Các nhà khoa học cho biết khí heli có thể thoát ra từ lõi Trái đất khi tìm thấy tỷ lệ đồng vị heli cực cao trong dung nham trên đảo Baffin
Đảo Baffin. Hình ảnh Posvon/Getty
Một phân tích mới về dòng dung nham cổ xưa ở Bắc Cực thuộc Canada cho thấy khí heli bị mắc kẹt trong lõi Trái đất có thể từ từ “rò rỉ” vào lớp phủ và sau đó chạm tới bề mặt – một ý tưởng thách thức sự hiểu biết khoa học về hoạt động bên trong hành tinh của chúng ta.
Đây là bằng chứng mới nhất ủng hộ giả thuyết rằng các “kho chứa” helium và các nguyên tố khác nguyên thủy bị giữ lại trong lõi Trái đất khi mặt trời trẻ và các tiền hành tinh kết hợp lại từ một đám mây khí và bụi cách đây hơn 4,5 tỷ năm.
Tác giả chính của nghiên cứu mới, Forrest Horton, nhà địa hóa học tại Viện Hải dương học Woods Hole, cho biết những phát hiện này “cho thấy rằng ở đâu đó trong phần sâu của hành tinh chúng ta, các loại khí được bảo tồn từ quá trình hình thành Trái đất”.
Các nhà khoa học có thể biết được một số nguyên tử helium có nguồn gốc từ đâu bằng cách nhìn vào số lượng neutron trong hạt nhân của nó – một con số giúp phân biệt các loại hoặc đồng vị khác nhau của nguyên tố này. Ví dụ, đồng vị helium 3, có hai proton và một neutron, được tạo ra trong các ngôi sao và trong vụ nổ lớn. Đồng vị này cực kỳ hiếm trên Trái đất.
Trong khi đó, helium 4, chất tạo nên phần lớn khí lấp đầy bóng bay của bữa tiệc và giúp làm mát máy chụp ảnh cộng hưởng từ, có hai proton và hai neutron trong mỗi hạt nhân. Đồng vị này tương đối phổ biến trên Trái đất, nơi nó hình thành từ sự phân rã phóng xạ tự nhiên của uranium và thorium trong lõi hành tinh của chúng ta.
Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature, Horton và các đồng nghiệp đã phân tích các mẫu dòng dung nham 62 triệu năm tuổi ở phía đông đảo Baffin, một hòn đảo Bắc Cực ở cực bắc Canada được bao phủ bởi đá, tuyết và băng và nơi sinh sống của gấu Bắc Cực. Các nhà địa chất đã nghiên cứu dung nham trong nhiều thập kỷ để cố gắng tìm hiểu thêm về cách thức hoạt động của lớp phủ Trái đất. Ví dụ, trong một nghiên cứu được công bố năm 2003, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên tìm thấy hàm lượng helium 3 cao bất thường, so với helium 4, trong dung nham - mức cao nhất từng được ghi nhận trong các loại đá từ bên trong Trái đất và gấp tới 50 lần tỷ lệ trong khí quyển. Phù hợp với các lý thuyết địa chất phổ biến, họ lý luận rằng helium 3 có thể đến từ một bể chứa helium nguyên thủy bên trong lớp phủ, lớp bên trong Trái đất bên dưới lớp vỏ.
Vào mùa hè năm 2018, nhóm của Horton bắt đầu tái tạo những kết quả này bằng chuyến thám hiểm kéo dài hai tuần tới Đảo Baffin để thu thập các mẫu dung nham. Trong các phòng thí nghiệm tại Woods Hole và Viện Công nghệ California, các nhà nghiên cứu đã phân tích một loại khoáng chất gọi là olivin trong các mẫu chứa các túi khí heli cực nhỏ. Khí bị mắc kẹt này có tỷ lệ helium 3 và helium 4 thậm chí còn cao hơn, ít nhất là 65 và gấp tới 69 lần tỷ lệ khí quyển.
Horton cho biết, tỷ lệ đồng vị helium tăng cao cũng được tìm thấy trong đá núi lửa từ các điểm nóng khác trên thế giới, chẳng hạn như Hawaii và Quần đảo Galápagos. Tuy nhiên, tỷ lệ dung nham ở đảo Baffin cao gấp đôi so với tỷ lệ được tìm thấy ở bất kỳ nơi nào khác.
Những phát hiện chưa từng có này gợi ý cho nhóm của Horton rằng khí heli không đến từ lớp phủ mà đến từ một nguồn thậm chí còn sâu hơn: lõi Trái đất. Ông nói, dung nham chứa các nguyên tố khác, chẳng hạn như neon, với tỷ lệ đồng vị cho thấy chúng có thể đến từ lõi. Khả năng này có ý nghĩa đối với sự hình thành của Trái đất và các hành tinh khác, bao gồm cả các ngoại hành tinh quay quanh các ngôi sao khác.
Tuy nhiên, làm thế nào loại khí nguyên thủy này có thể chạm tới bề mặt Trái đất? Horton đề xuất rằng khí heli có thể đã rò rỉ lần đầu tiên từ phần bên ngoài của lõi hành tinh vào lớp phủ lân cận. Sau đó, khí heli có thể bốc lên thành một khối đá nổi bên trong lớp phủ và tan chảy khi nó bay lên để cuối cùng magma sinh ra phun trào trên bề mặt dưới dạng dung nham.
Nếu vậy, Horton nói, những phát hiện này sẽ mang lại cho các nhà địa hóa học một cái nhìn thoáng qua hiếm hoi về các quá trình xảy ra ở ranh giới lõi và lớp phủ Trái đất, cách chân chúng ta gần 3.000 km.
Những phát hiện này cũng có thể ảnh hưởng đến cách các nhà khoa học nghĩ về sự tiến hóa của hành tinh chúng ta. Trong giai đoạn đầu hình thành Trái đất, heli và các loại khí khác có thể có rất nhiều trong lớp phủ đá. Nhưng Horton cho biết giả thuyết rằng heli rò rỉ từ lõi gợi ý rằng gần như toàn bộ heli ban đầu đã bị mất khỏi các phần đá của hành tinh chúng ta trong các giai đoạn sau của quá trình “pha trộn đối lưu” bên trong lớp phủ, do đó lớp phủ có thể được trộn kỹ hơn so với giả định trước đây. .
Tuy nhiên, Horton cảnh báo rằng đây vẫn chưa phải là câu trả lời dứt khoát cho cuộc tranh luận trong giới địa hóa học về nguồn gốc của khí heli trên Trái đất và các loại khí “quý tộc” hoặc không phản ứng khác, bao gồm neon và argon. Các nhà địa hóa học từ lâu đã đặt câu hỏi liệu những loại khí này đến từ các hồ chứa nguyên thủy hay được thêm vào sau khi hành tinh của chúng ta hình thành do sự chiếu xạ của gió mặt trời hoặc từ các thiên thạch chứa heli.
Và trong khi bằng chứng mới cho thấy khí thoát ra khỏi lõi, Horton lưu ý rằng điều này chưa được chứng minh một cách tuyệt đối. “Tôi có thể nói rằng vẫn còn rất nhiều điều không chắc chắn về việc liệu khí heli có đến từ lõi hay không,” ông nói.
Các chuyên gia bị chia rẽ về những gì họ có thể kết luận từ nghiên cứu. Cornelia Class, một nhà địa hóa học tại Đài quan sát Trái đất Lamont-Doherty tại Đại học Columbia, người không tham gia vào nghiên cứu, cho rằng Horton có thể quá thận trọng. Trên thực tế, cô nói, nghiên cứu mới nhất là “bằng chứng rất tốt” cho lập luận rằng khí heli đang rò rỉ từ lõi.
Nhưng nhà địa hóa học Manuel Moreira thuộc Đài quan sát Khoa học Vũ trụ tại Đại học Orléans ở Pháp, người cũng không tham gia vào nghiên cứu, lại tỏ ra không rõ ràng hơn. “Định đề lặp đi lặp lại rằng helium được lưu trữ và sau đó rò rỉ từ lõi vẫn chỉ mang tính suy đoán,” ông nói. “Tuy nhiên, nghiên cứu này đóng góp những hiểu biết sâu sắc hơn về nguồn gốc của các loại khí hiếm trên Trái đất.”
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
