Eocen là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và vị trí địa chất của Eocen

Kỷ Eocen là một đơn vị địa tầng thuộc đại Tân Sinh (Cenozoic), nằm trong kỷ Paleogen (Paleogene), tiếp nối sau kỷ Paleocen và trước kỷ Oligocen. Eocen kéo dài từ khoảng 56 triệu năm trước đến 33.9 triệu năm trước. Đây là giai đoạn có ý nghĩa quan trọng trong tiến hóa sinh học, địa chất và khí hậu toàn cầu.

Giới hạn dưới của Eocen được xác định bởi sự kiện nhiệt cực đại Paleocen–Eocen (PETM), trong khi giới hạn trên trùng với sự kiện tuyệt chủng nhỏ vào đầu kỷ Oligocen. Các mốc thời gian này được thiết lập nhờ kết hợp giữa địa tầng sinh học (biostratigraphy), địa từ học (magnetostratigraphy) và phân tích đồng vị cacbon.

Theo chuẩn của Ủy ban Địa tầng Quốc tế (ICS), Eocen được coi là giai đoạn chuyển tiếp giữa môi trường Trái Đất cổ đại và các điều kiện địa sinh học hiện đại, khi hệ sinh thái có nhiều thay đổi và các dòng động vật hiện đại bắt đầu chiếm ưu thế.

Phân chia giai đoạn trong Eocen

Toàn bộ kỷ Eocen được chia thành bốn giai đoạn địa tầng nhỏ hơn theo chuẩn quốc tế, mỗi giai đoạn phản ánh sự thay đổi đáng kể về địa chất, khí hậu và hóa thạch:

• Ypresian (56.0–47.8 triệu năm trước): Giai đoạn đầu tiên, mở đầu bằng sự kiện PETM, khí hậu nóng cực đoan và đa dạng sinh học bùng nổ.
• Lutetian (47.8–41.2 triệu năm trước): Khí hậu bắt đầu ổn định hơn, nhiều nhóm động vật có vú tiến hóa mạnh.
• Bartonian (41.2–37.8 triệu năm trước): Ghi nhận các thay đổi khí hậu cục bộ và phân bố sinh vật biển thay đổi.
• Priabonian (37.8–33.9 triệu năm trước): Giai đoạn cuối, chứng kiến xu hướng hạ nhiệt toàn cầu và chuẩn bị bước vào kỷ Oligocen lạnh hơn.

Dưới đây là bảng tổng hợp các giai đoạn trong Eocen:

Giai đoạn	Khoảng thời gian (triệu năm trước)	Đặc điểm nổi bật
Ypresian	56.0 – 47.8	Sự kiện PETM, khí hậu cực nóng, động vật có vú cổ đại xuất hiện
Lutetian	47.8 – 41.2	Ổn định nhiệt độ, hình thành rừng ẩm nhiệt đới
Bartonian	41.2 – 37.8	Thay đổi dòng hải lưu, tái cấu trúc hệ sinh thái biển
Priabonian	37.8 – 33.9	Bắt đầu hình thành băng ở Nam Cực, tuyệt chủng một số loài

Đặc điểm khí hậu trong Eocen

Kỷ Eocen bắt đầu bằng một trong những sự kiện khí hậu cực đoan nhất trong kỷ Cenozoic: Sự kiện Nhiệt cực đại Paleocen–Eocen (PETM). Trong thời kỳ này, nồng độ CO₂ trong khí quyển tăng vọt và nhiệt độ trung bình toàn cầu có thể tăng từ 5–8°C chỉ trong vài nghìn năm. Bằng chứng từ đồng vị oxy trong lõi trầm tích biển sâu cho thấy nước biển ấm hơn đáng kể so với hiện nay.

Khí hậu toàn cầu trong phần lớn Eocen vẫn ấm và ẩm, với sự hiện diện của rừng mưa nhiệt đới trải dài từ vĩ độ thấp đến vĩ độ trung. Không có băng vĩnh cửu tại hai cực, và mực nước biển cao hơn nhiều so với hiện đại. Tầng đá, trầm tích và hóa thạch chỉ ra các vùng đất cao hiện nay như Bắc Cực từng có khí hậu cận nhiệt đới.

Tuy nhiên, đến cuối Eocen, có sự giảm nhiệt rõ rệt do sự tái cấu trúc dòng hải lưu và sự cô lập của châu Nam Cực, dẫn đến bắt đầu hình thành băng vĩnh cửu. Đây là bước chuyển quan trọng trong lịch sử khí hậu Trái Đất, báo hiệu sự chuyển sang khí hậu lạnh của kỷ Oligocen.

Tiến hóa và đa dạng sinh học

Eocen là thời kỳ chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của các nhóm động vật có vú hiện đại. Sau khi khủng long tuyệt chủng vào cuối kỷ Phấn Trắng, các loài có vú tiến hóa đa dạng về hình thái, hành vi và sinh thái. Các nhóm như linh trưởng, động vật ăn thịt, guốc lẻ và guốc chẵn bắt đầu chiếm lĩnh nhiều hệ sinh thái khác nhau, từ rừng nhiệt đới đến đồng cỏ sơ khai.

Các đại diện thú có vú trong Eocen bao gồm:

• Adapiformes – linh trưởng cổ đại, tổ tiên giả định của loài người
• Hyaenodon – động vật ăn thịt to lớn, không liên quan đến chó hoặc mèo
• Uintatherium – động vật ăn cỏ có sừng, mang nhiều đặc điểm nguyên thủy

Bên cạnh thú có vú, Eocen cũng là thời kỳ khởi phát của cá voi nguyên thủy như Pakicetus, Ambulocetus và Basilosaurus, là bằng chứng sống động cho quá trình chuyển đổi từ sinh vật sống trên cạn sang sinh vật biển trong họ Cetacea [PMC - NIH].

Thảm thực vật Eocen rất phong phú, với các loài cây lá rộng, cọ, dương xỉ và cây hạt kín thống trị. Sự phân bố thực vật phản ánh khí hậu ấm toàn cầu và độ ẩm cao. Các khu rừng nhiệt đới trải dài đến tận Bắc Mỹ, châu Âu và thậm chí là vùng ven Bắc Cực.

Sự phân bố lục địa và kiến tạo mảng

Trong kỷ Eocen, các lục địa tiếp tục dịch chuyển về vị trí hiện tại do hoạt động kiến tạo mảng. Sự thay đổi địa lý này ảnh hưởng lớn đến khí hậu, dòng hải lưu và tiến hóa sinh học toàn cầu. Mảng Ấn Độ tiến sát và bắt đầu va chạm với mảng Á-Âu, khởi đầu cho quá trình nâng lên của dãy Himalaya và cao nguyên Tây Tạng, đồng thời thay đổi hoàn toàn lưu thông khí quyển khu vực Nam Á.

Ở phía tây, Bắc Mỹ tách xa hơn khỏi châu Âu do mở rộng lưu vực Bắc Đại Tây Dương. Nam Cực bắt đầu tách biệt hoàn toàn khỏi Úc, hình thành eo biển Drake và khởi động dòng hải lưu Nam Cực, một yếu tố quan trọng dẫn đến sự hạ nhiệt toàn cầu cuối Eocen.

Một số thay đổi địa lý đáng chú ý:

• Địa Trung Hải chỉ mới bắt đầu hình thành do va chạm giữa châu Phi và châu Âu.
• Nam Mỹ vẫn còn cách biệt với Bắc Mỹ, chưa có cầu nối Panama.
• Australia bắt đầu di chuyển về phía đông bắc, tiến gần tới vùng Đông Nam Á hiện nay.

Biến cố sinh học cuối Eocen

Cuối kỷ Eocen (~34 triệu năm trước), Trái Đất trải qua một sự kiện biến động sinh học và khí hậu lớn được gọi là **Sự kiện chuyển tiếp Eocen–Oligocen (EOT – Eocene–Oligocene Transition)**. Đây là một trong những sự kiện đánh dấu thay đổi mạnh mẽ về khí hậu từ "Trái Đất nhà kính" sang "Trái Đất băng hà".

Nguyên nhân chính của EOT bao gồm sự cô lập của Nam Cực và hình thành dòng hải lưu lạnh quanh Nam Cực (Antarctic Circumpolar Current), làm giảm nhiệt độ toàn cầu và gây đóng băng tại Nam Cực lần đầu tiên trong lịch sử Cenozoic.

Sự kiện này đi kèm với tuyệt chủng quy mô trung bình, đặc biệt là ở sinh vật biển như foraminifera và động vật phù du. Trên đất liền, nhiều loài thú có vú cổ đại tuyệt chủng, nhường chỗ cho các loài mới thích nghi với khí hậu khô và lạnh hơn.

Trầm tích và địa tầng đặc trưng

Hồ sơ địa tầng từ kỷ Eocen được ghi nhận rõ rệt tại nhiều khu vực trên thế giới, nhờ vào các trầm tích biển và hồ cổ đại giàu hóa thạch. Đặc điểm trầm tích bao gồm đá vôi, sa thạch, bùn sét và than bùn, phản ánh môi trường nhiệt đới ẩm và biển nông.

Các địa điểm nổi bật chứa tầng Eocen:

• Green River Formation (Wyoming, Mỹ): Hóa thạch cá, lá cây, côn trùng được bảo tồn gần như hoàn hảo trong trầm tích hồ cổ.
• Messel Pit (Đức): Di sản thế giới UNESCO, chứa hóa thạch động vật có vú, bò sát, chim và cả phấn hoa nguyên vẹn.
• Bassin de Paris (Pháp): Ghi nhận đầy đủ các giai đoạn địa tầng từ Paleocen đến Oligocen.

Trầm tích Eocen cũng chứa các mốc đồng vị carbon (δ¹³C) và oxy (δ¹⁸O), giúp tái dựng chi tiết các dao động khí hậu thời kỳ này.

Vai trò của Eocen trong nghiên cứu cổ khí hậu

Kỷ Eocen là một mô hình khí hậu nhà kính tự nhiên quan trọng để so sánh với biến đổi khí hậu hiện nay. Nồng độ CO₂ trong khí quyển được ước tính nằm trong khoảng 800–1500 ppm, cao hơn đáng kể so với mức tiền công nghiệp (~280 ppm). Dữ liệu từ lõi trầm tích biển sâu và đồng vị carbon là công cụ chính trong việc tái dựng khí hậu cổ đại.

Một công thức phổ biến để tính nhiệt độ từ đồng vị oxy trong vỏ sinh vật biển là:

$T = 16.9 - 4.38(\delta^{18}O - \delta_w) + 0.1(\delta^{18}O - \delta_w)^2$

Trong đó:

• $\delta^{18}O$: tỷ lệ đồng vị oxy trong mẫu khảo cổ
• $\delta_w$: tỷ lệ đồng vị trong nước biển chuẩn

Nhờ dữ liệu từ Eocen, các nhà khoa học đã xây dựng được các mô hình khí hậu trong điều kiện nhiệt độ cao, từ đó đánh giá phản ứng của sinh quyển trước sự thay đổi khí hậu mạnh.

Tác động đến các hệ sinh thái hiện đại

Rất nhiều họ động vật và thực vật hiện đại có nguồn gốc tiến hóa từ Eocen. Đây là giai đoạn mà các dòng tiến hóa chính của linh trưởng, thú ăn cỏ và thú ăn thịt bắt đầu phân hóa rõ ràng. Nhiều loài hiện đại có thể truy nguyên nguồn gốc từ các dạng tổ tiên xuất hiện trong thời kỳ này.

Hệ sinh thái rừng mưa Eocen được coi là hình mẫu của các rừng nhiệt đới hiện nay. Các thay đổi môi trường như phân hóa thảm thực vật, khô hạn cục bộ và hình thành đồng cỏ đã đặt nền móng cho sự chuyển dịch hệ sinh thái về hướng giống hiện đại.

Ví dụ:

• Linh trưởng cổ Darwinius masillae (Messel Pit) có đặc điểm gần giống vượn ngày nay.
• Sự phân tán của thú guốc lẻ (Perissodactyla) như ngựa và tê giác từ châu Á sang châu Âu và Bắc Mỹ nhờ cầu nối lục địa.

Tài liệu tham khảo

1. International Commission on Stratigraphy. (2023). Chronostratigraphic Chart. Retrieved from https://stratigraphy.org
2. Zachos, J. C., Dickens, G. R., & Zeebe, R. E. (2008). Carbon cycle dynamics during the Paleogene. Nature, 451, 279–283.
3. Sluijs, A. et al. (2006). Subtropical Arctic Ocean temperatures during the Palaeocene/Eocene thermal maximum. Nature, 441, 610–613.
4. Bohaty, S. M., & Zachos, J. C. (2003). Significant Southern Ocean warming event in the late middle Eocene. Geology, 31(11), 1017–1020.
5. Gingerich, P. D. (2006). Environment and evolution through the Paleocene-Eocene thermal maximum. Trends in Ecology & Evolution, 21(5), 246–253.
6. Bajpai, S., & Thewissen, J. G. M. (2014). The emergence of whales: Evolution of Cetacea. PMC - NIH. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5701533/
7. Messel Pit Fossil Site. UNESCO World Heritage Centre. Retrieved from https://whc.unesco.org/en/list/720/