Vỏ Trái Đất đang rách ra dưới Tây Bắc Thái Bình Dương

Các nhà khoa học vừa có được hình ảnh chi tiết bất thường về một hệ thống kiến tạo lớn bên dưới vùng Tây Bắc Thái Bình Dương đang trong quá trình tan rã. Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science Advances cho thấy một đới hút chìm đang chủ động vỡ thành nhiều mảnh — lần đầu tiên giới địa chất quan sát được rõ ràng cách một hệ thống khổng lồ như vậy đi đến hồi kết.

Đới hút chìm hình thành khi một mảng kiến tạo bị ép chui xuống dưới một mảng khác và lún sâu vào lòng Trái Đất. Chúng là nguyên nhân của những trận động đất lớn nhất hành tinh, các vụ phun trào núi lửa dữ dội và những thay đổi dài hạn của lục địa lẫn đại dương. Cho đến nay, giới khoa học vẫn hiếm có cơ hội nhìn thấy rõ cách một hệ thống như thế kết thúc vòng đời.

Mặt cắt đới hút chìm dưới đáy đại dương

Cái chết của một đới hút chìm

Hút chìm là một trong những quá trình chính liên tục định hình lại bề mặt Trái Đất. Khi một mảng đại dương chìm xuống dưới mảng khác, vật chất từ vỏ Trái Đất bị cuốn xuống tầng manti — lớp vật chất nóng bên dưới vỏ.

Những hệ thống này có thể hoạt động suốt hàng triệu năm, nhưng không thể tồn tại mãi mãi. Nếu không, các lục địa sẽ dồn vào nhau, đại dương biến mất và phần lớn lịch sử địa chất Trái Đất sẽ bị xóa sạch.

Điều đó đặt ra một câu hỏi nền tảng cho các nhà địa chất: điều gì thực sự khiến một đới hút chìm trưởng thành ngừng hoạt động?

"Khởi động một đới hút chìm giống như cố đẩy một đoàn tàu lên dốc — cần nỗ lực khổng lồ," Brandon Shuck, nhà địa chất tại Đại học Bang Louisiana và là tác giả chính của nghiên cứu, giải thích. "Nhưng một khi nó đã chuyển động, đoàn tàu lao xuống dốc và gần như không thể dừng lại. Muốn kết thúc thì cần một cú sốc lớn — về cơ bản là một vụ tàu trật bánh."

Có thể lúc này, giới khoa học đang chứng kiến quá trình đó diễn ra ngay bên dưới Cascadia.

Một mảng kiến tạo đang vỡ ra dưới Cascadia

Ngoài khơi đảo Vancouver, các mảng Juan de Fuca và Explorer đang chậm rãi bị ép chui xuống dưới mảng Bắc Mỹ. Khu vực này thuộc đới hút chìm Cascadia — ranh giới kiến tạo khổng lồ chạy dọc vùng Tây Bắc Thái Bình Dương.

Các nhà nghiên cứu kết hợp dữ liệu động đất chi tiết với kỹ thuật ảnh địa chấn phản xạ để nhìn sâu bên dưới đáy biển. Kỹ thuật này hoạt động phần nào giống siêu âm y tế: sóng âm được phát vào lòng đất, sau đó đo cách chúng phản hồi từ các cấu trúc ngầm khác nhau.

Dữ liệu địa chấn đến từ Thí nghiệm Ảnh địa chấn Cascadia 2021 (CASIE21) do Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ tài trợ, trong đó các nhà nghiên cứu trên tàu phát sóng âm xuống đáy đại dương. Một dây thu tín hiệu dài 15 km mang thiết bị nghe dưới nước ghi lại các sóng phản hồi.

Từ việc phân tích những tín hiệu dội lại, họ dựng nên hình ảnh chi tiết về các cấu trúc ẩn dưới đáy biển. Kết quả gây sửng sốt: những đứt gãy và vết nứt lớn cắt xuyên qua mảng đang chìm, bao gồm cả những khu vực mà mảng dường như đang đứt gãy mạnh.

"Đây là lần đầu tiên chúng tôi có hình ảnh rõ ràng về một đới hút chìm đang trong lúc chết," Shuck nói. "Thay vì tắt phụt cùng lúc, mảng đang rách ra từng phần, tạo thành những mảng nhỏ hơn và ranh giới mới. Vậy nên thay vì một vụ tàu trật bánh lớn, nó giống như xem một đoàn tàu chệch ray từ từ, mỗi toa một lúc."

Vết rách dài 75 km xuyên qua mảng

Các nhà nghiên cứu xác định được nhiều vết rách chạy xuyên qua mảng đại dương. Một đặc điểm đặc biệt ấn tượng là sự dịch chuyển khổng lồ khiến một phần mảng sụt xuống khoảng năm kilômét.

"Có một đứt gãy rất lớn đang chủ động phá vỡ mảng này," Shuck giải thích. "Nó chưa đứt hoàn toàn, nhưng đã rất gần."

Hoạt động động đất cung cấp thêm manh mối về những gì đang diễn ra. Dọc theo vết rách dài khoảng 75 km, một số đoạn vẫn sinh ra động đất trong khi những đoạn khác trở nên im ắng lạ thường. Sự khác biệt này quan trọng vì động đất xảy ra khi các khối đá còn liên kết tích tụ ứng suất rồi đột ngột trượt.

"Khi một mảnh đã tách hoàn toàn, nó không còn sinh ra động đất nữa vì các khối đá không còn dính vào nhau."

Do đó, việc thiếu động đất dọc theo một phần của vết rách cho thấy một đoạn mảng đã tách ra. Theo các nhà nghiên cứu, vùng đã tách ấy đang dần mở rộng.

Vỏ Trái Đất có thể vỡ thành từng mảnh

Thay vì sụp đổ trong một sự kiện khổng lồ duy nhất, đới hút chìm này dường như ngừng hoạt động qua một chuỗi các lần vỡ nhỏ hơn. Các nhà nghiên cứu mô tả quá trình này là "theo từng đợt" hoặc "từng phần". Mỗi đoạn tách ra ở những thời điểm khác nhau, dần dần tháo gỡ hệ thống kiến tạo lớn.

Các ranh giới chuyển dạng đóng vai trò quan trọng. Đây là những đứt gãy nơi các phần của vỏ Trái Đất trượt ngang qua nhau. Trong bối cảnh này, chúng hoạt động gần như một chiếc kéo địa chất, cắt ngang mảng và giúp tách riêng từng mảnh.

Khi một mảnh bị tách ra, nó có thể hình thành một vi mảng — một mảnh nhỏ của lớp vỏ cứng bên ngoài Trái Đất, chuyển động phần nào độc lập với các mảng lớn xung quanh. Trong lúc đó, những phần gần đó của mảng lớn hơn vẫn có thể tiếp tục chìm xuống.

Khi ngày càng nhiều mảnh tách ra, phần mảng còn lại mất dần lực kéo xuống vốn duy trì quá trình hút chìm. Shuck so sánh quá trình này với việc tháo dần các toa khỏi một đoàn tàu mất phanh. Cuối cùng, hệ thống không còn đủ phần để tiếp tục theo cách cũ.

Mỗi đoạn riêng lẻ có thể mất vài triệu năm để vỡ. Nhưng cộng lại, các đợt này có thể đưa cả một đới hút chìm đến hồi kết.

Những bí ẩn kiến tạo cổ xưa dần sáng tỏ

Phát hiện này có thể giúp lý giải những câu đố địa chất ở các nơi khác trên thế giới. Giới khoa học từng tìm thấy các mảnh mảng bị bỏ lại và những chuỗi đá núi lửa bất thường, dường như ghi lại giai đoạn cuối của các đới hút chìm cổ. Trước đây, họ có bằng chứng rằng những hệ thống ấy đã vỡ ra, nhưng ít thông tin trực tiếp về cách quá trình diễn ra.

Một ví dụ quan trọng nằm ngoài khơi Baja California. Tại đó, các nhà địa chất đã xác định được những vi mảng hóa thạch còn sót lại từ mảng Farallon — một mảng đại dương cổ khổng lồ từng trải rộng khắp phần lớn phía đông Thái Bình Dương.

Những mảnh ấy từ lâu đã gợi ý rằng mảng Farallon không biến mất trong một sự kiện duy nhất. Quan sát tại Cascadia giờ đây có thể đưa ra lời giải thích cho cách các di tích như vậy hình thành: thay vì sụp đổ cùng lúc, một đới hút chìm đang chết có thể dần dần bung ra, để lại những mảnh mảng nhỏ hơn như bằng chứng địa chất.

Mảng rách có thể gây biến đổi núi lửa

Sự vỡ ra cũng có thể thay đổi những gì diễn ra sâu hơn bên dưới bề mặt Trái Đất. Khi một phần của mảng đang chìm tách ra, một khoảng trống gọi là "cửa sổ mảng" có thể hình thành, cho phép vật chất nóng hơn từ tầng manti trồi lên gần bề mặt.

Vật chất trồi lên đó có thể thay đổi quá trình tạo magma và góp phần vào những đợt hoạt động núi lửa. Khi quá trình vỡ tiếp diễn, các ranh giới kiến tạo có thể dịch chuyển, thêm vi mảng mới xuất hiện và những phần khác nhau của hệ thống hút chìm có thể ngừng hoạt động ở các thời điểm khác nhau.

"Đây là một sự sụp đổ dần dần, từng đợt một," Shuck nói. "Và nó khớp rất tốt với những gì chúng ta thấy trong hồ sơ địa chất, nơi đá núi lửa trẻ hơn hoặc già hơn theo trình tự phản ánh quá trình rách từng bước này."

Mối liên hệ giữa quan sát hiện đại và đá cổ xưa mang lại cho giới nghiên cứu một cách mới để diễn giải tàn tích của những ranh giới mảng đã biến mất từ lâu.

Điều này có ý nghĩa gì với động đất ở Cascadia?

Các phát hiện cũng đặt ra một câu hỏi quan trọng cho vùng Tây Bắc Thái Bình Dương: liệu những vết rách mới được xác định có thể ảnh hưởng đến động đất trong tương lai hay không?

Giới nghiên cứu hiện muốn hiểu liệu một trận động đất lớn có thể tiếp tục đứt gãy xuyên qua một trong những vết đứt này, hay liệu những đoạn mảng đã hư hại có thể thay đổi đường đi của đứt gãy. Đứt gãy là sự dịch chuyển nhanh dọc theo một đứt gãy, tạo ra động đất. Quãng đường đứt gãy lan truyền và các cấu trúc mà nó gặp trên đường có thể ảnh hưởng mạnh đến độ lớn và hành vi của trận động đất.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng phát hiện này không làm thay đổi đáng kể nguy cơ động đất ở Cascadia trong khoảng thời gian của con người. Khu vực này vẫn có khả năng tạo ra những trận động đất và sóng thần cực lớn. Quá trình vỡ được quan sát diễn ra trong hàng triệu năm, không phải hàng thập kỷ hay thế kỷ.

Tuy nhiên, việc bổ sung những cấu trúc mới phát hiện vào mô hình động đất có thể cải thiện hiểu biết của giới khoa học về cách các đứt gãy trong tương lai có thể hành xử.

Với các nhà địa chất, Cascadia đang mang đến một điều hiếm có hơn cả: cơ hội chứng kiến một trong những hệ thống kiến tạo vĩ đại của Trái Đất chậm rãi tự tháo gỡ, từng mảnh một.