Cách các mẫu từ tính ghi lại sự dịch chuyển của tấm kim loại
Hãy hình dung đáy đại dương như một “kho lưu trữ” khổng lồ bảo tồn dấu vết của thời gian. Không phải dưới dạng văn bản, mà là các mô hình từ tính được khắc sâu trong đá. Những mô hình này—các đường từ tính đối xứng trên đáy biển—đã trở thành một trong những bằng chứng mạnh mẽ nhất cho thấy các mảng kiến tạo thực sự di chuyển. Thông qua các bản ghi từ tính này, các nhà khoa học có thể theo dõi thời điểm hình thành vỏ đại dương, tốc độ giãn nở đáy đại dương diễn ra nhanh như thế nào và các mảng kiến tạo của Trái đất đã dịch chuyển ra sao trong hàng triệu năm.
Từ trường Trái Đất và "la bàn" tự nhiên trong đá
Trái đất có từ trường toàn cầu giống như một nam châm thanh khổng lồ. Các đường sức từ xuất phát từ gần cực nam từ trường và đi vào gần cực bắc từ trường. Từ trường này không cố định: cường độ của nó có thể thay đổi, vị trí của các cực từ có thể dịch chuyển, và quan trọng nhất đối với cuộc thảo luận này — đôi khi nó đảo chiều (sự đảo chiều địa từ). Khi xảy ra sự đảo chiều, hướng của từ trường Trái đất thay đổi 180 độ: la bàn trước đây chỉ "bắc" giờ chỉ "nam" (theo nghĩa từ trường).
Vậy điều này liên quan gì đến đá? Nhiều loại đá, đặc biệt là những loại đá hình thành từ magma, chứa các khoáng chất từ tính như magnetit (Fe₃O₄). Khi magma nguội đi và biến thành đá macma, các khoáng chất từ tính bên trong nó sẽ "khóa" hướng của từ trường Trái Đất khi đông đặc. Quá trình này được gọi là từ hóa dư. Nói cách khác, đá macma hình thành tại một thời điểm cụ thể có thể hoạt động như những thiết bị ghi dữ liệu: lưu trữ hướng của từ trường Trái Đất tại thời điểm chúng được hình thành.
Sống núi giữa đại dương: Một nhà máy sản xuất vỏ trái đất mới
Chìa khóa để ghi lại chuyển động của các mảng kiến tạo bằng từ trường chính là dãy núi ngầm giữa đại dương. Đây là một chuỗi các dãy núi dưới nước hình thành tại ranh giới phân kỳ của các mảng kiến tạo, nơi hai mảng di chuyển ra xa nhau. Khi các mảng di chuyển ra xa nhau, magma từ lớp phủ trồi lên lấp đầy khoảng trống, sau đó đông đặc lại thành lớp vỏ đại dương mới. Quá trình liên tục này được gọi là sự giãn nở đáy biển.
Do lớp vỏ Trái Đất liên tục được hình thành tại các sống núi giữa đại dương, đáy đại dương về cơ bản giống như một băng chuyền: lớp trẻ nhất nằm ngay giữa (tại sống núi), sau đó càng về phía trái và phải thì lớp trẻ hơn. Mỗi "lớp" vỏ Trái Đất được hình thành tại một thời điểm nhất định ghi lại hướng của từ trường Trái Đất tại thời điểm đó. Nếu từ trường bình thường trong giai đoạn đó, đá sẽ bị nhiễm từ theo hướng bình thường; nếu đó là giai đoạn đảo chiều, đá sẽ bị nhiễm từ theo hướng ngược lại.
Các dải từ tính đối xứng: Dấu ấn của sự mở rộng
Khi các nhà khoa học lập bản đồ các dị thường từ trường dưới đáy đại dương bằng cách sử dụng máy đo từ trường kéo theo, họ đã phát hiện ra một mô hình đáng ngạc nhiên: các dải dị thường từ trường chạy song song với các dãy núi ngầm giữa đại dương và được sắp xếp đối xứng ở hai bên. Các dải này xen kẽ giữa hướng "bình thường" và hướng "ngược".
Tại sao lại xuất hiện mô hình vân sọc? Bởi vì lớp vỏ đại dương liên tục được hình thành, trong khi từ trường Trái đất đôi khi thuận chiều, đôi khi lại đảo chiều. Hãy tưởng tượng việc vẽ các vạch trên một băng chuyền: khi sơn đen được quét lên, một vạch sẽ hình thành; khi sơn trắng được quét lên, một vạch khác sẽ hình thành; và cứ thế tiếp tục. Trên đáy đại dương, "lớp sơn" đó chính là cực tính của từ trường. Khi magma đông đặc tại các sống núi giữa đại dương, nó ghi lại cực tính hiện tại, sau đó được mang đi khi các mảng kiến tạo di chuyển. Bởi vì sự giãn nở xảy ra theo cả hai hướng với sự cân bằng tương đối, cùng một mô hình vân sọc xuất hiện ở cả hai phía của sống núi—tạo nên một sự đối xứng rất đặc trưng.
Mô hình đối xứng này là bằng chứng mạnh mẽ cho thấy đáy đại dương đang chuyển động và liên tục được đổi mới. Nó cũng giải đáp câu hỏi muôn thuở: lớp vỏ đại dương cũ đi về đâu? Câu trả lời: cuối cùng nó bị hút chìm xuống dưới các mảng kiến tạo khác tại các vùng hút chìm, được tái chế trở lại vào lớp phủ.
Lịch từ tính: Biến các hình mẫu thành thời gian
Các mô hình từ tính không chỉ cho thấy các mảng kiến tạo đang di chuyển mà còn cho phép xác định niên đại. Các nhà khoa học đã xây dựng một thang thời gian phân cực địa từ dựa trên dữ liệu từ dung nham trên Trái đất có thể được xác định niên đại bằng các phương pháp phóng xạ (ví dụ: kali-argon hoặc argon-argon). Thang thời gian này liệt kê tất cả các giai đoạn phân cực bình thường và đảo ngược trong một triệu năm qua.
Khi so sánh các mẫu dải từ tính trên đáy biển với thang thời gian đảo cực toàn cầu, mỗi dải có thể được "ghép nối" với một khoảng thời gian cụ thể. Điều này giống như việc ghép nối mã vạch: cùng một chuỗi dải biểu thị cùng một chuỗi thời gian. Do đó, các nhà khoa học có thể xác định tuổi của vỏ đại dương tại một vị trí cụ thể chỉ dựa vào mẫu từ tính của nó.
Đo tốc độ dịch chuyển của tấm
Khi đã xác định được tuổi của lớp vỏ Trái Đất, bước tiếp theo là đo tốc độ chuyển động của các mảng kiến tạo. Phương pháp này về cơ bản rất đơn giản:
1. Đo khoảng cách của một cuộn băng từ tính đến trục của sống núi giữa đại dương (nơi vỏ Trái Đất hình thành).
2. Xác định tuổi của băng từ dựa trên thang đo độ đảo chiều từ tính.
3. Tốc độ giãn nở = quãng đường / thời gian.
Ví dụ, nếu một dải kiến tạo hình thành cách đây 5 triệu năm nằm cách sống núi 100 km, thì tốc độ giãn nở ở một phía là 100 km / 5 triệu năm = 20 km/triệu năm, hay 2 cm/năm. Vì sự giãn nở xảy ra ở cả hai phía, tốc độ tách rời tổng cộng giữa hai mảng kiến tạo có thể gấp đôi con số đó (tùy thuộc vào định nghĩa được sử dụng).
Sử dụng phương pháp này, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng tốc độ di chuyển của các mảng kiến tạo rất khác nhau: một số chỉ vài milimét mỗi năm, số khác lại vài centimet mỗi năm—tương đương với tốc độ mọc móng tay của con người.
Tái hiện sự chuyển động của các mảng kiến tạo trong quá khứ
Các mô hình từ tính cũng giúp tái tạo lại lịch sử hình thành đại dương và sự trôi dạt lục địa. Khi Đại Tây Dương bắt đầu hình thành, lớp vỏ đại dương mới được tạo ra tại Sống núi giữa Đại Tây Dương. Các dải từ tính được bảo tồn trên đáy Đại Tây Dương hiện ghi lại quá trình tách rời dần dần của châu Phi và châu Mỹ. Bằng cách đối chiếu tuổi của các dải từ tính, vị trí của sống núi và hình dạng của các mảng kiến tạo, các nhà khoa học có thể tua ngược "bộ phim" kiến tạo: ước tính vị trí của các lục địa hàng triệu năm trước.
Ngoài ra, những thay đổi về hướng sống núi hoặc sự bất thường trong các mô hình dải có thể cung cấp manh mối về những thay đổi trong lực kiến tạo, sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo, hoặc các sự kiện như sự dịch chuyển sống núi. Do đó, dữ liệu từ trường không chỉ nói về tốc độ, mà còn về cách thức động lực của một hệ thống kiến tạo thay đổi theo thời gian.
Tại sao bằng chứng này lại mạnh mẽ đến vậy?
Trước khi phát hiện ra các mô hình từ tính đáy biển, ý tưởng về sự trôi dạt lục địa (do Alfred Wegener đề xuất) đã bị bác bỏ rộng rãi vì không có cơ chế hoặc bằng chứng mạnh mẽ nào để giải thích cách các lục địa có thể di chuyển. Bản đồ dải từ tính đối xứng đã cung cấp bằng chứng định lượng và toàn cầu: cùng một mô hình được tìm thấy ở nhiều đại dương, phù hợp với sự đảo ngược từ trường Trái đất cũng được ghi nhận trong đá trên đất liền, và tương thích với khái niệm về lớp vỏ mới được hình thành ở các sống núi giữa đại dương và bị mất đi ở các vùng hút chìm.
Bằng chứng này cũng có thể đo lường được. Bạn không chỉ "nhìn thấy" rằng một vật thể nào đó khớp với mô hình; bạn có thể tính toán tuổi và tốc độ chuyển động của nó. Chính điều này đã biến phương pháp cổ từ học đáy biển trở thành một cột mốc quan trọng trong sự ra đời của lý thuyết kiến tạo mảng hiện đại vào giữa thế kỷ 20.
Đóng cửa
Các mô hình từ tính trên đáy đại dương là bằng chứng về lịch sử Trái đất được lưu giữ trong đá. Mỗi dải dị thường từ tính ghi lại hướng của trường từ khi vỏ Trái đất hình thành, và vì vỏ đại dương di chuyển ra xa các sống núi giữa đại dương, nên các mô hình này được sắp xếp gọn gàng và đối xứng. Bằng cách đối chiếu chúng với quy mô của sự đảo chiều từ tính, các nhà khoa học có thể xác định tuổi của vỏ Trái đất, tính toán tốc độ giãn nở và tái tạo chuyển động của các mảng kiến tạo trong hàng triệu năm. Từ những "vạch" vô hình này, chúng ta đọc được sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo - bằng chứng cho thấy bề mặt Trái đất là một hệ thống sống động, chuyển động và liên tục thay đổi.
Nếu muốn, tôi có thể thêm hình minh họa về khái niệm băng từ (một sơ đồ đơn giản), hoặc chỉnh sửa bài viết này theo phong cách phổ biến (dễ hiểu) hoặc khoa học (chuyên môn hơn) tùy theo nhu cầu.
