Mốc chuẩn Pompeii và chiếc đồng hồ đo tuổi Trái Đất

Năm 79 CN, vụ phun trào thảm họa của núi Vesuvius đã nhấn chìm thành phố Pompeii và khu định cư Oplontis dưới lớp tro bụi dày đặc. Sự kiện này không chỉ được ghi nhận trong các chứng cứ lịch sử của Pliny Trẻ mà mới đây còn trở thành mốc chuẩn thời gian quan trọng giúp các nhà khoa học tại Trung tâm Địa thời học Berkeley, Đại học California tại Berkeley cùng Đại học Padua (Ý) tinh chỉnh phương pháp đo tuổi bằng kỹ thuật argon-argon. [1]

Việc kết hợp một thời điểm lịch sử có văn bản ghi chép với công nghệ phân tích địa chất hiện đại cho phép giới nghiên cứu xác định tuổi của các khoáng vật núi lửa với độ sai số cực thấp. Thành tựu này không chỉ củng cố độ tin cậy của các mốc sự kiện trong lịch sử loài người mà còn mở ra khả năng hiệu chuẩn chính xác hơn các phương pháp đo tuổi địa chất khác trên toàn Trái Đất. [1]

Cơ chế hoạt động của kỹ thuật đo niên đại argon-argon

Phương pháp đo niên đại argon-argon dựa trên nguyên lý phân rã phóng xạ tự nhiên của đồng vị kali-40 thành khí argon-40 bên trong các khoáng vật đá núi lửa. Trong điều kiện thông thường trước khi đá bị nung chảy và phun trào, khí argon-40 chưa tích tụ bên trong tinh thể. Ngay khi dung nham nguội đi, đồng hồ phóng xạ bắt đầu hoạt động khi argon-40 tạo ra từ phân rã kali-40 được giữ lại trọn vẹn trong cấu trúc mạng tinh thể. [1]

Để xác định tuổi của mẫu vật, các nhà nghiên cứu đưa mẫu đá vào lò phản ứng để chiếu xạ neutron. Quá trình này biến đổi đồng vị kali-39 ổn định thành argon-39. Bằng cách phân tích tỷ lệ giữa argon-40 và argon-39 thông qua thiết bị đo khối phổ, các nhà khoa học có thể tính toán chính xác lượng kali ban đầu và thời gian đã trôi qua kể từ khi khoáng vật hình thành. Tỷ lệ argon-40 so với argon-39 càng lớn thì mẫu đá có tuổi đời càng cao. [1]

Giá trị của các mẫu đá pumice cổ từ Oplontis

Trong nghiên cứu công bố trên tạp chí Science Advances, nhóm tác giả do Giáo sư Paul Renne dẫn đầu đã phân tích các mẫu khoáng vật sanidine giàu kali thu thập từ mảng đá pumice của đợt phun trào năm 79 CN tại Oplontis. Các mẫu vật này do nhà nghiên cứu Andrea Marzoli thu thập từ năm 1998 nhưng được lưu trữ nhiều thập kỷ trước khi đưa vào phân tích chuyên sâu bằng các kỹ thuật tiên tiến. [1]

Bản chất cấu tạo của buồng mác-ma bên dưới các núi lửa như Vesuvius thường có sự phân lớp rõ rệt. Các nguyên tố nặng như sắt và magiê chìm xuống đáy, trong khi nguyên tố hòa tan như kali tập trung ở phần trên cùng. Do đó, lượt mác-ma phun trào đầu tiên chứa hàm lượng kali cao nhất và đọng lại ở tầng đáy của các lớp tro đá. Việc sử dụng các mẫu khoáng vật sanidine từ lớp đệm đầu tiên này giúp tối ưu hóa tín hiệu đo phân rã phóng xạ. [1]

Kết quả phân tích cho thấy các mẫu sanidine có tuổi đời khoảng 1.938 năm tính đến thời điểm đo đạc vào năm 2025 (với sai số khoảng 13 năm). So với mốc thời gian lịch sử thực tế là 1.946 năm kể từ thảm họa, phép đo đạt độ chính xác 0,4% và độ lặp lại (độ tinh) đạt 0,7%. Kết quả này đánh dấu bước tiến lớn so với các phân tích vào năm 1997. [1]

Khảo sát tài liệu lịch sử và chu kỳ bán rã kali-40

Để sử dụng sự kiện Pompeii làm mốc chuẩn chính xác, nhà nghiên cứu Caroline Hasler đã rà soát lại các ghi chép lịch sử cũng như những ý kiến nghi vấn về thời điểm núi Vesuvius hoạt động. Một số quan điểm cho rằng vụ phun trào diễn ra muộn hơn vào mùa thu năm 79 CN dựa trên một đồng tiền La Mã tìm thấy tại khu vực thảm họa, được cho là đúc vào tháng 9. [1]

Tuy nhiên, khi đối chiếu đồng tiền này với các mẫu tiền tệ La Mã cùng thời, nhóm nghiên cứu nhận thấy đồng tiền hoàn toàn có thể được đúc trước tháng 9. Nhóm tác giả đặt biên độ dao động khoảng hai tháng xung quanh mốc ngày 24 tháng 8 năm 79 CN theo văn bản của Pliny Trẻ. Việc xác định mốc thời gian lịch sử này giúp các nhà khoa học tính toán lại chu kỳ bán rã của kali-40 thành argon-40 là 12,044 tỷ năm (với độ nghi ngờ 0,088 tỷ năm), tăng gấp đôi độ chính xác so với các giá trị vật lý hạt nhân trước đó. [1]

Liên kết các phương pháp đo tuổi và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu mới không chỉ dừng lại ở việc đo tuổi đá núi lửa mà còn tạo tiền đề để đồng bộ hóa các phương pháp định tuổi khác. Độ chính xác của kỹ thuật argon-argon giúp hiệu chuẩn phương pháp carbon-14 vốn dùng cho các mẫu vật hữu cơ có tuổi dưới 55.000 năm, đồng thời hỗ trợ kiểm chứng kỹ thuật đo uranium-chì dùng cho các loại đá cổ hình thành hàng tỷ năm trước. [1]

Việc làm rõ mốc thời gian địa chất giúp các nhà nghiên cứu suy luận chính xác hơn mối quan hệ nguyên nhân - kết quả giữa các biến cố lớn. Chẳng hạn, phương pháp argon-argon từng giúp xác định vụ va chạm thiên thạch và các đợt phun trào núi lửa lớn ở Ấn Độ diễn ra trong cùng một khoảng thời gian ngắn cách đây 66 triệu năm, củng cố giả thuyết về nguyên nhân kích hoạt sự tuyệt chủng của khủng long. [1]

Bên cạnh việc giải mã quá khứ, kỹ thuật đo tuổi được tinh chỉnh tới mức sai số theo thập niên đối với các sự kiện trong thời kỳ lịch sử còn hỗ trợ các nhà địa chất đánh giá chính xác hơn tần suất và nguy cơ từ những núi lửa đang hoạt động gần các vùng dân cư đông đúc hiện nay như tại Mexico, Ý hay Indonesia. [1]