Quá trình nhỏ giọt thạch quyển bên dưới bề mặt Trái Đất

Có một số nơi trên thế giới mà hoạt động động lực học bên dưới bề mặt Trái Đất không thể phát hiện được.

Núi lửa, động đất, và thậm chí sự đột ngột nâng lên hoặc lún xuống của mặt đất đều là những kết quả của những dao động sâu dưới lòng đất. Tuy nhiên theo một nghiên cứu của các nhà địa chất học thuộc Đại học bang Arizona (ASU), hoạt động động lực sâu bên dưới chúng ta không phải lúc nào cũng được thể hiện trên bề mặt.

Great Basin ở miền Tây Hoa Kỳ là một khu vực sa mạc hầu như không có sự thay đổi trên bề mặt. Khu vực này bao gồm những dãy núi nhỏ phân cách bởi thung lũng và chiếm hầu hết Nevada, một nửa phía Tây của Utah và một phần của các bang gần đó.

Trong 10 triệu năm, Great Basin đã trải qua hoạt động mở rộng – sự duỗi ra của vỏ Trái Đất.

Khi nghiên cứu sự mở rộng của khu vực này, nhà địa lý học John West của ASU đã rất ngạc nhiên khi phát hiện rằng có điều gì đó khác thường tồn tại bên dưới bề mặt.

West và các đồng nghiệp phát hiện rằng một số phần của thạch quyển – lớp vỏ bên trên của Trái Đất – đã lún xuống thành lớp vỏ bên trên lỏng hơn và hình thành một khối hình trụ của vật liệu lạnh sâu bên dưới trung tâm Nevada.

Đây là một phát hiện rất bất ngờ tại khu vực không thể hiện bất cứ thay đổi nào trên địa hình bề mặt và hoạt động núi lửa.

West so sánh kết quả khác thường cùa mình với mô hình địa lý – quét CAT bên trong Trái Đất – do nhà địa lý Jeff Roth thực hiện. West và Roth là các nghiên cứu sinh tại ASU, hiện làm việc với cố vấn Matthew Fouch. Nhóm nghiên cứu kết luận rằng họ phát hiện thấy sự nhỏ giọt thạch quyển.

Kết quả của nghiên cứu, do Quỹ khoa học quốc gia (NSF) tài trợ, được công bố trên tạp chí Nature Geoscience số ngày 24 tháng 5.

Greg Anderson, giám đốc chương trình tại Đơn vị khoa học Trái Đất thuộc NSF, cho biết: “Những kết quả này cung cấp kiến thức quan trọng về quá trình đối lưu thang tỷ lệ nhỏ của vỏ Trái Đất, cũng như mối liên hệ giữa những quá trình này với hiện tượng núi lửa và hình thành núi trên bề mặt”.

Sự nhỏ giọt thạch quyển có thể được hình dung như mật ong rớt khỏi một cái thìa,

Khi một khối lượng nhỏ và đậm đặc nằm tại đáy của lớp vỏ, và khu vực được làm ấm lên, khối đậm đặc này sẽ trở nên nặng hơn những khu vực xung quanh và bắt đầu lún xuống. Khi nó lún xuống, vật liệu trong thạch quyển bắt đầu chảy vào đường dẫn mới được tạo ra.

Con đường chạy dọc Sa mạc Great Basin tại Trung tâm Nevada: 250 dặm lòng chảo. Khu vực này bao gồm những dãy núi nhỏ phân cách bởi thung lũng và chiếm hầu hết Nevada, một nửa phía Tây của Utah và một phần của các bang gần đó. (Ảnh: iStockphoto/Erik Gauger)

Những hình ảnh địa chấn của cấu trúc vỏ bên dưới khu vực này cung cấp bằng chứng thêm, cho thấy có một khối hình trụ lớn rộng 100 km và cao ít nhất 500 km.

Fouch nhận định: “Tôi luôn là người chống lại quan điểm “nhỏ giọt” này từ những ngày đầu làm khoa học. Ý tưởng về sự nhỏ giọt thạch quyển đã được sử dụng nhiều lần trong nhiều năm để giải thích những hiện tượng như núi lửa, sự nâng lên của bề mặt, nhưng bạn không thể khẳng định – và cho đến nay chưa ai bắt gặp một quá trình “nhỏ giọt” đang hoạt động”.

Ban đầu, nhóm nghiên cứu không cho rằng có bất cứ dấu hiệu nhìn thấy nào xuất hiện trên bề mặt.

Fouch cho biết: “Chúng tôi tự hỏi làm thế nào một quá trình như “nhỏ giọt” đưa vật liệu vào trung tâm của nó trong khi bề mặt của toàn khu vực đang mở rộng”.

“Nhưng thực tế rằng có một khu vực ngay bên trên quá trình “nhỏ giọt”, khu vực duy nhất tại Great Basin, đang co lại. Phát hiện về quá trình nhỏ giọt của John mở ra một mô hình mới về quá trình biến đổi của Great Basin”.

Các nhà khoa học đã biết về sự co lại này, nhưng vẫn tranh luận về nguyên nhân của nó.

Khi sự nhỏ giọt hình thành, vật liệu xung quanh bị hút ra sau nó; có nghĩa rằng bề mặt sẽ co lại về phía trung tâm của lòng chảo. Vì sự co lại là kết quả tất nhiên của sự nhỏ giọt, nhưng những gì quan sát thấy tại Great Basin có thể được giải thích bởi sự nhỏ giọt thạch quyển.

West cho biết: “Rất nhiều người trong cộng đồng khoa học cho rằng đó không thể là sự nhỏ giọt vì không hề có thay đổi nâng lên hoặc biểu lộ của bề mặt. Hiện tượng nhỏ giọt luôn liên quan đến những thay đổi lớn trên bề mặt”.

“Nhưng những hiện tượng đó không hoàn toàn cần thiết để hiện tượng nhỏ giọt xảy ra. Dưới những điều kiện nhất định, ví dụ như tại Great Basin, hiện tượng nhỏ giọt có thể hình thành mà không có thay đổi tương ứng trên địa hình bề mặt hoặc hoạt động núi lửa”.

Tất cả các mô hình số liệu do nhóm nghiên cứu thực hiện cho thấy sự nhỏ giọt này không tạo ra hiện tượng như động đất, lún xuống hoặc trồi lên nhanh chóng.

Sẽ có rất ít hoặc không có tác động gì đối với những người sống bên trên. Nhóm nghiên cứu tin rằng hiện tượng nhỏ giọt này là một quá trình tạm thời bắt đầu từ 15-20 triệu năm trước.

West cho biết: “Chúng tôi sẽ không thể phát hiện được điều này nếu không có lượng dữ liệu địa chấn của Thiết bị EarthScope di chuyển dọc miền Tây Hoa Kỳ”.

“Chúng tôi có thể truy cập dữ liệu từ một số trạm trong khu vực, nhưng dữ liệu phong phú và hệ thống lưới 75 km của EarthScope chính là yếu tố quan trọng cho những phát hiện này”.

Fouch nhận xét: “Đây là một ví dụ tuyệt vời của “khoa học trong hành động”.

“Chúng tôi bắt đầu cuộc nghiên cứu mà không mong đợi sẽ phát hiện thấy điều này. Thay vào đó, chúng tôi đưa ra giả thuyết mà chưa ai từng đề xuất cho khu vực này, rồi chúng tôi kiểm tra giả thuyết đó với nhiều dạng dữ liệu có thể tìm được”.

“Chúng tôi rất hào hứng chờ đợi vai trò của phát hiện này trong sự phát triển những ý tưởng mới về lịch sử địa chất của miền Tây Hoa Kỳ”.

Tài liệu tham khảo:
John D. West, Matthew J. Fouch, Jeffrey B. Roth, Linda T. Elkins-Tanton. Vertical mantle flow associated with a lithospheric drip beneath the Great Basin. Nature Geoscience, 2009; DOI: 10.1038/ngeo526