Lớp phủ của Trái Đất

Giống như mọi hành tinh đất đá khác (Thủy tinh, Kim tinh, và Hỏa tinh), Trái đất được cấu tạo bởi nhiều lớp. Đây là vì nó trải qua sự phân lớp hành tinh, trong đó vật chất đặc hơn chìm xuống tâm tạo thành nhân, còn vật chất nhẹ hơn tạo thành lớp phủ bên ngoài. Trong khi nhân chủ yếu gồm sắt và nickel, thì lớp trên của Trái đất được cấu tạo bởi đá silicate và các khoáng chất.

Vùng này được gọi là lớp phủ (lớp manti), và chiếm phần lớn thể tích của Trái đất. Chuyển động, hay đối lưu, trong lớp này còn gây ra mọi hoạt động núi lửa và địa chấn của Trái đất. Thông tin về cấu trúc và thành phần của lớp phủ hoặc là kết quả của nghiên cứu địa vật lí hoặc được thu từ phân tích trực tiếp đất đá lấy từ lớp phủ, hoặc lớp phủ phơi ra trên thềm đại dương.

Các lớp của Trái đất: nhân trong, nhân ngoài, lớp phủ, và lớp vỏ. Ảnh: discovermagazine.com

Định nghĩa

Gồm vật liệu đá silicate với bề dày trung bình 2886 km (1793 dặm), lớp phủ nằm giữa lớp vỏ của Trái đất và nhân ngoài của nó. Lớp phủ chiếm 84% thể tích Trái đất, so với 15% của lớp nhân và phần còn lại của lớp vỏ. Trong khi phần lớn là chất rắn, lớp phủ hành xử giống như một chất lỏng nhớt do thực tế nhiệt độ ở lớp này gần với điểm nóng chảy.

Hiểu biết của chúng ta về lớp phủ ngoài, bao gồm cả các mảng kiến tạo, được thu từ các phân tích của sóng động đất; các nghiên cứu dòng nhiệt, từ trường, và lực hấp dẫn; và các thí nghiệm trong phòng lab về đá và các khoáng chất. Nằm sâu từ 100 đến 200 km bên dưới mặt đất, nhiệt độ của đá gần với điểm nóng chảy; đá nóng chảy phun trào bởi một số núi lửa có nguồn gốc trong vùng này của lớp phủ.

Các lớp của Trái đất. Ảnh: Wikipedia Commons

Cấu trúc và thành phần

Lớp phủ được chia thành nhiều phân lớp dựa trên kết quả nghiên cứu địa chấn. Những phân lớp này là lớp bao ngoài, bắt đầu từ khoảng 7 đến 35 km (4,3 đến 21,7 dặm) dưới mặt đất cho tới độ sâu 410 km (250 dặm); vùng chuyển tiếp, từ 410 đến 660 km (250 đến 410 dặm); lớp phủ trong, từ 660 km đến độ sâu 2891 km (410 đến 1796 dặm); và ranh giới nhân-lớp phủ có bề dày biến thiên (trung bình khoảng 200 km).

Trong lớp phủ ngoài, có hai vùng chính phân biệt rạch ròi. Vùng phía dưới là quyển suy trong, gồm đá chảy bề dày trung bình khoảng 200 km (120 dặm). Vùng phía trên là phần dưới của thạch quyển, gồm đá rắn và dày khoảng 50 đến 120 km (31 đến 75 dặm).

Phần trên của thạch quyển là lớp vỏ Trái đất, một lớp mỏng khoảng 5 đến 75 km (3,1 đến 46,6 dặm), ngăn cách với lớp phủ bởi đường gián đoạn Mohorovicic (hay “Moho”, được định nghĩa bởi sự tăng đột biến về phía dưới của tốc độ truyền sóng động đất).

Ở một số nơi dưới đại dương, lớp phủ thường bị lộ ra. Cũng có một vài nơi trên đất liền tại đó đá trong lớp phủ bị ép lên mặt đất bởi hoạt động kiến tạo mảng, đáng chú ý nhất là vùng Tablelands thuộc Công viên quốc gia Gros Morne ở Newfoundland và Labrador, Canada, Đảo St. John, Ai Cập, hay đảo Zabargad ở Biển Đỏ.

Về thành phần cấu tạo, lớp phủ gồm 44,8% oxygen; 21,5% silicon; và 22,8% magnesium. Ngoài ra, còn có sắt, nhôm, calcium, sodium, và potassium. Các nguyên tố này đều liên kết với nhau ở dạng đá silicate, toàn bộ đều ở dạng oxide. Phổ biến nhất là silicon dioxide (SiO₂) chiếm 48%, kế tiếp là magnesium oxide (MgO) chiếm 37,8%. Các mẩu đá mà bạn có thể tìm thấy bên trong lớp phủ bao gồm: olivine, pyroxenes, spinel, và garnet.

Hoạt động đối lưu

Do sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt Trái đất và lớp nhân ngoài, có một chu trình vật liệu đối lưu trong lớp phủ. Chu trình này bao gồm sự chuyển động chậm, từ từ của lớp phủ silicate của Trái đất trên bề mặt, mang nhiệt từ nhân Trái đất lên bề mặt. Trong khi vật liệu nóng dâng lên bề mặt, thì vật liệu nặng hơn, nguội hơn chìm xuống phía dưới.

Thạch quyển chia thành một số mảng liên tục được sinh tạo và phá hủy tại ranh giới với các mảng lân cận. Chuyển động chìm xuống của vật liệu xảy ra tại các vùng suy yếu, các vị trí tại các ranh giới mảng gặp nhau tại đó một lớp phủ chuyển động xuống dưới lớp kia. Sự bồi tụ xảy ra khi vật liệu được thêm vào rìa đang lớn lên của một mảng, cùng với sự lan rộng thềm đại dương.

Quá trình hỗn độn này được tin là một bộ phận không thể thiếu của chuyển động mảng, nguyên nhân gây ra sự trôi giạt lục địa. Lớp vỏ đại dương suy yếu cũng là cái gây ra hoạt động núi lửa, như trường hợp Vành đai Lửa Thái Bình Dương.

Vành đai Lửa Thái Bình Dương

Thám hiểm

Các nghiên cứu khoa học và thám hiểm lớp phủ thường được tiến hành trên thềm đại dương do bề dày tương đối mỏng của lớp vỏ đại dương và so với lớp vỏ trên lục địa. Nỗ lực đầu tiên nhằm thám hiểm lớp phủ (gọi là Dự án Mohole) đạt tới độ sâu xâm nhập xấp xỉ 180 m (590 feet). Dự án bị bỏ dỡ vào năm 1966 sau nhiều thất bại liên tiếp và chi phí leo thang.

Năm 2005, tàu khoan thăm dò đại dương JOIDES Resolution thu được một lỗ khoan sâu 1416 mét (4646 ft) dưới thềm đại dương. Năm 2007, một đội khoa học trên tàu nghiên cứu RRS James Cook  của Anh đã tiến hành một nghiên cứu trên vùng lộ ra của lớp phủ nằm giữa mũi đất Verdr Islands và Biển Caribbean.

Tàu khoan thăm dò khoa học JOIDES Resolution, ảnh chụp năm 2009. Ảnh: William Crawford/IODP/TAMU

Trong những năm gần đây, một phương pháp thám hiểm các lớp của Trái đất được đề xuất, sử dụng một dụng cụ thăm dò nhỏ, đặc, sinh nhiệt. Dụng cụ này sẽ làm tan đường đi của nó qua lớp vỏ và lớp phủ và giữ liên lạc qua các tín hiệu sóng âm sinh ra khi nó xâm nhập vào các lớp đá. Dụng cụ bao gồm một lớp ngoài làm bằng tungsten cùng với lõi làm bằng cobalt-60 đóng vai trò nguồn nhiệt phóng xạ.

Theo tính toán, một dụng cụ thăm dò như vậy sẽ đi tới Moho đại dương trong thời gian dưới 6 tháng và đạt tới độ sâu tối thiểu trên 100 km (62 dặm) trong vài thập niên bên dưới thạch quyển đại dương lẫn dưới thạch quyển lục địa. Vào năm 2009, một ứng dụng trên siêu máy tính đã tạo ra một mô phỏng mang lại những cái nhìn mới vào sự phân bố của các lớp trầm tích khoáng kể từ khi lớp phủ phát triển hồi 4,5 tỉ năm trước.

Trong khi lớp phủ của Trái đất chưa từng được thám hiểm ở bất kì độ sâu đáng kể nào, phần nhiều kiến thức người ta biết là từ các nghiên cứu gián tiếp trong vào thế kỉ trở lại đây. Khi loài người tiếp tục thám hiểm Hệ mặt trời, chúng ta chắc chắn sẽ hiểu rõ hơn về các hành tinh đá, hành trạng địa chất của chúng, và sự hình thành của chúng.

Nguồn: Universe Today