Dấu hiệu về một Trái đất từng nóng chảy

Nhiều bằng chứng cho thấy, những điểm nóng này có nguồn gốc từ sự tan chảy của vật chất thực sự sâu bên trong Trái đất.

“Quả cầu” nóng chảy

Các nhà khoa học đã thu thập những tảng đá từ vành đai siêu lớp Isua - khu vực ở Tây Nam Greenland. Đây là nơi những tảng đá có tuổi đời từ 3,7 - 3,8 tỷ năm. Vành đai này chứa những tảng đá lâu đời nhất được biết đến trên Trái đất và dường như không bị xáo trộn bởi kiến tạo mảng, cũng như sự thay đổi nhiệt và hóa học.

Các dấu vết hóa học của đại dương magma ban đầu thậm chí còn lâu đời hơn chính các tảng đá, có niên đại khoảng 4,5 tỷ năm trước. Theo Helen Williams - Giáo sư Địa hóa học tại Đại học Cambridge (Anh), khi các thiên thể có kích thước tương đương Trái đất và sao Hỏa va chạm, sự tan chảy gần như toàn bộ hành tinh là hệ quả tất yếu của điều đó. Khi tảng đá nóng chảy đó nguội đi và kết tinh, Trái đất dần trở nên giống với “loại đá cẩm thạch” màu xanh mà chúng ta biết ngày nay.

Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science Advances cho thấy, đá vành đai Isua vẫn mang “dấu vân tay” hóa học do quá trình làm lạnh nguyên thủy này để lại. Giáo sư Williams bắt đầu tìm kiếm những dấu vân tay này sau khi bà và đồng tác giả Hanika Rizo - Phó Giáo sư tại Đại học Carleton ở Canada, gặp nhau tại một cuộc họp của Liên minh Địa vật lý Hoa Kỳ (AGU).

Phó Giáo sư Rizo trước đây đã trích xuất các mẫu đá từ vành đai Isua và trình bày về chúng trong một nghiên cứu năm 2011. Nghiên cứu của nhà khoa học này được công bố trên tạp chí Earth and Planetary Science Letters.

Trong bài báo, bà Rizo lưu ý rằng, các tảng đá mang những ký hiệu hóa học nhất định. Cụ thể là các đồng vị duy nhất, hoặc các nguyên tố hóa học với số lượng neutron khác nhau. Giáo sư Williams sau đó đã đọc bản báo cáo và bị thu hút bởi những dấu hiệu hóa học này.

“Bài báo của cô ấy không có bằng chứng địa chất trực tiếp về đại dương magma. Nhưng rất nhiều dấu vết hóa học mà cô ấy thảo luận thực sự chỉ theo hướng chung đó”, Giáo sư Williams chia sẻ.

Nữ giáo sư này cho biết, thời điểm đó, nếu nghiên cứu thêm về các mẫu này, bà và đồng nghiệp có thể sẽ phát hiện thêm về quá khứ nóng chảy của Trái đất. Để bắt đầu sự hợp tác, hai nhà khoa học đã chọn một nhóm nhỏ các loại đá núi lửa từ các mẫu vật được thu thập ở Isua.

Tuy nhiên, họ chỉ chọn những đá nguyên sơ nhất, xét về mức độ hao mòn mà chúng phải trải qua sau khi phun trào lên bề mặt và tiếp xúc với các nguyên tố. Sau đó, họ xẻ các bề mặt lộ ra của đá, chà nhám, nghiền thành bột mịn và hòa tan bột trong axit mạnh.

“Vào lúc bạn hoàn thành, thật là khó tin. Thứ mà một tảng đá vô cùng cứng, đặc trong tay bạn, giờ thực sự là một lọ chất lỏng nhỏ trong phòng thí nghiệm. Xử lý đá theo cách này cho phép nhóm nghiên cứu kiểm tra các đồng vị hoặc nguyên tố hóa học có số lượng neutron khác nhau trong các mẫu”, Giáo sư Williams chia sẻ.

Magma từng xuất hiện trên phần lớn bề mặt Trái đất?

Truy tìm dấu vết trên toàn cầu

Cụ thể, nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm những đồng vị có thể hình thành khi các đại dương magma kết tinh. Các mô hình gợi ý rằng, một số tàn dư của những tinh thể này đã bị mắc kẹt trong lớp phủ thấp hơn, gần với lõi Trái đất và được bảo tồn trong hàng tỷ năm. Theo thời gian, chúng sẽ di chuyển qua lớp phủ dưới lên lớp phủ trên, mang theo “đồng vị dấu vân tay” của đại dương magma.

Những dấu vân tay này bao gồm đồng vị hafnium và neodymium, được hình thành khi đồng vị mẹ của chúng phân hủy. Theo Giáo sư Williams, sự phá vỡ này xảy ra theo một mô hình cụ thể, khi các đồng vị mẹ được đặt dưới áp suất cực cao. Hiện tượng này giống như các đồng vị được tìm thấy ở độ sâu của lớp phủ thấp hơn.

Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy những đồng vị độc đáo này trong các mẫu Isua, cùng với một dạng hiếm của nguyên tố vonfram. Những đồng vị vonfram bất thường này bắt nguồn từ một đồng vị mẹ cổ đại chỉ tồn tại trong 45 triệu năm đầu tiên của lịch sử Trái đất.

Khi những cặn tinh thể này di chuyển từ lớp phủ dưới lên trên, chúng tan chảy và trộn với đá nóng chảy khác, tạo ra hiệu ứng cẩm thạch. Vì vậy, một khi tảng đá hỗn hợp đó phá vỡ lớp vỏ, nó mang theo đồng vị dấu vân tay cùng đá từ lớp phủ trên và dưới.

Điều này tương tự như các mẫu Isua. Có một số giả thuyết về cách thức và lý do tại sao các tinh thể di chuyển lên trên qua các lớp của Trái đất. Theo bà Williams, có thể là các tinh thể liên tục tan chảy và kết tinh lại, sau đó dần trở nên cô đặc hơn.

“Sau khi khám phá ra các dấu vết hóa học của đại dương magma, câu hỏi mà tôi đặt ra là liệu các tảng đá cổ đại khác trên Trái đất có lưu giữ những dấu vết tương tự không”, bà Williams bày tỏ.

Nữ chuyên gia và nhóm của mình hiện bắt đầu tìm kiếm những dấy hiệu này tại các địa điểm trên toàn cầu. Họ tìm kiếm ở các địa điểm có đá cổ xưa và tại các điểm nóng núi lửa hoạt động, như Hawai và Iceland.

“Nhiều bằng chứng cho thấy, những điểm nóng này có nguồn gốc từ sự tan chảy của vật chất thực sự sâu bên trong Trái đất. Thậm chí, chúng có thể bắt nguồn từ gần ranh giới giữa lớp phủ và lõi của nó. Điều đó có nghĩa là các dấu vết hóa học của đại dương magma cũng có thể ẩn náu trong những điểm nóng này, mặc dù chúng ta chưa biết chắc chắn điều đó”, bà Williams nói.

Mặc dù, hầu hết các nhà khoa học chấp nhận lý thuyết Trái đất nóng chảy, nhưng một thách thức lớn là rất khó tìm... bằng chứng địa chất cho một điều gì đó đã xảy ra quá sớm trong lịch sử của chúng ta. Giáo sư Williams