CÁC HẠT Ở ĐÁY LỚP PHỦ LỚN ĐẾN MỨC NÀO?

Sâu bên dưới châu Phi và Thái Bình Dương, ở đáy lớp phủ (manti), sóng địa chấn chậm lại trong hai vùng khổng lồ được gọi là các vùng vận tốc sóng cắt thấp quy mô lớn (large low shear-velocity provinces, LLSVP). Chúng vươn cao hơn 1.000 km so với ranh giới với lõi và phủ gần một phần tư diện tích ranh giới ấy. Chúng nóng hơn, khác biệt về hóa học, hay cả hai, vẫn còn là chủ đề tranh luận. Các nghiên cứu về sự suy giảm sóng địa chấn gợi ý rằng chúng được tạo thành từ các hạt thô, được bao quanh bởi lớp phủ có hạt mịn hơn.

Một thành phần ứng viên là davemaoite, canxi silicat có cấu trúc perovskit, khoáng vật phổ biến thứ ba của lớp phủ dưới: chiếm khoảng 10% pyrolit, mô hình chuẩn của đá lớp phủ, và tới 25% trong bazan bị hút chìm.

Câu đố ba mươi phần trăm

Davemaoite rất khó nghiên cứu. Không thể đưa nó lên bề mặt mà còn nguyên vẹn — nó đổi cấu trúc khi nguội và hóa thủy tinh khi áp suất giảm — nên tính đàn hồi của nó phải được đo ở áp suất và nhiệt độ cao. Và ở đó, suốt hàng chục năm, lý thuyết và thực nghiệm đã không khớp nhau: các tính toán lượng tử dự đoán mô đun trượt cao hơn khoảng 30% so với giá trị đo được. Với hầu hết các khoáng vật lớp phủ, hai bên khớp nhau rất sát.

Peiyu Zhang, Liang Yuan và các đồng nghiệp tại Đại học Địa chất Trung Quốc ở Vũ Hán, Đại học Bayreuth ở Đức và Đại học Michigan nghi ngờ các mẫu. Mọi phép đo trong phòng thí nghiệm đều dùng đa tinh thể chế tạo từ thủy tinh, với các hạt chỉ vài chục nanomet — tức là rất nhiều ranh giới hạt. Những lớp mỏng mất trật tự ở các ranh giới đó, hoặc thủy tinh còn sót lại, hầu như không lộ ra trong nhiễu xạ tia X nhưng vẫn có thể làm vật liệu mềm đi.

Hàng triệu nguyên tử

Để kiểm tra điều này, nhóm đã huấn luyện một mô hình học máy về lực giữa các nguyên tử trên các tính toán lượng tử bao phủ 0–100 gigapascal và 0–6.000 kelvin, đủ chính xác để mô phỏng những hệ khổng lồ. Trước tiên họ kiểm tra những điều cơ bản: trong lớp phủ dưới, davemaoite có cấu trúc lập phương xét trung bình. Một đơn tinh thể hoàn hảo gồm 20.480 nguyên tử vẫn cho vận tốc sóng cắt nhanh hơn thực nghiệm trên 10% — vậy cả kích thước mô phỏng lẫn một chuyển pha gần đó đều không giải thích được khoảng chênh.

Sau đó họ dựng những hộp rộng khoảng 30 nanomet chứa 15, 120 hoặc 480 hạt định hướng ngẫu nhiên, tới 3,4 triệu nguyên tử, ở 50 gigapascal và 2.142 kelvin. Hạt càng mịn, phần mất trật tự càng lớn: 1,8, 3,5 và 5,8% theo thể tích.

Mất trật tự nhỏ, mềm đi nhiều

Giữa một tinh thể hoàn hảo và mẫu 480 hạt:

mô đun trượt giảm 37% (từ 213 xuống 136 gigapascal);
mô đun khối chỉ giảm 12%;
vận tốc sóng cắt giảm 19,3%, vận tốc sóng nén giảm 10,6%.

Như vậy, vài phần trăm mất trật tự ở ranh giới hạt là đủ để đưa lý thuyết khớp với thực nghiệm. Các ảnh nhiễu xạ tia X mô phỏng hầu như không thay đổi trong cùng khoảng đó, đó là lý do các nhà thực nghiệm không thể thấy nó. Đa tinh thể này hành xử như cách sắp xếp mềm nhất mà vật lý cho phép: độ cứng của nó được quyết định bởi một mạng lưới liên thông gồm các ranh giới dễ biến dạng.

Mức sàn cho kích thước hạt

Khi đưa vào các mô hình đá lớp phủ, davemaoite bị làm mềm tạo ra một dấu hiệu giống LLSVP trong vật liệu giàu bazan: sóng cắt chậm hơn 6,2% so với pyrolit, sóng nén chỉ chậm hơn 1,9%. Các tác giả nhấn mạnh rằng điều này chứng minh một cơ chế, chứ không phải chứng minh rằng những hạt mịn như vậy tồn tại dưới đó.

Đảo ngược lại, mối quan hệ này cho ra một ràng buộc. Phần mất trật tự tỷ lệ gần đúng với bề rộng ranh giới (khoảng 1 nanomet) chia cho kích thước hạt. Để giữ các dị thường sóng nén khiêm tốn quan sát thấy ở LLSVP, phần đó phải ở dưới khoảng 1%, nên các hạt phải rộng ít nhất khoảng 100 nanomet. Mức sàn này phù hợp với các mô hình về sự lớn lên của hạt trong lớp phủ đối lưu và với bằng chứng địa chấn về LLSVP có hạt thô.

Các mô phỏng dùng canxi silicat tinh khiết, trong khi davemaoite tự nhiên chứa natri, kali, sắt, nhôm và titan, và các hạt trong mô phỏng nhỏ hơn rất nhiều so với hạt thật trong lớp phủ. Nhóm đề xuất ba hướng trong phòng thí nghiệm — tán xạ tia X toàn phần, chụp ảnh Raman và lập bản đồ hóa học ranh giới ở cấp nano — để cuối cùng đo được bao nhiêu sự mất trật tự đang ẩn giấu trong những mẫu đã quyết định các con số từ trước đến nay.