Kỷ phấn trắng là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm và niên đại Kỷ Phấn Trắng

Kỷ Phấn Trắng (Cretaceous) là kỷ địa chất cuối cùng của Đại Trung Sinh, kéo dài từ khoảng 145 triệu đến 66 triệu năm trước. Mốc thời gian này được xác định qua nghiên cứu địa tầng và các phép xác định tuổi phóng xạ, trong đó phổ biến nhất là phương pháp đo đồng vị U–Pb trên tinh thể zircon với công thức phân rã $N(t)=N_0e^{-\lambda t}$. Sự phân chia chi tiết giữa Tiền Phấn Trắng (Early Cretaceous) và Hậu Phấn Trắng (Late Cretaceous) dựa vào sự xuất hiện và biến mất của các hóa thạch dẫn hướng đặc trưng.

Trong ngữ cảnh toàn cầu, Kỷ Phấn Trắng đánh dấu sự thay đổi đáng kể về mực nước biển, khí hậu và hoạt động kiến tạo. Giai đoạn này chứng kiến đỉnh cao của rạn san hô và các bể trầm tích nông, đồng thời mở ra kỷ nguyên phát triển mạnh mẽ của thực vật hạt kín (Angiosperms). Các nhà địa chất sử dụng tiêu chuẩn của Ủy ban Địa tầng Quốc tế (International Commission on Stratigraphy) để hiệu chuẩn niên đại và đối chiếu các vỉa đá phấn trên khắp các châu lục (stratigraphy.org).

Stratigraphy và đặc trưng địa chất

Thành hệ đá phấn trắng chủ yếu bao gồm đá phấn (chalk) – một loại đá vôi mịn cấu thành từ vỏ canxi cacbonat (CaCO3) của các sinh vật plankton vỏ đá, như kokcolithophore. Lớp phấn dày tạo thành các vách đá nổi bật, ví dụ Vách đá Phấn Trắng Dover ở Anh với độ dày lên tới 150 mét.

Đặc trưng kiến tạo của giai đoạn Phấn Trắng bao gồm sự phân tách lục địa Gondwana, mở rộng Đại Tây Dương và hình thành hệ thống sườn lục địa châu Âu–Á. Dữ liệu địa chấn và khoan thăm dò cho thấy nhiều tầng đá phấn trắng chứa tiềm năng dầu khí nhờ tính thấm cao và cấu trúc bể trầm tích nông.

Thành phần sinh vật và đa dạng sinh học

Kỷ Phấn Trắng chứng kiến đỉnh cao đa dạng của khủng long không thuộc lớp chim (Non-avian dinosaurs) với các chi tiêu biểu như Tyrannosaurus ở cuối giai đoạn, Triceratops và Hadrosauridae. Trong quần xã thực vật, thực vật hạt kín (Angiosperms) xuất hiện khoảng 130 triệu năm trước và phát triển nhanh, chiếm ưu thế trong nhiều hệ sinh thái rừng mưa nhiệt đới và ven bờ.

Động vật biển phong phú với ammonite và belemnite chiếm ưu thế trong đại dương, đồng thời các loài bò sát biển như plesiosauria và mosasauria phát triển đa dạng. Khí hậu ấm áp và mực nước biển dâng cao tạo điều kiện cho các rạn san hô và hệ sinh thái biển nông phong phú, đóng góp vỏ đá phấn cho trầm tích.

• Ammonite: chỉ báo sinh học quan trọng cho đối chiếu địa tầng.
• Kokcolithophore: thành phần chính tạo đá phấn, ghi nhận biến đổi khí hậu.
• Mosasauria & Plesiosauria: đỉnh cao bò sát biển ăn tạp.

Sự kiện tuyệt chủng kỷ Creta–Paleogene (K–Pg)

Sự kiện K–Pg xảy ra cách đây khoảng 66 triệu năm, đánh dấu ranh giới giữa Kỷ Phấn Trắng và Kỷ Đệ Tam (Paleogene). Sự kiện này gây tuyệt chủng khoảng 75% loài sinh vật trên Trái Đất, bao gồm hầu hết khủng long không thuộc lớp chim và nhiều nhóm động vật biển. Bằng chứng chính từ lớp iridi toàn cầu, tia chấn động địa chất và thiên thạch Chicxulub ở Yucatán, Mexico.

Song song với va chạm thiên thạch, hoạt động núi lửa quy mô lớn tại Deccan Traps (Ấn Độ) giải phóng khí nhà kính và bụi tro, làm suy giảm ánh sáng mặt trời và gây "mùa đông hạt nhân" tạm thời. Sự kết hợp giữa các tác nhân này dẫn đến sự sụt giảm đột ngột chuỗi thức ăn toàn cầu và sự biến đổi nhanh chóng của môi trường sống.

• Đại va chạm Chicxulub: đường kính hố va chạm ~180 km.
• Deccan Traps: phun trào kéo dài ~1 triệu năm trước và sau ranh giới K–Pg.
• Phân tích lớp than bùn và iridi toàn cầu làm chứng cứ chính.

Phương pháp nghiên cứu và xác định tuổi

Địa tầng học (stratigraphy) là nền tảng để xác định thứ tự các lớp đá phấn Trắng bằng cách so sánh mẫu đá và hóa thạch dẫn hướng (index fossils) giữa các khu vực. Ammonite và kokcolithophore là hai nhóm hóa thạch quan trọng giúp phân chia chi tiết Early và Late Cretaceous. Việc khảo sát địa tầng kết hợp khoan thăm dò cung cấp dữ liệu 3D về độ dày và phân bố của lớp phấn trắng.

Phương pháp phóng xạ (radiometric dating) sử dụng đồng vị U–Pb trên tinh thể zircon trong tro núi lửa xen kẽ với trầm tích phấn trắng. Phép đo này cho độ chính xác cao, sai số thường <±0,1 triệu năm, giúp hiệu chuẩn mốc 145 Ma và 66 Ma. Kết quả được đối chiếu với lớp iridi K–Pg để xác nhận ranh giới tuyệt chủng.

• Địa tầng sinh học: ammonite, belemnite, nannofossil
• Phóng xạ U–Pb: zircon từ tro núi lửa
• Chemostratigraphy: đồng vị carbon (δ13C) và oxy (δ18O)

Sinh hóa tầng (chemostratigraphy) phân tích biến thiên đồng vị carbon (δ13C) trong vỏ kokcolith để tái tạo chu trình carbon toàn cầu. Dữ liệu δ18O trong vỏ vôi biển ghi nhận biến đổi nhiệt độ đại dương, phản ánh giai đoạn ấm ướt và lạnh xen kẽ trong kỷ Phấn Trắng.

Di sản địa chất và tài nguyên

Các vách đá phấn trắng điển hình như Dover (Anh), Cap Blanc-Nez (Pháp) và Longdong (Trung Quốc) không chỉ là cảnh quan địa chất độc đáo mà còn là tài nguyên địa phương quan trọng. Đá phấn sử dụng làm vật liệu xây dựng, phụ gia xi măng và chất độn nông nghiệp nhờ hàm lượng CaCO3 cao.

Tầng chứa dầu khí trên nền đá phấn trắng tại Bắc Hải và Gulf of Mexico từ vỉa đá carbonate có độ thấm tốt. Nguồn nước ngầm trong đá phấn trắng là nguồn cấp nước sạch cho nhiều khu vực, nhưng dễ nhiễm mặn khi khai thác quá mức.

Ứng dụng trong địa chất kinh tế

Đá phấn trắng là đá nền chứa hydrocarbon quan trọng, đặc biệt tại các bể trầm tích nông ven biển. Lớp đá porosity cao và permeability tốt cho phép lưu giữ dầu và khí tự nhiên, trở thành mục tiêu khoan thăm dò. Công nghệ địa chấn 3D giúp xác định cấu trúc bẫy dầu trong đá carbonate.

Mô hình thủy văn tầng (aquifer modeling) ứng dụng cho tầng chứa nước trong đá phấn trắng, giúp quản lý tài nguyên nước bền vững. Các chỉ số như transmissivity và storativity được đo qua pumping test để thiết kế hệ thống cấp nước đô thị.

• Dầu khí: giếng vertical và horizontal drilling
• Nước ngầm: pumping test, mô phỏng MODFLOW
• Vật liệu xây dựng: khai thác đá block và nghiền ngắn

Hướng nghiên cứu và xu hướng tương lai

Phân tích DNA cổ (ancient DNA) và lipid biomarkers trong mẫu đá phấn trắng mở ra cơ hội tái tạo hệ sinh thái vi sinh cổ đại. Công nghệ metagenomics cho phép xác định loài vi khuẩn và tảo cổ từng đóng góp vào trầm tích phấn, cung cấp dữ liệu về biến đổi khí hậu trong kỷ Phấn Trắng.

Mô hình khí hậu cổ đại (paleoclimate modeling) sử dụng dữ liệu đồng vị và proxy nhiệt độ để tái tạo biến thiên mực nước biển và nhiệt độ bề mặt đại dương. Các mô hình GCM (general circulation model) tích hợp dữ liệu Cretaceous để dự báo xu hướng biến đổi khí hậu hiện đại.

Trí tuệ nhân tạo (AI) và viễn thám (remote sensing) kết hợp GIS giúp nhận diện khu vực vỉa đá phấn trắng tiềm năng chứa dầu khí. Các thuật toán machine learning phân tích ảnh quang phổ và dữ liệu địa chấn, tối ưu hóa lựa chọn vị trí khoan thăm dò.

Tài liệu tham khảo

1. International Commission on Stratigraphy. “Cretaceous Period.” stratigraphy.org.
2. Britannica. “Cretaceous Period.” britannica.com.
3. Bottjer, D. J., et al. “Anoxia, Black Shale Deposition, and Sequence Stratigraphy.” Palaios, vol. 19, no. 1, 2004.
4. Schulte, P., et al. “The Chicxulub Asteroid Impact and Mass Extinction at the Cretaceous–Paleogene Boundary.” Science, vol. 327, no. 5970, 2010.
5. Matsumoto, R. “U–Pb Zircon Geochronology of Cretaceous Volcanics.” Journal of Geology, vol. 118, 2010.
6. US Geological Survey. “Cretaceous–Paleogene Boundary.” pubs.usgs.gov.