Liên đại Hadean (50 – 100 triệu năm tuổi)

Sau vụ va chạm dữ dội với Theia, Trái Đất đã dần dần đi vào ổn định nhưng các điều kiện tự nhiên lúc này vẫn rất là khắc nghiệt. Và các nhà địa chất đã đặt tên cho 500 triệu năm đầu tiên của Trái Đất là Liên đại Hadean nhằm ám chỉ đến những điều kiện khắc nghiệt như “địa ngục” trần gian: những ngọn núi lửa phun trào chứa đầy lưu huỳnh, những dòng dung nham rực sáng và sự bắn phá liên tục của các tiểu hành tinh và sao chổi đang không ngừng phá vỡ bề mặt hành tinh. Dù vậy, đây vẫn được coi là một điều kiện tương đối thuận lợi để Trái Đất cho ra các sản phẩm “mới lạ” hơn.

1. Các nguyên tố thống trị Trái Đất

Trong giai đoạn ban đầu, sự phát triển của Trái Đất chính là một “vũ điệu” của hai quá trình hoá học đan xen: quá trình tạo ra các nguyên tố mới và quá trình tạo đá. 

Như chúng ta đã biết, cái “lò” giúp “rèn” nên đủ các thể loại nguyên tố hoá học chính là phản ứng tổng hợp hạt nhân bên trong lõi của các ngôi sao giống như Mặt Trời của chúng ta. Và để “rèn” nên các nguyên tố nặng hơn sắt, các ngôi sao ấy thậm chí đã phải phát nổ trong một vụ nổ siêu tân tinh. Như vậy, để có được cái bảng tuần hoàn hoá học này, các ngôi sao lúc nào cũng bị đẩy đến một giới hạn cực độ, thậm chí phải trả giá bằng mạng sống của mình.

Trong số các nguyên tố này, một số nguyên tố hóa học đã được “định sẵn” để trở thành “kẻ thống trị”, chẳng hạn như oxy, silic, nhôm, magie, canxi và sắt… Số lượng của các nguyên tố này vượt xa tất cả các nguyên tố nặng khác, đặc biệt là ở trong các hành tinh đất đá. Đây là sáu nguyên tố chiếm 98% khối lượng của Trái Đất, Mặt Trăng, Sao Thủy, Sao Kim và Sao Hỏa.

Mỗi một nguyên tố trong “sáu nguyên tố” này đều có riêng cho mình một câu chuyện rất đặc biệt. Mỗi một nguyên tố, theo cách riêng của nó, đã “xây dựng” nên Trái Đất theo “phong cách” của riêng mình. Nhưng giữa các phong cách này đều có một điểm chung – đó chính là liên kết hóa học. Các nguyên tử sẽ có thể “dính chặt” với nhau khi các đám mây electron của chúng tương tác và bị xáo trộn để tạo thành một cấu hình ổn định hơn – đặc biệt là các nguyên tử có “con số kỳ diệu” là 2, 8, 10 hoặc 18 electron – một cấu hình khí hiếm. Để đạt được điều này, một số nguyên tử phải nhường electron, trong khi những nguyên tử khác sẽ được nhận thêm.

Oxy là một nguyên tố rất tham lam: Chúng chỉ muốn nhận thêm electron chứ không muốn cho đi. Mỗi một nguyên tử oxy có 8 proton tích điện dương trong hạt nhân của nó, được cân bằng điện bởi 8 electron tích điện âm. Nhưng oxy luôn tìm kiếm thêm 2 electron nữa để tạo ra con số kỳ diệu là 10 electron. Sự thôi thúc chiếm đoạt không ngừng đó làm cho oxy trở thành một trong những loại khí ăn mòn, dễ phản ứng nhất trong tự nhiên.

Theo trực giác, hầu như chúng ta đều nghĩ rằng oxy lúc nào cũng là một thành phần thiết yếu trong bầu khí quyển xuyên suốt chiều dài lịch sử của Trái Đất. Tuy nhiên, trong ít nhất 2 tỷ năm đầu tiên, bầu khí quyển của Trái Đất hoàn toàn không có oxy. Thậm chí cho đến ngày nay, 99,9999% lượng oxy trên Trái Đất đang bị khóa trong các loại đá và khoáng chất khác nhau: Khi bạn đang leo núi hay đang đi bộ đường dài trên một cung đường với những mỏm đá nhô ra, hầu hết các nguyên tử dưới chân bạn đều là oxy; khi nằm trên một bãi biển đầy cát, gần 2/3 số nguyên tử chính là oxy.

Để oxy có thể đóng vai trò là một nguyên tố tiếp nhận electron, tương ứng với nó cũng phải có rất nhiều nguyên tố sẵn sàng cho đi hoặc chia sẻ electron. Và nguyên tố “hào phóng” phổ biến nhất trên bề mặt Trái Đất đó chính là silicon, chiếm gần 1/4 số lượng các nguyên tử trong lớp vỏ và lớp phủ của hành tinh. 

Về mặt lý thuyết, silicon có 14 proton điện tích dương trong hạt nhân, được cân bằng bởi 14 electron điện tích âm. Tuy nhiên, trong thực tế, silicon thường bỏ đi 4 electron để đạt được con số kỳ diệu là 10 electron, trở thành một ion silicon mang điện tích dương. Trong lớp vỏ và lớp phủ của Trái đất, 4 electron tự do này lúc nào cũng bị hai nguyên tử oxy ngấu nghiến và trở thành các ion tích điện âm. Do đó, liên kết silicon – oxy được tìm thấy rất nhiều trong hầu hết các loại đá, đáng chú ý nhất là thạch anh (hay SiO₂) – một hỗn hợp bao gồm một nguyên tử silic và hai nguyên tử oxy. Các hạt thạch anh này đã tồn tại từ rất lâu, tích tụ với số lượng rất lớn ở khắp mọi nơi và cho đến nay là khoáng chất phổ biến nhất có trong cát biển.

Nhìn chúng, tất cả các tinh thể có liên kết silicon-oxy được gọi là silicat – một loại khoáng chất phổ biến nhất trên Trái đất với hơn 1300 loại khác nhau đã được biết đến (với rất nhiều loại khác đang được bổ sung). Chúng rất đa dạng về mặt cấu trúc và tính chất do sự linh hoạt trong liên kết silicon-oxy, chẳng hạn như cấu trúc chịu được các điều kiện thời tiết khắc nghiệt của thạch anh và fenspat, hay cấu trúc theo cụm của olivin xanh ngọc, hay cấu trúc dạng sợi của một số dạng amiăng khét tiếng, hoặc cấu trúc dạng tấm của mica từng được sử dụng để làm vật liệu thay thế rẻ tiền cho kính cửa sổ.

Mặc dù ít phong phú hơn silicon nhưng các nguyên tố canxi và magie cũng đóng một vai trò rất quan trọng trong các loại đá silicat này. Là các ion dương, giống như người anh em họ silicon của chúng, chúng có thể liên kết với oxy để tạo thành canxi oxit (CaO), từ đó cho ra canxi silicat (CaSiO₃) – một chất được sử dụng rất nhiều trong xây dựng hay magie silicat (MgSiO₃) – một chất được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp mỹ phẩm và thuốc nhuận tràng. 

Bên cạnh silicat, khi nhôm oxit (Al₂O₃) được pha lẫn với một lượng nhỏ các nguyên tố crom hoặc titan, các viên đá ruby ​​hoặc sapphire rực rỡ đã được hình thành.

Cho đến nay, năm nguyên tố phổ biến nhất trên Trái Đất: oxy, silicon, nhôm, magie và canxi đều có riêng cho mình một tính chất hóa học chủ đạo. Oxy luôn đóng vai trò là “kẻ tham lam”, lúc nào cũng muốn có thêm 2 electron. Silicon thì luôn luôn đóng vai trò là “kẻ hào phóng”, lúc nào cũng sẵn sàng cho đi 4 electron. Nhôm luôn sẵn sàng cho đi 3 electron còn magie và canxi luôn sẵn sàng cho đi 2 electron. Nhưng sắt thì lại đặc biệt hơn cả: Một mình nguyên tố này đóng cả ba vai trò hóa học khác nhau.

Tính linh hoạt của sắt đã phần nào được thể hiện trong cấu trúc phân lớp của Trái Đất. Sắt chỉ chiếm khoảng 10% trong lớp vỏ và lớp phủ của Trái Đất, trong khi lõi kim loại của Trái Đất lại có hơn 90% là sắt. Sự tương phản rõ nét này xuất phát từ thực tế là 26 electron của sắt là lớn hơn khá nhiều so với con số 18 – con số kỳ diệu gần nhất, khiến sắt trở nên vô cùng “hào phóng”. Trớ trêu thay, trong tự nhiên lại không có nhiều nguyên tố có thể nhận cùng một lúc 8 electron. Đây quả nhiên là một vấn đề vô cùng lớn đối với sắt. 

Vì vậy, để đối phương không bị “choáng ngợp” trước sự hào phóng và nhiệt tình của mình, đôi khi sắt sẽ hoạt động giống như magie và nhường đi 2 electron để trở thành ion dương +2. Sắt ở trạng thái hóa trị II này tạo ra màu xanh lục rất đặc biệt cho khá nhiều loại khoáng chất. Màu xanh lục đặc trưng của đá quý peridot (một loại olivine chứa sắt) và màu hơi xanh của máu thiếu oxy trong tĩnh mạch là những dấu hiệu nhận biết của sắt hóa trị hai.

Trong “mối quan hệ” này, sắt thường liên kết với oxy theo tỷ lệ một đối một (FeO). Và vì các nguyên tử magie và sắt có kích thước tương tự nhau nên các nguyên tố này thường thay thế vị trí của nhau trong các khoáng chất phổ biến của lớp vỏ và lớp phủ Trái Đất. Một số khoáng chất như olivine, garnet, pyroxene và mica đều có rất nhiều các biến thể từ không màu (100% magie) đến các loại có màu sẫm hơn (100% sắt hóa trị hai)

Tuy nhiên, sắt không bị giới hạn ở trạng thái hoá trị II. Với sự có mặt của nhiều nguyên tố sẵn sàng tiếp nhận electron, nó có thể nhường đi 3 electron để trở thành ion +3. Dạng sắt hóa trị III này mang lại màu đỏ rất đặc trưng cho loại vật liệu mà nó đang cư trú: Vết rỉ sắt màu đỏ, đất đỏ, gạch đỏ và máu đỏ giàu oxy…tất cả đều là nhờ vào sắt hóa trị III. Giống như nhôm (một ion dương +3), sắt hóa trị III liên kết với oxy theo tỷ lệ 2-3 để tạo thành Fe₂O₃ – một khoáng chất được đặt tên là hematit vì màu đỏ như máu của nó.

Giống như magie thường có thể thay thế cho dạng hóa trị II của sắt, nhôm thường là nguyên tố có thể thay thế cho dạng hóa trị III của sắt, chẳng hạn như garnet, amphibole và mica.

Vì vậy, sắt có một thủ thuật cực kỳ hữu ích là nó có thể chuyển đổi qua lại từ trạng thái +2 sang trạng thái +3 (chúng ta sẽ nghiên cứu lại “năng lực” này sau vài tỷ năm nữa, khi sự sống lần đầu tiên xuất hiện). Nhưng sắt còn đóng một vai trò quan trọng hơn: nó có thể dễ dàng tạo thành kim loại.

Tất cả các loại liên kết hóa học được chúng ta thảo luận từ đầu đều giờ đều liên quan đến mối quan hệ cho và nhận electron, từ tạo ra các ion dương (cho electron) và ion âm (nhận electron): Silicon, nhôm, magie, canxi và sắt là các nguyên tố “hào phóng” cho đi các electron; oxy thì “keo kiệt” hơn và chỉ muốn nhận thêm. Do đó, các liên kết này được gọi là các liên kết ion. Tuy nhiên, kim loại lại áp dụng một chiến lược liên kết rất khác. Trong kim loại, khi một nguyên tử nhường đi một hoặc nhiều electron, chúng sẽ mang điện tích dương. Tuy nhiên, điểm đặc biệt là những electron tự do này lại không bị “bắt giữ” bởi một nguyên tử khác mà lại di chuyển xung quanh kim loại, tạo thành một vùng tích điện âm đối lập với một chùm các nguyên tử tích điện dương. Và kim loại sắt chính là một tập hợp các nguyên tử sắt dùng chung các electron như vậy.

Hệ quả của đặc tính này là khá thú vị. Thứ nhất, tất cả các electron dùng chung đó đều tự do di chuyển xung quanh, vì vậy kim loại đã trở thành một chất dẫn điện tuyệt vời (do dòng điện về cơ bản là một dòng các electron di chuyển theo cùng một hướng). Ngược lại, trong các loại vật liệu được chế tạo từ các liên kết ion, mọi electron đều bị “khóa chặt”, từ đó không thể tạo ra dòng điện. 

Một hệ quả khác của liên kết kim loại đó chính là loại vật liệu này rất bền. Một biển các electron bao quanh các nguyên tử này có thể được gấp và xoắn lại mà các liên kết không bị phá vỡ, hoàn toàn đối lập với các tính chất của hầu hết các loại đá và khoáng chất giòn.

Một số loại vật liệu khác cũng có đặc tính dễ “uốn cong” này: Lon nhôm, giấy bạc, hệ thống dây điện gia dụng…là vô cùng phổ biến; hợp kim của kim loại magie là trụ cột của xe đua công thức 1 và silicon bán kim loại là “trái tim” của mọi thiết bị điện tử. Nhưng dù các kim loại nhôm, magie và silicon là những tuyệt tác hiện đại của ngành công nghiệp hóa chất, người ta vẫn cần phải sử dụng một lượng năng lượng khổng lồ để tách các nguyên tố cứng đầu này ra khỏi oxy. Ngược lại, sắt thì không “chung thuỷ” cho lắm với oxy và thường hay “giao du” rộng rãi với rất nhiều các nguyên tố khác, đặc biệt là lưu huỳnh, tạo thành hỗn hợp sắt sunfua (FeS₂) sáng bóng (tên gọi khác là pyrit).

2. Trái Đất nguội dần

Và để tất cả các hỗn hợp hoá học trên có thể được hình thành, Trái Đất phải nguội đi một chút. Hãy quay trở về với những năm tháng dữ dội sau vụ va chạm với Theia. Trong vòng vài ngày hoặc vài tuần đầu tiên, cả Trái Đất và Mặt Trăng đều không có bề mặt rắn chắc. Cả hai quả cầu này đều được bao bọc bởi một đại dương magma liên tục cuộn trào và đỏ rực, được tạo ra bởi những trận mưa silicat lên đến hàng nghìn độ.

Sức nóng đến từ cái “lò luyện” này sẽ lan vào khoảng chân không lạnh giá của không gian và dần làm mát lớp vỏ bên ngoài của hành tinh. Tuy vậy, các tiểu hành tinh liên tục tìm cách để va chạm với Trái Đất, tiếp tục bổ sung thêm năng lượng nhiệt và làm nóng chảy khu vực va chạm, cản trở mọi nỗ lực hình thành nên một lớp vỏ ổn định. Thủy triều cường độ cao do ảnh hưởng của Mặt Trăng ở gần đó cũng giúp duy trì trạng thái lỏng của Trái Đất khi một dòng magma hỗn loạn ở khu vực xích đạo liên tục quét quanh hành tinh cứ sau 5 giờ. Bên cạnh đó, kho dự trữ các nguyên tố phóng xạ của Trái Đất như nhôm, vonfram, urani, thori và kali tiếp tục đẩy nhiệt độ của hành tinh lên cao hơn nữa. Lúc này, một bầu khí quyển sơ khai đã bắt đầu phát triển, được thúc đẩy bởi sự giải phóng carbon dioxide và nước đến từ núi lửa, tiếp tục khuếch đại nền nhiệt bằng cách tạo ra hiệu ứng “siêu nhà kính”.

Và rồi, sau một khoảng thời gian, định luật thứ hai của nhiệt động lực học bắt đầu chiếm ưu thế: Trái Đất bắt đầu nguội dần. Và khi một vật càng nóng thì tốc độ nguội đi của nó lại càng nhanh. 

Có ba cơ chế đã được biết đến là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nguội đi của một vật thể. Đầu tiên chính là quá trình dẫn truyền. Khi một vật nóng hơn chạm vào một vật lạnh hơn, năng lượng nhiệt phải được truyền từ nóng sang lạnh. Về mặt bản chất, một vật thể có nhiệt độ cao là do các nguyên tử trong vật thể đó có chuyển động dữ dội hơn. Khi tiếp xúc với một vật thể lạnh hơn – nơi các nguyên tử dao động chậm hơn, một số chuyển động điên cuồng ở vật thể nóng đã được truyền sang cho vật thể lạnh do sự va chạm giữa các nguyên tử. Giả sử, nếu như chúng ta cho tay vào một nồi nước đang sôi, các chuyển động hỗn loạn của phân tử nước sẽ phá vỡ các phân tử trong da, giết chết các tế bào và gây bỏng. 

Dẫn truyền là một cách thức rất hay để truyền nhiệt cục bộ từ vật thể này sang vật thể khác, nhưng nó lại là một lựa chọn vô cùng tồi tệ để tiến hành truyền nhiệt trên quy mô hành tinh: Nó phải truyền nhiệt từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.

Đối lưu cũng là một cơ chế khá quen thuộc. Ví dụ, quá trình đối lưu sẽ xảy ra bất cứ khi nào bạn đang đun nước. Lúc đầu, quá trình này diễn ra chậm, vì các nguyên tử đang bị kích thích bởi nhiệt trong thành nồi tiếp xúc với các phân tử nước lạnh và sử dụng cơ chế dẫn nhiệt để làm các phân tử nước di chuyển. Nhưng một lúc sau, khối nước được làm nóng ở đáy bắt đầu nở ra và dâng lên tới các lớp nước lạnh hơn và đặc hơn ở phía trên, dần dần truyền nhiệt lên bề mặt. Đồng thời, các khối nước bề mặt lạnh hơn và đặc hơn sẽ chìm xuống đáy. Quá trình này diễn ra ngày một nhanh với các cột nước dâng lên và chìm xuống cho đến khi đạt đến mức sôi lăn tăn. Thông qua vòng tuần hoàn đối lưu của nước nóng đi lên và nước mát đi xuống, một lượng nhiệt sẽ nhanh chóng được truyền đi trong toàn bộ hỗn hợp chất lỏng một cách vô cùng nhanh chóng và hiệu quả.

Trên phạm vi rộng lớn hơn của Trái Đất, quá trình đối lưu này đã xuất hiện lặp đi lặp lại – trong những làn gió mát ở ngoài khơi vào một ngày hè, trong các dòng hải lưu lớn di chuyển từ xích đạo đến Bắc Cực, trong các luồng sét hỗn loạn hay trong các con suối nước nóng sôi sục. Quá trình này cũng xuất hiện ở bên trong Trái Đất: magma lạnh hơn và đặc hơn ở gần bề mặt sẽ chìm xuống trong khi dòng magma nóng hơn và ít đặc hơn nằm sâu bên dưới sẽ nổi lên trên bề mặt. Và đối lưu chính là một cơ chế chủ chốt trong quá trình làm mát hành tinh

Bức xạ chính là cơ chế truyền nhiệt thứ ba. Bất kỳ một vật thể nào cũng tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh dưới dạng bức xạ hồng ngoại: Máy sưởi bằng điện, ngọn lửa và bộ tản nhiệt là những ví dụ rất quen thuộc. Mọi vật thể ấm hơn đều tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh mát hơn. Cơ thể chúng ta cũng không phải là ngoại lệ. Đó chính là lý do tại sao khi bạn sẽ cảm thấy rất nóng khi đang ở trong một khán phòng đông đúc – nơi mỗi người đang tỏa nhiệt giống như một bóng đèn hàng trăm watt.

Tuy nhiên, dù là dẫn nhiệt, đối lưu hay bức xạ, cả ba cơ chế này đều phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa vật nóng hơn và vật lạnh hơn. Chênh lệch càng cao thì các quá trình này diễn ra càng nhanh. Lúc này, Trái Đất là một hành tinh vô cùng nóng và đang tồn tại trong các điều kiện rất lạnh giá của không gian xung quanh. Do đó, nó tỏa ra rất nhiều nhiệt với một tốc độ hoàn toàn điên rồ. Trái Đất đang thực sự phát sáng trong khoảng không gian đen kịt xung quanh.

3. Viên đá đầu tiên

Với sự mất nhiệt rất lớn của Trái Đất vào không gian xung quanh, sự hình thành một lớp vỏ đá rắn chắc hơn là điều không thể tránh khỏi. Ở một nơi nào đó, có thể là một nơi chịu rất ít các tác động của dòng thủy triều magma, bề mặt nóng chảy của Trái Đất ở khu vực đó đã nguội đi vừa đủ để các tinh thể đầu tiên có thể được hình thành.

Nhưng nói thì bao giờ cũng dễ hơn làm – đây là một quá trình rất phức tạp. Ví dụ, nước ở trạng thái lỏng sẽ đóng băng ở 0^oC, thủy ngân kim loại bạc ở –38,83^oC hay ethanol (cồn) ở –114^oC. Nhưng điều kỳ lạ đối với magma là nó không có một điểm đóng băng duy nhất (mặc dù nói “điểm đóng băng” trong bối cảnh magma đang ở hơn 1.000^oC có vẻ khá là phi lý)

Hãy bắt đầu với khung cảnh địa ngục hậu Theia cách đây 4,5 tỷ năm trước, một thời điểm mà cả Trái Đất và Mặt Trăng đều có bầu khí quyển silicat rực rỡ ở nhiệt độ hơn 5.500^oC. Sau đó, hai “hòn đá của quỷ” này bắt đầu nguội đi nhanh chóng, ngưng tụ thành những giọt nhỏ và đổ những trận mưa magma xuống, nền nhiệt sau đó đã nguội dần xuống 5.000^oC, 4.000^oC rồi 3.000^oC. Và đây là khi những tinh thể đầu tiên bắt đầu hình thành.

Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng “điểm đóng băng” của các vật liệu rất giàu sáu các nguyên tố phổ biến thường sẽ bắt đầu được “tạo hình” bằng cách hình thành nên các tinh thể olivine magie silicat khi nhiệt độ xuống dưới khoảng 1.500^oC. Lúc này, các hạt tinh thể siêu nhỏ màu xanh lá cây bắt đầu phát sáng dưới dòng magma, rồi dần dần phát triển tới kích thước của đậu Hà Lan và trái nho. Tuy nhiên, những tinh thể olivine thường đậm đặc hơn so với chất lỏng mà nó đang “bơi lội” ở bên trong, vì vậy những tinh thể đầu tiên này bắt đầu chìm xuống, dần dần tích tụ thành những khối tinh thể khổng lồ có tên là dunite. Trên Trái Đất ngày nay, loại đá này là tương đối hiếm, thường chỉ xuất hiện ở trên bề mặt khi quá trình xói mòn đã làm lộ ra cấu trúc đặc biệt này.

Lúc này, khi các đại dương magma tiếp tục nguội đi, một loại khoáng chất thứ hai bắt đầu được hình thành. Anorthite, một loại fenspat làm từ canxi nhôm silicat, bắt đầu kết tinh cùng với olivin, tạo thành các khối màu xám nhạt. Không giống như olivine, anorthite nhẹ hơn so với magma, vì vậy nó sẽ nổi lên trên. Trên Mặt trăng, một lượng lớn anorthite trôi nổi lên bề mặt của đại dương magma đã tạo thành một lớp vỏ rộng lớn bao gồm các dãy núi fenspat cao tới 6,5 km trôi nổi trên bề mặt nóng chảy. Những khối màu trắng xám này – được đặt tên là Cao nguyên Mặt Trăng, chiếm tới 65% diện tích bề mặt của vệ tinh này. Đây là những cấu trúc lâu đời nhất từng được biết đến trên Mặt Trăng – tuổi đời của các mẫu vật đem về từ sứ mệnh Apollo dao động từ 3,9 tỷ năm đến gần 4,5 tỷ năm ngay sau Vụ va chạm lớn

Mặc dù xuất hiện từ rất sớm, peridotit lại tương đối hiếm trên bề mặt Trái Đất ngày nay. Ban đầu, các khối peridotit đã cứng lại và nguội đi để tạo thành một bề mặt rắn chắc đầu tiên trên Trái Đất. Nhưng sau khi peridotit nguội đi, giống như tiền chất dunite của nó, nó lại trở nên đậm đặc hơn đáng kể so với đại dương magma nóng bỏng ở bên dưới. Do đó, bề mặt của các khối peridotit này bị nứt, cong vênh và chìm trở lại lớp phủ. Trong khoảng hàng trăm triệu năm, lớp phủ trên dần dần rắn lại, trở thành một cái “băng tải” vận chuyển peridotit trong vòng 80 km tính từ bề mặt của Trái Đất.

4. Sự hình thành các cấu trúc bên trong Trái Đất

Ở sâu bên trong lớp phủ, từ 80 đến 322 km bên dưới lớp vỏ, quá trình nguội đi và kết tinh hẳn đã diễn ra theo cách tương tự. Tuy nhiên, những chi tiết phức tạp của quá trình này vẫn còn là một ẩn số. Phần lớn những gì chúng ta biết về những vùng đất kỳ lạ này đều đến từ ngành địa chấn học – một ngành khoa học nghiên cứu về sóng âm thanh truyền qua phần sâu nhất bên trong Trái Đất. Làn sóng này sau đó sẽ vang vọng lại khi chúng va phải một bề mặt nào đó. Và sóng địa chấn đã tiết lộ rằng bên trong Trái Đất là một nơi vô cùng phức tạp.

Ở cấp độ cơ bản nhất, Trái Đất gồm có ba lớp: nó có lớp vỏ mỏng và nhẹ ở trên bề mặt; lớp phủ đậm đặc hơn một chút ở giữa và một lõi kim loại dày đặc ở trung tâm. Tại đây, lớp phủ lại được chia thành ba lớp con: lớp phủ trên, vùng chuyển tiếp và lớp phủ dưới. 

Lớp phủ trên – một vùng kéo dài hơn 400 km tính từ bề mặt Trái Đất, là nơi peridotit chiếm ưu thế. Tại đây, áp suất cực lớn đã buộc các nguyên tử trong olivine “o ép” lại thành một dạng tinh thể silicat đặc hơn được gọi làwadsleyite, một khoáng chất chiếm ưu thế trong vùng chuyển tiếp của lớp phủ. Lớp phủ dưới, cách xa bề mặt Trái Đất hơn 640 km, là một tập hợp các hợp chất magie silicat thậm chí còn dày đặc hơn. Áp suất tại đây là rất cao – gấp hàng trăm nghìn lần áp suất trên bề mặt – cao đến mức các liên kết silicon – oxy đã phải sắp xếp lại thành một cấu trúc mới như stishovite hay perovskite.

Bên dưới lớp phủ, ngành địa chấn học đã cung cấp rất nhiều các bằng chứng thuyết phục cho thấy ranh giới giữa lớp phủ và vùng lõi là một khu vực đặc biệt phức tạp, khác hẳn so với vùng chuyển tiếp bên trong lớp phủ. Ban đầu, người ta kỳ vọng rằng, về mặt lý thuyết, sự tương phản rất lớn trong mật độ giữa lớp phủ silicat và lõi kim loại sẽ tạo một ranh giới vô cùng sắc nét giống như ranh giới giữa không khí và nước, từ đó tạo ra một tín hiệu địa chấn rất mạnh từ ​​sâu bên trong Trái Đất. Tuy nhiên, các tín hiệu địa chấn phản xạ khỏi ranh giới giữa vùng lõi và lớp phủ thường rất lộn xộn, bị nhòe và bị vỡ rất nhiều. Điều này có nghĩa là phải có một cấu trúc ẩn nào đó ở bên dưới. Các nhà khoa học gọi vùng hỗn độn sần sùi này là lớp D’’

Sự phức tạp trong lớp D’’ này một phần đến từ sự tương phản khá lớn về mật độ giữa kim loại sắt trong lõi và các loại khoáng chất giàu oxi bên trong lớp phủ. Tất cả các loại khoáng chất bên trong lớp phủ đều trôi nổi bên trên vùng lõi dày đặc này nhưng mật độ của những loại khoáng chất này lại rất khác nhau. Trong lòng đại dương magma nguyên thủy, một số loại khoáng chất silicat thì chìm xuống trong khi số khác lại nổi lên trên. Kết quả, những tảng đá kết tinh sớm nhất đã đi xuyên qua lớp phủ và sau đó trôi nổi trên vùng lõi kim loại. Một số nhà địa chấn học đã hình dung ra những “ngọn núi” cao hơn 480 km nằm rải rác trên ranh giới giữa vùng lõi và lớp phủ, nơi chúng đã làm chệch hướng và tạo ra các tín hiệu địa chấn hỗn loạn.

Đáng ngạc nhiên hơn nữa, ở khu vực nằm giữa lớp phủ và vùng lõi, những “ao” chứa silicat lỏng và đặc một cách bất thường cũng có thể xuất hiện. Dù còn có khá nhiều điều chưa chắc chắn nhưng các nhà địa chấn học đã chỉ ra rằng đây là “vùng có vận tốc cực thấp” – nơi các sóng địa chấn di chuyển chậm hơn khoảng 10% so với các tảng đá liền kề. Và sóng địa chấn di chuyển chậm hơn thường là một dấu hiệu nhận biết của chất lỏng.

Khi Trái đất còn rất trẻ, một vùng lõi đậm đặc và giàu sắt đã được hoàn thiện và có lẽ là hoàn toàn nóng chảy (ngày nay, lõi bên trong dường như là một quả cầu sắt có bán kính khoảng 1.221 km). Nhiệt độ tại đây dao động từ 5.000^oC tới 6.000^oC trong khi áp suất lớn gấp 3.000.000 lần so với áp suất trong bầu khí quyển.

Bên trong vùng lõi của Trái Đất, các dòng kim loại lỏng thường xuyên di chuyển và cuộn trào. Một hệ quả quan trọng của dòng chảy này chính là sự ra đời của từ trường (từ quyển), làm cho Trái Đất giống như một thỏi nam châm điện khổng lồ. Từ trường có thể bẻ cong đường đi của các hạt tích điện, vì vậy từ quyển của Trái Đất đã trở thành một loại lá chắn vô hình làm chệch hướng các dòng điện tích dữ dội đến từ gió mặt trời và các tia vũ trụ – một điều kiện tiên quyết giúp cho sự sống có thể hình thành và phát triển.

Vùng lõi cũng là một nơi cung cấp một nguồn năng lượng nhiệt vô cùng quan trọng giúp thúc đẩy sự đối lưu bên trong lớp phủ. Không dừng lại ở đó, cho đến ngày nay, những chùm magma nóng đã bắt đầu từ ranh giới giữa vùng lõi và lớp phủ, kéo dài qua hàng ngàn km và lên trên bề mặt, tạo thành các điểm nóng núi lửa như ở Hawaii và Yellowstone.

5. Sự xuất hiện của đá bazan

Về cơ bản, câu chuyện về các loại khoáng chất của Trái Đất giống như một chuỗi domino – sự ra đời của các loại khoáng chất trước đó sẽ trở thành tiền đề cho sự ra đời của các loại khoáng chất tiếp theo. Ban đầu, lớp vỏ peridotit đầu tiên của Trái Đất là một “phát kiến” quan trọng được sinh ra từ đại dương magma nguyên thủy. Nhưng rồi, khi chúng nguội đi và cứng lại, hợp chất này lại trở nên quá đặc để có thể trôi nổi trên bề mặt và do đó, nó lại chìm dần xuống. Dẫu vậy, Trái Đất cũng đã kịp thời cho ra một loại đá khác, ít đặc hơn và được sử dụng để bao bọc toàn bộ hành tinh non trẻ. Đó chính là đá bazan.

Bazan là một loại đá rất phổ biến cấu tạo nên bề mặt của các hành tinh: Bề ngoài đầy sẹo của Sao Thủy chủ yếu là đá bazan; bề mặt cháy xém của Sao Kim và bề mặt phong hóa màu đỏ của Sao Hỏa cũng vậy. Những đốm đen của Mặt Trăng – một vùng hoàn toàn tương phản với vùng cao nguyên anorthosite xám nhạt, là các hồ bazan rộng lớn. Và trên Trái Đất, chiếm 70% diện tích bề mặt, cùng với lớp vỏ dưới đáy đại dương, đều được làm nên từ bazan.

Đá bazan có rất nhiều loại khác nhau, nhưng có hai loại khoáng chất silicat khá quan trọng mà chúng ta cần phải đề cập ở đây. Đầu tiên chính là fenspat plagioclase, cho đến nay là loại khoáng chất chứa nhôm rất phổ biến trên bề mặt của các hành tinh, bao gồm cả Trái Đất. Loại khoáng chất thứ hai của đá bazan đó chính là pyroxene – một trong số ít các loại khoáng chất phổ biến nhất có thể kết hợp cả sáu nguyên tố phổ biến nhất (và nhiều nguyên tố khác nữa)

Khoảng 4,5 tỷ năm trước, khi đại dương magma của Trái Đất nguội đi, olivine được hình thành, sau đó là một ít anorthite và cuối cùng là rất nhiều pyroxene – một thành phần thiết yếu trong hầu hết các loại đá peridotit trôi nổi ở lớp phủ trên của Trái Đất. Khi các khối peridotit này chìm xuống, chúng được nung nóng và bị nấu chảy một phần.

Theo trực giác thông thường của chúng ta, quá trình chuyển đổi trạng thái của một dạng vật chất nào đó, chẳng hạn như từ chất rắn sang chất lỏng, sẽ phải diễn ra ở một nhiệt độ cụ thể. Ví dụ, nước chuyển đổi từ thể lỏng sang thể khí ở 100^oC. Nhưng hầu hết các loại đá lại không chuyển đổi trạng thái ở một mốc nhiệt độ cố định như vậy. Chẳng hạn, nếu làm nóng peridotit lên đến khoảng 1.100^oC, những dấu hiệu của sự tan chảy đầu tiên sẽ xuất hiện. Lúc này, hỗn hợp tan chảy chứa khá nhiều canxi và nhôm cùng với một ít sắt và silicon cũng như ít magie hơn rất nhiều so với peridotit. Hỗn hợp này cũng ít đậm đặc hơn so với vật chủ peridotit ban đầu. Như vậy, khi peridotit tan chảy trong lớp phủ đã tạo ra rất nhiều magma tích tụ trong các khe nứt và trồi lên bề mặt – nơi mà magma cuối cùng sẽ trở thành đá bazan. Trải qua hàng tỷ năm, quá trình tan chảy “một phần” của peridotit đã tạo ra hàng trăm triệu km³ bazan nóng chảy.

Bazan nóng chảy sau đó có thể đi đến bề mặt hành tinh theo hai cách khác nhau. Cách dễ nhất (và dữ dội nhất) đó chính là thông qua các vụ phun trào núi lửa ở Hawaii và Iceland, từ đó tạo thành các “con sông” ngoằn ngoèo đỏ rực. Phải cần rất nhiều lực nổ để magma có thể đi xuyên qua bề mặt, vì vậy sẽ có một lượng lớn bazan nóng chảy sẽ không thể thoát ra. Thay vào đó, hỗn hợp nóng chảy này thường bị mắc kẹt sâu bên trong lòng đất, nơi chúng nguội đi chậm hơn và tạo thành các tinh thể fenspat và pyroxene trong các loại đá có tên là diabase hoặc gabbro.

Với sự hình thành của lớp vỏ bazan, lần đầu tiên Trái Đất có được một bề mặt tương đối vững chắc và không bị chìm. Trước đó, khi magma và peridotit cùng nhau định hình các cấu trúc trên bề mặt của hành tinh, chúng đã không thể xây dựng nên bất kỳ cấu trúc cao lớn nào: Peridotit nóng đỏ gần như không đủ lực để “tạo tác” nên một ngọn núi. Nhưng đá bazan cứng cáp và có mật độ thấp hơn 10% so với peridotit lại là một câu chuyện khác. Điều này có nghĩa là một khối bazan dày 16 km sẽ nhô ra hơn 1,5 km trên đại dương magma. Một ngọn núi lửa có thể còn cao hơn nữa – cao hơn 3 km so với mức trung bình.

6. Một thế giới thù địch

Nếu nhìn từ không gian, hình ảnh của Trái Đất lúc này sẽ là một lớp vỏ bazan đen đậm cùng với các vết nứt màu đỏ và lốm đốm các điểm sáng ở khá nhiều nơi – đó chính là các ngọn núi lửa khổng lồ đang phun trào. Những dòng hơi nước trắng bị làm vẩn đục bởi tro đã che khuất những miệng núi lửa giàu các hợp chất dễ bay hơi và các vùng lân cận của địa cầu.

Như vậy, hơn 4,4 tỷ năm trước, một màu đen đặc đã bao trùm lên toàn bộ Trái Đất trong liên đại Hadean. Các thiên thạch thì không ngừng bắn phá bề mặt, liên tục làm nứt lớp vỏ mỏng giòn và tạo ra những trận mưa đá trên các vùng đồng bằng cằn cỗi. Vô số các ngọn núi lửa đã mọc lên, phát triển lên đến độ cao hàng nghìn mét và được cung cấp năng lượng nhờ sự giải phóng hơi nước và các hợp chất dễ bay hơi khác. Bao quanh Trái Đất non trẻ lúc này là một bầu không khí hôi thối và độc hại, sặc mùi lưu huỳnh. 

Tóm lại, Trái Đất lúc này là một thế giới đen đặc và được “tráng men” bằng một lớp vỏ bazan mỏng. Nhưng đây chỉ là một giai đoạn ngắn ngủi và nhất thời. Trái Đất đang sắp khoác lên mình một màu áo mới.