỷ thứ 4 bao gồm Kỷ Pleistocene và Kỷ Holocene
Kỷ được các kỹ sư kỹ thuật bờ biển quan tâm nhất là Pleistocene và Holocene cách thời đại chúng ta khoảng 1.8 triệu năm. Trong kỷ Pleistocene sự thay đổi khí hậu trái đất dẫn tới băng tuyết bao phủ phần lớn các lục địa theo các chu kỳ với cái tên là kỷ Băng Hà. Ngày nay, nhiều đặc điểm hình thái, các khoáng vật thời đó vẫn còn dễ dàng nhận ra được. Khoảng 15 - 18 nghìn năm trước đây, khí hậu trái đất lại ấm lên. Cùng lúc đó, thời kỳ biển tiến thuộc kỷ Holocene bắt đầu với sự tăng của mực nước biển toàn cầu. Rất nhiều đặc điểm hình thái liên quan đến môi trường biển cũng đã hình thành trong kỷ này, tuy nhiên những cấu trúc địa chất hình thành trước đó vẫn tồn tại.
Lịch sử cận đại của trái đất đã chứng tỏ sự tồn tại của loài người. Nó phản ánh sự phụ thuộc của con người vào những thay đổi mang tính toàn cầu.
Chứa đựng trong sự phát triển địa chất của trái đất, có 2 vấn đề được đề cập đến trong giáo trình này liên quan đến kỹ thuật bờ biển. Đó là quá trình lục địa trôi nghiên cứu cấu trúc, sự hình thành bề mặt trái đất thông qua chuyển động tương đối của các tầng đất đá và sự thay đổi tương đối của mực nước biển.
Kiến tạo địa tầng học hay sự thay đổi bản đồ trái đất
Lý thuyết kiến tạo địa tầng có lịch sử khá phức tạp mà kết quả của sự tương tác của các tầng đất đá tạo nên bởi sự di chuyển của biển ở thế kỷ 16, 17. Khi người ta xây dựng được bản đồ phân định biển và lục địa thì cũng là lúc xuất hiện nhiều câu hỏi xung quanh sự phân bố của nó. Năm 1620, Francis Bacon, tác giả nổi tiếng đầu tiên về lĩnh vực kiến tạo địa tầng đã mô tả quá trình tách ra của đường bờ biển Nam Mỹ và châu Phi và việc xuất hiện đại dương giữa hai châu lục.
Năm 1912, Alfred Lothar Wegener đã thiết lập bản đồ toàn cầu giải thích sự phân bố của các lục địa. Ông tin rằng các lục địa bị tách dần nhau ra một cách chậm chạp từ siêu lục địa ban đầu mà ông gọi là sự hỗn giao. Ông tưởng tượng ra một đại dương duy nhất hay còn lại là Tethys (theo thuật ngữ cổ Hy lạp gọi là biển mẹ) nằm giữa Laurasia và Gondwanaland, phía bắc và phía nam của siêu lục địa (hình 2-1). Trên cơ sở các số liệu địa chất và cổ sinh học, Wegener đã chứng minh một cách thuyết phục về tính liên tục của các cấu trúc địa chất cắt qua các lục địa rộng lớn đang tồn tại hiện nay. Ba năm sau, Wegener đã xuất bản công trình của mình mang tên "Die Entstehung
der Kontinente and Ozeane" trình bày những luận điểm đáng tin cậy về sự hình thành biển và lục địa.
Các mốc chính Niên đại địa chất Kỷ thứ 1 Kỷ thứ 2 Kỷ thứ 3 Số năm trước thời điểm hiện tại
Fanerozoic Cenozoic Quartemary Holocene Sub-Atlanticum 2 900
(Tên cũ là Alluvium) Sub-Boreal Atlanticum Boreal
Pre-Boreal 10 000
Pleistocene (Tên cũ là Diluvium)
Weichselian glacial age Eemian (Thời kỳ băng hà) Soalian glacial
age Holsteinian Elsterian glacial age
Cromerian Menapian glacial age
Waalian Eburonian glacial age
Tagline
1.8 * 108 Tertiary Pliocene
Miocene Oligocene
Châu Mỹ và châu Phi tách rời nhau Eocene
End of dinosaurs Paleocene 65 * 108
Abundant life Mesozoic Cretaceous Late Cretaceous
Earl Cretaceous Jurassic Maim
Dodger Lias Triassic
Muschelchalk
Bont sand stone 225 * 108
Paleozoic Permian Zechstein Rotlie endes Carboniferous Silesian
Start of reptiles Dinantian
Devonian Late Devonian Middle Devonian Earl Devonian Silurian
Ordovician
Cambrian 600 * 108
Cryptozoic Precambrian
First primitive life 3.2 * 109
Formation of planet
4.75 * 109
Bảng 2-2: Bảng niên đại địa chất
Hình 2-1: Phân bố các lục địa trong kỷ Triat sớm (Davis, 1994)
Các lục địa hình thành trong siêu lục địa dần dần tách khỏi vị trí ban đầu. Quá trình này được mô tả trong hình 2-2. Vị trí trung bình các lục địa được mô tả có tuổi khoảng 135 triệu năm trước đây nằm giữa kỷ Jura và kỷ phấn trắng (hay kỷ creta). Khoảng gần 200 triệu năm trước, vị trí các lục địa gần giống như hiện nay và theo các quan trắc thì chúng vẫn tiếp tục trôi. Hiện nay, các nhà khoa học đã khẳng định rằng trước khi hình thành siêu lục địa thì các lục địa vẫn trôi, bằng chứng là biển Atlantic đã tồn tại thậm chí trước kỷ Pecmi. Sự ra đời của nó cũng chính là sự khởi đầu hình thành các dãy núi ở Scotland, Na Uy và Bắc Mỹ.
Lý thuyết kiến tạo bề mặt trái đất đã chứng tỏ rằng các lục địa - một phần của thạch quyển có phần trên cùng bao gồm lớp vỏ trôi dạt trên các vật chất nóng chảy nằm phía dưới mà chúng ta gọi là lớp nóng chảy sát mặt. Vào năm 1960, các nhà khoa học đã thống nhất phân chia thạch quyển thành 12 phần lớn và một số phần nhỏ. Sáu phần là các lục địa và sáu còn lại là đại dương. Theo Wegener tất cả các phần đang dịch chuyển tương đối với nhau (hình 2-3).
Hình 2.2: Lục địa trôi ( Wegener, 1924)
Hình 2.3: Chuyển động các lục địa trôi (Spectrum Atlas, 1973)
Liên quan đến quá trình lục địa trôi, ở những vị trí nhất định, các vật chất nóng chảy có thể làm thay đổi bề mặt trái đất. Hiện tượng này liên quan đến các dãy núi ngầm mà theo đó các lớp vỏ mới của trái đất dưới lòng biển hình thành (hình 2-4). Quá trình này liên quan đến hiện tượng phân kỳ. Tuổi của đất đá ở hai phía của các sống cao tăng theo khoảng cách từ trung tâm và phần hình thành sớm nhất ở chân của sống cao đó (hình 2-4). Theo các nhà địa chất có thể căn cứ vào đặc điểm của đáy biển để xác định lịch sử phát triển của lớp vỏ trái đất.
Hình 2-4: Chuyển động của lớp vỏ trái đất
Ở phần khác, thay vào quá trình phân kỳ là quá trình hội tụ. Các điểm thấp nhất dưới đáy biển là chân các dãy núi ngầm. Tại những điểm này, vỏ trái đất lại có xu thế tái hóa lỏng và một phần chuyển sang dạng hơi. Quá trình này thường đi liền với động đất và núi lửa.
Lý thụyết của Wegener tồn tại rất lâu và chỉ đến những thập kỷ gần đây lý thuyết về chuyển động kiến tạo mới được quan tâm trên cơ sở các số liệu thu được từ các chương trình nghiên cứu bao gồm:
• Chương trình khoan biển (Ocean Drilling Programme ODP)
• Chương trình lắp đặt các thiết bị có độ nhạy cao để kiểm soát các vụ thử hạt nhân
• Các vệ tinh quan sát trái đất
Chương trình khoan biển bao gồm các nghiên cứu cơ bản về lịch sử hình thành các đại dương và bản chất của lớp vỏ trái đất tiếp giáp đáy biển. Rất nhiều nước tham gia chương trình này và thu được những kết quả rất khích lệ. Các thiết bị khoan đặc biệt được sử dụng để lấy mẫu ở những độ sâu kỷ lục (sâu đến 9 km dưới mặt nước). Hàng trăm hố khoan đã được dự án hợp tác quốc tế này thực hiện.
Trong chương trình này, các lớp mặt thuộc đáy biển đã được kiểm tra, so sánh với thành tạo gốc. Bằng cách này, có thể tính toán được tốc độ di chuyển của các châu lục.
Hơn nữa, các hóa thạch để lại trong các lớp đất đá cũng cho ta biết sự thay đổi của
nhiệt độ. Một điều thú vị từ việc nghiên cứu các vật chất đáy biển là giúp xác định được tính liên tục của lịch sử trái đất dựa trên các lớp vật chất rất mỏng đó (so với chiều dày của lớp vỏ trái đất). Thông thường các lớp đất đá cổ bị vùi lấp trong các lớp trầm tích mới trong một thời gian ngắn.
Trong chương trình theo dõi các hoạt động liên quan đến hiệp ước cấm thử vũ khí hạt nhân, các thiết bị có độ nhạy cao đã được lắp đặt ở nhiều nơi trên trái đất để kiểm soát các vụ thử hạt nhân. Các thiết bị này cũng có thể kiểm soát động đất. Từ các kết quả thu được, người ta thấy rằng hiện tượng động đất xảy ra với tần suất cao dọc theo máng của các lục địa chuyển động và do vậy biên giới của khu vực này cần phải được quan tâm.
Hiện nay, tốc độ chuyển động của các lục địa được xác định với sự trợ giúp của các vệ tinh có hệ thống định vị độ chính xác cao. Kết quả thấy rằng tốc độ di chuyển từ 1 cm/ năm ở giữa biển Atlantic đến 10 cm/năm ở rãnh cao phía đông thuộc đông nam Thái Bình dương và khe nứt giữa biển Atlantic có thể nhìn thấy trên bề mặt của đất nước Iceland một cách rất rõ ràng (hình 2-5)
Hình 2-5: Khe nứt tại khu vực giữa Atlantic tại công viên Thingviller, Iceland
Sự thay đổi mực nước biển
Từ khi hình thành, các đại dương chưa bao giờ đứng yên. Do động đất, hoạt động của núi lửa và các nguyên nhân khác gây nên sự thay đổi mực nước biển. Chúng ta nghiên cứu để xác định nguyên nhân nào gây tác động mạnh nhất làm thay đổi mực nước biển.
Theo các kết quả nghiên cứu thì nhân tố quan trọng nhất là sự thay đổi nhiệt độ. Khi nhiệt độ bề mặt trái đất tăng lên, các khối băng ở 2 cực tan ra dẫn tới sự tăng mực nước. Điều này xảy ra một cách thường xuyên trong lịch sử hình thành của trái đất và vẫn đang tiếp tục xảy ra. Băng tan ở vùng cực làm cho tải trọng tác dụng lên vỏ trái đất tại các vùng đất đó giảm đi, trong khi các vùng đất lân cận không bị băng phủ thì
không bị giảm tải. Kết quả là một cân bằng mới được thiết lập kéo theo hiện tượng chìm của bề mặt trái đất tại những nơi không bị băng bao phủ và dẫn tới sự chuyển động tương đối của lớp nước ở các vị trí khác nhau trên bề mặt trái đất và là nguyên nhân của sự thay đổi mực nước biển.
Sự thay đổi mực nước biển tác động rất đáng kể đến vùng ven biển. Nước biển tăng lên hay hạ xuống theo từng vùng kéo theo đường bờ được nhô lên hoặc chìm xuống dẫn tới sự thay đổi hình thái của nó và hậu quả là sự thay đổi các quá trình bờ biển và môi trường vùng ven biển. Hiện tượng chìm của đất liền vùng ven biển gọi là hiện tượng biển tiến hay hiện tượng suy thoái của đất liền.
Theo Davis (1994), các quá trình sau đây là nguyên nhân của hiện tượng thay đổi mực nước biển:
• Hoạt động kiến tạo
• Thay đổi khí hậu (do tự nhiên hoặc do con người)
• Sụt lún đất do chất tải và rút nước ngầm
• Sụt lún và nâng lên của thạch quyển
• Thay đổi của khối lượng nước biển toàn cầu
• Sự dày lên hay mỏng đi của các lớp băng
• Sự nâng lên hay hạ xuống của các lục địa
Mực nước biển tăng gây nguy hiểm cho nhiều quốc gia, đặc biệt là những quốc gia có nền địa hình thấp vì bảo vệ các vùng đất có nguy cơ bị ngập rất tốn kém. Các nước nghèo sẽ gặp rủi ro lớn hơn vì không đủ nhân tài vật lực để giảm thiểu tác động của hiện tượng nước biển tăng.
Để hiểu được diễn biến của mực nước biển cần có những nghiên cứu toàn diện các vấn đề địa chất, khí hậu, địa mạo và đại dương ảnh hưởng tới đường bờ. Phần dưới đây sẽ trình bày ảnh hưởng của quá trình địa chất kiến tạo tới sự thay đổi đường bờ biển.