Khoa học địa chất

Khoa học địa chất là lĩnh vực nghiên cứu các thành phần rắn và lỏng tạo nên cấu trúc của Trái Đất, bao gồm cả lớp vỏ và phần cứng của lớp phủ. Địa chất học tập trung vào việc khám phá cấu trúc, đặc điểm vật lý, động lực học và lịch sử của các vật liệu trên Trái Đất, cũng như các quá trình hình thành, vận chuyển và biến đổi của chúng. Nó giải quyết các vấn đề liên quan đến nhiều chuyên ngành khác nhau và đóng vai trò quan trọng trong khai thác khoáng sản và dầu khí. Ngoài ra, nó cũng nghiên cứu việc giảm thiểu các thảm họa tự nhiên và các vấn đề khí hậu cổ đại cùng với các lĩnh vực kỹ thuật khác.

Ngành lịch sử và từ nguyên học

Từ nguyên học

Thuật ngữ 'khoa học địa chất' được Jean-André Deluc đưa vào sử dụng lần đầu tiên vào năm 1778 và được Horace-Bénédict de Saussure chính thức hóa từ năm 1779. Mặc dù không xuất hiện trong Encyclopædia Britannica lần thứ 3 năm 1797, thuật ngữ này đã được công nhận trong tái bản thứ 4 năm 1809. Trước đó, Richard de Bury đã sử dụng một cách khác để phân biệt giữa thuyết thần học và thuyết về Trái Đất.

Lịch sử

Tác phẩm Peri Lithon (bên trong đá) của học giả Hy Lạp cổ Theophrastus (372-287 TCN), học trò của Aristotle, đã có ảnh hưởng sâu rộng trong gần 10 thế kỷ. Peri Lithon được dịch sang tiếng Latin và nhiều ngôn ngữ khác. Phân tích các hóa thạch trong tác phẩm này là học thuyết nổi bật trong thời kỳ cổ đại và đầu thời Trung cổ, trước khi được thay thế bởi học thuyết về các dòng chảy hóa đá của Avicenna vào cuối thời Trung cổ. Trong thời kỳ La Mã, Pliny the Elder mở rộng nhiều thảo luận về các khoáng vật và kim loại, điều này đã được áp dụng rộng rãi. Ông cũng là một trong những người đầu tiên xác định nguồn gốc của hổ phách từ nhựa hóa thạch của cây thông qua quan sát các côn trùng bị mắc kẹt trong đó và đặt nền tảng cho tinh thể học bằng cách nhận diện hình dạng bát diện của kim cương.

Nhiều học giả hiện đại như Fielding H. Garrison cho rằng nền tảng của địa chất học hiện đại bắt đầu từ thế giới đạo Hồi trong thời Trung cổ. Abu al-Rayhan al-Biruni (973-1048 SCN) là một trong những nhà địa chất học Hồi giáo đầu tiên, với các bài viết đầu tiên về địa chất Ấn Độ và giả thuyết rằng tiểu lục địa Ấn Độ từng là biển. Ibn Sina (Avicenna, 981-1037) đã có những đóng góp đáng kể cho địa chất học và các khoa học tự nhiên (được gọi là Attabieyat) cùng với các nhà triết học tự nhiên khác như Ikhwan AI-Safa. Ông viết một bộ bách khoa toàn thư có tên 'Kitab al-Shifa' (Sách về sự chữa lành từ sự thiếu hiểu biết), trong đó phần 2, mục 5 chứa các bài viết về khoáng vật học và thiên thạch học, bao gồm sáu chương: Hình thành núi, Vai trò của núi trong việc hình thành mây; Nguồn nước; Nguyên nhân động đất; Quá trình hình thành khoáng vật; Sự đa dạng địa hình trên Trái Đất. Các nguyên tắc này sau này trở thành cơ sở cho luật xếp chồng trong địa tầng, bao gồm thuyết tai biến, và được nhắc đến trong các học thuyết về Trái Đất của James Hutton vào thế kỷ 18. Toulmin và Goodfield (1965) đã nhận xét rằng: 'Vào khoảng năm 1000 SCN, Avicenna đã đề xuất học thuyết về nguồn gốc của các dãy núi, điều này vẫn được thảo luận trong thế giới Công giáo 800 năm sau.' Phương pháp khoa học của Avicenna về quan sát thực địa đã trở thành nền tảng cho các nghiên cứu về Trái Đất và vẫn được duy trì trong các khảo sát hiện đại.

Tại Trung Quốc, học giả Shen Kua (1031-1095) đã phát triển một lý thuyết về sự hình thành đất liền dựa trên quan sát của ông về các vỏ sò hóa thạch trong các lớp địa tầng trên một dãy núi xa biển hàng trăm dặm. Ông cho rằng đất liền hình thành từ sự xói mòn của các dãy núi và sự tích tụ của bột khoáng.

Georg Agricola (1494-1555), một nhà vật lý, đã viết luận án hệ thống đầu tiên về khai thác mỏ và luyện kim, De re metallica libri XII, kèm theo phụ lục Buch von den Lebewesen unter Tage (sách về các sinh vật dưới lòng đất). Ông cũng nghiên cứu năng lượng gió, thủy điện, các lò nung chảy, vận chuyển quặng, chiết tách soda, lưu huỳnh và nhôm, cũng như các vấn đề quản trị. Cuốn sách được xuất bản vào năm 1556.

Nicolas Steno (1638-1686) đã xác nhận ba nguyên tắc cơ bản của địa tầng: luật xếp chồng, nguyên tắc phân lớp ngang nguyên thủy và nguyên tắc liên tục theo chiều ngang.

Trong thế kỷ 18, Jean-Étienne Guettard và Nicolas Desmarest đã quan sát các vùng trung tâm của nước Pháp và ghi chép các quan sát của họ trên bản đồ địa chất; Guettard là người đầu tiên ghi nhận sự xuất hiện của các nguồn núi lửa ở khu vực này của Pháp.

William Smith (1769-1839) đã thực hiện một số bản đồ địa chất đầu tiên và bắt đầu công việc phân loại các lớp đá theo cột địa tầng bằng cách kiểm tra các hóa thạch trong chúng.

James Hutton thường được coi là người sáng lập ngành địa chất học hiện đại. Vào năm 1785, ông công bố một bài viết mang tên Học thuyết về Trái Đất trên tạp chí Khoa học Hoàng gia Edinburgh. Trong bài viết này, Hutton đã trình bày quan điểm của mình rằng Trái Đất phải có niên đại cổ hơn so với những nghiên cứu trước đây, để các dãy núi có thể bị bào mòn và tạo thành trầm tích, sau đó hình thành đá mới dưới đáy biển và cuối cùng nâng lên thành đất liền. Hutton cũng xuất bản hai cuốn sách về các lý thuyết của ông vào năm 1795 (cuốn 1, cuốn 2).

Các nhà nghiên cứu tiếp nối Hutton được gọi là những người theo học thuyết hỏa thành vì họ tin rằng một số loại đá hình thành từ hoạt động núi lửa, trong khi đó các nhà theo học thuyết thủy thành tin rằng tất cả các loại đá lắng đọng đều hình thành trong các bồn biển rộng lớn và chỉ bị lộ ra khi mực nước biển hạ thấp dần theo thời gian.

Năm 1811, Georges Cuvier và Alexandre Brongniart công bố quan điểm của họ về niên đại của Trái Đất, dựa trên phát hiện của Cuvier về các hóa thạch xương voi ở Paris. Để hỗ trợ quan điểm này, họ đã áp dụng nguyên tắc kế thừa trong địa tầng của các lớp đá trên Trái Đất. Họ đã thực hiện nghiên cứu này một cách độc lập với William Smith ở Anh và Scotland.

Sir Charles Lyell lần đầu tiên công bố cuốn sách nổi tiếng về các nguyên tắc địa chất vào năm 1830. Ông tiếp tục phát hành các ấn bản mới của cuốn sách cho đến khi qua đời vào năm 1875. Cuốn sách đã có ảnh hưởng lớn đến Charles Darwin và trình bày lý thuyết hiện tại luận, cho rằng các quá trình địa chất đã xảy ra và vẫn tiếp tục diễn ra trên Trái Đất. Ngược lại, thuyết tai biến tập trung vào các sự kiện thảm họa đơn lẻ và biến động không đổi. Hutton là người ủng hộ lý thuyết hiện tại luận, một quan điểm chưa được chấp nhận rộng rãi vào thời điểm đó.

Địa chất thế kỷ 19 chủ yếu xoay quanh việc xác định tuổi chính xác của Trái Đất, với các ước tính dao động trong khoảng vài trăm triệu năm. Đến thế kỷ 20, thuyết kiến tạo mảng, được phát triển vào thập niên 1960, đã mang đến một bước ngoặt lớn cho khoa học địa chất bằng cách giải quyết các vấn đề về tách giãn đáy đại dương và sự trôi dạt của các lục địa.

Thuyết trôi dạt lục địa được Frank Bursley Taylor đưa ra vào năm 1908 và sau đó được Alfred Wegener phát triển vào năm 1912, cũng như bởi Arthur Holmes. Tuy nhiên, thuyết này chỉ được công nhận vào cuối thập kỷ 1960 khi thuyết kiến tạo mảng trở nên phổ biến.

Các quan điểm quan trọng

Chu trình thạch học

Chu trình thạch học là một khái niệm quan trọng trong địa chất học, mô tả mối liên hệ giữa đá mácma, đá trầm tích, đá biến chất và mác ma. Đá mácma hình thành khi magma nguội đi và kết tinh. Những loại đá này có thể bị bào mòn và lắng đọng thành đá trầm tích hoặc bị biến đổi thành đá biến chất dưới tác động của nhiệt độ và áp suất. Đá trầm tích có thể bị biến chất hóa, trong khi đá biến chất có thể bị phong hóa, bào mòn và lắng đọng để tạo thành đá trầm tích. Tất cả các loại đá này có thể tái nóng chảy và tạo ra mác ma mới, từ đó kết tinh thành đá mácma một lần nữa. Chu trình này được thể hiện rõ ràng qua các yếu tố động lực trong học thuyết kiến tạo mảng.

Kiến tạo mảng

Vào thập niên 1960, sự phát hiện quan trọng nhất là sự tách giãn đáy đại dương. Thạch quyển của Trái Đất, bao gồm vỏ và phần trên cùng của manti, được chia thành các mảng kiến tạo và di chuyển trên manti trên dạng rắn, dẻo, hoặc trên quyển astheno. Đây là hiện tượng chuyển động đồng bộ giữa các mảng trên bề mặt và dòng đối lưu trong manti: sự di chuyển của các mảng và dòng đối lưu luôn đi theo cùng hướng. Sự chuyển động đồng bộ này được gọi là kiến tạo mảng.

Sự phát triển của kiến tạo địa tầng cung cấp nền tảng vật lý để hiểu về cấu trúc của Trái Đất. Các khu vực dạng tuyến kéo dài trên Trái Đất được giải thích là ranh giới giữa các mảng. Các sống núi giữa đại dương, là các vùng cao trong đáy biển, với các quá trình thủy nhiệt và hoạt động núi lửa, được coi là ranh giới tách giãn. Các vòng cung núi lửa và các trận động đất giải thích là ranh giới hội tụ, nơi một mảng bị hút chìm dưới mảng khác. Các ranh giới biến dạng, như hệ thống đứt gãy San Andreas, gây ra các trận động đất mạnh. Kiến tạo địa tầng cũng hỗ trợ thuyết trôi dạt lục địa của Alfred Wegener, cho rằng các lục địa di chuyển trên bề mặt Trái Đất qua các thời kỳ địa chất. Đồng thời, kiến tạo địa tầng làm sáng tỏ cơ chế biến dạng và các trạng thái mới của vỏ Trái Đất trong nghiên cứu địa chất cấu tạo. Thuyết kiến tạo địa tầng kết hợp các lý thuyết về chuyển động của thạch quyển trên các dòng đối lưu của manti.

Dựa trên học thuyết này, hiện tại chúng ta đã có cái nhìn rõ ràng về sự phát triển của địa chất Trái Đất, bao gồm cả sự thay đổi của địa chất khu vực cụ thể.

Tiến hóa địa chất khu vực

Tiến hóa địa chất khu vực mô tả sự hình thành và biến đổi của các loại đá trong một khu vực theo chu trình thạch học và các quá trình tác động đến chúng. Những biến đổi này được ghi lại qua các dấu vết trên các đơn vị địa chất.

Các đơn vị đá đầu tiên hình thành từ sự tích tụ trên bề mặt hoặc từ việc xâm nhập vào các lớp đá khác. Tích tụ xảy ra khi trầm tích lắng đọng trên bề mặt Trái Đất và sau đó hóa đá thành đá trầm tích, hoặc khi vật liệu núi lửa như tro và dòng dung nham phủ lên bề mặt. Đá xâm nhập, chẳng hạn như batholith, laccolith, đê và sàng, xâm nhập vào các đá và kết tinh tại đó.

Khi các đá ban đầu trải qua biến dạng, chúng có thể bị biến chất. Sự biến dạng này có thể do sự căng giãn, nén ép, hoặc đứt gãy ngang (bình đoạn tầng). Các cơ chế này liên quan đến các ranh giới hội tụ, phân kỳ, và chuyển dạng giữa các mảng kiến tạo.

Khi đá chịu lực nén ngang, chúng trở nên ngắn hơn và dày hơn. Do ít biến dạng về thể tích, đá có thể tạo ra đứt gãy hoặc nếp uốn. Ở phần nông của vỏ Trái Đất, đá thường xuất hiện biến dạng giòn, hình thành các đứt gãy nghịch, tức là các đá sâu di chuyển lên trên các đá ở trên. Các đá sâu thường cổ hơn, và theo nguyên tắc chồng lớp, di chuyển lên nằm trên các đá trẻ hơn. Sự dịch chuyển dọc theo đứt gãy có thể dẫn đến nếp uốn, do đứt gãy không có mặt phẳng hoặc do các lớp đá trượt dọc theo nó, tạo ra các nếp uốn kéo. Đá nằm sâu hơn trong lòng đất có ứng xử như vật liệu dẻo, tạo ra nếp uốn thay vì đứt gãy. Các nếp uốn này có thể là nếp uốn lồi nếu lõi nếp uốn nhô lên, hoặc nếp uốn lõm nếu lõi hạ thấp. Nếu một số phần của nếp uốn bị sụt xuống, cấu trúc này được gọi là nếp lồi đảo hoặc nếp lõm đảo.

Khi đá chịu tác động của nén ép ở nhiệt độ và áp suất cao, có thể dẫn đến sự uốn nếp và biến chất. Sự biến chất này có thể làm thay đổi thành phần khoáng vật của đá, như sự phân phiến liên quan đến các khoáng vật phát triển dưới nén ép, và có thể làm mất đi cấu trúc ban đầu của đá, chẳng hạn như đá gốc trong đá trầm tích, dòng chảy của dung nham, và cấu trúc kết tinh của đá kết tinh.

Khi đá bị căng giãn, chúng trở nên dài và mỏng hơn, thường tạo ra các đứt gãy thuận. Sự căng giãn làm cho các đá mỏng hơn, như ở vùng nếp uốn và đai đứt gãy nghịch Maria, nơi cấu tạo chủ yếu là trầm tích của Grand Canyon có thể quan sát được chiều dài nhỏ hơn 1m. Các đá ở độ sâu dễ bị kéo giãn cũng thường bị biến chất. Đá kéo giãn cũng có thể tạo thành dạng thấu kính gọi là boudin, hay 'xúc xích' trong tiếng Pháp, vì chúng trông giống như vậy.

Khi các đá bị dịch chuyển tương đối theo mặt phẳng, chúng tạo ra đứt gãy ngang. Các đứt gãy này thường hình thành ở các khu vực nông và có thể phát triển trong đới cắt sâu hơn khi đá bị biến dạng dẻo.

Khi đá mới hình thành, cả tích tụ và xâm nhập, thường dẫn đến sự biến dạng. Quá trình này tạo ra các đứt gãy và các biến dạng khác, làm địa hình trở nên phân dị, gây ra sự xâm thực, bào mòn dọc theo sườn và dòng chảy. Những trầm tích sau đó được lắng đọng và nhấn chìm. Nếu sự dịch chuyển dọc theo đứt gãy tiếp tục, nó duy trì sự gia tăng gradient địa hình và tạo ra khoảng không gian cho trầm tích lắng đọng. Các sự kiện biến dạng thường liên quan đến hoạt động xâm nhập và núi lửa. Tro núi lửa và dung nham lắng đọng trên bề mặt, trong khi sự xâm nhập tạo thành các đá nằm dưới mặt đất. Ví dụ, xâm nhập kiểu đê theo mặt phẳng thẳng đứng và kéo dài, thường gây ra các biến dạng trên quy mô lớn, có thể quan sát thấy ở khiên Canada hoặc vòng đê quanh ống dung nham núi lửa.

Tất cả các quá trình này không nhất thiết phải xảy ra đồng thời trong một môi trường và không xuất hiện riêng lẻ. Quần đảo Hawaii là một ví dụ chủ yếu là dung nham bazan. Các loạt trầm tích giữa lục địa ở Hoa Kỳ và Grand Canyon còn lại các ống khói đá trầm tích hầu như không bị biến dạng có tuổi Cambri. Những khu vực khác có đặc điểm địa chất phức tạp hơn: ở tây nam Hoa Kỳ, các đá trầm tích, đá núi lửa và đá xâm nhập đều bị biến chất, đứt gãy, và uốn nếp. Các đá cổ như đá gơnai Acasta thuộc nền cổ Slav ở tây bắc Canada, đá cổ nhất trên thế giới, đã bị biến chất đến mức nguồn gốc không thể nhận ra bằng phân tích phòng thí nghiệm. Những quá trình này có thể xảy ra qua nhiều giai đoạn. Ví dụ, Grand Canyon ở tây nam Hoa Kỳ cho thấy các đá bên dưới bị biến chất và biến dạng, trong khi các đá trên không bị biến dạng được tích tụ. Mặc dù các đá có thể bị thay thế và biến dạng nhiều lần, các khái niệm này vẫn cung cấp cái nhìn sâu sắc về lịch sử địa chất của một khu vực.

Thành phần và cấu trúc của Trái Đất và hành tinh

Thành phần cấu tạo của Trái Đất

Những tiến bộ trong địa chấn học, mô hình máy tính, và khoáng vật học-tinh thể học ở nhiệt độ và áp suất cao đã vẽ nên bức tranh rõ ràng về thành phần và cấu trúc bên trong của Trái Đất.

Nhờ vào thời gian truyền sóng địa chất phản hồi, các nhà địa chấn học có thể hình dung cấu trúc bên trong của Trái Đất. Những khám phá trước đây đã chỉ ra rằng nhân ngoài là lỏng (nơi sóng ngang (S) không thể truyền qua), trong khi nhân trong là rắn đặc. Những phát hiện này đã dẫn đến mô hình lớp của Trái Đất với lớp vỏ và thạch quyển ở trên cùng, manti ở phía dưới (phân cách bởi sự gián đoạn sóng địa chấn ở độ sâu từ 410 đến 660 km), và nhân ngoài cùng nhân trong nằm sâu hơn. Gần đây, các nhà địa chấn học đã có thể tạo ra hình ảnh chi tiết về tốc độ truyền sóng trong Trái Đất, tương tự như hình ảnh CT trong y học, mang lại cái nhìn sâu sắc về cấu trúc của Trái Đất và có khả năng thay thế mô hình lớp đơn giản bằng một mô hình động lực học tinh vi hơn.

Các nhà khoáng vật học cũng sử dụng dữ liệu về áp suất và nhiệt độ từ các nghiên cứu địa chấn cùng mô hình để hiểu thành phần nguyên tố cấu tạo nên Trái Đất. Bằng cách tái tạo các điều kiện này qua thực nghiệm và đo đạc biến đổi trong cấu trúc tinh thể, các nghiên cứu giải thích các biến đổi hóa học liên quan đến sự gián đoạn địa chấn trong manti và dự đoán các cấu trúc tinh thể trong nhân trong của Trái Đất.

Địa chất học hành tinh

Từ gốc geo (γῆ) trong tiếng Hy Lạp và địa (地) trong tiếng Trung Quốc đều có nghĩa là Trái Đất, trong khi thuật ngữ 'địa chất' (geology hay 地质) thường được sử dụng chung với tên các hành tinh khác để mô tả thành phần và quá trình nội sinh của chúng như 'địa chất Sao Hỏa' và 'địa chất Mặt Trăng'. Các thuật ngữ đặc biệt như selenology (nghiên cứu Mặt Trăng, tức Nguyệt học) và areology (nghiên cứu Sao Hỏa, tức Hỏa Tinh học) cũng được sử dụng.

Với sự phát triển vượt bậc trong việc khám phá không gian suốt thế kỷ 20, các nhà địa chất đã bắt đầu mở rộng nghiên cứu sang các hành tinh khác có cấu trúc tương tự như Trái Đất. Điều này dẫn đến sự ra đời của địa chất học hành tinh, đôi khi gọi là địa chất học vũ trụ, nơi các nguyên tắc địa chất học được áp dụng để nghiên cứu các hành tinh trong hệ mặt trời. Các nhà địa chất học hành tinh không chỉ quan tâm đến bề mặt của các hành tinh mà còn tìm kiếm dấu vết của sự sống trong quá khứ và hiện tại. Một ví dụ điển hình là tàu Phoenix đã hạ cánh trên bắc cực của Sao Hỏa để phân tích đất tìm kiếm nước, các hợp chất hóa học và khoáng vật liên quan đến các quá trình sinh học.

Thời gian địa chất

Định tuổi tương đối

Một phương pháp truyền thống và quan trọng trong việc xác định tuổi của các yếu tố địa chất là áp dụng các nguyên tắc địa chất. Các nguyên tắc này đã được phát triển từ rất sớm và trở thành nền tảng của ngành khoa học địa chất hiện đại. Chúng vẫn được sử dụng ngày nay để cung cấp thông tin về lịch sử địa chất và thời điểm xảy ra các sự kiện địa chất.

Nguyên tắc quan hệ xâm nhập cho thấy khi đá mácma xâm nhập vào bề mặt và cắt qua các tầng đá trầm tích phía trên, đá mácma thường trẻ hơn các tầng đá bị nó xuyên qua. Các dạng xâm nhập bao gồm laccolith, batholith, sàng và đê.

Nguyên tắc quan hệ cắt theo mặt cắt chỉ rõ rằng đứt gãy trẻ hơn các đá mà nó cắt qua. Nếu một đứt gãy xuyên qua nhiều lớp đá theo thứ tự địa tầng và phát triển liên tục trên một số lớp mà không cắt qua các lớp khác, các lớp đá bị cắt sẽ có tuổi cổ hơn đứt gãy, còn các lớp đá không bị cắt có tuổi trẻ hơn. Điều này giúp phân biệt giữa đứt gãy nông và đứt gãy sâu.

Nguyên tắc bắt tù hoặc chứa, áp dụng cho đá trầm tích khi một loại đá ngoại lai nằm trong đá trầm tích, loại đá ngoại lai đó sẽ có tuổi cổ hơn đá trầm tích chứa nó. Trong đá mácma, nếu một loại đá bị bao bọc bởi một đá mácma khác, đá bị bao bọc sẽ có tuổi cổ hơn đá mácma chứa nó.

Nguyên tắc tương tự cho rằng các quá trình địa chất hiện tại tương tự như những quá trình đã xảy ra trong quá khứ. Nguyên tắc này, được phát triển bởi James Hutton vào thế kỷ 18, truyền tải ý tưởng rằng 'hiện tại là chìa khóa mở cách cửa quá khứ' (the past history of our globe must be explained by what can be seen to be happening now).

Nguyên tắc lớp nằm ngang nguyên thủy khẳng định rằng các lớp trầm tích ban đầu hình thành nằm ngang trong môi trường. Quan sát các lớp trầm tích hiện tại, đặc biệt là trầm tích biển, chứng minh rằng dù có sự nghiêng nhẹ trong tự nhiên, xu hướng chính là các lớp nằm ngang.

Nguyên tắc xếp chồng xác định rằng các lớp đá trầm tích trẻ hơn nằm trên các lớp đá trầm tích cổ trong các khu vực kiến tạo ổn định. Nguyên tắc này giúp phân tích mối quan hệ giữa các lớp trầm tích trong cùng một mặt cắt đứng, từ đó cho phép hiểu rõ sự gián đoạn trong toàn bộ địa tầng.

Nguyên tắc hóa thạch dựa vào sự hiện diện của hóa thạch trong đá trầm tích. Khi các loài hóa thạch xuất hiện đồng thời trên toàn cầu, sự có mặt hoặc vắng mặt của chúng có thể giúp xác định tuổi tương đối của các hệ tầng chứa chúng. Nguyên tắc này, phát triển từ thời William Smith trước cả thuyết tiến hóa của Darwin, chủ yếu dựa vào sự thay đổi của các loài hóa thạch theo chiều đứng trong môi trường sống, và không phải tất cả hóa thạch đều xuất hiện đồng thời trên toàn thế giới.

Định tuổi tuyệt đối

Một bước đột phá trong thế kỷ 20 là khả năng sử dụng tỷ lệ đồng vị phóng xạ để xác định khoảng thời gian mà đá đã trải qua nhiệt độ cụ thể. Các phương pháp này đo thời gian từ khi khoáng vật nguội xuống nhiệt độ cuối cùng của nó, lúc này các đồng vị phóng xạ không còn khuếch tán trong cấu trúc tinh thể.

Sự xuất hiện của định tuổi đồng vị đã làm thay đổi cách hiểu về thời gian địa chất. Trước đây, các nhà địa chất chỉ có thể xác định tuổi bằng cách dựa vào hóa thạch trong các mặt cắt đá so với các mặt cắt khác. Định tuổi đồng vị cho phép xác định tuổi chính xác, từ đó ứng dụng vào các chuỗi hóa thạch và chuyển từ tuổi tương đối sang tuổi tuyệt đối.

Các nhà địa chất đã sử dụng phương pháp phân rã phóng xạ để ước tính tuổi của Trái Đất khoảng 4,54 tỷ năm (4,5x10^9 năm), và tuổi của những vật liệu tạo thành hành tinh cổ xưa nhất, như các thiên thạch Chondrit kỷ Carbon, là 4,567 tỷ năm.

Các mốc quan trọng

Đồng hồ thang thời gian địa chất miêu tả lịch sử của Trái Đất từ khi hình thành hệ Mặt Trời cách đây 4,567 tỷ năm (Ga: tỷ năm) cho đến hiện tại.

• 4,567 Ga: Hình thành hệ Mặt Trời
• 4,54 Ga: Hình thành Trái Đất
• ~ 4 Ga: Kết thúc giai đoạn dội bom cuối cùng, sự sống đầu tiên xuất hiện
• ~ 3,5 Ga: Bắt đầu sự quang hợp
• ~ 2,3 Ga: Oxy hóa khí quyển, Quả cầu tuyết Trái Đất lần đầu tiên
• 730-635 Ma (Ma: triệu năm trước): Hai lần quả cầu tuyết?
• 542± 0,3 Ma: Bùng nổ Cambri - sự xuất hiện của các loài thân cứng, hóa thạch đầu tiên; khởi đầu Đại Cổ Sinh
• ~ 380 Ma: Các loài động vật có xương sống đầu tiên xuất hiện trên cạn
• 250 Ma: Sự kiện tuyệt chủng kỷ Permi-kỷ Trias - 90% động vật trên đất liền bị diệt vong. Kết thúc Đại Cổ Sinh và bắt đầu Đại Trung Sinh
• 65 Ma: Sự kiện tuyệt chủng kỷ Creta-Paleogen - Khủng long bị tiêu diệt; kết thúc Đại Trung Sinh và bắt đầu Đại Tân Sinh
• ~ 7 Ma - hiện tại: Sự xuất hiện của Hominin
  • ~ 7 Ma: Xuất hiện hominin đầu tiên
  • 3,9 Ma: Australopithecus đầu tiên xuất hiện, tổ tiên trực tiếp của con người hiện đại
  • 200 ka (ka: nghìn năm trước): Con người hiện đại đầu tiên xuất hiện ở Đông châu Phi

Tóm tắt thang địa thời

Các dòng thứ 2 và 3 mở rộng thêm cho các phần đã được đánh dấu sao.

Giai đoạn Holocen (thế cuối cùng) quá nhỏ để hiển thị rõ ràng trên thang thời gian này.

Các phương pháp nghiên cứu

Các nhà địa chất áp dụng các phương pháp khảo sát thực địa, phân tích phòng thí nghiệm, và mô hình số để khám phá lịch sử Trái Đất và hiểu các quá trình đang diễn ra. Trong các cuộc khảo sát, họ thường dựa vào thông tin về thạch học (nghiên cứu các loại đá), địa tầng học (nghiên cứu lớp trầm tích), và địa chất cấu tạo (nghiên cứu cấu trúc và biến dạng của đá). Họ cũng có thể khảo sát đất, sông, địa hình, băng hà, cũng như nghiên cứu sự sống hiện tại và quá khứ, các con đường địa hóa, và sử dụng các phương pháp địa vật lý để kiểm tra các lớp dưới mặt đất.

Các phương pháp khảo sát thực địa

Công việc khảo sát địa chất thực địa có thể thay đổi tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của nhiệm vụ. Các công việc phổ biến bao gồm:

• Vẽ bản đồ địa chất
  • Bản đồ cấu trúc: Xác định vị trí của các thành tạo đá chính, đứt gãy và nếp uốn ảnh hưởng đến chúng.
  • Bản đồ địa tầng: Xác định vị trí các tướng trầm tích (thạch học và sinh học) hoặc lập bản đồ độ dày của các lớp đá trầm tích.
  • Bản đồ Surficial: Xác định vị trí các loại đất và các tích tụ bề mặt.
• Khảo sát đặc điểm địa hình
  • Tạo bản đồ địa hình.
  • Khảo sát các biến đổi địa hình, bao gồm:
    • Dạng xói mòn và tích tụ.
    • Thay đổi lòng sông, như khúc uốn và thay đổi mức xâm thực cơ sở (avulsion).
    • Các quá trình liên quan đến sườn núi.
• Vẽ bản đồ dưới bề mặt bằng phương pháp địa vật lý.
  • Các phương pháp bao gồm:
    • Khảo sát bằng sóng địa chấn nông.
    • Thẩm thấu radar mặt đất (GPR).
    • Ảnh điện trở.
  • Ứng dụng của các phương pháp:
    • Tìm kiếm hydrocarbon.
    • Tìm nguồn nước ngầm.
    • Xác định vị trí các cấu trúc cổ bị chôn vùi.
• Địa tầng học phân giải cao
  • Đo đạc và mô tả các mặt cắt địa tầng trên bề mặt.
  • Khoan giếng và thực hiện đo đạc trong giếng.
• Sinh địa hóa học và vi sinh địa học
  • Thu thập mẫu để:
    • Xác định các con đường sinh hóa.
    • Khám phá các tổ hợp loài mới.
    • Xác định các hợp chất hóa học mới.
  • Sử dụng phát hiện để:
    • Hiểu về sự sống trước đây trên Trái Đất và cách nó thực hiện chức năng và trao đổi chất.
    • Tìm kiếm các hợp chất quan trọng cho dược phẩm.
• Cổ sinh vật học: Khai thác các mẫu hóa thạch
  • Nghiên cứu sự sống trong quá khứ và tiến hóa.
  • Trưng bày trong bảo tàng và phục vụ giáo dục.
• Thu thập mẫu để nghiên cứu niên đại địa chất và niên đại chính xác (thermochronology).
• Băng hà học: Đo đạc các đặc điểm của băng hà và sự di chuyển của chúng.

Các phương pháp thí nghiệm trong phòng thí nghiệm

Trong thạch học, các nhà nghiên cứu phân tích mẫu đá bằng hai phương pháp chính: quan sát qua kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử. Đối với phân tích khoáng vật quang học, mẫu đá được cắt mỏng và quan sát dưới kính hiển vi thạch học, nơi các khoáng vật được nhận diện qua các thuộc tính như khúc xạ kép, đa sắc, song tinh và sự giao thoa của ánh sáng phân cực. Khi sử dụng kính hiển vi điện tử, các phân tích về thành phần hóa học và sự biến đổi của thành phần trong từng tinh thể được thực hiện với độ chính xác cao. Nghiên cứu về đồng vị bền và phóng xạ cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc bên trong của đá và sự phát triển địa hóa học của các loại đá.

Các nhà thạch học nghiên cứu các bao thể và thực hiện các thí nghiệm vật lý ở nhiệt độ và áp suất cao để hiểu điều kiện hình thành và biến đổi các khoáng vật khác nhau trong các quá trình mácma và biến chất. Những nghiên cứu này giúp giải thích các quá trình biến chất và điều kiện kết tinh của đá mácma, đồng thời làm rõ các hiện tượng trong lòng Trái Đất như sự hút chìm và sự phát triển của lò mácma.

Các nhà địa chất cấu tạo sử dụng phương pháp phân tích thạch học lát mỏng để nghiên cứu cấu trúc thớ của đá, từ đó cung cấp cái nhìn sâu hơn về ứng suất nội tại trong các tinh thể đá. Họ cũng thực hiện việc vẽ và kết hợp các dữ liệu địa chất cấu tạo để làm rõ xu hướng của các đứt gãy hoặc nếp uốn, từ đó phục dựng lại lịch sử biến dạng đá của một khu vực hoặc rộng hơn là lịch sử kiến tạo. Thêm vào đó, họ tiến hành các mô phỏng trên máy tính để nghiên cứu sự biến dạng của đá trong các điều kiện mô phỏng rộng lớn.

Trong phân tích cấu tạo, thường dùng đồ thị xu hướng để thể hiện các biến đổi trên lưới chiếu nổi. Lưới chiếu nổi là một dạng lưới hình cầu biểu diễn trên mặt phẳng, nơi các mặt phẳng được chuyển thành các đường thẳng và các đường thẳng được chuyển thành các điểm. Phương pháp này giúp xác định vị trí của các trục nếp uốn, mối quan hệ giữa các đứt gãy và các cấu tạo địa chất khác nhau.

Một trong những thí nghiệm nổi tiếng trong địa chất cấu tạo là các thí nghiệm liên quan đến nêm bồi kết, nơi tạo ra các dãy núi dọc theo các ranh giới mảng hội tụ. Trong các thí nghiệm này, các lớp cát nằm ngang bị kéo dọc theo bề mặt dưới, tạo ra các cấu trúc tương tự như thực tế và sự phát triển của đai núi vuốt nhọn. Các mô hình số cũng được sử dụng để nghiên cứu các kiến trúc xói mòn và nâng trong đai núi. Những thí nghiệm này giúp hiểu rõ mối quan hệ giữa xói mòn và hình dạng dãy núi, đồng thời cung cấp thông tin về tác động của áp lực, nhiệt độ, không gian và thời gian lên quá trình biến chất.

Trong phòng thí nghiệm, các nhà địa tầng học phân tích các mẫu từ mặt cắt địa tầng, bao gồm cả mẫu lõi khoan thu thập từ thực địa. Họ cũng nghiên cứu dữ liệu từ các vị trí lộ ra các đơn vị địa tầng từ các khảo sát địa chất. Dữ liệu địa vật lý và log lỗ khoan được tích hợp và mô phỏng dưới dạng không gian ba chiều trên máy tính để làm rõ các đặc điểm bên dưới mặt đất. Những dữ liệu này sau đó được sử dụng để phục dựng các quá trình lịch sử trên bề mặt Trái Đất, giải thích các môi trường cổ xưa, và xác định các khu vực tiềm năng cho khai thác nước hoặc dầu khí.

Trong phòng thí nghiệm, các nhà sinh địa tầng học phân tích các mẫu đá lộ ra trên mặt đất và mẫu lõi khoan để tìm kiếm hóa thạch. Các hóa thạch giúp các nhà khoa học xác định tuổi của đá và môi trường trầm tích nơi đá hình thành. Các nhà địa thời học xác định chính xác tuổi đá trong mặt cắt địa tầng để cung cấp thông tin về thời gian và tốc độ trầm tích. Ngoài ra, các nhà từ địa tầng học sử dụng dấu hiệu đảo cực từ trong lõi khoan của đá mácma để xác định tuổi đá. Các nhà nghiên cứu đồng vị ổn định trong đá cũng cung cấp thông tin về khí hậu cổ đại.

Địa chất ứng dụng

Kinh tế địa chất

Các nhà kinh tế địa chất làm việc để xác định và quản lý tài nguyên thiên nhiên của Trái Đất như dầu khí, than đá, cũng như khoáng sản kim loại (đồng, sắt, urani) và phi kim loại (vật liệu xây dựng, gốm sứ).

Địa chất mỏ liên quan đến việc khai thác các tài nguyên quý giá từ lòng đất. Những tài nguyên được chú ý nhiều bao gồm các loại đá quý, kim loại, và khoáng vật như amiăng, perlit, mica, phosphat, zeolit, sét, đá bọt, thạch anh, và silica, cũng như các nguyên tố như lưu huỳnh, clo, và heli.

Các nhà địa chất dầu khí nghiên cứu các khu vực trong lòng đất để tìm kiếm nguồn hydrocarbon, đặc biệt là dầu mỏ và khí thiên nhiên. Vì các bể chứa dầu thường nằm trong các bồn trầm tích, họ cũng nghiên cứu các hệ tầng trong các bồn này, cùng với sự trầm tích và sự tiến hóa kiến tạo của chúng cũng như vị trí hiện tại của các lớp đá.

Cơ học đất và địa kỹ thuật

Trong ngành kỹ thuật xây dựng, các nguyên tắc địa chất và các phép phân tích được áp dụng để đảm bảo tính cơ học của các vật liệu xây dựng. Điều này giúp các công trình như đường hầm không bị sụp đổ, các cầu và tòa nhà cao tầng được xây dựng trên nền móng vững chắc, và các công trình có thể đứng vững ngay cả trên nền đất mềm, sét.

Các vấn đề về nước và môi trường

Địa chất và các nguyên lý của nó có thể được áp dụng để giải quyết các vấn đề môi trường như khôi phục các dòng chảy, cải tạo các vùng đất bị bỏ hoang, và hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa môi trường tự nhiên và địa chất. Thủy văn học, hay địa chất thủy văn, được sử dụng để tìm kiếm nước ngầm, xác định các nguồn nước không bị ô nhiễm, đặc biệt quan trọng ở các khu vực khô hạn, và theo dõi sự phân tán của chất ô nhiễm trong các giếng nước.

Các nhà địa chất thu thập dữ liệu qua các cột địa tầng, lỗ khoan, mẫu lõi khoan và mẫu lõi băng. Các mẫu lõi băng và lõi trầm tích cung cấp thông tin về các điều kiện khí hậu trong quá khứ, cho thấy nhiệt độ, lượng mưa và mực nước biển toàn cầu trong các thời kỳ khác nhau. Đây là những dữ liệu cơ bản giúp hiểu biến đổi khí hậu toàn cầu ngoài các số liệu hiện tại.

Tai biến tự nhiên

Các chuyên gia địa chất và địa vật lý nghiên cứu các tai biến tự nhiên để xây dựng các hệ thống cảnh báo và tiêu chuẩn an toàn nhằm giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản. Một số tai biến tự nhiên liên quan đến địa chất bao gồm:

• Động đất
• Núi lửa
• Sóng thần
• Hố sụt
• Hóa lỏng đất
• Trượt đất và lũ bùn
• Lở tuyết
• Lũ lụt và thay đổi dòng chảy sông
• Lún đất

Các lĩnh vực liên quan

Địa chất khu vực

Các dãy núi nổi bật

• Địa chất dãy Alps
• Địa chất dãy Andes
• Địa chất dãy Appalachians
• Địa chất dãy Himalaya
• Địa chất dãy Rocky

Theo quốc gia

Theo hành tinh

• Địa chất Sao Thủy
• Địa chất Sao Kim
• Địa chất Mặt Trăng
• Địa chất Sao Hỏa

• Các tạp chí nghiên cứu địa chất
• Địa nông học
• Địa hóa học
• Mô hình địa chất
• Niên đại địa chất
• Nhà địa chất
• Từ điển thuật ngữ địa chất
• Các ấn phẩm chính trong lĩnh vực địa chất
• Hiệp hội Quốc tế Khoa học Địa chất (IUGS)
• Danh sách các điểm hóa thạch
• Danh sách các chủ đề địa chất
• Danh sách khoáng vật
• Danh sách các kiến trúc đá
• Danh sách các loại đá
• Danh sách các chủ đề về đất
• Khoáng vật
• Công viên địa chất Paleorrota
• Đóng góp của các nhà địa chất nổi bật

Các liên kết hữu ích

• Học thuyết về Trái Đất của James Hutton Lưu trữ 2008-05-16 tại Wayback Machine
• Tóm tắt học thuyết về Trái Đất của James Hutton Lưu trữ 2003-07-29 tại Wayback Machine
• Các thành phần của địa chất theo Charles Lyell
• Các nguyên tắc địa chất của Charles Lyell và các biến đổi hiện đại của Trái Đất được xem là ví dụ minh họa về địa chất
• Hiệp hội Địa vật lý Mỹ
• Hiệp hội Khoa học Địa chất châu Âu
• Hội Địa chất Mỹ Lưu trữ 2011-10-29 tại Wayback Machine
• Tin tức, bản đồ, từ điển, bài báo và cơ hội việc làm trong lĩnh vực Khoa học Trái Đất