Lớp phủ Trái Đất (Earth’s Mantle)

Thành phần và cấu trúc

Lớp phủ chủ yếu được cấu tạo từ các khoáng vật silicat giàu magie và sắt, như olivin, pyroxen và granat. Mặc dù thành phần hóa học tương đối đồng nhất, lớp phủ chia thành nhiều lớp dựa trên các đặc tính vật lý, đặc biệt là mật độ và trạng thái vật chất:

• Lớp phủ trên (Upper Mantle): Kéo dài từ đáy lớp vỏ đến khoảng 660 km. Nó được chia thành hai phần:
  • Thạch quyển (Lithosphere): Phần cứng nhất và ngoài cùng, bao gồm lớp vỏ và phần trên cùng của lớp phủ trên. Thạch quyển bị chia thành các mảng kiến tạo, di chuyển chậm trên lớp quyển mềm.
  • Quyển mềm (Asthenosphere): Nằm dưới thạch quyển, là một lớp dẻo, nóng hơn, có khả năng biến dạng dẻo. Sự chuyển động của quyển mềm là nguyên nhân chính gây ra sự trôi dạt lục địa.
• Vùng chuyển tiếp (Transition Zone): Nằm giữa lớp phủ trên và lớp phủ dưới, từ khoảng 410 km đến 660 km. Ở đây, các khoáng vật trải qua các chuyển biến pha do áp suất tăng, dẫn đến sự tăng đột ngột về mật độ. Cụ thể, olivin chuyển sang dạng spinel ở độ sâu khoảng 410 km và tiếp tục chuyển sang dạng perovskite ở độ sâu 660 km.
• Lớp phủ dưới (Lower Mantle): Kéo dài từ 660 km đến khoảng 2.900 km. Nó nóng hơn và đặc hơn lớp phủ trên, và các khoáng vật ở đây tồn tại ở dạng tinh thể đặc hơn. Bridgmanite (một dạng perovskite silicat) là khoáng vật chủ yếu trong lớp phủ dưới.
• Vùng D” (D double-prime): Lớp mỏng, nằm ngay phía trên ranh giới lõi-lớp phủ (CMB). Đây là vùng phức tạp và có tính dị hướng cao, được cho là có thành phần hóa học khác biệt so với phần còn lại của lớp phủ. Vùng D’’ có thể chứa các khoáng vật như post-perovskite được tạo ra từ bridgmanite dưới áp suất cực cao, cũng như các vật chất từ lõi và lớp phủ bị trộn lẫn.

Đặc điểm vật lý

• Nhiệt độ: Nhiệt độ trong lớp phủ tăng theo độ sâu, từ khoảng 100°C ở đáy lớp vỏ đến hơn 3.700°C gần ranh giới lõi-lớp phủ. Gradient địa nhiệt trong lớp phủ thay đổi theo độ sâu và khu vực.
• Áp suất: Áp suất cũng tăng theo độ sâu, từ khoảng 1 GPa ở đáy lớp vỏ đến khoảng 136 GPa ở ranh giới lõi-lớp phủ.
• Mật độ: Mật độ của lớp phủ tăng theo độ sâu, từ khoảng 3.3 g/cm³ ở lớp phủ trên đến khoảng 5.5 g/cm³ ở lớp phủ dưới. Sự thay đổi mật độ này một phần là do các chuyển biến pha của khoáng vật dưới áp suất cao.
• Trạng thái vật chất: Mặc dù nhiệt độ cao, hầu hết lớp phủ ở trạng thái rắn do áp suất cao. Tuy nhiên, quyển mềm thể hiện một số đặc tính của chất lỏng, cho phép nó chảy chậm theo thời gian địa chất. Sự chảy này được gọi là biến dạng dẻo và là nguyên nhân chính gây ra sự chuyển động của các mảng kiến tạo.

Vai trò của lớp phủ

Lớp phủ đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình địa chất, bao gồm:

• Kiến tạo mảng: Sự chuyển động của các mảng kiến tạo được thúc đẩy bởi sự đối lưu trong lớp phủ. Sự đối lưu này là kết quả của sự chênh lệch nhiệt độ và mật độ giữa phần trên và phần dưới của lớp phủ.
• Núi lửa: Magma hình thành trong lớp phủ và phun trào lên bề mặt, tạo thành núi lửa. Một số núi lửa hình thành tại các điểm nóng, nơi mà magma bốc lên từ sâu trong lớp phủ.
• Động đất: Sự chuyển động của các mảng kiến tạo và các quá trình trong lớp phủ gây ra động đất.
• Sự phát triển của Trái Đất: Lớp phủ đóng vai trò quan trọng trong sự tiến hóa hóa học và nhiệt độ của Trái Đất. Nó là nguồn gốc của nhiều nguyên tố quan trọng trên bề mặt Trái Đất và ảnh hưởng đến sự cân bằng nhiệt của hành tinh.

Nghiên cứu lớp phủ

Việc nghiên cứu lớp phủ rất khó khăn do độ sâu và điều kiện khắc nghiệt. Các phương pháp nghiên cứu chính bao gồm:

• Nghiên cứu sóng địa chấn: Phân tích cách sóng địa chấn truyền qua Trái Đất cung cấp thông tin về cấu trúc và thành phần của lớp phủ. Sự thay đổi tốc độ và hướng của sóng địa chấn cho thấy sự thay đổi về mật độ và trạng thái vật chất trong lớp phủ.
• Nghiên cứu đá núi lửa: Đá núi lửa mang theo các mảnh lớp phủ lên bề mặt (gọi là xenolit), cung cấp thông tin trực tiếp về thành phần của nó.
• Thí nghiệm áp suất cao: Mô phỏng điều kiện áp suất và nhiệt độ cao trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu hành vi của các khoáng vật lớp phủ.
• Mô hình địa động lực học: Sử dụng các mô hình máy tính để mô phỏng sự đối lưu và các quá trình khác trong lớp phủ.

Lớp phủ là một phần quan trọng của Trái Đất, và việc hiểu biết về nó là cần thiết để hiểu được sự tiến hóa và hoạt động của hành tinh chúng ta.

Sự đối lưu trong lớp phủ

Sự chênh lệch nhiệt độ giữa ranh giới lõi-lớp phủ nóng và lớp phủ trên lạnh hơn tạo ra sự đối lưu nhiệt trong lớp phủ. Vật chất nóng, nhẹ hơn nổi lên, trong khi vật chất lạnh, nặng hơn chìm xuống. Quá trình này, mặc dù diễn ra rất chậm (vài cm mỗi năm), là động lực chính của kiến tạo mảng. Có hai mô hình chính về sự đối lưu lớp phủ:

• Đối lưu toàn lớp phủ: Mô hình này cho rằng sự đối lưu diễn ra trên toàn bộ lớp phủ, từ ranh giới lõi-lớp phủ đến đáy thạch quyển. Mô hình này cho phép sự trao đổi vật chất trực tiếp giữa lớp phủ dưới và bề mặt.
• Đối lưu lớp phủ phân tầng: Mô hình này đề xuất rằng lớp phủ trên và lớp phủ dưới đối lưu riêng biệt, với vùng chuyển tiếp hoạt động như một rào cản. Tuy nhiên, bằng chứng gần đây cho thấy có sự trao đổi vật chất giữa hai lớp, mặc dù mức độ trao đổi này vẫn đang được tranh luận. Một số nghiên cứu cho thấy các chùm mantle có thể xuyên qua vùng chuyển tiếp và bốc lên từ ranh giới lõi-lớp phủ.

Thành phần hóa học chi tiết

Mặc dù olivin, pyroxen và granat là các khoáng vật chính, thành phần hóa học của lớp phủ phức tạp hơn. Các nguyên tố chiếm tỉ lệ phần trăm khối lượng lớn nhất bao gồm:

• Oxy (O): ~44.8%
• Magie (Mg): ~22.8%
• Silic (Si): ~21.5%
• Sắt (Fe): ~5.8%
• Canxi (Ca): ~2.3%
• Nhôm (Al): ~2.2%

Ngoài ra còn có một lượng nhỏ các nguyên tố vi lượng khác.

Dị hướng địa chấn

Sự dị hướng địa chấn, tức là sự biến thiên tốc độ sóng địa chấn theo hướng lan truyền, được quan sát thấy trong lớp phủ. Điều này cho thấy rằng lớp phủ không phải là một môi trường đồng nhất về mặt vật lý, mà có cấu trúc và sắp xếp khoáng vật thay đổi theo vị trí và độ sâu. Dị hướng địa chấn có thể được gây ra bởi sự sắp xếp ưu tiên của các tinh thể khoáng vật do dòng chảy lớp phủ, hoặc bởi sự hiện diện của các vùng có thành phần khoáng vật khác nhau.

Vùng D” chi tiết

Vùng D”, lớp mỏng nhất của lớp phủ, nằm ngay phía trên ranh giới lõi-lớp phủ. Nó có đặc tính địa chấn rất phức tạp và được cho là đóng vai trò quan trọng trong việc truyền nhiệt giữa lõi và lớp phủ. Vùng này có thể chứa các khoáng vật có mật độ cao, thậm chí có thể là các mảnh của thạch quyển đại dương bị chìm xuống. Nguồn gốc và thành phần chính xác của vùng D” vẫn còn là một chủ đề nghiên cứu tích cực. Một số giả thuyết cho rằng vùng D’’ là nơi tích tụ các mảng kiến tạo bị hút chìm, hoặc là một khu vực phản ứng hóa học giữa lõi và lớp phủ.

Ảnh hưởng của lớp phủ đến bề mặt Trái Đất

Ngoài kiến tạo mảng và núi lửa, lớp phủ còn ảnh hưởng đến bề mặt Trái Đất theo nhiều cách khác, bao gồm:

• Địa hình: Sự đối lưu lớp phủ có thể gây ra nâng lên hoặc sụt lún của bề mặt Trái Đất. Ví dụ, các điểm nóng có thể tạo ra các chuỗi đảo núi lửa.
• Trường địa từ: Dòng chảy của sắt lỏng trong lõi ngoài, chịu ảnh hưởng bởi sự truyền nhiệt từ lớp phủ, tạo ra từ trường Trái Đất. Sự thay đổi trong dòng chảy lớp phủ có thể ảnh hưởng đến cường độ và hướng của từ trường.
• Sự tiến hóa của khí quyển: Sự thoát khí từ lớp phủ, thông qua núi lửa, góp phần vào thành phần của khí quyển. Các loại khí được giải phóng bao gồm hơi nước, carbon dioxide, và sulfur dioxide.

• Fowler, C. M. R. (2005). The solid earth: An introduction to global geophysics. Cambridge University Press.
• Schubert, G., Turcotte, D. L., & Olson, P. (2001). Mantle convection in the earth and planets. Cambridge University Press.
• Don L. Anderson, Theory of the Earth, Blackwell Scientific Publications, Oxford, 1989
• Condie, K. C. (2016). Plate tectonics and crustal evolution. Butterworth-Heinemann.

Câu hỏi và Giải đáp

Vai trò của vùng chuyển tiếp trong lớp phủ là gì? Tại sao nó được coi là một “vùng chuyển tiếp”?

Trả lời: Vùng chuyển tiếp, nằm giữa lớp phủ trên và lớp phủ dưới (khoảng 410-660 km), được gọi là “vùng chuyển tiếp” vì các khoáng vật ở đây trải qua những thay đổi đáng kể về cấu trúc tinh thể do áp suất tăng. Ví dụ, olivin, khoáng vật phổ biến trong lớp phủ trên, chuyển sang dạng wadsleyite và ringwoodite ở vùng chuyển tiếp, làm tăng mật độ của lớp phủ ở vùng này. Vùng chuyển tiếp đóng vai trò như một rào cản phần nào đối với sự chuyển động của vật chất giữa lớp phủ trên và lớp phủ dưới, ảnh hưởng đến kiểu đối lưu trong lớp phủ.

Làm thế nào các nhà khoa học có thể nghiên cứu thành phần của lớp phủ khi không thể tiếp cận trực tiếp?

Trả lời: Mặc dù không thể khoan sâu xuống lớp phủ, các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp gián tiếp để nghiên cứu thành phần của nó. Một phương pháp quan trọng là phân tích sóng địa chấn. Tốc độ lan truyền của sóng địa chấn thay đổi theo mật độ và thành phần của vật chất, cho phép các nhà khoa học suy ra cấu trúc và thành phần của lớp phủ. Ngoài ra, việc nghiên cứu đá núi lửa, đặc biệt là kimberlite, mang theo các mảnh lớp phủ (xenolit) lên bề mặt, cung cấp thông tin trực tiếp về thành phần khoáng vật của lớp phủ. Cuối cùng, các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm mô phỏng áp suất và nhiệt độ cao của lớp phủ giúp các nhà khoa học hiểu được hành vi của các khoáng vật trong những điều kiện khắc nghiệt này.

Sự đối lưu trong lớp phủ ảnh hưởng đến bề mặt Trái Đất như thế nào?

Trả lời: Sự đối lưu trong lớp phủ là động lực chính của kiến tạo mảng. Sự chuyển động của các mảng kiến tạo gây ra hiện tượng trôi dạt lục địa, hình thành các dãy núi, núi lửa và động đất. Sự dâng lên của vật chất nóng trong lớp phủ có thể tạo ra các điểm nóng núi lửa, trong khi sự chìm xuống của các mảng kiến tạo tạo ra các rãnh đại dương sâu. Sự đối lưu lớp phủ cũng ảnh hưởng đến địa hình và sự phân bố nhiệt trên bề mặt Trái Đất.

Tại sao vùng D” lại được coi là một khu vực đặc biệt quan trọng trong việc nghiên cứu lớp phủ?

Trả lời: Vùng D”, lớp mỏng nằm ngay phía trên ranh giới lõi-lớp phủ, thể hiện các đặc tính địa chấn dị thường, cho thấy thành phần và cấu trúc khác biệt so với phần còn lại của lớp phủ dưới. Nó được cho là đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi nhiệt giữa lõi và lớp phủ, ảnh hưởng đến sự đối lưu và từ trường Trái Đất. Sự hiểu biết về vùng D” có thể cung cấp những hiểu biết quan trọng về sự tiến hóa và động lực của hành tinh chúng ta.

Làm thế nào sự hiểu biết về lớp phủ có thể giúp chúng ta dự đoán các thảm họa tự nhiên như động đất và núi lửa?

Trả lời: Nghiên cứu lớp phủ, đặc biệt là sự chuyển động của các mảng kiến tạo và sự hình thành magma, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các quá trình gây ra động đất và núi lửa. Bằng cách theo dõi sự chuyển động của các mảng kiến tạo, phân tích sóng địa chấn và nghiên cứu thành phần của magma, các nhà khoa học có thể đánh giá nguy cơ động đất và núi lửa ở các khu vực cụ thể. Tuy nhiên, việc dự đoán chính xác thời gian và cường độ của các sự kiện này vẫn là một thách thức lớn. Việc tiếp tục nghiên cứu lớp phủ sẽ cải thiện khả năng dự đoán và giảm thiểu tác động của các thảm họa tự nhiên.