1 Modul 3: Tuổi địa chất, địa tầng và lịch sử vỏ Trái Đất 2. Tuổi địa chất và phương pháp xác định Muốn biết được lịch sử hình thành vỏ Trái Đất, trước hết cần phải tìm được cách xác định tuổi của đá trên Trái Đất, cũng tức là xác định tuổi của các sự kiện địa chất, những biến cố đã xẩy ra trên Trái Đất. Trong những thế kỷ trước nhiều người đã đề ra những phương pháp khác nhau để định tuổi địa chất, song chưa có phương pháp nào có cơ sở chắc chắn. Có thể kể đến cách xác định tuổi mà trong những thế kỷ trước đã được nhiều người lưu ý là dưạ trên giả định rằng xưa kia nước biển và đại dương cũng chỉ là nước nhạt (hay nước ngọt như ta thường gọi), giống như nước sông suối hiện nay. Nước biển mặn như ngày nay chính là do nước hoà tan các muối từ trong lục địa và đưa ra biển, qua nhiều triệu năm tích luỹ nước biển mới trở nên mặn. Từ nhận định trên, nếu đo tính được tổng lượng muối mà hiện nay các hệ thống sông hàng năm đưa ra biển, đo tính được thể tích nước biển và tổng lượng muối chứa trong các đại dương, ta có thể tính được thời gian mà sông suối đã làm cho biển trở thành mặn như ngày nay. Bằng cách này người ta đã tính ra thời gian đó vào khoảng vài trăm triệu năm. Cách tính tuổi địa chất như vậy không có đủ sức thuyết phục, trước hết là lập luận ban đầu đã không có cơ sở. Ai có thể khẳng định nước biển xưa kia là nước nhạt; thêm nữa ai biết được là xưa kia lục địa có rộng như ngày nay không và lượng mưa trên đó ra sao để có được lượng nước của các hệ thống sông mang theo lượng muối hoà tan ra biển hàng năm như ngày nay. Nửa đầu thế kỷ 19 các nhà nghiên cứu tìm được cách xác định tuổi tương đối của các tầng đá một cách chắc chắn, bằng phương pháp cổ sinh đã xác định được mối quan hệ già hơn hay trẻ hơn giữa các đá cấu tạo nên vỏ Trái Đất. Đến thế kỷ 20, nhờ phát hiện ra đặc tính của các nguyên tố phóng xạ và các chu kỳ bán huỷ của chúng mà người ta đã tìm ra cách xác định tuổi tuyệt đối của các đá, tức là tính tuổi của chúng bằng đơn vị thời gian, hàng nghìn và hàng triệu năm. 2.1. Phương pháp xác định tuổi tuyệt đối - Cơ sở khoa học. Việc tính tuổi tuyệt đối của đá đã được thực hiện có cơ sở khoa học nhờ phát minh của A. Becquerel, của Pierre và Marie Curie về hiện tượng phóng xạ. Trong tự nhiên các nguyên tố hoá học thường có những đồng vị khác biệt nhau ở trọng lượng nguyên tử, có những đồng vị bền vững bên cạnh những đồng vị không bền vững. Những đồng vị không bền vững do hiện tượng phân huỷ phóng xạ sẽ bị phân rã và bị biến đổi để trở thành những đồng vị bền vững của nguyên tố khác. Thí dụ các đồng vị của chì Pb 206 và Pb 207 là sản phẩm cuối cùng và bền vững của quá trình phân rã phóng 2 xạ của các đồng vị urani U 238 và U 23 Mỗi một nguyên tố phóng xạ có một tốc độ phân rã phóng xạ không thay đổi, tốc độ đó không chịu ảnh hưởng của bất kỳ tác nhân ngoại sinh nào, có lẽ chỉ trừ trường hợp nhiệt độ cực cao ở các ngôi sao trong vũ trụ mới có thể làm thay đổi tốc độ này. Bằng thực nghiệm có thể xác định được chu kỳ bán huỷ của mỗi nguyên tố phóng xạ. Từ những điều vừa trình bày trên đây, ta xác định được tuổi của đá chứa các đồng vị phóng xạ. Biết được chu kỳ bán huỷ của đồng vị phóng xạ và khối lượng của đồng vị bền vững do quá trình phóng xạ phân rã tạo nên trong đá, ta sẽ tính được tuổi của đá chứa chúng. Quy luật của quá trình phân rã phóng xạ là cứ qua một thời gian nhất định có tính chu kỳ thì số của nguyên tử mất đi một nửa do phân rã phóng xạ; chu kỳ đó gọi là chu kỳ bán huỷ. Như vậy sau một chu kỳ bán huỷ sẽ mất đi 50% số nguyên thuỷ của nguyên tử để cho ra đồng vị con; sau hai chu kỳ 75% bị phân rã, sau ba chu kỳ – 88% và tiếp tục như vậy cho đến khi số của nguyên tử mẹ trở thành cực nhỏ. Chính dựa trên cơ sở đó mà người ta đã xác định tuổi của đá chứa các đồng vị phóng xạ. Biết được chu kỳ bán huỷ của chất phóng xạ và khối lượng của đồng vị bền vững do quá trình phóng xạ phá huỷ tạo nên trong đá, ta sẽ tính được tuổi của đá. Để tính tuổi của đá cổ, người ta dựa vào các nguyên tố có chu kỳ bán huỷ lâu dài như Urani 235 có chu kỳ bán huỷ 710 triệu năm, còn để định tuổi các đá trẻ người ta dựa vào nguyên tố có chu kỳ bán huỷ ngắn như carbon phóng xạ (C 14 ) có chu kỳ phân huỷ chỉ 5,5 - 6 nghìn năm. Chính nhờ phương pháp phóng xạ mà ngày nay người ta đã có thể xác định được tuổi của tất cả các thể địa chất. Đá có tuổi già nhất trên Trái Đất là một loại đá biến chất được tìm thấy ở Canada và được xác định tuổi là 3,96 tỷ năm. Việc xác định tuổi của di tích khảo cổ thuộc các nền văn hoá vài nghìn năm được xác định nhờ carbon phóng xạ C 14 . Vậy là con người đã tìm ra cách thức tin cậy để xác định tuổi của các sự kiện lịch sử của hành tinh mà mình cư trú. Phải có đá gốc để hình thành đá biến chất có tuổi 3,96 tỷ năm vừa nói trên, như vậy tuổi của Trái Đất phải cổ hơn nhiều so với tuổi của đá biến chất đó. Nếu vũ trụ được thành tạo sau vụ nổ Big Bang, cách đây khoảng 20 tỷ năm thì Trái Đất phải được hình thành sau Big Bang, từ những vật chất khí bị bắn ra và nguội đi kết nhau lại. Từ đó, nếu đá cổ nhất có tuổi 3,96 tỷ năm thì người ta đoán định rằng Trái Đất phải được hình thành trước đó, từ cách đây khoảng 4,6 tỷ năm. Ngày nay nhiều phương pháp xác định tuổi tuyệt đối đã được sử dụng trong các phòng thí nghiệm địa niên đại, trong đó các phương pháp quan trọng nhất là phương pháp Rubidi- Stronti, phương pháp Kali - Argon, phương pháp Urani - Thori - Chì, phương pháp Samari - Neodymi, phương pháp Carbon - 14 . 3 Phương pháp Rubidi - Stronti là một trong những phương pháp định tuổi được áp dụng rộng rãi trong địa chất. Phương pháp này cho phép xác định tuổi khoáng vật và đá có chứa rubidi như mica, sét, felspat, granit. Phương pháp Kali - Argon cũng là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong địa chất, điều hạn chế là khí argon dễ bị bay mất sau khi được hình thành. Do đó thường xẩy ra trường hợp tuổi của đá được xác định sẽ trẻ hơn tuổi thực, mặc dầu cũng có những loại khoáng vật giữ được argon khá tốt. Phương pháp Kali - Argon cũng sử dụng những khoáng vật giống như phương pháp Rubidi - Stronti. Ngày nay phương pháp Kali - Argon được sử dụng rộng rãi đối với đá phun trào trẻ và xác định thời gian của sự nâng trồi các lục địa. Phương pháp Argon-40/Argon-39 cũng là một loại của phương pháp Kali - Argon được sử dụng định tuổi cho hiện tượng nung nóng của vỏ Trái Đất, định tuổi tro núi lửa và sự từ hoá cổ trong đá. Phương pháp Urani- Thor - Chì. Hai đồng vị của urani và thori trải qua sự phân rã alpha và beta sẽ cho đồng vị chì bền vững. Điều này cho nhiều khả năng định tuổi vì các đồng vị trung gian lại cũng phóng xạ. Zircon là khoáng vật thường có trong nhiều loại đá và đặc biệt thích hợp cho phương pháp Urani - Chì. Phương pháp Urani - Chì - Zircon là một trong những phương pháp chính xác nhất để định tuổi đá granit rất cổ với khả năng đạt độ chính xác 5 triệu năm với đá có tuổi 3 tỷ năm. Phương pháp Samari - Neodymi. Samari - 147 phân rã thành neodymi - 143 có chu kỳ bán huỷ rất dài, khoảng 106 tỷ năm. Cả hai đồng vị mẹ và con đều là nguyên tố đất hiếm và có hành vi địa hoá tương tự nhau. Các quá trình địa chất hậu sinh như phong hoá, biến chất không thể tách hai đồng này giống như chúng đã tách cặp đồng vị mẹ-con trong các phương pháp định tuổi khác. Vì vậy phương pháp Samari - Neodymi có khả năng "nhìn thấu" các sự kiện địa chất hậu sinh và ghi được thời gian đầu tiên khi đá tách từ bên trong Trái Đất để trở thành thành phần của vỏ. Vì vậy tuổi theo phương pháp Samari - Neodymi thường được coi là tuổi thành tạo vỏ Trái Đất. Phương pháp Carbon - 14. Carbon-14 có vai trò quan trọng trong định tuổi địa chất trẻ; nó sinh ra do một neutron đụng độ với nguyên tử nitơ (nitrogen) trong khí quyển và phát ra một proton. Sau đó carbon phóng xạ kết hợp với oxy và tạo thành dioxit carbon (carbonic – CO 2 ). Dioxit carbon phóng xạ này được cây cối hấp thụ trong quá trình quang hợp đồng thời cũng được phân tán trong nước biển và nước ngọt. Cuối cùng, động vật lại đồng hoá carbon-14 vào cơ thể của chúng do tiêu thụ nước và thức ăn thực vật. Khi động vật và cây cối chết, carbon không còn tăng thêm trong mô của chúng được nữa và carbon- 14 bắt đầu bị phân rã theo chu kỳ bán huỷ 5730 năm. 2.2. Phương pháp xác định tuổi tương đối 4 Tuy phương pháp xác định tuổi tuyệt đối ngày nay được hoàn thiện nhiều so với trước đây, song việc xác định tuổi luôn luôn phải gắn liền với các thiết bị phân tích hiện đại và đắt tiền; thêm vào đó, sai số có thể đạt tới 5%. Nếu vậy khi xác định đá có tuổi 100 triệu năm thì sai số là 5 triệu năm. Sai số này là quá lớn nếu ta nhớ rằng loài người với đại biểu nguyên thuỷ là các dạng người khỉ chỉ mới xuất hiện trên Trái Đất khoảng dưới 1 triệu năm, còn ngày nay tuổi thọ 100 năm của con người cũng rất hiếm. Một phương pháp khác xác định tuổi địa chất đơn giản hơn tuy không tính được năm tháng song lại xác định được chắc chắn mối tương quan già trẻ của các đá và nhiều khi còn có tác dụng hiệu chỉnh cả sai lầm của máy móc khi phân tích tuổi tuyệt đối, đó là phương pháp xác định tuổi tương đối. Cơ sở khoa học của phương pháp này là so sánh mối tương quan giữa các đá để tìm ra mối quan hệ già trẻ của chúng. Có nhiều cách để xác định tuổi, so sánh tuổi tương đối của các đá và các tầng đá khác nhau như dựa vào trật tự sắp xếp của các tầng đá – đá già hơn nằm ở dưới còn đá trẻ hơn nằm ở trên theo thứ tự thời gian thành tạo chúng. Người ta cũng xác định đá già hơn hay trẻ hơn dựa vào mức độ biến chất của đá. Các đá già hơn do trải qua nhiều biến động của các vận động địa chất nên có mức độ biến chất cao hơn còn các đá trẻ hơn thì ngược lại, có mức độ biến chất thấp hơn. Càng ngày người ta càng tìm ra những cách thức khác nhau để xác định tuổi tương đối của đá như dựa vào cổ từ, độ dẫn điện của các đá v.v . Cách thức xác định tuổi tương đối của đá một cách khoa học nhất và hiện nay được áp dụng rộng rãi nhất là phương pháp cổ sinh vật dựa trên di tích của sinh giới được lưu giữ trong đá gọi là hoá thạch. Đó là di tích của của sinh vật hoặc di tích hoạt động của chúng được giữ lại trong các tầng đá được thành tạo đồng thời với sinh vật. Trải qua các biến đổi địa chất, di tích sinh vật cũng hoá thành đá và được gọi là hoá thạch. Đặc tính quan trọng của sinh vật là biến đổi, tiến hoá không ngừng để thích nghi với sự thay đổi của điều kiện môi trường. Sự tiến hoá của sinh vật trong lịch sử địa chất là không lặp lại trạng thái mà tổ tiên chúng đã có. Do đó, kể từ khi xuất hiện sinh giới, mỗi một giai đoạn phát triển của lịch sử Trái Đất, hình thái riêng của sinh vật không giống với hình thái của chúng trong thời gian lịch sử trước và sau đó. Trên cơ sở này, khi nghiên cứu xác định các hoá thạch ta biết được đá chứa chúng đã được thành tạo vào thời gian nào và trong điều kiện môi trường nào trong lịch sử vỏ Trái Đất. Thành tựu nghiên cứu của các nhà địa chất, các nhà cổ sinh vật học từ vài thế kỷ qua cho đến ngày nay đã cho phép xác định được các dạng sinh vật cổ xưa đặc trưng cho mỗi giai đoạn của lịch sử Trái Đất. Tất nhiên, sinh giới không phải đã xuất hiện 5 đồng thời với sự xuất hiện của Trái Đất mà chỉ xuất hiện vào giai đoạn vài tỷ năm gần đây. Thêm vào đó, di tích sinh vật trong các đá có tuổi hàng tỷ năm đã bị phá huỷ do biết bao biến cố khổng lồ của lịch sử Trái Đất. Vì thế, việc xác định tuổi tương đối của đá bằng phương pháp cổ sinh vật chỉ có thể thực hiện được đối với các đá được hình thành vào khoảng 1 tỷ năm trở lại đây. Trong thực tế thì lịch sử Trái Đất chỉ được biết tường tận nhờ vào những di tích sinh vật được lưu lại nhiều trong các tầng đá thành tạo cách đây 600 - 700 triệu năm trở lại đây, nhất là trong các đá được thành tạo bắt đầu từ kỷ Cambri (cách đây 540 -500 triệu năm). . 1 Modul 3: Tuổi địa chất, địa tầng và lịch sử vỏ Trái Đất 2. Tuổi địa chất và phương pháp xác định Muốn biết được lịch sử hình thành vỏ Trái Đất, trước hết cần phải tìm được cách xác định tuổi của. thể xác định được tuổi của tất cả các thể địa chất. Đá có tuổi già nhất trên Trái Đất là một loại đá biến chất được tìm thấy ở Canada và được xác định tuổi là 3,96 tỷ năm. Việc xác định tuổi. trong địa chất. Phương pháp này cho phép xác định tuổi khoáng vật và đá có chứa rubidi như mica, sét, felspat, granit. Phương pháp Kali - Argon cũng là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong địa