a) chuyển động dao động, b) chuyển động sóng, c) chuyển động khố
1.5.5. Nguồn gốc và lịch sử địa chất Đại dương Thế giớ
Vấn đề nguồn gốc và lịch sử phát triển đại dương mang tính toàn cầu, là vấn đề cực kì phức tạp và nhiều mâu thuẫn, bởi vì một số sự kiện địa chất quen biết có thể được lí giải theo những lập trường đối lập nhau. Tất cả những lí thuyết hiện tồn về nguồn gốc và tiến hóa vỏ trái đất có thể liên kết vào ba nhóm chính: 1) Đáy các đại dương là cái thứ nhất và được tạo thành ở giai đoạn bắt đầu hình thành vỏ trái đất; 2) Đáy các đại dương là cái thứ hai và được tạo thành do kết quả sụp đổ và tái tạo các khu vực vỏ trái đất; 3) Đáy các đại dương được hình thành do kết quả tách dãn các mảng thạch quyển và đang không ngừng đổi mới.
Những thuyết đầu tiên về tính thứ nhất của các đại dương đã được nhà địa chất người Mỹ J. Dana nêu ra năm 1879. Dưới một hình thức rõ rệt nhất, thuyết này được P.N. Kropotkin, Wilson và những người khác trình bày
trong những năm 50 của thế kỉ 20. Theo thuyết này, vỏ đại dương được xem như là tàn dư của lớp vỏ bazan nguyên thủy của Trái Đất, đã hình thành ở giai đoạn phát triển sớm của hành tinh và bao phủ toàn bộ hành tinh. Khi đó chưa hề có các lục địa và đại dương theo cách hiểu hiện nay, còn lớp vỏ bazan, được sinh ra do hoạt động núi lửa và phun trào nham thạch lan tràn khắp nơi từ trong lòng hành tinh trẻ, chắc hẳn chỉ là một lớp mỏng vật chất núi lửa có cấu tạo rỗng xốp do chứa nhiều khí. Sau đó, ở những chỗ thấp nguyên thủy của hành tinh bắt đầu tích tụ những lớp dung nham và đá túp và những trầm tích khác do kết quả phong hóa các đá nguyên thủy. Dưới tác động của áp suất và nhiệt độ cao, những lớp này trong đại Ackhây dần dần tạo thành các nhân của những lục địa tương lai.
Sau đó, sự biến đổi vỏ trái đất đã diễn ra thông qua các quá trình tạo địa máng. Tại những chỗ gấp nếp lõm đã tích tụ những lớp dày đá trầm tích núi lửa, những lớp này do sau đó bị nén, đã tham gia vào quá trình tạo nếp nâng, kèm theo hoạt động núi lửa và các vật chất xâm nhập chui xuyên vào những chỗ đứt gẫy. Về sau nữa đã phát triển các quá trình tái tinh thể hóa, đậm đặc đá và trọng lực.
Đến đầu Paleôzôi đã hình thành một đảo kiên cố các nền cổ, là cơ sở của các lục địa. Vỏ đại dương khi đó chiếm khoảng 85 % bề mặt của Trái Đất, nhưng các đại dương bấy giờ rất nông do độ tương phản địa hình chưa lớn giữa chúng và các lục địa.
Trong thời gian Paleôzôi, Mezôzôi và Kainôzôi đã diễn ra sự tăng trưởng các nền lục địa bằng cách lôi kéo những phần rìa đại dương vào quá trình địa máng. Dần dần những vùng đó đang từ đới chuyển tiếp chuyển thành các đới lục địa, còn diện tích các đại dương không ngừng giảm đi. Ngày nay, các đới chuyển tiếp, gồm cả các biển ven và các cung đảo, được xem như những vùng ở đó đang diễn ra quá trình vỏ đại dương tái thiết thành vỏ lục địa.
Như vậy, theo lí thuyết này, sự phát triển của vỏ trái đất đi từ vỏ đại đương đơn giản tới vỏ lục địa phức tạp hơn thông qua quá trình địa máng và các giai đoạn uốn nếp. Các lục địa liên tục lớn lên về kích thước, còn các đại
dương thì thuyên giảm. Những tương phản địa hình giữa các độ cao lục địa và các độ sâu đại dương có xu thế gia tăng. Từ đây suy ra rằng đáy các đại dương nói chung phải có tuổi cổ hơn. Tuy nhiên, một loạt những nhân tố địa chất cơ bản không phù hợp với những quan niệm này. Thí dụ như ở đáy các đại dương không ở đâu phát hiện được lớp đá cổ hơn kỷ Jura, tức 150 triệu năm trước.
Đáy đại dương hiện đại trẻ hơn nhiều so với các lục địa, ở đây phát hiện thấy những đá có tuổi hàng tỉ năm. Còn một mâu thuẫn nữa với quan điểm này - đó là sự hiện diện trên đáy đại dương các tiểu lục địa, rồi sự tồn tại trong quá khứ địa chất những mảng lục địa lớn mà sau này tan vỡ thành những bộ phận riêng biệt bị các đại dương chia cắt.
Theo một quan điểm khác được V.V. Belousov rất kiên trì theo đuổi, thì các trũng đại dương là những cấu trúc thứ cấp và được tạo thành do sụp đổ những khu vực vỏ lục địa và tái thiết nó thành vỏ đại dương. Người ta cho rằng ở gia đoạn phát triển sớm của Trái Đất, bề mặt nó được phủ bởi vỏ lục địa hình thành từ đại Ackhây. Ở cuối Paleôzôi, dưới tác động của vật chất manti nóng chảy từ các độ sâu của hành tinh dâng lên, một số khu vực của vỏ trái đất do bị nóng chảy theo và do phun trào macma đã bị biến đổi, trở thành các trũng đại dương. Sự hình thành cuối cùng của các trũng đó đã diễn ra vào cuối Mezôzôi, đó là lí do giải thích tuổi tương đối trẻ của đá ở dưới đáy các đại dương. Các dãy núi giữa đại dương được xem như những dạng địa hình tàn dư, chưa kịp chìm xuống tới mức đáy của lòng chảo đại dương. Các tiểu lục địa cũng là những cấu trúc lục địa còn sót thể hiện rất rõ.
Tuy nhiên, như những người phản đối thuyết này đã cho thấy, vỏ lục địa nhẹ hơn không thể chìm vào vật chất đậm đặc hơn của lớp manti thượng.
Ngoài ra, trong quá trình hình thành đại dương, thì lúc đầu bị tái thiết phải là lớp dưới của vỏ lục địa (lớp bazan), chứ không phải lớp trên (lớp granit), mà ở đại dương không có. Cuối cùng, nếu như quá trình đại dương hóa phổ biến rộng rãi, thì trong phạm vi đáy đại dương cần phải tồn tại những tàn tích của vỏ lục địa hoặc tựa lục địa. Trên thực tế, những tàn tích như vậy ở đáy đại dương không hề được tìm thấy, nếu như không kể các tiểu
lục địa và các rìa lục địa. Thực tế tất cả những khối nâng đại dương, bao gồm các dãy núi giữa đại dương đều đặc trưng bởi kiểu cấu tạo vỏ đại dương hay gần với kiểu đại dương, khác xa kiểu lục địa.
Những năm gần đây, giả thuyết hình thành đáy đại dương trong quá trình trôi dạt các mảng thạch quyển, do A. Vegener đề xuất năm 1925, đã trở nên được thừa nhận rộng rãi. Theo ý kiến của ông, tất cả các lục địa hiện đại một thời nào đó đã từng là một siêu lục địa duy nhất được ông gọi là Pangeei. Sự trượt dãn các mảng thủy quyển cấu tạo nên Pangeei đã bắt đầu khoảng 200 triệu năm về trước. Kết quả của quá trình này là hình thành những lục địa mà chúng ta thấy hôm nay và xuất hiện Đại Tây Dương. Điều kích thích để dựng lên giả thuyết này là sự kiện các dáng vẻ của các đường bờ phía tây và phía đông của Đại Tây Dương trùng hợp với nhau, sự giống nhau về cấu tạo địa chất của chúng và tính chung nhất trong sự phát triển của động thực vật trước Mezôzôi ở châu Mỹ và Thế giới cũ.
Ngay từ đầu giả thuyết của Vegener được nhiều nhà nghiên cứu phấn khởi chào đón, nhưng sau đó đã mất dần những người đồng minh của mình, vì người ta nhận ra rằng các lực quay của Trái Đất và lực thủy triều được Vegener xem như những động lực của các mảng thạch quyển là quá yếu đối với thứ chuyển động tương tự. Và chỉ 40 năm sau giả thuyết trôi lục địa mới nhận được sự thừa nhận cuối cùng, bởi lẽ đến lúc đó đã phát hiện ra nguồn năng lượng bên trong Trái Đất liên quan tới sự phân rã phóng xạ các nguyên tố hóa học. Nhiệt lượng được giải phóng trong manti của Trái Đất có thể làm hình thành những dòng từ trường và chính từ đó hình thành lớp vỏ mới ở các đới rạn núi giữa đại dương.
Kết quả của cuộc bùng nổ khoa học bao trùm lên các nhà nghiên cứu của nhiều nước trên thế giới này là ngay sau hai thập niên đã hình thành một lí thuyết giải thích những quy luật cơ bản phát triển Trái Đất nói chung từ những lập trường khoa học thống nhất và nhận tên là thuyết “tân kiến tạo toàn cầu” hay “kiến tạocác mảng thạch quyển”.
manti, phân chia ra thành nhiều mảng tương đối cứng kích thước từ vài trăm đến vài nghìn kilômét. Chân đế của các mảng là các lục địa hay những bộ phận của lục địa mà những vùng lân cận của đáy đại dương kiểu như gắn dính vào đó. Ranh giới các mảng là những rạn núi của các dãy núi giữa đại dương, các đới lún và các rãnh sâu đại dương. Những đới kiến tạo động, tức các đai chấn tâm động đất, cũng tập trung về các ranh giới của các mảng.
Các ranh giới mảng được chia làm ba kiểu: kiểu phân kì, kiểu hội tụ và kiểu trung hòa (các ranh giới trượt). Thí dụ về kiểu cácranh giới phân kỳ là những dãy núi giữa đại dương: vật liệu vỏ đại dương mới hình thành bị phân kỳ từ đới trục của dãy núi về các hướng đối ngược. Các ranh giới được gọi là
hội tụ nếu diễn ra sự đụng độ (sự khấu trừ - subduction) của hai mảng. Trong đó có thể có hai phương án: vỏ đại dương chuyển động luồn xuống phía dưới vỏ lục địa và ngược lại, vỏ lục địa chuyển động trườn lên trên vỏ đại dương. Nếu hai mảng chuyển động dọc theo ranh giới chung, không hội tụ và không giãn ra, thì ranh giới đó gọi là ranh giới trung hòa.
Khi đạt tới chân đế của thạch quyển, các dòng thẳng đứng tách giãn ra và sau đó chìm xuống dưới, tạo ra các nhân đối lưu với kích thước vài nghìn kilômét. Những dòng chảy này lôi kéo theo mình các mảng thạch quyển, làm chúng di chuyển với tốc độ một vài cm/năm, trong một số trường hợp thậm chí hơn 10 cm/năm. Đó là nguyên nhân làm cho các lục địa trôi.
Tại những chỗ tách giãn của các mảng thạch quyển xuất hiện những đới rạn núi: rạn núi lục địa hay rạn núi đại dương. Dưới đó trong manti diễn ra những dòng vật chất sâu đi lên, vật chất bị phân hóa, nguội lạnh và tinh thể hóa. Nhờ đó hình thành vỏ đại dương mới, làm lớn dần các mảng đang tách giãn. Khi di chuyển xa dần khỏi đới rạn núi, các mảng càng bị nguội lạnh, đậm đặc hơn và chìm xuống theo điều kiện cân bằng, phía trên bị lớp vỏ trầm tích bao phủ. Toàn bộ quá trình này dẫn đến mở rộng đáy đại dương và được gọi là sự lan tỏa (spreading).
Tại những chỗ hội tụ các mảng thạch quyển, xuất hiện các rãnh sâu,
những cung đảo và các đai uốn nếp. Các dòng manti ở đây hướng xuống phía dưới. Khi các mảng đại dương và lục địa đụng độ nhau, thì mảng đại dương đậm đặc hơn sẽ chuyển động luồn xuống dưới mảng lục địa và bị hấp thụ, bị tái chế bởi những quá trình lý - hóa khác nhau. Kết quả là một vỏ lục địa mới được hình thành, nó mở rộng rìa của mảng lục địa, còn tại các đới khấu trừ hình thành các rãnh sâu như những đường khâu cấu trúc.
Nếu vỏ đại dương đụng độ trực tiếp với vỏ lục địa, thì rãnh sâu phân bố dọc theo sườn lục địa. Còn nếu sự khấu trừ diễn ra ở xa rìa lục địa, thì dọc theo rãnh sâu tạo thành một cung đảo, phía sau nó hình thành lòng chảo biển ven. Khi đụng độ hai mảng lục địa thì rìa của chúng bị nén, một phần vỏ khi đó bị đẩy lên trên và hình thành các hệ thống núi nếp uốn trượt lên kiểu Hymalaya và Alpơ.
Mặc dù quan điểm này giải thích được nhiều sự kiện quen thuộc về cấu tạo đáy đại dương, song nó còn một loạt luận điểm bị phê phán mạnh mẽ. Trước hết, người ta chú ý tới một điều là: theo lí thuyết thì đặc điểm phân khoang tuyến tính của các dị thường từ ở hai phía của các dãy núi giữa đại dương và sự tăng có qui luật của tuổi đá đáy đại dương từ trục dãy núi ra phía rìa tự nó được giải thích như những hiện tượng cơ hữu của nền đáy đại dương.
Tuy nhiên, khi khoan đáy đại dương các mũi khoan không phải khi nào cũng đạt tới lớp bazan. Ngoài ra, người ta cũng nhận thấy rằng sự tồn tại của các dòng đối lưu trong manti - là động lực của tất cả các quá trình, cũng chỉ mang tính chất giả thiết. Và còn nhiều thắc mắc nữa. Mặc dù vậy, quan niệm kiến tạo các mảng thạch quyển là một quan niệm vạn năng và có căn cứ nhất so với các giả thuyết khác. Những trở ngại và những vấn đề chưa được giải quyết chứng tỏ trước hết về sự phức tạp của vấn đề nguồn gốc và sự phát triển đáy đại dương. Không loại trừ rằng trong tương lai sẽ có những lí thuyết mới được đề xuất, kết hợp được những điểm hợp lí nhất của những giả thuyết trước đó.
Chương 2
Thành phần, các tính chất vật lý và hóa học của
nước biển
Năm 1780 Kavedish và Lavoize đã xác lập được rằng chất mà chúng ta gọi là nước, là một hợp chất hóa học đơn giản nhất và ổn định trong các điều kiện bình thường của hyđrô H và ôxy O, cấu tạo từ hai nguyên tử H và một nguyên tử O, hay về tỉ lệ trọng lượng - từ 11,19 % hyđrô và 88,81 % ôxy. Ở dạng tinh khiết, nước là chất lỏng không màu, không có mùi và vị. Trong tự nhiên, thực tế không gặp nước “tinh khiết”, vì do những đặc thù cấu tạo phân tử của mình, nước có tính chất hòa tan rất tốt các hợp chất hóa học và các chất khí. Vì vậy nước tự nhiên luôn là một dung dịch yếu.
Hàm lượng các chất hòa tan trong nước được gọi là độ muối của nước và được biểu thị bằng g/kg hay phần nghìn (%o). Theo hàm lượng các muối, người ta phân chia nước tự nhiên thành bốn nhóm: nước ngọt (độ muối nhỏ hơn 1 %o), nước lợ (1-25 %o), nước mặn (25-50 %o) và nước rất mặn (nước muối) (hơn 50 %o). Theo hệ thống phân loại này nước biển thuộc loại nước mặn và chỉ có nước biển ở ven bờ gần các cửa sông lớn mới là nước lợ.
Sự hiện diện của muối trong nước biển tạo nên mối liên hệ lẫn nhau giữa các tính chất vật lý và hóa học của nó. Nếu như các tính chất vật lý của nước cất (nước tinh khiết) chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất, thì các tính chất vật lý của nước biển còn chịu ảnh hưởng mạnh của độ muối. Thí dụ, độ muối tăng kéo theo sự tăng của mật độ, độ nhớt phân tử, hệ số dãn nở nhiệt, tốc độ âm, áp suất thẩm thấu, chỉ số khúc xạ và ngược lại, làm giảm nhiệt dung riêng, nhiệt độ đóng băng, nhiệt độ mật độ cực đại, áp suất hơi nước bên trên mặt biển. Độ muối làm cho nước biển có một số tính chất mà nước cất không có, như độ dẫn điện, áp suất thẩm thấu. Vì vậy, độ muối có thể
đồng thời được xem như một tham số hóa học và tham số vật lý.
Trong chương này chỉ xét những tính chất vật lý cơ bản của nước biển. Một số tính chất trong đó, cụ thể là các tính chất âm học và quang học, có giá trị khoa học và thực tiễn rất quan trọng, sẽ được xét ở các chương riêng.