Hình 1. Hình ảnh 'Blue Marble' của Trái đất được chụp từ thiết bị VIIRS trên vệ tinh quan sát Trái đất của NASA - Suomi NPP - vào ngày 4 tháng 1 năm 2012. (Ảnh: NASA/NOAA/GSFC/Suomi NPP/VIIRS/Norman Kuring)

Hành tinh của chúng ta không có một tờ giấy khai sinh nào để ghi nhận sự hình thành của nó, điều đó cũng có đồng nghĩa với việc các nhà khoa học đã phải mất hàng trăm năm nghiên cứu để xác định tuổi của Trái Đất. Bằng cách xác định niên đại của những tảng đá trong lớp vỏ luôn biến đổi của hành tinh, cũng như những tảng đá ở các khu vực lân cận, ví dụ như Mặt Trăng hay các thiên thạch, các nhà khoa học đã tính được tuổi của Trái Đất là 4,54 tỷ năm tuổi, với phạm vi sai số là 50 triệu năm.

Vậy "tảng đá" của chúng ta bao nhiêu tuổi?

Các nhà khoa học đã rất nỗ lực để xác định tuổi của Trái Đất trong vòng 400 năm qua. Họ đã cố gắng dự đoán tuổi dựa trên sự thay đổi mực nước biển, thời gian Trái Đất hoặc Mặt Trời cần để tương thích với nhiệt độ hiện tại và độ mặn của nước biển. Khi công nghệ xác định niên đại phát triển, những phương pháp này được xem là không đáng tin cậy; chẳng hạn, sự lên xuống của đại dương được chứng minh là một quá trình luôn thay đổi thay vì giảm dần.

Và trong một nỗ lực khác để tính tuổi của hành tinh, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu những lớp đá bao phủ bề mặt hành tinh này. Tuy nhiên, do kiến tạo mảng liên tục thay đổi và làm mới lớp vỏ, những tảng đá đầu tiên từ lâu đã được tái chế, tan chảy và tái tạo thành những tảng đá mới.  

Các nhà khoa học cũng phải đối mặt với một vấn đề gọi là “Sự không phù hợp lớn” (“Great Unconformity”), đó là nơi mà các lớp đá trầm tích dường như bị mất tích (ví dụ tại Grand Canyon, người ta không thể tìm thấy những tảng đá già hơn 1,2 tỷ năm tuổi).  Có nhiều cách giải thích cho sự không phù hợp này. Vào đầu năm 2019, một nghiên cứu cho rằng một kỷ băng hà toàn cầu đã khiến các dòng sông băng nghiền vào đá, khiến nó tan rã. Sau đó, kiến tạo mảng đã đẩy hòn đá vụn trở lại vào bên trong Trái Đất, loại bỏ bằng chứng cũ và biến nó thành những tảng đá mới.

Đầu thế kỷ thứ 20, các nhà khoa học đã hiệu chỉnh quá trình xác định niên đại bằng phép đo phóng xạ. Một vài nghiên cứu trước đó đã chỉ ra rằng các đồng vị của một nguyên tố phóng xạ phân rã thành các nguyên tố khác với tốc độ có thể dự đoán được. Bằng cách giám định các nguyên tố hiện có, các nhà khoa học có thể tính toán được số lượng ban đầu của các nguyên tố phóng xạ và khoảng thời gian các nguyên tố phân rã, từ đó có thể xác định niên đại của đá.

Những tảng đá lâu đời nhất trên Trái Đất khoảng 4,03 tỷ năm tuổi, được tìm thấy ở Acasta Gneiss ở phía tây bắc Canada, gần hồ Great Slave. Bên cạnh đó, chúng ta cũng có thể tìm thấy các tảng đá khoảng hơn 3,5 tỷ năm tuổi trên tất cả các châu lục. Greenland nổi tiếng với các loại đá siêu rắn Isua (từ 3,7 tới 3,8 tỷ năm tuổi), trong khi các tảng đá ở Swaziland vào khoảng 3,4 tới 3,5 tỷ năm tuổi. Các mẫu ở Tây Úc có độ tuổi từ 3,4 tỷ đến 3,6 tỷ năm.

Các nhóm nghiên cứu ở Úc đã tìm thấy những hạt khoáng chất lâu đời nhất trên Trái Đất. Những tinh thể silicat zirconium nhỏ bé này có tuổi đời lên tới 4.3 tỷ năm, chúng là những vật liệu lâu đời nhất được tìm thấy trên Trái Đất tính đến thời điểm hiện tại. Tuy nhiên nguồn gốc xuất hiện của chúng vẫn là một ẩn số.

Các tảng đá và khoáng chất ziricon đã đặt ra một giới hạn về tuổi của Trái Đất, ít nhất là vào khoảng 4,3 tỷ năm, bởi một nguyên lý đơn giản là bản thân hành tinh phải lớn tuổi hơn bất cứ thứ gì nằm trên bề mặt của nó.

Khi mà sự sống nảy sinh vẫn đang được tranh luận, đặc biệt là vì một số hóa thạch sớm có thể xuất hiện dưới dạng đá tự nhiên. Trong một nghiên cứu được công bố năm 2018, một số dạng sống được tìm thấy ở Tây Úc. Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy những sợi nhỏ có thể là là hóa thạch trong những tảng đá 3.4 tỷ năm tuổi. Các nghiên cứu khác cho thấy rằng cuộc sống thậm chí có thể bắt nguồn sớm hơn nữa. Các ống hematit trong đá núi lửa ở Quebec có thể bao gồm các vi khuẩn trong khoảng từ 3,77 tới 4,29 tỷ năm trước. Khi nghiên cứu các tảng đá ở phía tây nam Greenland, các nhà khoa học cũng tìm thấy các cấu trúc giống hình nón có thể bao quanh các khuẩn lạc vi sinh vật khoảng 3,7 tỷ năm trước.

Hình 2. Mẫu vật kích cỡ nắm tay từ Acasta Gneisses, những tảng đá ở phía tây bắc Canada là những tảng đá lâu đời nhất được biết đến trên Trái Đất. (Ảnh: © Mike Beauregard / Creative Commons.)

Tìm hiểu các vùng lân cận

Trong nỗ lực cải tiến hơn nữa độ chính xác về tuổi của Trái Đất, các nhà khoa học bắt đầu hướng ra ngoài Trái Đất. Vật liệu hình thành Hệ Mặt Trời là một đám mây bụi và khí bao quanh Mặt Trời trẻ. Các tương tác hấp dẫn hợp nhất vật liệu này vào các hành tinh và mặt trăng cùng một thời điểm. Bằng việc nghiên cứu các thiên thể trong Hệ Mặt Trời, các nhà khoa học có thể tìm hiểu thêm về lịch sử ban đầu của hành tinh.

Thiên thể gần Trái Đất nhất, Mặt Trăng, lại không trải qua các quá trình tái tạo bề mặt như trên Trái Đất. Do đó, những tảng đá từ những ngày đầu vẫn nằm trên bề mặt của Mặt Trăng. Các mẫu vật từ các tàu vũ trụ trong các sứ mệnh Apollo và Luna cho thấy Mặt Trăng có độ tuổi từ 4,4 tỷ tới 4,5 tỷ năm, giúp đặt ra một giới hạn về tuổi của Trái Đất. Làm thế nào mà Mặt Trăng được hình thành vẫn đang là một vấn đề được tranh luận, trong khi giả thuyết chính cho rằng một vật thể có kích thước cỡ Sao Hỏa rơi xuống Trái Đất và các mảnh vỡ cuối cùng kết lại thành Mặt Trăng, một số giả thiết khác cho rằng Mặt Trăng được hình thành trước Trái Đất.

Bên cạnh đó, ngoài các thiên thể lớn của Hệ Mặt Trời, các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu những "du khách đá" nhỏ hơn rơi xuống Trái Đất. Thiên thạch tới từ nhiều nguồn khác nhau. Một số bắt nguồn từ các hành tinh khác nhau sau những va chạm dữ dội, trong khi một số khác là những khối còn sót lại từ Hệ Mặt Trời ban đầu nhưng không đủ lớn để tạo thành một thiên thể gắn kết.

Mặc dù không có hòn đá nào có cơ hội quay trở lại từ Sao Hỏa, nhưng dựa trên các mẫu vật vẫn thạch rơi xuống Trái Đất từ xa xưa, các nhà khoa học cũng đưa ra những dự đoán về tuổi của đá trên hành tinh đỏ. Một trong những mẫu vật này có niên đại 4,5 tỷ năm tuổi, hỗ trợ các tính toán khác về ngày đầu hình thành hành tinh này.




Hình 3. Một tinh thể zircon 4,4 tỷ năm tuổi từ Úc là mảnh đất cổ nhất được tìm thấy. Các đá nguồn cho các mảnh nhỏ vẫn chưa được xác định. (Ảnh: © John Valley, University of Wisconsin.)

Hơn 70 thiên thạch rơi xuống Trái Đất đã được xác định tuổi bằng phương pháp đo phóng xạ. Lâu đời nhất trong số này là từ 4,4 tỷ tới 4,5 tỷ năm tuổi.

Năm mươi ngàn năm trước, một tảng đá rơi xuống từ không gian, tạo thành miệng núi lửa ở Arizona. Các mảnh của tiểu hành tinh đó đã được thu thập từ vành đai miệng núi lửa và được đặt tên cho Canyon Diablo gần đó. Thiên thạch Canyon Diablo có một vai trò quan trọng bởi nó đại diện cho một lớp thiên thạch với các thành phần có thể giúp việc xác định niên đại được chính xác hơn.

Vào năm 1953, nhà địa hóa học nổi tiếng tại Viện Công nghệ California, Clair Cameron Patterson đã đo các tỉ lệ đồng vị trong chì trong mẫu vật thiên thạch, từ đó đưa ra được một giới hạn xác định về tuổi của Trái Đất. Các nhà khoa học giải thích giới hạn này khoảng thời gian cần thiết để Hệ Mặt Trời phát triển, một sự kiện dần dần diễn ra trong khoảng 50 triệu năm.

Với việc nghiên cứu những hòn đá trên Trái Đất và những thông tin thu thập được từ các hành tinh xung quanh, các nhà khoa học đã có thể xác định tuổi của Trái Đất vào khoảng 4,54 tỷ năm tuổi. Thiên hà Ngân Hà chứa Hệ Mặt Trời của chúng ta có độ tuổi vào khoảng 13,2 tỷ năm, trong khi bản thân vũ trụ được xác định vào khoảng 13,8 tỷ năm tuổi.

Tham khảo

Author: Lan Anh DINH
Sinh viên thạc sĩ Vật Lý - Đại học Paris Saclay (2017-2019); thực tập sinh tại Khoa Khoa học địa chất - École Normale Supérieure de Paris (2019)


Bài viết xem nhiều