Một 'Cây' Dưới Đất Khổng Lồ Đang Chuyển Dung Nham Lên Bề Mặt Trái Đất

Réunion, một hòn đảo thuộc Pháp ở Ấn Độ Dương phía tây, giống như một kẹo dẻo nổi bật trên đầu của một cái súng hàn. Nó nằm trên một trong những dòng nóng của lõi Trái Đất - một tháp đá nóng chảy từ lõi sâu và đốt cháy đáy các tấm kiến trúc kiến tạo, những mảnh ghép tạo nên bức tranh luôn thay đổi của thế giới. Tác động của tháp rất khó bỏ qua: Một trong hai núi lửa khổng lồ của đảo, cái tên thật sự phù hợp Piton de la Fournaise, hoặc “Đỉnh của Lò nung,” là một trong những núi lửa hoạt động cực kỳ mạnh mẽ trên hành tinh.

Nhưng sức mạnh hiện đại của tháp không thể sánh kịp với quá khứ của nó.

“Nhìn vào ranh giới lõi vỏ, có thể dự đoán nơi đại dương sẽ mở ra,” nói tác giả nghiên cứu Karin Sigloch. Các nhà nghiên cứu cũng có thể dự đoán đất đai mà một ngày nào đó sẽ bị tiêu diệt. Nếu mô hình mới chính xác, vài chục triệu năm nữa, bạn có lẽ không muốn ở Nam Phi—hoặc có thể, trên hành tinh Trái Đất nói chung.

Các Phun Nước Lửa

Ngược lại, vào những năm 1960, khi lý thuyết về địa chất biển đang nhanh chóng được chấp nhận, một số đặc điểm địa chất dường như tránh khỏi sự giải thích. Trong khi lý thuyết cung cấp giải đáp cho những câu hỏi mà đã lâu những nhà khoa học hoài nghi—nơi núi lửa xuất hiện, nơi đất đai được sinh ra, nơi các lưu vực đại dương được khắc tạo ra, nơi vỏ cổ đại bị tiêu diệt—nó không thể giải thích điều gì đó như Hawai‘i.

Lý thuyết về địa chất biển dự đoán rằng các biên giới của các bản địa địa chất—nơi hai bản địa va chạm, trượt qua hoặc dưới một cái khác, mài mòn lẫn nhau, hoặc di chuyển ra xa nhau—là nơi có thể tìm thấy hầu hết các sự kiện địa chất nổi bật trên hành tinh. Vùng được gọi là Vòng Lửa, khu vực hình hoa cúc đánh dấu rìa của nhiều bản địa xung quanh bản địa Thái Bình Dương, là nơi có 75% số núi lửa hoạt động trên thế giới.

Mặc dù không nằm gần ranh giới biển chảy, Hawai‘i là một quần đảo của những ngọn núi lửa khổng lồ. Núi lửa dưới nước hoạt động Lō‘ihi, nằm ở phía đông nam của đảo Hawai‘i, là thành viên trẻ nhất của một chuỗi núi lửa cong vênh dài 6,000 kilômét, có thể theo dõi ngay từ những núi lửa dưới nước đã tắt từ lâu ở tây bắc Thái Bình Dương. Hiện tượng này, được biết đến với tên gọi núi lửa nội bản, nổi bật như một biến thể địa chất.

Năm 1963, nhà địa vật học người Canada John Tuzo Wilson đề xuất rằng chuỗi núi lửa như vậy được tạo ra khi một bản địa chất liên tục di chuyển qua một điểm nóng tĩnh trong vỏ cổ—đá nóng chảy chiếm 84% thể tích Trái Đất. Điều này tạo ra một chuỗi núi lửa nổ ra, phát triển, sau đó tắt đi khi bản địa di chuyển ra xa nguồn năng lượng nham thạch. Năm 1971, nhà địa vật học người Mỹ William Jason Morgan đề xuất rằng những điểm nóng này là do dòng chảy của vật liệu nóng chảy nổi lên từ vỏ cổ.

Trong những thập kỷ tiếp theo, các nhà địa vật học kết luận rằng những dòng chảy có nhiệt độ khoảng 200 độ Celsius cao hơn so với vỏ cổ xung quanh. Khi dòng chảy đạt đến đáy các bản địa chất, nhiệt độ của chúng làm tan chảy môi trường xung quanh, tạo ra nhiều nham thạch. Dòng chảy cũng mang theo vật liệu vỏ cổ lên từ sâu bên trong Trái Đất. Vật liệu này tan chảy ở áp suất thấp hơn ở xa lõi, đưa thêm nham thạch vào vỏ đất. Sự cung cấp kết hợp của nham thạch nóng giải thích một số lượng lớn núi lửa nội bản trên Trái Đất.

Chuỗi núi lửa, còn được biết đến với tên gọi là dãy điểm nóng, khó giải thích mà không kể đến dòng chảy. Hawai‘i là một ví dụ ở dạng đại dương, nhưng chúng cũng có thể được tìm thấy trên đất liền: Núi lửa siêu lớn Yellowstone là thành viên trẻ nhất của một dãy điểm nóng có từ ít nhất 17 triệu năm, đã đổ 210,000 kilômét khối dung nham khắp Tây Bắc Thái Bình Dương trước khi tạo ra một dãy núi lửa lớn từ Oregon đến Wyoming—vết sẹo không thể phủ nhận của một dòng chảy vỏ cổ không ngừng.

Bằng chứng hóa học cũng cho thấy sự tồn tại của dòng chảy nham thạch. Có hai loại helium ổn định: helium-3 và helium-4. Helium-3 đã bị nhốt sâu bên trong Trái Đất trong quá trình hình thành và rõ ràng là cổ xưa. Một số núi lửa điểm nóng, bao gồm cả Kīlauea ở Hawai‘i, phun trào dung nham có nhiều loại helium này. Điều đó, theo Godfrey Fitton, một nhà địa vật học tại Đại học Edinburgh, cho thấy những núi lửa này đang khai thác vật liệu từ vỏ cổ ở độ sâu đáng kể—và dòng chảy là một giả thuyết hợp lý.

Cảnh Địa Chấn

Không có mắt nào trực tiếp nhìn thấy được một dòng chảy; họ được suy luận tồn tại. Nhưng các nhà nghiên cứu đã thu thập được nhiều bằng chứng ủng hộ ý kiến này.

Các sóng địa chấn đã cung cấp sự xác nhận tiết lộ. Chúng phát ra từ các trận động đất đi qua sâu bên trong Trái Đất trước khi cong trở lại bề mặt. Khi những sóng này di chuyển, các cơ thể địa chất mà chúng đi qua thay đổi tốc độ và quỹ đạo của chúng. Các cảm biến chấn ghi lại thông tin này, và các nhà khoa học sử dụng dữ liệu để cố gắng tìm hiểu cái gì đang ẩn sau đại dương sâu thẳm.

Sóng địa chấn di chuyển chậm hơn qua đá nóng, và nghiên cứu sau nghiên cứu đã chỉ ra rằng chúng thường chậm lại khi đi qua các cấu trúc dạng dài nổi lên từ vỏ cổ sâu thẳm và kết nối với các điểm nóng núi lửa ở bề mặt.

Các nhà địa chấn học cũng đã phát hiện ra hai khối chất liệu khổng lồ—một dưới châu Phi, một dưới Thái Bình Dương—nằm xen kẽ ranh giới giữa vỏ cổ và lõi Trái Đất. Các sóng đi sâu giảm tốc khi đi qua cả hai khối lớn này, ngụ ý rằng chúng là những khối nóng lớn, cùng chiếm khoảng 30% của toàn bộ ranh giới vỏ cổ-lõi.

Bộ đôi có mọi loại câu chuyện nguồn gốc có thể, từ một nghĩa trang của những tấm đá vụn của bản địa chất tới thi hài phân tách của Theia, hành tinh tiên đầu tiên va chạm với Trái Đất và tạo ra mặt trăng. Với một số ngoại lệ—như Yellowstone—dường như dòng chảy Trái Đất gốc từ một trong hai khối lớn đó, theo Saskia Goes, một nhà địa vật học tại Imperial College London. Điều này ngụ ý rằng chúng đóng một vai trò trong hầu hết các câu chuyện nguồn gốc của dòng chảy.

Nhưng địa chấn học không phải là ôn tri. Sóng địa chấn có thể phát hiện cấu trúc bên trong vỏ cổ, nhưng chúng không thể tiết lộ mọi đặc điểm của những cấu trúc đó. “Bạn có thể làm chậm một sóng địa chấn bằng cách làm nóng một vật liệu lên,” nói Harriet Lau, một nhà địa vật học tại Đại học California, Berkeley. Nhưng một thay đổi trong cấu trúc khoáng của đá cũng có thể đạt được hiệu ứng tương tự. Các nhà khoa học phải chọn lựa xem trong mỗi phép đo, lựa chọn nào có khả năng cao hơn. Địa chấn học có thể là một khoa học khó khăn, nhưng trong đó có một nghệ thuật.

Các cấu trúc dưới vỏ đất cũng được trang bị bản lụa. Sóng địa chấn thích di chuyển nhanh: Chúng ưa thích rơi vào đá lạnh, cứng. Dòng chảy, vì nóng, làm sóng địa chấn kỳ cựu. Dòng chảy cũng mảnh, cho phép hầu hết sóng địa chấn vào mà không gặp khó khăn.

Càng nhiều sóng địa chấn đi qua điểm chung trên dòng chảy, bạn càng có thể tự tin rằng nó tồn tại. Nhưng “động đất không xảy ra ở mọi nơi,” nói Catherine Rychert, một nhà địa vật học tại Đại học Southampton. Và các trạm địa chấn chủ yếu nằm trên đất liền, không phải trên đáy biển, điều này có nghĩa là đại dương có độ che phủ địa chấn kém.

“Lý thuyết, chúng ta biết [dòng chảy] phải tồn tại,” nói Lau. “Nhưng chúng chỉ quá khó nhìn thấy bằng địa chấn.” Do đó, sóng địa chấn chỉ ghi lại những phần nhỏ của dòng chảy, và tính chất của chúng thường là đối tượng của cuộc tranh luận không thể giải quyết.

Lý tưởng nhất, các nhà khoa học muốn tạo ra một hình ảnh dòng chảy từ đáy đến bề mặt hành tinh. Điều đó đòi hỏi một đại bàng các cảm biến địa chấn lan tỏa trên một khu vực rộng lớn, tạo ra một kích thước lớn có thể hấp thụ nhiều sóng địa chấn nhất có thể và do đó nhìn thấy một phần đáng kể của vỏ cổ—một bản sao địa chấn của một kính viễn vọng khổng lồ.

Vì vậy, vào năm 2012, các nhà khoa học đã xây dựng một cái.

Cây và Sự Thật

Trong năm đó, hai tàu biển mò zigzag qua Tây Ấn Độ Dương, đôi khi dừng lại để đặt một bộ cảm biến địa chấn dưới nước như một chiếc cầu cảng và đưa xuống đáy biển. Tổng cộng, 57 chiếc đã được ném xuống biển, tạo thành một kích thước 2,000x2,000 kilômét. Mảng lớn này được bổ sung thêm bởi 37 trạm địa chấn đặt ở Madagascar và các hòn đảo nhỏ khác.

Trong 13 tháng từ 2012 đến 2013, kích thước mở cửa này đã mở ra. Mục tiêu của nó: săn lùng dòng chảy Réunion, một trong những nguồn lửa quan trọng nhất từng xuất hiện trên hành tinh trong 100 triệu năm qua.

Một nhóm nhà khoa học nhìn qua kính thiên văn vỏ đất của họ. Họ kết hợp dữ liệu của mình với hai bộ dữ liệu địa chấn khác, và họ bất ngờ khi thấy dòng chảy mảnh dưới Réunion đơn giản biến mất ở vùng vỏ dưới. Tại thời điểm đó, Maria Tsekhmistrenko, khi đó là sinh viên của Sigloch tại Đại học Oxford, nhớ lại nghĩ, “Ôi, tôi phải đã làm điều gì đó terrible. Mọi thứ đều sai. Luận văn tiến sĩ của tôi kết thúc.”

Nhưng khi nhóm nhìn vào toàn bộ khu vực, dữ liệu bắt đầu hiện ra một cảnh tượng ngoạn mục. Khối khổng lồ châu Phi, 2,900 kilômét dưới bề mặt, nở lên từ giữa để tạo ra một “thân cây,” đạt đến độ sâu 1,500 kilômét. Phần đầu của thân cây, được gọi là mũi nhọn, dường như mọc ra các nhánh dày của chất nóng từ phía tây và đông của nó. Những nhánh này mọc chéo lên cho đến khi đạt đến độ sâu từ 1,000 đến 800 kilômét; tại điểm này, đỉnh của những nhánh này nảy mọc lên dọc theo chiều cao.

Một trong những nhánh mảnh này đạt đến phía dưới của Réunion siêu núi lửa. Khoảng 3,000 kilômét về phía tây bắc, một nhánh chéo khác kéo dài đến Đông Phi, một khu vực tràn ngập núi lửa và mà công việc địa chấn trước đó đã phát hiện là nơi có một hoặc có lẽ hai dòng chảy vỏ đất.

Nhưng có một vấn đề: Cấu trúc này khó cân nhắc với các định luật của nhiệt động học.

Dòng chảy, vì quá nóng và nhẹ nổi, nhanh chóng nổi lên—với tốc độ gấp 10 lần so với di chuyển của các dòng vỏ đất khác, bao gồm cả sự di chuyển của các tấm đất. “Dòng chảy nhanh quá. Bạn không có thời gian để làm cho chúng nghiêng” khi chúng đi lên, Goes nói.

Tsekhmistrenko, Sigloch và đồng đội đều đồng tình: Dòng chảy nổi thẳng lên. Cấu trúc cây, sau đó, là bằng chứng cho một quá trình phức tạp hơn đang diễn ra trong vỏ đất.

Dưới đây là cách họ nghĩ rằng nó hoạt động: Khối châu Phi—bao gồm cả thân cây và mũi nhọn—được nung nóng bởi lõi. Phần ngoại vi phía đông và phía tây của mũi nhọn nóng, được bao quanh bởi một lượng lớn chất liệu vỏ đất tương đối mát mẻ, có độ nổi cao đáng kể. Cuối cùng, một khối châu Phi 800 kilômét tách ra từ mỗi đầu; cả hai nổi lên thẳng hàng chục triệu năm. Cuối cùng, chúng đạt đến ranh giới nông giữa giữa vỏ dưới mật độ cao và vỏ trên mật độ thấp. Ở đó, chúng lan rộng theo chiều ngang. Một số đuôi nảy mọc từ đỉnh chúng và nổi lên dọc theo chiều cao, tạo thành những tháp hẹp được mô tả cổ điển là dòng chảy.

Trong khi đó, khi một trong hai khối con nổi lên hướng Đông Phi và một nổi lên hướng Réunion, phía đông và phía tây của mũi nhọn—hiện nay gần trung tâm hơn—tạo ra hai khối mới, cũng nổi thẳng lên. Vì chúng rời đi sau và được đặt ở phía dưới bên phải và bên dưới của Đông Phi và Réunion tương ứng, chúng giống như những nhánh chéo, kết nối. Trên thực tế, chúng là những khối riêng biệt, tất cả đều nổi lên thẳng.

Các nhà khoa học độc lập lớn phổ biến đã hoan nghênh nghiên cứu này. Theo kiểu cổ điển, vấn đề với việc hình ảnh cấu trúc dòng chảy ở độ phân giải cao là thiếu dữ liệu địa chấn. Lần này khác, Rychert nói, “vì họ đã có thí nghiệm tuyệt vời này ở Ấn Độ Dương,” một thí nghiệm mà bản thân nó đã nuốt chửng một loạt các sóng địa chấn.

Việc kết hợp dữ liệu từ mảng lớn với các bộ dữ liệu địa chấn bổ sung đã chứng minh là quan trọng, vì nó cho phép nhóm giải quyết một phần lớn vỏ đất, từ độ sâu lớn nhất đến đỉnh cao nhất của nó. “Về mặt địa chấn học, đó là một bước tiến,” Carolina Lithgow-Bertelloni, một nhà địa chấn học tại Đại học California, Los Angeles nói. “Nhìn từ góc đó, tôi nghĩ rằng đó là điều tuyệt vời.”

Cấu trúc cây là “một quan sát hấp dẫn,” Fitton nói, và mô hình của nhóm về cách nó phân nhánh lên từ lõi là “một ý tưởng khá tinh tế.” Nhưng anh cảnh báo rằng mô hình chính xác của họ về những gì đang diễn ra trong vỏ đất chỉ là một trong nhiều giải thích có thể xảy ra. “Tôi nghĩ đó là một ý tưởng thực sự tuyệt vời,” Rychert nói. “Tôi không biết đó có phải là ý tưởng đúng, nhưng nó thật tuyệt.”

“Tomography địa chấn là một bức tranh tĩnh về hiện tại,” Lithgow-Bertelloni nói. Việc chụp ảnh các cấu trúc hiện đại và đưa ra dự đoán về cách chúng hình thành trong hàng triệu năm, và cách chúng sẽ tiếp tục phát triển, đầy không chắc chắn, cô cảnh báo.

Những Thiên Tai Sắp Đến

Nếu mô hình lý thuyết của nhóm là đúng, nó củng cố hai luồng suy nghĩ lâu dài. Đầu tiên, Goes nói, là rằng dòng chảy của Trái Đất không “đơn giản như việc làm một sự nổi lên trong một hộp siro trong phòng thí nghiệm.” Thiên nhiên phức tạp, và theo những cách thường ngày làm bất ngờ.

Thứ hai là những khối lớn này đã đóng một vai trò quan trọng trong lịch sử hỗn loạn của hành tinh, và sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng.

Một số nhà khoa học nghi ngờ rằng dòng chảy từ khối lớn châu Phi đã mất ít nhất 120 triệu năm để làm nứt siêu lục địa cổ điển Gondwana thành từng mảnh. Khi dòng chảy nổi lên vào cơ sở của nó, chúng nung nó và làm yếu nó; như chúng làm đồi, chúng làm cho đất đứng trên những dòng chảy này nổi lên thành gò, sau đó trượt xuống dốc. Úc đã được mở ra từ Ấn Độ và Nam Cực, Madagascar từ châu Phi, và micro lục địa Seychelles từ Ấn Độ—một hành động phá hủy làm cho Đại Tây Dương.

Nếu dòng chảy hoặc những dòng chảy dưới châu Phi duy trì cuộc tấn công của chúng, chúng sẽ đóng góp vào sự phân rã tương lai của lục địa châu Phi: cụ thể là sự chia tay của Đông Phi và sự tạo ra một micro lục địa mới nổi bên cạnh đại dương trẻ nhất thế giới.

Nhưng cuộc ly dị kiến tương lai này dường như không đáng kể khi bạn xem xét thảm họa có thể ập đến phía nam của lục địa. Nhóm ước tính rằng, trong hàng chục triệu năm tới, một khối lớn có kích thước khủng khiếp từ ánh sáng sẽ tách ra từ cusp trung tâm và nổi lên để gặp gỡ nền móng của Nam Phi hiện nay. Điều này, theo Sigloch, sẽ tạo ra các phun trào thảm họa. Deccan Traps được gây ra bởi những gì chúng ta có thể coi là một dòng chảy trung bình. Tuy nhiên, khối lớn siêu mạnh mẽ này trong tương lai sẽ có khả năng tạo ra núi lửa đến mức mà Deccan Traps chỉ là một pháo hoa so với nó.

Hình dung về những tận thế núi lửa trong tương lai có thể làm cho người ta lo lắng. Nhưng chính vì vậy, việc vẽ những bức tranh chính xác về những dòng chảy quan trọng: Chúng là những trọng tài của sự sống và cái chết.

Và tuy nhiên, dù cho mọi sự hỗn loạn mà chúng gây ra, chúng là một phần chính của chu kỳ không ngừng của biển động vỏ trái đất, một chu kỳ đưa và nổ carbon và nước một cách không đều và đã, kỳ diệu thay, dẫn đến một hành tinh có thể sinh sống với không khí hô hấp và đại dương bát ngát—một thiên đàng được tạo ra bởi những kẻ khổng lồ của đại dương. “Biết cách hành tinh quản lý để làm điều này trong hàng tỷ năm để cơ bản cho phép sự tồn tại của con người là quan trọng,” Rychert nói.

Sẽ còn một thời gian nữa trước khi những quái vật của lớp vỏ trái đất được hiểu rõ một cách toàn diện. Cho đến khi ngày đó đến, các nhà khoa học sẽ tiếp tục vẽ hình lớp vỏ biến hình, đồng thời lắng nghe những con quái vật đang rúc rích dưới chân họ.

Bài viết gốc được tái in với sự cho phép của Quanta Magazine, một tờ báo độc lập về biên tập của Simons Foundation, có nhiệm vụ làm tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách đưa tin về các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và đời sống.

Những câu chuyện tuyệt vời khác từ Mytour

• 📩 Tin tức mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Greg LeMond và chiếc xe đạp mơ mộng có màu kẹo ngọt tuyệt vời
• Mang lại những cú đấm nắm tay—các hội nghị công nghệ đã quay trở lại
• Làm thế nào để thay đổi trình duyệt web của bạn trong Windows 11
• Có được phép quấy rối NPC trong trò chơi video không?
• Hệ thống lưới điện không sẵn sàng cho cuộc cách mạng năng lượng tái tạo
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🎮 Mytour Games: Nhận những mẹo mới nhất, đánh giá và nhiều hơn nữa
• 💻 Nâng cấp trò chơi làm việc của bạn với các laptop, bàn phím, phương thức gõ và tai nghe chống ồn yêu thích của đội ngũ Gear chúng tôi