Hãy tưởng tượng bạn mở một cuốn sách lịch sử Trái đất và phát hiện nhiều chương đã bị xé mất. Về cơ bản, các lớp đá trên bề mặt Trái đất thường xếp chồng lên nhau theo một trật tự ổn định từ cổ nhất đến mới nhất, mà các nhà địa chất học có thể xác định được niên đại và thời kỳ khá chính xác. Nhưng ở nhiều nơi trên thế giới, mà nổi tiếng nhất là thắng cảnh Đại vực (Grand Canyon) ở bang Arizona, Mỹ, lại xuất hiện một khoảng trống kéo dài tới hàng trăm triệu, thậm chí là cả tỷ năm, giữa các lớp đá này.
Câu hỏi về bất chỉnh hợp lớn trong địa chất học đã được nêu ra suốt 150 năm qua là: điều gì đã xóa sạch những chương sách bị mất kia của Trái đất?
Đường tiếp xúc như sợi tóc chia đôi hai lớp đá tỷ năm
Những vách đá nhìn tưởng như liền mạch ở Đại vực dài gần 450 km và sâu trung bình 1,6 km là nơi hơn 1 tỷ năm lịch sử Trái đất - chiếm gần 1/4 thời gian tồn tại của hành tinh - hoàn toàn biến mất không dấu vết. Cụ thể, phần đáy của Đại vực là những khối đá kết tinh rất cổ xưa, trong khi phần đỉnh là các lớp sa thạch mới lắng đọng vào thời điểm sự sống đã bắt đầu trở nên đa dạng trong "thời kỳ bùng nổ kỷ Cambri".
Grand Canyon ở Mỹ là một trong những địa điểm nổi tiếng nhất thế giới để quan sát bất chỉnh hợp lớn. Ảnh: Wikicommons
Ở khe hẻm Blacktail thuộc Đại vực, hai vách đá dựng đứng áp sát nhau tạo thành một khe hẹp. Trên vách đá lộ một đường tiếp xúc giữa hai khối đá mảnh như sợi tóc, nằm ngang tầm ngực. Phía dưới đường ranh là đá phiến Vishnu sẫm màu, hình thành cách đây khoảng 1,75 tỷ năm. Phía trên chúng là sa thạch Tapeats màu nâu vàng, khoảng 505 triệu năm tuổi. Đường tiếp xúc mảnh như nét bút chì ấy đánh dấu khoảng trống khoảng 1,2 tỷ năm trong hồ sơ địa chất mà du khách đến thăm Đại vực có thể đặt ngón tay vào.
Nhà địa chất học John Wesley Powell là người đầu tiên mô tả khoảng trống hơn 1 tỷ năm giữa những khối đá dưới chân và những khối đá trên đầu ông vào mùa hè năm 1869.
Cách đó khoảng 11.000 km, tại cực nam dãy núi Lữ Lương, thuộc tỉnh Sơn Tây (Trung Quốc), cũng có một ranh giới địa chất tương tự. Địa điểm này có tên là Tây Vĩ Khẩu, nằm trên khối nền cổ Hoa Bắc (North China Craton), nơi lớp sa thạch ven bờ khoảng 520 triệu năm nằm trực tiếp trên tầng móng đá hoa cương gần 2,2 tỷ năm tuổi.
Dù xuất hiện ở nhiều nơi trên thế giới, ranh giới bất chỉnh hợp lớn không có cùng niên đại mà thay đổi tùy từng địa điểm. Nicolas Flament, nhà địa chất học tại Đại học Wollongong (Úc), giải thích rằng khoảng thời gian bị khuyết trong hồ sơ địa chất có thể dao động từ 200 triệu năm đến hơn 1 tỷ năm.
Bốn cách giải thích
Theo một giả thuyết được quan tâm hàng đầu, các đợt băng hà cực lớn vào kỷ Cryogen khoảng 720-635 triệu năm trước, đã tạo nên bất chỉnh hợp lớn. Một số nhà khoa học tin rằng lúc đó toàn bộ hành tinh đã đóng băng - và kịch bản này được đặt tên "Trái đất quả cầu tuyết" (Snowball Earth). Qua hàng triệu năm di chuyển chậm trên lục địa, băng hà có thể bóc đi một lượng vật liệu rất lớn, để lộ những nền đá cổ nằm sâu bên dưới. Sau khi băng tan, trầm tích mới tích tụ và phủ lên bề mặt bị bào mòn, tạo thành những lớp đá trẻ nằm trên nền đá cổ. Flament giải thích, sông băng bào mòn đá gấp khoảng 10 lần so với sông suối. Tuy nhiên, nếu băng hà toàn cầu là nguyên nhân duy nhất, các dấu tích bất chỉnh hợp tương tự lẽ ra phải xuất hiện đồng đều hơn trên khắp thế giới. Song thực tế lại không phải như vậy.
Một cách giải thích khác tập trung vào sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo và hoạt động núi lửa. Khi các mảng kiến tạo tách xa hoặc va chạm, phần vỏ Trái đất cấu thành lục địa có thể bị kéo giãn, nứt vỡ và nâng lên. Những lớp đá lộ ra trên bề mặt sau đó bị mưa, gió, sông suối và băng hà bào mòn, cuốn đi nơi khác. Hoạt động núi lửa cũng có thể làm phần vỏ lục địa phồng lên, khiến đá bị nâng cao và dễ chịu tác động của phong hóa, xói mòn hơn. Tuy nhiên, những quá trình này thường tác động mạnh ở rìa lục địa, trong khi những bề mặt bất chỉnh hợp rộng lớn còn xuất hiện ở sâu trong nội địa. Vì vậy, giả thuyết này chưa đủ để giải thích quy mô cũng như lịch sử phức tạp của hiện tượng bất chỉnh hợp lớn.
Sự thay đổi mực nước biển cũng có thể tạo ra những khoảng trống trong hồ sơ địa chất. Khi mực nước biển hạ xuống, những vùng đáy biển nông trước đây bị ngập có thể lộ ra để mưa, gió và dòng chảy bào mòn các lớp trầm tích cũ. Khi mực nước biển dâng trở lại, trầm tích mới phủ lên bề mặt đã bị bào mòn, tạo ra một ranh giới địa chất. Cơ chế này có thể giải thích những ranh giới địa chất ở các vùng từng nằm dưới biển. Tuy nhiên, nó không thể giải thích toàn bộ quá trình hình thành bất chỉnh hợp lớn ở những vùng vốn nằm sâu trong lục địa, cũng như không giải thích được vì sao ở một số khu vực, ranh giới giữa các lớp đá cổ và trẻ vẫn còn rõ nét, trong khi lại bị biến đổi hoặc xóa mất một phần ở những nơi khác.
Nghiên cứu mới của Santosh Dhungana và Nicolas Flament, Đại học Wollongong (Australia) trên tạp chí Nature đề xuất rằng những quá trình nêu trên có thể không diễn ra riêng rẽ, mà liên quan đến một chu kỳ vận động sâu bên dưới bề mặt Trái đất. Theo nhóm nghiên cứu, các lục địa được nâng lên trong thời gian dài, băng hà bào mòn nền đá, rồi lục địa hạ xuống để trầm tích mới phủ lên bề mặt đã bị bào mòn.
Nguồn gốc của chu kỳ này nằm ở lớp manti, lớp vật chất nóng nằm giữa vỏ và lõi Trái đất, dày gần 2.900 km. Dù phần lớn lớp phủ ở trạng thái rắn, vật chất ở đây vẫn có thể biến dạng và dịch chuyển rất chậm từ bề mặt xuống sâu trong lòng Trái đất qua chu kỳ khoảng 200 triệu năm.
Bản đồ các khu vực có lịch sử nâng lên – hạ xuống thuận lợi (màu cam) hoặc không thuận lợi (màu xanh xám) cho sự hình thành và bảo tồn bất chỉnh hợp lớn, theo mô hình dòng đối lưu trong lớp manti. Laurentia (LAU), Baltica (BAL) và Hoa Bắc (NCH) là ba khu vực có dấu tích bất chỉnh hợp lớn được ghi nhận rõ ràng. Ảnh: Nicolas Flament/ Đại học Wollongong
Nhiệt từ bên trong Trái đất tạo ra những dòng chuyển động trong lớp manti: vật chất nóng có xu hướng đi lên, còn vật chất nguội hơn chìm xuống. Quá trình này được gọi là đối lưu trong lớp manti. Những dòng chuyển động chậm ấy tác động lên các mảng kiến tạo, khiến bề mặt lục địa nâng lên hoặc hạ xuống trên những vùng rộng lớn. Biên độ của chuyển động trồi sụt này vẫn còn gây tranh cãi. "Tóm lại nó dao động khoảng vài trăm mét, nhưng con số chính xác là bao nhiêu thì vẫn đang cần nghiên cứu thêm", Flament cho biết.
Để kiểm tra giả thuyết, Dhungana và Flament xây dựng sáu mô hình máy tính tái dựng sự vận động của lớp manti trong một tỷ năm qua. Sau đó, họ nhóm các khu vực có bề mặt trồi sụt tương tự nhau để tìm ra nơi bất chỉnh hợp đáng lẽ phải hình thành và nơi nó có thể bảo tồn được đến ngày nay. Flament thừa nhận các mô phỏng của họ vẫn còn nhiều điểm chưa chắc chắn.
Kết quả cho thấy ba khối lục địa lớn - Laurentia, phần lõi cổ của Bắc Mỹ ngày nay; Baltica, một khối lục địa cổ ở Bắc Âu; và khối nền cổ Hoa Bắc - có thể đã trải qua một chu kỳ nâng lên kéo dài. Năm trong số sáu mô hình giả lập cho thấy mô thức này: Laurentia trải qua một thời kỳ nâng lên kéo dài rồi chìm dần vào kỷ Cambri. Đối với bắc Âu và miền bắc Trung Quốc, mô thức này xuất hiện trong bốn mô hình.
Ba giai đoạn hình thành bất chỉnh hợp lớn
Theo cách giải thích của nhóm, quá trình hình thành bất chỉnh hợp lớn diễn ra qua ba giai đoạn.
Trước hết, các dòng đối lưu trong lớp manti đẩy những vùng lục địa rộng lớn nâng lên.
Tiếp đó, đến giai đoạn Trái đất quả cầu tuyết, khi băng hà bào mòn những vùng đất được nâng lên. Giai đoạn nâng cao kéo dài này diễn ra trùng với các đợt băng hà lớn trong kỷ Cryogen. Những khối băng di chuyển trên bề mặt lục địa, nghiền và cuốn theo vật liệu đá, bóc đi một lượng lớn vật chất ngay cả ở những vùng địa hình không quá dốc.
Đây là mắt xích quan trọng trong giả thuyết của Flament. Hiện tượng nâng lên do đối lưu trong lớp manti, nếu đứng riêng lẻ, không tạo ra độ dốc đủ lớn để sông suối bóc đi lượng đá khổng lồ. Băng hà mới là tác nhân trực tiếp giúp quá trình bào mòn diễn ra mạnh mẽ.
Cuối cùng, khi trạng thái đối lưu thay đổi, những vùng lục địa từng được nâng lên bắt đầu hạ xuống. Biển tiến vào các vùng đất thấp, mang theo cát và những vật liệu trầm tích khác. Qua thời gian, chúng tích tụ và kết thành những lớp đá mới, phủ lên bề mặt đá cổ đã bị bào mòn.
Sự kết hợp giữa ba giai đoạn này vừa tạo ra bề mặt đá bị khuyết, vừa giúp bảo tồn nó dưới những lớp trầm tích trẻ hơn. Phía dưới là nền đá rất cổ, phía trên là những lớp đá có tuổi trẻ hơn nhiều; khoảng thời gian giữa hai khối đá không còn được ghi lại trong hồ sơ địa chất.
Các quá trình trên không ràng buộc nhân quả với nhau, mà "chỉ tình cờ trùng hợp về mặt thời gian", Flament giải thích.
Mô hình của nhóm Flament cũng lý giải tại sao khoảng trống địa tầng lại lộ rõ ở Bắc Mỹ, nhưng khó tìm thấy ở những nơi khác. So với các ghi chép trầm tích được lưu giữ trên từng lục địa, Bắc Mỹ và lục địa Á-Âu trải qua một chu kỳ nâng lên kéo dài rồi tiếp nối bằng một chu kỳ sụt lún kéo dài - điều mà các nhà nghiên cứu xem là "công thức lý tưởng" để hình thành bất chỉnh hợp lớn.
Horseshoe Mesa ở phía đông Grand Canyon, nơi lộ rõ ba dạng bất chỉnh hợp địa chất có niên đại từ Tiền Cambri, được đánh dấu lần lượt bằng màu trắng, đỏ và đen. Ảnh: Carl Bowman / National Park Service.
Ngược lại, Nam Mỹ và Úc lại trải qua hai chu kỳ nâng - sụt. "Điều này có khả năng hình thành nên hai bất chỉnh hợp riêng biệt, khiến cho bất chỉnh hợp lớn trở nên khó nhận diện hơn", Flament giải thích.
Nhưng nếu đối lưu manti tạo ra các chu kỳ trồi sụt đều đặn như vậy, câu hỏi còn lại là tại sao chúng ta chỉ thấy một bất chỉnh hợp lớn, nói cách khác, một sự kiện bào mòn đặc biệt lớn, diễn ra trên phạm vi rất rộng và để lại dấu tích nổi bật trong hồ sơ địa chất?
Nhóm nghiên cứu nhận định rằng bất chỉnh hợp lớn là độc nhất trong hồ sơ địa chất bởi sự kết hợp của nhiều yếu tố: một chu kỳ trồi - sụt kéo dài hơn 900 triệu năm, một đợt băng hà hóa gần như toàn cầu diễn ra đúng thời điểm then chốt, cùng thực tế là hồ sơ địa tầng càng ngược về quá khứ xa xôi thì càng khó đọc.
Flament nghi ngờ có thể tồn tại một ứng viên cổ hơn liên quan đến đợt băng hà cách đây 2,4 tỷ năm. Tuy nhiên, việc xác định niên đại gặp khó khăn do các lớp đá cổ không chứa hóa thạch - dấu tích quan trọng giúp các nhà khoa học xác định tuổi của trầm tích. "Sự hiện diện của dấu vết sự sống trong trầm tích giúp chúng ta cảm nhận và đo đếm thời gian dễ hơn rất nhiều", ông chia sẻ. Dù vậy, công trình của ông có thể giúp lý giải những gì đã diễn ra ngay sau khi bất chỉnh hợp lớn hình thành.
Quá trình xói mòn dữ dội tạo nên bất chỉnh hợp lớn đã rửa trôi một lượng vật chất khổng lồ từ đất đá ra các đại dương, có khả năng đã làm giàu dưỡng chất cho nước biển ngay trước thềm thời kỳ bùng nổ kỷ Cambri - khi canxi trở nên dồi dào trong nước biển. "Đó là lúc sự sống học được cách huy động canxi để tạo nên khung xương và vỏ bọc", Flament nói. Ông cũng thừa nhận động lực học manti có lẽ không phải là lý do duy nhất châm ngòi cho thời kỳ bùng nổ kỷ Cambri: "Tôi nghĩ sẽ là sai lệch nếu nói rằng lớp manti đã quyết định toàn bộ tốc độ tiến hóa ở đây. Nhưng tôi tin rằng đó là một trong những lực đẩy quan trọng đã cùng hiệp đồng tác động".
Văn Minh tổng hợp
[1] Scientists finally solve the mystery of Earth's 'Great Unconformity', https://www.scientificamerican.com/article/earths-rocks-have-a-missing-layer-spanning-up-to-a-billion-years-scientists-finally-know-what-happened-to-it/
[2] The Great Unconformity at Grand Canyon USA, https://iugs-geoheritage.org/geoheritage_sites/the-great-unconformity-at-grand-canyon/
[3] The deep Earth origin of the Great Unconformity, https://www.nature.com/articles/s41586-026-11156-5
[4] Earth’s churning mantle may have created the Great Unconformity, https://arstechnica.com/science/2026/11/earths-churning-mantle-may-have-created-the-great-unconformity/
[5] The Great Unconformity: How a Billion Years of Earth’s History Went Missing, https://geoscopy.com/the-great-unconformity-how-a-billion-years-of-earths-history-went-missing/