Vách đá nứt ở mỏ Naica hé lộ Hang Tinh Thể khổng lồ và 15 năm thám hiểm trong lò nhiệt 58 độ C

Tháng 4 năm 2000, ở độ sâu 300 mét tại Naica thuộc bang Chihuahua, Mexico, hai anh em thợ mỏ Juan và Pedro Sánchez đang đào một đường hầm mới cho công ty khai thác mỏ Industrias Peñoles. Khi mũi khoan công nghiệp xuyên qua đứt gãy Naica, vách đá nứt bung, mở ra một khoảng không tối đen phả thẳng luồng hơi hầm hập vào người họ. Bước qua khe nứt vừa mở, hai anh bàng hoàng thấy mình lọt vào một hệ thống hang phức tạp phân bố dọc theo đứt gãy địa chất. Dưới ánh đèn rọi, những cột tinh thể mọc tự do dài tới 12 mét và đường kính lên tới 2 mét vươn chéo qua vòm hang ngầm, sáng lấp lánh như một khu rừng pha lê khổng lồ. [1][5]

Thế nhưng cảnh tượng kỳ ảo ấy lập tức đi cùng mối đe dọa sinh tử. Khi không bị ngập nước, nhiệt độ không khí bên trong Hang Tinh Thể lên tới 58 độ C, đi kèm độ ẩm bão hòa từ 90 đến 99%. Luồng khí nóng ẩm đặc quánh như ép chặt lấy lồng ngực và ngăn chặn hoàn toàn khả năng thoát mồ hôi để tự làm mát của cơ thể. Trong môi trường khắc nghiệt đến mức cực đoan ấy, nếu không có trang bị bảo hộ thích hợp, con người chỉ có thể gắng gượng chịu đựng được khoảng mười phút mỗi lần trước khi ngã quỵ. [1]

Cú khoan xuyên qua đứt gãy đá vôi đã đưa con người chạm vào một kỳ quan vô giá dưới lòng đất, nhưng cũng ngay lập tức đặt ra thách thức nghiệt ngã: làm thế nào để sống sót và giữ trọn vẹn kho báu này trước một lò nhiệt chết người? [1][5]

Cửa thép chặn đứng cơn sốt khoáng vật

Rời khỏi luồng khí hầm hập của đứt gãy Naica, hai anh em Juan và Pedro Sánchez lập tức báo tin cho kỹ sư phụ trách là Roberto Gonzalez. Nhận định khoảng trống vừa phát lộ là một kho báu tự nhiên, ông Gonzalez dứt khoát quyết định chuyển hướng đường hầm khai thác thay vì tiếp tục đào sâu qua khoang hang. [4]

Quyết định bẻ cong tuyến hầm nhanh chóng vấp phải một hiểm họa khác: sự nhòm ngó của thị trường chợ đen. Mức lương ít ỏi từ công việc khai thác chì và bạc tại Naica từ lâu đã thúc đẩy một đường dây buôn bán tinh thể khoáng vật ngầm. Tại một quán rượu ở thị trấn mỏ, từng có người say rượu công khai chào bán khối tinh thể tím và trắng lớn bằng tấm đĩa đập bóng chày với giá khởi điểm 300 đô la, rồi nhanh chóng hạ xuống 100 đô la. [3]

Khoang hang vừa hé lộ lập tức trở thành mục tiêu cướp phá. Trong giai đoạn đầu sau phát hiện, một số thợ mỏ đã cố đục lấy các mảnh tinh thể khổng lồ để tuồn ra ngoài. Môi trường cực đoan dưới lòng đất biến những vụ đột nhập thành canh bạc mạng sống. Người ta kể về một thợ mỏ lẻn vào đánh cắp tinh thể đã bị kiệt sức vì nhiệt độ, độ ẩm và tình trạng thiếu oxy, cuối cùng ngất lịm đi trong hang. Một giai thoại rùng rợn khác trong giới thợ mỏ kể rằng có công nhân tìm cách chui qua lỗ hẹp, mang theo các túi nilon chứa khí tươi để trộm tinh thể, nhưng rồi ngất xỉu và sau đó được phát hiện đã bị nướng chín trong hơi nóng ngầm. [4][5]

Để chấm dứt các vụ xâm nhập liều mạng và giữ nguyên vẹn kỳ quan, công ty khai mỏ quyết định dựng lên bức tường bê tông và lắp cánh cửa sắt bảo vệ. Kể từ đó, chiếc xe tải chở người dừng lại ngay trước cánh cửa thép kiên cố, nơi bên kia vách ngăn là cái nóng gay gắt có thể làm tê liệt hoạt động của não bộ chỉ sau ít phút. [4]

Lời cảnh báo từ Hang Những Thanh Kiếm

Hang Tinh Thể là một khoang hình móng ngựa nằm trong đá vôi, với mặt sàn phủ kín các khối tinh thể mang những mặt phẳng hoàn hảo. Thứ khoáng vật tạo nên cấu trúc kỳ vĩ này là thạch cao selenite, loại đá được đặt tên theo Selene – nữ thần mặt trăng trong thần thoại Hy Lạp, xuất phát từ ánh sáng trắng dịu nhẹ phát ra từ tinh thể. Đứng trước những khối đá đồ sộ ngoài sức tưởng tượng, các chuyên gia lập tức đối chiếu chúng với một khoang ngầm từng được khai phá ở tầng nông hơn nhằm tìm kiếm lời giải cho kích thước phi thường ấy. [1][4]

Năm 1910, các thợ mỏ từng phát hiện ra Hang Những Thanh Kiếm ở độ sâu 120 mét, nằm ngay phía trên Hang Tinh Thể. Nơi này là một khoang đơn khổng lồ có đường kính khoảng 70 mét và vẫn mở cửa cho các nhà khoa học tiếp cận. Bên trong, hang chứa các tinh thể thạch cao dạng thanh kiếm lớn đặc biệt với chiều dài lên tới 2 mét. Trên một bức tường của Hang Những Thanh Kiếm, tinh thể mọc dày đặc trông giống như rạn san hô dưới biển đang uốn lượn nhịp nhàng theo dòng hải lưu. [1][5][4]

Tuy nhiên, diện mạo của khoang hang tầng trên lại mang đến một cảnh báo nhãn tiền. Sau nhiều thập kỷ mở cửa, các tinh thể tại Hang Những Thanh Kiếm đã bị mất đi nhiều độ lấp lánh và vẻ huy hoàng rực rỡ. Sự xuống cấp ấy chứng minh rằng các tinh thể sẽ nhanh chóng bị suy thoái và hư hỏng khi tiếp xúc với không khí bên ngoài. Nhận thức rõ môi trường đường hầm sẽ tàn phá kỳ quan vừa hé lộ, Dự án Naica lập tức đẩy mạnh các nỗ lực chụp ảnh lưu trữ tài liệu trước khi những khối thạch cao vô giá bị hư hỏng thêm. [5][1]

Bên cạnh mối nguy suy thoái, sự chênh lệch rõ rệt giữa hai tầng hang cũng đặt ra bài toán địa chất then chốt: vì sao tinh thể ở Hang Những Thanh Kiếm chỉ dừng lại ở mốc 2 mét, trong khi tầng sâu bên dưới lại đạt kích thước khổng lồ? Các nhà nghiên cứu suy đoán rằng ở độ sâu của Hang Những Thanh Kiếm, nhiệt độ chuyển tiếp có thể đã giảm nhanh hơn nhiều khiến tinh thể ngừng phát triển. Manh mối đó buộc giới khoa học phải nhìn sâu hơn xuống lòng đất để tìm kiếm cơ chế nhiệt đã nuôi dưỡng Hang Tinh Thể suốt hàng trăm nghìn năm. [1][5]

Lò ấp nửa triệu năm bên trên khối magma

Khoang rỗng nằm sâu trong tầng đá vôi của mỏ Naica chỉ dài khoảng 109 mét với thể tích ước tính từ 5.000 đến 6.000 mét khối. Thế nhưng bên trong không gian ngầm kín mít ấy lại là những cấu trúc vượt khỏi mọi quy chuẩn tự nhiên: cột tinh thể lớn nhất vươn dài tới 11,4 mét, chiếm thể tích khoảng 5 mét khối và khối lượng ước tính đạt 12 tấn. Để tạo nên khối thạch cao khổng lồ mà không tan rã hay sụp đổ, các nhà khoa học buộc phải lần theo các dòng chất lưu thủy nhiệt bắt nguồn từ sâu dưới lòng đất. [1][4]

Mỏ Naica nằm trên một hệ thống đứt gãy địa chất, bên dưới chừng 3 đến 5 km là một buồng magma ngầm. Khối magma này liên tục nung nóng nguồn nước ngầm đã bão hòa các ion sulfide, đẩy các dòng chất lưu giàu khoáng chất đi lên. Khi gặp tầng nước mặt mát hơn có chứa oxy, hai khối chất lỏng không hề hòa lẫn do có sự chênh lệch về mật độ. Thay vào đó, oxy chỉ khuếch tán rất chậm vào khối nước nóng, oxy hóa sulfide thành sulfate để rồi kết tủa xuống dưới dạng các tinh thể anhydrite. [1][4]

Thời khắc then chốt diễn ra khi nhiệt độ chung của khoang hang hạ xuống dưới ngưỡng 56 độ C. Ở mốc nhiệt này, các tinh thể anhydrite bắt đầu hòa tan ngược vào dung dịch, mở đường cho tinh thể thạch cao hình thành. Quá trình chuyển pha từ anhydrite sang thạch cao qua dung dịch ở trạng thái gần cân bằng được cho là đã tạo nên một cơ chế tự nuôi dưỡng liên tục. Tinh thể thạch cao cứ thế thầm lặng lớn lên nhờ hấp thụ chính lượng khoáng chất do anhydrite tan rã giải phóng ra. [1][2]

Bằng phương pháp định tuổi uranium-thorium, nhà nghiên cứu Stein-Erik Lauritzen từ Đại học Bergen xác định tuổi tối đa của những cột thạch cao khổng lồ là khoảng 500.000 năm. Để khối tinh thể nặng 12 tấn được bồi đắp suốt nửa triệu năm, môi trường ngầm đòi hỏi một sự ổn định bền bỉ. Nhà nghiên cứu Garcia-Ruiz ước tính dải nhiệt độ thuận lợi này đã được duy trì ổn định trong lòng mỏ suốt một triệu năm qua. [1][4]

Bộ giáp đá lạnh và ba mươi phút sinh tử

Năm 2006, nhà tinh thể học Paolo Forti từ Đại học Bologna nhận trách nhiệm điều phối một đội ngũ khoa học tiến hành thám hiểm chi tiết hang động. Để đối phó với môi trường khắc nghiệt dưới lòng đất, Hiệp hội thám hiểm hang động La Venta của Ý đã triển khai một dự án lập bản đồ khoa học quy mô lớn bằng các thiết bị hiện đại. [1][5]

Hành trình tiếp cận khoang hang là một thử thách bào mòn thể lực ngay từ bên ngoài. Khi đến được cửa hang sau chặng đường dài di chuyển dưới hầm mỏ, tất cả mọi người trong đoàn thám hiểm đều đã ướt đẫm mồ hôi. Ở cuối đường hầm chỉ có ba hoặc bốn bậc thang dẫn thẳng vào cửa mở của khoang hang chính. Thế nhưng chỉ trong một khoảng cách ngắn ấy, nhiệt độ và độ ẩm đã biến đổi đột ngột từ mức nóng bức khó chịu sang tình trạng hầm hập như một lò luyện kim. [3][4]

Bước qua ngưỡng cửa đó là một môi trường đe dọa trực tiếp đến tính mạng. Nhiệt độ ban đầu bên trong hang lên tới 60 độ C cùng độ ẩm 100%, hoặc tăng vọt lên 112 độ F với độ ẩm dao động từ 90 đến 100%, khiến mỗi lần bước vào đều tiềm ẩn nguy cơ sốc nhiệt và đẩy việc thám hiểm hang chi tiết vào tình thế cực kỳ khó khăn. Độ ẩm cao tạo ra một nhiệt độ bầu ướt rất lớn, ngăn cản hoàn toàn cơ thể con người tự làm mát bằng cách toát mồ hôi. [1][3][5]

Để giải quyết bài toán sinh tồn, đội ngũ thám hiểm đã hợp tác với Ferrino và La Venta để phát triển bộ đồ làm lạnh Tolomea cùng mặt nạ thở khí lạnh Sinusit. Bộ quần áo bảo hộ hang động đặc biệt này được gắn các đệm ống làm lạnh phủ khắp cơ thể, kết nối trực tiếp với một chiếc ba lô nặng khoảng 20 kg chứa bình nước lạnh và đá. [1]

Lượng nhiệt làm mát nhờ đá tan đủ để cung cấp khoảng nửa giờ hoạt động tự chủ cho các nhà nghiên cứu trong hang. [1]

Tốc độ của một sợi tóc và sự sống ngủ quên

Đối diện với những cột thạch cao dài tới 11 mét, dày 1 mét mang hình thái tự hình cùng độ trong suốt cao đặc biệt, giới khoa học khao khát đo lường chính xác nhịp độ lớn lên của chúng. Thách thức lớn nằm ở chỗ quá trình kết tinh diễn ra trong một khoảng nhiệt độ rất hẹp từ 50–54 độ C đến 58 độ C với chỉ số siêu bão hòa SI nhỏ hơn hoặc bằng 0,05, một ngưỡng quá thấp để các thiết bị thông thường có thể nắm bắt. Nhằm đo đạc tốc độ phát triển của tinh thể ở độ siêu bão hòa rất thấp này, nhóm nghiên cứu do A. E. S. Van Driessche dẫn đầu đã đưa vào vận hành một chiếc kính hiển vi giao thoa dịch pha chùm tia trắng có độ phân giải cao. [2][1]

Hệ thống quang học chuyên dụng ghi nhận tốc độ phát triển chậm nhất của mặt {010} thạch cao trong dòng nước Naica ở 55 độ C chỉ đạt 1,4 ± 0,2 × 10^-5 nm/s. Đây chính là tốc độ phát triển tinh thể chậm nhất từng được đo trực tiếp trên Trái Đất. Ở các mức nhiệt cao hơn, tốc độ lớn của tinh thể tăng theo cấp số nhân do độ tan của thạch cao giảm xuống và hệ số động học tăng lên. Thực nghiệm cũng xác định ở áp suất khí quyển, điểm giao cắt giữa đường cong độ tan của anhydrite và thạch cao nằm vào khoảng 58 độ C. Ngược lại, ở mốc 50 độ C, các nhà nghiên cứu không quan sát thấy hiện tượng phát triển hay hòa tan, chứng minh các tinh thể khổng lồ Naica chỉ có thể hình thành trong khoảng từ 58 độ C đến nhiệt độ nước Naica hiện tại. [2][1]

Song song với những phép đo khoáng vật học, bí mật sinh học bên trong các khối đá cũng dần được đưa ra ánh sáng. Nhà vi sinh vật học Penelope Boston đã khoan lấy mẫu vô trùng sâu bên trong các tinh thể lớn nhằm tìm kiếm dấu vết vi khuẩn cổ đại bị đóng kín trong các bao thể. Dù vậy, các bao thể rắn thu thập được chủ yếu gồm oxy-hydroxide magie và sắt, không phát hiện chất hữu cơ và không thể chiết xuất hay nhân bản DNA vi khuẩn cổ đại bằng kỹ thuật PCR. [1]

Sự kiên trì mang lại kết quả bất ngờ vài năm sau đó. Tại cuộc họp của AAAS năm 2017, các nhà nghiên cứu công bố đã trích xuất và hồi sinh thành công các vi sinh vật mắc kẹt bên trong bao thể tinh thể, mang đặc điểm di truyền không có họ hàng gần với bất kỳ dữ liệu nào từng được biết. Sự tồn tại của dạng sống kỳ lạ cùng những cột đá vô tiền khoáng hậu thôi thúc Garcia-Ruiz bày tỏ quan điểm rằng hang động này cần được bảo tồn như một di tích quốc gia, bởi khả năng tồn tại một Naica thứ hai trên thế giới gần như bằng không. [1][4]

Khi máy bơm tắt và dòng nước vĩnh cửu trở lại

Sự khô ráo của kỳ quan dưới lòng đất thực chất chỉ là một khoảng lặng nhân tạo. Khoang hang đã được bơm cạn nước từ năm 1975 để phục vụ khai mỏ nhưng vẫn không được biết đến và thám hiểm cho tới tận năm 2000. Trong khi toàn bộ khu mỏ được lắp hệ thống thông gió để duy trì hoạt động, Hang Tinh Thể không có điều hòa nhiệt độ nên luôn phải chịu sức nóng trực tiếp từ khối magma bên dưới. Giữa những khoảng trống lớn mang các tinh thể selenite có đường kính tới 4 foot và chiều dài lên đến 50 foot, sự phát triển của thạch cao đã hoàn toàn ngưng lại khi không còn nguồn nước giàu khoáng chất cung cấp vật chất kết tinh. [4]

Các nhà khoa học luôn hy vọng duy trì quyền tiếp cận để kéo dài những cuộc khảo sát thực địa, song khả năng bước vào hang lại phụ thuộc hoàn toàn vào các máy bơm nước của mỏ. Đến tháng 10 năm 2015, hoạt động khai khoáng tại Naica chính thức chấm dứt. Khi những cỗ máy bơm công nghiệp dừng vận hành, mỏ Naica ngập nước trở lại và nuốt trọn toàn bộ khoang hang. [1]

Dòng nước ngầm giàu khoáng chất lại tràn đầy không gian kín, trả các khối thạch cao về môi trường cần thiết để tiếp tục phát triển. Trong bóng tối ngập nước, những cột tinh thể Naica lại tiếp tục chu trình bồi đắp giữ kỷ lục chậm nhất hành tinh, với độ dày chu vi chỉ tăng thêm bằng bề rộng một sợi tóc sau mỗi thế kỷ. [1][4]

Nguồn

1. Cave of the Crystals (Wikipedia) (en.wikipedia.org, bách khoa)
2. Ultraslow growth rates of giant gypsum crystals - PMC (www.ncbi.nlm.nih.gov, nguồn gốc)
3. Cave of Crystal Giants — National Geographic Magazine (web.archive.org, bài viết)
4. Cave of the Giant Crystals, Mexico - Crystalinks (web.archive.org, bài viết)
5. The Giant Crystal Project : Gypsum Crystals of the Naica Mine, Mexico (web.archive.org, bài viết)
6. Unraveling the sulfate sources of (giant) gypsum crystals using gypsum isotope fractionation factors. (hdl.handle.net, bài viết)

Ảnh bìa: Alexander Van Driessche · CC BY 3.0 · Wikimedia Commons. Bố cục và chữ do Trải Nghiệm Sống thực hiện.