Điều kiện khắc nghiệt bên trong Trái Đất khiến cho việc khám phá nó gần như là không thể. Nhưng sóng địa chấn từ các trận động đất, núi lửa phun trào và sóng ánh sáng từ Mặt Trời đều đã trở thành phương tiện giúp tiết lộ những điều thú vị về lớp vỏ, lớp phủ và lõi của hành tinh chúng ta.
Biên giới cuối cùng không phải là không gian mà chính là Trái Đất. Chúng ta đã đưa người tới Mặt Trăng, đưa robot lên Sao Hỏa và đưa tàu thăm dò lên không gian ở khoảng cách 5,22 tỷ km từ Trái Đất để chụp được những bức ảnh của Pluto, trong khi chỉ 6.400 km ngay dưới chân chúng ta lại có vẻ như nằm ngoài tầm với. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã có câu trả lời bằng cách nghiên cứu các thiên thạch, hoạt động núi lửa và sóng địa chấn từ các trận động đất.
Vedran Lekić, nhà địa chấn học tại Đại học Maryland, cho biết: “Chúng ta đã bay vào không gian và khám phá các hành tinh khác. Nhưng xét trên nhiều mặt, việc đi vào bên trong Trái Đất và tìm ra những gì có trong đó thực sự khó khăn hơn nhiều về mặt công nghệ so với việc đi vào không gian.
Trái Đất có bốn lớp chính: lớp vỏ, lớp phủ, lõi ngoài và lõi trong, cùng với các vùng chuyển tiếp giữa các lớp này. Thế giới mà chúng ta biết nằm trên những mảng kiến tạo hợp thành vỏ Trái Đất, với độ dày dao động từ 5 tới hơn 60 km. Dưới các mảng kiến tạo đó là lớp phủ - một lớp đá chiếm tới 84% khối lượng của Trái Đất. Lớp đá này có màu trắng sáng bởi nhiệt độ cao, nhưng nếu bạn có thể làm nguội chúng về nhiệt độ phòng, chúng sẽ có màu xanh ô-liu lốm đốm nhờ chứa khoáng chất olivin - bạn có thể hình dung nó giống với những viên đá ngọc thạch (mà nhiều người phương Tây coi là loại đá quý biểu tượng của những người sinh tháng 8).
Wendy Mao, một nhà vật lý khoáng chất tại Đại học Stanford, cho biết: “Tôi nghĩ phần trên cùng của lớp phủ sẽ rất lộng lẫy, bởi vì nó sẽ có màu xanh lục của olivin, chiếm khoảng 60%, và nó cũng sẽ có màu đỏ của ngọc hồng lựu”.
Vào sâu hơn bên trong lớp phủ, nhiệt độ và áp suất sắp xếp lại các nguyên tử tạo nên olivin thành hai khoáng chất mới là bridgmanite và ferropericlase, có màu nâu cam và vàng ở nhiệt độ phòng. Bên dưới lớp vỏ đá, có một lõi bên ngoài bằng sắt lỏng (và một chút niken) bao quanh một lõi bên trong bằng sắt rắn (cũng lại có một chút niken) có kích thước bằng 70% kích thước của Mặt Trăng. Lõi này của Trái Đất nóng gần bằng bề mặt Mặt Trời, tức là khoảng 9.800 độ F (khoảng 5.400 độ C), với áp suất cao đến mức khiến cho áp suất ở đáy đại dương chỉ giống như trò trẻ con.
Tuy nhiên chúng ta chưa đến bất kỳ nơi nào trong số những nơi kể trên ở bên trong Trái Đất. Chúng ta đã không tận mắt nhìn thấy chúng. Chúng ta cũng chưa gửi máy ảnh hay máy thăm dò để mang về những mẫu sắt phát sáng như than hồng. Vậy thì, làm thế nào chúng ta biết được tất cả những điều đó?
Động đất tiết lộ cấu trúc
Khi các mảng kiến tạo tạo nên lớp vỏ Trái Đất di chuyển, chúng đôi khi va vào nhau và bị vỡ. Sự phá vỡ này, cùng với sóng năng lượng đi kèm với nó, được gọi là động đất. So với sóng âm, sóng địa chấn có thể cảm nhận được ở khoảng cách xa hơn rất nhiều và nhờ đó đã giúp các nhà khoa học biết được một trận động đất xảy ra khi nào và ở đâu.
Phát hiện sóng địa chấn không phải là một phát hiện mới. Nhà khoa học Trung Quốc Zhang Heng đã chế tạo ra máy đo địa chấn đầu tiên cách đây gần 2.000 năm. Nhưng phải đến tận năm 1889, các nhà khoa học mới có một bước đột phá trong việc sử dụng máy đo địa chấn để tìm hiểu hành tinh của chúng ta. Đó là khi một nhà nghiên cứu người Đức ở gần Berlin phát hiện ra một trận động đất, nhưng có một vấn đề là: ngày hôm ấy không có bất kỳ trận động đất nào ở gần đó. Hóa ra, đó lại là sóng địa chấn của một trận động đất xảy ra ở Nhật Bản và nó đã lan truyền đến Đức trong vòng hơn một giờ sau khi trận động đất xảy ra.
Lekić ví địa chấn học với cách chúng ta sử dụng tia X để nhìn vào bên trong cơ thể con người. Khi ta nhìn thấy được mật độ khác nhau của cơ, cơ quan và xương có nghĩa là tia X có thể truyền qua chúng (hoặc bị chúng làm chệch hướng) theo những cách khác nhau. Ông nói: “Chúng ta không thể gửi tia X xuyên qua Trái Đất, vì tia X sẽ không đi xuyên qua được toàn bộ. Thay vào đó, chúng ta sử dụng sóng địa chấn".
Động đất làm rung chuyển mặt đất khắp hành tinh của chúng ta và chúng lan truyền khắp thế giới theo nhiều hướng khác nhau. Lekić giải thích: “Sau đó, chúng ta có thể sử dụng mô hình máy tính để tạo ra hình ảnh về những gì bên trong Trái Đất và những hình ảnh đó sẽ cho chúng ta biết cơ bản về các phần khác nhau của Trái Đất mà sóng địa chấn đi qua”.
Các nhà địa chấn học giải mã dữ liệu từ các trận động đất và thậm chí mô phỏng các hoạt động địa chấn bằng súng hơi và các vụ nổ. Công trình nghiên cứu của họ đã chỉ ra rằng bên trong Trái Đất có các lớp khác nhau, một số lớp cho sóng địa chấn đi qua dễ dàng hơn các lớp khác. Họ thậm chí có thể cho chúng ta biết mật độ của các lớp này. Sau đó, một nhánh nghiên cứu khác là các nhà vật lý khoáng sản sẽ lấy kết quả đó để xác định ra những gì đã thực sự tạo nên những lớp đó.
Giải mã các khoáng chất
Andrew Campbell, một nhà vật lý khoáng sản tại Đại học Chicago, cho biết: “Có những hạn chế về mặt thiên văn và hoa học vũ trụ đối với việc hiểu được đâu là những cấu trúc có thể có trên hành tinh của chúng ta. Về cơ bản, sự phân bố của các nguyên tố trên Trái Đất phải gần giống với của các thiên thạch và Mặt Trời”.
Campbell giải thích rằng: “Vật liệu chúng ta có sẵn trong Hệ Mặt Trời mà từ đó có thể tạo ra một hành tinh phải giống với những thứ có trong Mặt Trời. Điều này là do các phản ứng hóa học bên trong các ngôi sao đã tạo ra các yếu tố để tạo nên các hành tinh như Trái Đất. Bằng cách xem xét các bước sóng ánh sáng mà Mặt Trời phát ra và so sánh chúng với ánh sáng phát ra từ các nguyên tố đã biết, các nhà khoa học có thể thu thập được dữ liệu về cấu tạo hóa học của Mặt Trời. Ánh sáng từ Mặt Trời cho thấy có rất nhiều silic, oxy, magiê và sắt, cùng với các nguyên tố khác như kali và canxi. Ông cho biết thêm, lượng tương đối của các nguyên tố có trong Mặt Trời tương tự với những gì chúng ta đã tìm thấy trong một số thiên thạch nguyên thủy. Điều này củng cố sự hiểu biết của chúng ta khi cho rằng những thiên thạch nguyên thủy chính là đại diện cho các khối kiến tạo mà từ đó chúng tập hợp và tạo thành các hành tinh rắn - mà Trái Đất nằm trong số đó”.
Những manh mối từ bên ngoài Trái Đất này cũng như các loại đá núi lửa có chứa các mảnh vỏ của Trái Đất, có thể cho chúng ta biết về những nguyên tố chính trong thành phần của hành tinh. Sau đó, các nhà vật lý khoáng sản như Campbell và Mao sẽ sử dụng dữ liệu địa chấn học để biết được các nguyên tố này được phân bố như thế nào.
Campbell nói: “Tôi lập luận rằng đây là cách chúng ta biết được rằng lõi Trái Đất rất giàu sắt chứ không phải một số nguyên tố nặng khác. Địa chấn học cho chúng ta biết Trái Đất có một lõi rắn, dày đặc. Và vì Mặt Trời và các thiên thạch chứa nhiều sắt hơn các nguyên tố nặng khác như coban, niken hay crom, chúng ta suy ra rằng sắt thực sự chiếm phần lớn của các khối kiến tạo mà chúng ta được dựng nên từ đó”.
Các nhà vật lý khoáng sản cũng tìm cách mô phỏng các điều kiện bên trong Trái Đất để xem cách mà chúng ảnh hưởng đến các vật liệu bên trong nó. Ví dụ, Mao đã thực hiện các nghiên cứu để tìm hiểu cách mà sắt trong lõi Trái Đất có thể đã cố định ở đó từ rất lâu, từ từ tác động qua lớp phủ đá. Để mô phỏng áp suất cực mạnh bên trong tâm Trái Đất, bà đã sử dụng cái gọi là những tấm đe kim cương. Bà nói: “Chúng tôi lấy hai viên kim cương và sau đó về cơ bản cắt bỏ phần chóp, lấy diện tích bề mặt nhỏ đó, đặt một ít mẫu vào giữa chúng, và sau đó ép chúng lại với nhau từ phía sau. Vì lực tập trung trên một diện tích bề mặt nhỏ như vậy, có bề rộng chỉ bằng sợi tóc người, nên nó tạo ra áp lực có thể so sánh được với áp suất sâu bên trong hành tinh.
Mao nói: “Một trong những phần thú vị nhất, nhưng cũng khó chịu nhất về những nghiên cứu này là chúng ta không thể đi sâu vào nó. Có lý thuyết có lý, phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, bởi vì chúng tôi có thể cố gắng mô phỏng những gì chúng tôi nghĩ về điều kiện, mặc dù chỉ ở kích thước micromet”.
Và vì các nhà khoa học chưa tìm ra cách nào để đi vào tâm Trái Đất, nên sự hợp tác giữa các chuyên ngành khoa học khác nhau này là rất quan trọng để hiểu được những gì nằm bên dưới chân chúng ta. Lekić nói: “Nếu không làm việc cùng nhau, bạn sẽ không thể thực sự hiểu được hành tinh này.”
Minh Phương
Theo Astronomy
