Tổng quát

Bản đồ chi tiết về các mảng kiến tạo và các vectơ di chuyển của nó. Màu tím: ranh giới hội tụ, đỏ: ranh giới phân kỳ, lục: ranh giới chuyển dạng, xanh dương: đới hút chìm, xám (vùng): đai tạo núi.

Vào cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20, các nhà địa chất cho rằng các đặc điểm chính của Trái Đất là cố định, và phần lớn các đặc trưng địa chất như các dãy núi là do chuyển động thẳng đứng của lớp vỏ theo học thuyết địa máng. Các quan sát trước đây từ năm 1596 cho rằng các bờ biển đối diện nhau trên Đại Tây Dương, hay chính xác hơn là rìa các thềm lục địa, có hình dạng tương tự nhau và dường như đã từng khít vào nhau.[31] Từ đó, một số học thuyết được đề xuất để giải thích sự tương hợp biểu kiến này, nhưng việc cho rằng Trái Đất ở thể rắn đã làm xuất hiện nhiều vấn đề khó có thể giải thích được.[32]

Việc phát hiện ra radi và đặc điểm tỏa nhiệt của nó vào năm 1896 dẫn tới sự xét lại tuổi biểu kiến của Trái Đất,[33] do trước đây tuổi Trái Đất được xác định bằng tốc độ nguội lạnh của nó và bề mặt Trái Đất bức xạ giống như vật thể đen.[34] Các tính toán ngụ ý rằng, thậm chí nếu Trái Đất bắt đầu tại nhiệt của bức xạ đỏ, thì nó có thể đã giảm nhiệt độ xuống như hiện tại chỉ sau vài triệu năm. Cùng với sự hiểu biết về nguồn nhiệt mới, các nhà khoa học có lý do để cho rằng tuổi của Trái Đất còn lớn hơn thế một cách đáng tin cậy, và lõi của nó còn đủ nóng để ở thể lỏng.

Thuyết kiến tạo mảng kế thừa từ giả thuyết trôi dạt lục địa do Alfred Wegener đề xuất năm 1912[35] và được mở rộng trong quyển sách xuất bản năm 1915 của ông có tên gọi Nguồn gốc của các lục địa và đại dương.[36] Ông đề xuất rằng các lục địa hiện tại từng có thời hình thành nên một lục địa lớn và bị tách ra, điều này làm giải phóng các lục địa từ nhân của Trái Đất và so sánh chúng với "các tảng băng" granit có mật độ thấp nổi trên biển bazan đặc hơn.[37][38] Nhưng do không có các chứng cứ chi tiết và lực tác động đủ để gây ra chuyển động, học thuyết này nói chung không được chấp nhận rộng rãi: Trái Đất có thể có vỏ rắn và lõi lỏng, nhưng dường như không cách nào để lớp vỏ Trái Đất có thể di chuyển được. Giới khoa học sau đó đã ủng hộ các học thuyết do nhà địa chất người Anh, Arthur Holmes, đề xuất vào năm 1920. Theo đó, các mối nối giữa các mảng có thể nằm dưới biển và đề xuất năm 1928 của Holmes cho rằng các dòng đối lưu trong quyển manti là lực gây chuyển động chính.[32][39][40]

Chứng cứ đầu tiên rằng các mảng thạch quyển di chuyển xuất hiện cùng với sự phát hiện về hướng từ trường biến đổi trong các đá có tuổi khác nhau, lần đầu tiên được nêu ra trong hội nghị ở Tasmania năm 1956. Đầu tiên nó được học thuyết hóa thành thuyết vỏ Trái Đất giãn rộng,[41] sự hợp tác nghiên cứu sau đó đã phát triển nó thành học thuyết kiến tạo mảng, và giải thích rằng sự tách giãn như là kết quả của sự trồi lên của các loại đá mới, nhưng không làm cho Trái Đất giãn nở thêm bởi sự có mặt của các đới hút chìm và các đứt gãy tịnh tiến bảo toàn. Đây cũng là thời điểm mà học thuyết của Wegener được các nhà khoa học chấp nhận về mặt tổng quát. Các công trình bổ sung về sự liên đới của tách giãn đáy đại dương và đảo cực từ trường do Harry Hess và Ron G. Mason thực hiện[42][43][44] đã xác định cơ chế chính xác để giải thích cho sự trồi lên của các loại đá mới.

Sau sự công nhận các dị thường từ gồm các dải từ hóa tương tự chạy song song và đối xứng trên đáy biển ở cả hai phía của sống núi giữa đại dương, kiến tạo mảng nhanh chóng được chấp nhận rộng rãi. Các tiến bộ đồng thời trong công nghệ chụp ảnh địa chấn thời kỳ đầu tại và xung quanh các đới Wadati-Benioff cùng với các quan sát địa chất khác đã làm cho kiến tạo mảng trở thành học thuyết có sức mạnh phi thường về dự đoán và giải thích hợp lý.[45]

Nghiên cứu về đáy đại dương sâu cũng có tác động quan trọng trong sự phát triển của học thuyết; lĩnh vực địa chất biển thuộc vùng biển sâu được phát triển vào thập niên 1960. Học thuyết kiến tạo mảng được phát triển vào cuối thập niên 1960 và được hầu hết các nhà khoa học trong các ngành khoa học Trái Đất chấp nhận. Học thuyết góp phần phát triển các khoa học Trái Đất, giải thích các hiện tượng địa chất như tạo núi, động đất, núi lửa và những ảnh hưởng của nó đến đối với các nghiên cứu về cổ địa lý học và cổ sinh học.[46][47][48][49]

Trôi dạt lục địa

Dấu hiệu hóa thạch chứng minh cho sự trôi dạt lục địa.

Trôi dạt lục địa là một trong những ý tưởng về kiến tạo được đưa ra vào cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20. Học thuyết này đã lỗi thời, và các khái niệm và dữ liệu của nó đã được hợp nhất trong kiến tạo mảng.[50]

Năn 1915, Alfred Wegener đã đưa ra các luận cứ nghiêm túc về ý tưởng trong ấn bản đầu tiên của quyển sách Nguồn gốc các lục địa và đại dương.[35] Trong quyển sách này ông lưu ý rằng bờ biển phía đông Nam Mỹ và bờ biển phía tây châu Phi được nhìn thấy như là chúng đã từng có thời gắn vào nhau.[51] Wegener không phải là người đầu tiên ghi nhận dấu hiệu này (những người đã nêu vấn đề này trước ông như Abraham Ortelius, Francis Bacon, Benjamin Franklin, Snider-Pellegrini, Roberto Mantovani và Frank Bursley Taylor) nhưng ông là người đầu tiên đã đưa ra các hóa thạch quan trọng cũng như các chứng cứ cổ địa hình cũng như cổ khí hậu để hỗ trợ cho quan sát đơn giản này (và được các nhà nghiên cứu khác, như Alex du Toit, ủng hộ). Tuy vậy, các ý tưởng của ông đã không được các nhà địa chất nhìn nhận một cách nghiêm túc, họ chỉ ra rằng không có cơ chế rõ ràng cho sự trôi dạt lục địa. Cụ thể, họ không thể thấy đá vỏ lục địa có thể cày xới qua đá vỏ đại dương nặng hơn như thế nào. Wegener không thể giải thích lực làm cho các lục địa trôi dạt.

Chứng minh của Wegener đã không còn đứng vững cho đến tận sau khi ông qua đời vào năm 1930. Năm 1947, một nhóm các nhà khoa học, đứng đầu là Maurice Ewing, sử dụng tàu nghiên cứu Atlantis của Viện Hải dương học Woods Hole và một loạt các thiết bị đã xác nhận sự tồn tại của đới nâng trung tâm Đại Tây Dương, và nhận thấy rằng bên dưới các lớp trầm tích dưới đáy biển được cấu tạo bởi bazan chứ không phải granit (granit là thành phần chính cấu tạo nên vỏ lục địa). Họ cũng thấy rằng vỏ đại dương mỏng hơn vỏ lục địa. Tất cả các phát hiện này đã đặt ra nhiều câu hỏi và tranh luận về thuyết trôi dạt lục địa.[52]

Đầu những năm 1950, các nhà khoa học trong đó có Harry Hess và Victor Vacquier, đã sử dụng các thiết bị từ (từ kế), một loại mô phỏng theo thiết bị sử dụng trên máy bay trong thế chiến thứ II để nhận dạng tàu ngầm, đã ghi nhận các thay đổi kỳ quặc của từ trường dọc theo đáy đại dương. Phát hiện này, mặc dù không được dự kiến, nhưng không hoàn toàn gây ngạc nhiên bởi vì người ta biết rằng các loại đá bazan núi lửa giàu sắt, cấu tạo nên phần lớn vỏ đại dương, chứa một loại khoáng vật sắt có từ tính mạnh (magnetit) và có thể làm lệch cục bộ kim nam châm của la bàn. Điều này cũng được các nhà hàng hải Iceland phát hiện vào cuối thế kỷ 18. Sự có mặt của từ trường trong bazan làm cho nó trở thành đối tượng có thể đo đạc từ trường. Quan trọng hơn, do sự hiện diện của magnetit tạo ra các thuộc tính từ của bazan nên các biến thiên từ tính mới phát hiện này cung cấp một cách thức khác cho việc nghiên cứu đáy đại dương sâu. Khi các đá mới hình thành nguội đi thì các vật liệu từ ghi lại từ trường Trái Đất tại thời điểm đó.[45]

Khi đáy biển được lập bản đồ ngày cành nhiều hơn trong thập niên 1950, các biến thiên từ hóa ra không xảy ra một cách ngẫu nhiên hay xuất hiện độc lập, mà nó xuất hiện có quy luật có thể dễ ghi nhận được. Khi các kiểu mẫu từ này được lập bản đồ cho một khu vực rộng, đáy đại dương chỉ ra một kiểu giống như vằn của ngựa vằn. Các dải đá nhiễm từ khác nhau xen kẽ nhau chạy song song ở cả hai phía của sống núi giữa đại dương: một dải có cực từ bình thường và xen với một dải có cực từ bị đảo ngược. Kiểu tổng thể, được xác định bằng các dải xen kẽ này với đá phân cực từ bình thường và nghịch đảo, gọi là vằn từ.[45]

Khi đá trong địa tầng của các rìa lục địa tách biệt rất giống nhau, cũng có thể suy ra rằng chúng được thành tạo với cùng một cơ chế hay chúng là một thể trong quá khứ. Ví dụ, một vài phần của Scotland và Ireland chứa các đá rất giống nhau được tìm thấy ở Newfoundland và New Brunswick. Hơn nữa, thành phần thạch học và cấu tạo địa chất của dãy núi Caledoni ở châu Âu và các phần của dãy Appalachian ở Bắc Mỹ rất giống nhau.[53]

Học thuyết này giúp các nhà địa lý sinh vật học giải thích sự phân bố địa lý sinh vật đứt đoạn của sự sống ngày nay được tìm thấy trên các lục địa khác nhau nhưng có các tổ tiên tương tự.[54] Đặc biệt, nó giải thích sự phân bố Gondwana của các loài đà điểu và quần thực vật Nam Cực.

Các lục địa nổi

Quan điểm thịnh hành là có các lớp vỏ của địa tầng bên dưới các lục địa là tĩnh. Người ta đã ghi nhận từ rất sớm là granit có mặt trên lục địa, nhưng đáy biển được cấu tạo bởi bazan đặc hơn. Người ta cho rằng có một lớp bazan nằm bên dưới các đá của lục địa.

Tuy nhiên, dựa trên các dị thường trọng lực (độ lệch của dây dọi) trong dãy Andes ở Peru, Pierre Bouguer cho rằng các dãy núi ít đặc hơn phải có phần lõm xuống cắm vào lớp đặc hơn nằm bên dưới.[55]Quan điểm cho rằng các dãy núi có "rễ" cũng được xác nhận bởi George B. Airy khoảng hơn 100 năm sau khi nghiên cứu về trường trọng lực của dãy Himalaya,[56] và các nghiên cứu địa chấn đã phát hiện sự thay đổi tương ứng về tỷ trọng riêng.

Vào giữa thập niên 1950, một câu hỏi chưa được giải quyết là rễ của dãy núi bị giữ chặt bởi đá bazan xung quanh hay vẫn nổi giống như một tảng băng. Năm 1958 nhà địa chất người Tasmania, Samuel Warren Carey đưa ra chuyên khảo Tiếp cận kiến tạo cho trôi dạt lục địa để hỗ trợ cho mô hình Trái Đất giãn nở.

Thuyết kiến tạo mảng

Các phát hiện vào những năm 1960, đặc biệt là về sống núi giữa Đại Tây Dương được nêu trong bài báo của nhà địa chất người Mỹ, Harry Hammond Hess (Robert S. Dietz cũng công bố ý tưởng tương tự một năm trước đó trong tạp chí Nature. Tuy nhiên, độ ưu tiên thuộc về Hess, do ông đã phân phát bản thảo không công bố của mình vào năm 1960) xuất bản năm 1962. Hess đề nghị rằng thay vì các lục địa chuyển động xuyên qua vỏ đại dương (theo thuyết trôi dạt lục địa) thì bồn địa đại dương cùng với lục địa cận kề nó chuyển động trên cùng một đơn vị vỏ hay mảng.[57] Cũng trong năm này, Robert R. Coats thuộc Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ mô tả các yếu tố chính của cung đảo hút chìm trên quần đảo Aleutia. Bài báo của ông, ít được chú ý vào thời điểm đó (thậm chí bị nhạo báng), đã được gọi là "phôi thai" và "tiên tri".[58] Năm 1967, W. Jason Morgan đề xuất rằng bề mặt Trái Đất gồm có 12 mảng cứng chuyển động tương đối với nhau. Hai tháng sau, năm 1968, Xavier Le Pichon xuất bản một mô hình hoàn hảo dựa trên 6 mảng chính với sự chuyển động tương đối của chúng.[59]

Giải thích về vằn từ

Vằn từ đáy biển: màu trắng (đảo từ) và màu cam (từ trường bình thường).

Việc phát hiện ra vằn từ và các dải từ này đối xứng xung quanh chỏm sống núi đại dương cho thấy một mối quan hệ giữa chúng. Năm 1961, các nhà khoa học bắt đầu giả thiết rằng sống núi giữa đại dương là một đới có cấu trúc yếu, cũng là nơi mà đáy đại dương bị tách ra làm 2 phần dọc theo đỉnh của sống núi. Macma mới từ dưới sâu dâng lên một cách dễ dàng qua đới yếu này và phun trào dọc theo đỉnh của các sống núi để tạo thành vỏ đại dương mới. Quá trình này sau này được gọi là tách giãn đáy đại dương, đã hoạt động liên tục kể từ hàng triệu năm trước và tiếp tục tạo thành đáy đại dương mới, hình thành một hệ thống sống núi giữa đại dương kéo dài khoảng 50.000 km.[60] Học thuyết này được chấp nhận bởi các dấu hiệu như:

1. Ở gần đỉnh sống núi, các đá rất trẻ, và chúng đang trong quá trình trở nên già hơn và chuyển động xa dần đỉnh sống núi;
2. Các đá trẻ nhất ở đỉnh sống núi luôn luôn có cực từ bình thường (từ trường của Trái Đất hiện nay);
3. Các dãy đá chạy song song với đỉnh sống núi có sự xen kẽ về cực từ trường (bình thường – đảo – bình thường) là do từ trường của Trái Đất bị đảo chiều nhiều lần trong quá khứ.

Dựa trên sự giải thích về vằn từ giống ngựa vằn và sự hình thành hệ thống sống núi giữa đại dương, giả thuyết tách giãn đáy đại dương nhanh chóng nhận được sự ủng hộ và thể hiện một tiến bộ quan trọng khác trong sự phát triển của học thuyết kiến tạo mảng. Hơn nữa, vỏ đại dương được đánh giá như là một cuốn băng tự nhiên ghi nhận lịch sử đảo cực từ của Trái Đất.[45]

Phát hiện sự hút chìm

Một hệ quả của sự tách giãn đáy đại dương là sự hình thành lớp vỏ mới dọc theo sống núi giữa đại dương, một ý tưởng để các nhà khoa học, như S. Warren Carey, cho rằng sự dịch chuyển của lục địa có thể giải thích đơn giản bằng sự gia tăng kích thước của Trái Đất kể từ khi nó được hình thành.[61]

Tuy vậy, giả thuyết "Trái Đất giãn nở" không thỏa mãn để giải thích hiện tượng này bởi vì những người ủng hộ nó không đưa ra được cơ chế chứng minh được Trái Đất giãn nở,[62] cũng như không có dấu hiệu cho thấy Mặt Trăng giãn nở trong 3 tỉ năm qua. Các câu hỏi vẫn chưa có đáp án như: làm thế nào lớp vỏ mới tạo ra được bổ sung một cách liên tục dọc theo các sống núi giữa đại dương mà không làm tăng kích thước của Trái Đất?

Câu hỏi này làm cho các nhà khoa học phải suy nghĩ và đặt vấn đề nghiên cứu. Các nhà khoa học như Harry Hess, nhà địa chất của Đại học Princeton và Robert S. Dietz, nhà khoa học của Cục khảo sát đo đạc địa hình và biển Hoa Kỳ là những người đầu tiên sử dụng thuật ngữ tách giãn đáy đại dương và các ông cũng là số ít trong những người thật sự hiểu về cơ chế này. Nếu vỏ Trái Đất mở rộng dọc theo các sống núi giữa đại dương, thì theo Hess nó phải bị chìm ở đâu đó. Ông cho rằng vỏ đại dương mới tiếp tục tách giãn ngày càng xa sống núi. Nhiều triệu năm sau, lớp vỏ đại dương chìm vào rãnh đại dương - một vực hẹp và sâu dọc theo rãnh của bồn địa Thái Bình Dương. Theo Hess, Đại Tây Dương đang mở rộng trong khi Thái Bình Dương đang co lại. Trong khi vỏ đại dương cổ bị hút xuống ở các rãnh, thì macma mới dâng lên và phun trào dọc theo các sống núi tách giãn để tạo thành lớp vỏ mới. Bồn địa đại dương có vai trò như là "lò tái chế" với sự tạo ra vỏ mới và phá hủy thạch quyển đại dương cổ một cách liên tục. Như vậy, các ý tưởng của Hess hầu như là đã giải thích hoàn toàn tại sao Trái Đất không lớn hơn với sự tách giãn đáy đại dương, tại sao có rất ít trầm tích lắng tụ trên đáy đại dương, và tại sao các đá trong đại dương trẻ hơn các đá trên lục địa.[63]

Lập bản đồ các trận động đất

Bản đồ thể hiện vị trí các trận động đất (các chấm màu đen) giai đoạn 1963-1998.

Trong suốt thế kỷ 20, sự phát triển và sử dụng các thiết bị địa chấn như địa chấn kế giúp các nhà khoa học phát hiện rằng các trận động đất có xu hướng tập trung ở những khu vực đặc biệt,[45] hầu hết các ghi nhận đều xảy ra dọc theo các rãnh đại dương và sống núi tách giãn giữa đại dương. Vào cuối thập nhiên 1920, các nhà địa chấn học đã bắt đầu khoanh định một số khu vực động đất song song với các rãnh đại dương, chúng bị nghiêng một góc khoảng 40–60° và cắm sâu vào trong lòng Trái Đất hàng trăm km. Sau đó, các đới này được gọi là đới Wadati-Benioff, hoặc đới Benioff, để ghi công các nhà địa chấn học đã phát hiện ra chúng là Kiyoo Wadati, Nhật Bản và Hugo Benioff, Hoa Kỳ. Công việc nghiên cứu địa chấn toàn cầu đạt nhiều thành tựu lớn trong thập niên 1960 với sự lắp đặt hệ thống tiêu chuẩn hóa máy ghi địa chấn toàn cầu (WWSSN) để theo dõi các vụ thử các vũ khí hạt nhân dưới lòng đất vào năm 1963. Có rất nhiều dữ liệu thu thập được từ các thiết bị WWSSN cho phép các nhà địa chấn lập bản đồ chính xác các khu vực tập trung các trận động đất trên toàn cầu.[64]