Quyển mềm (Asthenosphere)

Quyển mềm là một lớp có độ nhớt thấp, bán nóng chảy nằm dưới thạch quyển, trong phần trên của lớp phủ Trái Đất. Nó trải dài từ khoảng 80 đến 200 km bên dưới bề mặt, mặc dù độ sâu của nó thay đổi theo vị trí địa lý. Quyển mềm đóng vai trò quan trọng trong kiến tạo mảng, hoạt động núi lửa và quá trình đẳng tĩnh.

Đặc điểm của Quyển Mềm

Vị trí: Nằm dưới thạch quyển (bao gồm vỏ Trái Đất và phần trên cùng rắn chắc của lớp phủ), và nằm trong phần trên của lớp phủ. Ranh giới giữa thạch quyển và quyển mềm được gọi là mặt Mohorovičić (Moho).

Độ sâu: Khoảng 80-200 km, có thể lên đến 700 km dưới các đại dương. Độ sâu biến đổi tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Dưới các sống núi giữa đại dương, quyển mềm có thể nằm ở độ sâu nông hơn.

Trạng thái vật chất: Rắn nhưng dẻo, có độ nhớt thấp, hoạt động như một chất lỏng nhớt trên các khoảng thời gian địa chất (hàng triệu năm). Không hoàn toàn nóng chảy mà tồn tại ở trạng thái bán nóng chảy, nghĩa là chỉ một phần nhỏ của vật chất ở dạng lỏng (khoảng 1-10%). Sự bán nóng chảy này cho phép quyển mềm biến dạng dẻo dưới tác dụng của ứng suất.

Thành phần: Tương tự như lớp phủ bên trên, chủ yếu là peridotit, một loại đá giàu olivin và pyroxen.

Nhiệt độ: Nhiệt độ trong quyển mềm dao động từ 1300°C đến 1600°C. Sự thay đổi nhiệt độ này, cùng với áp suất cao, góp phần vào tính dẻo của quyển mềm.

Mật độ: Thấp hơn so với thạch quyển phủ. Sự khác biệt về mật độ này góp phần vào sự chuyển động của các mảng kiến tạo.

Vai trò trong Kiến tạo Mảng

Quyển mềm đóng vai trò quan trọng trong thuyết kiến tạo mảng. Do tính dẻo của nó, các mảng kiến tạo có thể “trôi nổi” và di chuyển trên quyển mềm, giống như các tảng băng trên mặt nước. Sự chuyển động này được thúc đẩy bởi các dòng đối lưu trong lớp phủ, nơi vật chất nóng từ sâu bên trong Trái Đất dâng lên, nguội đi và chìm xuống. Chính xác hơn, thạch quyển cứng di chuyển trên quyển mềm dẻo. Các dòng đối lưu này tạo ra lực kéo và đẩy lên các mảng kiến tạo, gây ra các hiện tượng như động đất, núi lửa và hình thành dãy núi.

Dòng Đối Lưu

Dòng đối lưu là một quá trình truyền nhiệt quan trọng trong quyển mềm. Nó có thể được mô tả đơn giản như sau:

Vật chất nóng ở sâu bên trong Trái Đất có mật độ thấp hơn, nên nó dâng lên.
Khi lên gần bề mặt, vật chất nguội đi và mật độ tăng lên.
Vật chất nguội và đặc hơn chìm xuống trở lại, hoàn thành chu trình đối lưu.

Chính sự chênh lệch nhiệt độ và mật độ này tạo ra dòng đối lưu.

Ảnh hưởng Khác của Quyển Mềm

Đẳng tĩnh: Quyển mềm cho phép quá trình đẳng tĩnh diễn ra, là quá trình mà vỏ Trái Đất “nổi” trên quyển mềm, tương tự như cách một tảng băng nổi trên mặt nước. Sự thay đổi khối lượng trên vỏ Trái Đất (ví dụ như sự hình thành núi hoặc sự tan chảy của băng hà) sẽ dẫn đến sự điều chỉnh độ cao của vỏ Trái Đất để duy trì trạng thái cân bằng đẳng tĩnh.

Hoạt động núi lửa: Magma, vật chất nóng chảy từ quyển mềm, có thể dâng lên qua các vết nứt trong thạch quyển và phun trào ra bề mặt, tạo thành núi lửa. Đặc biệt tại các ranh giới mảng phân kỳ, nơi các mảng kiến tạo tách rời nhau, magma từ quyển mềm dâng lên lấp đầy khoảng trống, tạo ra vỏ đại dương mới.

Nghiên cứu về Quyển Mềm

Việc nghiên cứu quyển mềm gặp nhiều khó khăn do nằm sâu bên dưới bề mặt Trái Đất. Các phương pháp nghiên cứu chính bao gồm:

Nghiên cứu sóng địa chấn: Bằng cách phân tích sự lan truyền của sóng địa chấn qua Trái Đất, các nhà khoa học có thể suy ra các đặc tính vật lý của quyển mềm, chẳng hạn như mật độ và độ nhớt. Sự giảm tốc độ của sóng địa chấn khi đi qua quyển mềm cho thấy tính chất dẻo của lớp này.
Mô hình số: Sử dụng các mô hình máy tính để mô phỏng các quá trình vật lý trong quyển mềm và dự đoán hành vi của nó. Các mô hình này kết hợp dữ liệu địa chấn, địa chất và địa vật lý để tái tạo các điều kiện bên trong Trái Đất.

So sánh Quyển Mềm và Thạch Quyển

Mặc dù cả quyển mềm và thạch quyển đều là một phần của lớp phủ Trái Đất (và một phần vỏ Trái Đất trong trường hợp thạch quyển), chúng có những đặc điểm khác biệt quan trọng:

Độ cứng: Thạch quyển cứng và giòn, trong khi quyển mềm dẻo và dễ biến dạng.
Chuyển động: Thạch quyển bị chia cắt thành các mảng kiến tạo di chuyển trên quyển mềm, trong khi bản thân quyển mềm trải qua dòng chảy dẻo.
Nhiệt độ: Nhiệt độ trong quyển mềm cao hơn so với phần đáy của thạch quyển, khiến cho vật chất trong quyển mềm ở trạng thái bán nóng chảy.

Ảnh hưởng của Áp suất và Nhiệt độ

Áp suất và nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định trạng thái vật chất của quyển mềm. Áp suất cao làm tăng điểm nóng chảy của đá, trong khi nhiệt độ cao làm giảm độ nhớt. Sự cân bằng giữa áp suất và nhiệt độ tạo ra một vùng trong lớp phủ nơi đá đủ nóng để trở nên dẻo nhưng không đủ nóng để hoàn toàn nóng chảy. Đây chính là quyển mềm.

Giới hạn Thạch quyển – Quyển mềm (LAB)

Ranh giới giữa thạch quyển cứng và quyển mềm dẻo được gọi là giới hạn thạch quyển – quyển mềm (LAB – Lithosphere-Asthenosphere Boundary). Đây không phải là một ranh giới sắc nét mà là một vùng chuyển tiếp với độ dày thay đổi. LAB được xác định bằng sự thay đổi đột ngột về vận tốc sóng địa chấn.

Vùng Chuyển tiếp Tầng phủ

Bên dưới quyển mềm, ở độ sâu khoảng 410 đến 660 km, là vùng chuyển tiếp tầng phủ (Mantle Transition Zone). Vùng này được đặc trưng bởi sự thay đổi đáng kể về mật độ và thành phần khoáng vật do áp suất tăng cao. Sự thay đổi này ảnh hưởng đến dòng chảy của vật chất trong lớp phủ và có thể cản trở sự xâm nhập của các mảng kiến tạo chìm xuống.

Vai trò trong Địa hình Động

Sự chuyển động của quyển mềm và các dòng đối lưu trong lớp phủ ảnh hưởng đến địa hình bề mặt Trái Đất, góp phần tạo ra các dãy núi, vực thẳm đại dương và các đặc điểm địa hình khác.

Nghiên cứu Địa nhiệt

Nghiên cứu dòng nhiệt từ bên trong Trái Đất cũng cung cấp thông tin về hoạt động của quyển mềm và các quá trình truyền nhiệt trong lớp phủ.

Các câu hỏi mở về Quyển mềm

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu, vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được giải đáp về quyển mềm, bao gồm:

Bản chất chính xác của sự nóng chảy một phần trong quyển mềm là gì?
Làm thế nào để các dòng đối lưu trong quyển mềm tương tác với thạch quyển?
Vai trò của quyển mềm trong các điểm nóng núi lửa là gì?

Tóm tắt về Quyển mềm

Quyển mềm (Asthenosphere) là lớp nằm ngay bên dưới thạch quyển, trong phần trên của lớp phủ Trái Đất. Nó có đặc điểm là dẻo và dễ biến dạng, khác với thạch quyển cứng và giòn. Tính dẻo này là do trạng thái bán nóng chảy của vật chất trong quyển mềm, nghĩa là chỉ một phần nhỏ vật chất ở dạng lỏng. Nhiệt độ và áp suất cao đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì trạng thái này.

Quyển mềm cho phép các mảng kiến tạo của thạch quyển “trôi nổi” và di chuyển trên nó. Dòng đối lưu trong quyển mềm, được thúc đẩy bởi sự chênh lệch nhiệt độ, là động lực chính cho sự chuyển động của các mảng kiến tạo. Sự chuyển động này là nguyên nhân gây ra nhiều hiện tượng địa chất quan trọng, bao gồm động đất, núi lửa, và sự hình thành dãy núi.

Giới hạn Thạch quyển – Quyển mềm (LAB) đánh dấu vùng chuyển tiếp giữa thạch quyển cứng và quyển mềm dẻo. Vị trí và độ dày của LAB thay đổi tùy theo vị trí địa lý và chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ và áp suất. Việc nghiên cứu quyển mềm rất quan trọng để hiểu rõ hơn về hoạt động kiến tạo mảng và sự tiến hóa của Trái Đất. Mặc dù đã có nhiều tiến bộ trong nghiên cứu, vẫn còn nhiều câu hỏi mở về bản chất và vai trò của quyển mềm cần được khám phá thêm. Đẳng tĩnh, quá trình vỏ Trái Đất duy trì trạng thái cân bằng trên quyển mềm, cũng là một khía cạnh quan trọng liên quan đến quyển mềm cần được ghi nhớ.

Tài liệu tham khảo:

Turcotte, D. L., & Schubert, G. (2015). Geodynamics. Cambridge University Press.
Fowler, C. M. R. (2005). The solid earth: An introduction to global geophysics. Cambridge University Press.
Grotzinger, J., & Jordan, T. H. (2010). Understanding earth. W. H. Freeman.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để xác định chính xác ranh giới giữa thạch quyển và quyển mềm (LAB)?

Trả lời: Việc xác định LAB chủ yếu dựa vào phân tích dữ liệu địa chấn. Sự thay đổi đột ngột về vận tốc sóng địa chấn, đặc biệt là sóng cắt (S-wave), cho thấy sự chuyển đổi từ thạch quyển cứng sang quyển mềm dẻo hơn. Ngoài ra, các phương pháp địa vật lý khác như đo từ trường và trọng lực cũng có thể cung cấp thông tin bổ sung về LAB. Tuy nhiên, LAB không phải là một ranh giới sắc nét mà là một vùng chuyển tiếp có độ dày thay đổi.

Thành phần hóa học của quyển mềm khác với thạch quyển như thế nào?

Trả lời: Thành phần hóa học của quyển mềm và thạch quyển phủ về cơ bản là tương tự nhau, chủ yếu là peridotit, một loại đá giàu olivin và pyroxen. Tuy nhiên, quyển mềm có thể chứa một phần nhỏ vật chất nóng chảy (1-10%), góp phần vào tính dẻo của nó. Ngoài ra, sự khác biệt về nhiệt độ và áp suất giữa quyển mềm và thạch quyển có thể dẫn đến sự khác biệt về cấu trúc tinh thể của các khoáng vật.

Dòng đối lưu trong quyển mềm ảnh hưởng đến địa hình bề mặt Trái Đất như thế nào?

Trả lời: Dòng đối lưu trong quyển mềm là động lực chính cho kiến tạo mảng. Khi vật chất nóng dâng lên và vật chất nguội chìm xuống, chúng tạo ra lực kéo và đẩy lên các mảng kiến tạo. Quá trình này dẫn đến sự hình thành dãy núi, vực thẳm đại dương, hoạt động núi lửa, và các đặc điểm địa hình khác trên bề mặt Trái Đất.

Vai trò của nước trong việc ảnh hưởng đến tính dẻo của quyển mềm là gì?

Trả lời: Sự hiện diện của nước, dù chỉ với một lượng nhỏ, có thể làm giảm đáng kể điểm nóng chảy của đá trong quyển mềm. Điều này làm tăng tính dẻo của quyển mềm và tạo điều kiện cho sự chuyển động của các mảng kiến tạo. Nước có thể được đưa vào quyển mềm thông qua quá trình hút chìm, khi các mảng đại dương chìm xuống lớp phủ.

Làm thế nào để các nhà khoa học nghiên cứu quyển mềm, một lớp nằm sâu bên dưới bề mặt Trái Đất?

Trả lời: Việc nghiên cứu quyển mềm gặp nhiều thách thức do vị trí sâu của nó. Các phương pháp nghiên cứu chính bao gồm: phân tích sóng địa chấn để xác định vận tốc và mật độ của vật chất; mô hình số để mô phỏng các quá trình vật lý; và nghiên cứu đá núi lửa và các mẫu đá từ lớp phủ được đưa lên bề mặt qua hoạt động núi lửa hoặc các quá trình địa chất khác. Ngoài ra, việc nghiên cứu địa nhiệt cũng cung cấp thông tin về hoạt động và cấu trúc nhiệt của quyển mềm.

Một số điều thú vị về Quyển mềm

“Mềm” nhưng không mềm như bạn nghĩ: Mặc dù được gọi là “quyển mềm”, asthenosphere không mềm như bơ hoặc thạch. Nó vẫn là đá rắn, nhưng trên thang thời gian địa chất (hàng triệu năm), nó hành xử như một chất lỏng rất nhớt, cho phép các mảng kiến tạo di chuyển. Hãy tưởng tượng một khối thủy tinh bị đặt dưới áp lực trong một thời gian rất dài – nó sẽ từ từ chảy đi, mặc dù vẫn ở trạng thái rắn.
Không đồng nhất: Quyển mềm không đồng nhất về thành phần và độ nhớt. Một số vùng của quyển mềm nóng hơn và dẻo hơn những vùng khác, ảnh hưởng đến cách thức các mảng kiến tạo di chuyển phía trên nó. Điều này cũng ảnh hưởng đến hoạt động núi lửa và các quá trình địa chất khác.
Khám phá nhờ sóng địa chấn: Sự tồn tại của quyển mềm được suy ra từ việc nghiên cứu sóng địa chấn. Các nhà khoa học nhận thấy rằng sóng địa chấn di chuyển chậm lại khi đi qua một vùng nhất định bên dưới thạch quyển, cho thấy một lớp có độ nhớt thấp hơn.
Ảnh hưởng đến độ cao của các lục địa: Quyển mềm đóng vai trò quan trọng trong quá trình đẳng tĩnh, giúp các lục địa “nổi” trên lớp phủ. Nếu không có quyển mềm, các lục địa sẽ chìm sâu hơn vào lớp phủ, và địa hình Trái Đất sẽ rất khác biệt.
Vẫn còn nhiều bí ẩn: Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu, quyển mềm vẫn còn chứa đựng nhiều bí ẩn. Các nhà khoa học vẫn đang tìm hiểu về thành phần chính xác, trạng thái vật lý và cách thức hoạt động của nó. Việc nghiên cứu quyển mềm đòi hỏi công nghệ tiên tiến và những phương pháp tiếp cận sáng tạo.
Liên quan đến sự sống? Một số nhà khoa học tin rằng quyển mềm có thể đóng vai trò trong việc cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sống trên Trái Đất. Hoạt động núi lửa, được thúc đẩy bởi quyển mềm, giải phóng các chất khí và khoáng chất từ sâu bên trong Trái Đất, góp phần vào sự hình thành và duy trì sự sống.