Bí ẩn 'Đại bất chỉnh hợp' của Trái Đất có thể do lớp mantle tạo ra

Lớp vỏ cũ và mới

Tại Grand Canyon, có một ranh giới trong các lớp đá nơi thời gian dường như biến mất. Các loại đá tinh thể cổ đại đánh dấu phần đáy của nó, trong khi các lớp đá cát được hình thành khi sự sống bắt đầu đa dạng hóa trong thời kỳ bùng nổ kỷ Cambrian đánh dấu phần đỉnh. "Nó được gọi là Đại bất chỉnh hợp, và đó là một khoảng trống trong hồ sơ địa chất", Nicolas Flament, một nhà địa chất học tại Đại học Wollongong, Australia cho biết. "Khoảng trống này có thể kéo dài từ 200 triệu năm, vốn không mấy ấn tượng, cho đến hơn một tỷ năm."

Trong một nghiên cứu gần đây trên tạp chí Nature, Flament và đồng nghiệp Santosh Dhungana lập luận rằng khoảng trống này được tạo ra với sự trợ giúp từ sâu bên trong hành tinh. Theo các mô hình của họ, dòng chảy chậm của đá nóng trong lớp mantle của Trái Đất đã đẩy toàn bộ các lục địa lên cao trong hàng trăm triệu năm, cho phép các sông băng mài mòn chúng rồi sau đó để chúng chìm xuống, tạo điều kiện cho các lớp trầm tích mới chôn vùi vết sẹo đó. Lỗ hổng lớn nhất trong hồ sơ đá có thể là dấu vân tay của các quá trình diễn ra sâu trong lòng hành tinh.

Băng và biển

Các trầm tích cổ nhất nằm trên Đại bất chỉnh hợp ở Bắc America có độ tuổi từ 635 đến 482 triệu năm. Các nhà địa chất đã theo dõi nó ở phần lớn Bắc Mỹ và các phần của Bắc Âu cùng miền bắc Trung Quốc. "Có điều gì đó dường như đã xảy ra, đặc biệt là ở Bắc Mỹ", Flament nói.

Lời giải thích hàng đầu là hiện tượng băng hà. Trong khoảng từ 720 đến 635 triệu năm trước, các sông băng đã tiến đến các vùng nhiệt đới, và một số nhà khoa học cho rằng toàn bộ hành tinh đã đóng băng, một kịch bản gọi là Trái Đất quả cầu tuyết (Snowball Earth). "Các dải băng rất giỏi trong việc mài mòn, cào cấu bề mặt", Flament giải thích. Ông cho biết các sông băng có hiệu quả xói mòn đá gấp khoảng 10 lần so với các dòng sông. Nhưng nếu toàn bộ hành tinh đóng băng, Đại bất chỉnh hợp lẽ ra phải được tìm thấy ở mọi nơi. Và thực tế thì không phải vậy.

Các lời giải thích khác bao gồm việc tách giãn, kéo và căng lớp vỏ Trái Đất, và sự sụt giảm mực nước biển toàn cầu. Nhưng việc tách giãn chủ yếu tác động ở rìa các lục địa, và sự thay đổi mực nước biển đáng lẽ phải ảnh hưởng đến tất cả các lục địa như nhau. "Không có nghi ngờ gì về việc có sự băng hà rộng rãi. Không có nghi ngờ gì về việc có những thay đổi mực nước biển theo thời gian. Vấn đề là, liệu điều đó có đủ để ghép nối câu đố Đại bất chỉnh hợp lại với nhau không?" Flament nói.

Ý tưởng thứ tư cho rằng chính lớp mantle đang di chuyển các lục địa lên và xuống, một quá trình gọi là địa hình động lực học. "Nó đã được đề xuất, nhưng chưa được kiểm tra bằng định lượng", Flament nói. Vì vậy, nhóm của ông đã bắt tay vào làm việc đó.

Hành tinh đèn dung nham

Từ khoảng 100 đến 200 km bên dưới bề mặt xuống tới gần 3.000 km, lớp mantle của Trái Đất từ từ đối lưu. "Một phép loại suy là ngọn đèn dung nham, nơi một số thứ đi lên và một số thứ đi xuống", Flament giải thích. "Đá lạnh chìm xuống và đá nóng nổi lên."

Lớp mantle ở trạng thái rắn, nhưng một khối đá có thể từ từ di chuyển từ bề mặt xuống sâu trong Trái Đất trong khoảng 200 triệu năm. Chuyển động đó kéo bề mặt. Nơi các phiến đá lạnh của đáy đại dương chìm vào lớp mantle tại các vùng hút chìm, mặt đất bị kéo xuống; nơi lớp mantle nóng dâng lên, nó bị đẩy lên. Biên độ của chuyển động lên xuống này vẫn còn là chủ đề tranh luận. "Nói ngắn gọn là vài trăm mét, và vẫn cần phải tìm hiểu chính xác giá trị [chính xác] đó là gì", Flament nói.

Dhungana và Flament đã chạy sáu mô phỏng về quá trình đối lưu của mantle quay ngược lại 1 tỷ năm, được thúc đẩy bởi các bản tái tạo về cách các mảng kiến tạo di chuyển trong thời gian đó. Sau đó, họ nhóm các khu vực có mặt đất nâng lên và hạ xuống theo những cách tương tự để tìm ra nơi bất chỉnh hợp lẽ ra phải hình thành, và nơi nó lẽ ra phải tồn tại cho đến ngày nay. Tuy nhiên, Flament cho biết cấu hình ban đầu của các mô phỏng này vẫn chưa chắc chắn.

Các hồ sơ từ tính trong đá cổ tiết lộ các lục địa cách xích đạo bao xa, nhưng không cho biết kinh độ của chúng. "Có thể một số lục địa có thể ở sai bán cầu", Flament thừa nhận. Đáy đại dương cổ đại, từ lâu đã được tái chế vào lớp mantle, đã phải được tạo ra hoàn toàn từ con số không trong các mô phỏng. Tuy nhiên, các mô phỏng đã tạo ra một câu chuyện nhất quán.

Laurentia, lõi cổ đại của Bắc America, có ít hoặc không có sự hút chìm dọc theo các rìa của nó trong khoảng từ 930 đến 510 triệu năm trước, giống như Châu Phi ngày nay, vì vậy nó nằm phía trên một phần mantle đang dâng lên và bị đẩy lên. Năm trong số sáu mô hình cho thấy mô hình Laurentia này chứng kiến sự nâng lên kéo dài theo sau là sự chìm xuống vào kỷ Cambrian. Đối với Bắc Âu và miền bắc Trung Quốc, mô hình này xuất hiện ở bốn mô hình.

Nhưng chỉ riêng việc nâng lên, nhóm của Flament kết luận, là quá nhẹ nhàng để tước đi lượng đá đủ để tạo ra Đại bất chỉnh hợp.

Sự mài mòn của băng hà

"Sự nâng lên có thể tạo ra độ nghiêng cho toàn bộ lục địa, nhưng nó không tuyệt vời trong việc tạo ra một sườn dốc", Flament nói. Mảnh ghép còn thiếu của câu đố, theo ông lập luận, là các sông băng đã xuyên qua đá ngay cả trên vùng đất thấp và sườn dốc thoai thoải. Các mô hình cho thấy sự nâng lên vẫn đang diễn ra khi Trái Đất quả cầu tuyết ập đến. "Sự nâng lên nhẹ nhàng liên tục này, và sau đó là sự xói mòn băng hà xuất hiện ở trên đỉnh, kết hợp với nhau", Flament giải thích. "Chúng không liên kết với nhau. Chúng chỉ trùng hợp ngẫu nhiên về thời gian." Khi các lục địa chìm xuống trong kỷ Cambrian, biển tràn vào và chôn vùi bề mặt bị xói mòn.

Các mô hình do nhóm của Flament tạo ra cũng giải thích lý do tại sao khoảng trống này lại quá rõ ràng ở Bắc Mỹ nhưng khó tìm thấy ở nơi khác. So với các hồ sơ trầm tích được bảo tồn trên mỗi lục địa, Bắc America và Eurasia cho thấy một đợt trồi lên kéo dài theo sau là một đợt sụt giảm kéo dài, mà các nhà nghiên cứu diễn giải là công thức lý tưởng cho Đại bất chỉnh hợp.

Mặt khác, Nam America và Australia đã trải qua hai chu kỳ. "Điều này có khả năng tạo ra hai bất chỉnh hợp, và sau đó Đại bất chỉnh hợp sẽ khó nhìn thấy hơn", Flament nói. Châu Phi lại là một trường hợp hoàn toàn khác - vào thời điểm đó bị kẹp giữa các vành đai núi, sự xói mòn và trầm tích của nó được định hình bởi các dãy núi hơn là lớp mantle bên dưới.

Nhưng nếu lớp mantle trải qua các chu kỳ lên xuống như vậy một cách thường xuyên, câu hỏi còn lại là tại sao chúng ta chỉ có thể nhìn thấy một Đại bất chỉnh hợp, chứ không phải nhiều lần.

Độc nhất vô nhị

Nhóm nghiên cứu cho biết Đại bất chỉnh hợp là duy nhất trong hồ sơ địa chất vì sự kết hợp của chu kỳ trồi lên và sụt xuống kéo dài hơn 900 triệu năm, hiện tượng băng hà gần như toàn cầu diễn ra vào thời điểm thích hợp và các hồ sơ đá ngày càng khó đọc hơn khi lùi xa hơn trong quá khứ.

Flament nghi ngờ có thể có một ứng cử viên cũ hơn, gắn liền với kỷ băng hà 2.4 tỷ năm trước, nhưng những lớp đá cổ như vậy thiếu các hóa chất hay hóa thạch giúp việc xác định niên đại các trầm tích trẻ hơn trở nên dễ dàng hơn. "Có sự sống trong trầm tích giúp dễ dàng có ý thức về thời gian hơn rất nhiều", ông nói. Tuy nhiên, công trình của ông có thể giúp giải thích những gì xảy ra ngay sau khi Đại bất chỉnh hợp hình thành.

Sự xói mòn dữ dội đã tạo ra Đại bất chỉnh hợp đã cuốn trôi vật chất đá vào các đại dương, có thể làm giàu dinh dưỡng cho chúng ngay trước kỷ nguyên bùng nổ kỷ Cambrian, khi canxi trở nên phong phú trong nước biển. "Đó là lúc sự sống học cách huy động canxi và tạo ra bộ xương và vỏ", Flament nói. Tuy nhiên, ông thừa nhận động lực mantle có lẽ không phải là quá trình duy nhất cho phép sự bùng nổ kỷ Cambrian xảy ra. "Tôi nghĩ sẽ là sai lầm khi nói rằng lớp mantle đặt ra nhịp độ ở đây. nhưng tôi nghĩ đó là một trong những lực lượng hoạt động cùng nhau."