Có một 'sao Hỏa' bên trong lõi Trái đất làm giới địa chất choáng váng

Các nhà khoa học vừa nêu giả thuyết về tàn dư của một thiên thể đã đâm vào Trái đất và tạo ra mặt trăng có thể vẫn còn ẩn sâu trong lớp vỏ hành tinh của chúng ta. Nghiên cứu mới cho thấy thiên thể va chạm với Trái đất thời điểm mới hình thành cách đây 4,5 tỉ năm, vẫn tồn tại trong lớp phủ Trái đất dưới dạng hai "đốm màu" bí ẩn và đây là điều khiến các nhà địa chất học nghi hoặc bấy lâu.

Hai đốm màu này, được gọi là các vùng có vận tốc cắt thấp (LLVP), là nơi sóng địa chấn di chuyển chậm hơn phần còn lại của lớp phủ, cho thấy chúng có sự khác biệt về nhiệt độ và thành phần, hoặc cả hai. Hai đốm màu nếu gộp lại thì chúng chiếm khoảng 4% lớp phủ. Một cái ở bên dưới châu Phi và cái kia ở dưới Thái Bình Dương.

Tác giả công trình nghiên cứu là Qian Yuan, nhà địa vật lý tại Viện Công nghệ California cho rằng tác động hình thành mặt trăng "có thể là lời giải thích rất khả thi cho nguồn gốc của hai đốm màu đó”.

Đối với nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Climate Change ngày 1.11, Yuan đã hợp tác với các nhà khoa học hành tinh để mô phỏng tác động của vụ va chạm trong hình thành mặt trăng, tác động của nó lên lớp phủ và cách tàn dư của thiên thể va chạm sẽ lưu thông trong lớp phủ trong 4,5 tỉ năm qua. Đầu tiên, họ phát hiện ra rằng vụ va chạm của Trái đất với một thiên thể có kích thước bằng sao Hỏa sẽ không làm tan chảy toàn bộ lớp phủ mà chỉ làm tan chảy nửa trên.

Yuan cho biết: “Lớp rắn bên dưới sẽ chiếm hơn 10% lớp vỏ của thiên thể va chạm. Đáng lưu ý là phần này của thiên thể va chạm, "xét về khối lượng và thể tích, đều rất giống với hai đốm màu lớp phủ mà chúng ta thấy hiện nay trên Trái đất".

Mô hình tuần hoàn lớp phủ cho thấy thiên thể va chạm có thể dần dần được tích hợp vào lớp phủ Trái đất. Theo mô hình, vì nó dày hơn lớp phủ khoảng 2,5% nên nó sẽ chìm xuống và đông cứng lại, cuối cùng ổn định ở mức thấp trong lớp phủ nhưng không hòa vào lõi Trái đất. Điều này cũng phù hợp với những gì được thấy trong 2 đốm màu lớp phủ ngày nay, sâu hơn 2.000km và dày đặc hơn khoảng 3% so với môi trường vật chất xung quanh.

Yuan cho biết: “Bởi vì thiên thể có mật độ vật chất cao hơn nên điều đó sẽ cho phép nó ở trên ranh giới lõi-lớp phủ của Trái đất trong 4,5 tỉ năm”.

Một nghiên cứu khác gần đây cũng chỉ ra khả năng các tác động lớn có thể giải thích những bất thường ở vùng LLVP, mặc dù nghiên cứu đó không đề cập cụ thể đến giả thuyết Trái đất ẩn bên trong một thiên thể to như sao Hỏa nhưng lại đưa ra bằng chứng cho thấy tuổi thơ dữ dội của Trái đất khi bị bắn phá liên tục.

Nghiên cứu được công bố vào tháng 10 trên tạp chí PNAS cũng đã mô hình hóa sự lưu thông của lớp phủ và phát hiện ra rằng các kim loại quý được mang đến Trái đất qua các tác động từ lâu có thể vẫn còn trong LLVP ngày nay. Độc giả có thể đọc nghiên cứu này trong bài viết Vàng, bạc, bạch kim lại xuất hiện bất thường trên Trái đất?

Còn trong nghiên cứu mới của Yuan và các đồng nghiệp, họ cũng cho rằng có thể các vùng LLVP chứa vật chất từ nhiều tác động xảy ra sớm trong lịch sử Trái đất. Yuan cho biết, hai đốm màu ở lớp phủ rất quan trọng vì ranh giới của chúng tương quan với phía trên lớp phủ, nơi magma nóng hơn các khu vực xung quanh. Ngược lại, phía trên lớp phủ có tương quan với các điểm nóng về hoạt động núi lửa, gồm cả các vụ phun trào mang theo kim cương được gọi là kimberlites.

Hoạt động núi lửa cung cấp cái nhìn thoáng qua duy nhất về địa hóa học của các đốm màu lớp phủ, bởi vì đá núi lửa gọi là bazan phun trào trên các khu vực đó có thể lưu giữ dấu vết magma từ các đốm màu.

Phần lớn của thiên thể trong vụ va chạm này đã trở thành vật tạo ra lõi Mặt trăng, vì vậy việc so sánh những tảng đá này với đá mặt trăng có thể tiết lộ liệu cả hai có đến từ cùng một nguồn hay không. Nhưng để làm được điều đó, các nhà nghiên cứu sẽ cần thu thập được mẫu đá từ sâu bên trong Mặt trăng - điều có thể thực hiện được với sứ mệnh của phi hành đoàn Artemis tới Mặt trăng.

Yuan cho biết: “Các sứ mệnh lên Mặt trăng trong tương lai có thể kiểm tra giả thuyết của chúng tôi”.

Các nhà khoa học đã phát hiện một lượng đáng kể helium-3, một đồng vị hiếm thấy của helium, trong đá núi lửa trên đảo Baffin của Canada, củng cố giả thuyết khí hiếm đang rò rỉ từ lõi Trái đất và tồn tại trong nhiều thiên niên kỷ.

Tác giả chính của nghiên cứu, ông Forrest Horton, nhà khoa học thuộc khoa địa chất và địa vật lý tại Viện Hải dương học Woods Hole cho biết: “Có rất ít đồng vị 3He (helium-3) so với 4He (helium-4). 3He rất hiếm trên Trái Đất vì nó chưa được tạo ra hoặc bổ sung với số lượng đáng kể, cũng như thất thoát vào không gian trong quá trình vũ trụ hình thành”.

Việc phát hiện đồng vị 3He rò rỉ từ lõi Trái đất có thể giúp các nhà khoa học hiểu thêm về cách hành tinh của chúng ta hình thành và phát triển theo thời gian.

Nhóm nghiên cứu của Horton đang muốn điều tra xem liệu lõi có phải là kho chứa các nguyên tố nhẹ khác hay không. Điều này có thể giải thích tại sao lõi ngoài của Trái đất lại ít đậm đặc hơn.

“Có phải lõi là kho chứa chính các nguyên tố như carbon và hydro, những nguyên tố rất quan trọng đối với khả năng sinh sống của hành tinh? Nếu vậy, dòng chảy của các nguyên tố này từ lõi trong lịch sử (Trái đất) có ảnh hưởng đến sự tiến hóa của hành tinh không? Tôi rất tò mò nếu như nghiên cứu có thể phát hiện được mối liên hệ giữa helium và các nguyên tố nhẹ khác”.