Trong một chuyến khảo sát vùng bồn xen núi phía bắc miền tây Hoa Kì, nhà địa hoá học Mack Kennedy thuộc khoa Năng lượng, phòng thí nghiệm Quốc gia Berkeley Lawrence và Matthijs Van Soest trường Đại học bang Arizona, đã khám phá một công cụ mới giúp nhận biết các nguồn năng lượng địa nhiệt tiềm ẩn.
Hiện nay, hầu hết nguồn năng lượng địa nhiệt được khai thác từ những khu vực có hoạt động của núi lửa ví dụ như mạch nước phun miền bắc California. Nguồn năng lượng tiềm ẩn do Kennedy và Van Soest phát hiện không khởi nguồn từ núi lửa mà từ dòng chảy chất lưu qua những khe nứt sâu đến tận lớp vỏ bên trong của trái đất tại những vùng nằm cách xa những nơi đã từng hoặc đang có núi lửa hoạt động. Họ đã thông báo về kết quả tìm kiếm của mình trên tờ Science số ra ngày 30 tháng 11 năm 2007.
Tại phòng thí nghiệm Berkeley, nhà địa hoá học B.Mack Kennedy đã sử dụng quang phổ kế vĩ đại này (cận cảnh) để xác định tỉ lệ đồng vị Heli trong mẫu chất trên bề mặt được lấy từ vùng bồn xen núi phía bắc. (Ảnh: Roy Kaltschmidt)
“Một nguồn năng lượng địa nhiệt tốt phải đảm bảo 3 yêu cầu cơ bản: nhiệt Gradient cao – nghĩa là đá phải nóng đủ độ sử dụng được - cộng với nguồn cung cấp chất lưu tự tái tạo (thường là nước) và cuối cùng là chất lưu có thể lưu thông qua đá nóng nhờ các con đường nằm sâu thấm qua được”, ông Kennedy, nhà khoa học thuộc đơn vị Khoa học Trái đất, Phòng thí nghiệm Berkeley, nói. “Chúng tôi đã tìm ra cách vẽ bản đồ và xác định số lượng những vùng thẩm thấu nằm sâu bên trong vỏ trái đất được sinh ra do hoạt động kiến tạo - sự vận động của vỏ trái đất - chứ không phải hoạt động núi lửa."
Kennedy và Van Soest đã so sánh tỉ lệ đồng vị Heli có trong các mẫu thử lấy từ giếng nước, suối và các mạch nước phun khắp vùng bồn xen núi phía bắc. Đồng vị Heli-3 - hạt nhân có 1 nơtron chỉ có ở các vì sao, vỏ trái đất giữ lại được một lượng khá lớn đồng vị Heli-3 nguyên thuỷ (so với lượng rất nhỏ có trong không khí) còn lại sau sự hình thành của hệ mặt trời. Mặt khác, vỏ trái đất lại trù phú với những nguyên tố phóng xạ như Urani và Thori, hai nguyên tố này bị phân rã khi chiếu tia alpha và trở thành hạt nhân của đồng vị Heli-4. Do đó, tỉ lệ Heli-3 và Heli-4 cao trong mẫu chất lưu cho thấy phần lớn chất lưu này có từ vỏ trái đất.
Các vùng có núi lửa đều có tỉ lệ Heli cao, nơi các chất lưu thâm nhập qua ranh giới mỏng manh của lớp vỏ bên trong trái đất. Nhưng khi Kennedy và Van Soest nhận thấy những vùng có tỉ lệ Heli cao lại nằm xa khu vực núi lửa, họ đã hiểu rằng chất lưu chắc chắn đã thẩm thấu qua ranh giới mỏng manh này bằng cách khác.
Địa chất của khu vực chính là đầu mối. Vùng bồn xen núi đặc trưng bởi những dãy núi trải dài từ bắc xuống nam bị ngăn cách bởi những thung lũng rộng và tương đối bằng phẳng. Nơi đây từng khối đất đá bị sụt lún được bồi đắp bởi những lớp trầm tích bị ăn mòn từ dải núi được nâng lên. Địa hình vùng bồn xen núi xen kẽ là kết quả của quá trình mở rộng vỏ trái đất từ đông sang tây xảy ra vào khoảng 30 triệu năm trước. Đây là nơi có lớp vỏ trái đất gần như mỏng nhất thế giới nên đã gây ra hiện tượng nhiệt Gradient cao bất thường.
Nhà địa hóa học Matthijs van Soest đang lấy mẫu nước tầng mặt tại vùng bồn xen núi (Ảnh: Mack Kennedy)
Bề mặt của dãy núi tại vùng bồn xen núi đã hiển thị rõ ràng các phay bình thường, tức là các dãy núi bị tách xa nhau do sự mở rộng của vỏ trái đất. Các phay này tạo thành những con đường dốc nằm sâu bên trong lớp vỏ ngoài dễ vỡ. Nhưng khi trục chính của phay chạm vào vỏ mềm bên trong, thay đổi mật độ và tính dẻo của đá làm khúc xạ quy luật của lực tác động lên phay, làm trục phay nằm ngang hơn. Chính từ các phay sâu và có xu hướng nằm ngang này nên Kennedy đã nghĩ rằng con đường thẩm thấu có thể thâm nhập từ ranh giới mỏng manh vào vỏ trái đất.
Một trong những khu vực có hoạt động địa chấn mạnh mẽ tại vùng bồn xen núi xảy ra được gọi là vành đai địa chấn trung tâm Nevada. Các nghiên cứu chi tiết của họ tại khu vực này chủ yếu là hệ thống nhiệt của thung lũng Dixie nằm bên cạnh dãy Stillwater, đã chứng minh rằng tỉ lệ Heli cao nhất có trong chất lưu bắt nguồn từ hệ thống phay mặt trước dãy Stillwater.
Vùng bồn xen núi phía bắc mà Kennedy và Van Soest đã nghiên cứu đại diện cho cơ quan DOE về Khoa học năng lượng cơ bản và cơ quan Công nghệ địa nhiệt trải dài qua 5 bang: California, Nevada, Oregon, Idaho và Utah. Trong nghiên cứu, họ đã vạch ra sự tiến triển đều đặn từ tỉ lệ Heli thấp ở phía đông đến tỉ lệ cao ở phía tây. Tỉ lệ tăng tương đồng với tốc độ tăng và sự thay đổi chiều hướng mở rộng của vỏ trái đất, từ hướng đông tây qua vùng bồn xen núi thành hướng tây bắc.
Sự thay đổi về tốc độ và hướng phản ánh biến dạng trượt thêm vào do tác động của xu hướng vận động về phía bắc của thềm Thái Bình Dương qua thềm Bắc Mỹ. Kenneday và Van Soest tin rằng thành phần thêm của biến dạng trượt và tỉ lệ mở rộng đang gia tăng mở ra con đường cho chất lưu đi qua lớp vỏ mỏng bên trong đến vỏ bên ngoài trái đất. Tỉ lệ đồng vị Heli cao được tìm thấy đã hứa hẹn nguồn năng lượng địa nhiệt tiềm tàng cộng với xu hướng bối cảnh chung: vùng có tỉ lệ cao khác thường có độ thấm trên trung bình.
“Chúng tôi chưa bao giờ chứng kiến một mối liên hệ rõ ràng đến thế giữa dấu hiệu địa hoá của bề mặt trái đất với các hoạt động kiến tạo, cũng như chưa bao giờ có thể xác định độ thấm sâu từ bất kì phương pháp bề mặt nào”, ông Kennedy nói. Các mẫu vật lấy được từ bề mặt trái đấy đã mở đường cho họ để nghiên cứu cấu trúc của lớp đất đá nằm sâu bên dưới mà không cần khoan đục.
Khi việc tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo không sản sinh khí nhà kính đang là một vấn đề khẩn thiết thì địa nhiệt là nguồn năng lượng lý tưởng – “nguồn năng lượng tự tái tạo tốt nhất chỉ đứng sau nắng mặt trời”, ông Kennedy nói. Nguồn năng lượng địa nhiệt đang được khai thác ở Hoa Kì, trừ bang Alaska và Hawaii, đã sản xuất khoảng 90 nghìn triệu triệu kilowat một giờ, gấp 3000 lần tổng tiêu thụ năng lượng hàng năm của quốc gia này. Xác định tỉ lệ Heli bằng phương pháp bề mặt là một cách thiết thực để định vị một nguồn năng lượng mới đầy triển vọng.