Phát hiện bí mật tỷ năm của lõi Trái Đất: "Địa ngục" 5000 độ đang bảo vệ sự sống hành tinh

Theo giới khoa học, từ trường của Trái Đất là một tấm chắn vô hình khổng lồ, có khả năng giúp hành tinh của chúng ta tránh được các hạt năng lượng cao có hại từ vũ trụ, bao gồm cả các hạt từ Mặt Trời.

Nguồn gốc của từ trường lại hình thành từ lõi ở trung tâm của Trái Đất. Tuy nhiên, đối với giới đại chất hóc, lõi Trái Đất là một thử thách khoa học thực sự, một phần vì nó bắt đầu ở độ sâu 2.900km. Và ở độ sâu khủng khiếp như vậy, lõi Trái Đất là phần nóng nhất trên hành tinh của chúng ta. Riêng lõi ngoài của Trái Đất đã nóng hơn 5.000 độ C.

Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến lớp phủ của chúng ta, và ước tính 50% nhiệt lượng núi lửa đến từ lõi Trái Đất. Hoạt động núi lửa là cơ chế làm mát chính của hành tinh chúng ta. Một số núi lửa, chẳng hạn như các đảo núi lửa Hawaii và Iceland, có thể được liên kết với lõi bằng các lớp phủ truyền nhiệt từ lõi lên bề mặt Trái Đất.

Tuy nhiên, liệu có bất kỳ sự trao đổi vật chất nào giữa lõi và lớp phủ hay không? - Đây hiện là một chủ đề gây nhiều tranh luận của giới khoa học trong nhiều thập kỷ.

Phát hiện mới nhất của các nhà khoa học nêu rõ quan điểm: Một số vật liệu lõi đã bị rò rỉ trong 2,5 tỷ năm qua lên lớp phủ. Theo đó, các nhà khoa học phát hiện ra điều này bằng cách xem xét các biến thể rất nhỏ trong tỷ lệ đồng vị của nguyên tố vonfram.

Để nghiên cứu lõi của Trái Đất, các nhà khoa học cần tìm kiếm các chất hóa học của vật liệu lõi trong đá núi lửa có nguồn gốc từ lớp phủ sâu.

Chúng ta đều biết, lõi Trái Đất có tính chất hóa học rất khác biệt, bị chi phối bởi sắt và niken cùng các nguyên tố khác như vonfram, bạch kim và vàng hòa tan trong hợp kim sắt-niken. 

Tìm kiếm đồng vị vonfram

Vonfram (ký hiệu hóa học W) là nguyên tố cơ bản có 74 proton. Vonfram có một số đồng vị, bao gồm ¹⁸² W (với 108 neutron) và ¹⁸⁴ W (với 110 neutron).

Các đồng vị của vonfram có tiềm năng trở thành các công cụ theo dõi kết luận rõ ràng nhất về vật liệu lõi Trái Đất, bởi vì lớp phủ dự kiến ​​sẽ có tỷ lệ ¹⁸² W / ¹⁸⁴ W cao hơn nhiều so với lõi.

Điều này là do một nguyên tố khác, Hafnium (Hf), không hòa tan trong hợp kim sắt-niken và được làm giàu trong lớp phủ, và có một đồng vị đã tuyệt chủng ( ¹⁸² Hf) bị phân rã thành ¹⁸² W. Điều này giúp lớp phủ thêm ¹⁸² W so với vonfram trong lõi.

Nhưng việc phân tích cần thiết để phát hiện các biến thể của đồng vị vonfram là vô cùng khó khăn, vì các nhà khoa học đang xem xét các biến thể trong tỷ lệ ¹⁸² W / ¹⁸⁴ W tính theo phần triệu và nồng độ vonfram trong đá thấp tới hàng chục phần tỷ. 

Trên thế giới, chỉ có dưới 5 phòng thí nghiệm có thể thực hiện phân tích này.

Bằng chứng rò rỉ

Nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy một sự thay đổi đáng kể về tỷ lệ ¹⁸² W / ¹⁸⁴W của lớp phủ trong vòng đời của Trái Đất. Những tảng đá lâu đời nhất của Trái Đất có ¹⁸² W / ¹⁸⁴ W cao hơn đáng kể so với hầu hết các loại đá của Trái Đất hiện đại.

Sự thay đổi tỷ lệ ¹⁸² W / ¹⁸⁴ W của lớp phủ cho thấy rằng vonfram từ lõi đã bị rò rỉ vào lớp phủ trong một thời gian dài.

Graphic: Neil Bennett/Sciencealert

Thật thú vị, trong các đá núi lửa lâu đời nhất của Trái Đất (khoảng 1,8 tỷ năm) không có thay đổi đáng kể trong các đồng vị vonfram của lớp phủ.

Điều này chỉ ra rằng từ 4,3 tỷ đến 2,7 tỷ năm trước, rất ít hoặc không có vật liệu nào từ lõi được chuyển vào lớp phủ trên. Nhưng trong 2,5 tỷ năm sau đó, thành phần đồng vị vonfram của lớp phủ đã thay đổi đáng kể. 

Các nhà khoa học suy luận rằng một sự thay đổi trong kiến tạo mảng vào cuối Archean Eon từ khoảng 2,6 tỷ năm trước đã kích hoạt dòng đối lưu đủ lớn trong lớp phủ để thay đổi đồng vị vonfram của tất cả các loại đá hiện đại.

Tại sao rò rỉ?

Sự hút chìm, thuật ngữ được sử dụng cho các loại đá từ bề mặt Trái Đất đi xuống lớp phủ, lấy vật liệu giàu oxy từ bề mặt vào lớp phủ sâu như một thành phần không thể thiếu của kiến ​​tạo mảng.

Các thí nghiệm cho thấy sự gia tăng nồng độ oxy ở ranh giới lõi-lớp phủ có thể khiến vonfram tách ra khỏi lõi và vào lớp phủ.

Ngoài ra, quá trình hóa rắn lõi bên trong cũng sẽ làm tăng nồng độ oxy của lõi ngoài. Trong trường hợp này, kết quả mới của các nhà khoa học có thể cung cấp thông tin về sự tiến hóa của lõi, bao gồm cả nguồn gốc của từ trường Trái Đất.

Lõi Trái Đất ban đầu là kim loại lỏng hoàn toàn và đã được làm mát và hóa rắn một phần theo thời gian. Từ trường được tạo ra bởi sự quay tròn của lõi rắn bên trong. 

Thời điểm kết tinh lõi bên trong là một trong những câu hỏi khó trả lời nhất trong khoa học Trái Đất và hành tinh.

Hiện, các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu sự tương tác/trao đổi giữa lớp lõi và lớp phủ cũng như sự thay đổi động lực bên trong của Trái Đất, nhằm tìm hiểu cách thức và thời điểm từ trường "kích hoạt" để bảo vệ sự sống trên hành tinh.

Cấu trúc của Trái Đất

Công trình nghiên cứu của tập thể các tác giả: Hanika Rizo - Trợ lý Giáo sư, Đại học Carleton (Canada); David Murphy - Giảng viên khoa học địa chất, Đại học Công nghệ Queensland (Úc); và Denis Andrault - Giáo sư, Đại học Clermont Auvergne (Pháp).

Bài viết sử dụng nguồn: Sciencealert

* Đọc bài cùng tác giả Trang Ly tại đây.