Địa chất học là gì? Đối tượng, ý nghĩa, phương pháp nghiên cứu

1. Khái niệm về Địa chất học

Cụm từ “Địa chất học” xuất phát từ chữ Hylạp geologia (geo: Trái Đất và logia: nghiên cứu hoặc khoa học). Như vậy địa chất học là môn khoa học nghiên cứu về quy luật hình thành, phát triển, biến đổi của Trái Đất và các yếu tố của nó trong quá khứ, hiện tại. Những nhà khoa học nghiên cứu về các vấn đề trên được gọi là nhà địa chất (geologist).

Các nhà địa chất tiến hành nghiên cứu ở khắp nơi trên Trái Đất từ những miền núi cao, băng giá, tới đáy đại dương. Những công việc của họ là nhằm hiểu biết tất cả các quá trình xảy ra trên Trái Đất và giải đoán lịch sử phát triển lâu dài và phức tạp của Trái Đất.

Các quá trình nghiên cứu của các nhà địa chất tuân theo tất cả các quy luật tự nhiên được các nhà vật lý, hóa học và toán học phát hiện. Địa chất học cũng là một ngành có tính thực tiễn đặc biệt vì nó là khoa học nghiên cứu về Trái Đất mà chúng ta đang sống, và những kết quả nghiên cứu có thể được kiểm chứng hoặc dựa trên những bằng chứng thực tế mà từ đó đem lại hiểu biết về các hành vi của Trái Đất.

2. Đối tượng và nhiệm vụ của Địa chất học

Địa chất học được chia thành nhiều nhánh nghiên cứu khác nhau trong đó có địa chất cơ sở (general geology) và địa chất lịch sử (historical geology). Địa chất cơ sở nghiên cứu các quá trình địa chất xảy ra trên hoặc bên dưới bề mặt Trái Đất và các vật chất bị chúng tác động. Địa chất lịch sử nghiên cứu về trình tự thời gian mà các sự kiện, cả tự nhiên và sinh học đã xảy ra trên Trái Đất trong quá khứ. Ngoài ra phụ thuộc vào đối tượng nghiên cứu cụ thể mà các nhánh đó lại được chia ra thành nhiều môn khác nhau, ví dụ như:

• Các môn khoa học địa chất nghiên cứu về thành phần vật chất của vỏ Trái Đất: khoáng vật học, thạch học..
• Các môn nghiên cứu về các quá trình hình thành các loại đá khác nhau: địa tầng học, trầm tích luận, thạch học đá magma, thạch học đá biến chất…
• Các môn nghiên cứu về vận động của vỏ Trái Đất: địa chất cấu tạo, địa kiến tạo, địa mạo, tân kiến tạo…
• Các môn nghiên cứu về các loại khoáng sản, tiềm năng của chúng và phương pháp thăm dò và khai thác chúng: khoáng sản học, địa chất thủy văn, tìm kiếm thăm dò khoáng sản, địa vật lý, kinh tế địa chất, khoan thăm dò.
• Các môn nghiên cứu về môi trường và tai biến địa chất: địa chất môi trường …
• Các môn nghiên cứu về điều kiện địa chất để xây dựng công trình: địa chất công trình, địa kỹ thuật.

Một đối tượng nghiên cứu quan trọng của địa chất học và có mặt trong tất cả các nhánh hoặc môn khoa học địa chất là các loại đá (rocks).

Đá là một tổ hợp cộng sinh tự nhiên của các khoáng vật được hình thành trong vỏ Trái

Đất trong một điều kiện địa chất nhất định và tạo thành một phần của các hành tinh.

Tóm lại, địa chất học tập trung nghiên cứu: cấu trúc, đặc điểm vật lý, động lực, lịch sử của các vật liệu trên Trái Đất, kể cả các quá trình hình thành, vận chuyển, biến đổi của các vật liệu này.

3. Mối quan hệ của Địa chất học với các ngành khoa học khác

Vì địa chất học là ngành khoa học nghiên cứu về Trái Đất, nó bao gồm việc nghiên cứu tất cả các hoạt động, quá trình và sự phát triển theo thời gian của các đối tượng địa chất trong những điều kiện vật lý, hóa học, sinh học và các điều kiện tự nhiên khác vô cùng phức tạp. Do đó địa chất học có mối quan hệ khăng khít với hầu hết các ngành khoa học khác như: vật lý, hóa học, toán học, cơ học, sinh vật học. Địa chất học không những sử dụng thành quả của các nghiên cứu này mà còn bổ sung các dữ liệu và kiểm chứng những kết quả của các nghiên cứu đó. Mối liên hệ giữa địa chất học và các môn khoa học cơ bản còn được thể hiện bởi sự ra đời của một loạt các môn khoa học có tính chất liên kết với mục đích giải quyết các vấn đề của địa chất học như: địa hóa học, địa vật lý, toán địa chất, tin học địa chất…

4. Ý nghĩa của nghiên cứu địa chất đối với cuộc sống con người

Việc nghiên cứu địa chất có ý nghĩa thực tiễn quan trọng với mục đích cuối cùng là phục vụ đời sống của con người. Cuộc sống của muôn loài phụ thuộc vào môi trường xung quanh và môi trường đó được quyết định bởi các quá trình địa chất trên mặt hoặc bên trong Trái Đất. Do đó mức độ hiểu biết của chúng ta về hành vi của các quá trình địa chất sẽ quyết định tương lai của nhân loại nhờ những dự báo và tiên đoán của chúng ta. Để có thể dự đoán được những gì sẽ xảy ra trong tương lai, chúng ta phải hiểu rõ rất cả về vật chất của Trái Đất và các quá trình địa chất.

Tất cả nguồn tài nguyên mà chúng ta đang sử dụng đều đến từ Trái Đất, do đó việc nghiên cứu và hiểu biết rõ quy luật phân bố, trữ lượng tài nguyên (khoáng sản, nước dưới đất…) có mặt bên trong và trên mặt đất và ý nghĩa của chúng đối với cuộc sống con người sẽ giúp chúng ta định hướng được sự phát triển thông qua việc khai thác và sử dụng tài nguyên hợp lý.

Vì toàn bộ các kết cấu do con người tạo ra (nhà cửa, đường xa, cầu cống, sân bay, thủy điện…) đều được đặt trên nền móng là phần trên cùng của Trái Đất nên độ an toàn và ổn định của chúng sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào sự hiểu biết về đặc điểm của nền móng này thông qua việc nghiên cứu địa chất.

Tất cả các tai biến đã, đang và sẽ xảy ra đều có nguồn gốc từ các hoạt động của Trái Đất. Có thể một ngày nào đó chúng ta học được cách để khống chế các thiên tai, nhưng hiện tại điều tốt nhất ta có thể làm được đó là dự đoán các thiên tai đó sẽ xảy ra khi nào và ở đâu để chuẩn bị đối phó nếu chúng xảy ra. Để có thể dự đoán được chính xác các hiện tượng tự nhiên đó, ta phải biết được sự thay đổi có thể xảy ra và các dấu hiệu của nó thông qua việc nghiên cứu các quá trình địa chất.

5. Xu thế phát triển của Địa chất học

Cùng với sự tiến bộ vượt bậc của nghiên cứu khoa học trong thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, ngành địa chất học thế giới cũng đang đứng trước những cơ hội và thử thách mới. Với sự ứng dụng ngày càng tăng các thành tựu của khoa học công nghệ trong nghiên cứu địa chất, địa chất học ngày càng được định lượng hóa cả ở tầm vĩ mô và vi mô.

Việc nghiên cứu địa chất ngày càng được chính xác hóa và những kết quả nghiên cứu ngày càng tiệm cận với quy luật thực tế của các quá trình địa chất, cả trong quá khứ và hiện tại.

Việc nghiên cứu địa chất không chỉ được thúc đẩy trên đất liền mà còn được tiến hành rộng rãi trên biển và dưới đáy đại dương, và tiến sâu hơn vào các phần sâu hơn của Trái Đất.

Hơn thế nữa, việc nghiên cứu địa chất đang được tiến hành với quy mô ngày càng tăng vào mối quan hệ giữa Trái Đất với các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời, và bản chất địa chất của các hành tinh cũng như của vũ trụ đã hình thành môn địa chất vũ trụ.

6. Các phương pháp nghiên cứu trong Địa chất học

Cũng như các môn khoa học khác, địa chất học sử dụng một tổ hợp các phương pháp nghiên cứu theo logic khoa học tự nhiên là đi từ việc quan sát, thu thập thông tin, xử lý dữ liệu, tổng hợp và tìm ra các quy luật, xây dựng các giả thuyết, và kiểm chứng kết quả. Tuy nhiên, do đặc thù của địa chất học là đối tượng nghiên cứu của nó có không gian rất đa dạng, từ các lục địa tới các hạt khoáng vật hoặc nhỏ hơn và có một lịch sử hình thành và phát triển rất lâu dài và phức tạp dưới các điều kiện hóa lý khác nhau trong quá khứ, nên việc nghiên cứu địa chất có nhiều nét đặc thù riêng. Nhìn chung việc nghiên cứu địa chất bao gồm một tổ hợp các phương pháp sau:

• Các phương pháp thực địa: khảo sát địa chất, thu thập thông tin (số liệu địa chất, lấy mẫu…) thông qua quan sát bằng mắt thường hoặc sử dụng các máy móc hiện đại (địa vật lý, khoan, viễn thám…).
• Các phương pháp trong phòng bao gồm việc phân tích dữ liệu địa chất, phân tích mẫu, tổng hợp số liệu, mô phỏng thực nghiệm, suy đoán và đối sánh (lấy mới soi cũ…) và mô hình hóa.

Các nhà địa chất sử dụng các phương pháp thực địa, phân tích trong phòng thí nghiệm và mô hình số để giải mã lục sử Trái Đất và hiểu các quá trình xảy ra trên Trái Đất. Trong quá trình khảo sát địa chất, các nhà địa chất thường dùng các thông tin nguyên thủy liên quan đến thạch học (nghiên cứu về các loại đá), địa tầng học (nghiên cứu các lớp trầm tích), và địa chất cấu tạo (nghiên cứu về thế nằm và sự biến dạng của đá). Trong một số trường hợp, các nhà địa chất cũng nghiên cứu đất, sông, địa hình, băng hà; khảo sát sự sống hiện tại, quá khứ, các chu trình địa hóa và sử dụng các phương pháp địa vật lý để khảo sát phần bên dưới mặt đất.

6.1. Các phương pháp thực địa

Công việc khảo sát địa chất thực tế hay thực địa thay đổi tùy theo nhiệm vụ được giao (đặt ra). Các công việc thông thường bao gồm:

a. Lập bản đồ địa chất

• Bản đồ cấu trúc: xác định vị trí của các thành tạo đá chính và các đứt gãy, nếp uốn.
• Bản đồ địa tầng: xác định vị trí của các tướng trầm tích (tướng thạch học, tướng sinh học) hoặc lập bản đồ đẳng dày của các lớp đá trầm tích.

b. Khảo sát các đặc điểm địa hình

• Lập bản đồ địa hình
• Khảo sát sự thay đổi của địa hình cảnh quan (các dạng xói mòn và tích tụ, sự thay đổi lòng sông tạo ra khúc uốn, thay đổi mực xâm thực cơ sở, các quá trình sườn …).

c. Lập bản đồ dưới bề mặt bằng phương pháp địa vật lý (để tìm kiếm dầu khí, nước ngầm, xác định vị trí các kiến trúc cổ bị chôn vùi …), bao gồm: khảo sát bằng sóng địa chấn ở độ sâu nông, thẩm thấu radar mặt đất, ảnh điện trở.

d. Địa tầng học phân dải cao: đo đạc và mô tả các mặt cắt địa tầng trên bề mặt và khoan, đo đạc trong giếng khoan.

e. Sinh địa hóa học và vi sinh địa học: thu thập mẫu để xác định các đường sinh hóa, các tổ hợp loài mới, các hợp chất hóa học mới nhằm hiểu rõ thêm về tiến trình của sự sống trước đây trên Trái Đất, tìm kiếm các hợp chất quan trọng để sử dụng trong dược phẩm.

f. Cổ sinh vật học: xác định các hóa thạch để nghiên cứu sự sống trong quá khứ và sự tiến hóa của nó, trưng bày trong bảo tàng.

g. Thu thập mẫu để nghiên cứu Niên đại địa chất

h. Nghiên cứu băng hà: đo đạc các đặc điểm của băng hà và sự di chuyển của chúng.

6.2. Các phương pháp trong phòng thí nghiệm:

a. Thạch học: xác định các mẫu đá dưới kính hiển vi quang học (xác định các thuộc tính khác nhau của các khoáng vật tạo đá bởi ánh sáng phân cực xuyên qua lát mỏng trên mặt phẳng phân cực) và dưới kính hiển vi điện tử (xác định sự thay đổi thành phần hóa học của các tinh thể khoáng vật riêng lẻ).

Các nghiên cứu về đồng vị phóng xạ sau khi xác định thành phần thạch học giúp hiểu hơn về thành phần vật chất bên trong, cũng như sự tiến hóa về địa hóa của các loại đá.

Các dữ liệu về nhiệt độ và áp suất của các bao thể trong đá sau khi nghiên cứu thạch học của đá giúp ta khôi phục lại môi trường và điều kiện thành tạo của các pha tạo khoáng khác nhau.

b. Địa chất cấu tạo:

Các nhà địa chất cấu tạo sử dụng phương pháp phân tích thạch học lát mỏng để quan sát cấu tạo thớ nứt của đá vì chúng cung cấp thông tin về ứng suất bên trong cấu trúc tinh thể khoáng vật của đá.

Kết quả nghiên cứu trên kết hợp các đo đạc về địa chất cấu tạo cho ta hiểu rõ hơn xu hướng của đứt gãy hoặc nếp uốn để hồi phục lại lịch sử biến dạng đá của một khu vực hay rộng hơn là lịch sử phát triển kiến tạo của khu vực.

Các phân tích về cấu tạo thường được tiến hành bằng cách vẽ đồ thị xu hướng về các đặc điểm biến đổi trên lưới chiếu nổi. Lưới chiếu nổi là một lưới chiếu hình cầu được thể hiện trên mặt phẳng, trên lưới này các mặt phẳng được biểu diễn thành những đường thẳng và các đường thẳng được biểu diễn thành các điểm. Lưới này có thể được sử dụng để tìm vị trí của các trục nếp uốn, quan hệ giữa các đứt gãy, và quan hệ giữa các cấu tạo địa chất khác nhau.

c. Địa tầng học:

Trong phòng thí nghiệm, các nhà địa tầng học phân tích các mẫu trong các mặt cắt địa tầng được thu thập từ các lộ trình khảo sát địa chất, từ các mẫu lõi giếng khoan.

Dữ liệu địa vật lý và log lỗ khoan cũng được kết hợp để mô phỏng theo không gian ba chiều trên máy tính để giúp hiểu rõ hơn về các đặc điểm bên dưới mặt đất. Sau đó, các dữ liệu này được sử dụng để tái lập lại các quá trình trong quá khứ đã diễn ra trên bề mặt của Trái Đất và giải đoán đặc điểm các môi trường này trong quá khứ.

Trong phòng thí nghiệm, các nhà sinh địa tầng học phân tích các mẫu đá lộ ra trên mặt và các mẫu lõi trong các giếng khoan để tìm kiếm các hóa thạch. Các hóa thạch này giúp các nhà khoa học định tuổi của đá chứa nó và biết được môi trường trầm tích của đá đó. Các nhà địa thời học xác định chính xác tuổi đá trong mặt cắt địa tầng nhằm cung cấp các ranh giới tuổi tuyệt đối chính xác hơn về thời gian và tốc độ trầm tích. Các nhà từ địa tầng học cũng dùng dấu hiệu đảo cực từ trong lõi khoan của các đá magma để định tuổi của đá. Các nhà khoa học khác nghiên cứu các đồng vị ổn định trong các đá cũng nhằm cung cấp thêm thông tin về khí hậu trong quá khứ.