Đá cổ xưa Tiết Lộ Khi Nào Bắt Đầu Địa Chất Tảng Đất của Trái Đất

Năm 2016, các nhà hóa học địa chất Jonas Tusch và Carsten Münker đã đập một ngàn pound đá từ Vùng hoang dã Australia và vận chuyển bằng máy bay về nhà ở Cologne, Đức.

Năm năm cưa, nghiền, hòa tan và phân tích sau, họ đã rút ra từ những tảng đá đó một bí mật đã được giấu kín trong vô vàn thời kỳ: thời kỳ khi địa chất tảng đất bắt đầu.

Vỏ bọc vỡ vụn của Trái Đất với các tấm đá cứng, khớp nối với nhau là duy nhất trong hệ Mặt Trời. Các nhà khoa học ngày càng kết nối nó với những đặc điểm đặc biệt khác của hành tinh chúng ta, như bầu khí quyển ổn định, trường từ bảo vệ và bộ sưu tập đa dạng của cuộc sống phức tạp. Nhưng các nhà địa chất đã lâu đã tranh luận về chính xác khi nào vỏ Trái Đất bị phá vỡ thành các tấm, với các giả thuyết cạnh tranh từ khoảng một tỷ năm đầu tiên trong lịch sử 4,5 tỷ năm của hành tinh cho đến một thời điểm trong tỷ năm cuối cùng. Những ước tính đó có những hậu quả khác nhau hoàn toàn về cách địa chất tảng đất ảnh hưởng đến mọi thứ khác trên Trái Đất.

Việc lan rộng, va chạm và đâm sâu của các tấm đá địa chất tảng không chỉ tạo ra địa lý. Việc tái chế bề mặt Trái Đất giúp điều chỉnh khí hậu, trong khi việc xây dựng các lục địa và núi non đẩy các chất dinh dưỡng quan trọng vào hệ sinh thái. Thực sự, nếu địa chất tảng đất bắt đầu đủ sớm, có thể đã làm nổi bật sự tiến hóa của cuộc sống phức tạp. Và theo mở rộng, việc tấm đất di chuyển có thể là điều kiện tiên quyết cho cuộc sống tiên tiến trên các hành tinh xa.

Bây giờ, một nghiên cứu về các tảng đá từ Vùng hoang dã Australia do Tusch, Münker và các tác giả cùng làm, được công bố trong Proceedings of the National Academy of Sciences, đã ghi lại “một bức tranh” về sự ra đời của địa chất tảng đất, theo lời của Alan Collins, một nhà địa chất tại Đại học Adelaide ở Australia. Phân tích của động vật đặc biệt về các nguyên tử wolfram trong các tảng đá tiết lộ Trái Đất đang chuyển từ địa chất tảng đất vào khoảng 3,2 tỷ năm trước.

Các kết quả này củng cố những bằng chứng khác lâm sàng đã tích luỹ trong thập kỷ qua chỉ ra ngày đó, theo lời của Richard Palin, một nhà địa chất tại Đại học Oxford. Điều đó “ủng hộ sự đồng thuận ngày càng tăng trong cộng đồng địa chất rằng địa chất tảng đất đã xác định chính nó ở một quy mô toàn cầu” vào khoảng 3 tỷ năm trước, ông nói.

“Có rất nhiều người khác nhau, đến từ các quan điểm rất khác nhau, đang tiến đến một sự hội tụ từ 3,2 đến 3 tỷ năm,” nói Collins.

Bộ Máy của Trái Đất

Khi nhà địa chất Alfred Wegener đầu tiên đề xuất lý thuyết địa lý lục địa vào năm 1912, hầu hết các đồng nghiệp của ông cho rằng đó là điều ngớ ngẩn. Lục địa khổng lồ có thể di chuyển sao được? Wegener không thể xác định một cơ chế để thúc đẩy việc lục địa của mình di chuyển. Và thực sự, nó sẽ mất thêm năm thập kỷ nữa cho các nhà địa chất để tìm ra cách hình thành dòng chảy trong lõi Trái Đất - lớp đá nóng dày giữa vỏ và hạt nhân - thúc đẩy các tấm vỏ trên bề mặt. Họ cuối cùng đã cho thấy rằng những tấm vỏ này - 15 tấm chính và hàng chục tấm nhỏ - lan rộng ra ở các đỉnh dãy núi ở giữa đại dương, di chuyển cùng với dòng chảy của lõi, va chạm với nhau ở các cạnh của chúng và đâm sâu trở lại lõi tại các “vùng trượt dưới.”

“Địa chất tảng đất cung cấp một cách di chuyển bề mặt rất có tổ chức,” nói Carolina Lithgow-Bertelloni, một nhà địa vật lý tại Đại học California, Los Angeles. “Bạn có thể hiểu tại sao có động đất ở nơi có động đất, tại sao có núi ở nơi có núi.”

Trong những thập kỷ qua, các nhà khoa học đã nhận ra rằng bầu khí quyển, trường từ của Trái Đất, khí hậu ổn định và đa dạng sinh học đều liên quan đến địa chất tảng đất. “Nó khiến hành tinh của chúng ta hoạt động theo cách nó hoạt động,” nói Lithgow-Bertelloni.

Để bắt đầu, địa chất tảng đất đã giúp Trái Đất duy trì một khí hậu sống được trong hàng tỷ năm mặc dù mặt trời ngày càng sáng dần. Khí hậu của chúng ta, như truyện cổ tích về Goldilocks, chủ yếu là kết quả của các phản ứng hóa học giữa carbon dioxide trong không khí và khoáng chất silicat, giảm dần mức độ khí nhà kính trong bầu khí quyển bằng cách chôn vùi nó vào các lớp trầm tích. Hầu hết các phản ứng silicat-carbon dioxide đó diễn ra trên sườn núi được tạo ra từ việc va chạm giữa các tấm đất.

Hơn nữa, việc tái chế vật liệu giữa lõi, vỏ, đại dương và bầu khí quyển đảm bảo một nguồn cung cấp liên tục các nguyên tố quan trọng cho cuộc sống. Địa chất tảng đất làm sạch lõi, làm cho các nguyên tố như phosphorus tích tụ trên bề mặt dưới dạng vỏ đất lục địa. Những nguyên tố này phân bón cho cuộc sống trong nước biển khi các dãy núi bị thời tiết và rửa vào biển. Và các lục địa cung cấp đất đai được chiếu sáng cho các loài mới.

Cũng quan trọng không kém, dòng chảy lõi cho phép nhiệt trốn ra từ hạt nhân Trái Đất, giúp hạt nhân tạo ra một trường từ. Trường từ này kéo dài xa vào không gian và bảo vệ bầu khí quyển khỏi bị xói mòn bởi các cơn bão mặt trời.

Nhưng thời thơ ấu của Trái Đất đã khác biệt.

Phân rã phóng xạ làm cho nội của Trái Đất thời kỳ đầu nóng hơn rất nhiều so với ngày nay, vì vậy lớp vỏ của nó mềm. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã tranh luận về khi nào hạt nhân nguội đủ để làm cho vỏ cứng lại thành các tấm đất bắt đầu di chuyển, phân tách, va chạm và đâm sâu. Biết khi chuyển đổi quan trọng đó xảy ra “sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn những gì dẫn đến các thay đổi cụ thể trong tiến hóa của cuộc sống, cách chúng ta đến với hệ thống hiện tại, ... cách hành tinh của chúng ta hoạt động ngày nay,” nói Lithgow-Bertelloni.

Hồ Sơ Đá

Giải mã những năm đầu hình thành của hành tinh chúng ta là điều khó khăn. Đá từ hàng tỷ năm trước không chỉ hiếm có, mà còn bị thời gian và địa chất làm hỏng. Chúng cung cấp cái nhìn không liên kết và có thể gây hiểu lầm về quá khứ.

Một số nhà khoa học đã luận bào rằng địa chất tảng đất đã hoạt động từ ít nhất 4 tỷ năm trước. Họ dựa vào các viên đá muối nhỏ, có tuổi 4 tỷ năm, có hóa học giống như các loại đá hiện đại được tạo ra trong các vùng trượt dưới. Nhưng các nhà nghiên cứu khác lên án rằng những viên đá có thể đã hình thành bằng cách khác.

Một số người đã giả thuyết rằng địa chất tảng đất bắt đầu gần đây, nói về mặt địa chất học. Họ chỉ đến các loại đá được biết đến hình thành trong các vùng va chạm tấm đất hiện đại mà có vẻ không bao giờ cổ hơn khoảng 0.7 tỷ năm. Nếu không có bất kỳ ví dụ cổ điển nào về các loại đá này, thì địa chất tảng đất cũng phải trẻ tuổi, lập luận điều này.

Sự xuất hiện của những viên đá này có thể phản ánh những thay đổi đã xảy ra sau khi địa chất tảng đất bắt đầu, như là sự làm lạnh chậm rãi của bên trong Trái Đất.

Một phần, các nhà nghiên cứu nói, sự bất đồng quan điểm về thời điểm cho thấy cách mà địa chất tảng đất đã thay đổi theo thời gian. Thay vì trải qua một chuyển đổi đột ngột từ tắt sang bật, hoạt động địa chất tảng có lẽ đã dần dần tiến hóa đến hình thức hiện đại của nó.

Họ cần những tảng đá tốt hơn, vì vậy họ đã đến Pilbara ở Tây Úc. “Nơi này có một số loại đá Archean được bảo quản tốt nhất trên hành tinh,” Münker nói. “Chúng không trải qua nhiệt độ cao như những loại đá tương tự cùng tuổi.”

“Tôi rất hứng thú với việc tìm các mẫu không hiển thị giá trị giống nhau lặp đi lặp lại,” nói Tusch.

Dưới sự hướng dẫn của cộng tác giả Martin Van Kranendonk từ Đại học New South Wales, nhóm đã đi qua khắp vùng Outback bằng xe tải off-road, thăm các điểm đá đỏ gỉ cổ xưa và thực vật mô phỏng nhau: Cây bụi Spinifex ở những điểm đá này chứa nhiều silica, làm cho chúng gai góc và không thể ăn được cho bất cứ thứ gì ngoại trừ mối. Họ đập bỏ một nửa tấn đá và dung nham hứa hẹn cùng với nham thạch hình thành từ 2.7 tỷ đến 3.5 tỷ năm trước.

Trở về Đức, Tusch bắt đầu làm việc. Anh ấy sử dụng máy cưa đá để lấy mẫu đá tươi bên trong từng mẫu, sau đó mài một số lát xuống còn mỏng bằng một nửa chiều rộng của tóc người để làm cho chúng trong suốt để quan sát dưới kính hiển vi. Anh ấy nghiền những phần còn lại và tập trung tungsten, sau đó phân tích tỉ lệ isotop tungsten trong máy phổ khối.