Nham thạch từ núi lửa Hawaii mang thông tin về quá trình hình thành hành tinh

Ngày nay, các khách bộ hành thăm quan miệng núi lửa Kilauea Iki tại Hawaii chỉ thấy một bề mặt hầu như bằng phẳng với bazan thưa thớt. Nó trông giống như nhựa đường, nhưng vào tháng 11 và 12 năm 1959, nó lại phát ra một dòng sáng màu cam của nham thạch mới phun trào. 

Hiện nay, phép phân tích chính xác các mẫu nham thạch được lấy từ miệng núi lửa đem lại cho các nhà khoa học một công cụ mới để tái tạo nguồn gốc hành tinh. Kết quả của phép phân tích, do Nicolas Dauphas thuộc đại học Chicago và các đồng nghiệp tiến hành, được công bố trên tạp chí Science số ngày 20 tháng 6.

Theo Dauphas và các đồng tác giả Fang-Zhen Teng thuộc đại học Arkansas và Rosalind T. Helz thuộc cục điều tra địa lý Hoa Kỳ, kiểm tra đồng vị sắt – khác biệt không đáng kể của nguyên tố thể hiện ở cấp độ nguyên tử - có thể cung cấp thông tin cho các nhà khoa học nghiên cứu hành tinh biết về quá trình hình thành vỏ trái đất nhiều hơn họ nghĩ.

Nếu được áp dụng cho các loại bazan trên Trái Đất và cả ngoài Trái Đất, bao gồm thiên thạch từ sao Hỏa và các hành tinh nhỏ, phương pháp này có thể cung cấp nhiều bằng chứng rõ ràng hơn hỗ trợ quan điểm khoa học thịnh hành rằng mặt trăng được tạo ra sau một va chạm khổng lồ giữa Trái Đất và một vật thể lớn khác.

Do nham thạch trong miệng núi lửa Kilauea Iki đã nguội và hóa thạch, đồng vị sắt trong nham thạch biến đổi theo thời gian. Dauphas cho biết: “Nó giống như cách bạn đặt một khay nước mặn vào trong tủ đá rồi kiểm tra điều gì xảy ra với nồng độ muối trong nước khi đá hình thành”.

Đồi Eruption tại miệng núi lửa Kilauea Iki trên Đảo Big Island thuộc Hawaii. Tháng 12 năm 1959, nham thạch phun cao 1900 mét từ địa điểm này. Tìm hiểu các mẫu nham thạch lấy từ miệng núi lửa, các nhà khoa học tại đại học Chicago và một số nơi khác đã phát minh ra một công cụ mới để tái tạo nguồn gốc hành tinh. (Ảnh: Steve Koppes)

Phát hiện mâu thuẫn với quan niệm phổ biến rằng sự biến đổi đồng vị chỉ xảy ra ở nhiệt độ khá thấp, đối với các nguyên tố nhẹ hơn, ví dụ như oxy. Nhưng Dauphas và các cộng sự đã có thể xác định quá trình biến đổi đồng vị xảy ra trong macma ở nhiệt độ 1.100 độ C (2.012 độ F).  

Các nghiên cứu trước đây về bazan không tìm thấy hoặc chỉ tìm thấy rất ít sự chia cắt đồng vị sắt, tuy nhiên những nghiên cứu đó tập trung vào cả một phiến đá chứ không phải các thành phần khoáng sản riêng rẽ của nó. Teng cho biết: “Chúng tôi phân tích không chỉ cả một phiến đá, mà đồng thời từng khoáng sản riêng biệt”. Cụ thể, họ đã phân tích tinh thể olivin, được biết đến nhiều hơn với cái tên periđot trong thế giới đồ trang sức.

Bài báo trên tờ Science ngày 20 tháng 6 là xuất bản đầu tiên dựa trên dữ liệu được thu thập và phân tích với sự trợ giúp của một thiết bị mới trong Phòng thí nghiệm nguồn gốc của Dauphas. Thiết bị khối phổ kế nguồn plasma được Cơ quan hàng không và không gian quốc gia cùng với đại học Chicago tài trợ, đã tách ion (hạt mang điện) theo khối lượng của chúng. Những ion này được tạo thành trong thể plasma của khí Agon bên trong thiết bị ở nhiệt độ gần 14.000 độ F (8.000 độ K, nóng hơn nhiệt độ trên bề mặt mặt trời).

Nghiên cứu về đồng vị có lịch sử phát triển dài tại đại học Chicago. Harold Urey, người nhận giải Nobel hóa học năm 1934, đã lập ra người điều hành khoa biến đổi đồng vị tại Chicago trong những năm 1940, 1950.

Các nhà nghiên cứu đã chọn Kilauea Iki để tiến hành tìm hiểu do họ đã nhiều lần khoan lấy mẫu thí nghiệm khi nó đã nguội qua nhiều năm. Số mẫu vật thu được khiến hồ nham thạch này trở thành địa điểm hoàn hảo nhằm nghiên cứu sự thay đổi và chia cắt của khoáng sản cũng như các nguyên tố khi macma nguội và hóa thạch.

Dauphas kết luận: “Kết quả chúng tôi đạt được mở ra một con đường mới cho nghiên cứu. Bây giờ chúng ta có thể sử dụng đồng vị sắt như chỉ dấu cho sự hình thành và biến đổi macma, điều này có vai trò quan trọng trong việc hình thành lục địa”.