Thạch quyển là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa thạch quyển

Thạch quyển (lithosphere) là lớp vỏ ngoài cùng và cứng rắn của Trái Đất, gồm lớp vỏ (crust) và phần trên của lớp phủ (upper mantle), với độ dày dao động từ khoảng 50 đến 200 km tùy theo vùng đại dương hoặc lục địa. Đây là lớp chịu trách nhiệm hình thành các mảng kiến tạo, có tính chất giòn và truyền nhiệt chủ yếu theo cơ chế dẫn nhiệt (conduction), khác hẳn so với quyển mềm (asthenosphere) nằm ngay bên dưới.

Tính chất cơ học đặc trưng của thạch quyển là độ cứng cao, không dễ biến dạng dưới áp lực nhỏ, giúp nó duy trì tính ổn định cơ học khi kéo dãn hoặc chịu ép. Trong khi đó, quyển mềm bên dưới lại có khả năng biến dạng chậm và truyền nhiệt chủ yếu bằng đối lưu (convection), tạo điều kiện cho mảng thạch quyển trên di chuyển một cách độc lập.

Thạch quyển có vai trò trung tâm trong cơ chế kiến tạo mảng duy trì hoạt động địa chất: tạo động đất, núi lửa, uốn nếp địa tầng,… cũng như tiếp nhận ảnh hưởng không nhỏ từ sự nóng chảy magma và dòng đối lưu từ quyển mềm phía dưới – một cơ chế liên tục trong lịch sử địa chất của Trái Đất.

Cấu trúc và thành phần của thạch quyển

Thạch quyển gồm hai phần chính: lớp vỏ và phần trên của lớp phủ. Lớp vỏ có thể là vỏ đại dương (oceanic crust) – mỏng (5–10 km), dày đặc, chủ yếu là bazan, hoặc vỏ lục địa (continental crust) – dày (30–70 km), cấu thành từ đá granit và các loại đá silica khác. Phần trên của lớp phủ (áp suất thấp hơn) chủ yếu là peridotit, giàu olivin và pyroxen.

Độ dày thạch quyển thay đổi theo vị trí địa chất:

Loại thạch quyển	Độ dày (km)	Vị trí tiêu biểu
Đại dương	50–100	Dưới đáy đại dương
Lục địa	100–200	Dưới các lục địa cổ

Tính chất hóa học và vật lý của lớp vỏ và phần trên lớp phủ khiến thạch quyển có khả năng dẫn truyền và tiếp nhận lực mạnh, tạo nên sự khác biệt rõ rệt giữa các khoảng tiếp xúc giữa thạch quyển và quyển mềm về cả cơ học lẫn nhiệt động học.

Ranh giới giữa thạch quyển và quyển mềm

Ranh giới giữa thạch quyển và quyển mềm không được xác định bằng sự khác biệt hóa học mà bởi khác biệt cơ học và nhiệt độ. Thạch quyển có cấu trúc rắn giòn, còn quyển mềm mềm dẻo, có khả năng chảy biến dạng đặc trưng theo thời gian địa chất. Nhiệt độ chuyển tiếp giữa 1 200 °C và 1 300 °C thường được dùng để ước tính độ sâu của ranh giới giữa hai lớp này.

Các phương pháp xác định ranh giới này bao gồm:

• Seismic tomography – ghi lại sóng địa chấn từ động đất để tái hiện cấu trúc bên trong Trái Đất
• Phân tích gradient nhiệt – nhiệt độ tăng theo độ sâu giúp xác định lớp chuyển tiếp
• Quan sát sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo và hình thái núi lửa, bờ biển nâng hạ

Kết quả từ các nghiên cứu địa chấn và đo nhiệt cho thấy độ sâu ranh giới dao động từ ~100 km ở vùng nóng hoạt động đến >200 km ở nền lục địa cổ ổn định, phản ánh cấu trúc địa chất phức tạp và không đồng nhất của Trái Đất.

Thạch quyển và các mảng kiến tạo

Thạch quyển được phân chia thành các mảng kiến tạo riêng biệt, di chuyển trên quyển mềm giòn dẻo bên dưới. Chuyển động giữa các mảng này – bao gồm tách, va chạm và trượt ngang – là nguyên nhân chính dẫn đến các sự kiện địa chất như động đất, núi lửa, và sự hình thành địa hình như dãy núi.

Một số mảng chính bao gồm:

• Mảng Thái Bình Dương (Pacific Plate)
• Mảng Á‑Âu (Eurasian Plate)
• Mảng Bắc Mỹ (North American Plate)
• Mảng Phi (African Plate)

Để xem bản đồ phân bố các mảng, tham khảo USGS – Plate Tectonics Map.

Hoạt động mảng kiến tạo diễn ra theo ba kiểu ranh giới phổ biến:

• Rạn nứt phân kỳ (divergent): mảng tách nhau, như Mid‑Atlantic Ridge
• Va chạm hội tụ (convergent): mảng va chạm tạo núi hoặc hút chìm magma, ví dụ Vành đai Lửa Thái Bình Dương
• Trượt ngang (transform): mảng trượt ngang, ví dụ Đứt gãy San Andreas

Vai trò trong hoạt động địa chất

Thạch quyển đóng vai trò trung tâm trong các quá trình địa chất xảy ra trên Trái Đất. Nhờ đặc tính cứng và giòn, nó lưu giữ dấu tích của các vận động kiến tạo và phản ánh lịch sử địa chất thông qua các biến dạng cấu trúc như nếp uốn, đứt gãy, sự nâng hạ địa hình và tạo núi. Khi các mảng thạch quyển tương tác với nhau, năng lượng cơ học tích tụ có thể được giải phóng dưới dạng động đất, sóng thần, hoặc phun trào núi lửa.

Tùy theo kiểu ranh giới giữa các mảng, hoạt động địa chất có thể diễn ra theo những dạng khác nhau:

• Ranh giới phân kỳ: hai mảng tách nhau, magma từ quyển mềm trồi lên tạo đá mới, ví dụ như sống núi giữa đại dương
• Ranh giới hội tụ: hai mảng va chạm, gây hút chìm và tạo núi, điển hình là Himalaya do mảng Ấn Độ va vào mảng Á-Âu
• Ranh giới trượt ngang: hai mảng trượt qua nhau, thường gây ra các trận động đất lớn, như đứt gãy San Andreas ở California

Bảng tóm tắt các kiểu ranh giới:

Kiểu ranh giới	Đặc điểm	Ví dụ nổi bật
Phân kỳ	Tạo đá mới, núi giữa đại dương	Mid-Atlantic Ridge
Hội tụ	Hút chìm hoặc tạo núi	Dãy Andes, dãy Himalaya
Trượt ngang	Trượt mảng song song	Đứt gãy San Andreas

Phương pháp nghiên cứu thạch quyển

Nghiên cứu thạch quyển là lĩnh vực liên ngành sử dụng kết hợp địa vật lý, địa hóa, địa nhiệt và khoan thăm dò để khảo sát đặc điểm cấu trúc và thành phần bên trong Trái Đất. Do thạch quyển không thể tiếp cận trực tiếp ở độ sâu lớn, các phương pháp gián tiếp như địa chấn học đóng vai trò then chốt.

Một số phương pháp chính:

• Địa chấn học (seismology): đo vận tốc truyền sóng P và S để xác định ranh giới lớp và dị thường cấu trúc
• Địa nhiệt học: xác định gradient nhiệt và đặc trưng truyền dẫn nhiệt
• Địa từ (magnetotellurics): đo độ dẫn điện để phân biệt vật liệu đá và mức độ nóng chảy
• Khoan sâu: như dự án Kola Superdeep Borehole (Nga), đạt sâu trên 12 km

Dữ liệu từ các mạng lưới địa chấn quốc tế như IRIS Consortium và International Seismological Centre là cơ sở để xây dựng mô hình địa cấu trúc toàn cầu và dự báo nguy cơ thiên tai.

Thạch quyển trong các hành tinh khác

Khái niệm thạch quyển không chỉ áp dụng cho Trái Đất mà còn được mở rộng sang các hành tinh có cấu trúc lớp trong như Sao Hỏa, Sao Kim, thậm chí cả Mặt Trăng. Tuy nhiên, do khác biệt về nhiệt độ bên trong và lực hấp dẫn, các hành tinh này có thạch quyển dày và kém hoạt động hơn so với Trái Đất.

Sứ mệnh NASA InSight trên Sao Hỏa đã triển khai đo địa chấn trực tiếp, ghi nhận các sự kiện "marsquakes" cho thấy thạch quyển Sao Hỏa có độ dày khoảng 400–600 km. Mặt khác, Sao Kim gần như không có dấu hiệu của hoạt động mảng hiện tại, làm dấy lên giả thuyết rằng hành tinh này hoạt động theo cơ chế địa nhiệt khác biệt hoàn toàn.

Những kết quả nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu thêm về sự tiến hóa của hành tinh mà còn hỗ trợ mô hình hóa quá trình hình thành và hoạt động kiến tạo của Trái Đất thời kỳ đầu.

Biến đổi theo thời gian địa chất

Thạch quyển không phải là lớp tĩnh tại mà liên tục được hình thành và tiêu hủy trong chu trình kiến tạo mảng. Mỗi mảng đại dương được tạo ra tại sống núi giữa đại dương và sau đó bị hút chìm tại rãnh đại dương. Tuổi đời trung bình của thạch quyển đại dương là khoảng 200 triệu năm – rất trẻ so với các mảng lục địa có thể tồn tại hàng tỷ năm.

Khái niệm chu trình Wilson mô tả quá trình hình thành, mở rộng và đóng lại của các đại dương thông qua sự di chuyển của các mảng thạch quyển. Quá trình này có tác động sâu sắc đến sự tiến hóa địa chất, khí hậu toàn cầu và phân bố sinh học qua các thời kỳ.

Dấu tích của các chu kỳ siêu lục địa trước đây như Rodinia, Pannotia hay Pangaea được bảo tồn trong thành phần và cấu trúc của thạch quyển hiện tại, giúp tái hiện lịch sử Trái Đất trong hàng tỷ năm qua.

Tài liệu tham khảo

1. Turcotte, D. L., & Schubert, G. (2014). Geodynamics (3rd ed.). Cambridge University Press.
2. Condie, K. C. (2005). Earth as an Evolving Planetary System. Elsevier.
3. USGS – Plate Tectonics Overview. https://www.usgs.gov
4. NASA InSight Mars Mission. https://mars.nasa.gov/insight/
5. International Seismological Centre. https://www.isc.ac.uk
6. IRIS Consortium. https://www.iris.edu/hq/
7. Cammarano, F., et al. (2003). "Is the transition zone of the Earth an ancient feature?" Geophysical Research Letters.