Lớp đất sét mỏng đã giúp tìm ra vụ va chạm Chicxulub thế nào?

Trong một hẻm núi gần Gubbio, Italy, lớp đất sét chỉ mỏng như một vạch ngăn cách hai thế giới hóa thạch. Bên dưới nó, vỏ của nhiều loài foraminifera, tức sinh vật thủy sinh cực nhỏ, xuất hiện dày đặc. Ngay tại ranh giới, những vỏ này biến mất; phía trên, hồ sơ hóa thạch ban đầu chỉ còn một loài rồi mới dần đa dạng trở lại. Chính sự thay đổi đột ngột ấy đã biến một dải đất xám thành đầu mối của cuộc điều tra về sự kiện kết thúc kỷ Phấn Trắng. [1]

Lớp đất sét không tự kể trọn câu chuyện. Để liên hệ nó với vụ va chạm Chicxulub khoảng 66 triệu năm trước, các nhà nghiên cứu phải ghép nhiều loại dấu vết: hóa thạch, nguyên tố hiếm, tỷ lệ đồng vị, vật chất nóng chảy và một cấu trúc địa chất bị chôn vùi. Sức nặng của lời giải nằm ở chỗ những đầu mối hình thành theo các cách khác nhau nhưng cuối cùng cùng chỉ về một biến cố. [1]

Vạch xám cho biết điều gì đã thay đổi?

Đá vôi quanh lớp đất sét tại Gubbio chứa các vỏ foraminifera đã hóa thạch. Sự phong phú của chúng bên dưới ranh giới cho thấy môi trường trước đó từng duy trì một quần xã đa dạng. Việc chúng vắng mặt trong lớp đất sét, rồi chỉ xuất hiện rất hạn chế ở tầng kế tiếp, ghi lại một sự gián đoạn sinh học rõ rệt. Dấu hiệu quan trọng không phải màu xám của đất, mà là sự đối lập giữa hồ sơ hóa thạch trước và sau lớp này. [1]

Có thể hình dung các tầng đá như một chồng trang được sắp theo thứ tự. Một trang mỏng vẫn có thể đánh dấu bước ngoặt lớn nếu nội dung ở hai phía thay đổi mạnh. Tuy nhiên, độ dày không phải chiếc đồng hồ trực tiếp: trầm tích có thể tích tụ với tốc độ khác nhau hoặc bị gián đoạn. Vì vậy, lớp ranh giới giúp xác định vị trí của biến cố trong chuỗi địa tầng, còn nguyên nhân phải được tìm bằng những dấu hiệu khác.

Iridium đã hướng cuộc điều tra ra ngoài Trái Đất ra sao?

Helen Michel và Frank Asaro sử dụng phân tích kích hoạt neutron để đo iridium trong mẫu đất sét từ Gubbio và một lớp tương tự tại New Zealand. Khi mẫu bị neutron bắn vào, một số đồng vị trở nên phóng xạ rồi phát ra tia gamma có năng lượng đặc trưng, nhờ đó có thể nhận diện lượng nguyên tố rất nhỏ. Kết quả cho thấy iridium không tích tụ từ từ mà tăng đột ngột ngay tại ranh giới K–Pg. [1]

Iridium hiếm trong lớp vỏ Trái Đất nhưng hiện diện với nồng độ cao hơn trong một số thiên thạch. Điều đó khiến giả thuyết va chạm trở nên đáng chú ý, song hai địa điểm chưa đủ chứng minh một sự kiện toàn cầu. Sau đó, iridium cao được ghi nhận tại hơn 100 vị trí thuộc cùng ranh giới. Tỷ lệ giữa hai đồng vị osmium trong các mẫu này cũng gần đặc trưng của thiên thạch hơn đá thuộc lớp vỏ Trái Đất. [1]

Cách suy luận ở đây giống nhận diện một vật liệu lạ bằng nhiều thuộc tính. Chỉ thấy một nguyên tố chưa đủ để kết luận nó đến từ đâu, vì các quá trình khác cũng có thể làm thành phần hóa học thay đổi. Nhưng khi bất thường xuất hiện đúng một vị trí địa tầng tại nhiều nơi, đồng thời đi kèm tỷ lệ đồng vị phù hợp, phạm vi lời giải bị thu hẹp đáng kể. Hóa học khi ấy không thay thế địa chất mà bổ sung một dấu vân tay độc lập.

Vì sao việc tìm thấy miệng hố là bước ngoặt?

Giả thuyết va chạm từng thiếu một dấu tích dễ hình dung: miệng hố đủ lớn và có niên đại phù hợp. Dữ liệu dị thường từ trường cùng bản đồ trọng lực thu được trong quá trình thăm dò dầu khí đã hé lộ một cấu trúc vòng bị chôn vùi gần thị trấn Chicxulub, bên rìa bán đảo Yucatán. Mẫu từ các giếng khoan trong cấu trúc chứa đá bị sốc và mảnh vụn đặc trưng cho tác động va chạm mạnh. [1]

Một miệng hố lớn tự nó vẫn cần được nối với lớp ranh giới ở những nơi xa. Mối nối ấy đến từ tektite, các giọt vật chất từng nóng chảy, bị bắn khỏi điểm va chạm rồi đông cứng. Tektite tại ranh giới K–Pg gần lưu vực sông Brazos ở Texas có thành phần hóa học và đồng vị giống mẫu andesite bị sốc lấy từ giếng khoan Chicxulub. Vật chất ở ranh giới vì thế có thể được liên hệ với một địa điểm cụ thể. [1]

Chuỗi đối chiếu này giải quyết hai câu hỏi khác nhau. Hình dạng cấu trúc ngầm và đá bị sốc cho biết Chicxulub là dấu tích của một vụ va chạm. Sự tương đồng giữa tektite ở ranh giới và đá trong giếng khoan lại nối vụ va chạm đó với lớp địa tầng ghi nhận biến đổi sinh học. Hai kết luận hỗ trợ nhau nhưng không phải một: một bên nhận diện nơi xảy ra, bên kia lần theo vật chất đã phát tán.

Tác động tại Yucatán lan thành khủng hoảng toàn cầu thế nào?

Va chạm phá vỡ đá, tạo sóng thần và phóng vật chất lên cao. Các giọt nóng chảy rơi trở lại, còn cháy rừng xảy ra trên phạm vi rộng quanh vùng chịu tác động. Địa tầng tại Chicxulub có đá vôi chứa lưu huỳnh; khí lưu huỳnh sinh ra sau va chạm có thể góp phần tạo aerosol trong tầng khí quyển cao. Mẫu K–Pg còn mang dấu hiệu địa hóa phù hợp với quá trình khí lưu huỳnh tương tác cùng tia cực tím. [1]

Hậu quả vì thế không chỉ nằm trong khoảnh khắc thiên thể chạm đất. Bụi và aerosol trong khí quyển có thể làm suy giảm ánh sáng Mặt Trời và khiến khí hậu lạnh đi; mưa axit tạo thêm sức ép lên môi trường. Những sinh vật vượt qua phá hủy ban đầu vẫn phải sống trong điều kiện ánh sáng, nhiệt độ và nguồn thức ăn biến đổi. Đây là con đường để một tai biến có tâm điểm địa lý cụ thể tác động đến các hệ sinh thái ở quy mô hành tinh. [1]

Điều gì khiến lời giải trở nên thuyết phục?

Không đầu mối nào phải gánh toàn bộ kết luận. Hóa thạch cho thấy thời điểm quần xã sinh vật thay đổi; iridium và osmium gợi nguồn vật chất ngoài Trái Đất; dữ liệu địa vật lý xác định cấu trúc Chicxulub; đá bị sốc chứng tỏ năng lượng va chạm; tektite nối miệng hố với ranh giới K–Pg. Mỗi phương pháp trả lời một phần khác nhau, đồng thời tạo cơ hội kiểm tra xem các phần có thực sự ăn khớp hay không. [1]

Vạch xám tại Gubbio vì thế đáng nhớ không phải vì nó chứa sẵn một bản tường thuật về ngày cuối cùng của khủng long. Nó đáng nhớ vì cho thấy một dấu tích rất nhỏ có thể trở thành điểm gặp của cổ sinh vật học, hóa học và địa vật lý. Khi được đặt đúng vị trí trong chuỗi bằng chứng, lớp đất sét không còn chỉ là ranh giới giữa hai tầng đá mà là dấu mốc của một biến động đã làm đổi hướng lịch sử sự sống. [1]