Phát hiện rò rỉ khí ở lõi Trái Đất

Trái Đất hình thành cách đây khoảng 4,5 tỷ năm. Trong giai đoạn đầu, hành tinh là một quả cầu rực lửa trải qua quá trình phân hóa mạnh, với các vật chất kim loại nặng chìm xuống tâm để tạo thành lõi, trong khi vật chất silicat nhẹ hơn nổi lên bề mặt để hình thành lớp phủ và lớp vỏ.

Suốt một thời gian dài, giới địa chất học cho rằng lõi và lớp phủ gần như bị tách biệt hoàn toàn sau quá trình phân hóa này.

Tuy nhiên, một nghiên cứu mới do nhóm các nhà khoa học tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc thực hiện đã cung cấp những dữ liệu địa hóa học cho thấy quá trình trao đổi vật chất giữa lõi và lớp phủ có thể vẫn diễn ra liên tục trong suốt hàng tỷ năm qua.

Đồng vị hydro và quá trình kết tinh đại dương magma

Trong nghiên cứu công bố ngày 9/10 trên tạp chí Science Advances, nhóm tác giả đã sử dụng mô phỏng tích phân đường, kết hợp với học máy để tìm hiểu hành vi của hydro trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực hạn bên trong Trái Đất.

Mục tiêu cốt lõi là phân tích sự phân bố đồng vị hydro, đặc biệt là tỷ lệ giữa deuterium, dạng hydro nặng và hydro thông thường trong quá trình kết tinh đại dương magma thuở sơ khai.

Kết quả mô phỏng cho thấy, sự phân tách đồng vị hydro giữa các khoáng chất và magma nóng chảy là tương đối yếu. Do đó, quá trình kết tinh đại dương magma ban đầu sẽ tạo ra một lớp phủ nguyên thủy có thành phần đồng vị hydro phân bố đồng nhất.

Minh họa về cấu trúc lõi Trái Đất. Ảnh: Wikimedia Commons.

"Nhìn chung, kết quả phân tích chỉ ra khi đại dương magma nguội đi và đông đặc lại, nó tạo thành lớp phủ nguyên thủy có thành phần đồng vị hydro đồng đều, bất chấp những thay đổi lớn về áp suất, nhiệt độ hay giả định mô hình", Science Alert dẫn lời nhóm nghiên cứu.

Từ kết quả này, các nhà khoa học lập luận rằng những khu vực sâu trong lớp phủ có tỷ lệ phân bố đồng vị hydro thấp bất thường hiện nay không thể được giải thích đơn thuần là tàn tích thụ động từ thời kỳ hình thành Trái Đất.

Thay vào đó, lượng hydro mang dấu ấn nguyên thủy này có khả năng đã rò rỉ từ lõi, xâm nhập vào lớp phủ và làm thay đổi thành phần đồng vị tại đây.

Những bằng chứng thực tế củng cố cho mô hình này đến từ các mẫu đá bazan đảo đại dương (OIB) được tìm thấy ở những khu vực như Iceland hay đảo Baffin (Canada).

Các loại đá núi lửa này được hình thành từ các chùm lớp phủ trồi lên từ khu vực ranh giới giữa lõi và lớp phủ, mang theo những đặc điểm hóa học bất thường.

Vật chất từ lõi Trái Đất vẫn đang vận chuyển lên lớp phủ

Cụ thể, các nhà khoa học tập trung vào 3 chỉ dấu địa hóa học chính. Đầu tiên là hydro, khi một số đá núi lửa có tỷ lệ deuterium thấp bất thường so với hydro, chứng tỏ chúng có thể lưu giữ nguồn hydro thời sơ khai thoát ra từ lõi Trái Đất.

Tỷ lệ các đồng vị heli cung cấp một manh mối khác. Trong đó, Heli-3 là đồng vị nguyên thủy có từ khi hệ Mặt Trời hình thành, trong khi heli-4 liên tục được tạo ra thông qua phân rã phóng xạ.

Việc ghi nhận tỷ lệ Heli-3/Heli-4 cao bất thường trong đá núi lửa là chỉ dấu cho thấy heli cổ đại cũng đang được vận chuyển từ sâu bên trong lõi lên lớp phủ.

Mô hình sơ lược về nguồn gốc của các dị thường đồng vị trong OIB. Ảnh: Science Advances.

Cuối cùng là Vonfram-182. Trong quá trình phân hóa sơ khai, phần lớn vonfram đã chìm xuống và tích tụ ở lõi. Dấu vết của đồng vị Vonfram-182 trong đá núi lửa hiện đại cung cấp thêm một công cụ quan trọng để theo dõi sự dịch chuyển của vật liệu từ lõi lên bề mặt.

Sự kết hợp của 3 chỉ dấu đồng vị gồm Hydro, Heli và Vonfram đã tạo thành hệ thống cơ sở dữ liệu vững chắc, củng cố giả thuyết về sự trao đổi hóa học liên tục giữa lõi và lớp phủ Trái Đất.

"Những phát hiện này cho thấy rằng ngay cả khi các bể chứa nguyên thủy ở sâu trong lớp vỏ Trái Đất từng tồn tại, thì dấu hiệu đồng vị hydro trong lớp vỏ Trái Đất sâu hiện nay khó có thể chỉ đơn thuần là tàn tích của quá trình phân hóa ban đầu", các nhà nghiên cứu kết luận.

Phát hiện này mở ra một hướng tiếp cận mới trong khoa học Trái Đất. Những đặc điểm hóa học bất thường trong lòng hành tinh có thể không chỉ là tàn tích từ thời kỳ hình thành, mà còn phản ánh các quá trình trao đổi vật chất diễn ra trong thời gian dài.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng, cơ chế vật lý cụ thể, quy mô cũng như tốc độ trao đổi vật chất giữa lõi và lớp phủ vẫn là những tham số cần được tiếp tục quan sát và mô hình hóa trong tương lai.