Nước thúc đẩy phản ứng hóa học

Một thí nghiệm mới phát hiện, dưới nhiệt độ cũng như áp suất khắc nghiệt, sự kết hợp của sắt, carbon và nước - tất cả các thành phần tiềm năng được tìm thấy ở ranh giới lõi - lớp phủ, có thể tạo thành kim cương.

Nếu quá trình này xảy ra sâu bên trong Trái đất, nó có thể giải thích một số điều kỳ lạ của lớp phủ. Trong đó, bao gồm lý do tại sao nó có nhiều carbon hơn các nhà khoa học nghĩ. Các nhà nghiên cứu đã báo cáo phát hiện trên tạp chí Geophysical Research Letters.

Phát hiện cũng có thể giúp giải thích lý do các cấu trúc kỳ lạ nằm sâu trong ranh giới lõi - lớp phủ, nơi sóng địa chấn chậm lại đáng kể. Những vùng này, được gọi là “vùng vận tốc cực thấp” có liên quan đến cấu trúc lớp phủ kỳ lạ, bao gồm hai “đốm màu” khổng lồ dưới châu Phi và Thái Bình Dương. Chúng có thể chỉ cách nhau vài dặm, nhưng cũng có thể là hàng trăm dặm.

Không ai biết chính xác chúng là gì. Một số nhà khoa học cho rằng, chúng có niên đại 4,5 tỷ năm và được cấu tạo bằng vật liệu từ Trái đất cổ đại. Tuy nhiên, nghiên cứu mới cho thấy, một số khu vực này có thể có sự tồn tại của các “đốm màu” do kiến tạo mảng. Đây là hiện tượng bắt đầu sau khi Trái đất hình thành, có thể là từ 3 tỷ năm trước.

Tác giả chính của nghiên cứu Shim Sang-Heon, một nhà địa chất học tại Trường Đại học bang Arizona (Mỹ), chia sẻ: “Chúng tôi đang có thêm một ý tưởng mới rằng, đây không phải là những cấu trúc hoàn toàn cũ”.

Tại nơi lõi gặp lớp phủ, sắt lỏng cọ xát với đá rắn. Theo nhà nghiên cứu Shim, đó là một sự chuyển đổi ngoạn mục giống như giao diện giữa đá với không khí trên bề mặt Trái đất. Ở một quá trình chuyển đổi như vậy, đặc biệt là khi áp suất và nhiệt độ cao, phản ứng hóa học kỳ lạ có thể xảy ra.

Hơn nữa, những nghiên cứu sử dụng sự phản xạ của sóng địa chấn để ghi lại hình ảnh lớp phủ đã chỉ ra rằng, các vật liệu từ lớp vỏ có thể xuyên qua ranh giới lõi - lớp phủ, cách bề mặt Trái đất khoảng 1.900 dặm (3.000 km).

Ở các đới hút chìm, những mảng kiến tạo đẩy nhau. Đồng thời, đẩy lớp vỏ đại dương vào bề mặt. Đá trong lớp vỏ đại dương này có nước bị khóa trong các khoáng chất của chúng. Do đó, theo nhà nghiên cứu Shim, nước có thể tồn tại trong ranh giới lõi - lớp phủ. Ngoài ra, nước cũng có thể thúc đẩy các phản ứng hóa học ở đó.

Một giả thuyết về hai “đốm màu” tại châu Phi và Thái Bình Dương là chúng được tạo thành từ lớp vỏ đại dương méo mó bị đẩy sâu vào lớp phủ, có khả năng mang theo nước.

Để kiểm tra ý tưởng này, nhóm nghiên cứu đã tập hợp các thành phần có sẵn trong ranh giới lõi - lớp phủ và ép chúng lại với nhau bằng các rãnh làm bằng kim cương, tạo ra áp suất lên tới 140 gigapascal. Con số này gấp khoảng 1,4 triệu lần áp suất ở mực nước biển.

Các nhà nghiên cứu cũng làm nóng các mẫu lên 6.830 độ F (3.776 độ C). “Chúng tôi đã theo dõi loại phản ứng nào đang xảy ra khi đun nóng mẫu. Sau đó, chúng tôi phát hiện kim cương. Chúng tôi cũng phát hiện ra sự trao đổi nguyên tố không mong muốn giữa đá và kim loại lỏng”, nhà khoa học Shim cho biết.

Kim cương dày đặc và truyền sóng địa chấn một cách nhanh chóng.

Hình thành dưới áp suất cao

Theo nhóm nghiên cứu, dưới áp suất và nhiệt độ của ranh giới lõi - lớp phủ, nước hoạt động rất khác so với bề mặt Trái đất. Các phân tử hydro tách ra khỏi những phân tử oxy. Do áp suất cao, hydro hút về phía sắt - kim loại tạo nên phần lớn lõi.

Do đó, oxy từ nước sẽ ở trong lớp phủ. Trong khi đó, hydro hòa vào lõi. Khi hiện tượng này xảy ra, hydro dường như đẩy các nguyên tố nhẹ khác trong lõi sang một bên, bao gồm cả carbon. Carbon được đẩy ra khỏi lõi và vào lớp phủ. Ở áp suất cao trong ranh giới lõi - lớp phủ, dạng ổn định nhất của carbon là kim cương.

“Đó là cách kim cương hình thành”, nhà nghiên cứu Shim giải thích. Tuy nhiên, chúng không giống những viên kim cương lấp lánh trong một chiếc nhẫn. Thực tế, hầu hết những viên kim cương được dùng làm trang sức thường hình thành ở độ sâu vài trăm km, thay vì vài nghìn km. Song, những viên kim cương lõi này có khả năng nổi. Đồng thời, chúng có thể bị cuốn vào khắp lớp vỏ, phân phối carbon khi di chuyển.

Lớp phủ có lượng carbon nhiều hơn 3 - 5 lần so với dự kiến của các nhà nghiên cứu, dựa trên tỷ lệ các nguyên tố trong những ngôi sao và hành tinh khác. Theo ông Shim, những viên kim cương được tìm thấy trong lớp Trái đất này có thể giải thích sự khác biệt.

Ông và đồng nghiệp tính toán, nếu ngay cả 10% đến 20% lượng nước trong vỏ đại dương đi đến ranh giới lõi - lớp phủ, nó có thể tạo ra đủ kim cương để giải thích cho mức carbon trong lớp vỏ.

Nếu đúng như vậy, nhiều khu vực vận tốc thấp trong lớp phủ có thể là những nơi tan chảy do nước điều khiển. Đồng thời, được kích hoạt bởi sự xáo trộn của các mảng đại dương sâu vào hành tinh. Tuy nhiên, việc chứng minh quá trình này xảy ra hàng nghìn km dưới bề mặt là thách thức tiếp theo.

Theo ông Shim, có một số cách để tìm kiếm bằng chứng. Trước hết, việc tìm kiếm các cấu trúc trong ranh giới lõi - lớp phủ có thể là các cụm kim cương. Kim cương dày đặc và sẽ truyền sóng địa chấn một cách nhanh chóng. Vì vậy, các nhà nghiên cứu sẽ cần tìm ra những vùng vận tốc cao cùng với khu vực đã được phát hiện nơi sóng di chuyển chậm.