Nếu cứ đào mãi xuống mặt đất dưới chân, ta sẽ gặp điều gì? Có vẻ như bên dưới đất và đá chỉ là đá nối tiếp đá, nhưng khi tới một độ sâu nhất định, Trái Đất chuyển sang một loại vật chất hoàn toàn khác. Lớp vỏ mỏng nơi chúng ta sinh sống kết thúc, và lớp dày chiếm phần lớn thể tích Trái Đất bắt đầu.
Ranh giới đó được gọi là “Bất liên tục Mohorovičić (Mohorovičić Discontinuity)”, hay gọi tắt là Moho. Nói đơn giản, Moho là mặt ranh giới ngăn cách vỏ Trái Đất, tức lớp vỏ ngoài cùng của hành tinh, với lớp phủ (manti) bên dưới. Chưa từng có ai trực tiếp đặt chân tới đó, nhưng nhờ sóng địa chấn, chúng ta biết khá chính xác độ sâu và hình dạng của nó.
Bài viết này sẽ lần lượt tìm hiểu Moho là gì, cách một nhà địa chấn học tìm ra ranh giới này trong các bản ghi động đất, nguyên lý đọc lòng đất bằng sóng địa chấn, và cả những thử thách khoan xuyên tới Moho.
Ranh giới chia lớp vỏ và phần bên trong Trái Đất
Moho nằm ở đâu?
Nếu ví Trái Đất như một quả trứng, vỏ Trái Đất là vỏ trứng, lớp phủ là lòng trắng và lõi là lòng đỏ. Moho chính là nơi vỏ trứng tiếp giáp với lòng trắng.
(1) Độ sâu khác nhau dưới lục địa và đại dương
Độ sâu của Moho thay đổi rất nhiều tùy nơi. Dưới đại dương, nó khá nông, khoảng 5~10km bên dưới đáy biển, còn dưới lục địa thì lên tới 20~90km, trung bình khoảng 35km. Đó là vì vỏ lục địa dày hơn vỏ đại dương rất nhiều.
(2) Núi càng cao, ranh giới càng sâu
Bên dưới những dãy núi cao, vỏ Trái Đất cắm rễ sâu xuống dưới, nên Moho cũng sâu tương ứng. Ngược lại, dưới các sống núi giữa đại dương, vỏ mỏng nên Moho nhô lên gần đáy biển.
(3) Đá phía trên và phía dưới khác nhau
Phần dưới của vỏ nằm phía trên Moho được cấu tạo từ loại đá có tính chất tương tự đá bazan, còn lớp phủ bên dưới gồm những loại đá nặng và đặc chắc hơn như peridotit. Chính sự khác biệt về vật chất này tạo nên ranh giới.
Ranh giới được tìm thấy trong các bản ghi động đất
Cái tên Moho bắt nguồn từ nhà địa chấn học người Croatia Andrija Mohorovičić.
(1) Sóng địa chấn đến hai lần
Khi một trận động đất xảy ra gần Zagreb năm 1909, Mohorovičić đã cẩn thận so sánh các bản ghi địa chấn từ nhiều trạm quan trắc. Ông phát hiện rằng ở những trạm cách tâm chấn một khoảng nhất định, cùng một loại sóng địa chấn lại đến thành hai nhóm riêng biệt.
(2) Sóng quay về bằng đường nhanh hơn
Ông giải thích rằng một nhóm đi thẳng qua vùng gần mặt đất, còn nhóm kia đi vòng qua một lớp truyền sóng nhanh hơn nằm sâu trong lòng đất. Việc trạm càng xa thì sóng đi vòng lại càng đến trước cũng giống như chuyện dù đường xa hơn nhưng đi đường cao tốc vẫn tới sớm hơn.
(3) Độ sâu tìm được nhờ tính toán
Dựa trên chênh lệch tốc độ sóng địa chấn, ông tính được độ sâu của ranh giới này vào khoảng 54km. Khi nhiều nghiên cứu về sau xác nhận kết quả đó, mặt ranh giới đã được đặt theo tên ông.
Nguyên lý đọc lòng đất bằng sóng địa chấn
Với các nhà khoa học Trái Đất, những người không thể nhìn trực tiếp vào lòng đất, sóng địa chấn giống như chiếc đèn pin soi sáng bên dưới.
- Sóng P (Primary Wave): Sóng địa chấn đến đầu tiên, lan truyền bằng cách đẩy và kéo vật chất qua lại theo chiều tiến.
- Sóng S (Secondary Wave): Đến muộn hơn sóng P, lan truyền bằng cách làm vật chất rung lên xuống hoặc sang hai bên.
- Khúc xạ (Refraction): Hiện tượng hướng truyền của sóng bị bẻ cong khi tốc độ thay đổi lúc đi qua các lớp có tính chất khác nhau.
(1) Tốc độ thay đổi tại ranh giới
Sóng P di chuyển với tốc độ khoảng 6.7~7.2km mỗi giây ngay phía trên Moho, rồi tăng lên khoảng 7.6~8.6km mỗi giây khi đi qua Moho. Sự thay đổi đột ngột gần 1km mỗi giây này chính là dấu hiệu cho biết nơi vỏ Trái Đất kết thúc.
(2) Không phải một đường cắt gọn như dao
Dù được gọi là một “mặt”, trên thực tế Moho thường là một đới chuyển tiếp dày tới vài trăm m. Ở một số nơi, ranh giới mà sóng địa chấn cho thấy và ranh giới nơi thành phần đá thay đổi không trùng khớp với nhau, nên cần thận trọng khi diễn giải chỉ dựa vào dữ liệu sóng địa chấn.
Thử thách khoan xuyên tới Moho
Từ lâu, các nhà khoa học đã mong muốn khoan xuyên qua Moho để trực tiếp lấy đá của lớp phủ lên nghiên cứu.
(1) Dự án Mohole trên biển
Cuối những năm 1950, các nhà khoa học Mỹ đề ra Dự án Mohole (Project Mohole) nhằm khoan xuyên đáy biển, nơi vỏ mỏng, để chạm tới lớp phủ. Năm 1961, tại một điểm ngoài khơi đảo Guadalupe của Mexico với độ sâu nước khoảng 3,600m, họ đã khoan thành công tới 183m bên dưới đáy biển và lấy được đá bazan. Tuy nhiên, do vấn đề chi phí và sự phản đối liên tiếp, Quốc hội Mỹ đã cắt ngân sách vào năm 1966 và dự án phải dừng lại.
(2) Lỗ khoan sâu nhất trên đất liền
Liên Xô cũ bắt đầu khoan trên bán đảo Kola từ năm 1970 và đạt độ sâu 12,262m vào năm 1989. Đây là lỗ khoan sâu nhất mà con người từng thực hiện, nhưng vỏ lục địa ở đó dày hơn nhiều nên vẫn còn cách Moho rất xa.
(3) Moho cổ được đẩy lên mặt đất
Dù chưa khoan xuyên được, thiên nhiên vẫn để lại những manh mối. Ở các ophiolit (Ophiolite), nơi một phần vỏ đáy biển và lớp phủ bị chuyển động của các mảng kiến tạo đẩy lên đất liền, Moho cổ lộ ra trên mặt đất, giúp các nhà khoa học có thể đi bộ dọc theo và trực tiếp quan sát ranh giới.
Moho là nơi chưa ai từng đặt chân tới, nhưng sự tồn tại của nó đã được làm sáng tỏ nhờ việc đọc ra những chênh lệch thời gian nhỏ mà sóng địa chấn để lại. Có thể nói, việc so sánh tỉ mỉ các bản ghi của một nhà địa chấn học hơn 100 năm trước đã trở thành điểm khởi đầu để hiểu cấu trúc bên trong Trái Đất.
Hiểu rằng ngay cả lòng đất vô hình cũng có thể được đọc qua những bản ghi rung chuyển, đó là bước đầu tiên của khoa học nhìn vào bên trong Trái Đất.
