Nghiên cứu mới do Tiến sĩ Simon March của Viện Nghiên cứu Tây Nam đồng tác giả đã phát hiện ra kịch bản hợp lý về mặt địa vật lý đầu tiên có thể giải thích sự phong phú của một số kim loại quý trong lớp phủ Trái đất, bao gồm cả vàng và bạch kim. Dựa trên các mô phỏng hoặc mô hình, các nhà khoa học phát hiện ra rằng các kịch bản trộn vật liệu lớp phủ do tác động có thể ngăn kim loại chìm hoàn toàn vào lõi.
Một nghiên cứu mới với sự cộng tác của Tiến sĩ Simon March thuộc Viện Nghiên cứu Tây Nam đã phát hiện ra kịch bản hợp lý về mặt địa vật lý đầu tiên có thể giải thích sự phong phú của một số kim loại quý trong lớp phủ Trái đất, bao gồm cả vàng và bạch kim. Dựa trên những mô phỏng này, các nhà khoa học đã phát hiện ra một kịch bản trộn lẫn vật liệu lớp phủ do tác động có thể ngăn kim loại chìm hoàn toàn vào lõi. Nguồn hình ảnh: Viện nghiên cứu Tây Nam
Trong quá trình tiến hóa ban đầu, khoảng 4,5 tỷ năm trước, Trái đất đã va chạm với một hành tinh có kích thước bằng sao Hỏa và Mặt trăng có thể được hình thành từ các mảnh vụn va vào đĩa trên quỹ đạo Trái đất. Tiếp theo là một thời gian dài bị bắn phá, được gọi là "bồi tụ muộn", khi các vi thể hành tinh lớn như Mặt trăng va vào Trái đất, giải phóng vật chất bao gồm các nguyên tố có tính "siderophilic" (HSE) cao (kim loại có ái lực mạnh với sắt) được tích hợp vào Trái đất non trẻ.
"Các mô phỏng trước đây về tác động xuyên qua lớp phủ đã chỉ ra rằng chỉ một phần nhỏ lõi kim loại của các vi thể hành tinh có thể bị lớp phủ đồng hóa và hầu hết các kim loại này - bao gồm cả HSE - nhanh chóng chảy vào lõi", March nói. Đồng tác giả bài báo Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS) nêu rõ những phát hiện mới. "Điều này đưa chúng ta đến câu hỏi: Làm thế nào Trái đất thu được một số kim loại quý? Chúng tôi đã phát triển các mô phỏng mới nhằm cố gắng giải thích sự pha trộn giữa vật liệu kim loại và đá trong lớp phủ ngày nay."
Sơ đồ này minh họa lời giải thích hợp lý nhất về mặt địa vật lý cho sự hiện diện của kim loại HSE dồi dào trong lớp vỏ Trái đất. Trong một cuộc bắn phá kéo dài, vật va chạm sẽ va vào Trái đất và giải phóng vật chất. (a) Kim loại lỏng sẽ chìm vào đại dương magma do va chạm tạo ra cục bộ và sau đó thấm vào vùng nóng chảy một phần bên dưới. (b) Sự nén làm cho kim loại trong vùng nóng chảy đông cứng lại và chìm xuống. (c) Sự đối lưu nhiệt sau đó trộn lẫn và phân phối lại thành phần lớp phủ tẩm kim loại trong khoảng thời gian địa chất dài hơn. Nguồn hình ảnh: Viện nghiên cứu Tây Nam
Sự phong phú tương đối của HSE trong lớp phủ cho thấy HSE được phân phối thông qua các tác động sau khi lõi được hình thành. Tuy nhiên, cho đến nay, việc giữ lại những yếu tố này trong lớp phủ tỏ ra khó khăn trong việc lập mô hình. Mô phỏng mới xem xét làm thế nào một khu vực nóng chảy một phần bên dưới đại dương magma được tạo ra bởi một tác động cục bộ có thể ngăn chặn kim loại hành tinh rơi vào lõi Trái đất.
"Để thực hiện được điều này, chúng tôi đã mô phỏng sự pha trộn giữa các vi thể hành tinh va chạm với vật liệu lớp phủ trong ba giai đoạn dòng chảy: khoáng vật silicat rắn, magma silicat nóng chảy và kim loại lỏng", Tiến sĩ Jun Korenaga của Đại học Yale, tác giả chính của bài báo cho biết. “Động lực nhanh chóng của hệ thống ba pha này, cùng với sự pha trộn lâu dài do sự đối lưu trong lớp phủ mang lại, cho phép HSE từ các vi thể hành tinh được giữ lại trong lớp phủ.”
Trong trường hợp này, một vật va chạm sẽ tấn công Trái đất, tạo ra một đại dương magma lỏng cục bộ trong đó kim loại nặng chìm xuống đáy. Khi kim loại đạt đến vùng nóng chảy một phần bên dưới, nó nhanh chóng thâm nhập vào vùng nóng chảy và sau đó từ từ chìm xuống đáy lớp phủ. Trong quá trình này, lớp phủ nóng chảy đông cứng lại, giữ lại kim loại. Đây là lúc quá trình đối lưu bắt đầu, vì nhiệt từ lõi Trái đất làm cho vật chất trong lớp phủ rắn chuyển động rất chậm và dòng điện sinh ra mang nhiệt từ bên trong đến bề mặt Trái đất.
Korenaga cho biết: “Đối lưu lớp phủ là quá trình trong đó vật liệu lớp phủ nóng nổi lên và vật liệu lạnh hơn chìm xuống”. "Lớp phủ gần như hoàn toàn rắn chắc, mặc dù qua thời gian địa chất dài, nó hoạt động như một chất lỏng dẻo và có độ nhớt cao, trộn lẫn và phân phối lại vật liệu lớp phủ, bao gồm cả HSE tích tụ trong các vụ va chạm lớn xảy ra hàng tỷ năm trước."