Xác định tuổi tạo thành lõi Trái Đất theo số đo tỷ số đồng vị

1. Đồng hồ đo thang thời cỡ hàng tỷ năm

Các phương pháp xác định tuổi của các thiên thể trong vũ trụ đều dựa vào sự hiện diện của các “nguyên tố phóng xạ”.

Một số phương pháp vào việc nghiên cứu các khuyết tật hình thành trong chất rắn do bức xạ của các nguyên tố phóng xạ trong đó gây ra.

Các phương pháp khác lại dựa vào việc đo (bằng khối phổi kế) tỷ số giữa khối lượng hiện có trong mẫu của nguyên tố phóng xạ mẹ có chu kỳ bán rã (T _1/2) đã biết và khối lượng của một nguyên tố con, bền, sinh ra trong quá trình phân rã phóng xạ này.

Nếu đá và khoáng chứa các nguyên tố phóng xạ mẹ mà sau khi phân rã sẽ biến đổi thành các nguyên tố con bền vững. Trong một số điều kiện nhất định, các hạt nhân con do phóng xạ sinh ra được tích luỹ bên trong các tinh thể khoáng, do đó tỷ số các hạt nhân con chia cho các hạt nhân mẹ sẽ tăng lên theo thời gian. Tỷ số này có thể được đo rất chính xác bằng khối phổ kế và được dùng để xác định tuổi đá và khoáng dựa vào định luật phân rã phóng xạ.

Các nguyên tố xạ dùng để xác định tuổi của đá và khoáng thường sống rất lâu, có chu kỳ, bán rã cỡ tỷ năm (~10 ⁹năm), nên phân rã rất chậm, do đó tồn tại lâu trong thiên nhiên. Vì vậy người ta đã dùng các phép đo tỷ số khối lượng giữa các cặp đồng vị nguyên tố mẹ con thường dùng:

- Tuổi của vài loại đã được xác định từ sự phân rã

Urani - 238 thành chì - 206

Urani - 235 thành chì - 207

Urani - 232 thành chì - 208

- Một dạng xác định tuổi của đá theo sự biến đổi của urani thành chì, phụ thuộc vào việc đo tỷ số của lương hêli bị bẫy trong đá chia cho lượng urani hiện diện trong mẫu (vì sự phân rã trong chuỗi):

Urani - 238     → chì - 206 giải phóng 8 hạt nhân heli

Urani - 235     → chì - 207 giải phóng 7 hạt nhân heli

Urani - 232     → chì - 208 giải phóng 8 hạt nhân heli

Một phương pháp khác xác định tuổi của đá đó là đo tỷ số giữa chì do phóng xạ sinh ra (Pb - 206, Pb - 207, Pb - 208) hiện có trong mẫu đo và chì không do nguồn gốc phóng xạ sinh ra (Pb - 204 sẵn có trong thiên nhiên với hàm lượng 1.48%). Cần lưu ý rằng các đồng vị chì - 206, 207, 208 cũng vốn đã có trong thiên nhiên với hàm lượng 23.6%; 22.6%; 52.3% tương ứng.

Các phương pháp này cho những kết quả tin cậy đối với tuổi các loại đá cỡ 10 ⁷÷ 10 ⁹năm.

Tuổi của Thiên Hà được xác định dơ việc đo các thành phần đồng vị của chì trong các thiên thạch ở các niên đại khác nhau rồi dùng ngoại suy. Người ta tìm được tuổi cỡ (5 ÷ 10) * 10 ⁹năm.     

Đồng hồ (hafni - 182) / (vonfram - 182) đo thời gian tạo thành lõi Trái Đất

Ta đã biết Hệ Mặt Trời được hình thành cách đây 4.6 tỷ năm từ một đám tinh vân nguyên thuỷ. Vật chất trong đó ngưng tụ, va cham nhau thành những khối kết tập, những tiểu hành tinh và hành tinh trên Trái Đất và các hành tinh tương tự, nhiệt lượng toả ra, do sự bồi tích vật chất và sự phân rã phóng xạ của đồng vị sống ngắn (ví như nhôm 26T _1/2~ 7.38*10 ⁵năm nhưng là nhỏ so với thời gian cỡ 10 ⁸- 10 ¹⁰năm) có thể làm nóng chảy một phần vật chất đã kết tụ, dẫn tới việc tách riêng lõi Trái Đất rất giàu về sắt và lớp vỏ manti silicat.

Việc xác định được khi nào thì lõi Trái Đất hình thành có thể cho ta những điều kiện cần thiết để tạo các mô hình diễn tả sự hình thành của các hành tinh. Thành thử sự nghiên cứu cấu tạo đồng vị của Trái Đất có thể giúp ta tìm được những yếu tố ràng buộc đó. Có điều là sự tiếp cận này lại dẫn tới mâu thuẫn giữa các mô hình đề ra.

Mới đây, có ba nhóm nghiên cứu độc lập nhau Thuỵ Sỹ - Úc, Mỹ - Pháp và Đức đã thiết lập được phương pháp đo thời gian dựa trên các số đo chính xác các thành phần đồng vị của vonfram.

Cũng giống mô hình đang thịnh hành về sự hình thành của hệ Mặt Trời, Trái Đất được bồi tụ rất nhanh trong khoảng thời gian từ vài triệu năm đến vài chục triệu năm. Muốn củng cố mô hình này, cần lý giải được điều gì xảy ra trong vài chục triệu năm đầu tiên trong Hệ Mặt Trời có tuổi 4,6 tỷ năm.

Hệ phân rã phóng xạ hafni - vonfram (Hf – W) rất thích hợp để xác định tuổi tạo thành lõi Trái Đất: đồng vị (hafni - 182) phân rã chuỗi bêta thành đồng vị bền vonfram - 182 với chu kỳ bán rã ~ 9 triệu năm. Hf - 182 cùng với vonfram - 182 và các nguyên tố tặng khác được sinh ra do các vụ nổ siêu sao mới. Thành thử Hf - 182 đã tồn tại trong tinh vân Mặt Trời nguyên thuỷ, nhưng nguồn dự trữ hafni - 182 ban đầu đó đã phân rã hết từ nâu nên không thể ngoại suy ngược về quá khứ xa xăm ngày trước.

Tuy nhiên, ta vẫn phát hiện được sự hiện diện ngày xưa của hafni - 182 trong cấu tạo đồng vị của vonfram những sai lệch ngày nay của tỷ số giữa vonfram - 182 và các đồng vị vonfram bền khác không do phóng xạ gây ra, độ biến thiên của tỷ số Hf/W trong giai đoạn sơ khai của hệ Mặt Trời.

Nghiên cứu hoá học về hệ Hf - W cũng là phương pháp xác định thời gian hình thành lõi Trái Đất có hiệu quả.

Hafni rất “ưa đá” nên lưu lại trong lớp vỏ silicat khi lõi kim loại được hình thành.

Ngược lại vonfram lại “ưa sắt”, nên có ưu thế hoà tan trong lõi kim loại. Thành thử, khi lõi đã hình thành, thì vỏ có tỷ số Hf/W cao hơn lõi. Vì thế, nếu vỏ và lõi Trái Đất có độ giàu W - 182 khác nhau thì sự chia tách vỏ - lõi đã xảy ra trước khi Hf - 182 biến mất.

Có thể lấy mẫu vonfram trong khoáng zicon (1-7%) hoặc trong các đá thiên thạch. Người ta cho rằng các thiên thạch cổ có cùng thành phần hoá như tinh vân Mặt Trời mà từ đó sinh ra Trái Đất và các hành tinh khác, không kể các nguyên tố dễ bay hơi như hyđro, heli và các chất kiềm.

Đo hàm lượng W-182 trong đá thiên thạch cổ thấy không có sai lệch với hàm lượng W-182 trong vỏ silicat của Trái Đất. Điều này chứng tỏ sự chia tách Hf và W do sự tạo thành lõi của Trái Đất phải xảy ra sau khi Hf-182 đã phân rã hết. Vì quá trình bồi tụ vật chất thành Trái Đất diễn ra rất chậm cỡ vài chục triệu năm nên lõi Trái Đất phải được hình thành khoảng 50 triệu năm sau khi Hệ Mặt Trời được khai sinh.

Nhiều nhóm nghiên cứu mới với các khối phổ kế có độ nhạy rất cao và có nhiều mẫu thiên thạch cổ hơn đã đưa ra kết luận thời gian hình thành lõi Trái Đất cỡ từ 11÷30 triệu năm sau ngày khai sinh ra Hệ Mặt Trời.

(Theo “Physics Today”, 1 – 2003)

Nguồn: Tạp chí Vật lý ngày nay, số 1 tháng 2 – 2003 trang 15.