Dấu vết 2 tỷ năm tuổi ở Karelia có thật sự phản ánh biến động toàn cầu?

Trong những lõi đá lấy từ Karelia, Nga, các túi chất lưu cực nhỏ vẫn giữ lại khí hình thành từ khoảng 2 tỷ năm trước. Khi phân tích chúng, nhóm nghiên cứu do Caltech dẫn đầu nhận thấy tín hiệu đồng vị carbon nổi tiếng tại đây có thể bắt nguồn chủ yếu từ một chuỗi biến đổi ngay trong bồn trầm tích địa phương, thay vì từ sự xáo trộn carbon trên toàn hành tinh. [1]

Kết quả này không phủ nhận rằng Trái Đất đã trải qua một giai đoạn biến đổi lớn khi oxy bắt đầu tích tụ trong khí quyển. Điều nó đặt lại là phạm vi của một dấu vết cụ thể: đá tại Karelia có thể kể rất rõ chuyện gì xảy ra ở Karelia, nhưng chưa chắc tự nó đã kể được câu chuyện của cả thế giới. [1]

Vì sao đồng vị carbon có thể lưu giữ quá khứ?

Các đồng vị là những dạng nặng hoặc nhẹ hơn của cùng một nguyên tố. Trong vật chất hữu cơ, tỷ lệ tương đối giữa các dạng carbon có thể thay đổi tùy theo nguồn gốc và quá trình tạo ra vật chất đó. Khi carbon được chôn vùi và giữ lại trong đá, tỷ lệ này trở thành một dấu hiệu hóa học để các nhà địa chất lần theo môi trường cổ. [1]

Có thể hình dung tỷ lệ đồng vị như sắc thái màu còn lại trên một tấm vải cũ. Sắc thái ấy cho biết tấm vải từng tiếp xúc với loại chất nào, nhưng muốn hiểu đúng vẫn phải xét nó nằm ở đâu, đã chịu nhiệt ra sao và có bị biến đổi sau đó hay không. Một tín hiệu hóa học cũng cần được đọc cùng bối cảnh địa chất, chứ không chỉ dựa vào độ khác thường của nó.

Tín hiệu được gọi là sự kiện Shunga-Francevillian xuất hiện trong đá thuộc hệ tầng Zaonega ở Karelia và trong đá tại bồn Francevillian ở Gabon. Sự tương đồng giữa hai nơi từng góp phần củng cố cách hiểu rằng chu trình carbon của Trái Đất đã mất cân bằng trên quy mô toàn cầu vào khoảng 2 tỷ năm trước. [1]

Các túi khí trong đá đã bổ sung điều gì?

Thay vì chỉ xem xét tín hiệu carbon trong khối đá, nhóm nghiên cứu phân tích khí bị niêm kín trong những bao thể chất lưu hiển vi. Các bao thể này nằm trong mẫu giàu pyrobitumen, một dạng carbon hữu cơ không hòa tan hình thành khi dầu thô hoặc kerogen bị nung nóng mạnh ở sâu dưới lòng đất. [1]

Khí mắc kẹt cung cấp thêm dấu vết về quá trình đã tác động lên vật chất hữu cơ. Nó giúp chuyển câu hỏi từ “tỷ lệ carbon này trông giống biến động nào?” sang “những phản ứng nào ngay tại bồn trầm tích có thể tạo ra tỷ lệ ấy?”. Sự thay đổi góc nhìn này quan trọng vì nhiều quá trình khác nhau có thể để lại kết quả hóa học gần giống nhau. [1]

Magma, hydrocarbon và vi sinh vật kết nối ra sao?

Kịch bản được đề xuất bắt đầu khi một lớp magma chen vào các tầng trầm tích biển giàu vật chất hữu cơ của hệ tầng Zaonega. Nhiệt từ magma làm nóng trầm tích, tạo ra các hydrocarbon, trong đó có metan và propan. Những khí này di chuyển lên phía trên, hướng về khu vực gần đáy biển cổ. [1]

Tại đó, vi sinh vật tiêu thụ metan có thể tạo ra sinh khối mang dấu hiệu carbon nhẹ. Khi sinh khối và vật chất liên quan được lưu giữ trong trầm tích, chúng góp phần tạo nên tín hiệu đồng vị khác thường mà người nghiên cứu về sau đo được. Theo cách giải thích này, dấu vết không cần một biến cố toàn cầu để hình thành; một bồn trầm tích có magma, hydrocarbon và hoạt động vi sinh phù hợp đã có thể tạo ra nó. [1]

Bằng chứng nhiệt độ phù hợp với chuỗi sự kiện ấy. Mẫu gần nơi magma xâm nhập ghi nhận nhiệt độ khoảng 350°C, trong khi một vị trí tràn nhựa đường cổ cao hơn chừng 300 mét cho kết quả khoảng 72°C. Độ chênh lớn cho thấy nguồn nhiệt tập trung bên dưới và suy giảm theo khoảng cách, đúng với một tác động mạnh nhưng có tính địa phương. [1]

Vì sao một địa điểm dễ bị hiểu thành tín hiệu toàn cầu?

Một dấu hiệu xuất hiện ở hai khu vực cách xa nhau là lý do hợp lý để đặt giả thuyết về hiện tượng quy mô lớn. Tuy nhiên, sự giống nhau của kết quả không bảo đảm rằng cơ chế tạo ra chúng cũng giống nhau. Hai bồn trầm tích đều có thể trải qua những chuỗi biến đổi cục bộ tương tự mà không cần toàn bộ đại dương hay khí quyển phản ứng đồng loạt. [1]

Ví dụ, hai căn bếp có thể cùng ám mùi khói dù không nằm trong một vụ cháy chung; mỗi nơi có thể đã đun quá lửa vào những thời điểm riêng. Phép so sánh này không mô tả địa chất thực tế, nhưng cho thấy vì sao cùng một dấu hiệu cuối cùng chưa đủ để xác định một nguyên nhân chung trên phạm vi rộng.

Karelia từng là một địa điểm tham chiếu quan trọng cho sự kiện Shunga-Francevillian. Vì vậy, nếu tín hiệu tại đây chủ yếu do điều kiện riêng của hệ tầng Zaonega tạo ra, sức nặng của nó trong lập luận về một biến động toàn cầu phải được xem xét lại. Điều đó khác với việc kết luận biến động toàn cầu chắc chắn không xảy ra. [1]

Đá ở Gabon có thể giúp phân định điều gì?

Phép thử quan trọng tiếp theo là áp dụng cách phân tích tương tự cho các lõi đá từ Gabon. Nếu khí mắc kẹt, lịch sử nhiệt và dấu vết hydrocarbon tại đó cũng chỉ về một cơ chế cục bộ, cách hiểu truyền thống về sự kiện Shunga-Francevillian sẽ yếu đi đáng kể. Nếu Gabon cho thấy một lịch sử khác, câu hỏi về phần đóng góp của quá trình toàn cầu vẫn còn mở. [1]

Nhóm nghiên cứu cũng thừa nhận chưa thể loại trừ hoàn toàn các quá trình khác tại Zaonega. Kết luận phù hợp nhất hiện nay vì thế hẹp hơn: cơ chế địa chất và sinh học trong bồn trầm tích có thể giải thích phần chính của tín hiệu tại Karelia. Từ một túi khí hiển vi, giới nghiên cứu không chỉ đọc được môi trường cổ mà còn nhận ra giới hạn của việc dùng một địa điểm để đại diện cho cả hành tinh. [1]