Tảng đá lâu đời nhất là khoáng vật zircon, được phát hiện ở Tây Australia, có cùng độ tuổi với hành tinh của chúng ta. Tảng đá này trông như thế nào và cách các nhà khoa học xác định tuổi của nó ra sao?

Bất ngờ từ Australia

Là vật liệu lâu đời nhất được khoa học biết đến trên hành tinh của chúng ta, zircon, một khoáng vật thuộc nhóm silicat đảo, tên hóa học là zirconi silicat, công thức hóa học ZrSiO4, có giá trị như đá quý được sử dụng rộng rãi thay thế cho kim cương. Bởi vì khoáng chất này có khả năng chống lại sự thay đổi hóa học nên nó là “tiêu chuẩn vàng” khoa học để xác định tuổi của đá cổ. Vì vậy, một mảnh zircon nhỏ, được chiết xuất từ sự hình thành đá ở vùng Jack Hills của Australia, khi được tìm thấy, khoáng chất này đã kết tinh, và các nhà khoa học dùng phép đo phóng xạ, sau đó chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử, tính được tuổi của nó là 4,375 tỷ năm (cộng trừ 6 triệu năm).

Mẫu này ủng hộ giả thuyết rằng lớp vỏ Trái Đất được hình thành lần đầu tiên ít nhất 4,4 tỷ năm trước, khi hành tinh của chúng ta chỉ mới 160 triệu năm tuổi. Điều này phù hợp với giả thuyết “Trái Đất sơ khai lạnh giá”: nhiệt độ trên hành tinh của chúng ta khi đó đủ thấp để nước, đại dương và thủy quyển (vỏ nước của Trái Đất nói chung) ở trạng thái lỏng.

Tinh thể lâu đời nhất thế giới đã được trình bày trước cộng đồng khoa học cách đây 10 năm bởi tác giả chính của nghiên cứu này, giáo sư John Valley tại Đại học Wisconsin ở Thung lũng Madison nước Mỹ, và kết quả công việc của ông đã được công bố trên tất cả các tạp chí khoa học. Tinh thể zircon cực nhỏ được Giáo sư John Valley sử dụng trong nghiên cứu này đã được xác nhận là loại vật liệu lâu đời nhất được biết đến đã hình thành trên Trái Đất.

Nghiên cứu được thực hiện bằng cách sử dụng một kỹ thuật mới - chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử. Kết hợp với một nghiên cứu khác – phương pháp quang phổ khối ion thứ cấp – nó cho phép các nhà khoa học xác định chính xác tuổi và lịch sử nhiệt của zircon bằng cách xác định khối lượng của từng nguyên tử chì riêng lẻ trong một mẫu. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng các cụm nguyên tử chì hình thành 1 tỷ năm sau khi zircon kết tinh (vào thời điểm đó, sự phân rã phóng xạ của uranium đã tạo ra các nguyên tử chì, sau đó phân tán thành các cụm khi được nung nóng lại).

Chuyện gì đã xảy ra 4,5 tỷ năm trước ?

Các nhà khoa học biết rằng hành tinh của chúng ta về cơ bản được hình thành từ một lượng lớn vật liệu không đồng nhất trong hệ mặt trời. Trái Đất sơ khai đã bị thiên thạch bắn phá nặng nề, bao gồm cả vụ va chạm với một vật thể có kích thước bằng sao Hỏa từ khoảng 4,5 tỷ năm trước. Thảm họa lớn này đã hình thành nên Mặt Trăng, làm tan chảy và đồng nhất hóa Trái Đất. Zircon được hình thành sau khi đại dương magma nguội đi và điều đó chứng tỏ rằng những sự kiện này diễn ra từ rất sớm.

John Valley cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng dữ liệu hóa học bên trong các zircon này có thể đáng tin cậy”.

Việc xác nhận tuổi của zircon có ý nghĩa to lớn đối với các mô hình Trái Đất sơ khai. Các nguyên tố vi mô trong các zircon lâu đời nhất ở Jack Hills của Australia cho thấy chúng đến từ các loại đá giàu nước, giống đá granit như granodiorite hoặc tonalite. Giả thuyết này đã được trình bày trong các nghiên cứu khác. Và điều đó có nghĩa là Trái Đất nguội đi đủ nhanh để hình thành nước bề mặt và đá kiểu lục địa chỉ 100 triệu năm sau vụ va chạm lớn hình thành hệ thống Trái Đất - Mặt Trăng.

Các nhà địa chất đã sắp xếp cẩn thận hơn 100.000 viên zircon ở Jack Hills siêu nhỏ, có niên đại từ thời kỳ đầu của Trái Đất (từ 3 tỷ đến gần 4,4 tỷ năm trước). Họ phát hiện ra rằng các tinh thể chứa các tạp chất cực nhỏ, đặc biệt là bọt khí, đã mở ra một cánh cửa độc đáo về thời kỳ siêu cổ xưa cho khoa học hiện đại. Dựa vào kết quả nghiên cứu những tinh thể đó, chúng ta có thể giả định các điều kiện trên Trái Đất như thế nào trong thời kỳ sự sống xuất hiện và các lục địa đầu tiên được hình thành.

Hình ảnh phát quang âm của zircon và bản đồ 3D thu được bằng phương pháp chụp cắt lớp đầu dò nguyên tử. Ảnh: John Valley, Đại học Wisconsin.

Các lục địa được sinh ra thế nào?

Sau đó, dựa trên một nghiên cứu về zircon của Australia, các nhà khoa học đã xác định được thời điểm kiến tạo mảng (khối vỏ Trái Đất) bắt đầu trên hành tinh của chúng ta. Theo bằng chứng do các nhà địa chất Mỹ đưa ra, các chuyển động mảng ngang trên bề mặt Trái Đất bắt đầu từ 3,6 tỷ năm trước. Sau đó, nhôm - một nguyên tố điển hình của lớp vỏ lục địa - đã xuất hiện trong thành phần của các khoáng chất có nguồn gốc lửa được nghiên cứu. Trong thời kỳ này, vật liệu trầm tích từ bề mặt hành tinh của chúng ta bắt đầu bị hút vào lớp bao phủ. Lý do cho điều này chỉ có thể là do kiến tạo mảng, trong đó một trong các khối của vỏ Trái Đất bắt đầu đi xuống dưới một khối khác (quá trình này là gọi là hút chìm).

Nhờ kết quả nghiên cứu này, các nhà khoa học đã xây dựng lại được niên đại hình thành cơ chế kiến tạo chính trên Trái Đất.

Vì vậy, 4 tỷ năm trước, những chuyển động theo chiều ngang đầu tiên của các vi mảng đã bắt đầu. Sau đó, các khối này bắt đầu tập hợp lại thành các khối lớn hơn gọi là các tiền lục địa, và tại điểm giao nhau của chúng, các dãy núi đầu tiên (nguồn gốc bồi tụ) được hình thành. Như đã đề cập, 3,6 tỷ năm trước, vật chất bề mặt bắt đầu bị hút vào lớp bao phủ. Các lục địa lớn đầu tiên bắt đầu xuất hiện. Và chỉ 2,7–2,5 tỷ năm trước, sau khi hình thành, quá trình chuyển động mảng toàn diện mới bắt đầu. Nó tiếp tục cho đến ngày nay, biểu hiện dưới dạng động đất.

Trái Đất và vũ trụ bao nhiêu tuổi?

Trước phương pháp xác định niên đại bằng phép đo phóng xạ, người ta chỉ có thể đoán tuổi của Trái Đất. Vì vậy, một số tín đồ của Kitô giáo ngày xưa tin rằng hành tinh của chúng ta đã vài nghìn năm tuổi - họ đánh giá điều này dựa trên Kinh thánh, tính tất cả những người được sinh ra kể từ thời Adam. Nhưng vào cuối thế kỷ XIX, nhà vật lý người Scotlend William Thomson (1824-1907, được phong Nam tước Kelvin) đã đưa ra một ước tính sơ bộ khác về tuổi của Trái Đất - 100 triệu năm. Ông bảo vệ lý thuyết của mình trong suốt cuộc đời và thậm chí còn phản đối những lời giải thích về sự tiến hóa của nhà tự nhiên học, địa chất học và sinh học người Anh Darwin là không thể xảy ra trong khoảng thời gian đó.

Cũng vào cuối thế kỷ XIX, nhà vật lý người Pháp gốc Ba Lan, Marie Curie (1867-1934), đã phát hiện ra hiện tượng phóng xạ, trong đó các nguyên tử không ổn định mất năng lượng hoặc phân rã, phát ra bức xạ ở dạng hạt hoặc sóng điện từ. Vài năm sau, vào năm 1904, nhà vật lý người New Zealand, Ernest Rutherford (1871-1937), đã chỉ ra rằng quá trình phân rã này có thể được sử dụng như một chiếc đồng hồ để xác định niên đại của những tảng đá cổ.

Một nhà địa chất người Anh của nửa đầu thế kỷ trước, Arthur Holmes (1890-1965), đã phát triển một phương pháp xác định niên đại của đá bằng phương pháp chì uranium. Áp dụng phương pháp này vào một tảng đá cổ mà ông sở hữu, ông đoán rằng Trái Đất ít nhất 1,6 tỷ năm tuổi.

Vào những năm 1920, các nhà khoa học đã bắt đầu nói về một thực tế là hành tinh của chúng ta đã khoảng 3 tỷ năm tuổi. Và điều hài hước nhất là tuổi của Vũ trụ vào thời điểm đó được ước tính chính thức là 1,8 tỷ năm. Nhân đây cũng cần biết, chỉ đến những năm 1950, các nhà khoa học mới điều chỉnh lại tuổi của Vũ trụ, khiến nó cổ xưa hơn Trái Đất (4,56 tỷ năm).

Ước tính gần đúng nhất về tuổi của Trái Đất là xác định niên đại bằng phép đo phóng xạ của các mảnh thiên thạch sắt Canyon Diablo, rơi xuống 20-40 nghìn năm trước ở Arizona nước Mỹ. Năm 1953, nhà địa hóa học người Mỹ Clair Patterson đã đo tỷ lệ đồng vị chì trong các mẫu thiên thạch và ước tính tuổi Trái Đất là 4,550 tỷ năm. Từ những mảnh vỡ của nó, các nhà khoa học có thể tính toán hàm lượng tương đối của các nguyên tố được hình thành trong quá trình phân rã uranium phóng xạ trong hàng tỷ năm.

Tuổi của Vũ trụ (ít nhất là trong lần xác minh gần đây nhất của nó) hiện được ước tính là 13,7 tỷ năm.

Quá khứ của Trái Đất ít nhiều rõ ràng và chỉ cần làm rõ trình tự thời gian của các sự kiện, còn về tương lai, người ta chỉ có thể xây dựng các giả thuyết mà thôi.