Từ Steno đến Holmes: thang thời gian địa chất được dựng lên ra sao

Thang thời gian địa chất được dựng theo ba chặng trong khoảng ba thế kỷ: xác lập thứ tự lớp đá từ thế kỷ XVII, đặt tên các kỷ theo hoá thạch ở thế kỷ XIX, rồi gắn con số triệu năm bằng đồng hồ phóng xạ từ đầu thế kỷ XX.

Hiểu trình tự này giải thích được nhiều điều trông kỳ lạ trên bảng hiện nay: vì sao tên các kỷ đến từ xứ Wales hay dãy Ural, vì sao ranh giới gắn với hoá thạch mà không gắn với con số tròn, vì sao con số cứ được sửa còn tên thì giữ nguyên. Bài kể lại các bước chính, chỉ dùng những mốc phổ biến trong lịch sử khoa học, và chỉ ra ý tưởng nào của mỗi chặng còn được dùng tới hôm nay.

Chặng một: Steno và thứ tự của lớp đá

Bước đầu tiên là nhận ra lớp đá có thứ tự thời gian, và thứ tự ấy đọc được bằng vài nguyên lý đơn giản; người thường được nhắc đầu tiên là Nicolas Steno, một nhà khoa học người Đan Mạch làm việc ở Ý thế kỷ XVII.

Trong một công trình công bố năm 1669, Steno nêu các ý tưởng mà nay được gọi là nguyên lý chồng chất, lớp dưới hình thành trước lớp trên; nguyên lý nằm ngang ban đầu, trầm tích lắng xuống thành lớp gần như nằm ngang nên lớp nào nghiêng là đã bị biến dạng về sau; và nguyên lý liên tục ngang, một lớp kéo dài cho tới khi mỏng dần hoặc gặp vật cản. Ông còn lập luận rằng những vật hình răng trong đá là răng cá mập thật đã hoá đá, chứ không phải đá tự mọc thành hình răng.

Những nguyên lý này không cho biết lớp đá bao nhiêu tuổi, chỉ cho biết lớp nào trước, lớp nào sau. Đến nay, mọi hố khai quật khảo cổ và mọi bản mô tả địa tầng vẫn bắt đầu từ chúng.

Chặng hai: Hutton và ý niệm thời gian sâu

Cuối thế kỷ XVIII, nhà địa chất người Scotland James Hutton lập luận rằng các quá trình chậm như xói mòn, bồi lắng, nâng lên, nếu lặp lại đủ lâu, có thể tạo nên mọi cảnh quan; điều đó đòi hỏi thời gian dài hơn rất nhiều so với hình dung của người đương thời.

Bằng chứng nổi tiếng của Hutton là các mặt bất chỉnh hợp: nơi những lớp đá dựng đứng bị bào phẳng rồi bị phủ bởi các lớp nằm ngang. Để có cảnh ấy, cần ít nhất hai chu kỳ: lắng đọng, uốn nếp, nâng lên, bào mòn, rồi lại lắng đọng. Hutton không đưa ra con số tuổi, nhưng ông đưa ra một cách nhìn: thời gian địa chất là vô cùng sâu.

Nửa đầu thế kỷ XIX, Charles Lyell phổ biến cách nhìn này trong bộ sách nguyên lý địa chất học, ảnh hưởng sâu tới cả thế hệ nhà khoa học sau, trong đó có Charles Darwin. Quan điểm hiện đại đã điều chỉnh: bên cạnh quá trình chậm còn có những biến cố đột ngột như va chạm thiên thạch, nhưng ý niệm thời gian sâu thì vẫn đứng vững.

Chặng ba: William Smith, hoá thạch và tên các kỷ

Đầu thế kỷ XIX, người đo đạc kênh đào người Anh William Smith nhận ra mỗi lớp đá chứa một tập hợp hoá thạch riêng và tập hợp ấy xuất hiện theo cùng thứ tự ở nhiều nơi; đây là nguyên lý kế tục sinh vật.

Phát hiện này cho phép đối chiếu lớp đá ở hai nơi cách xa nhau: cùng tập hợp hoá thạch thì cùng thời. Smith dùng nó để vẽ bản đồ địa chất của cả nước Anh và xứ Wales, công bố năm 1815. Từ đó, các nhà địa chất châu Âu lần lượt mô tả và đặt tên các hệ đá: Cambri, Silur, Devon, Permi, Jura, Creta… phần lớn trong khoảng 1820 đến 1880. Mỗi tên gắn với vùng đá điển hình nơi nó được mô tả.

Đến cuối thế kỷ XIX, thứ tự các kỷ của liên đại Hiển sinh đã gần như giống bảng ngày nay, nhưng tất cả vẫn chỉ là thứ tự. Không ai biết kỷ Cambri cách đây bao lâu.

Thời trước phóng xạ: những con số ước đoán

Cuối thế kỷ XIX, đã có nhiều cố gắng gắn con số cho thời gian địa chất. Chúng thất bại không phải vì người tính cẩu thả, mà vì thiếu hiểu biết về một hiện tượng vật lý chưa được phát hiện.

Tính theo tốc độ nguội

Nhà vật lý Kelvin tính thời gian Trái Đất nguội từ trạng thái nóng chảy và đưa ra những con số chỉ vài chục triệu năm ở các ước tính sau cùng. Uy tín của ông làm nhiều nhà địa chất bối rối, vì con số quá ngắn cho những gì họ thấy trong đá.

Tính theo bề dày trầm tích và muối biển

Các nhà địa chất cộng bề dày đá trầm tích rồi chia cho tốc độ bồi lắng; người khác tính lượng muối sông đổ ra biển. Các con số dao động từ vài chục đến vài trăm triệu năm. Phương pháp nào cũng có giả thiết khó kiểm chứng: tốc độ có đều không, có bao nhiêu đá bị bào mất.

Chặng bốn: phóng xạ và thang có con số

Phóng xạ được phát hiện năm 1896; chỉ khoảng mười năm sau, các nhà khoa học đã dùng nó để đo tuổi khoáng vật, và năm 1913 Arthur Holmes công bố một thang địa chất có con số tuổi phóng xạ.

Ý tưởng cốt lõi: một đồng vị không bền phân rã với tốc độ không đổi, nên tỷ lệ giữa đồng vị mẹ và sản phẩm con cho biết thời gian đã trôi qua. Những phép đo urani – chì đầu tiên đầu thế kỷ XX đã cho tuổi hàng trăm triệu năm, rồi hơn một tỷ năm, đủ để giải quyết cuộc tranh luận với phe Kelvin. Arthur Holmes, nhà địa chất người Anh, dành gần trọn sự nghiệp để ghép các tuổi phóng xạ vào thứ tự các kỷ đã có sẵn, và liên tục sửa thang của mình mỗi khi có phép đo mới.

Thế kỷ XX còn bổ sung carbon-14 cho vài vạn năm gần đây, kali – argon cho đá núi lửa, cùng máy khối phổ ngày càng chính xác. Từ đầu thế kỷ XXI, bảng thang thời gian quốc tế được Uỷ ban Địa tầng Quốc tế cập nhật định kỳ.

Mỗi chặng để lại gì trên bảng hiện nay?

Nhìn bảng thang địa chất hôm nay, bạn có thể thấy dấu vết của cả bốn chặng xếp chồng lên nhau.

Bài học về cách khoa học làm việc

Thứ tự có trước con số. Người ta biết kỷ nào trước kỷ nào hàng chục năm trước khi biết tuổi của chúng; định tuổi tương đối và tuyệt đối bổ sung cho nhau chứ không thay thế nhau.

Con số sai có thể sai có lý do. Kelvin tính đúng theo hiểu biết của thời mình; con số chỉ thay đổi khi có hiện tượng mới được phát hiện.

Định nghĩa ổn định, phép đo cải tiến. Tên và thứ tự kỷ giữ nguyên hơn một thế kỷ, trong khi con số được sửa liên tục.

Câu hỏi thường gặp