Ordovician là kỷ địa chất thứ hai thuộc đại Cổ sinh (Paleozoic), kéo dài từ khoảng 485,4 triệu năm trước đến khoảng 443,8 triệu năm trước, nằm tiếp sau kỷ Cambri và xếp trước kỷ Silua. Giai đoạn này đánh dấu những biến động sâu sắc trong lịch sử Trái Đất với sự kiện bức xạ sinh học rực rỡ nhất của sinh quyển biển, các chuyển động kiến tạo mảng tái định hình bản đồ cổ địa lý và đợt tuyệt chủng hàng loạt khốc liệt bậc nhất quét sạch phần lớn các loài sinh vật biển vào cuối kỷ.
Lịch sử nghiên cứu và phân chia địa tầng
Thuật ngữ Ordovician được nhà địa chất học người Anh Charles Lapworth đề xuất vào năm 1879. Trong giai đoạn giữa thế kỷ mười chín, một cuộc tranh luận học thuật gay gắt đã nổ ra giữa hai nhà địa chất hàng đầu là Adam Sedgwick (người thiết lập kỷ Cambri) và Roderick Murchison (người thiết lập kỷ Silua) về việc phân định ranh giới và sở hữu các tầng đá chồng lấn ở miền bắc xứ Wales. Năm 1879, Charles Lapworth nhận thấy hệ động vật hóa thạch trong các tầng đá tranh chấp có tính chất chuyển tiếp độc lập và khác biệt hoàn toàn với cả kỷ Cambri bên dưới lẫn kỷ Silua bên trên. Ông đã đề xuất một hệ địa tầng riêng biệt và đặt tên là Ordovician, phỏng theo tên của bộ tộc người Celt cổ đại Ordovices từng sinh sống tại vùng đất này.
Theo chuẩn hóa của Ủy ban Địa tầng Quốc tế (ICS) được tổng kết bởi Cohen và cộng sự (năm 2013), ranh giới dưới của kỷ Ordovic được xác định bởi sự xuất hiện lần đầu tiên của loài răng nón Iapetognathus fluctivagus tại tầng đá mốc ở Newfoundland (Canada), ứng với mốc thời gian khoảng 485,4 triệu năm trước. Ranh giới trên kết thúc tại đáy của tầng Rhuddanian thuộc kỷ Silua, ứng với mốc thời gian khoảng 443,8 triệu năm trước.
Địa tầng kỷ Ordovic hiện đại được phân chia thành ba thế và bảy tầng địa chất quốc tế:
- Thế Ordovic sớm (Early Ordovician): Gồm tầng Tremadocian và tầng Floian.
- Thế Ordovic giữa (Middle Ordovician): Gồm tầng Dapingian và tầng Darriwilian.
- Thế Ordovic muộn (Late Ordovician): Gồm tầng Sandbian, tầng Katian và tầng Hirnantian.
Bối cảnh cổ địa lý và tiến trình biến đổi khí hậu
Trong kỷ Ordovic, sự sắp xếp của các lục địa trên bề mặt địa cầu khác biệt căn bản so với ngày nay. Siêu lục địa Gondwana khổng lồ (bao gồm phần lớn châu Phi, Nam Mỹ, châu Úc, Nam Cực và tiểu lục địa Ấn Độ) chiếm ưu thế ở bán cầu nam và dần dịch chuyển về phía cực nam. Ở vùng vĩ độ xích đạo và cận nhiệt đới là sự hiện diện của các khối lục địa cô lập gồm Laurentia (phần lớn Bắc Mỹ ngày nay), Baltica (Bắc Âu và Tây Âu) cùng lục địa Siberia. Đại dương Iapetus rộng lớn ngăn cách giữa Laurentia, Baltica và Gondwana, nhưng dần bị thu hẹp lại trong suốt kỷ Ordovic do các hoạt động hút chìm và kiến tạo sơn.
Khí hậu toàn cầu trong kỷ Ordovic trải qua một hành trình chuyển biến cực đoan. Ở giai đoạn đầu kỷ, Trái Đất vận hành theo cơ chế nhà kính siêu nóng với hàm lượng khí carbon dioxide trong khí quyển cao gấp nhiều lần ngày nay. Phân tích địa nhiệt kế đồng vị oxy trong răng nón của Trotter và cộng sự công bố năm 2008 trên tạp chí Science đã chỉ ra rằng nhiệt độ nước biển bề mặt vùng nhiệt đới ở đầu kỷ Ordovic lên tới khoảng 42°C. Mức nhiệt độ khắc nghiệt này đã kìm hãm sự phát triển của nhiều dạng sống phức tạp.
Tuy nhiên, theo nghiên cứu của Trotter và cộng sự (năm 2008), các đại dương cổ đại đã trải qua một tiến trình làm mát dần đều trong hàng chục triệu năm, đưa nhiệt độ nước biển bề mặt hạ xuống khoảng 30°C vào thế Ordovic giữa. Sự hạ nhiệt đại dương này tương đương với nhiệt độ các vùng biển nhiệt đới ngày nay, tạo điều kiện lý tưởng cho sự bùng nổ của các dạng sống biển.
Vào cuối kỷ Ordovic, cụ thể là ở tầng Hirnantian, khí hậu toàn cầu đột ngột rơi vào một thời kỳ băng hà ngắn ngủi nhưng vô cùng dữ dội. Băng tích khổng lồ tích tụ trên lục địa Gondwana khi mảng lục địa này tiến sát cực nam. Công trình nghiên cứu của Finnegan và cộng sự công bố năm 2011 trên tạp chí Science đã đo đạc các đồng vị liên kết trong khoáng vật carbonat và phát hiện ra rằng nhiệt độ nước biển bề mặt vùng xích đạo đã giảm mạnh khoảng 5°C trong đợt băng hà Hirnantian. Sự hình thành các khối băng lục địa rộng lớn đã rút một lượng nước khổng lồ từ các đại dương, làm mực nước biển toàn cầu hạ thấp nghiêm trọng và hủy hoại các sinh cảnh biển nông ven bờ.
Sự kiện Bùng nổ Đa dạng Sinh học Kỷ Ordovic
Nếu như sự kiện bùng nổ kỷ Cambri nổi tiếng với việc khai sinh hầu hết các ngành động vật có cấu trúc cơ thể cơ bản, thì Sự kiện Bùng nổ Đa dạng Sinh học Kỷ Ordovic (Great Ordovician Biodiversification Event - GOBE) lại là cuộc cách mạng thực sự về sự phong phú hóa sinh thái học ở các cấp độ phân loại thấp hơn.
Tổng quan hệ sinh thái học cổ sinh của Servais và cộng sự công bố năm 2010 trên tạp chí Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology đã chỉ ra rằng trong sự kiện GOBE, các nhóm sinh vật biển ghi nhận sự gia tăng vượt bậc ở cấp độ giống và họ, tái cấu trúc căn bản các hệ sinh thái đáy biển. Như nhà cổ sinh học David Harper năm 2006 đã phân tích sâu sắc, sự kiện này đã lấp đầy các ổ sinh thái còn trống và thiết lập nên cấu trúc hệ sinh thái biển cổ sinh điển hình (Palaeozoic Evolutionary Fauna).
Các nhóm sinh vật ghi nhận sự phát triển vượt bậc trong kỷ Ordovic bao gồm:
- Động vật tay cuộn (Brachiopods): Trở thành nhóm động vật đáy có vỏ thống trị tuyệt đối tại các vùng thềm lục địa nông, thay thế ưu thế trước đó của bọ ba thùy kỷ Cambri.
- Bút thạch (Graptolites): Các nhóm bút thạch trôi nổi (planktonic graptolites) tiến hóa đa dạng kỳ diệu trong các tầng nước đại dương mở, trở thành hóa thạch chỉ tầng xuất sắc hàng đầu để định tuổi địa tầng trên toàn cầu.
- Động vật chân đầu (Cephalopods): Các loài ốc anh vũ vỏ thẳng (nautiloids) với lớp vỏ hình nón dài hàng mét vươn lên thành những loài động vật ăn thịt đầu bảng hung dữ nhất của các đại dương cổ đại.
- Huệ biển (Crinoids) và Động vật hình rêu (Bryozoans): Tạo thành các thảm sinh vật lọc nước dày đặc, cố kết cùng san hô vách đáy và san hô bốn tia nguyên thủy để hình thành các rạn sinh học rộng lớn đầu tiên trong lịch sử Trái Đất.
- Sự chiếm lĩnh tầng nước: Sinh vật không chỉ bó hẹp ở đáy biển mà bắt đầu bơi lội chủ động (nekton) và trôi nổi tự do (plankton) ở các tầng nước mặt, hoàn thiện chuỗi thức ăn đa tầng phức tạp.
Sự kiện tuyệt chủng hàng loạt kỷ Ordovic muộn
Cuộc đại thịnh vượng của sinh giới kỷ Ordovic đã bị chặn đứng bởi Sự kiện tuyệt chủng hàng loạt kỷ Ordovic muộn (Late Ordovician Mass Extinction - LOME) diễn ra trong tầng Hirnantian (kéo dài từ ranh giới Katian - Hirnantian đến ranh giới Ordovic - Silua).
Trong chuyên khảo tổng quan kinh điển công bố năm 2001 trên Annual Review of Earth and Planetary Sciences, nhà nghiên cứu Peter Sheehan đã phân tích tính chất khốc liệt của thảm họa này. Theo Sheehan (năm 2001), đợt tuyệt chủng kỷ Ordovic muộn là sự kiện tuyệt chủng lớn thứ hai trong lịch sử Trái Đất xét về tỷ lệ diệt vong của các giống loài, chỉ đứng sau đợt tuyệt chủng kỷ Permi - Trias. Thảm họa này đã xóa sổ khoảng 85% số loài sinh vật biển và làm sụp đổ hoàn toàn nhiều cấu trúc rạn san hô cổ sinh.
Nghiên cứu cổ sinh học xác nhận sự kiện tuyệt chủng diễn ra theo hai xung nối tiếp nhau:
- Xung tuyệt chủng thứ nhất: Xuất hiện ở thời điểm khởi đầu thời kỳ băng hà Hirnantian tại ranh giới Katian - Hirnantian. Khi khí hậu lạnh đi đột ngột và mực nước biển rút sâu hàng chục mét, các vùng biển thềm lục địa nông ấm áp - nơi tập trung mật độ đa dạng sinh học cao nhất - bị thu hẹp nghiêm trọng hoặc lộ thiên hoàn toàn, dẫn đến sự diệt vong hàng loạt của các nhóm sinh vật ưa ấm.
- Xung tuyệt chủng thứ hai: Xảy ra vào giai đoạn kết thúc thời kỳ băng hà tại ranh giới Ordovic - Silua, khi các khối băng tan chảy nhanh chóng. Nước biển dâng cao đột ngột đi kèm với sự phân tầng mật độ nước khiến luồng lưu thông oxy đáy biển bị đình trệ, dẫn đến hiện tượng thiếu oxy đại dương trên diện rộng (oceanic anoxia), quét sạch những nhóm sinh vật vừa thích nghi với điều kiện nước lạnh của thời kỳ băng hà trước đó.
So sánh các giai đoạn phát triển chính trong kỷ Ordovic
Bảng dưới đây tổng hợp các đặc trưng tiêu biểu về khí hậu, kiến tạo và tiến trình tiến hóa sinh học qua ba thế của kỷ Ordovic:
| Thế địa chất | Mốc thời gian xấp xỉ | Đặc điểm khí hậu và môi trường | Sự kiện tiến hóa sinh học then chốt |
|---|---|---|---|
| Ordovic sớm | Giai đoạn đầu kỷ (khoảng 485,4 triệu năm trước) | Khí hậu nhà kính cực nóng; nhiệt độ nước biển bề mặt đạt khoảng 42°C (Trotter và cộng sự, 2008) | Phục hồi sinh giới sau các đợt khủng hoảng kỷ Cambri; khởi phát bức xạ sinh học ở các nhóm sinh vật biển mở |
| Ordovic giữa | Giai đoạn giữa kỷ (tầng Dapingian và Darriwilian) | Đại dương hạ nhiệt xuống mức ôn hòa khoảng 30°C (Trotter và cộng sự, 2008); mực nước biển dâng cao nhấn chìm các lục địa | Bùng nổ sinh học đỉnh cao (GOBE); sự gia tăng vượt bậc của các họ sinh vật biển; rạn san hô và thảm huệ biển mở rộng quy mô |
| Ordovic muộn | Giai đoạn cuối kỷ (đến khoảng 443,8 triệu năm trước) | Băng hà cực nam Gondwana ở tầng Hirnantian; nhiệt độ nước biển nhiệt đới giảm khoảng 5°C (Finnegan và cộng sự, 2011) | Khủng hoảng sinh quyển qua hai xung tuyệt chủng; khoảng 85% số loài sinh vật biển bị tiêu diệt hoàn toàn (Sheehan, 2001) |
Ý nghĩa khoa học và các hướng nghiên cứu hiện đại
Việc nghiên cứu thấu đáo kỷ Ordovic mang lại những giá trị học thuật và thực tiễn sâu sắc trong khoa học Trái Đất và sinh học tiến hóa:
- Giải mã các ngưỡng biến đổi khí hậu cực đoan: Kỷ Ordovic cung cấp một phòng thí nghiệm tự nhiên độc nhất vô nhị về sự chuyển dịch khí hậu từ một thế giới nhà kính cực nóng sang thời kỳ băng hà ngắn ngủi nhưng khốc liệt. Những phát hiện này giúp các nhà khoa học hiện đại hiệu chuẩn các mô hình khí hậu toàn cầu và dự báo chính xác hơn phản ứng của đại dương trước sự biến thiên hàm lượng khí nhà kính.
- Quy luật phục hồi và sụp đổ của sinh quyển: Sự tương phản rõ rệt giữa cuộc bùng nổ đa dạng sinh học vĩ đại GOBE và thảm họa đại tuyệt chủng LOME trong cùng một kỷ địa chất làm sáng tỏ cơ chế thích ứng sinh thái và các ngưỡng chịu đựng của sinh quyển biển trước tình trạng thiếu oxy và axit hóa đại dương trên diện rộng.
- Ứng dụng trong địa chất dầu khí và địa tầng phân tập: Các tầng đá phiến giàu vật chất hữu cơ lắng đọng trong điều kiện thiếu oxy đáy biển kỷ Ordovic là một trong những tầng đá mẹ sinh dầu khí quan trọng hàng đầu tại nhiều bồn trũng trầm tích lớn trên thế giới. Đồng thời, các lớp tro núi lửa biến chất phân bố rộng khắp trong địa tầng kỷ Ordovic đóng vai trò là những mốc chuẩn tuyệt đối chính xác để liên đới địa tầng và nghiên cứu các pha hoạt động magma quy mô lớn trong lịch sử tiến hóa thạch quyển.