Thế Cenomanian (trong địa tầng học chuẩn mực là tầng Cenomanian hay kỳ Cenomanian) là đơn vị thời địa tầng và địa thời học mở đầu thế Creta muộn của kỷ Phấn Trắng, đại Trung Sinh, bắt đầu từ mốc 100,5 triệu năm trước và kết thúc vào khoảng 93,9 triệu năm trước theo thang thời gian địa chất chuẩn quốc tế. Giai đoạn này kéo dài khoảng 6,6 triệu năm, đánh dấu bước chuyển trọng đại trong lịch sử Trái Đất với khí hậu nhà kính cực đại, mực nước biển dâng cao nhấn chìm nhiều thềm lục địa và sự kiện biến đổi đại dương toàn cầu làm tích tụ các tầng đá phiến sét đen giàu vật chất hữu cơ. Bài viết trình bày chi tiết về vị trí địa tầng học, điểm chuẩn ranh giới toàn cầu, đặc trưng cổ khí hậu học, sự kiện thiếu oxy đại dương cùng ý nghĩa thực tiễn của tầng Cenomanian trong nghiên cứu địa chất dầu khí và cổ sinh học.
Vị trí địa tầng học và phân chia phân tầng
Trong hệ thống danh pháp địa tầng quốc tế do Ủy ban Quốc tế về Địa tầng học (International Commission on Stratigraphy, ICS) ban hành, Cenomanian tương ứng với hai khái niệm song hành: tầng Cenomanian (stage - đơn vị thời địa tầng biểu thị các lớp đá được lắng đọng trong thời kỳ này) và kỳ Cenomanian (age - đơn vị địa thời học biểu thị khoảng thời gian tương ứng). Trong tiếng Việt, tên gọi thế Cenomanian cũng thường được sử dụng trong văn cảnh đại chúng, tuy nhiên về mặt chuẩn hóa học thuật, Cenomanian là tầng mở đầu của thống Creta trên (thế Creta muộn), kế tiếp tầng Albian của thế Creta sớm và xếp bên dưới tầng Turonian.
Theo tài liệu Địa thời học Geologic Time Scale 2020 của Gale và các cộng sự (2020), tầng Cenomanian được chia thành 3 phân tầng chính dựa trên các đới sinh địa tầng cúc đá và trùng lỗ trôi nổi, phản ánh các chu kỳ tiến hóa sinh vật biển rõ nét:
- Cenomanian sớm (Lower Cenomanian): Bắt đầu từ sự xuất hiện đầu tiên của loài trùng lỗ trôi nổi Rotalipora globotruncanoides, tương ứng với đới sinh địa tầng cúc đá Mantelliceras mantelli. Phân tầng này ghi nhận sự ấm lên toàn cầu tiếp diễn và sự tái thiết lập các quần xã sinh vật biển sau các biến cố cuối kỷ Albian.
- Cenomanian giữa (Middle Cenomanian): Được nhận diện rộng rãi qua sự phát triển rực rỡ của các phức hệ cúc đá thuộc đới Acanthoceras rhotomagense và các loài trùng lỗ trôi nổi đặc trưng. Thời kỳ này chứng kiến sự mở rộng diện tích các biển nội địa do mực nước biển tiếp tục dâng cao.
- Cenomanian muộn (Upper Cenomanian): Được xác định bởi đới trùng lỗ trôi nổi Rotalipora cushmani, kế tiếp là đới Whiteinella archaeocretacea bao trùm ranh giới chuyển tiếp sang tầng Turonian. Phân kỳ này gắn liền với đỉnh cao của biển tiến toàn cầu và dẫn thẳng vào sự kiện khủng hoảng môi trường biển nghiêm trọng.
Bảng phân chia phân tầng và các chỉ dấu sinh địa tầng chủ chốt của Cenomanian được tổng hợp như sau:
| Phân tầng | Đới cúc đá tiêu biểu | Đới trùng lỗ trôi nổi tiêu biểu | Đặc trưng địa chất nổi bật |
|---|---|---|---|
| Cenomanian sớm | Mantelliceras mantelli | Rotalipora globotruncanoides | Thiết lập đáy ranh giới GSSP toàn cầu |
| Cenomanian giữa | Acanthoceras rhotomagense | Thalmanninella reicheli | Biển tiến mở rộng trên các lục địa |
| Cenomanian muộn | Metoicoceras geslinianum | Rotalipora cushmani | Khởi phát sự kiện thiếu oxy đại dương 2 |
Điểm và vết lộ tầng chuẩn ranh giới toàn cầu (GSSP)
Ranh giới đáy của một tầng địa tầng quốc tế bắt buộc phải được định nghĩa bằng một Điểm và Vết lộ Tầng chuẩn Ranh giới Toàn cầu (Global Boundary Stratotype Section and Point, GSSP), còn được gọi là chiếc đinh vàng địa chất. Đối với tầng Cenomanian, GSSP chính thức được Ủy ban Quốc tế về Địa tầng học (ICS) phê chuẩn vào năm 2004 trên cơ sở công trình nghiên cứu toàn diện của Kennedy và các cộng sự (2004).
Vết lộ chuẩn được chọn đặt tại sườn phía nam của núi Mont Risou, nằm gần xã Rosans thuộc tỉnh Hautes-Alpes, vùng đông nam nước Pháp. Về mặt thạch học, tầng đá tại đây thuộc hệ tầng Marnes Bleues (Blue Marls Formation), bao gồm các lớp sét vôi màu xanh xám lắng đọng liên tục trong môi trường biển sâu cổ đại Tây Tethys mà không bị gián đoạn trầm tích.
Ranh giới đáy Cenomanian tại Mont Risou được ấn định chính xác ở vị trí 36 m bên dưới đỉnh của hệ tầng Marnes Bleues. Chỉ dấu sinh địa tầng quyết định để xác lập ranh giới này là mốc xuất hiện đầu tiên (First Appearance Datum, FAD) của loài trùng lỗ trôi nổi Rotalipora globotruncanoides. Tiêu chuẩn này thay thế cho các mốc cúc đá truyền thống trước đây vốn có tính phân bố cục bộ theo vùng khí hậu. Ngoài chỉ dấu trùng lỗ, ranh giới tại Mont Risou còn được củng cố bởi các chỉ dấu phụ trợ bao gồm vi hóa thạch thực vật phù du vôi (calcareous nannofossils), tập hợp cúc đá chuyển tiếp và đường cong biến thiên đồng vị carbon đồng bộ toàn cầu.
Đặc trưng cổ khí hậu học và mực nước biển
Kỳ Cenomanian đại diện cho một trong những giai đoạn khí hậu ấm nhất trong suốt liên đại Hiển sinh (Phanerozoic), thường được các nhà địa chất học mô tả là thời kỳ siêu nhà kính (super-greenhouse). Nồng độ khí nhà kính trong khí quyển thời kỳ này duy trì ở mức rất cao do hoạt động núi lửa mạnh mẽ từ các dải phân kỳ đáy đại dương và các tỉnh đá magma lớn (Large Igneous Provinces).
Theo nghiên cứu tổng quan địa hóa của Jenkyns (2010), nhiệt độ bề mặt nước biển tại các vùng xích đạo và nhiệt đới trong thời kỳ Cenomanian ấm nhất vượt ngưỡng 35 °C, cao hơn rất nhiều so với đại dương hiện đại. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa vùng cực và vùng xích đạo giảm xuống mức tối thiểu, dẫn tới sự vắng mặt của các chỏm băng vĩnh cửu tại hai địa cực và hình thành thảm thực vật ôn đới tươi tốt ngay tại các vĩ độ cận cực.
Đi kèm với nền nhiệt độ cao là hiện tượng nở vì nhiệt của nước đại dương và sự biến mất hoàn toàn của băng lục địa, kết hợp với tốc độ tách giãn đáy đại dương nhanh làm đội đáy biển lên cao. Nghiên cứu biến đổi mực nước biển eustatic kỷ Phấn Trắng của Haq (2014) chỉ ra rằng mực nước biển toàn cầu trong kỳ Cenomanian duy trì ở mức cao hơn hiện nay từ 100 m đến 250 m. Đợt biển tiến quy mô lớn này bắt đầu gia tăng mạnh mẽ từ cuối tầng Albian và đạt đỉnh cao trong tầng Cenomanian và đầu tầng Turonian, tạo nên các biển nông nội địa ngập nước bao la trên bề mặt các lục địa như Western Interior Seaway cắt ngang Bắc Mỹ.
Sự kiện thiếu oxy đại dương 2 (OAE 2)
Dấu ấn địa chất chấn động nhất diễn ra vào cuối thế Cenomanian là Sự kiện thiếu oxy đại dương 2 (Oceanic Anoxic Event 2, viết tắt là OAE 2), còn được gọi là Biến cố Bonarelli (Bonarelli Event) theo tên nhà địa chất người Ý Guido Bonarelli. Sự kiện diễn ra vào khoảng 94 triệu năm trước, ngay sát ranh giới chuyển tiếp giữa tầng Cenomanian và tầng Turonian.
Sự kết hợp giữa nhiệt độ đại dương tăng cao, tuần hoàn nước biển thẳng đứng chậm lại và lượng dưỡng chất khổng lồ do phong hóa lục địa đổ vào đại dương đã kích thích các đợt bùng nổ thực vật phù du. Khi sinh khối này chết đi và chìm xuống đáy biển, quá trình phân hủy tiêu thụ cạn kiệt lượng oxy hòa tan trong nước, biến các bồn trũng đại dương trên toàn thế giới thành môi trường thiếu oxy nghiêm trọng hoặc yếm khí hoàn toàn. Hậu quả trực tiếp là sự hình thành rộng khắp của các lớp đá phiến sét đen (black shales) giàu hợp chất carbon hữu cơ với hàm lượng tổng carbon hữu cơ (TOC) có thể lên đến hàng chục phần trăm.
Về mặt địa hóa đồng vị, sự tích tụ ồ ạt carbon hữu cơ nhẹ làm giàu đồng vị nặng trong nguồn carbonat hòa tan của đại dương. Theo phân tích của Jenkyns (2010), biến cố OAE 2 được ghi nhận bằng một bước dịch chuyển đồng vị carbon dương rõ nét, ký hiệu là (với là tỷ số đồng vị carbon-13 trên carbon-12 so với chuẩn quốc tế), với mức gia tăng từ 2 ‰ đến 5 ‰ trong các thành tạo đá vôi và vật chất hữu cơ biển. Bước nhảy đồng vị này đóng vai trò như một mốc chuẩn địa hóa đồng bộ toàn cầu (chemostratigraphic marker) để đối sánh địa tầng độc lập với hóa thạch.
Khủng hoảng thiếu oxy đại dương cuối kỳ Cenomanian cũng kéo theo sự tuyệt chủng của nhiều nhóm sinh vật biển nhạy cảm, bao gồm sự tuyệt diệt hoàn toàn của giống trùng lỗ trôi nổi vỏ gai Rotalipora, các loài cúc đá đặc hữu và làm suy giảm nghiêm trọng các rạn san hô cũng như các loài bò sát biển cổ đại như thằn lằn cá ngư long.
Ý nghĩa trong địa chất dầu khí và nghiên cứu năng lượng
Các thành tạo trầm tích có tuổi Cenomanian sở hữu giá trị kinh tế và công nghiệp to lớn trong địa chất dầu khí toàn cầu. Nhờ sự tích tụ hữu cơ khổng lồ trong các sự kiện thiếu oxy đại dương, các tầng đá phiến sét đen tuổi Cenomanian đóng vai trò là tầng đá mẹ sinh dầu (source rock) thượng hạng tại nhiều bồn trũng trầm tích lớn trên thế giới, bao gồm lưu vực Đại Tây Dương và khu vực Trung Đông.
Bên cạnh tầng sinh, các tập cát kết hình thành trong các pha biển tiến Cenomanian cung cấp các tầng đá chứa dầu khí (reservoir rock) có độ rỗng và độ thấm thuận lợi. Môi trường biển nông ấm áp kết hợp với lắng đọng trầm tích carbonat và vụn mảnh đã tạo nên những phức hệ đá mẹ - đá chứa đồng bộ, trở thành mục tiêu nghiên cứu và thăm dò quan trọng của ngành địa chất dầu khí quốc tế.
Hạn chế phương pháp và các vấn đề khoa học còn mở
Mặc dù tầng Cenomanian đã được chuẩn hóa quốc tế với vết lộ GSSP rõ ràng, giới địa chất học hiện đại vẫn đối mặt với một số câu hỏi và giới hạn phương pháp luận chưa có lời giải tuyệt đối:
- Độ phân giải niên đại tuyệt đối: Niên đại số 100,5 triệu năm trước đối với đáy tầng và 93,9 triệu năm trước đối với đỉnh tầng có sai số định tuổi phóng xạ khoảng vài trăm nghìn năm. Việc đối sánh giữa đồng hồ thiên văn chu kỳ Milankovitch (cyclostratigraphy) và phương pháp định tuổi đồng vị argon-argon hoặc uranium-chì trên tinh thể zircon từ các lớp tro núi lửa vẫn ghi nhận các khoảng chênh lệch nhỏ giữa các phòng thí nghiệm.
- Tranh luận về sự hiện diện của băng hà cục bộ: Mặc dù Cenomanian là thời kỳ siêu nhà kính ấm áp, một số nghiên cứu địa hóa đồng vị oxy trên vỏ trùng lỗ đáy biển ghi nhận những xung dịch chuyển nhiệt độ ngắn hạn, dẫn tới giả thuyết về các đợt đóng băng cục bộ quy mô nhỏ ở vùng cực trong các pha hạ thấp mực nước biển thoáng qua. Tuy nhiên, giả thuyết này vẫn chưa đạt được sự đồng thuận hoàn toàn và đòi hỏi thêm bằng chứng địa chất thực địa.
- Sự bảo tồn và tính liên tục của vết lộ GSSP: Việc bảo vệ thực địa vết lộ Mont Risou trước hiện tượng phong hóa tự nhiên và sạt lở thạch học đòi hỏi sự giám sát thường xuyên. Tại các khu vực biển nông cổ cận duyên hải, sự thiếu vắng trùng lỗ biển sâu như Rotalipora globotruncanoides buộc các nhà nghiên cứu phải dựa vào các chỉ dấu thay thế như phấn hoa vi hóa thạch hoặc hóa địa tầng đồng vị carbon, vốn có độ nhạy cảm phụ thuộc vào điều kiện trầm tích địa phương.