Niên đại địa chất (Geologic Time Scale)

Niên đại địa chất là một hệ thống niên đại được sử dụng bởi các nhà địa chất, cổ sinh vật học và các nhà khoa học Trái Đất khác để mô tả thời gian và mối quan hệ của các sự kiện xảy ra trong lịch sử Trái Đất. Nó chia toàn bộ lịch sử 4,5 tỷ năm của Trái Đất thành các đơn vị thời gian phân cấp, từ lớn nhất đến nhỏ nhất là Liên đại (Eon), Đại (Era), Kỷ (Period), Thế (Epoch), và Kỳ (Age). Niên đại này được xây dựng dựa trên các nghiên cứu địa tầng, hóa thạch và các phương pháp định tuổi tuyệt đối như định tuổi bằng phóng xạ. Việc sử dụng các phương pháp định tuổi phóng xạ cho phép các nhà khoa học xác định tuổi chính xác của các lớp đá và sự kiện địa chất, góp phần xây dựng nên một niên đại địa chất chính xác và chi tiết.

Các đơn vị thời gian địa chất

• Liên đại (Eon): Đơn vị thời gian địa chất lớn nhất. Hiện tại có 4 liên đại: Hỏa Thành (Hadean), Thái Cổ (Archean), Nguyên Sinh (Proterozoic) và Hiển Sinh (Phanerozoic). Mỗi liên đại đại diện cho một giai đoạn phát triển chính của Trái Đất, từ sự hình thành ban đầu đến sự xuất hiện và đa dạng hóa của sự sống.
• Đại (Era): Liên đại Hiển Sinh được chia thành 3 đại: Cổ Sinh (Paleozoic), Trung Sinh (Mesozoic), và Tân Sinh (Cenozoic). Sự phân chia thành các đại dựa trên những thay đổi lớn về sinh giới, chẳng hạn như sự xuất hiện hoặc tuyệt chủng hàng loạt của các loài. Các liên đại khác không được chia thành đại do ít bằng chứng hóa thạch và sự hiểu biết hạn chế về các giai đoạn này.
• Kỷ (Period): Mỗi đại được chia thành nhiều kỷ. Ví dụ, kỷ Cambri, kỷ Ordovic, kỷ Silur… thuộc đại Cổ Sinh. Các kỷ phản ánh những thay đổi đáng kể trong môi trường và sự tiến hóa của sự sống trong một đại.
• Thế (Epoch): Mỗi kỷ có thể được chia nhỏ thành các thế. Ví dụ, kỷ Paleogen được chia thành các thế Paleocen, Eocen, và Oligocen. Các thế cung cấp một cái nhìn chi tiết hơn về các thay đổi diễn ra trong một kỷ.
• Kỳ (Age): Đơn vị nhỏ nhất trong niên đại địa chất. Mỗi thế có thể chia thành nhiều kỳ. Các kỳ thường được xác định dựa trên những thay đổi nhỏ hơn trong địa tầng và quần xã sinh vật.

Nguyên tắc xây dựng niên đại địa chất

Niên đại địa chất được xây dựng dựa trên hai nguyên tắc chính, cho phép các nhà khoa học sắp xếp các sự kiện địa chất theo thứ tự thời gian:

• Nguyên tắc chồng chất (Principle of Superposition): Trong một chuỗi đá trầm tích chưa bị biến dạng, các lớp đá nằm phía trên trẻ hơn các lớp đá nằm phía dưới. Nguyên tắc này dựa trên quan sát rằng các lớp trầm tích được hình thành theo quá trình lắng đọng, với lớp mới nhất luôn nằm trên lớp cũ hơn.
• Nguyên tắc kế tiếp hóa thạch (Principle of Faunal Succession): Các nhóm hóa thạch xuất hiện và biến mất theo một trật tự nhất định trong các lớp đá. Các hóa thạch này có thể được sử dụng để tương quan các lớp đá ở những địa điểm khác nhau. Nguyên tắc này dựa trên sự tiến hóa của sự sống theo thời gian, với các loài mới xuất hiện và các loài cũ tuyệt chủng.

Phương pháp xác định tuổi

Có hai phương pháp chính để xác định tuổi của các sự kiện và vật liệu địa chất:

• Định tuổi tương đối (Relative Dating): Xác định tuổi của đá hoặc sự kiện dựa trên mối quan hệ của chúng với các đá hoặc sự kiện khác. Sử dụng các nguyên tắc như chồng chất và kế tiếp hóa thạch. Phương pháp này cho phép xác định thứ tự thời gian của các sự kiện nhưng không cung cấp tuổi chính xác.
• Định tuổi tuyệt đối (Absolute Dating): Xác định tuổi chính xác của đá hoặc sự kiện bằng cách sử dụng các phương pháp phóng xạ. Phương pháp này dựa trên sự phân rã phóng xạ của các nguyên tố nhất định trong đá. Ví dụ, phương pháp Uranium-Lead (U-Pb) và phương pháp Potassium-Argon (K-Ar). Kết quả thường được biểu diễn theo đơn vị triệu năm (Ma – million years ago). Các đồng vị phóng xạ phân rã với tốc độ hằng số, cho phép xác định tuổi chính xác của mẫu vật chứa chúng.

Ý nghĩa của Niên đại địa chất

Niên đại địa chất là công cụ quan trọng giúp chúng ta:

• Hiểu được lịch sử tiến hóa của sự sống trên Trái Đất: Niên đại địa chất cung cấp khung thời gian cho sự tiến hóa của sự sống, từ những dạng sống đơn giản nhất đến sự đa dạng sinh học ngày nay.
• Nghiên cứu sự thay đổi của môi trường Trái Đất qua các thời kỳ: Niên đại địa chất giúp tái hiện lại các điều kiện môi trường trong quá khứ, bao gồm khí hậu, mực nước biển và các sự kiện địa chất quan trọng.
• Tìm kiếm và khai thác các tài nguyên thiên nhiên như dầu mỏ, khí đốt và khoáng sản: Sự hiểu biết về niên đại địa chất giúp xác định vị trí của các mỏ khoáng sản và tài nguyên năng lượng có giá trị.
• Đánh giá rủi ro địa chất như động đất, núi lửa và sóng thần: Niên đại địa chất giúp hiểu rõ hơn về các quá trình địa chất gây ra các thảm họa tự nhiên, từ đó đưa ra các biện pháp phòng ngừa và giảm thiểu rủi ro.

Ví dụ

Khủng long tuyệt chủng vào cuối kỷ Creta, khoảng 66 Ma (triệu năm trước). Đây là một sự kiện quan trọng đánh dấu ranh giới giữa kỷ Creta (thuộc đại Trung Sinh) và kỷ Paleogen (thuộc đại Tân Sinh). Sự kiện tuyệt chủng này đã mở đường cho sự phát triển và đa dạng hóa của các loài động vật có vú trong đại Tân Sinh.

Các phương pháp định tuổi tuyệt đối chi tiết hơn

Một số phương pháp định tuổi tuyệt đối phổ biến bao gồm:

• Urani-Chì (U-Pb): Phương pháp này dựa trên sự phân rã của các đồng vị urani ($^{238}$U và $^{235}$U) thành các đồng vị chì ($^{206}$Pb và $^{207}$Pb). Phù hợp để định tuổi các loại đá rất cổ, như zircon. Do chu kỳ bán rã dài của urani, phương pháp này có thể được sử dụng để định tuổi các mẫu vật hàng tỷ năm tuổi.
• Kali-Argon (K-Ar): Dựa trên sự phân rã của $^{40}$K thành $^{40}$Ar. Thường được sử dụng để định tuổi đá núi lửa. Phương pháp này hữu ích cho việc xác định niên đại của các dòng dung nham và các lớp tro núi lửa.
• Rubidi-Stronti (Rb-Sr): Sử dụng sự phân rã của $^{87}$Rb thành $^{87}$Sr. Phù hợp cho các loại đá biến chất và đá magma. Phương pháp này thường được áp dụng cho các đá cổ hơn và có thể cung cấp thông tin về thời gian hình thành và biến đổi của đá.
• Carbon-14 ($^{14}$C): Phương pháp này dựa trên sự phân rã của $^{14}$C. Chỉ có hiệu quả cho việc định tuổi các vật chất hữu cơ có tuổi đời lên đến khoảng 50.000 năm. Do chu kỳ bán rã tương đối ngắn, $^{14}$C thường được sử dụng trong khảo cổ học và nghiên cứu các sự kiện gần đây hơn.

Bảng Niên đại Địa chất

Thông thường, Niên đại Địa chất được trình bày dưới dạng bảng, thể hiện rõ ràng mối quan hệ phân cấp giữa các Liên đại, Đại, Kỷ, Thế và Kỳ. Bảng này thường bao gồm cả thời gian bắt đầu và kết thúc của mỗi đơn vị thời gian (tính bằng triệu năm trước – Ma). Do độ dài của bảng và sự phức tạp của việc thể hiện nó bằng văn bản thuần túy, bạn có thể dễ dàng tìm thấy các phiên bản trực quan của bảng này bằng cách tìm kiếm “Bảng Niên đại Địa chất” trên internet.

Những thay đổi trong Niên đại Địa chất

Niên đại Địa chất không phải là một hệ thống tĩnh. Nó liên tục được xem xét và cập nhật bởi Ủy ban Địa tầng Quốc tế (ICS) khi có thêm dữ liệu mới từ các nghiên cứu khoa học. Các thay đổi có thể bao gồm việc điều chỉnh thời gian bắt đầu và kết thúc của các đơn vị thời gian, việc thêm các đơn vị thời gian mới, hoặc thậm chí là thay đổi tên gọi của các đơn vị thời gian hiện có. Điều này đảm bảo rằng niên đại địa chất luôn phản ánh những hiểu biết khoa học mới nhất.

Ứng dụng của Niên đại Địa chất trong các lĩnh vực khác

Ngoài địa chất và cổ sinh vật học, Niên đại Địa chất còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác, bao gồm:

• Khảo cổ học: Xác định niên đại của các di chỉ khảo cổ. Việc xác định niên đại của các hiện vật và di tích giúp tái hiện lại lịch sử và văn hóa của con người.
• Sinh học tiến hóa: Nghiên cứu sự tiến hóa của các loài sinh vật qua các thời kỳ địa chất. Niên đại địa chất cung cấp khung thời gian cho sự tiến hóa và đa dạng hóa của sự sống trên Trái Đất.
• Khoa học môi trường: Nghiên cứu sự biến đổi khí hậu và môi trường trong quá khứ. Việc hiểu biết về lịch sử biến đổi khí hậu giúp dự đoán và ứng phó với biến đổi khí hậu hiện nay.
• Kỹ thuật địa chất: Đánh giá rủi ro địa chất và xây dựng các công trình kỹ thuật. Việc áp dụng niên đại địa chất trong kỹ thuật giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các công trình xây dựng.

• International Commission on Stratigraphy (ICS). www.stratigraphy.org
• USGS Geologic Time Scale. https://www.usgs.gov/products/digital-data/geologic-time-scale-science-base-version-0
• Stanley, S.M. (2007). Earth System History. New York: W.H. Freeman and Company.
• Wicander, R., & Monroe, J.S. (2009). Essentials of Geology. Belmont, CA: Brooks/Cole.

Câu hỏi và Giải đáp

GSSP (Global Boundary Stratotype Section and Point) là gì và tại sao nó quan trọng trong việc xác định Niên đại Địa chất?

Trả lời: GSSP, hay còn gọi là “Golden Spike”, là một điểm tham chiếu được quốc tế công nhận, đánh dấu ranh giới giữa các đơn vị thời gian địa chất (như kỷ, thế, kỳ). Nó được chọn dựa trên một điểm cụ thể trong một mặt cắt địa tầng, nơi có sự thay đổi rõ ràng về hóa thạch hoặc các dấu hiệu địa chất khác. GSSP giúp thống nhất Niên đại Địa chất trên toàn thế giới, đảm bảo các nhà khoa học ở các quốc gia khác nhau có cùng một tiêu chuẩn khi nghiên cứu lịch sử Trái Đất.

Ngoài phương pháp định tuổi bằng phóng xạ, còn có những phương pháp nào khác được sử dụng để xác định tuổi của đá và các sự kiện địa chất?

Trả lời: Ngoài định tuổi bằng phóng xạ, còn có các phương pháp khác như: định tuổi bằng fission track (dựa trên vết hằn để lại bởi sự phân hạch tự phát của $^{238}$U), định tuổi bằng phát quang nhiệt (thermoluminescence dating – dựa trên năng lượng tích lũy trong các khoáng vật do bức xạ), định tuổi bằng cộng hưởng spin điện tử (electron spin resonance dating – ESR), và các phương pháp tương quan địa tầng (như sử dụng các lớp tro núi lửa).

Các nhà khoa học làm thế nào để xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc của một sự kiện tuyệt chủng hàng loạt?

Trả lời: Việc xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc của một sự kiện tuyệt chủng hàng loạt dựa trên sự biến mất đột ngột của nhiều loài sinh vật trong hồ sơ hóa thạch. Các nhà khoa học phân tích sự phân bố của hóa thạch theo thời gian và sử dụng các phương pháp định tuổi để xác định khoảng thời gian xảy ra sự tuyệt chủng. Sự kết hợp giữa dữ liệu hóa thạch và địa chất giúp xác định nguyên nhân và hậu quả của sự kiện tuyệt chủng.

Sự kiện “Great Oxidation Event” (Sự kiện Ôxy hóa Lớn) đã ảnh hưởng như thế nào đến sự tiến hóa của sự sống trên Trái Đất?

Trả lời: Sự kiện Ôxy hóa Lớn, xảy ra trong thời kỳ Nguyên Sinh, là sự gia tăng đáng kể nồng độ oxy trong khí quyển Trái Đất. Sự kiện này do hoạt động quang hợp của vi khuẩn lam gây ra. Sự xuất hiện của oxy tự do đã dẫn đến sự tuyệt chủng của nhiều sinh vật kỵ khí và mở đường cho sự phát triển của các sinh vật hiếu khí, cuối cùng dẫn đến sự tiến hóa của các dạng sống phức tạp hơn.

Làm thế nào để Niên đại Địa chất giúp chúng ta dự đoán các biến đổi khí hậu trong tương lai?

Trả lời: Bằng cách nghiên cứu các biến đổi khí hậu đã xảy ra trong quá khứ, được ghi lại trong hồ sơ địa chất, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến khí hậu Trái Đất. Niên đại Địa chất cung cấp khung thời gian cho các sự kiện này, giúp chúng ta xây dựng các mô hình khí hậu và dự đoán các biến đổi khí hậu trong tương lai. Ví dụ, việc nghiên cứu các thời kỳ ấm lên toàn cầu trong quá khứ có thể cung cấp thông tin hữu ích cho việc dự đoán tác động của biến đổi khí hậu hiện nay.