Tiếp cận các giả thuyết, học thuyết của khoa học Trái đất và một số vấn đề về học thuyết kiến tạo mảng

Nghiên cứu khoa học và ñổi mới nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý 29 TIẾP CẬN CÁC GIẢ THUYẾT, HỌC THUYẾT CỦA KHOA HỌC TRÁI ðẤT VÀ MỘT SỐ VẤN ðỀ VỀ HỌC THUYẾT KIẾN TẠO MẢNG LƯƠNG HỒNG HƯỢC, ðẶNG VŨ KHẮC Khoa ðịa lý, Trường ðHSP Hà Nội 1. CÁC GIẢ THUYẾT, HỌC THUYẾT CỦA KHOA HỌC TRÁI ðẤT Trái ðất từ khi hình thành ñến nay ñã trải qua nhiều biến cố và các hiện tượng tự nhiên xung quanh chúng ta xảy ra hết sức phong phú và ña dạng. Chúng ta ñã từng chứng kiến hoạt ñộng núi lửa, ñộng ñất, sóng thần và quan sát lũ bùn ñá, trượt lở ñất, v.v... cùng nhiều hiện tượng khác nữa. Trong con mắt của người xưa, nhiều hiện tượng tự nhiên thật bí ẩn, tuy nhiên họ chỉ có thể ghi nhận lại các hiện tượng ñó mà thôi. Nhưng cùng với sự phát triển của loài người, các nhà khoa học ñã phát minh ra nhiều giả thuyết, học thuyết khoa học về cuộc sống và các thay ñổi của Trái ðất liên quan ñến các hiện tượng này. Dựa trên những cơ sở ñó, nhận thức và sự hiểu biết của con người về thế giới xung quanh ngày càng ñược cải thiện và con người ñã biết sử dụng các giả thuyết, học thuyết ñó nhằm lý giải các nguyên nhân gây ra các hiện tượng tự nhiên trên Trái ðất. Các nhà ñịa lý, ñịa chất có thể luận giải các ñá ñã ñược thành tạo như thế nào cách ñây hàng trăm triệu năm về trước và cũng qua chu trình ñá (Hình 1), họ cũng giải thích ñược quá trình chuyển hóa từ loại ñá này sang loại ñá khác khi có sự thay ñổi ñiều kiện nhiệt ñộ, áp suất cũng như các ñiều kiện của môi trường xung quanh. Họ cũng có thể dự ñoán tương lai sau này của các dãy núi, thung lũng sông sẽ ra sao. Các khoa học về Trái ðất không chỉ nghiên cứu các sự kiện (biến cố) mà chúng ta có thể chưa bao giờ quan sát ñược trực tiếp ñược hay cũng chẳng bao giờ quan sát nổi; ñồng thời cũng nghiên cứu những ñối tượng mà có thể chúng ta chẳng bao giờ nhìn thấy, sờ nắm, cảm nhận ñược. Chẳng hạn chúng ta mô tả tâm Trái ðất cách dưới chân chúng ta 6370 km. Nhiều khoa học, trong ñó có khoa học về Trái ðất ñược xây dựng dựa trên cơ sở tư duy, suy luận về các sự kiện, các ñối tượng nằm ngoài phạm vi quan sát trực tiếp của con người. Theo Thomson & Turk (1997), các nhà khoa học tiếp tục phát triển sự Hình 1. Chu kỳ ñá cho thấy ñá biến ñổi liên tục theo thời gian (Thomson & Turk, 1997) Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng và phát triển 30 hiểu biết thế giới tự nhiên dựa trên 4 nguyên tắc chỉ ñạo khi tiến hành các nghiên cứu khoa học: Quan sát: tất cả các môn khoa học về Trái ðất ñều dựa vào việc quan sát. Quan sát là bước ñầu tiên và quan trọng nhất ñối với những người làm công tác nghiên cứu khoa học. Ví dụ quan sát cát kết ðevon ở ðồ Sơn, cát kết Trias thượng ở Cẩm Phả, vv... có thể rút ra mối liên hệ về quá trình tự nhiên giữa hai khu vực. Hình thành giả thuyết: là bước tiếp theo của quá trình quan sát. Những quan sát chỉ ñơn giản là bước khởi ñầu trên con ñường ñi tới học thuyết. Giả thuyết là cách luận giải một hiện tượng dựa trên các bằng cứ ñược nhiều người cùng thừa nhận. Có thể hiểu giả thuyết là một phác thảo thô sơ của học thuyết và có thể ñược kiểm ñịnh bởi các bằng cứ thực tế có thể quan sát ñược. Nếu giả thuyết ñó giải thích ñược một vài hiện tượng thực tế mà không phải là tất cả thì giả thuyết ñó phải ñược sửa ñổi, hoặc nếu nó không thể ñược thay ñổi một cách như mong muốn thì giả thuyết ñó nhất thiết phải bị loại bỏ và ñương nhiên các giả thuyết mới sẽ hình thành và ñược ñưa ra. Kiểm ñịnh giả thuyết và hình thành học thuyết: là bước quan trọng tiếp sau trong quá trình nghiên cứu khoa học. Một số ngành khoa học ñôi khi trải qua những chuyển biến mang tính chất cách mạng, ví dụ như từ thuyết ñịa máng sang thuyết kiến tạo mảng trong ñịa chất học và cuối cùng ñược chứng minh bằng các học thuyết. Một giả thuyết lý giải những quan sát như chúng ñã ñược tích lũy và không bị phủ nhận, sẽ ñược nâng cao lên thành học thuyết. Học thuyết phân biệt rõ ràng về hình thức và nội dung theo 4 tiêu chí cơ bản: • Học thuyết phải dựa trên một loạt quan sát hoặc các kết quả thí nghiệm ñã ñược xác nhận. • Học thuyết phải giải thích ñược tất cả các quan sát hoặc các kết quả thí nghiệm. • Học thuyết không bác bỏ bất kỳ kết quả quan sát hoặc các nguyên lý khoa học phù hợp nào. • Học thuyết nhất thiết phải mang tính nhất quán và phải ñược xây dựng theo phương thức logic, mà những kết luận không bác bỏ bất kỳ một tiền ñề ban ñầu nào. Tuy vậy, nhiều học thuyết có thể không bao giờ ñược chứng minh một cách tuyệt ñối. Thí dụ, hầu hết các nhà khoa học ñều chắc rằng ấn tượng của họ về cấu trúc nguyên tử là ñúng, nhưng không ai ñã và sẽ quan sát ñược cuộc hành trình của một nguyên tử riêng lẻ trong quỹ ñạo của nó. Chính vì vậy, các luận giải về cấu trúc nguyên tử gọi là học thuyết nguyên tử. Trong một số trường hợp, học thuyết ñược nâng cao thành nguyên lý khoa học. Nguyên lý là sự thừa nhận các sự kiện thường xảy ra như thế nào trong các ñiều kiện ñã cho và ñược coi là có căn cứ thực tế và chính xác. Nguyên lý là sự thể hiện chắc Nghiên cứu khoa học và ñổi mới nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý 31 chắn nhất của các luận cứ khoa học. Chẳng hạn nguyên lý hấp dẫn cho rằng tất cả các vật hút lẫn nhau theo tỷ lệ trực tiếp với khối lượng của chúng. Chia sẻ thông tin: bước cuối cùng trong quá trình nghiên cứu khoa học là chia sẻ những quan sát và kết luận của nhà khoa học với các ñồng nghiệp và công chúng. Nhà khoa học thông báo các kết quả nghiên cứu của mình với các ñồng nghiệp thông qua các cuộc hội thảo khoa học, hay bằng các phương tiện truyền thông. Khi nhà khoa học tin tưởng vào các kết quả nghiên cứu của mình, họ sẽ viết thành các báo cáo khoa học, bài báo ñể ñăng trong các tạp chí khoa học chuyên ngành hoặc viết thành sách. 2. NHỮNG VẤN ðỀ CƠ BẢN CỦA HỌC THUYẾT KIẾN TẠO MẢNG Hàng năm có khoảng 1 triệu vụ ñộng ñất làm rung chuyển các khu vực khác nhau của Trái ðất. Chúng ta không cảm nhận ñược những vụ ñộng ñất nhỏ, mà có thể dễ dàng ghi nhận những vụ ñộng ñất lớn có thể gây thiệt hại nặng nề về người, tài sản ñồng thời có thể là nguyên nhân gây ra các thảm họa khác như sóng thần, núi lửa, lở ñất, nứt ñất... (Hình 2). Hình 2. Hình ảnh trước và sau trận ñộng ñất xảy ra tháng 12/2003 tại Bam, Iran làm thiệt mạng và mất tích 40.000 người ( Trước năm 1960, không có một học thuyết riêng rẽ nào giải thích ñược các hiện tượng nêu trên. ðến những năm ñầu của thập kỷ 60, các nhà ñịa chất ñã phát triển học thuyết kiến tạo mảng. Học thuyết này ñưa ra cơ sở lý luận thống nhất và ñơn giản ñể giải thích hiện tượng ñộng ñất, phun trào núi lửa, sự tạo núi, sự vận ñộng của các lục ñịa và một loạt các hiện tượng ñịa chất khác. Nó cho rằng thạch quyển của Trái ðất như các mảng cứng dịch chuyển tương ñối với nhau. Trong quá trình dịch chuyển ñó, các mảng tách dãn hoặc va chạm mạnh vào nhau, làm cho chỗ ñược nâng lên, chỗ bị sụt xuống, vv... Khái niệm này ñược ñề cập tới từ năm 1915, do Alfred Wegener (1880-1930) ñưa ra dưới dạng giả thuyết về sự trôi dạt lục ñịa ñể giải thích một số hiện tượng. Ông cho rằng: • Phần ñất liền của vỏ Trái ðất thoạt tiên chỉ là một siêu lục ñịa duy nhất, rất rộng có tên là Pangea, Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng và phát triển 32 • Nó bị tách thành nhiều mảng vào khoảng ñầu Mesozoi, chúng dịch chuyển trên bề mặt Trái ðất cho ñến Pleistocen thì ñạt ñến vị trí như hiện nay, • Vỏ ñại dương thụ ñộng, vỏ lục ñịa thì di chuyển chờm lên móng ñại dương, • Cơ chế gây ra sự dịch chuyển là sức hút do hoạt ñộng thủy triều từ Mặt Trời và Mặt Trăng. ðể ñưa ra giả thuyết này, A.Wegener ñã dựa trên các bằng chứng xác thực về sự trùng khít của hình dạng ñường bờ biển cũng như ñường viền thềm lục ñịa khi dịch sát các lục ñịa vào nhau, về cấu trúc ñịa chất, cổ sinh ñịa tầng, cổ khí hậu, v.v... (Hình 3). Tuy nhiên, ñến năm 1925, các tính toán của Harold Jeffreys về ñộ bền của Trái ðất và trị số lực cần có ñể làm chuyển ñộng các lục ñịa ñã cho thấy: lực thủy triều và lực hướng tâm không thể là nguyên nhân gây ra hiện tượng trôi dạt các mảng lục ñịa. Cơ chế gây ra hiện tượng này ñã hoàn toàn bị phản bác bởi các kết quả tính toán của Jeffreys. Thuyết trôi dạt lục ñịa ñược hồi sinh vào những năm 50 của thế kỷ XX nhờ các tiến bộ của khoa học kỹ thuật mà ñặc biệt là trong lĩnh vực ñịa vật lý. Thông qua các phương pháp nghiên cứu ñịa vật lý mà các nhà khoa học có thể tìm hiểu ñược cấu trúc và trạng thái vật chất bên trong lòng Trái ðất, nguồn gốc từ tính của Trái ðất, mối liên quan giữa nhiệt ñộ (nhiệt ñộ Curie) với ñặc ñiểm từ tính của các loại khoáng vật sắt, mối liên quan giữa từ dư trong ñá magma với cường ñộ và hướng của từ trường Trái ðất tại thời ñiểm dung nham kết tinh, hiện tượng ñảo từ. Từ ñó các nhà khoa học ñã ñưa ra những kết quả nghiên cứu về cổ từ của Trái ðất và sử dụng các kết quả này làm cơ sở ñể chứng minh cho sự dịch chuyển ngang của các mảng lục ñịa. Hơn thế nữa, sự phát hiện ra Quyển mềm - một quyển ñịa chất nhớt, thành phần vật chất mềm và dẻo, ñã xóa ñi những nghi ngờ về sự trôi ngang của các mảng vì Quyển mềm ñược ví như là nền ñể các mảng thạch quyển vận ñộng trượt ngang bên trên. Quá trình lập bản ñồ ñáy ñại dương vào thập niên 1960 cũng phát hiện hệ thống sống núi ngầm dài 65000 km (hiện nay có số liệu là hơn 80000 km) giữa Thái Bình Dương và ðại Tây Dương. Dọc theo các sống núi này, tồn tại một máng sâu kéo dài liên tục (ñược gọi là rift) và ñược bao quanh bởi các ñứt gãy căng ñang hoạt ñộng. Ở ñây, hiện tượng phun trào núi lửa theo khe nứt dưới biển thường xuyên xảy ra. Theo mặt cắt ngang, rift lại bị các ñứt gãy chuyển dạng chia cắt thành nhiều ñoạn với chiều dài khác nhau và tốc ñộ tách dãn của từng ñoạn cũng khác nhau. ðứt gãy chuyển dạng là một trong những nguyên nhân gây ra các trận ñộng ñất dưới ñáy Hình 3. Phân bố của một số cấu tạo ñịa chất 2 bên bờ ðại Tây Dương hình thành những khối liên tục (Thomson & Turk, 1997) Nghiên cứu khoa học và ñổi mới nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý 33 biển. Các nhà khoa học cũng phát hiện ra hiện tượng tách dãn móng ñại dương trên một bề rộng từ 1 ñến 2 km dọc theo sống núi giữa ñại dương. Khoảng không gian tách mở này luôn ñược vật liệu magma từ quyển manti trồi lên lấp ñầy liên tục (Tạ Trọng Thắng và nnk, 2005). Nhờ quá trình tách dãn-bồi tụ mà một dải vỏ ñại dương mới ñược thành tạo với tốc ñộ thay ñổi từ 1 ñến 20 cm/năm tùy theo từng khu vực; còn vỏ cổ hơn lại bị ñẩy theo chiều ngang ra xa sống núi giữa ñại dương, cho thấy vỏ ñại dương ñược tái sinh liên tục. Ví dụ như ở Biển ðông, sự tách dãn tạo vỏ ñại dương mới xảy ra trong khoảng từ 32 ñến 15,5 triệu năm trước ñây mà hiện nay chúng ta quan sát ñược. So với vỏ lục ñịa thì vỏ ñại dương khá trẻ, tuổi của vỏ ñại dương cổ nhất khoảng 180 triệu năm, trong khi tuổi của vỏ lục ñịa cổ nhất tới 4,6 tỷ năm. Dọc theo các vết nứt, thạch quyển ñược chia thành 6 mảng lớn và một số mảng phụ. Mỗi mảng có thể chỉ là vỏ ñại dương, nhưng có mảng gồm cả vỏ lục ñịa và vỏ ñại dương. Các mảng lớn là: • Mảng Ấn - Úc (có tài liệu chia ra mảng Ấn ðộ, mảng Châu Úc) • Mảng Á -Âu • Mảng Thái Bình Dương • Mảng Châu Nam Cực • Mảng Châu Mỹ (có tài liệu chia ra mảng Bắc Mỹ, mảng Nam Mỹ) • Mảng Châu Phi Theo Tống Duy Thanh và nnk (2004), trong hoạt ñộng ñịa chất của các mảng thì cơ chế vận ñộng của các ranh giới giữa các mảng có một vai trò hết sức quan trọng. Dọc theo ranh giới, các mảng phát triển, tiêu biến hay trượt ngang từ mảng này qua mảng khác và ở ñây tập trung nhiều hoạt ñộng núi lửa, ñộng ñất. Theo thống kê thì có tới hơn 90% núi lửa ñang hoạt ñộng phân bố dọc theo ranh giới giữa các mảng thạch quyển và các ñới ñịa chấn cũng là ranh giới va chạm, hút chìm, trồi trượt của các mảng. Mặt khác, do nhiều khoáng sản có liên quan chặt chẽ với hoạt ñộng nhiệt dịch và ñá magma nên dọc theo ranh giới giữa các mảng, có sự phân bố của các mỏ khoáng sản quý như ñồng, vàng, chì, bạc, kẽm. Nguyên nhân là do một phần magma nóng chảy ở ñới hút chìm khi trào lên bề mặt Trái ðất thì sẽ nguội lạnh và trong quá trình kết tinh magma nhiều khoáng vật sulfur sẽ lắng ñọng và tích tụ lại thành các mỏ khoáng sản lớn. Có thể phân ra 3 cơ chế hoạt ñộng của ranh giới mảng là: hội tụ, phân kỳ và chuyển dạng. Ranh giới phân kỳ gặp ở những nơi mà các mảng ñang tách dãn ñối với nhau như dọc theo các sống núi giữa ñại dương, hay trên lục ñịa dưới dạng thung lũng rift. Ranh giới hội tụ gặp ở những nơi mà các mảng tiến ngược chiều sát lại gần nhau theo cơ chế nén ép với 3 loại: cơ chế hút chìm, cơ chế chờm trượt và cơ chế xô húc. Còn ranh giới chuyển dạng gặp ở nơi mảng này trượt ngang qua mảng khác theo các ñứt gãy chuyển dạng. Khoa ðịa lý - 50 năm xây dựng và phát triển 34 Ranh giới hội tụ Ranh giới phân kỳ Ranh giới chuyển dạng Học thuyết kiến tạo mảng ñã ñược các nhà ñịa chất Việt Nam áp dụng trong các nghiên cứu của mình bắt ñầu từ những năm 80 của thế kỷ XX và cho ñến nay, ñại bộ phận các hiện tượng ñịa chất xảy ra trên lãnh thổ Việt Nam ñều ñã ñược giải thích dựa trên cơ sở của học thuyết kiến tạo mảng (Nguyễn Xuân Tùng và nnk, 1980). Trên ñây, chúng tôi ñã trình bày những nét sơ lược về giả thuyết, học thuyết trong khoa học Trái ðất và những nét cơ bản của thuyết kiến tạo mảng hay thuyết kiến tạo toàn cầu. Các tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS Trần Văn Trị ñã hiệu ñính bài báo này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Huỳnh Thị Minh Hằng (chủ biên) và nnk dịch. 2002. ðịa chất ñại cương. Thành phố HCM: NXB ðại học Quốc gia, 377 tr. [2]. Kent C Condie. 1989. Plate tectonics & crustal evolution. New Mexico: Pergamon Press, 469 tr. [3]. Tống Duy Thanh (chủ biên) và nnk. 2004. Giáo trình ñịa chất cơ sở. Hà Nội: NXB ðại học Quốc gia Hà Nội, 306 tr. [4]. Tạ Trọng Thắng (chủ biên) và nnk. 2005. ðịa kiến tạo ñại cương. Hà Nội: NXB ðại học Quốc gia Hà Nội, 303 tr. [5]. Thompson G. R., J. Turk. 1997. Introduction to physical geology. California: Thomson Brooks Cole, 432 tr. [6]. Nguyễn Xuân Tùng, Nguyễn Nghiêm Minh, Trần Văn Trị. 1980. Sự tiến hóa ñịa ñộng lực của lãnh thổ Việt Nam. Tuyển tập báo cáo hội nghị KHðC kỷ niệm 25 năm ngành ðịa chất Việt Nam. Hà Nội: Tổng cục ðịa chất, tr. 108-109. TÓM TẮT Sự ra ñời và phát triển học thuyết kiến tạo mảng (plate tectonics) là một trong 10 vấn ñề nổi bật nhất thế kỷ XX, trong ñó có thuyết tương ñối của A. Einstein. Học thuyết kiến tạo mảng (hay kiến tạo toàn cầu mới) ñược các nhà nghiên cứu Trái ðất vận dụng ñể giải thích các hiện tượng ñộng ñất, núi lửa, các quá trình biến dạng, biến chất xảy ra ở trên bề mặt cũng như bên trong lòng Trái ðất; giải thích quy luật hình thành, phân bố và phá hủy các mảng thạch quyển; tìm hiểu quy luật phân bố các khoáng sản phục vụ cho cuộc sống con người; dự báo những diễn biến trong Nghiên cứu khoa học và ñổi mới nội dung, phương pháp giảng dạy ñịa lý 35 tương lai của Trái ðất. Bài báo này trình bày khái lược sự hình thành các giả thuyết, học thuyết của khoa học Trái ðất và ñề cập một số vấn ñề về kiến tạo mảng - là phần rất quan trọng trong các học phần ðịa chất ñại cương và ðịa chất lịch sử trong chương trình ñào tạo của khoa ðịa lý các trường ðại học Sư phạm. SUMMARY APPROACH TO HYPOTHESES, THEORIES OF GEO-SCIENCE AND SEVERAL ISSUSES REGARDING TO THE PLATES TECTONIC LUONG HONG HUOC, DANG VU KHAC Generation and development of plate tectonics theory is one of ten remarkable matters in 20th century. Scientists apply this theory in order to explain the earthquake, volcano, deformation and metamorphism processes which have occurred on the surface, as well as in the earth’s womb. This article present sketchily the generation of hypotheses and theories of Earth’s sciences and mention some issues regarding to the plate tectonics - one important part in physical geology and historical geology disciplines in Geography Department in Universities of Education.