Tại sao lớp vỏ nứt của trái đất có thể cần thiết cho sự sống (dịch từ tài liệu Tiếng Anh)
Khe nứt Silfra ở Iceland tạo thành một phần ranh giới giữa các mảng kiến tạo Bắc Mỹ và Á-Âu. Hai mảng trôi cách nhau khoảng 2 cm mỗi năm.
Nhìn từ xa, không thấy rõ được rằng Trái đất tràn đầy sự sống. Bạn phải đến gần để nhìn thấy những khu rừng lớn nhất, và gần hơn nữa để thấy công việc của con người, chứ đừng nói đến vi khuẩn. Nhưng ngay cả từ không gian, hành tinh này dường như còn sống. Vùng đất của nó bị chia tách thành bảy lục địa, được ngăn cách bởi vùng nước rộng lớn. Bên dưới những đại dương đó, ở độ sâu vô hình của hành tinh chúng ta, mọi thứ thậm chí còn sống động hơn. Trái đất đang tự nuốt, tự làm tan chảy và làm cho nó trở lại.
Một tá các mảng cứng, lạnh lẽo từ từ trượt và trượt trên lớp ranh giới nóng chảy bên trong của Trái đất, hút chìm bên dưới nhau và thỉnh thoảng va chạm. Quá trình kiến tạo mảng này là một trong những đặc điểm địa chất đặc trưng của Trái đất. Con người chủ yếu trải nghiệm nó thông qua các trận động đất và, hiếm khi hơn, núi lửa. Dung nham hiện đang phun ra từ núi lửa ở Hawaii – kết quả của một điểm nóng lớp phủ sâu – có liên quan đến hoạt động kiến tạo.
Hiểu biết kiến tạo mảng là một chìa khóa quan trọng để hiểu hành tinh của chúng ta và khả năng cư trú của nó. Làm thế nào để bạn tạo ra một hành tinh có thể ở được, và sau đó duy trì sự sống trên nó hàng tỷ năm? Said Katharine Huntington , một nhà địa chất tại Đại học Washington. Kiến tạo mảng đĩa là những gì điều chỉnh bầu không khí của chúng tôi trong thời gian dài nhất. Bạn cần điều đó để có thể giữ nước ở đây, giữ ấm, để duy trì sự sống.
Dung nham từ núi lửa Kilauea của Hawaii đã phá hủy hàng chục ngôi nhà trong tháng qua. Núi lửa là kết quả của cùng một điểm nóng sâu thẳm hình thành nên chuỗi đảo Hawaii.
Trong vài năm qua, các nhà địa chất và nhà sinh vật học đã ngày càng gắn kết kiến tạo mảng với mọi thứ khác làm cho Trái đất trở nên độc đáo. Họ đã chỉ ra rằng bầu khí quyển của Trái đất có tuổi thọ, các thành phần và nhiệt độ giống như Goldilocks cực kỳ ổn định – không quá nóng, nhưng không quá lạnh – để tái chế lớp vỏ của nó. Các đại dương trên trái đất có thể không tồn tại nếu nước không được định kỳ lắng xuống bởi lớp phủ của hành tinh và sau đó được giải phóng. Nếu không có kiến tạo mảng thúc đẩy việc tạo ra đường bờ biển và chuyển động của thủy triều , đại dương có thể cằn cỗi, với các chất dinh dưỡng mang lại sự sốngxuống hạng mãi mãi đến độ sâu stygian. Nếu kiến tạo mảng không buộc các phiến đá lặn xuống bên dưới trái đất và quay trở lại Trái đất, một quá trình gọi là hút chìm, thì đáy biển sẽ hoàn toàn lạnh lẽo và không có hóa học đa dạng, nghĩa là cuộc sống có thể chưa bao giờ được thực hiện ngay từ đầu. Một số nhà nghiên cứu thậm chí tin rằng nếu không có sự di chuyển của các lục địa, sự sống có thể không phát triển thành các dạng phức tạp .
Vào năm 2015, James Dohm và Shigenori Maruyama của Viện Công nghệ Tokyo đã đặt ra một thuật ngữ mới cho sự phụ thuộc lẫn nhau này: Ba điều kiện có thể sống được . Cụm từ này mô tả một hành tinh có nguồn nước dồi dào, bầu khí quyển và một vùng đất – tất cả đều trao đổi và lưu thông vật chất – như một điều kiện tiên quyết cho sự sống.
Tuy nhiên, việc hiểu kiến tạo mảng ảnh hưởng đến sự tiến hóa như thế nào – và liệu đó có phải là thành phần cần thiết trong quá trình đó hay không – xoay quanh việc tìm câu trả lời cho một số câu hỏi nóng nhất trong khoa học địa lý: làm thế nào và khi nào các mảng bắt đầu di chuyển. Tìm hiểu tại sao hành tinh này có lớp vỏ di động có thể nói với các nhà địa chất không chỉ về hành tinh này, mà còn về tất cả các hành tinh hoặc mặt trăng có bề mặt rắn, và liệu chúng có thể có sự sống nữa không.
Từ núi đến hào
Vào năm 2012, đạo diễn phim James Cameron đã trở thành người đầu tiên lặn một mình trong suốt chặng đường xuống sâu nhất trên Trái đất . Anh ta chạm xuống 35.756 feet dưới bề mặt đại dương trong Challenger Deep, một vùng trũng trong rãnh Mariana, bản thân nó là một máng lớn hơn nhiều ở giao điểm của hai mảng kiến tạo. Cameron đã thu thập các mẫu trên khắp rãnh, bao gồm bằng chứng về sự sống phát triển trên các đường nối của hành tinh chúng ta.
Khi mảng Thái Bình Dương được kéo xuống lớp phủ của Trái đất, nó nóng lên và giải phóng nước bị mắc kẹt trong đá. Trong một quá trình gọi là serpentinization, bọt nước ra khỏi tấm và biến đổi các tính chất vật lý của lớp phủ trên. Sự biến đổi này cho phép khí mêtan và các hợp chất khác thấm qua lớp phủ qua các suối nước nóng dưới đáy đại dương lạnh lẽo.
Các quá trình tương tự trên Trái đất sơ khai có thể đã cung cấp các thành phần thô cho quá trình trao đổi chất, có thể đã tạo ra các tế bào sao chép đầu tiên. Cameron đưa bằng chứng sau của hậu duệ hiện đại tế bào như vậy: Thảm vi khuẩn, khối của vi khuẩn phát triển mạnh dưới gần bảy dặm của nước, nơi ánh sáng mặt trời không thể xuyên qua và áp lực là hơn 1.000 lần so với mực nước biển.
Thật sự thú vị, bởi vì nó liên kết kiến tạo mảng với cuộc sống, Keith Klepeis , nhà địa chất học tại Đại học Vermont cho biết. Phần mềm cung cấp cho chúng tôi ý tưởng về những gì cần tìm ở nơi khác trong hệ mặt trời. Nó cho chúng ta ý tưởng về những gì đầu đời có thể có trên Trái đất.
Một tấm thảm vi sinh vật màu trắng bao phủ san hô màu vàng gần núi lửa Đông Diamante trong Vành đai lửa Thái Bình Dương. Tấm thảm cung cấp năng lượng hóa học của lỗ thông thủy nhiệt.Cuộc thám hiểm Vành đai Thái Bình Dương 2004.Văn phòng thám hiểm đại dương của NOAA;Tiến sĩ Bob Embley, PMAA NOAA, Nhà khoa học trưởng.
Chuyến lặn lập kỷ lục của Cameron không phải là chuyến thám hiểm duy nhất chứng minh mối liên hệ giữa kiến tạo mảng và đời sống đại dương. Nghiên cứu gần đây liên quan đến hoạt động kiến tạo mảng với sự bùng nổ của tiến hóa được gọi là vụ nổ Cambrian , 541 triệu năm trước, khi một loạt các cuộc sống mới, phức tạp xuất hiện.
Vào tháng 12 năm 2015, các nhà nghiên cứu ở Úc đã công bố một nghiên cứu về khoảng 300 lõi khoan từ các vị trí đáy biển trên toàn cầu, một số mẫu chứa 700 triệu năm tuổi. Họ đã đo phốt pho cũng như các nguyên tố vi lượng như đồng, kẽm, selen và coban – những chất dinh dưỡng cần thiết cho mọi sự sống. Khi những chất dinh dưỡng này có nhiều trong các đại dương, chúng có thể châm ngòi cho sự phát triển của sinh vật phù du nhanh chóng. Các nhà nghiên cứu, dẫn đầu bởi Ross Large thuộc Đại học Tasmania, đã chỉ ra rằng các yếu tố này tăng nồng độ theo một trật tự cường độ khoảng từ 560 đến 550 triệu năm trước.
Large và nhóm của ông cho rằng kiến tạo mảng đã thúc đẩy quá trình này. Núi hình thành khi các mảng lục địa va chạm và đùn các tầng địa chất lên trên, nơi nó có thể dễ dàng bị phong hóa, phá hủy nhỏ ra bởi mưa và ánh nắng. Thời tiết sau đó từ từ lọc các chất dinh dưỡng từ các ngọn núi vào đại dương.
Có thể đáng ngạc nhiên hơn, Large và các đồng nghiệp của ông cũng phát hiện ra rằng các yếu tố này có mức độ phong phú thấp trong các giai đoạn gần đây hơn – và các giai đoạn này trùng khớp với sự tuyệt chủng hàng loạt. Những thời kỳ nghèo dinh dưỡng này đã xảy ra khi phốt pho và các nguyên tố vi lượng đang được Trái đất tiêu thụ nhanh hơn mức chúng có thể được bổ sung, Large nói.
Hoạt động kiến tạo cũng đóng một vai trò thiết yếu trong việc duy trì sự ổn định lâu dài của sự điều tiết nhiệt độ trên Trái đất. Hãy xem xét trường hợp của carbon dioxide. Một hành tinh có quá nhiều carbon dioxide có thể kết thúc giống như Sao Kim, một hành tinh cực nóng. Hoạt động mảng trên Trái đất đã giúp điều chỉnh mức độ carbon dioxide so với cáchành tinh còn lại.
Thời tiết tương tự kéo các chất dinh dưỡng từ đỉnh núi xuống đại dương cũng giúp loại bỏ carbon dioxide khỏi khí quyển. Bước đầu tiên của quá trình này xảy ra khi carbon dioxide trong khí quyển kết hợp với nước tạo thành axit carbonic – một hợp chất giúp hòa tan đá và đẩy nhanh quá trình phong hóa. Mưa mang cả axit carbonic và canxi từ đá hòa tan vào đại dương. Carbon dioxide cũng hòa tan trực tiếp vào đại dương, nơi nó kết hợp với axit carbonic và canxi hòa tan để tạo ra đá vôi, rơi xuống đáy đại dương. Cuối cùng, qua các eons không thể tưởng tượng được, carbon dioxide bị cô lập và bị cuốn xuống theo mảng đại dương- khi nó hút chìm vào các mảng lục địa.
Đó là thứ giúp điều hòa CO 2 trong khí quyển trong thời gian dài, ông Huntington Huntington nói.
Phạm vi Alaska tiếp tục phát triển ngày hôm nay là kết quả của kiến tạo mảng. Núi Denali, có thể nhìn thấy ở giữa bức ảnh này, tăng lên với tốc độ một nửa milimet mỗi năm.Trung tâm nghiên cứu Glenn
Kiến tạo mảng thậm chí có thể chịu trách nhiệm cho một thành phần khí quyển khác, và được cho là quan trọng nhất: oxy.
Toàn bộ 2 tỷ năm trước kỷ Cambri, trở lại thời kỳ Archean, Trái đất hầu như không có bất kỳ không khí nào chúng ta hít thở bây giờ. Tảo đã bắt đầu sử dụng quang hợp để tạo ra oxy, nhưng phần lớn lượng oxy đó đã bị tiêu thụ bởi các loại đá giàu sắt sử dụng oxy để tạo ra rỉ sét.
Theo nghiên cứu được công bố vào năm 2016 , kiến tạo mảng sau đó đã bắt đầu một quá trình gồm hai bước dẫn đến mức oxy cao hơn. Trong bước đầu tiên, sự hút chìm làm cho lớp vỏ Trái đất thay đổi và tạo ra hai loại vỏ – đại dương và lục địa. Mảng lục địa có ít đá giàu sắt hơn và nhiều đá giàu thạch anh hơn, không hút oxy ra khỏi khí quyển.
Sau đó trong một tỷ năm tiếp theo – từ 2,5 tỷ năm trước đến 1,5 tỷ năm trước – đá đã phong hóa và bơm carbon dioxide vào không khí và đại dương. Lượng carbon dioxide thêm vào sẽ hỗ trợ tảo, sau đó có thể tạo ra nhiều oxy hơn – đủ để cuối cùng châm ngòi cho kỷ Cambrian.
Bạn cần sự cô lập và cạnh tranh để tiến hóa, để thực sự tiến lên. Nếu không có sự thay đổi thực sự trong khu vực biển-đất liền, thì không có sự cạnh tranh và phát triển, ông Stern nói. Một khi bạn có được sự sống, bạn thực sự có thể làm cho nó phát triển nhanh chóng bằng cách phá vỡ các lục địa và thềm lục địa và di chuyển chúng đến các vĩ độ khác nhau và kết hợp lại chúng.
Stern cũng đã lập luận rằng kiến tạo mảng có thể cần thiết cho sự tiến hóa của các loài tiên tiến. Ông cho rằng vùng đất khô cằn trên các lục địa là cần thiết cho các loài để tiến hóa các chi và bàn tay cho phép chúng nắm bắt và thao túng các vật thể, và rằng một hành tinh với các đại dương, lục địa và kiến tạo mảng sẽ tối đa hóa cơ hội cho sự hình thành và chọn lọc tự nhiên.
Stern tưởng tượng một tương lai xa trong đó các kính thiên văn quay quanh có thể xác định các ngoại hành tinh nào là đá, và những cái nào có kiến tạo mảng. Những người phát ngôn cho các hệ sao xa xôi nên nhắm đến những hành tinh không có kiến tạo mảng trước, tốt hơn để tránh làm hỏng sự tiến hóa của cuộc sống phức tạp ở một thế giới khác.
Nứt vỏ trái đất
Nhưng mọi thứ phụ thuộc vào thời điểm quá trình bắt đầu và đó là một câu hỏi mở lớn.
Trái đất hình thành khoảng 4,54 tỷ năm trước và khởi đầu là một quả cầu nóng chảy của đá nóng chảy. Craig O’Neill , một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Macquarie, Úc , cho biết, nó có thể không có kiến tạo mảng dưới bất kỳ hình thức nào có thể nhận ra trong ít nhất 1 tỷ năm sau khi hình thành .
Trước đó, như bây giờ, sự đối lưu bên trong các lớp bên trong của hành tinh sẽ di chuyển nhiệt và đá xung quanh. Đá trong lớp phủ được nén và nung nóng trong lõi của Trái đất và sau đó trồi lên bề mặt, nơi nó nguội đi và trở nên đặc hơn, sau đó lại chìm xuống và bắt đầu lại quá trình.
Thông qua sự đối lưu, chuyển động thẳng đứng đã xảy ra ngay cả trên Trái đất sơ khai. Nhưng lớp phủ tại thời điểm đó tương đối mỏng, chanh O’Neill nói, và không thể tạo ra lực cần thiết để phá vỡ lớp vỏ rắn.
Hút chìm đã không xảy ra. Không có chuyển động ngang, theo Kle Klepeis. Vì vậy, đã có một thời gian trước khi các lục địa, trước khi lục địa đầu tiên hình thành nên – thời gian trước khi hạ cánh, nếu bạn muốn. Trái đất không có kiến tạo mảng, mà lúc đó chỉ là 1 tấm lớn duy nhất.
O’Neill đã công bố nghiên cứu vào năm 2016 cho thấy Trái đất sơ khai có thể giống như mặt trăng núi lửa của sao Mộc, Io, nơi bạn có chế độ hoạt động núi lửa và không có nhiều chuyển động ngang, ông O’Neill nói. Khi hành tinh bắt đầu lạnh dần, các mảng có thể dễ dàng kết hợp với lớp phủ bên dưới, khiến hành tinh này chuyển sang kỷ nguyên kiến tạo mảng.
Điều này đặt ra câu hỏi về cái gì đã phá vỡ tấm và tạo ra những mảng đó ngay từ đầu.
Một số nhà nghiên cứu nghĩ rằng một sự xâm nhập có thể đã khiến mọi thứ chuyển động. Trong hai năm qua, một số nhóm các nhà nghiên cứu đã đề xuất rằng các tiểu hành tinh còn sót lại từ sự ra đời của hệ mặt trời có thể đã phá vỡ tấm cứng đó của Trái đất. Mùa thu năm ngoái, O’Neill và các đồng nghiệp đã công bố nghiên cứu cho thấy rằng một vụ bắn phá các tiểu hành tinh , nửa tỷ năm sau khi Trái đất hình thành, có thể đã bắt đầu hút chìm bằng cách bất ngờ đẩy lớp vỏ lạnh bên ngoài vào lớp phủ phía trên nóng. Vào năm 2016, Maruyama và các đồng nghiệp đã lập luận rằng các tiểu hành tinh sẽ cung cấp nước cùng với năng lượng tác động của chúng , làm suy yếu đá và cho phép di chuyển mảng bắt đầu.
Nhưng có thể Trái đất không cần một động lực, sự kiện nào giúp đỡ. Quá trình làm mát riêng của nó có thể đã phá vỡ nắp thành từng mảnh, giống như một chiếc bánh nướng trong lò quá nóng.
Tạp chí Lucy Reading-Ikkanda / Quanta
Ba tỷ năm trước, Trái đất có thể có hoạt động kiến tạo mảng tồn tại trong một thời gian ngắn , nhưng nó vẫn chưa phổ biến. Cuối cùng, các khu vực lạnh hơn của lớp vỏ sẽ bị kéo xuống dưới, làm suy yếu lớp vỏ xung quanh. Khi điều này xảy ra liên tục, các khu vực yếu sẽ dần dần xuống cấp thành các ranh giới mảng. Cuối cùng, họ đã có thể hình thành đầy đủ mảng kiến tạo được thúc đẩy bởi sự hút chìm, theo một bài báo 2014 tại Thiên nhiên bởi David Bercovici của Đại học Yale và Yanick Ricard của Đại học Lyon ở Pháp.
Hoặc điều ngược lại có thể xảy ra: Thay vì lớp vỏ lạnh đẩy xuống, lớp vỏ nóng bỏng – giống như loại đang phun trào ở Hawaii – có thể nổi lên trên bề mặt, thấm qua lớp vỏ và làm tan chảy nó, phá vỡ nắp. Stern và Scott Whattam của Đại học Hàn Quốc tại Seoul đã chỉ ra cách thức này có thể hoạt động trong một nghiên cứu năm 2015.
Theo những lý thuyết này, kiến tạo mảng có thể đã bắt đầu và dừng lại nhiều lần trước khi lấy đà khoảng 3 tỷ năm trước. Nếu bạn phải nhấn nút của mọi người và bắt họ lấy số, thì có một sân bóng đang hoạt động trong cộng đồng khoảng 3 tỷ năm trước, kiến tạo mảng bắt đầu xuất hiện, theo ông O’Neill.
Tuy nhiên, thật khó để biết chắc chắn vì bằng chứng rất rời rạc.
Lớp vỏ đại dương chỉ có 200 triệu năm tuổi. Chúng tôi chỉ thiếu những bằng chứng mà chúng tôi cần, còn có thể nói. Có rất nhiều địa hóa học đã đi một chặng đường dài từ những năm 1980, nhưng những câu hỏi cơ bản tương tự vẫn còn đó.
Những tảng đá lâu đời nhất trên Trái đất cho thấy một số loại hút chìm nguyên sinh đã xảy ra cách đây 4 tỷ năm, nhưng những tảng đá này rất khó diễn giải, O’Neill nói. Trong khi đó, vào khoảng 3 tỷ đến 2 tỷ năm trước, lớp phủ của Trái đất rõ ràng đã trải qua một số thay đổi hóa học có thể được quy cho việc làm mát, thay đổi mô hình đối lưu của nó. Một số nhà địa chất coi đây là một bản ghi chép về sự khởi phát và lan rộng của các mảng kiến tạo trên khắp hành tinh.
Kiến tạo mảng trên các hành tinh khác
Vậy kiến tạo mảng có cần thiết cho cuộc sống?
Cuối cùng, vấn đề là chúng ta có một mẫu. Chúng ta có một hành tinh trông giống Trái đất, một nơi có nước và lớp vỏ lục địa có thể chờm trượt, một nơi tràn đầy sự sống. Các hành tinh hoặc mặt trăng khác có thể có hoạt động giống như kiến tạo, nhưng nó không giống với những gì chúng ta thấy trên Trái đất.
Lấy Enceladus, một mặt trăng lạnh của Sao Thổ đang trút vật chất vào không gian từ những vết nứt trông kỳ lạ trong lớp băng toàn cầu của nó. Hay sao Kim, một hành tinh dường như đã xuất hiện trở lại 500 triệu năm trước nhưng không có ranh giới mảng nào mà chúng ta có thể nhận ra. Hay sao Hỏa, nơi có ngọn núi lửa lớn nhất hệ mặt trời ở Olympus Mons, nhưng có lịch sử kiến tạo là bí ẩn. Olympus Mons được tìm thấy ở một khu vực phình to tên là Tharsis, nó khổng lồ đến mức nó có thể đè nặng lớp vỏ sao Hỏa đủ để khiến các cực của nó đi lang thang .
O’Neill đã công bố nghiên cứu cho thấy một hành tinh có kích thước sao Hỏa với lượng nước dồi dào có thể bị đẩy vào trạng thái hoạt động kiến tạo. Và những người khác đã lập luận rằng một số khu vực ở bán cầu nam của sao Hỏa giống như sự lan rộng dưới đáy biển. Nhưng các nhà nghiên cứu đồng ý rằng nó đã không có bất kỳ hành động nào trong ít nhất 4 tỷ năm, gần bằng tuổi của lớp vỏ của nó, theo dữ liệu từ các quỹ đạo và robot trên bề mặt.
Có một số tranh luận rằng có thể rất, rất sớm, nó có thể đã có kiến tạo mảng, nhưng quan điểm của tôi là nó có lẽ chưa bao giờ được thực hiện, chuyên gia Foley nói.
Valles Marineris trên sao Hỏa là một hẻm núi kéo dài 3.000 km và đạt độ sâu 8 km.
Nếu chúng ta có thể hiểu các hành tinh khác, như Sao Kim và Sao Hỏa, và các mặt trăng của Sao Mộc, nó sẽ giúp chúng ta biết những gì cần tìm kiếm ở đây trên Trái Đất. Đó là một lý do để tiếp tục khám phá các hành tinh khác – nó giúp chúng ta trở về nhà
Trong khi nguồn gốc của kiến tạo mảng vẫn là một chủ đề để tranh luận, các nhà địa chất có thể đồng ý rằng đến một lúc nào đó, các lục địa sẽ ngừng trôi, kiến tạo mảng sẽ bị dừng khi Trái Đất già đi.
Trái đất cuối cùng sẽ hạ nhiệt đủ để kiến tạo mảng suy yếu dần, và để hành tinh lắng xuống trạng thái nắp tù đọng một lần nữa. Các siêu lục địa mới sẽ tăng và giảm trước khi điều này xảy ra, nhưng đến một lúc nào đó, động đất sẽ chấm dứt. Núi lửa sẽ tắt. Trái đất sẽ chết, giống như sao Hỏa. Liệu các dạng sống bao trùm mọi kẽ hở của nó vẫn còn ở đây hay không là một câu hỏi cho tương lai.
Bài viết này đã được in lại trên TheAtlantic.com .
