Chơng 1
Mở đầu
Ngay từ thời xa xa, loài ngời đã biết khai thác biển để tìm kiếm các lợi ích
thơng mại, kinh tế, vận tải và cả chiến tranh. Họ đã tìm cách chế tạo ra con
thuyền đi biển đầu tiên dựa trên hình dáng thô sơ của những con thuyền độc
mộc chạy trên sông có từ thời các nền văn minh cổ đại (hình 1.1). Mãi cho đến
thế kỷ 15, những chuyến hành trình khám phá đại dơng một cách có quy mô
mới bắt đầu, mặc dù đó vẫn chỉ là các chuyến thám hiểm nhỏ nhng đã tạo nên
những dấu ấn lịch sử trong ngành Hải dơng. Đáng chú ý nhất là các tuyến
hành trình từ Châu Âu, Bắc Phi và Trung Đông đến Đại Tây Dơng (ĐTD), ấn
Độ Dơng (AĐD) và một số tiểu vùng quan trọng ở phía tây Thái Bình Dơng
(TBD) do ngời Polinedi và Melanedi thực hiện. Tuy nhiên, những ngời đầu
tiên thám hiểm đại dơng lại không phải là ngời Châu Âu mà là ngời Trung
Quốc. Ngay từ đầu những năm 1400 ngời Trung Quốc đã có chuyến du hành
bằng đờng biển tới vùng bờ phía đông của Châu Phi trớc cả ngời Bồ Đào Nha
và chuyến đi của họ không vì các mục đích tìm kiếm thuộc địa hay thơng mại.
Hình 1.1: Mô hình con thuyền độc mộc của ngời Ai Cập cổ đại (khoảng
2000 năm trớc công nguyên) dựa theo nguyên mẫu khảo cổ tại nhà mồ
ở Thebes
1.1. Đo vẽ bản đồ đại dơng
Vào thế kỷ thứ 15, với sự hng thịnh của thời kỳ Phục Hng những ngời
Châu Âu bắt đầu đi tiên phong trong các chuyến hành trình dài khám phá đại
dơng. Đợc sự bảo trợ của những qúy tộc giàu có nh Thái tử Henry, một nhà
hàng hải ngời Bồ Đào Nha, các chuyến hành trình xuyên đại dơng đã đợc
khuyến khích với những mục đích cá nhân, nhng đồng thời cũng để tìm ra
những con đờng giao thơng mới. Liên tục trong suốt quãng thời gian kéo dài
từ thế kỷ thứ 15 đến thế kỷ thứ 18 là các chuyến thám hiểm do Columbus,
Magellan, Cook và một số ngời khác dẫn đầu. Đó là những ngời có kiến thức

Hình 1.4: (a) Hành trình của tàu HMS Challenger, 6/1872; (b) Tàu HMS
Challenger, 1872. Đây là một con tàu gỗ chạy bằng hơi nớc có trọng tải
2306 tấn
Hệ thống các thông tin hải dơng học ban đầu chỉ dựa vào các kết qủa khảo
sát thực địa và việc tiến hành thành lập sơ đồ đờng bờ, vì vậy lợng thông tin
có đợc không khác biệt nhiều so với kiến thức của ngời đi biển hoặc của ng
dân. Trớc đó, các chuyến khảo sát vùng đáy sâu đại dơng chỉ đếm trên đầu
ngón tay và thờng không đem lại nhiều kết qủa. Chẳng hạn nh chuyến khảo
sát độ sâu vùng trung tâm đáy biển Thái Bình Dơng do Magellan thực hiện vào
đầu thế kỷ thứ 16. Ông đã sử dụng phơng pháp dây dọi để xác định độ sâu đáy
biển, nhng do độ sâu tại khu vực nghiên cứu qúa lớn nên không thu đợc kết
qủa. Sau đó nhiều chuyến khảo sát khác tiếp tục đợc thực hiện và ngày càng
hoành tráng nhất là vào thế kỷ thứ 19, đáng kể là chuyến khảo sát quy mô lớn
nhằm xây dựng hệ thống các thông tin dữ liệu đầu tiên về hải dơng học do tàu
Challenger thực hiện kéo dài từ năm 1872 đến năm 1876 đợc chính phủ Anh
bảo trợ (hình1.4b).
Các số liệu mà tàu Challenger thu thập đợc trong chuyến hành trình này
rất đa dạng và phong phú về chủng loại. Sau đó, toàn bộ các đầu số liệu đã đợc
xuất bản thành 50 tập sách, đánh dấu sự ra đời của ngành khoa học biển. Nhiều
nội dung nghiên cứu khoa học khác về đại dơng cũng rất phát triển trong giai
đoạn này. Ngay từ trớc thế kỷ thứ 19, những ngời đi biển đã nhận thức đợc

trở lại khi gặp các vật thể nằm chắn trên đờng đi của chúng. Dựa vào khoảng
thời gian tín hiệu đợc truyền đi và thu nhận trở lại, ngời ta có thể xác định
đợc khoảng cách và phơng hớng theo chiều phản hồi của các tia phản xạ. Nói
chung, khoảng thời gian này rất ngắn vì các sóng vô tuyến là một dạng bức xạ
điện từ có tốc độ lan truyền bằng tốc độ áng sáng ( 3 10
8
ms
-1
).
Độ chính xác của phơng pháp định vị bằng mắt thờng và rađa chỉ áp dụng
đợc trong giới hạn khoảng cách từ hàng chục đến hàng trăm m, nhng vẫn bị
hạn chế bởi giới hạn tầm nhìn, do vậy phạm vi phát hiện hẹp (hình 1.5). Đối với
những hệ thống định vị vô tuyến tầm xa, ngời ta sử dụng mạng lới các trạm
thu phát trên đất liền để phát các xung hoặc tín hiệu vô tuyến liên tục có tần số
từ 10kHz đến 2MHz, đó là các tia có khả năng lan truyền vòng theo độ cong của
vỏ trái đất. Các máy thu đặt trên tàu sẽ đón nhận các chùm tia giao thoa từ các
trạm phát khác nhau và cho biết vị trí của tàu thông qua một hệ quy chiếu
thống nhất. Tuy nhiên, khoảng cách và độ chính xác của những hệ thống này
không giống nhau. Thí dụ : hệ Decca có tầm xa chừng 500km và độ chính xác
trong điều kiện tối u là 50m, trong khi hệ Omega có phạm vi sử dụng rộng, có
thể áp dụng trong định vị hàng hải với độ chính xác 2-3km.
Phơng pháp định vị hàng hải dựa vào thiên văn học vẫn đợc xem là
phơng pháp truyền thống. Trong phơng pháp này, ngời ta sử dụng kính lục
phân để đo góc lệch của mặt trời, mặt trăng, các hành tinh và các vì sao theo
đờng chân trời vào cùng một thời điểm xác định. Dựa vào bảng tra cứu có thể
biết đợc các chuyển động của mỗi thiên thể và hai trong số chúng sẽ giúp ta
định vị đợc vị trí cần xác định. Nhng phơng pháp này cũng chỉ cho độ chính
xác trong phạm vi vài km kể cả trong điều kiện thời tiết lý tởng và chỉ có thể
thực hiện đợc khi cùng lúc quan sát thấy các thiên thể và đờng chân trời. Mặt
trời, đôi khi cả mặt trăng và đờng chân trời có thể nhìn thấy vào ban ngày,

Mốc chuẩn ven bờ (mắt thờng
và rađa)
Trong phạm vi tầm nhìn ( 50km)
10 200m
Hệ thống định vị bằng sóng
radio
Khác nhau ở mỗi hệ. Ví dụ Decca (
500km); Omega (khắp nơi)
10 100m
1 15km
Định vị bằng thiên văn Toàn cầu 2 10km
Định vị bằng vệ tinh Toàn cầu 0,1 200m

Hình 1.6: Nguyên tắc định vị hàng hải bằng vệ tinh. Khi một vệ tinh xoay
theo tâm quỹ đạo cực, nó sẽ phát ra những tín hiệu chứa thông tin về độ
cao, vị trí và tốc độ bay của nó. Nhờ đó khi vệ tinh đi qua các điểm A,B
và C trên hình vẽ, các máy tính đặt trên bong tàu sẽ phân tích các dữ
liệu do vệ tinh phát về để xác định vị trí tơng quan của con tàu với vệ
tinh, từ đó xác định đợc vị trí của nó trên bề mặt trái đất với sai số giới
hạn trong vòng bán kính khoảng 100m.
1.1.2. Phơng pháp đo độ sâu
Các đờng đồng mức trên bản đồ địa hình đất liền đợc xây dựng dựa trên
số đo độ cao của các dạng địa hình so với mực nớc biển, còn các đờng đồng mức
trên bản đồ độ sâu biển và đại dơng thì dựa trên số độ sâu dới mực nớc biển.
Vì vậy, việc đo đạc chính xác vị trí các độ sâu và độ cao này luôn là một yêu cầu
tất yếu.
Trớc khi máy đo độ sâu hồi âm ra đời, việc đo đạc độ sâu chỉ đợc thực
hiện bằng những dụng cụ thô sơ và thiếu độ chính xác cao. Chẳng hạn, để đo độ
sâu ngời ta dùng một sợi dây dọi có buộc qủa nặng ở đầu dây rồi thả xuống
nớc hoặc dùng một cái ống dài bằng thép chọc xuống đáy biển, kết qủa đo đợc

cầu, các nhà nghiên cứu có thể xử lý sơ bộ các số liệu đo đợc (quy chuẩn thông
dụng là 1500m/s). Các sai sót khi xử lý có thể dẫn đến những sai số đáng kể về
độ sâu, chẳng hạn sai số tốc độ truyền âm bằng 1% sẽ dẫn đến sai số tới 30m với
cột nớc sâu 3km. Tần số âm thanh đợc dùng để đo độ sâu đại dơng thờng là
5-30kHz.
Ngoài ra, sai số gặp phải còn do khả năng phân giải yếu của các máy hồi âm,
nguyên nhân là sự phân kỳ của chùm tia với góc phát khoảng 30
0
khi các sóng
âm thanh đợc truyền xuống và ứng góc phát nh vậy các chùm tia có thể quét
đợc một diện tích lớn trên đáy đại dơng với đờng kính khoảng 1,5km ở độ sâu
3km. Nhng những biến đổi địa hình đáy trong diện tích này sẽ không đợc thể
hiện rõ và độ sâu đo đợc sẽ nông hơn độ sâu thực tế bên dới tàu (hình 1.9 (b)).
Các máy hồi âm có độ phân giải cao là những máy sử dụng chùm tia có góc
phát hẹp, khoảng một vài độ. Để thiết kế đợc nh vậy, máy sẽ trở nên cồng
kềnh nên đó là lý do mà loại máy này ít đợc sử dụng rộng rãi. Một lý do khác
khiến các máy hồi âm có chùm tia phân kỳ lớn đợc sử dụng nhiều hơn là nó cho
phép thực hiện công việc đo đạc ngay cả khi biển động và tàu bị lắc l mạnh, do
vậy mà đối với các hoạt động hàng hải thờng xuyên thì việc sử dụng các loại
máy này là thích hợp và hiệu qủa hơn so với những thiết bị với chùm tia hẹp.
Song đối với một số nghiên cứu khảo sát biển quan trọng thì các máy có độ phân
giải cao vẫn rất cần thiết. Hình 1.7: Phơng pháp đo độ sâu bằng dây dọi. Đây là phơng pháp đo
độ sâu duy nhất đợc sử dụng cho tới đầu thế kỷ thứ 20 (tranh của
Arthur Briscoe)

điểm nào đó mà lệch với một dạng địa hình đã biết (ví dụ một đờng quốc lộ) tới
vài mét là bản đồ đã sai hoàn toàn. Tuy nhiên, khi xác định vị trí để đặt các máy
thăm dò đáy đại dơng thì đòi hỏi phải có độ chính xác cao.
1.2 Đo vẽ địa hình đáy đạI DƯƠNG
Việc nắm rõ độ sâu của các vùng biển nông luôn là điều quan trọng đối với
nguời đi biển, vì thế từ vài thế kỷ trớc các sơ đồ độ sâu của vùng nuớc ven bờ đã
ra đời. Nhng nhu cầu cần biết đầy đủ hơn về các thông tin về độ sâu đại dơng
mới chỉ phát sinh gần đây, và để đáp ứng yêu cầu đó, bản đồ độ sâu đầu tiên do
Matthew Maury thành lập năm 1885 cho vùng bắc Đại Tây Dơng (hình 1.10)
đã đợc công bố. Tên gọi vùng Đất Giữa của Maury là dẫn liệu đầu tiên đề cập
đến sự hiện diện của sống núi ngầm nằm giữa Đại Tây Dơng mà ngày nay
chúng ta đã biết. Không lâu sau đó, hình dáng kéo dài và gợn sóng của sống núi
này đã tàu Challenger mô tả dựa trên những số liệu khảo sát ít ỏi mà nó thu
đợc (xem mục 1.1.2).
Cho tới nay, hình thái địa mạo đáy đại dơng nói chung đã đợc khảo sát
khá tỉ mỉ, mặc dù trớc đó không lâu nhiều dạng địa hình lớn vẫn cha đợc
phát hiện và nhiều yếu tố khác vẫn cần phải điều tra thêm. Nhờ vào chuyến hợp
tác thám hiểm ấn Độ Dơng vào giữa những năm 1960, ngời ta mới xác định
đợc sống núi ngầm 90
0
đông là một dạng địa hình kéo dài đơn lẻ tới 4500km
(hình 1.11). Ngoài ra, rất nhiều dạng địa hình khác dới TBD bao gồm cả núi
lửa ngầm vẫn đang tiếp tục đợc điều tra thông qua các vệ tinh có sử dụng thiết
bị đo độ cao bề mặt biển (xem mục 1.2.1).

Hình 1.10: (a) Bản đồ độ sâu vùng bắc Đại Tây Dơng do Matthew Maury
lập năm 1855. Nguồn: Địa lý tự nhiên biển, M.Maury, (1857). NXB
Sampson Low & Son.

Hình 1.10: (b) Mặt cắt đáy biển vùng bắc Đại Tây Dơng do M.Maury lập.

Hình1.11: Bản đồ địa hình mô tả bề mặt cứng của Trái đất. Hớng kéo
dài của sống núi ngầm tại 90
0
đông (Ninety-east Ridge) thuộc ấn Độ
Dơng là bắcnam, nam-đông, nằm ở mép phải của bản đồ.
Đo độ sâu bằng sóng âm thanh là phơng pháp tiên tiến hơn nhiều so với
việc sử dụng qủa dọi, nhng để phục vụ cho việc đo vẽ địa hình đáy đại dơng
thì hạn chế của phơng pháp này là gì?
Sơ đồ ghi nhận kết qủa đo của các máy hồi âm đợc xuất ra dới dạng

bằng với tỷ trọng nớc biển vây quanh. Tại độ sâu 5000m, GLORIA có
thể quét một vệt đáy biển rộng tới 60km, với thời gian thu nhận giữa các
tín hiệu phản xạ (kéo dài 4 giây đối với dải tần số 6,2-6,8kHz) là 40 giây
máy có thể thu lại đợc các âm thanh phản xạ xa nhất. Đối với vùng
nớc nông, diện tích quét của máy và thời gian thu nhận giữa các tín
hiệu đều giảm.
Nói chung, các ảnh âm ký thu đợc bằng phơng pháp này không chỉ phát
hiện đợc những địa hình cục bộ mà còn cho ta thấy các tính chất khác của bề
mặt đáy biển (H.1.13), đó là những thông tin rất quan trọng đối việc việc lắp đặt
các đờng ống dẫn dầu, cáp điện, cáp truyền thông. Những dạng địa hình mà
GLORIA và những thiết bị tơng tự (nh Sea MARC) khác có thể phát hiện đợc
bao gồm các canhon ngầm, các khu vực trợt lở, các núi lửa còn cha đợc biết,
các trầm tích giàu kim loại và các bãi kết hạch mangan.

Hình 1.13: Một phần hình ảnh sơ đồ máy quét tại vùng eo biển nối với
Hắc Hải. Trên đó, chúng ta có thể quan sát thấy đợc những khu vực lộ
trơ đá gốc và những khu vực có cát che phủ với vết gợn sóng (gợn sóng
thô). Hai vệt ngang nằm giữa là lộ trình của con tàu. Khoảng cách giữa
các đờng song song nằm ngang là 15m.
1.2.1. Đo vẽ độ sâu qua vệ tinh
Mặc dù đã có rất nhiều chuyến khảo sát đo đạc độ sâu đợc tiến hành từ
những năm 1920, đặc biệt là khoảng thời gian trong Đại chiến thế giới lần thứ
hai và sau đó, nhng một số vùng đại dơng vẫn còn cha đợc điều tra, trong
đó phải kể đến khu vực phía tây nam Thái Bình Dơng và nam ấn Độ Dơng. Sự
ra đời của máy sonar quét sờn đã giúp xác định thêm nhiều đặc điểm chi tiết về
hình thái đáy đại dơng, nhng do số lợng máy có hạn lại chỉ đợc chế tạo phục
vụ cho những mục đích chuyên dụng tại một số khu vực nhất định nên khả năng
sử dụng phổ cập của thiết bị này bị hạn chế. Từ những năm 1970, việc sử dụng
các thiết bị đo độ cao đặt trên vệ tinh đã giúp hoàn thiện đáng kể những bản đồ
độ sâu đại dơng. Để thấy rõ đợc tính năng thực tiễn của phơng pháp này,

Đặc biệt đối với các dạng địa hình ngầm có kích thớc nhỏ, ngời ta cần phải
có sự hiệu chỉnh các số liệu đo. Điều đáng chú ý là sự xuất hiện của thủy triều,
dòng chảy và những biến đổi của khí áp có thể làm cho độ cao bề mặt đại dơng
biến đổi trên 1m. Nh vậy rõ ràng rằng cần phải có sự lọc bỏ những ảnh hởng
này nếu muốn xác định chi tiết địa hình đáy đại dơng nh trên hình minh họa
1.17.
Câu hỏi 1.2 Theo bạn phơng pháp nào có thể loại bỏ những ảnh hởng gây
nhiễu bởi các yếu tố về động lực nh sóng, dòng chảy hoặc khí hậu tới bề mặt
biển khi hiệu chỉnh các số liệu đo sâu từ vệ tinh?

Hình 1.16: (a) Sự biến đổi truờng trọng lực trái đất (G) khu vực phía đông
Địa Trung Hải, kết qủa đotại vị trí bề mặt mực nớc biển trung bình (S)
trong điều kiện không có sóng, dòng chảy và sự biến đổi của áp suất
không khí. S là bề mặt geoid và đợc đo bằng thiết bị vệ tinh Seasat. Sự
gián đoạn của mặt cắt tơng ững với vị trí của đảo Crete (g.u. = đơn vị
đo trọng lực) Hình 1.16: (b) Hình thái thô của bề mặt nớc biển trung bình (bề mặt
geoid) trên Địa Trung Hải qua vệ tinh Seasat. Khoảng cách của các
đờng đồng mức là 2m. Ghi chú: trên hình a vị trí của mặt cắt đợc thể
hiện bằng đờng màu đen.

Hình 1.17: Sơ đồ mô hình khối mô tả địa hình đáy và những biến động
tơng ứng của mặt biển tại một vùng thuộc khu vực phía tây Scotland
qua kết qủa đo độ cao mặt biển bằng vệ tinh Seasat. Tại những vị trí đáy
biển có địa hình cao một đến hai nghìn mét, bề mặt vùng nớc biển
tơng ững sẽ dâng lên một đến hai mét. Chú ý: tỉ lệ các trục đứng biểu
thị độ sâu (trục phía trái) và độ dâng cao bề mặt biển (trục phía phải) là
khác nhau.

rằng vị trí của đại dơng và lục địa là cố định Đến những năm 1960 và đầu
1970, sự ra đời của thuyết kiến tạo mảng đã tạo ra bớc đột phá cho các nghiên
cứu tiếp sau về những điểm khác nhau cơ bản giữa vỏ đại dơng và vỏ lục địa.

Hình 1.19: Tàu Glomar Challenger. Những thiết bị đóng mũi khoan đặt ở
đầu và đuôi tàu đợc điều khiển bằng máy tính để duy trì các trạm
khoan không xê dịch qúa 30m so với một máy phát chùm tia định vị trên
đáy biển. Do vậy tránh đợc khả năng cần khoan bị gãy khi khoan
Khởi điểm cho cuộc cách mạng khoa học này là Dự án khoan sâu DSDP
(Deep Sea Drilling Project) vào đầu những năm 1960 với việc sử dụng con tàu
Glomar Challenger (hình 1.19), đợc trang bị một dàn khoan đặc dụng có thể
khoan đáy đại dơng ở độ sâu vài km nớc. Khả năng thực hiện này là nhờ vào
những tiến bộ kỹ thuật trong việc thay lắp mũi khoan và đổi cần khoan ngay
trong miệng lỗ (hình 1.20). Cho tới bây giờ, hàng trăm các lõi khoan sâu, qua
tầng trầm tích và tầng đá phun trào dới đáy đại dơng đã đợc thu thập và
phân tích nhằm bổ sung thêm nhiều dữ liệu về cấu trúc vỏ đại dơng và sự phân
bố của trầm tích đáy. Sau sự thành công của tàu Glomar Challenger là sự kế
tiếp của tàu JOIDES Resolution với những trang thiết bị tốt hơn và bắt đầu vận
hành vào năm 1985 cho dự án khoan biển ODP (Ocean Drilling Project). Thành
qủa đầu tiên của dự án mới là việc đa mũi khoan vào tầng đá nằm bên dới đới
phun nớc nóng (các mạch thủy nhiệt dịch) tại các mỏm sống núi và xâm nhập
vào các lớp sunfua đồng, sắt và kẽm.

Hình 1.20: (Không theo tỉ lệ). Quy trình thay thế các mũi khoan trên đáy
đại dơng: một thiết bị hình phễu đợc lắp vào đầu mũi khoan lúc nó bắt
đầu đóng xuống đáy biển và đợc giữ nguyên tại đó khi cần khoan đợc
kéo lên để thay mũi khoan mới. Để đa mũi khoan trở lại lỗ, cần khoan
đợc hạ xuống cùng với một bộ phận máy sonar quét sờn đợc lắp
ghép chung với tổ hợp mũi khoan. Bộ phận này phát tín hiệu âm thanh
và âm đợc phản xạ từ ba bộ phản âm đặt xung quanh phễu. Thông tin

bớc tiến lớn trong việc xác định các độ sâu khác nhau trên đáy đại dơng và cho
tới bây giờ nó vẫn là phơng pháp ứng dụng phổ biến đối với các hoạt động
nghiên cứu biển. Sự xuất hiện của các máy sonar quét sờn có ý nghĩa rất lớn
đối với việc khảo sát nhiều vùng đáy biển rộng lớn trong cùng một lúc.
3. Các thiết bị vệ tinh đo độ cao sử dụng rađa có thể cho ta biết chính xác độ
cao của mặt biển nếu loại bỏ đợc các hiệu ứng nhiễu (gây ra bởi sóng, dòng
chảy, thủy triều và áp suất khí quyển) và từ đó có thể xác định đợc mực nớc
biển trung bình. Phơng pháp xác định này phải dựa vào bề mặt đẳng trọng lực
- bề mặt geoid. Nói chung mức độ nhấp nhô của bề mặt geoid phụ thuộc vào sự
có mặt của các dạng địa hình trên đáy đại dơng. Nhờ đó, dựa vào độ cao mặt
biển có thể dự đoán đợc độ sâu của bề mặt đáy. Đối với các vùng nớc nông việc
phân tích ảnh rađa có thể phát hiện đợc những đặc điểm địa hình đáy.
4. Các thông tin chi tiết về cấu tạo và thành phần của lớp vỏ đại dơng bắt
đầu đợc khám phá vào những năm 1960 khi chơng trình nghiên cứu khoan
sâu DSDP thực hiện. Sau đó, nhờ sự hỗ trợ của các thiết bị kỹ thuật hiện đại
nh camera ngầm, robot lặn, kiến thức về lớp vỏ đại dơng ngày càng mở rộng
và công nghệ nghiên cứu biến cũng đợc hoàn thiện hơn.
Câu hỏi 1.3 Hãy xác định gần đúng bớc sóng và biên độ sóng của bề mặt
geoid thể hiện trên hình1.17?