Khi đi bộ trong những khu rừng ven biển đông bắc Thụy Điển, bạn có thể bắt gặp một bãi biển cổ với những viên sỏi được mài tròn xếp thành dải trên sườn núi cách biển rất xa. Nước biển không dâng tới đó, vậy tại sao dấu vết của sóng lại còn trên lưng chừng núi? Câu trả lời nằm ở việc mặt đất vẫn đang nâng lên từng chút một, và lý thuyết giải thích chuyển động này chính là “thuyết cân bằng đẳng tĩnh (Isostasy)”.
Nói một cách đơn giản, thuyết cân bằng đẳng tĩnh cho rằng “lớp vỏ Trái Đất rắn chắc nổi trên lớp manti nặng hơn bên dưới và đạt trạng thái cân bằng ở độ cao phù hợp với bề dày cùng mật độ của nó”. Tên gọi này bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, với isos nghĩa là “bằng nhau” và stasis nghĩa là “đứng yên”. Đây là một khái niệm cơ bản trong khoa học Trái Đất, giải thích vì sao các dãy núi cao và đại dương sâu có thể cùng tồn tại.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu bối cảnh ra đời của thuyết cân bằng đẳng tĩnh, hai mô hình giải thích sự chênh lệch độ cao, hiện tượng mặt đất nâng lên sau khi băng hà tan và những lĩnh vực ứng dụng lý thuyết này ngày nay.
Nguyên lý mặt đất nổi và những dấu tích của nó
Thuyết cân bằng đẳng tĩnh là gì?
Vào thế kỷ 18, đoàn trắc địa Pháp đo hình dạng Trái Đất tại Ecuador ở Nam Mỹ dự đoán rằng lực hấp dẫn của dãy Andes sẽ kéo dây dọi lệch sang bên. Tuy nhiên, độ nghiêng thực tế của dây nhỏ hơn nhiều so với tính toán. Trong các cuộc khảo sát trắc địa tại Ấn Độ vào thế kỷ 19, câu đố tương tự cũng xuất hiện đối với dãy Himalaya. Các học giả dần cho rằng bên dưới các dãy núi có phần rễ bằng đá nhẹ ăn sâu xuống, bù lại trọng lượng của phần núi nhìn thấy trên bề mặt.
Năm 1855, nhà thiên văn học người Anh George Airy và giáo sĩ kiêm nhà toán học John Henry Pratt mỗi người đã đưa ra một giả thuyết giải thích hiện tượng này. Đến thập niên 1880, nhà địa chất học người Mỹ Clarence Dutton dùng thuật ngữ “Isostasy” để gọi trạng thái cân bằng ấy.
(1) Hiểu nguyên lý qua tảng băng trôi
Một tảng băng trôi nổi trên biển luôn có một tỷ lệ nhất định chìm dưới nước. Khi tuyết tích tụ bên trên, nó chìm sâu hơn; khi phần trên tan đi, phần băng còn lại nổi lên. Tương tự, lớp vỏ Trái Đất nổi trên manti và điều chỉnh độ cao mỗi khi trọng lượng thay đổi.
Hai mô hình giải thích sự chênh lệch độ cao
Trong mỗi 1 mét khối, đá manti có khối lượng khoảng 3,300 kg, còn vỏ lục địa khoảng 2,750 kg, nên lớp vỏ nhẹ hơn. Do sự chênh lệch này, lớp vỏ nổi trong trạng thái chìm một phần vào manti; hai mô hình khác nhau ở cách giải thích yếu tố quyết định độ cao của lớp vỏ.
- Mô hình Airy (Airy-Heiskanen Model): Cho rằng lớp vỏ có mật độ như nhau nhưng bề dày khác nhau. Theo cách giải thích này, núi càng cao thì phần rễ bên dưới càng ăn sâu.
- Mô hình Pratt (Pratt-Hayford Model): Cho rằng sự khác biệt giữa các nơi nằm ở mật độ của đá hơn là bề dày lớp vỏ. Theo cách giải thích này, nơi có đá nhẹ hơn sẽ nâng lên cao hơn.
- Mô hình uốn cong (Lithospheric Flexure): Cho rằng một mảng rắn chắc chịu trọng lượng sẽ uốn cong như tấm ván, phân bố tải trọng trên một vùng rộng để nâng đỡ.
(1) Phần rễ sâu của các dãy núi
Bề dày trung bình của vỏ lục địa khoảng 40 km, nhưng tại nơi các lục địa va chạm, con số này có thể đạt 80 km. Theo mô hình Airy, phần rễ núi dài khoảng năm lần chiều cao của núi, nghĩa là một ngọn núi cao 8 km có phần rễ sâu 40 km.
(2) Độ cao của các dãy núi dưới biển
Các sống núi đại dương, tức những dãy núi dài dưới đáy biển, là nơi manti bên dưới nóng lên, giãn nở và trở nên nhẹ hơn; mô hình Pratt giải thích tốt hiện tượng này.
Phục hồi sau băng hà: mặt đất nâng lên khi băng hà tan
Khoảng 2 vạn năm trước, khi thời kỳ băng hà cuối cùng đạt đỉnh điểm, Bắc Âu và Bắc Mỹ được bao phủ bởi những tấm băng dày tới 3 km. Mặt đất từng bị sức nặng này đè lún xuống đang từ từ nâng trở lại sau khi băng tan; hiện tượng đó được gọi là phục hồi sau băng hà (Post-glacial Rebound).
[Trường hợp 1] High Coast của Thụy Điển, nơi đất nâng lên cao nhất thế giới
Tại High Coast bên vịnh Bothnia của Thụy Điển, mặt đất đã nâng lên khoảng 285 m sau khi băng hà rút đi, thể hiện mức phục hồi lớn nhất được biết đến cho tới nay. Khu vực này được UNESCO ghi danh là Di sản thế giới vào năm 2000, và đến năm 2006, phạm vi di sản được mở rộng để bao gồm cả quần đảo Kvarken của Phần Lan ở phía bên kia biển. Phía bắc vịnh Bothnia hiện vẫn nâng lên tối đa khoảng 11 mm mỗi năm, nhờ đó lãnh thổ Phần Lan mở rộng thêm khoảng 7 kilômét vuông hằng năm.
[Trường hợp 2] Hồ Mälaren từ biển trở thành hồ
Hồ Mälaren (Lake Mälaren) nằm cạnh Stockholm vốn là một phần của biển Baltic. Khi mặt đất nâng lên, nơi này bị tách khỏi biển vào khoảng thời Trung cổ và trở thành hồ nước ngọt, còn Stockholm hình thành tại cửa thoát nước của hồ. Ngược lại, vùng đất phía ngoài rìa các băng hà cổ đang lún xuống, khiến những bãi biển cổ ở bờ đông Hoa Kỳ bị ngập dưới biển.
Những ứng dụng ngày nay của thuyết cân bằng đẳng tĩnh
Dù là một lý thuyết lâu đời, thuyết cân bằng đẳng tĩnh vẫn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu Trái Đất ngày nay. Trên thực tế, Trái Đất là một hệ động với manti chảy chậm và các mảng dịch chuyển, nên cũng có những khu vực mất cân bằng như Himalaya. Vì vậy, các nhà khoa học dùng lý thuyết này làm mốc để đo mức độ lệch khỏi trạng thái cân bằng.
(1) Dự báo biến đổi mực nước biển
Với cùng một mức nước biển dâng, tác động lên bờ biển sẽ khác nhau tùy nơi mặt đất nâng lên hay lún xuống, vì thế cần tính cả tốc độ phục hồi để có thể dự báo chính xác.
(2) Đo trọng lực và quan trắc bằng vệ tinh
Các trọng lực kế chính xác trên mặt đất, thiết bị định vị vệ tinh và vệ tinh đo trọng lực liên tục ghi lại chuyển động của khối lượng dưới lòng đất cùng tốc độ nâng lên của lớp vỏ.
(3) Mối quan hệ giữa dãy núi và xói mòn
Khi đỉnh núi bị bào mòn làm giảm trọng lượng, toàn bộ ngọn núi nâng lên từng chút một, nhờ đó các dãy núi duy trì độ cao lâu hơn chúng ta tưởng.
(4) Quyền sở hữu và sử dụng đất
Tại Phần Lan, nơi mặt đất đang nâng lên, hiện tượng này gắn bó mật thiết với đời sống đến mức pháp luật quy định cả việc ai sẽ sở hữu phần đất mới lộ ra từ biển.
Thuyết cân bằng đẳng tĩnh cho thấy các lục địa và dãy núi khổng lồ không ngừng tìm trạng thái cân bằng bằng cách nâng lên và hạ xuống trên manti. Bãi biển cổ trên lưng chừng núi và hồ Mälaren từng là một phần của biển là những bằng chứng sinh động cho thấy mặt đất cũng chuyển động theo trọng lượng.
Hiểu rằng mặt đất dưới chân không bao giờ đứng yên chính là bước đầu tiên để đọc hiểu một Trái Đất đang sống.
