Lớp nhân như thiêu như đốt của Trái Đất không hề cô độc – nó đang dan díu với những lớp ngầm khác. Đó là theo một nghiên cứu mới vừa tìm thấy rằng phần trong cùng của hành tinh chúng ta rò rĩ một phần vật liệu của chúng thành những vệt dài hình lông chim sang lớp bao, một phần trong số chúng cuối cùng đi tới bề mặt Trái Đất.
Khám phá này giúp phân giải một tranh cãi dai dẳng trong hàng thập kỉ: nhân và lớp bao của Trái Đất có trao đổi vật liệu với nhau hay không.
“Các kết quả của chúng tôi cho thấy một phần vật liệu nhân thật sự di chuyển sang đáy của những vệt kéo dài trong lớp bao này, và lớp nhân đã và đang rò rĩ vật liệu này trong 2,5 tỉ năm qua,” các nhà nghiên cứu viết trên The Conversation, một website trên đó các nhà khoa học viết về nghiên cứu của họ cho công chúng biết.
Kết quả thu được là nhờ kim loại tungsten (W, volfram), nguyên tố 74 trên bảng tuần hoàn. Nếu xem hồ sơ hẹn hò cho tungsten, hẳn bạn nên lưu ý rằng nó là một siderophile, hay “kẻ yêu sắt”. Vì thế, chẳng có gì bất ngờ khi mà có rất nhiều tungsten dạo chơi trong nhân Trái Đất, nơi chủ yếu được làm bằng sắt và nickel.
Trên hồ sơ của nó, tungsten cũng sẽ liệt kê rằng nó có một vài đồng vị (một nguyên tố với số lượng neutron khác trong hạt nhân của nó), trong đó có W-182 (với 108 neutron) và W-184 (với 110 neutron). Lúc nghĩ ra nghiên cứu của họ, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng các đồng vị này có thể giúp họ giải đáp được câu hỏi nhân-rò rĩ.
Một nguyên tố khác, hafnium (Hf), là một lithophile, nghĩa là nó yêu đá và có thể được tìm thấy trong lớp bao giàu silicate của Trái Đất. Với chu kì bán rã 8,9 triệu năm, đồng vị phóng xạ hafnium Hf-182 phân rã thành W-182. Theo các nhà khoa học, điều này có nghĩa là lớp bao sẽ có nhiều W-182 hơn lớp nhân.
Do đó, sự trao đổi hóa học giữa lớp nhân và gốc rễ của những vệt hình lông chim trong lớp bao có thể phát hiện được ở tỉ lệ 182W/184W của đá basalt trên các hòn đảo giữa đại dương, chúng có xuất xứ từ các vệt hình lông chim trong lớp bao.
Thế nhưng chênh lệch này ở tungsten sẽ là vô cùng nhỏ: Thành phần tungsten-182 trong lớp bao và nhân chỉ chênh lệch nhau chừng 200 phần triệu (200 ppm). “Chưa có tới năm phòng thí nghiệm trên thế giới có thể thực hiện kiểu phân tích này,” các nhà nghiên cứu viết trên The Conversation.
Hơn nữa, thật chẳng dễ gì nghiên cứu lớp nhân, vì nó bắt đầu ở độ sâu khoảng 1.800 dặm (2.900 km) dưới lòng đất. Để hình dung, lỗ khoan sâu nhất mà con người từng đào là Lỗ khoan Siêu sâu Kola ở Nga, nó có độ sâu khoảng 7,6 dặm (12,3 km).
Bởi thế, các nhà khoa học nghiên cứu gián tiếp: đá trồi lên mặt đất từ lớp bao sâu bên dưới tại Pilbara Craton ở Tây Australia, và Đảo Réunion và các điểm nóng Kerguelen Archipelago trong Ấn Độ Dương.
Phát hiện rò rĩ
Hàm lượng tungsten trong những khối đá này tiết lộ sự rò rĩ từ lớp nhân. Các nhà nghiên cứu tìm thấy trong tuổi đời của Trái Đất, đã có một sự thay đổi lớn ở tỉ lệ W182 trên W184 trong lớp bao của Trái Đất. Thật lạ, những khối đá xưa nhất của Trái Đất có tỉ lệ W182 trên W184 cao hơn so với những khối đá hiện đại nhất.
“Sự thay đổi tỉ lệ 182W/184W của lớp bao cho thấy tungsten từ lớp nhân đã rò rĩ sang lớp bao trong một thời gian dài,” các nhà nghiên cứu viết trên The Conversation.
Trái Đất vào khoảng 4,5 tỉ năm tuổi. Tuy nhiên, những khối đá lớp bao xưa nhất của hành tinh chẳng có bất kì sự thay đổi đáng kể nào về các đồng vị tungsten. Điều này cho thấy từ 4,3 tỉ đến 2,7 tỉ năm trước, đã có ít hoặc chẳng có sự hoán đổi vật liệu từ lớp nhân sang lớp bao phía trên.
Thế nhưng trong 2,5 tỉ năm qua, thành phần đồng vị tungsten trong lớp bao đã thay đổi rất nhiều. Tại sao lại như vậy? Nếu các vệt hình lông chim trong lớp bao đang mọc lên từ ranh giới nhân-lớp bao, thì có lẽ, giống như cái bập bênh, vật liệu từ mặt đất đang đi xuống vào lớp bao dưới sâu. Vật liệu bề mặt này có oxygen trong đó, một nguyên tố có thể ảnh hưởng đến tungsten.
“Sự nhận chìm, thuật ngữ chỉ hiện tượng đá từ bề mặt Trái Đất đi xuống vào lớp bao, mang vật liệu giàu oxygen từ bề mặt đi vào lớp bao dưới sâu, là một thành phần thiết yếu của sự kiến tạo mảng,” các nhà nghiên cứu viết trên The Conversation. “Các thí nghiệm cho thấy sự gia tăng hàm lượng oxygen tại ranh giới nhân-lớp bao có thể làm cho tungsten tách khỏi nhân và đi vào lớp bao.”
Hoặc có lẽ khi nhân trong hóa rắn sau khi Trái Đất hình thành, hàm lượng oxygen trong nhân ngoài đã tăng lên. “Trong trường hợp này, các kết quả mới của chúng ta có thể cho chúng ta biết đôi điều về sự tiến hóa của lớp nhân, kể cả nguồn gốc của từ trường Trái Đất.”
Nghiên cứu được công bố trên số ra ngày 20 tháng Sáu, 2019 của tạp chí Geochemical Perspectives Letters.
Nguồn: Live Science
