Hellium-3 có thể liên kết với sắt và oxygen ở sâu bên trong Trái Đất

Hàm lượng cao đến bất ngờ của hellium-3 tìm thấy ở các điểm nóng núi lửa có thể là bằng chứng cho sự tồn tại của một hợp chất hóa học hiếm mang hellium ở sâu bên trong Trái Đất. Đó là kết luận của một đội gồm các nhà vật lí quốc tế, họ đã tính được rằng FeO₂He kết tinh có thể tồn tại ở nhiệt độ và áp suất tìm thấy ở ranh giới giữa nhân và lớp bao của Trái Đất. Họ cũng làm rõ rằng vật liệu này có các tính chất âm học gắn liền với các bộ phận của ranh giới này.

Trong khi hellium là nguyên tố dồi dào thứ hai trong vũ trụ, song nó rất hiếm trên Trái Đất. Thật vậy, bằng chứng đầu tiên của hellium được phát hiện trong ánh sáng đến từ Mặt Trời (nơi có rất nhiều hellium) vào năm 1868, gần ba thập kỉ trước khi nó được tìm thấy trên Trái Đất.

Gần như toàn bộ hellium trên Trái Đất là hellium-4 được sinh ra bởi hoạt động phân hủy phóng xạ của uranium và thorium ở sâu dưới lòng đất. Một số bị bắt giữ tại chỗ dưới dạng khí thiên nhiên – và hellium này có thể khai thác cho nhiều công dụng từ những quả bóng bay tiệc tùng cho đến việc làm lạnh các nam châm siêu dẫn của các hệ thống chụp ảnh cộng hưởng từ.

Phải chăng hellium nguyên thủy được trữ bên trong Trái Đất? (Ảnh: Shuttershock/Johan Spoel)

Các điểm nóng núi lửa

Hellium-3 chiếm khoảng 0,0001% hellium trên Trái Đất và các nhà vật lí tin rằng phần lớn của nó là nguyên thủy – nghĩa là đồng vị này được tạo ra bởi sự nhiệt hạch ở các ngôi sao xa xưa đã đi vào Trái Đất khi nó hình thành hồi 4,5 tỉ năm trước. Là một chất khí trơ, hellium không dễ gì hình thành các hợp chất hóa học – do đó, toàn bộ hellium-3 nguyên thủy bên trong Trái Đất đã phải nổi lên vào không gian từ lâu trước đây. Tuy nhiên, hàm lượng tương đối cao của hellium-3 tìm thấy tại các điểm nóng núi lửa đề xuất rằng đồng vị này bằng cách nào đó đã được trữ lại ở sâu bên trong Trái Đất và được phóng thích khi đá mang hellium bị đẩy lên về phía mặt đất.

Trong khi được biết hellium không liên kết hóa học với các nguyên tố khác, song nó có thể bị tích hợp bên trong một số vật liệu kết tinh ở áp suất cao. Tuy nhiên, cho đến nay, chưa có vật liệu nào trong số này được kì vọng có mặt ở sâu bên trong Trái Đất.

Trong công trình mới nhất này, Yanming Ma thuộc Đại học Jilin, Changfeng Chen thuộc Đại học Nevada và các đồng sự ở Mĩ, Trung Quốc và Anh đã sử dụng một thuật toán tìm kiếm để tìm các vật liệu gốc sắt hoặc magnesium có năng lượng thấp hơn khi hellium bị tích hợp vào cấu trúc tinh thể của chúng. Hai nguyên tố này được chọn do sự dồi dào của chúng bên trong Trái Đất.

Bền dưới áp suất cao

Không có hợp chất magnesium nào được nhận ra, song thuật toán thật sự đề xuất rằng FeO₂He là bền ở nhiệt độ 3000-5000 K và áp suất 135-300 GPa. Nhiệt độ và áp suất này được kì vọng có tại ranh giới giữa nhân và lớp bao của Trái Đất.

Đây có thể là một kết quả ý nghĩa bởi vì các nhà địa vật lí từng nghi ngờ rằng FeO₂ và các hydride của nó (FeO₂H_x) tồn tại trong “các vùng vận tốc cực thấp” (ULVZ – ultra-low velocity zone) nằm ngay phía trên ranh giới nhân-lớp bao. Các vùng ULVZ có đường kính hàng trăm kilo-mét và dày hàng chục kilo-mét và đã được khám phá bởi tác động của chúng lên sóng địa chấn lan truyền qua Trái Đất.

Để biết FeO₂He có tác động giống như vậy lên sóng địa chấn hay không, đội nghiên cứu đã tính toán xem sóng âm truyền như thế nào qua vật liệu kết tinh ấy. Họ xác nhận rằng các tính chất âm học của nó phù hợp với dữ liệu địa chấn liên quan đến các ULVZ.

Công bố trên tạp chí Physical Review Letters, đội nghiên cứu mô tả FeO­₂He là “hợp chất mang hellium duy nhất có thể tồn tại ở các điều kiện địa vật lí thích hợp, do đó cung cấp cơ sở vật lí thiết yếu và những hiểu biết về vật liệu để làm sáng tỏ về kho hellium bí ẩn ở sâu trong Trái Đất.”

Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp