Rừng cổ biến thành than như thế nào để cung cấp nhiên liệu cho xã hội hiện đại?

Quá trình hình thành than yêu cầu sự hội tụ đúng thứ tự của nhiều điều kiện. Tại sao lại có sự trùng hợp như vậy?

Khi các nhà phát minh hoàn thiện động cơ hơi nước, mọi ngành công nghiệp nhanh chóng chuyển đổi sang cơ chế mới. Các dây chuyền sản xuất, con đường bộ, thủy và sắt tận dụng sức mạnh từ nước sôi để lan tỏa khắp nơi. Nhưng phải nhờ những vỉa than đen bóng, xã hội mới phát triển đạt đến tầm cao hiện đại.

Đá giàu carbon đồng thời tăng tốc độ biến đổi khí hậu, nhưng không làm giảm vai trò của than trong Cách mạng Công nghiệp. Từ Viện Smithsonian, nhà sinh học Bill DiMichele khẳng định “than là vua”, và điều này vẫn đúng ở một số địa phương.

Dù năng lượng tái tạo đang dần ổn định, nước Mỹ năm 2020 vẫn thấy 20% sản lượng điện từ nhà máy nhiệt điện than. Chuyên gia DiMichele khẳng định “lúc này, than vẫn rất quan trọng”.

Nhờ may mắn, con người có thể phát triển trên cùng một hành tinh với tài nguyên quý giá. Hàng trăm triệu năm trước, trên những lục địa nguyên sơ, một chuỗi hiện tượng khí hậu và biến động địa chất đã giúp chôn sâu một lượng thực vật lớn. Khi thêm yếu tố áp lực, nhiệt độ và thời gian, lớp thực vật biến thành than bùn, sau đó làm cứng thành than đá.

Quá trình hình thành than yêu cầu sự hội tụ đủ và đúng thứ tự một loạt các điều kiện. Tại sao lại xuất hiện sự trùng hợp như vậy?

Khi các nhà địa chất học bắt đầu phân loại địa tầng, Kỷ Than đá (Carboniferous Period - kéo dài từ 300 đến 360 triệu năm trước) là một trong những giai đoạn được đặt tên đầu tiên. Giai đoạn này cũng chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của thực vật trên mặt đất. Từ “carboniferous”, có nghĩa “sản sinh than” trong tiếng Latin, mô tả một cách chính xác bản chất của lớp trầm tích chứa phần lớn than tại Anh Quốc.

Nhiều ngàn năm sau Kỷ Than đá, quá trình hình thành than vẫn tiếp diễn ở nhiều khu vực khác, thậm chí với quy mô lớn hơn. Nhà vật học thực vật Kevin Boyce giải thích rằng “than không ngừng [hình thành], chúng chỉ di chuyển sang những khu vực khác”. Theo dữ liệu mà ông có được, những lớp than rộng lớn ở Siberia, Trung Quốc và Úc đều được niên đại thuộc Kỷ Permi, giai đoạn ngay sau Kỷ Than đá. Một số số liệu nghiên cứu cho thấy quá trình hình thành than ở Kỷ Permi mạnh mẽ hơn cả Kỷ Carbon.

Tuy nhiên, quá trình hình thành than không diễn ra ở mức độ ổn định. Trong lịch sử địa chất của Trái Đất, giữa những giai đoạn hình thành những lớp than lớn là những khoảng thời gian ngắn. Sự không nhất quán này gây ra câu hỏi: tại sao quá trình hình thành than không nhất quán trong suốt lịch sử địa chất của Trái Đất.

Có một giải thích được đưa ra trong quá khứ, cho rằng Kỷ Than đá chứa nhiều than hơn do cây thân gỗ mới bắt đầu phát triển, và nấm chưa đủ hoàn thiện để phân hủy lignin, một loại polymer khiến cho gỗ trở nên cứng cáp. Nhờ đó, thực vật cổ đại không bị phân hủy mà được bảo tồn trong nhiều lớp trầm tích, và sau đó chuyển hóa thành than đá.

Mặc dù giả định này có lý, nhưng chưa đủ để thuyết phục toàn bộ cộng đồng chuyên gia. Đầu tiên, tỷ lệ mà nấm không tổng hợp được enzyme phân hủy lignin sau hàng chục triệu năm là rất thấp. Hơn nữa, than không chỉ được hình thành từ cây thân gỗ. Ở nhiều khu vực, phần lớn thực vật chôn vùi trong trầm tích là cây lớn có quan hệ họ hàng với thạch tùng (hay còn gọi là “thông đá”) ngày nay, vốn chứa rất ít lignin.

Cần một công thức chính xác để nhà giả kim Trái Đất luyện được than

Trong một báo cáo khoa học được xuất bản năm 2016, hai nhà nghiên cứu Boyce, DiMichele và đồng nghiệp đã phản bác giả thuyết trên, chỉ ra rằng Kỷ Than đá không chỉ đơn giản là sự hội tụ đủ yếu tố địa chất cần thiết; điều này chưa tính đến những kỷ tạo than khác.

Trên khắp các vùng đất, yếu tố hỗ trợ việc hình thành than hiện diện phong phú. Theo quan điểm của ông Boyce, chỉ cần có mưa nhiều (để giúp thúc đẩy sự phát triển của cây và tạo ra đầm lầy) và một hố lớn (để chứa cây) là than sẽ dần hình thành theo thời gian.

Trong Kỷ Than đá, khi các mảng lục địa hội tụ lại tạo thành Pangaea, những va chạm giữa các mảng địa chất đã tạo ra những dãy núi và hố chứa than tiềm năng. Một số hố như vậy, hiện diện ở Châu Âu và miền Đông nước Mỹ, thường xuất hiện trong điều kiện nhiệt đới ẩm.

Về cơ bản, quá trình hình thành than phụ thuộc vào số lượng hố lớn có sẵn tại những khu vực đủ điều kiện, nơi vật chất hữu cơ có thể tập trung một cách lớn lao.

Khi thực vật chết tại những vùng đất ngập nước này, cây thường rơi xuống những hố ít oxy. Do đa số vi sinh vật phân hủy không thể sinh sống trong điều kiện khắc nghiệt đó, thực vật không được phân hủy mà biến thành than bùn. Thế nhưng, than bùn chưa thể trở thành than đá nếu không có sự khô hóa của đất và làm cho than bùn tan ra. Một lớp trầm tích bảo vệ được hình thành phủ lên trên, khởi đầu quá trình hình thành than đá.

Đôi khi, tại những vùng đầm lầy gần biển hoặc gần khu vực biển, thường xuyên bị triều cường ảnh hưởng, những hố than bùn thường xuất hiện. Hiện tượng này thường diễn ra trong các thời kỳ băng hà của Trái Đất.

Than bùn hình thành trong những giai đoạn giá lạnh trải rộng, khi băng cực dày lên và mực nước biển giảm. Khi băng tan, nước lấp đầy các hố than bùn, chôn vùi các lớp thực vật phân hủy dần thành than đá. Tại một số khu vực khai quật, các di tích đá ghi lại lớp lớp xen kẽ của trầm tích đất liền và trầm tích biển. Trong lòng đất liền, đất xói mòn cũng có thể phủ lên hố than bùn và có kết quả tương tự.

Theo chu kỳ kéo dài hàng nghìn năm, các lớp trầm tích và than bùn mới ép phủ lên lớp cũ. Áp suất lớn đẩy nước ra khỏi than bùn, khiến than cứng lại theo thời gian. Than nâu (lignite) dần hình thành, sau đó chuyển hóa thành than đá.

Sự trùng hợp hiếm có hàng kỷ nguyên

Lý do than đá xuất hiện nhiều trong Kỷ Than đá phức tạp hơn chúng ta nghĩ, không chỉ là thời gian chờ đợi để nấm tiến hóa thêm khả năng phân hủy gỗ. Nhưng nhà nghiên cứu DiMichele lại đơn giản hóa quá trình tự nhiên với sự xuất hiện của ba yếu tố: thời kỳ băng hà, mưa lớn và lớp trầm tích.

Chỉ cần có lòng chảo nơi thích hợp, quá trình hình thành than có thể diễn ra một cách đều đặn. “Khi bạn đã hiểu được cách mọi thứ kết nối với nhau, nó không còn phức tạp như bạn nghĩ”, ông nói. “Các sông băng đến và đi. Than bùn hình thành và biến mất. Điều đó hợp lý lắm.”

Ngoài ra, than cũng xuất hiện ở rất nhiều nơi trên thế giới. Ngay cả ngày nay, một số vùng nhiệt đới như đảo Borneo tại Châu Á hoặc rừng ở Lòng chảo Congo, than bùn đang tập trung với hy vọng trở thành những vỉa than đá trong tương lai.

Tuy nhiên, không quy trình nào trong lịch sử hiện đại hoặc gần đây có thể so sánh với Kỷ Than đá và Permi. Để tạo ra các nguồn năng lượng hóa thạch khổng lồ mở ra Cách mạng Công nghiệp, chúng ta cần một chuỗi các sự kiện diễn ra đúng đắn, và không phải lúc nào Trái Đất cũng có sẵn.

Theo ScienceMag