How the Earth Works: Course Guidebook by Professor Michael E. Wysession

Khám phá cách Trái Đất vận hành thông qua các quá trình địa chất như kiến tạo mảng, núi lửa và xói mòn. Bài viết giải thích cấu trúc nội địa và các lực lượng

• Tác giả: Michael E. Wysession
• Trường học: Washington University in St. Louis
• Chuyên ngành: Khoa học Trái Đất
• Đề tài: Trái Đất Hoạt Động Như Thế Nào
• Loại tài liệu: Hướng dẫn khóa học
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Chantilly

Tóm tắt

I. Tổng quan về cách Trái Đất vận hành

Trái Đất là một hệ thống năng động với nhiều lớp cấu trúc bên trong. Hành tinh gồm bốn lớp chính: vỏ Trái Đất, lớp phủ (mantle), lớp ngoài lõi và lõi trong đặc. Mỗi lớp có thành phần, nhiệt độ và tính chất vật lý riêng biệt. Nhiệt là động lực chính thúc đẩy mọi hoạt động địa chất. Trái Đất tỏa nhiệt ra ngoài không gian với tốc độ khoảng 44,2 nghìn tỷ watt, tương đương 700 tỷ bóng đèn 60 watt. Nhiệt bên trong đến từ hai nguồn chính. Thứ nhất là nhiệt dư còn sót lại từ quá trình hình thành hành tinh cách đây 4,5 tỷ năm. Thứ hai là nhiệt phóng xạ từ bốn đồng vị uranium-238, uranium-235, thorium-232 và potassium-40. Sự vận chuyển nhiệt diễn ra qua ba cơ chế: bức xạ, dẫn nhiệt và đối lưu. Trong lòng Trái Đất, đối lưu là cơ chế quan trọng nhất. Thay vì năng lượng đi qua đá, chính khối đá di chuyển và mang theo năng lượng. Quá trình này tạo ra dòng chảy liên tục từ lõi lên bề mặt, giữ cho hành tinh luôn trong trạng thái vận động nội tại.

1.1. Cấu trúc bên trong của Trái Đất

Cấu trúc bên trong Trái Đất gồm nhiều lớp đồng tâm. Vỏ Trái Đất là lớp ngoài cùng, dày từ 5 đến 70 km tùy vị trí. Lớp phủ kéo dài xuống độ sâu khoảng 2.900 km, gồm đá silicat nóng. Tiếp theo là lớp ngoài lõi, cấu tạo từ sắt lỏng ở nhiệt độ trên 5.000°C. Lớp này có tính dẫn điện cao và tạo ra từ trường Trái Đất. Lõi trong là khối cầu bán kính khoảng 1.220 km, gồm sắt-niken ở trạng thái rắn. Biên giới giữa lớp phủ và lõi là vùng phức tạp nhất. Nghiên cứu chỉ ra sự hiện diện của các vùng đá bão hòa nước trong lớp phủ sâu. Phát hiện này thay đổi cách hiểu về sự vận hành bên trong hành tinh.

1.2. Nguồn nhiệt phóng xạ bên trong hành tinh

Nhiệt phóng xạ đóng vai trò then chốt trong việc duy trì hoạt động địa chất. Bốn đồng vị phóng xạ chính liên tục phân rã và giải phóng nhiệt bên trong hành tinh. Nếu không có nguồn nhiệt này, Trái Đất sẽ lạnh cứng và bất động giống như Mặt Trăng. Uranium-238 có chu kỳ bán rã 4,5 tỷ năm, gần bằng tuổi Trái Đất. Thorium-232 có chu kỳ bán rã khoảng 14 tỷ năm. Hai đồng vị uranium-235 và potassium-40 có chu kỳ ngắn hơn nhưng vẫn đóng góp đáng kể. Tổng nhiệt lượng tỏa ra bề mặt đạt 44,2 nghìn tỷ watt. Sự cân bằng giữa sinh nhiệt và tỏa nhiệt quyết định trạng thái năng động của hành tinh.

II. Phân tích các quá trình kiến tạo Trái Đất

Sự đối lưu trong lớp phủ là cơ chế vận hành chính của Trái Đất. Quá trình này hoạt động như một băng chuyền liên tục. Nóng từ sâu bên trong được đưa lên bề mặt, trong khi vật chất nguội đi chìm xuống dưới. Kiến tạo mảng là hệ quả trực tiếp của sự đối lưu. Các mảng lithosphere di chuyển trên lớp asthenosphere dẻo. Tốc độ di chuyển trung bình chỉ vài centimet mỗi năm. Nhưng qua hàng triệu năm, khoảng cách di chuyển là rất lớn. Có ba loại ranh giới mảng chính. Ranh giới tách giãn nơi mảng tách rời nhau. Ranh giới hội tụ nơi mảng va chạm hoặc chìm xuống. Ranh giới chuyển dạng nơi mảng trượt ngang qua nhau. Trước khi phát hiện kiến tạo mảng, nhiều người xem hành tinh như một hệ sinh vật tự điều chỉnh. James Hutton dùng thuật ngữ Gaia để mô tả quan điểm này. Ngày nay, khoa học chứng minh Trái Đất không phải sinh vật sống. Nhưng phép ẩn dụ về một hệ thống liên kết vẫn rất hữu ích cho nghiên cứu.

2.1. Cơ chế đối lưu trong lớp phủ

Sự đối lưu trong lớp phủ diễn ra cực kỳ chậm rãi. Vật chất nóng ở đáy lớp phủ nhẹ hơn và dâng lên trên. Vật chất nguội ở đỉnh trở nên nặng hơn và chìm xuống. Chu trình này lặp lại liên tục trong hàng triệu năm. Tốc độ dòng đối lưu khoảng vài centimet mỗi năm. Tuy nhiên, hiệu ứng tích lũy qua thời gian rất đáng kể. Dòng đối lưu mang theo nhiệt từ lõi lên bề mặt Trái Đất. Quá trình này tương tự như nước sôi trong nồi nhưng chậm hơn rất nhiều. Các nghiên cứu địa chấn phát hiện vùng đá bão hòa nước trong lớp phủ sâu. Nước làm giảm nhiệt độ nóng chảy của đá, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình đối lưu.

2.2. Vai trò của kiến tạo mảng trong địa chất

Kiến tạo mảng giải thích hầu hết các hiện tượng địa chất quan trọng. Động đất, núi lửa và tạo núi đều liên quan trực tiếp đến chuyển động mảng. Tại ranh giới tách giãn, magma dâng lên tạo vỏ đại dương mới. Dãy núi giữa Đại Tây Dương là ví dụ điển hình. Tại ranh giới hội tụ, một mảng chìm xuống dưới mảng khác. Quá trình này tạo ra rãnh đại dương sâu và vành đai núi lửa. Chuyển động mảng cũng giải thích sự phân bố hóa thạch và khoáng sản. Các lục địa từng hợp thành siêu lục địa Pangaea. Siêu lục địa này phân tách và trôi dạt qua hàng trăm triệu năm.

III. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc Trái Đất

Địa chấn học là phương pháp chính để nghiên cứu bên trong Trái Đất. Sóng địa chấn từ động đất lan truyền qua hành tinh và mang thông tin về cấu trúc bên trong. Bằng cách phân tích thời gian và đặc tính sóng, nhà khoa học có thể nhìn thấy bên trong Trái Đất. Giáo sư Michael Wysession đã triển khai nhiều mạng lưới địa chấn kế khắp nước Mỹ. Các thiết bị này ghi lại sóng địa chấn liên tục. Dữ liệu thu được giúp xây dựng hình ảnh ba chiều của cấu trúc bên trong. Có hai loại sóng địa chấn chính. Sóng P lan truyền qua cả chất rắn và chất lỏng. Sóng S chỉ đi qua chất rắn. Sự khác biệt này giúp xác định ranh giới giữa lớp phủ rắn và lõi ngoài lỏng. Công nghệ hiện đại cho phép tạo ra mô hình 3D chi tiết. Những hình ảnh này tiết lộ cấu trúc phức tạp trong lớp phủ. Các vùng nước bão hòa, điểm nóng và mảng chìm đều được phát hiện qua kỹ thuật tiên tiến này.

3.1. Kỹ thuật địa chấn học hiện đại

Kỹ thuật địa chấn học hiện đại đã tiến bộ vượt bậc trong những thập kỷ gần đây. Mạng lưới địa chấn kế rộng khắp cho phép thu thập dữ liệu liên tục và chính xác. Hàng nghìn trạm đo trên toàn cầu tạo thành hệ thống giám sát Trái Đất hiệu quả. Sóng địa chấn hoạt động giống như tia X trong y khoa. Sóng đi qua các lớp vật chất khác nhau sẽ thay đổi tốc độ và hướng. Phân tích những thay đổi này giúp tái tạo hình ảnh bên trong hành tinh. Hạn chế chính là độ phân giải còn giới hạn. Các cấu trúc nhỏ hơn vài chục kilômét khó phát hiện. Sự kết hợp dữ liệu từ nhiều trạm đo cải thiện đáng kể chất lượng hình ảnh.

3.2. Mô hình hóa 3D cấu trúc hành tinh

Mô hình hóa 3D cấu trúc Trái Đất là bước tiến quan trọng trong địa chất học. Từ dữ liệu sóng địa chấn, nhà khoa học tạo ra hình ảnh ba chiều chi tiết. Các mô hình này hiển thị sự phân bố nhiệt độ, thành phần và trạng thái vật chất. Nhờ mô hình 3D, các vùng đá bão hòa nước trong lớp phủ sâu được phát hiện. Nước trong lớp phủ ảnh hưởng đến nhiệt độ nóng chảy và quá trình đối lưu. Mô hình cũng giúp hiểu rõ hơn về ranh giới mantle-core. Vùng chuyển tiếp này có cấu trúc phức tạp hơn dự đoán. Các vùng siêu lõi được phát hiện tại đáy lớp phủ, có thể là dấu vết còn sót lại của quá trình hình thành hành tinh.

IV. Kết luận và ứng dụng khoa học Trái Đất

Hiểu biết về cách Trái Đất vận hành có nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng. Dự báo động đất và núi lửa là lĩnh vực ứng dụng trực tiếp nhất. Kiến thức về kiến tạo mảng giúp xác định vùng nguy hiểm và chuẩn bị phương án phòng tránh. Nghiên cứu cấu trúc bên trong cũng hỗ trợ tìm kiếm tài nguyên thiên nhiên. Dầu mỏ, khí đốt và khoáng sản phân bố theo quy luật địa chất. Hiểu biết về quá trình hình thành giúp dự đoán vị trí tài nguyên hiệu quả hơn. Ứng dụng khác là đánh giá tác động biến đổi khí hậu. Nhiệt từ bên trong Trái Đất ảnh hưởng đến nhiệt độ đại dương và khí hậu toàn cầu. Sự tương tác giữa hệ thống nội tại và bề mặt là lĩnh vực nghiên cứu mới đầy tiềm năng. Tương lai của khoa học Trái Đất hứa hẹn nhiều đột phá. Công nghệ giám sát ngày càng chính xác và phủ rộng hơn. Dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo hỗ trợ phân tích phức tạp. Mục tiêu cuối cùng là hiểu đầy đủ về hành tinh đang sinh sống.

4.1. Ứng dụng trong dự báo thiên tai

Ứng dụng trong dự báo thiên tai dựa trên hiểu biết kiến tạo mảng. Các vùng ranh giới mảng được xác định là khu vực nguy hiểm cao. Vành đai lửa Thái Bình Dương là ví dụ điển hình nhất. Kiến thức về sóng địa chấn giúp xây dựng hệ thống cảnh báo sớm. Khi động đất xảy ra, sóng P đến trước sóng S vài giây đến vài phút. Khoảng thời gian này đủ để phát cảnh báo và sơ tán dân. Nghiên cứu về núi lửa cũng hưởng lợi từ khoa học Trái Đất. Hiểu biết về magma, độ nhớt và hàm lượng nước giúp dự đoán kiểu phun trào. Núi lửa với magma nhiều nước thường phun nổ mạnh hơn.

4.2. Hướng nghiên cứu tương lai

Hướng nghiên cứu tương lai tập trung vào tích hợp đa nguồn dữ liệu. Dữ liệu địa chấn kết hợp với dữ liệu trọng lực, từ trường và vệ tinh tạo ra bức tranh toàn diện hơn. Trí tuệ nhân tạo đang cách mạng hóa phân tích dữ liệu địa chất. Máy học giúp nhận dạng mẫu phức tạp trong dữ liệu sóng địa chấn. Quá trình phân tích mà trước đây mất nhiều năm giờ hoàn thành trong vài giờ. Nghiên cứu nước trong lớp phủ sâu cũng là hướng đi mới. Phát hiện vùng đá bão hòa nước thay đổi hiểu biết về chu trình nước toàn cầu. Nước trong lớp phủ ảnh hưởng đến kiến tạo, núi lửa và cả sự sống trên bề mặt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Topic “Pure intellectual stimulation that can be popped into Science Subtopic the [audio or video player] anytime.” & Mathematics Earth Science —Harvard Magazine How the How the Earth Works “Passionate, erudite, living legend lecturers. Academia’s best lecturers are being captured on tape.” —The Los Angeles Times “A serious force in American education.” —The Wall Street Journal Earth Works Course Guidebook Professor Michael E. Wysession Washington University in St. Louis Professor Michael E. Wysession, an established leader in seismology and geophysical education, is Associate Professor of Earth and Planetary Sciences at Washington University in St. He is the primary author of popular geology textbooks, including Physical Science: Concepts in Action and Earth Science. His accolades include the St. Louis Science Academy’s Innovation Award and Washington University in St. Louis’s Distinguished Faculty Award. THE GREAT COURSES ® Corporate Headquarters 4840 Westfields Boulevard, Suite 500 Chantilly, VA 20151-2299 Guidebook USA Phone: [phone] www.com Cover Image: © Stocktrek Images, Inc. 1750 © 2008 The Teaching Company. PB1750A PUBLISHED BY: THE GREAT COURSES Corporate Headquarters 4840 Westfields Boulevard, Suite 500 Chantilly, Virginia 20151-2299 Phone: [phone] Fax: [phone] www.com Copyright © The Teaching Company, 2008 Printed in the United States of America This book is in copyright. All rights reserved. Without limiting the rights under copyright reserved above, no part of this publication may be reproduced, stored in or introduced into a retrieval system, or transmitted, in any form, or by any means (electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise), without the prior written permission of The Teaching Company. Professor of Geophysics Washington University in St. Wysession is Professor of Geophysics at Washington University in St. He earned his Sc. in Geophysics from Brown University and his Ph. from Northwestern University. Professor Wysession has established himself as a world leader in the areas of seismology and geophysical education. He has developed several means of using the seismic waves from earthquakes to “see” into the earth and create three-dimensional pictures of Earth’s interior. These images help us to understand what Earth is made of and how it evolves over time. An important focus of Professor Wysession’s research has been the complex boundary region between the solid rock of Earth’s mantle and the liquid iron of Earth’s core. Another focus has been the identification of large regions of water-saturated rock in the deep mantle. Some of these investigations have been carried out using seismic information from arrays of seismometers that Professor Wysession has deployed across America. The results show that our planet is in constant internal motion, carrying heat from the deep interior up to the surface like a continual conveyor belt. Professor Wysession is also a leader in geoscience education. He is the lead author of Prentice Hall’s ninth-grade physical science book, Physical Science: Concepts in Action. He also has supervised, in the role of primary writer, several other secondary-education textbooks, such as Prentice Hall’s ninth-grade text Earth Science and sixth-grade texts Earth’s Interior, Earth’s Changing Surface, and Earth’s Waters. Professor Wysession regularly gives workshops that help train secondary-education science teachers to teach earth and physical science. At a more advanced level, Professor Wysession is the coauthor of An Introduction to Seismology, Earthquakes, and Earth Structure, a leading graduate-level textbook used in geophysics classes around the world. He also constructed the first computer-generated animation of how seismic waves propagate within the earth from an earthquake, creating a 20-minute film that is used in many high school and college classrooms. Professor Wysession has also written about the deep Earth in several general-audience publications, such as Scientific American, American Scientist, and Earth Magazine. ©2008 The Teaching Company. i Professor Wysession’s commitment to science and education began early. After he received his bachelor’s in Geophysics, he taught high school math and science at Staten Island Academy in New York before going on to graduate school. After receiving his Ph., he joined the faculty at Washington University in St. Louis, where he has played a major role in the revisions of both the undergraduate and graduate-level geoscience curricula. He was asked to be the first Residential Faculty Fellow in Washington University’s new residential college system, through which he lived with his family in a freshman dormitory for three years. Professor Wysession has served as the editor of several journals of the American Geophysical Union, and his community service work has included several positions of responsibility within the Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS), which works to ensure strong continued funding for geophysical science at the national level. Professor Wysession is chair of IRIS’s Education and Outreach program, overseeing the improvement of geophysical education on a variety of levels. Professor Wysession’s research and educational efforts have been recognized through several fellowships and awards. He received a Science and Engineering Fellowship from the David and Lucille Packard Foundation and a National Science Foundation Presidential Faculty Fellowship, awarded by President Clinton; both were awarded to only 20 American scientists across all disciplines. Professor Wysession also was awarded fellowships from the Kemper and Lily Foundations to enhance his teaching. He has received the Innovation Award of the St. Louis Science Academy and the Distinguished Faculty Award of Washington University. In 2005, Professor Wysession had a Distinguished Lectureship with IRIS and the Seismological Society of America, entertaining and educating audiences across the country about earthquakes and seismology. ii ©2008 The Teaching Company. Table of Contents How the Earth Works Professor Biography . 1 Lecture One Geology’s Impact on History . 4 Lecture Two Geologic History—Dating the Earth. 8 Lecture Three Earth’s Structure—Journey to Earth’s Center . 12 Lecture Four Earth’s Heat—Conduction and Convection . 16 Lecture Five The Basics of Plate Tectonics . 20 Lecture Six Making Matter—The Big Bang and Big Bangs . 23 Lecture Seven Creating Earth—Recipe for a Planet. 27 Lecture Eight The Rock Cycle—Matter in Motion . 31 Lecture Nine Minerals—The Building Blocks of Rocks . 35 Lecture Ten Magma—The Building Mush of Rocks . 39 Lecture Eleven Crystallization—The Rock Cycle Starts . 43 Lecture Twelve Volcanoes—Lava and Ash. 47 Lecture Thirteen Folding—Bending Blocks, Flowing Rocks . 51 Lecture Fourteen Earthquakes—Examining Earth’s Faults . 56 Lecture Fifteen Plate Tectonics—Why Continents Move. 61 Lecture Sixteen The Ocean Seafloor—Unseen Lands . 66 Lecture Seventeen Rifts and Ridges—The Creation of Plates . 73 Lecture Eighteen Transform Faults—Tears of a Crust. 78 Lecture Nineteen Subduction Zones—Recycling Oceans. 83 Lecture Twenty Continents Collide and Mountains Are Made. 88 Lecture Twenty-One Intraplate Volcanoes— Finding the Hot Spots . 93 Lecture Twenty-Two Destruction from Volcanoes and Earthquakes . 98 ©2008 The Teaching Company. iii Table of Contents How the Earth Works Lecture Twenty-Three Predicting Natural Disasters. 101 Lecture Twenty-Four Anatomy of a Volcano—Mount St. 106 Lecture Twenty-Five Anatomy of an Earthquake—Sumatra . 110 Lecture Twenty-Six History of Plate Motions— Where and Why . 114 Lecture Twenty-Seven Assembling North America. 119 Lecture Twenty-Eight The Sun-Driven Hydrologic Cycle . 125 Lecture Twenty-Nine Water on Earth—The Blue Planet. 129 Lecture Thirty Earth’s Atmosphere—Air and Weather . 133 Lecture Thirty-One Erosion—Weathering and Land Removal . 138 Lecture Thirty-Two Jungles and Deserts—Feast or Famine . 142 Lecture Thirty-Three Mass Wasting—Rocks Fall Downhill. 147 Lecture Thirty-Four Streams—Shaping the Land. 152 Lecture Thirty-Five Groundwater—The Invisible Reservoir . 158 Lecture Thirty-Six Shorelines—Factories of Sedimentary Rocks . 163 Lecture Thirty-Seven Glaciers—The Power of Ice. 168 Lecture Thirty-Eight Planetary Wobbles and the Last Ice Age . 173 Lecture Thirty-Nine Long-Term Climate Change . 178 Lecture Forty Short-Term Climate Change . 185 Lecture Forty-One Climate Change and Human History . 192 Lecture Forty-Two Plate Tectonics and Natural Resources . 196 Lecture Forty-Three Nonrenewable Energy Sources . 202 Lecture Forty-Four Renewable Energy Sources. 209 Lecture Forty-Five Humans—Dominating Geologic Change. 214 Lecture Forty-Six History of Life—Complexity and Diversity . 219 Lecture Forty-Seven The Solar System—Earth’s Neighborhood. 224 Lecture Forty-Eight The Lonely Planet—Fermi’s Paradox. 231 iv ©2008 The Teaching Company. Table of Contents How the Earth Works Timeline . 265 ©2008 The Teaching Company. v vi ©2008 The Teaching Company. How the Earth Works Scope: Because the daily lives of most people nowadays can be so busy and hectic, it is appealing to think that at least the ground beneath our feet is steady, constant, and unchanging. Nothing could be further from the truth. We live on a vibrant, dynamic planet that is constantly in motion, inside and out. If you could view Earth’s history sped up, like a movie on fast-forward, our planet would look more like the swirling eddies of a whirlpool than a ball of rock. Continents would whiz about the surface, and rocks would continuously be cycling from the surface to the deep interior and back again. Because the surface changes so much over time, you would no more be likely to recognize the planet of our past than you would the planet of our future. Recent discoveries in the earth sciences (geology, geophysics, geochemistry, and geobiology) are now revealing what our planet Earth is made of, what its history has been, and, more importantly, “how it works.” The movie analogy is really not a bad one. Our current scientific investigations give us a “snapshot” of our planet as it is today. From this single image, we attempt to reconstruct its past and predict its future. It is a difficult task, like trying to reconstruct the plot of a movie like Humphrey Bogart’s The Big Sleep from just one still. The detective movie’s plot, with all of its twists and turns, is hard enough to follow with repeated viewings, but to jump in the middle and figure things out would be daunting, if not impossible; this, however, is what geologists do. They are like detectives themselves, examining the geological clues at hand in order to not only reconstruct Earth’s history but also to make predictions about its future. While it is true that our world is in flux and we may be, as Etta James sang, “Standin’ on Shaky Ground,” there really are some constants in our world. As far as we can tell, there are definite laws to the universe. The fundamental forces that control the motions of objects and the flow of energy seem constant and unchanging. In fact, given these laws, once the Big Bang occurred, 13.7 billion years ago, the eventual formation of stars and planets was inevitable. The machinery of our universe was set in motion; gravity, electromagnetism, and the strong and weak nuclear forces made sure that there were lots of planets orbiting lots of stars in lots of galaxies. We have a particular interest, however, in one specific planet: Earth. Though there are likely to be many billions of planets in just our galaxy alone, it turns out that very few might be like our own. The ©2008 The Teaching Company. 1 conditions required to maintain liquid water on a planet’s surface for 4 billion years (the time needed for single-celled life to evolve into something that can dribble a basketball or write a love sonnet) are remarkably unusual, and I will explore this idea in more detail later on in the course. One very important part of the study of how the earth works is the interdisciplinary nature of it. Earth science is not for the faint of heart—this is not “rocks for jocks.” In a modern-day university earth science department lecture, you are as likely to hear about the biological DNA of rock-chewing bacteria, the physics of the magnetic field of Jupiter, or the chemistry of ozone reactions in the atmosphere as you are likely to hear about more traditional topics of “geology.” This is because the divisions between the different sciences are entirely artificial. Nature does not know about biology, physics, and chemistry; there is only Nature, and all of the sciences are involved in it. This is nowhere more true than in the study of a planet and how it works. In very general terms, however, Earth’s story is a simple one. Earth was intensely hot when it first formed and has cooled ever since.