 |
Trong hàng tỷ năm, nhiệt độ và áp suất cực cao có thể đã hình thành nên quá trình sản sinh kim cương trong vùng mà lõi Trái đất gặp lớp phủ. |
Một thí nghiệm mới trong phòng thí nghiệm cho thấy, dưới nhiệt độ và 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 cũng xảy ra sâu bên trong Trái đất, nó có thể giải thích một số điều kỳ lạ của lớp phủ, bao gồm cả lý do tại sao nó có nhiều carbon hơn các nhà khoa học mong đợi.
Phát hiện này cũng có thể giúp giải thích các cấu trúc kỳ lạ nằm sâu trong ranh giới lõi-lớp phủ, nơi sóng từ động đất chậm lại đáng kể. Những khu vực 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.
Một số nhà khoa học cho rằng, lớp phủ này có niên đại 4,5 tỷ năm và được làm bằng vật liệu từ Trái đất cổ đại. Tuy nhiên, nghiên cứu mới cho thấy rằng, một số khu vực này có thể do sự tồn tại của chúng do kiến tạo mảng , có khả năng bắt đầu tốt sau khi Trái đất hình thành, có lẽ 3 tỷ năm trước.
Tác giả chính của nghiên cứu Sang-Heon Shim, một nhà địa chất học tại Đại học bang Arizona, Mỹ cho biết: “Chúng tôi đang thêm một ý tưởng mới rằng, đây không phải là những cấu trúc hoàn toàn cũ.”
Nơi hình thành kim cương
Tại nơi lõi gặp lớp phủ, sắt lỏng cọ xát với đá rắn. 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 ở áp suất và nhiệt độ cao, hiện tượng hóa học kỳ lạ có thể xảy ra.
Hơn nữa, các nghiên cứu sử dụng sự phản xạ của sóng động đất để hình ảnh lớp phủ chỉ ra rằng các vật chất từ lớp vỏ có thể xuyên qua ranh giới lõi-lớp phủ, cách bề mặt Trái đất khoảng 3.000 km. Tại các đới hút chìm , các mảng kiến tạo đẩy nhau, 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, có thể nước tồn tại trong ranh giới lõi-lớp phủ và có thể thúc đẩy các phản ứng hóa học ở đó.
Một giả thuyết về cặp đốm màu dưới 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. Kim cương hình thành trong môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao giống như những viên kim cương hiện diện ở ranh giới lõi-lớp phủ.
Để kiểm tra ý tưởng này, các nhà 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. Các nhà nghiên cứu cũng làm nóng các mẫu lên 3.776 độ C.
Nhà địa chất Sang- Heon Shim nói: “Chúng tôi đã theo dõi loại phản ứng nào đang xảy ra khi chúng tôi làm nóng mẫu. Sau đó, chúng tôi phát hiện kim cương và sự trao đổi nguyên tố bất ngờ giữa đá và kim loại lỏng."
Kim cương được hình thành như thế nào?
Shim cho biết, 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 các phân tử oxy. Do áp suất cao, hydro hút về phía sắt, là kim loại tạo nên phần lớn lõi. Do đó, oxy từ nước sẽ ở trong lớp phủ, trong khi hydro hòa vào lõi.
Khi điều này xảy ra, hydro dường như đẩy các nguyên tố nhẹ khác trong lõi sang một bên, bao gồm cả cacbon. Carbon này được khởi động ra khỏi lõi và vào lớp phủ. Ở áp suất cao trong ranh giới lõi-lớp phủ, dạng ổn định nhất của cacbon là kim cương.
“Đó là cách kim cương hình thành,” Shim nhận định.
Đây không phải là những viên kim cương giống như những viên kim cương lấp lánh trong một chiếc nhẫn đính hôn; hầu hết những viên kim cương này hình thành ở độ sâu vài trăm km chứ không phải vài nghìn. Nhưng những viên kim cương lõi có khả năng nổi và có thể bị cuốn vào khắp lớp vỏ.
Lớp phủ có lượng carbon gấp 3-5 lần so với dự kiến của các nhà nghiên cứu dựa trên tỷ lệ các nguyên tố trong các ngôi sao và các hành tinh khác. Những viên kim cương được tìm thấy trong lớp vỏ Trái đất này có thể giải thích sự khác biệt. Ông và nhóm của mình đã tính toán rằng nếu ngay cả 10% đến 20% lượng nước trong lớp vỏ đại dương đến ranh giới lõi-lớp phủ, nó có thể đủ điều kiện để tạo ra kim cương.
Nếu đúng như vậy, nhiều khu vực vận tốc thấp trong lớp phủ có thể là những khu vực tan chảy do nước điều khiển, được kích hoạt bởi sự xáo trộn của các mảng đại dương sâu vào hành tinh.
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 động đất một cách nhanh chóng, vì vậy các nhà nghiên cứu sẽ cần phải tìm ra các vùng vận tốc cao cùng với các vùng đã được phát hiện nơi sóng di chuyển chậm.
Một lựa chọn khác là nghiên cứu những viên kim cương có thể đến từ rất sâu trong lớp phủ của Trái đất. Những viên kim cương này đôi khi có thể nổi lên trên bề mặt với các túi nhỏ hoặc thể vùi, chứa đầy khoáng chất chỉ có thể hình thành dưới áp suất rất cao. Ngay cả Viên kim cương Hy vọng nổi tiếng cũng có thể đã hình thành rất sâu trong lớp vỏ của Trái đất.
