Vàng, bạc, bạch kim lại xuất hiện bất thường trên Trái đất?

Các nhà khoa học cuối cùng có thể đã tìm ra lý do tại sao các kim loại quý của Trái đất lại thường chỉ xuất hiện gần bề mặt. Với trọng lượng riêng rất nặng thì đáng lẽ chúng phải chìm vào lõi. Hóa ra, chúng bị mắc kẹt trong lớp đá dính nửa rắn nửa lỏng sau khi rơi xuống Trái đất sau vụ thiên thạch Theia đâm vào Trái đất buổi sơ khai.

Trước giờ, sự phân bố phong phú của kim loại quý gần bề mặt đã khiến các nhà nghiên cứu bối rối. Từ chiếc nhẫn đính hôn bằng bạch kim trên tay, chiếc dây chuyền vàng trên cổ, đến các kim loại quý làm vi mạch điện tử ở đồ dùng xung quanh, người ta băn khoăn: Chúng không thể xuất hiện theo cách như thế.

Xét về mặt hóa học, tất cả các kim loại này đều xuất hiện với số lượng lớn bất thường trên Trái đất, khiến các nhà nghiên cứu tin rằng chúng có thể đã hội tụ xuống hành tinh chúng ta trong quá trình mưa thiên thạch bắn phá ngay sau khi Trái đất hình thành. Dù vậy, nhưng lẽ ra chúng phải chìm vào lõi sau khi rơi xuống Trái đất.

Giờ đây, trong một khám phá mới, các nhà nghiên cứu đã có đáp án cho câu hỏi hóc búa này: Bất chấp mật độ của chúng, những kim loại này vẫn có thể thấm qua lớp phủ và bị mắc kẹt trong đá đông đặc, giữ chúng không bị chui xuống quá sâu để cuối cùng vẫn có thể quay trở lại bề mặt Trái đất. Chúng thậm chí có thể là nguyên nhân tạo ra những đốm màu bí ẩn được tìm thấy rất sâu trong lớp phủ.

Đồng tác giả nghiên cứu Simone Marchi, nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Tây Nam ở Boulder, Colorado (Mỹ) phân tích: “Từ khám phá này, chúng tôi có thể tạo ra những khu vực quy mô lớn có mật độ dày đặc kim loại quý hơn một chút so với nơi khác”.

Vàng, bạch kim, paladi, các kim loại thuộc nhóm bạch kim khác và các lớp kim loại chuyển tiếp như rheni đều là những thứ mà các nhà khoa học gọi là “các nguyên tố có tính ưa siderophil cao”. Nói cách khác, chúng là nguyên tố dễ dàng liên kết với sắt. Các nhà khoa học tin rằng, nếu các kim loại này được đưa đến Trái đất thông qua các tiểu hành tinh và hành tinh trong sự hỗn loạn của thời kỳ đầu hệ mặt trời hình thành, thì chúng hẳn đã đập xuyên qua lớp vỏ và vào lớp phủ, sau đó chìm xuống như một viên sỏi rơi xuống ao cho đến khi chạm tới đáy là lõi giàu sắt.

Điều đó đã không xảy ra. Để tìm hiểu lý do tại sao, Marchi và đồng tác giả, nhà địa vật lý Jun Korenaga của Đại học Yale, đã tạo ra mô phỏng về những va chạm trên Trái đất sơ khai. Lần đầu tiên, họ phát hiện ra rằng việc đưa những kim loại này ra khỏi lõi thậm chí còn khó hơn dự tính ban đầu.

Marchi nói: “Trước đây, mọi người thường bỏ qua ý tưởng này và nghĩ rằng phải có cách nào đó khác. Mọi người không thực sự nhận ra rằng vấn đề lại nghiêm trọng đến vậy".

Tuy nhiên, mô phỏng của họ cũng tiết lộ giải pháp cho vấn đề này. Khi Theia - một thiên thạch khổng lồ có kích thước gần bằng mặt trăng - va vào Trái đất sơ khai, vụ va chạm sẽ xóa sạch mọi thứ và tạo ra một đại dương magma tan chảy thấm sâu vào lớp phủ.

Bên dưới đại dương magma này sẽ là một khu vực ranh giới của đá dạng nửa rắn nửa nóng chảy. Các kim loại từ thiên thạch va chạm sẽ dần dần thẩm thấu vào vùng nửa nóng chảy này, bị tan ra xung quanh. Thay vì kim loại nguyên chất rất đậm đặc sẽ chìm thẳng vào lõi, vùng lớp phủ chứa kim loại này sẽ chỉ đậm đặc hơn một chút so với môi trường xung quanh. Khi nó từ từ chìm xuống khu vực có áp suất cao hơn, nó sẽ đông đặc lại, đồng thời giam những mảnh kim loại nhỏ trước khi chúng có thể chạm tới lõi. Marchi và Korenaga đã báo cáo phát hiện của họ trên kỷ yếu của Viện Hàn lâm khoa học quốc gia Mỹ xuất bản trong tháng 10.

Từ đó, với hàng tỉ năm xáo trộn, đối lưu trong lớp phủ đã đưa các kim loại bị mắc kẹt lên lớp vỏ, trong tầm hoạt động khai thác của con người. Và nhờ đó, những đồ trang sức và đồ điện tử làm từ kim loại quý thường xuyên đập vào mắt chúng ta.

Có thể ngày nay những đốm màu giàu kim loại này của lớp phủ vẫn còn được nhìn thấy trong các hình ảnh về lớp phủ mà các nhà khoa học tái tạo lại từ sóng động đất. Các khu vực của lớp phủ mà sóng bị biến dạng do tốc độ truyền sóng di chuyển chậm một cách kỳ lạ được gọi là LLSVP. Marchi cho biết, rõ ràng là có một số khác biệt trong lớp đá phủ ở những khu vực này, nhưng các nhà khoa học không chắc điều gì bên trong đó.

Một khả năng là sự khác biệt nằm ở mật độ và LLSVP là tàn tích của các va chạm xưa đã mang vàng, bạch kim và các kim loại khác đến Trái đất. Marchi cho biết, bước tiếp theo có thể là mô phỏng các tác động tương tự lên sao Hỏa hoặc sao Kim thời sơ khai. Ông nói: “Những hành tinh đó rất khác với Trái đất. Vì vậy, có thể rất thú vị và quan trọng để xem quá trình này sẽ diễn ra như thế nào đối với gần bề mặt các hành tinh khác".