Lõi Trái Đất có thể đang truyền vật chất lên lớp phủ

Trái Đất hình thành cách đây khoảng 4,5 tỷ năm. Trong giai đoạn đầu, hành tinh trải qua quá trình phân hóa mạnh, khi vật chất kim loại chìm xuống tạo thành lõi, còn vật chất silicat hình thành lớp phủ và lớp vỏ.

Tuy nhiên, liệu lõi và lớp phủ có hoàn toàn tách biệt sau quá trình này hay vẫn trao đổi vật chất trong hàng tỷ năm qua? Đây là câu hỏi mà các nhà khoa học tiếp tục tìm lời giải.

Đồng vị hydro hé lộ bí ẩn sâu trong lòng Trái Đất

Trong nghiên cứu công bố trên tạp chí Science Advances ngày 9/10, nhóm nhà khoa học thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc sử dụng mô phỏng tích phân đường dẫn kết hợp học máy để tìm hiểu sự phân bố đồng vị hydro trong quá trình kết tinh đại dương magma của Trái Đất thuở sơ khai.

Hydro có hai đồng vị đáng chú ý là hydro thông thường và deuterium, một dạng hydro nặng hơn do có thêm một neutron trong hạt nhân. Tỷ lệ giữa deuterium và hydro thông thường (D/H) giúp các nhà khoa học truy tìm nguồn gốc và lịch sử biến đổi của vật chất trong lòng Trái Đất.

Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân tách đồng vị hydro giữa khoáng chất và magma nóng chảy tương đối yếu trong điều kiện nhiệt độ cao của Trái Đất sơ khai. Vì vậy, quá trình kết tinh đại dương magma khó tạo ra những vùng manti có tỷ lệ D/H thấp bất thường như được ghi nhận trong một số mẫu đá bazan đảo đại dương (OIB).

Phát hiện này khiến giả thuyết về sự trao đổi vật chất giữa lõi và lớp phủ trở nên đáng chú ý hơn. Theo nhóm nghiên cứu, hydro có nguồn gốc nguyên thủy từ lõi có thể góp phần tạo nên những dấu hiệu đồng vị đặc biệt trong các vùng manti sâu, sau đó được đưa lên gần bề mặt thông qua các chùm manti.

Tuy nhiên, đây là kết luận dựa trên mô hình và các dấu hiệu địa hóa học, không phải kết quả quan sát trực tiếp vật chất thoát ra từ lõi Trái Đất.

Ba dấu hiệu giúp truy tìm vật chất từ lõi Trái Đất

Đá bazan đảo đại dương là một trong những nguồn dữ liệu quan trọng giúp nghiên cứu cấu trúc và quá trình tiến hóa bên trong Trái Đất. Một số loại đá này có nguồn gốc từ các chùm manti trồi lên từ độ sâu lớn, mang theo những đặc điểm hóa học và đồng vị khác thường.

Các nhà khoa học chú ý đến ba dấu hiệu chính: tỷ lệ D/H thấp bất thường, tỷ lệ đồng vị heli-3 so với heli-4 cao và những biến đổi đặc biệt trong thành phần đồng vị vonfram, nhất là vonfram-182.

Heli-3 là đồng vị nguyên thủy, có thể lưu giữ dấu vết vật chất từ giai đoạn hình thành Hệ Mặt Trời. Trong khi đó, heli-4 được bổ sung trong lòng Trái Đất qua quá trình phân rã phóng xạ của một số nguyên tố. Sự khác biệt về tỷ lệ hai đồng vị này giúp các nhà khoa học nhận diện những nguồn vật chất khác nhau trong manti.

Vonfram-182 cũng là một dấu hiệu quan trọng. Những bất thường về đồng vị này trong một số loại đá núi lửa từng được liên hệ với khả năng trao đổi hóa học giữa lõi và lớp phủ.

Khi kết hợp các dấu hiệu trên, nhóm nghiên cứu cho rằng vật chất dễ bay hơi có nguồn gốc nguyên thủy, bao gồm hydro và heli, có thể đã được truyền từ lõi sang lớp phủ trong lịch sử tiến hóa của Trái Đất. Quá trình này có khả năng làm thay đổi thành phần đồng vị của các vùng manti sâu và để lại dấu vết trong đá núi lửa.

Nghiên cứu góp phần làm rõ một vấn đề quan trọng của 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.

Dù vậy, cơ chế cụ thể, quy mô và tốc độ trao đổi vật chất giữa lõi và lớp phủ vẫn cần được nghiên cứu thêm.