Viên kim cương siêu hiếm ở độ sâu 660km hé lộ bí mật khiến nhà khoa học sửng sốt

Do hạn chế của công nghệ-kỹ thuật, con người vẫn chưa thể hiểu hết thế giới sâu bên dưới bề mặt hành tinh chúng ta.

Các nhà khoa học từ lâu đã nghĩ rằng khi lớp phủ trên chuyển sang lớp phủ dưới nóng hơn, dày đặc hơn, các khoáng chất có thể chứa ít nước hơn nhiều.

Tuy nhiên, việc phát hiện những 'sứ giả' nằm ở độ sâu hàng trăm km của Trái Đất, phần nào giúp các nhà khoa học có được cái nhìn hiếm hoi về thế giới bí ẩn này.

'Sứ giả' đó chính là một viên kim cương vừa được tìm thấy ở độ sâu 660 km.

Cụ thể, một viên kim cương được khai quật gần đây tại một mỏ kim cương Karowe ở Botswana (quốc gia phía nam châu Phi) có nhiều lỗ hổng chứa dấu vết của ringwoodite, ferropericlase, enstatit và các khoáng chất khác cho thấy kim cương hình thành cách bề mặt Trái Đất 660 km.

Điều đặc biệt hơn cả, theo nhóm các nhà nghiên cứu do nhà vật lý khoáng sản Tingting Gu thuộc Viện Đá quý của New York (Mỹ) dẫn đầu thì môi trường mà viên kim cương này hình thành - sự phân chia giữa lớp phủ trên và dưới được gọi là sự gián đoạn dài 660 km (hay đơn giản hơn là vùng chuyển tiếp) - RẤT GIÀU NƯỚC.

"Sự xuất hiện của ringwoodite cùng với các pha ngậm nước cho thấy môi trường rất ẩm ướt ở ranh giới này. Đây là một phát hiện đáng kinh ngạc" - nhóm các nhà khoa học viết trên tạp chí Nature Geoscience.

Giới khoa học phân tích: Phần lớn bề mặt Trái Đất được bao phủ bởi đại dương. Tuy nhiên, xét đến hàng nghìn km giữa bề mặt và lõi hành tinh, chúng hầu như chỉ là một vũng nước nhỏ. Ngay cả ở điểm sâu nhất, đại dương cũng chỉ dày 11 km.

Nhưng vỏ Trái Đất là một thứ nứt nẻ và phân mảnh, với các mảng kiến tạo riêng biệt mài vào nhau và trượt dưới các cạnh của nhau. Tại các vùng hút chìm này, nước thấm sâu hơn vào hành tinh, đến tận lớp phủ thấp hơn.

Theo thời gian, nó quay trở lại bề mặt thông qua hoạt động núi lửa. Chu trình chảy xuống, phun ra này được gọi là chu trình nước sâu, tách biệt với chu trình nước hoạt động trên bề mặt.

Việc nắm bắt được cách thức hoạt động và lượng nước ở dưới đó cũng rất quan trọng để hiểu hoạt động địa chất của hành tinh chúng ta. Ví dụ, sự hiện diện của nước có thể ảnh hưởng đến sự bùng nổ của một vụ phun trào núi lửa, và đóng một vai trò trong hoạt động địa chấn.

Tuy nhiên, vì chúng ta không thể xuống đó, nên chúng ta phải đợi bằng chứng về việc nước đến với chúng ta, giống như nó ở dạng kim cương tạo thành trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực lớn.

Nhà vật lý khoáng sản Tingting Gu và các đồng nghiệp của cô gần đây đã nghiên cứu chi tiết về một loại đá quý như vậy, tìm thấy 12 thể chứa khoáng chất và một cụm bao thể màu trắng đục.

Để nghiên cứu viên kim cương, họ đã sử dụng các hình thức phân tích "không phá hủy", bao gồm cả phương pháp quang phổ vi mô Raman; sử dụng tia laser để tiết lộ một cách không xâm lấn một số đặc tính vật lý của vật liệu; và nhiễu xạ tia X để xem xét cấu trúc bên trong của viên kim cương, thăm dò những tạp chất này để xác định bản chất của chúng mà không cần cắt nó ra.

Trong số các tạp chất, họ tìm thấy một tập hợp của ringwoodite (magie silicat ở nhiệt độ và áp suất cao) tiếp xúc với ferropericlase (magie / oxit sắt) và enstatit (một magie silicat có thành phần khác).

Ringwoodite có thành phần hóa học tương tự như olivin - vật liệu chính của lớp phủ trên nhưng hình thành dưới nhiệt độ và áp suất mạnh đến mức, cho đến năm 2008, các nhà khoa học mới chỉ tìm thấy nó trong một mẫu thiên thạch.

Ringwoodite thường được tìm thấy trong vùng chuyển tiếp giữa lớp phủ trên và dưới, giữa khoảng sâu 410 đến 660 km bên dưới bề mặt Trái Đất và có thể chứa nhiều nước hơn nhiều so với các khoáng chất Bridgmanite và ferropericlase.

Ở áp suất cao tại vùng chuyển tiếp, ringwoodite phân hủy thành ferropericlase, cũng như một khoáng chất khác có tên là Bridgmanite. Ở áp suất thấp hơn gần bề mặt hơn, Bridgmanite trở thành enstatit. Sự hiện diện của chúng trong viên kim cương kể câu chuyện về một cuộc hành trình, cho thấy viên đá được hình thành ở độ sâu trước khi quay trở lại lớp vỏ.

Đó không phải là tất cả.

Ringwoodite đặc biệt có các đặc điểm cho thấy nó có bản chất là ngậm nước - một loại khoáng chất hình thành khi có nước. Trong khi đó, các khoáng chất khác được tìm thấy trong kim cương, chẳng hạn như brucite, cũng có tính ngậm nước. Những manh mối này cho thấy rằng môi trường mà viên kim cương hình thành khá ẩm ướt.

Bằng chứng về nước tại khu vực chuyển tiếp đã được tìm thấy trước đây, nhưng bằng chứng đó không đủ để đánh giá lượng nước ở đó.

Nhóm các nhà khoa học viết trong bài báo: "Mặc dù sự hình thành của kim cương lớp phủ trên thường liên quan đến sự hiện diện của chất lỏng, nhưng những viên kim cương siêu sâu với các tập hợp khoáng chất bị xâm thực tương tự hiếm khi được quan sát thấy đi kèm với các khoáng chất ngậm nước".

Phát hiện này cũng có thể ảnh hưởng đến các mô hình kiến tạo mảng. Tingting Gu cho biết cô hy vọng các nhà khoa học sẽ có thể kết hợp những phát hiện của nghiên cứu này vào các mô hình về cách nước trong lớp phủ có thể ảnh hưởng đến các quá trình như dòng đối lưu bên trong Trái Đất. Từ đó thúc đẩy quá trình kiến tạo mảng bằng cách làm nóng lớp phủ của Trái Đất một cách không đều, khiến các phần nóng hơn tăng lên và dịch chuyển các mảng của Trái Đất trong hàng triệu năm.

Nghiên cứu đã được công bố ngày 26/9/2022 trên tạp chí Nature Geoscience.