Tổng quan nghiên cứu

Kỷ Carbon trong lịch sử Trái đất mở đầu bằng bậc Turne (Tournaisian), kéo dài từ 358,9 đến 346,7 triệu năm trước với khoảng thời gian ước tính 12,2 triệu năm. Ngành Tay cuộn (Brachiopoda) là nhóm động vật không xương sống đáy biển xuất hiện từ đầu kỷ Cambri cách đây khoảng 541 triệu năm. Nhờ khả năng phân bố rộng và tính nhạy cảm sinh thái cao, hóa thạch Tay cuộn được giới khoa học xem như "hàn thử biểu về sự thay đổi khí hậu" và là công cụ chỉ thị tuổi địa tầng chuẩn xác trong suốt Đại Cổ sinh.

Tại huyện Phong Điền, tỉnh Thừa Thiên - Huế với diện tích tự nhiên 953,751 km2, các thành tạo trầm tích chứa hóa thạch phân bố thành dải kéo dài hơn 30 km theo phương tây bắc - đông nam, bề rộng từ 3 đến 5 km thuộc hệ tầng Phong Sơn. Mặc dù các nghiên cứu trước đây đã phát hiện dấu vết cổ sinh trong tập Hiền An, song các mô tả phần lớn mới dừng lại ở cấp giống sơ bộ, thiếu vắng các dẫn liệu định lượng về vi cấu trúc vỏ, chưa làm rõ mối quan hệ ranh giới địa tầng giữa bậc Famen (Devon muộn) và bậc Turne (Carbon sớm), cũng như chưa khôi phục chi tiết bức tranh cổ địa lý khu vực.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là giám định hệ thống phân loại cổ sinh học chi tiết đến cấp loài cho phức hệ Tay cuộn Turne trong hệ tầng Phong Sơn, đồng thời luận giải hoàn cảnh cổ sinh thái và tái lập bản đồ cổ địa lý. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mặt cắt địa tầng dày 350 m tại moong khai thác mỏ đá vôi xi măng Đồng Lâm, xã Phong Xuân. Luận văn đã xác định chính xác 14 loài thuộc 13 giống, 6 bộ của phụ ngành Rhynchonelliformea, xây dựng 15 bảng dữ liệu sinh trắc học và 7 bản ảnh hiển vi vi cấu trúc, cung cấp cơ sở dữ liệu tin cậy đạt độ chính xác cao cho công tác phân chia địa tầng Carbon hạ tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng hệ thống phân loại hiện đại của Williams và cộng sự cùng tổ hợp công trình chuyên khảo của Paul A. Selden gồm 6 tập xuất bản từ năm 1997 đến năm 2007. Theo khung phân loại này, ngành Tay cuộn được chia thành 3 phụ ngành chính: Linguliformea, Craniiformea và Rhynchonelliformea, trong đó các giống loài có khớp mang cấu trúc vỏ cứng dạng canxit được xếp vào phụ ngành Rhynchonelliformea.

Về mặt địa tầng học, nghiên cứu kế thừa phương pháp luận sinh địa tầng của Tống Duy Thanh, dựa trên sự xuất hiện của các phức hệ hóa thạch chỉ thị như phức hệ Leptagonia - Phillipsia và đới vi cổ sinh Tournayella - Chernyshinella để phân định bậc Turne. Khung lý thuyết tích hợp ba khái niệm cốt lõi:

  1. Hình thái học chức năng: Phân tích cấu trúc gờ tỏa tia dạng chùm xen kẽ, nếp nhăn đồng tâm, phiến tam giác giả và mấu khớp để giải mã cơ chế thích nghi.
  2. Cổ sinh thái học đáy biển: Sử dụng tổ hợp sinh vật đồng hành để xác định độ sâu, nhiệt độ và năng lượng thủy động lực.
  3. Cổ địa lý sinh vật: Luận giải mối liên hệ không gian giữa bồn trũng Phong Xuân và các mảng lục địa cổ qua đại dương Paleo-Tethys.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực địa được thu thập từ việc đo vẽ chi tiết mặt cắt địa tầng dày 350 m gồm 7 phân nhịp thạch học tại xã Phong Xuân. Phương pháp chọn mẫu được tiến hành theo lớp từ dưới lên trên, từ tầng cổ đến tầng trẻ, tập trung vào các vỉa đá phiến sét đen, sét vôi và đá vôi xám đen. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hơn 50 cá thể hóa thạch đại diện được quản lý theo mã số dự án Bộ sưu tập mẫu vật Quốc gia BSTMV.28/15-18 lưu trữ tại Bảo tàng Thiên nhiên Việt Nam.

Quy trình xử lý mẫu vật trong phòng thí nghiệm diễn ra qua 3 công đoạn nghiêm ngặt:

  • Gia công cơ học và tạo khuôn đúc: Mẫu đá được làm sạch bề mặt bằng dụng cụ vi châm chuyên dụng; các mẫu dạng vết in được đúc khuôn bằng chất dẻo nha khoa Polyvinyl Siloxane "Exafine Putty" nhằm tái tạo hoàn hảo cấu trúc âm bản và dương bản của buồng cơ bên trong vỏ.
  • Phủ bụi magie và chụp ảnh hiển vi: Bề mặt mẫu đúc được phủ một lớp bột magie siêu mịn giúp tăng cường độ tương phản quang học, sau đó chụp ảnh hiển vi ở 5 góc độ quy chuẩn: mặt bụng, mặt lưng, bờ trước, bờ sau và bờ bên.
  • Phương pháp phân tích sinh trắc học và đối sánh: Đo đạc kích thước chiều dài, chiều rộng, chiều dày, mật độ gờ và góc phân kỳ phiến răng với độ chính xác đến 0,1 mm. Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm bảo tồn nguyên vẹn cấu trúc mẫu vật quý hiếm, đồng thời cung cấp các tham số định lượng rõ ràng để đối sánh với các mẫu chuẩn quốc tế tại Anh, Bỉ, Nga, Trung Quốc và Australia.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân loại hình thái học đã xác định phức hệ Tay cuộn gồm 14 loài thuộc 13 giống, 6 bộ và 2 lớp thuộc phụ ngành Rhynchonelliformea. Phân bố thành phần loài cho thấy sự chiếm ưu thế vượt trội của bộ Strophomenida và Productida (chiếm khoảng 50% tổng số giống), tiếp theo là Orthotetida (khoảng 23%), Orthida (khoảng 15%) và Spiriferida (khoảng 12%).

Các số liệu sinh trắc học cụ thể trên từng loài tiêu biểu bao gồm:

  • Leptagonia analoga Phillips, 1836: Chiều dài vỏ dao động từ 22 mm đến 35 mm, chiều rộng từ 22 mm đến 40 mm. Chiều dài bờ khớp lớn hơn chiều rộng tối đa của vỏ. Mật độ gờ tỏa tia đạt 12 đến 15 gờ trên mỗi 5 mm ở đỉnh mảnh bụng và 15 đến 18 gờ trên mỗi 5 mm ở mảnh lưng, đi kèm 13 đến 15 nếp nhăn đồng tâm dạng sóng.
  • Schuchertella pseudoseptata Campbell, 1957: Chiều dài vỏ từ 19 mm đến 22 mm, chiều rộng từ 17 mm đến 28 mm. Bên trong mảnh bụng có phiến răng ngắn dài 2 đến 3 mm phân kỳ một góc 110 độ; mật độ gờ tỏa tia ở cá thể trưởng thành đạt 5 đến 6 gờ chính xen kẽ 6 đến 7 gờ phụ trên mỗi 5 mm.
  • Rhipidomella michelini (L'Eveille, 1835): Chiều dài vỏ từ 22 mm đến 30 mm, chiều rộng từ 20 mm đến 22 mm. Chiều dài bờ khớp chỉ bằng một phần ba chiều rộng tối đa; mật độ gờ tỏa tia dạng đôi phân nhánh đạt 10 đến 13 gờ trên mỗi 5 mm ở giữa vỏ.
  • Rugosochonetes sp.: Dạng vỏ nhỏ hình bán nguyệt, chiều dài từ 5 mm đến 8 mm, chiều rộng từ 6 mm đến 13 mm, chiều dày đạt 3 mm, trên bờ khớp mang 2 đến 3 cặp gai đối xứng nghiêng một góc 45 đến 60 độ.

Thảo luận kết quả

Về mặt sinh địa tầng, sự cùng xuất hiện của Leptagonia analoga, Pustula abbotti và Schellwienella burlingtonensis trong tập đá phiến sét đen của tập Hiền An là bằng chứng xác lập tuổi Turne sớm cho phần trên của tập này. Kết quả đối sánh cho thấy sự tương đồng cao với các tầng đá vôi Carbon hạ tại vùng Cát Bà (Hải Phòng) và hệ tầng Tốc Tát (Cao Bằng), giúp làm sáng tỏ ranh giới liên tục giữa Devon muộn và Carbon sớm trong hệ tầng Phong Sơn.

Về mặt cổ sinh thái, cấu trúc vỏ dạng dẹt mỏng, bờ khớp thẳng kéo dài thành dạng tai ở các giống Leptagonia và Rugosochonetes cùng hệ thống gai neo bám ở họ Productidae phản ánh sự thích nghi hoàn hảo với môi trường đáy mềm giàu bùn sét. Môi trường sống của phức hệ này là vùng biển thềm lục địa nông, nước ấm, độ chiếu sáng tốt và thủy động lực học dao động từ yếu đến trung bình. Điều này được minh chứng bằng sự cộng sinh chặt chẽ với san hô bốn tia Syringopora, huệ biển Floricyclus và bọ ba thùy Phillipsia.

Các phát hiện được mô hình hóa trực quan thông qua 15 bảng kích thước chi tiết và sơ đồ phục dựng cổ địa lý. Sự tương đồng sinh học trên 70% giữa phức hệ Phong Xuân với bồn trũng Bonaparte (Australia) và các mảng Nam Trung Hoa khẳng định bồn trầm tích Thừa Thiên - Huế từng giữ vai trò cầu nối sinh vật quan trọng trong nhánh xích đạo của hải lưu Paleo-Tethys cách đây 350 triệu năm.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát huy giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn của công trình, 4 nhóm giải pháp cụ thể được đề xuất:

  1. Mở rộng mạng lưới đo vẽ sinh địa tầng chi tiết: Tiến hành đo vẽ và lập bản đồ địa tầng tỷ lệ 1:10.000 dọc theo dải phân bố 30 km của hệ tầng Phong Sơn từ Văn Xá đến Hòa Mỹ trong giai đoạn 2026 - 2028. Cơ quan chủ trì thực hiện là Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thừa Thiên Huế phối hợp cùng Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN, hướng tới mục tiêu phân định chính xác 100% ranh giới Famen - Turne trên toàn tỉnh.
  2. Ứng dụng công nghệ quét ảnh vi cắt lớp 3D Micro-CT: Triển khai kỹ thuật chụp cắt lớp không phá hủy cho hơn 50 mẫu vật cổ sinh quý hiếm trong vòng 12 tháng tới. Hoạt động do Bảo tàng Thiên nhiên Việt Nam chủ trì nhằm tái tạo mô hình 3D đa chiều của cơ quan tay lược và vách ngăn buồng cơ bên trong mà không gây tổn hại đến hiện vật.
  3. Thiết lập cơ sở dữ liệu số hóa di sản cổ sinh: Xây dựng hệ thống quản lý số hóa 3D trực tuyến kết nối bộ sưu tập mẫu vật mã số BSTMV.28/15-18 với mạng lưới di sản địa chất quốc gia trong thời hạn 18 tháng, bảo đảm 100% mẫu vật được cấp mã định danh và gắn tọa độ vết lộ địa chất phục vụ nghiên cứu quốc tế.
  4. Bảo tồn các vết lộ địa chất tại khu vực khai thác công nghiệp: Thiết lập cơ chế phối hợp bảo vệ điểm lộ giữa Ban Quản lý tài nguyên địa phương và Công ty Xi măng Đồng Lâm tại moong khai thác 350 m ở xã Phong Xuân. Cần quy định việc giám sát cổ sinh định kỳ trước khi tiến hành nổ mìn bóc tầng ở độ sâu dưới 15 m nhằm lưu giữ các vỉa hóa thạch có giá trị di sản đặc biệt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng:

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và nhà khoa học Cổ sinh - Địa tầng: Tài liệu cung cấp cơ sở phân loại chuẩn mực theo hệ thống Selden hiện đại, phương pháp định loại 14 loài Tay cuộn Turne và các khóa phân loại vi cấu trúc vỏ phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu.
  • Học viên cao học và sinh viên ngành Địa chất học: Luận văn là bản cẩm nang hướng dẫn thực hành hoàn chỉnh từ kỹ năng đo vẽ mặt cắt thực địa, xử lý mẫu thạch học, kỹ thuật làm khuôn đúc silicon Exafine Putty đến kỹ thuật phủ magie chụp ảnh hiển vi.
  • Kỹ sư thăm dò khoáng sản và địa chất dầu khí: Cung cấp công cụ định tuổi sinh địa tầng chính xác cho các tập trầm tích cacbonat và sét vôi, hỗ trợ hiệu quả công tác đánh giá trữ lượng đá vôi xi măng và dự báo các tầng bẫy chứa tiềm năng trong bồn trầm tích Paleozoi.
  • Cơ quan quản lý tài nguyên và quy hoạch di sản thiên nhiên: Tài liệu cung cấp luận cứ khoa học thực chứng để xây dựng hồ sơ khoanh vùng bảo vệ di sản địa chất, phục vụ định hướng phát triển công viên địa chất và du lịch sinh thái học thuật tại Thừa Thiên - Huế.

Câu hỏi thường gặp

1. Hóa thạch Tay cuộn bậc Turne giữ vai trò gì trong việc phân định địa tầng tại Thừa Thiên - Huế?
Hóa thạch Tay cuộn Turne (358,9 - 346,7 triệu năm trước) đóng vai trò là sinh hóa thạch chỉ thị tuổi tuyệt đối. Sự xuất hiện của các loài chuẩn như Leptagonia analoga và Schellwienella burlingtonensis trong mặt cắt 350 m tại mỏ đá Đồng Lâm giúp xác định chính xác tuổi Carbon sớm cho tập Hiền An, phân biệt rõ ràng với tập Văn Xá có tuổi Devon muộn nằm bên dưới.

2. Kỹ thuật đúc khuôn bằng silicon Exafine Putty mang lại ưu điểm gì trong nghiên cứu cổ sinh?
Kỹ thuật sử dụng chất dẻo nha khoa Exafine Putty cho phép sao chép với độ chính xác dưới 0,05 mm các chi tiết giải phẫu bên trong vỏ như vách ngăn giữa, hốc răng và vết bám cơ khép. Phương pháp này giúp phục dựng toàn diện hình thái âm bản mà không làm mài mòn hay biến dạng mẫu hóa thạch gốc.

3. Tại sao cấu tạo vỏ của loài Leptagonia analoga lại phản ánh môi trường biển nông đáy mềm?
Loài Leptagonia analoga sở hữu dạng vỏ hình bán nguyệt phẳng rộng (kích thước 22 - 35 mm) với 13 - 15 nếp nhăn đồng tâm và bờ khớp kéo dài. Diện tích bề mặt tiếp xúc lớn giúp cá thể phân tán trọng lượng đều trên mặt đáy, ngăn ngừa hiện tượng lún chìm trong lớp bùn sét vôi mềm của môi trường biển nông yên tĩnh.

4. Mức độ tương đồng cổ địa lý giữa phức hệ Tay cuộn Phong Xuân và các khu vực trên thế giới ra sao?
Phức hệ 14 loài tại Phong Xuân có mức độ tương đồng trên 70% với các quần thể cổ sinh cùng thời kỳ ở bồn trũng Bonaparte (Australia), Nam Trung Hoa và Tây Âu. Điều này chứng minh khu vực Trung Trung Bộ từng nằm trên tuyến đường giao lưu sinh vật nhiệt đới rộng mở thuộc đại dương Paleo-Tethys.

5. Cấu trúc địa chất của hệ tầng Phong Sơn tại vùng Phong Xuân có đặc trưng thạch học gì nổi bật?
Hệ tầng Phong Sơn phân bố thành dải dài hơn 30 km, rộng 3 - 5 km gồm 2 tập: tập Văn Xá gồm đá vôi sét chứa hóa thạch Famen và tập Hiền An gồm đá vôi xám đen xen kẽ các lớp đá phiến sét đen dày 350 m chứa phong phú hóa thạch Tay cuộn, Huệ biển và San hô bậc Turne.

Kết luận

  • Luận văn đã phân loại và mô tả chi tiết 14 loài thuộc 13 giống, 6 bộ của phụ ngành Rhynchonelliformea trong hệ tầng Phong Sơn, vùng Phong Xuân, Thừa Thiên - Huế.
  • Xác lập cơ sở sinh địa tầng vững chắc khẳng định tuổi Turne sớm (Carbon hạ, 358,9 đến 346,7 triệu năm trước) cho tập Hiền An thông qua phức hệ chỉ thị Leptagonia - Phillipsia.
  • Khôi phục thành công bức tranh cổ sinh thái thềm lục địa biển nông, nước ấm, nền đáy bùn sét mềm với chế độ thủy động lực học yếu đến trung bình.
  • Chứng minh mối liên kết cổ địa lý - sinh vật mật thiết giữa bồn trũng Phong Xuân với Australia và các mảng lục địa Á - Âu qua đại dương Paleo-Tethys.
  • Xây dựng bộ tư liệu sinh trắc học chuẩn tắc với 15 bảng số liệu và 7 bản ảnh hiển vi, đóng góp mẫu vật giá trị cho Bộ sưu tập mẫu vật Quốc gia (mã số BSTMV.28/15-18).

Trong giai đoạn 2026 - 2028, các nghiên cứu tiếp nối cần tập trung vào việc quét 3D Micro-CT độ phân giải cao và số hóa toàn diện dữ liệu vết lộ. Các đơn vị nghiên cứu và cơ quan quản lý cần chủ động liên kết nhằm bảo tồn bền vững nguồn tài nguyên di sản địa chất quý giá này.