Lớp phủ địa chất

Lớp phủ hay quyển manti là một phần quan trọng trong cấu trúc của những vật thể thiên văn như Trái Đất. Phần nội tại của Trái Đất, giống như các hành tinh đá khác, được phân chia thành các lớp hóa học. Lớp phủ là lớp có độ nhớt cao nhất, nằm dưới lớp vỏ và trên lõi ngoài. Lớp phủ của Trái Đất có độ dày khoảng 2.900 km (1.800 dặm Anh), chiếm gần 70% thể tích Trái Đất. Phần lớn là rắn và nằm trên lõi sắt của Trái Đất, chiếm gần 30% thể tích. Các hiện tượng nóng chảy và núi lửa trong quá khứ đã hình thành lớp vỏ mỏng chứa các sản phẩm nóng chảy đã kết tinh gần bề mặt, nơi có sự sống. Khí thải từ lớp phủ có ảnh hưởng lớn đến thành phần khí quyển của Trái Đất.

Cấu trúc

Lớp phủ được phân chia thành các phần dựa trên nghiên cứu địa chấn. Các lớp này và độ sâu của chúng như sau:

• Lớp phủ trên (từ 33 đến 410 km, tương đương 20-255 dặm)
• Vùng chuyển tiếp (từ 410 đến 670 km, tương đương 255-416 dặm)
• Lớp phủ dưới (từ 670 đến 2.798 km, tương đương 416-1.739 dặm)
• Lớp D' (từ 2.798 đến 2.998 km, tương đương 1.739-1.863 dặm)

Đỉnh của lớp phủ được xác định qua sự gia tăng đột ngột của tốc độ địa chấn, lần đầu tiên được Andrija Mohorovičić phát hiện vào năm 1909; giới hạn này hiện được gọi là 'Moho'. Phần trên cùng của lớp phủ, cùng với lớp vỏ bên trên, tạo thành thạch quyển, một lớp không đồng đều với độ dày tối đa khoảng 200 km. Dưới thạch quyển, phần còn lại của lớp phủ trên trở nên dẻo hơn về mặt lưu biến học. Ở một số khu vực dưới thạch quyển, tốc độ địa chấn giảm xuống; vùng tốc độ thấp (LVZ) này kéo dài xuống độ sâu vài trăm km. Inge Lehmann đã phát hiện điểm gián đoạn địa chấn ở khoảng 220 km; dù điểm gián đoạn này đã được xác nhận trong các nghiên cứu khác, vẫn chưa rõ nó có xuất hiện đồng nhất ở mọi nơi không. Vùng chuyển tiếp là khu vực phức tạp, phân chia lớp phủ trên và lớp phủ dưới về mặt vật lý. Chúng ta biết rất ít về lớp phủ dưới, ngoài việc nó dường như khá đồng nhất về mặt địa chấn. Lớp D' phân tách lớp phủ khỏi phần lõi.

Đặc điểm

Lớp phủ khác biệt với lớp vỏ về mặt cơ học và thành phần hóa học. Sự khác biệt giữa hai lớp được dựa trên các yếu tố hóa học, loại đá, lưu chấn học và địa chấn học. Thực tế, lớp vỏ là sản phẩm của quá trình nóng chảy lớp phủ. Sự nóng chảy một phần của lớp phủ dẫn đến việc các nguyên tố không hòa hợp bị tách ra khỏi đá lớp phủ, với các chất ít nặng hơn nổi lên qua khe hở, vết nứt hoặc các rãnh, sau đó làm nguội và đông đặc lại trên bề mặt. Các đá lớp phủ điển hình có tỷ lệ magiê cao hơn so với sắt và ít silic, nhôm hơn so với lớp vỏ. Tỷ lệ này cũng được dự đoán qua các thí nghiệm nóng chảy phần đá đại diện cho lớp phủ Trái Đất.

Lớp phủ của Trái Đất có độ sâu nông khoảng 400 km và chủ yếu bao gồm olivin, pyroxen, spinel, và thạch lựu, với các loại đá điển hình là peridotit, dunit (peridotit giàu olivin) và eclogit. Từ 400 km đến 650 km, olivin không còn ổn định và được thay thế bởi các dạng đa hình áp suất cao như wadsleyit (hay beta-spinel) và ringwoodit (gamma-spinel). Dưới 650 km, tất cả các khoáng vật trong lớp phủ bắt đầu trở nên không ổn định; các khoáng vật phổ biến hơn có cấu trúc tương tự như perovskit nhưng không giống về thành phần. Những thay đổi khoáng vật học này gây ra các dấu hiệu đặc trưng trong các hồ sơ địa chấn của phần bên trong Trái Đất và giống như 'moho', chúng dễ dàng được phát hiện qua sóng địa chấn. Những thay đổi này có thể ảnh hưởng đến đối lưu lớp phủ, tạo ra sự thay đổi về tỷ trọng, hấp thụ hoặc giải phóng ẩn nhiệt và làm thay đổi độ sâu của sự chuyển tiếp pha đa hình ở các khu vực có nhiệt độ khác nhau. Các thay đổi khoáng vật học theo độ sâu đã được nghiên cứu qua các thí nghiệm mô phỏng áp suất cao trong phòng thí nghiệm, chẳng hạn như thí nghiệm sử dụng đe kim cương.

Nguyên nhân khiến lớp lõi trong là chất rắn, lớp lõi ngoài lỏng còn lớp phủ thì ở dạng rắn/dẻo là do điểm nóng chảy tương đối của các lớp khác nhau (lõi niken-sắt, vỏ và lớp phủ silicat) và sự gia tăng nhiệt độ và áp suất khi di chuyển vào sâu trong Trái Đất. Ở bề mặt, cả hợp chất niken-sắt và silicat đều nguội đủ để trở thành chất rắn. Trong lớp phủ trên, các silicat thường ở dạng rắn (với một số ít dạng lỏng); tuy nhiên, do lớp phủ trên vừa nóng vừa chịu áp suất không quá lớn, nên đá trong lớp phủ trên có độ nhớt tương đối thấp. Ngược lại, lớp phủ dưới chịu áp lực mạnh hơn và do đó có độ nhớt cao hơn lớp phủ trên. Lõi ngoài bằng niken-sắt là lỏng dù chịu áp suất rất lớn vì điểm nóng chảy của nó thấp hơn so với các silicat lớp phủ. Lõi trong là chất rắn nhờ áp suất cực lớn gần trung tâm Trái Đất.

Nhiệt độ

Trong lớp phủ, nhiệt độ dao động từ 500 °C đến 900 °C (932 °F–1.652 °F) ở ranh giới trên với lớp vỏ đến trên 4.000 °C (7.200 °F) ở ranh giới với lớp lõi. Dù nhiệt độ này vượt xa điểm nóng chảy của đá lớp phủ trên bề mặt (khoảng 1.200 °C cho peridotit), lớp phủ gần như vẫn ở trạng thái rắn. Áp suất thạch tĩnh (ứng suất dọc) tác động lên lớp phủ ngăn không cho nó chảy ra, làm cho nhiệt độ mà quá trình nóng chảy có thể bắt đầu (solidus) tăng theo áp suất.

Chuyển động

Sự khác biệt về nhiệt độ giữa bề mặt Trái Đất và lớp lõi ngoài, kết hợp với khả năng của đá kết tinh để chịu đựng nhiệt độ và áp suất cao, cho phép các vật liệu trong lớp phủ di chuyển như nhớt trong hàng triệu năm. Vật liệu nóng từ lớp sâu nổi lên (giống như trong đèn dung nham), có thể từ ranh giới lõi ngoài, trong khi vật liệu nguội và nặng hơn chìm xuống. Đây là hiện tượng của sự chìm lắng thạch quyển lớn tại các ranh giới mảng kiến tạo, được gọi là đới hút chìm. Trong quá trình này, vật liệu lớp phủ nguội đi do mất nhiệt và truyền nhiệt vào lớp phủ xung quanh. Nhiệt độ và áp suất giảm khi vật liệu dâng lên và phân phối ra một thể tích lớn. Vì nhiệt độ nóng chảy giảm nhanh hơn so với sự dâng lên của chùm lớp phủ nóng, nên có thể xảy ra nóng chảy một phần ngay dưới thạch quyển, gây ra núi lửa và hình thành đá sâu.

Quá trình đối lưu của lớp phủ Trái Đất là một hiện tượng hỗn loạn, và được xem như là phần quan trọng trong chuyển động của các mảng kiến tạo. Chuyển động của các mảng không nên nhầm lẫn với khái niệm trôi dạt lục địa, chỉ áp dụng cho chuyển động của các thành phần lớp vỏ lục địa. Chuyển động của thạch quyển và lớp phủ bên dưới nó kết hợp với nhau, với thạch quyển di chuyển xuống là yếu tố chính trong đối lưu lớp phủ. Trôi dạt lục địa là mối quan hệ phức tạp giữa các lực làm cho thạch quyển đại dương chìm xuống và các chuyển động trong lòng lớp phủ.

Mặc dù độ nhớt có xu hướng cao hơn ở độ sâu lớn, nhưng mối quan hệ này không đơn giản, với các lớp có độ nhớt giảm mạnh, đặc biệt là lớp phủ ngoài và tại ranh giới với lõi. Lớp phủ trong khoảng 200 km phía trên ranh giới lõi-lớp phủ có những đặc tính địa chấn khác biệt hơn so với lớp phủ ở độ sâu nông hơn; khu vực bất thường này ngay trên lõi được gọi là lớp D″ ('D phẩy phẩy' hay 'D phẩy kép'), tên do nhà địa vật lý Keith Bullen giới thiệu hơn 50 năm trước. Lớp D″ có thể bao gồm vật liệu từ các miếng ẩn chìm đã rơi xuống và vào trạng thái nghỉ tại ranh giới lõi-lớp phủ và/hoặc từ các khoáng vật mới phát hiện trong perovskit, gọi là hậu perovskit.

Do độ nhớt thấp tại lớp phủ ngoài, có thể nghĩ rằng không có động đất ở độ sâu lớn hơn 300 km. Tuy nhiên, trong các đới ẩn chìm, gradient địa nhiệt có thể thấp hơn, nơi mà vật liệu nguội từ bề mặt chìm xuống, làm tăng độ đặc của lớp phủ xung quanh, cho phép động đất xảy ra ở độ sâu đến khoảng 400–670 km.

Áp suất ở đáy lớp phủ khoảng 136 GPa (1,4 triệu atm). Áp suất tăng khi đi sâu vào lớp phủ do vật liệu phía dưới chịu trọng lượng của tất cả các vật liệu phía trên. Tuy nhiên, lớp phủ tổng thể vẫn biến dạng như chất lỏng trong thời gian dài, với biến dạng dẻo vĩnh cửu nhờ vào chuyển động của điểm, đường, và/hoặc khuyết hụt mặt phẳng qua các tinh thể rắn trong lớp phủ. Độ nhớt của lớp phủ trên ước tính từ 10^19 đến 10^22 Pa•s, phụ thuộc vào độ sâu, nhiệt độ, thành phần hóa học, và nhiều yếu tố khác. Do đó, lớp phủ trên chỉ di chuyển rất chậm. Tuy nhiên, khi áp dụng lực lớn, lớp phủ có thể trở nên yếu hơn, giúp hình thành các ranh giới mảng kiến tạo.

Khám phá

Khám phá lớp phủ thường được thực hiện dưới đáy biển thay vì trên đất liền, vì lớp vỏ đại dương mỏng hơn nhiều so với lớp vỏ lục địa dày hơn đáng kể.

Nỗ lực đầu tiên để thăm dò lớp phủ, được gọi là Dự án Mohole, đã bị hủy bỏ vào năm 1966 do gặp nhiều thất bại và chi phí quá cao. Mức độ khoan sâu nhất đạt khoảng 180 m (590 ft). Đến năm 2005, lỗ khoan đại dương sâu thứ ba này đã đạt được độ sâu 1.416 m (4.644 ft) dưới đáy biển từ tàu khoan đại dương JOIDES Resolution.

Vào ngày 5 tháng 3 năm 2007, một nhóm các nhà khoa học trên tàu RRS James Cook đã thực hiện chuyến khảo sát ở khu vực đáy Đại Tây Dương, nơi lớp phủ lộ ra không có vỏ bao phủ, nằm giữa quần đảo Cape Verde và biển Caribe. Khu vực này nằm sâu khoảng 3 km dưới mặt đại dương và trải rộng trên hàng nghìn kilômét vuông.

Một nỗ lực tương đối khó khăn để lấy mẫu từ lớp phủ Trái Đất đã được lên kế hoạch vào cuối năm 2007. Trong khuôn khổ sứ mệnh Chikyu Hakken, tàu khoan 'Chikyu' của Nhật Bản đã được sử dụng để khoan sâu tới 7.000 m (23.000 ft) dưới đáy đại dương, gần gấp ba lần độ sâu của các lỗ khoan đại dương trước đó.

Một phương pháp mới để thăm dò hàng trăm kilômét sâu vào Trái Đất đã được nghiên cứu gần đây. Phương pháp này sử dụng máy dò sinh nhiệt nhỏ, với lớp vỏ ngoài bằng wolfram có đường kính khoảng 1 m và nguồn sinh nhiệt bằng cobalt phóng xạ bên trong. Máy dò này sẽ làm nóng chảy đường đi của nó xuyên qua lớp vỏ và lớp phủ, trong khi vị trí và tiến trình của nó được theo dõi bằng tín hiệu âm thanh phát ra từ đá. Dự kiến, máy dò này có thể tiếp cận Moho đại dương trong vòng chưa đầy 6 tháng và trong vài thập niên sẽ đạt độ sâu trên 100 km dưới thạch quyển đại dương và lục địa.

• Cấu trúc Trái Đất
• Địa động lực học

Liên kết ngoài

• Don L. Anderson, Theory of the Earth, Blackwell (1989), là một giáo trình về nội bộ Trái Đất, hiện có sẵn trên web. Truy cập ngày 23 tháng 12 năm 2007.
• The Biggest Dig: Nhật Bản xây dựng tàu khoan để đào tới lớp phủ Trái Đất – Tạp chí Scientific American (Tháng 9 năm 2005)
• Thông tin về Dự án Mohole Lưu trữ ngày 2 tháng 11 năm 2015 tại Wayback Machine
• Thinkquest Team (2000). “The Mantle”. Bản gốc lưu trữ ngày 2 tháng 2 năm 2007. Truy cập ngày 7 tháng 10 năm 2008..