Mùa hè 1971, một nhà địa chất trẻ tên là Mike Voorhies bắt tay vào tìm kiếm tại các nông trại đầy cỏ ở đông Nebraska, gần thành phố nhỏ Orchard, nơi ông trưởng thành. Khi băng qua một khe núi gần như dựng đứng, ông bắt gặp một tia phản chiếu ẩn bên trong bụi rậm trên cao khiến ông rất tò mò, thế rồi ông quyết định trèo lên để xem đó là thứ gì. Thứ ông tìm thấy là một chiếc sọ của một con tê giác nhỏ gần như còn nguyên vẹn, nó đã được rửa sạch bởi các cơn mưa to trước đó.
Hóa ra là, cách đó vài yard (1 yard = 0,914 mét) là một trong những tầng hóa thạch lớn nhất đã từng được khám phá tại Bắc Mỹ, một chiếc hố khô trở thành nơi chôn vùi rất nhiều các loài vật khác nhau – tê giác, ngựa vằn, hươu răng cong, lạc đà, rùa. Tất cả đều chết do một cơn tai biến bí ẩn nào đó cách đây khoảng hai triệu năm tại khoảng thời gian được địa chất học gọi là Miocene. Vào những ngày đó, Nebraska còn tọa lạc tại vùng đồng bằng rộng lớn và nóng bức giống như vùng Serengeti của châu Phi ngày nay. Người ta tìm thấy xác các động vật bị chôn vùi dưới lớp tro núi lửa dày đến ba mét. Điều khiến họ bối rối ở đây là, tại thời điểm đó và cả trước đó chưa bao giờ có núi lửa ở Nebraska.
Ngày nay, khu vực mà Voorhies đã khám phá được gọi là Ashfall Fossil Beds State Park, tại đây có viện bảo tàng nổi tiếng trưng bày các vật mẫu liên quan đến địa chất học của Nebraska và lịch sử của các tầng hóa thạch. Ngoài ra còn có một phòng thí nghiệm với các bức tường được làm bằng thủy tinh giúp du khách có thể quan sát các nhà cổ sinh vật học làm sạch các mẩu xương hóa thạch. Một lần nọ trong khi làm việc tại đây tôi bắt gặp một người tóc hoa râm với bộ đồ làm việc màu xanh dương, tôi nhận ra ông ta là Mike Voorhies trong một bộ phim tài liệu của đài truyền hình BBC. Tại Ashfall Fossil Beds State Park người ta không đón tiếp nhiều khách khứa, và Voorhies có vẻ rất vui khi đưa tôi tham quan vòng quanh khu vực này. Ông dẫn tôi đến khe núi mà ông đã có được những khám phá quan trọng.
“Đây không phải là nơi thích hợp để tìm kiếm các loại xương cổ”, ông nói với vẻ hào hứng. “Nhưng khi ấy tôi cũng có ý định tìm kiếm xương cổ đâu! Tôi chỉ nghĩ đến việc vẽ một tấm bản đồ địa chất của miền Đông Nebraska vào thời điểm ấy. Nếu tôi không băng qua khe núi này hoặc nếu các cơn mưa không rửa sạch chiếc xương sọ đó, thì có lẽ tôi đã bước ngang qua nó và chẳng tìm thấy gì”.
Thoạt tiên người ta nghĩ rằng các động vật đã bị chôn sống, và Voorhies đã nói khá nhiều trong tờ National Geographic vào năm 1981. “Bài báo đó gọi khu vực này là ‘Pompeii của động vật thời tiền sử’”, ông nói với tôi, “đây là điều đáng tiếc vì ngay sau đó chúng tôi nhận thấy rằng các động vật này hoàn toàn không qua đời đột ngột. Tất cả chúng đều mắc chứng sưng phổi, bạn sẽ mắc chứng bệnh này nếu bạn hít phải quá nhiều tro mài – và ắt hẳn chúng đã hít phải rất nhiều thứ này vì lớp tro này trải dài suốt nhiều dặm với độ dày vài chục centimet”. Ông nhặt lên một tảng tro bụi có màu xám, trông giống như đất sét và bóp vụn nó trên tay mình. Nó là dạng bột nhưng cũng có sạn. “Nó là thứ có hại khi hít phải”, ông tiếp lời, “vì nó rất mịn nhưng đồng thời cũng rất sắc. Chúng đã đến hố nước này, có lẽ để tìm cách trốn chạy, và đã chết trong đau đớn. Lớp tro bụi này đã tàn phá mọi thứ. Nó đã chôn vùi lớp cỏ và bao phủ mọi chiếc lá và biến nước sạch thành thứ bùn quánh màu xám không thể uống được. Hoàn toàn không dễ chịu chút nào”.
Bộ phim tài liệu của đài BBC cho rằng lớp bụi dày như thế ở Nebraska là điều bất ngờ. Thực ra, trước đó rất lâu người ta đã khám phá được các lớp trầm tích tro bụi khổng lồ tại Nebraska. Người ta đã khai thác chúng suốt một thế kỷ để tạo ra các loại bột vệ sinh gia dụng chẳng hạn Comet và Ajax.
Nhưng thật lạ là khi ấy chẳng ai băn khoăn về nguồn gốc của các lớp trầm tích này.
“Tôi thấy ngượng khi nói với bạn”, Voorhies mỉm cười, “rằng lần đầu tiên tôi nghĩ đến điều đó là khi một biên tập viên của tờ National Geographic hỏi tôi về nguồn gốc của các lớp trầm tích đó và tôi đã phải thú nhận rằng tôi không biết. Chẳng ai biết cả”.
Voorhies gửi các mẫu vật đến các đồng nghiệp tại Hoa Kỳ và hỏi xem liệu họ có biết gì về chúng không. Vài tháng sau một nhà địa chất học tên là Bill Bonnichsen từ viện nghiên cứu Idaho Geological Survey nói với ông rằng lớp tro bụi này hoàn toàn giống với lớp trầm tích núi lửa tại một nơi được gọi là Bruneau–Jarbidge ở tây nam Idaho. Sự kiện đã giết chết các động vật tại Nebraska là một vụ nổ núi lửa với quy mô nằm ngoài khả năng tưởng tượng của bất kỳ ai – đủ lớn để đẩy lớp tro bụi dày 3 mét đi xa hàng nghìn dặm, mãi đến tận miền đông Nebraska. Hóa ra là dưới mặt đất của miền tây Hoa Kỳ có một vạc macma khổng lồ, nó phun trào sau mỗi xấp xỉ 600.000 năm, tạo ra biến động to lớn. Sự phun trào gần đây nhất của nó là cách đây khoảng 600.000 năm. Trung tâm điểm nóng bỏng của nó vẫn còn ở đó. Ngày nay chúng ta gọi nó là Yellowstone National Park.
Thật lạ là chúng ta biết rất ít về những gì đang diễn ra ngay dưới chân mình. Cũng khá lạ khi biết rằng Ford đã chế tạo xe hơi và môn bóng chày đã được chơi tại các giải thế giới suốt một khoảng thời gian dài rồi sau đó chúng ta mới biết được rằng trái đất có lõi. Và dĩ nhiên mãi đến gần đây, cách đây chưa đến một thế hệ, chúng ta mới biết rằng các lục địa không ngừng trôi dạt. Richard Feynman viết, “Thật lạ khi chúng ta biết rằng sự phân bổ của các vật thể trong hệ mặt trời là sự phân bổ tốt hơn nhiều so với sự phân bổ bên trong trái đất”.
Khoảng cách từ bề mặt đất đến lõi trái đất là 3.959 dặm, đây là khoảng cách không quá xa. Người ta tính toán rằng nếu bạn khoan một cái giếng hướng thẳng đến lõi của trái đất và thả một viên gạch vào trong đó, chỉ sau bốn mươi lăm phút là viên gạch có thể chạm đến đáy giếng này (dù rằng lúc đó nó không còn trọng lượng). Nhưng khả năng của con người trong việc này khá khiêm tốn. Chỉ một hoặc hai mỏ vàng ở Nam Phi có chiều sâu khoảng hai dặm, nhưng hầu hết các mỏ trên trái đất đều có độ sâu không quá một phần tư dặm. Nếu hành tinh này là một quả táo thì điều này có nghĩa là chúng ta vẫn chưa xuyên qua được lớp vỏ bên ngoài của quả táo này.
Cách đây chưa đến một thế kỷ, kiến thức của các nhà khoa học thành thạo nhất về lòng đất vẫn không nhiều hơn kiến thức của một người thợ mỏ – cụ thể là, bạn có thể đào xuyên qua lớp đất một đoạn và sau đó bạn gặp phải lớp đá, và mọi việc dừng lại ở đó. Sau đó vào năm 1906, một nhà địa chất học người Ireland tên là R. D. Oldham, trong khi kiểm tra các thông số từ máy ghi địa chấn tại Guatemala, phát hiện rằng một vài loại sóng có thể thâm nhập vào lõi trái đất và sau đó nảy ngược trở lại với góc độ nào đó, cứ như thể chúng đã gặp phải một loại chướng ngại vật nào đó. Từ khám phá này ông suy luận rằng trái đất của chúng ta có lõi. Ba năm sau, một nhà nghiên cứu địa chấn tên là Andrija Mohorovicic đang nghiên cứu các biểu đồ từ trận động đất ở Zagreb thì ông phát hiện điều kỳ quặc tương tự, nhưng ở mức độ nông hơn. Ông khám phá được sự dội sóng xảy ra giữa lớp vỏ cứng và bề mặt của trái đất, lớp vỏ mềm.
Chúng ta bắt đầu có ý niệm mơ hồ về kết cấu trong lòng đất – dù rằng chỉ là những ý niệm rất mơ hồ. Mãi đến năm 1936 nhà khoa học người Đan Mạch tên là Inge Lehmann, trong khi đang đọc các kết quả từ máy ghi địa chấn, khám phá rằng trái đất có hai nhân – một nhân bên trong mà ngày nay chúng ta tin rằng nó là nhân cứng, và một nhân bên ngoài (đây là nhân mà Oldham đã khám phá) được xem là mềm nhão hơn và là trung tâm của từ trường.
Tại khoảng thời gian Lehmann đang cải tiến lại những hiểu biết cơ bản của chúng ta về lòng đất bằng cách nghiên cứu các loại sóng địa chấn qua các cơn động đất, hai nhà địa chất học tại Caltech ở California nghĩ ra một phương cách để so sánh cơn động đất này với cơn động đất sắp sửa xảy ra. Họ là Charles Richter và Beno Gutenberg, dù vì một lý do thiếu công bằng nào đó, phương cách của họ lập tức trở nên nổi tiếng và người ta chỉ biết rằng đó là phương cách đo lường của Richter.
Phương cách đo lường của Richter luôn bị những người thiếu kiến thức khoa học hiểu sai. Dĩ nhiên phương cách đo lường này là một ý tưởng chứ không phải là một cỗ máy, nó dựa trên cơ sở là độ rung của mặt đất qua các cơn động đất. Nó gia tăng theo hàm mũ, thế nên một cơn động đất 7,3 độ Richter sẽ mạnh hơn một cơn động đất 6,3 độ Richter năm mươi lần, và mạnh hơn cơn động đất 5,3 độ Richter đến 2.500 lần.
Về mặt lý thuyết thì không có giới hạn trần đối với độ mạnh của các cơn động đất – đồng thời cũng không có giới hạn sàn. Phương cách đo lường của Richter chỉ để đo lường độ mạnh chứ không nói gì về thiệt hại của các cơn động đất. Ví dụ, một cơn động đất mạnh xảy ra sâu bên trong lòng đất, giả sử bốn trăm dặm, có thể chẳng gây ra bất kỳ thiệt hại nào trên bề mặt trái đất, trong khi một cơn động đất yếu hơn xảy ra dưới mặt đất chỉ bốn dặm có thể gây thiệt hại nặng nề cho bề mặt trái đất. Thiệt hại này cũng tùy thuộc vào bản chất của tầng đất cái, thời gian kéo dài của cơn động đất, tần số của dư chấn, và kết cấu vật chất của khu vực bị tác hại. Tóm lại, các cơn động đất đáng sợ nhất không nhất thiết phải là các cơn động đất mạnh mẽ nhất dù rằng sức mạnh đóng vai trò quan trọng.
Cơn động đất mạnh nhất kể từ khi phương pháp đo lường Richter ra đời (tùy vào nguồn tin bạn tín nhiệm) hoặc là cơn động đất tại Alaska vào tháng Ba 1964 có cường độ 9,2 độ Richter, hoặc là cơn động đất tại Thái Bình Dương thuộc bờ biển Chile vào năm 1960, thoạt tiên người ta đo được 8,6 độ Richter nhưng về sau các nhà khoa học (kể cả Hội địa chất Hoa Kỳ) xác định lại là 9,5 độ Richter. Như những gì bạn có thể thấy ở đây, việc đo lường cường độ của các cơn địa chấn không phải lúc nào cũng chính xác, đặc biệt khi chúng xuất hiện ở những khu vực xa xôi. Dù sao thì cả hai cơn động đất này đều rất mạnh. Cơn động đất vào năm 1960 không những gây thiệt hại trên diện rộng tại vùng bờ biển Nam Mỹ, mà còn tạo ra cơn sóng thần cuồn cuộn suốt sáu dặm ven bờ Thái Bình Dương và tấn công khu đô thị Hilo thuộc Hawaii, phá huỷ năm trăm tòa nhà và giết chết sáu mươi người. Sóng thần cũng xuất hiện tại Nhật Bản và Philippines khiến nhiều người khác thiệt mạng.
Tuy nhiên cơn động đất khắc nghiệt nhất được ghi nhận trong lịch sử có lẽ là cơn động đất đã tấn công – và phá nát – Libson thuộc Bồ Đào Nha vào ngày Các Thánh (ngày 1 tháng Mười Một), 1755. Trước mười giờ sáng, thành phố này bị tấn công từ hai phía bởi một cơn địa chấn 9,0 độ Richter, rung chuyển dữ dội suốt bảy phút. Sự chấn động mạnh đến mức có thể tạo ra các cơn sóng cao mười lăm mét tại các bến cảng trong thành phố. Khi sự rung chuyển chấm dứt, những người sống sót chỉ có ba phút để lấy lại bình tĩnh trước khi đợt rung chuyển thứ hai xuất hiện mạnh mẽ không kém đợt thứ nhất. Đợt rung chuyển thứ ba kéo dài suốt hai giờ đồng hồ. Cuối cùng, sáu mươi nghìn người chết và gần như mọi tòa nhà trải dài trong phạm vi nhiều dặm đều đổ nát. Cơn động đất tại San Francisco vào năm 1906 với cường độ 7,8 độ Richter đã kéo dài gần ba mươi giây đồng hồ.
Động đất là sự kiện xảy ra khá thường xuyên. Mỗi ngày bình quân trên thế giới có hai trận động đất có cường độ trên dưới 2,0 độ Richter – chỉ cần như thế cũng đủ khiến mọi người phải hoảng sợ. Dù động đất có xu hướng tập trung tại một số khu vực nào đó – đáng ghi nhận là khu vực vành đai lửa của Thái Bình Dương – chúng vẫn có thể xảy ra bất kỳ nơi nào. Tại Hoa Kỳ, chỉ Florida, đông Texas, và giữa vùng phía Tây có thể gần như hoàn toàn tránh được thảm họa động đất. Trong hai trăm năm qua, New England đã trải qua hai trận động đất với cường độ lớn hơn 6,0 độ Richter. Tháng Tư 2002, khu vực này trải qua cơn địa chấn 5,1 độ Richter gần hồ Champlain tại ranh giới New York và Vermont, gánh chịu nhiều thiệt hại nghiêm trọng.
Các loại địa chấn thường thấy nhất là loại xuất hiện khi hai tầng đá gặp nhau. Khi hai tầng đá gặp nhau, chúng tạo ra các cơn địa chấn dữ dội mãi đến khi một trong hai tầng nhường lối. Nhìn chung, khoảng thời gian va chạm càng kéo dài thì áp lực dồn nén càng mạnh và phạm vi chịu ảnh hưởng càng rộng. Điều này đặc biệt gây lo lắng cho Tokyo. Bill McGuire, một chuyên gia tại Đại học London, mô tả Tokyo là “thành phố chờ chết”. Tokyo nằm trên ranh giới của 3 tầng đá kiến tạo địa tầng tại một đất nước nổi tiếng với các trận động đất kinh hoàng. Năm 1995, như bạn có thể nhớ, thành phố Kobe, cách Tokyo ba trăm dặm hướng về phía Tây, bị một cơn dư chấn 7,2 độ Richter tấn công, 6.394 người thiệt mạng. Thiệt hại về vật chất lên đến 99 tỷ đô–la Mỹ. Nhưng sẽ chẳng là gì nếu đem so với những thiệt hại đang chờ đợi Tokyo.
Tokyo đã hứng chịu một trong những cơn địa chấn nặng nề nhất của thời hiện đại. Ngày 1 tháng Chín, 1923, ngay sau giữa trưa, thành phố này bị một cơn địa chấn được đặt tên là Great Kanto tấn công – mạnh hơn gấp mười lần so với cơn địa chấn xảy ra tại Kobe. Hai trăm nghìn người thiệt mạng. Từ đó trở đi, Tokyo bình yên đến mức kỳ lạ, thế nên có thể nói rằng sự căng thẳng đang hình thành bên dưới thành phố này suốt tám mươi năm qua. Cuối cùng nó cũng phải bùng nổ. Dân số của Tokyo vào năm 1923 vào khoảng ba triệu người. Hiện nay dân số của nó là xấp xỉ ba mươi triệu người. Không ai có thể đoán trước rằng bao nhiêu người sẽ phải thiệt mạng trong cơn địa chấn nhất định sẽ xảy ra, nhưng thiệt hại về kinh tế có thể lên đến 7 nghìn tỷ đô–la Mỹ.
Có một loại địa chấn khác có thể xảy ra bất kỳ nơi nào, loại này được gọi là địa chấn trong lòng các phiến đá kiến tạo địa tầng. Loại địa chấn này xảy ra cách xa gờ rìa của các phiến đá, điều này càng khiến chúng ta khó có thể dự đoán hơn. Và vì chúng xuất nguồn từ sâu bên trong các phiến đá, chúng có khả năng ảnh hưởng đến một khu vực rất lớn. Loại địa chấn này đã từng tấn công Hoa Kỳ liên tục ba lần tại New Madrid thuộc Missouri vào mùa Đông năm 1811–1812. Cơn địa chấn bắt đầu từ lúc giữa đêm 16 tháng Mười Hai khi người ta bị đánh thức bởi tiếng kêu hoảng loạn của các gia súc (sự hoảng loạn của các động vật trước khi các cơn địa chấn xuất hiện không phải là truyện thần thoại, dù rằng chúng ta không hiểu lắm về việc này) sau đó là tiếng đổ vỡ sâu trong lòng đất. Cư dân địa phương có thể nhận thấy mặt đất trồi sụt tạo ra các đợt sóng cao gần một mét và tạo ra các khe nứt sâu vài mét. Mùi lưu huỳnh nặng tràn ngập bầu khí quyển. Sự rung lắc kéo dài bốn phút gây thiệt hại nghiêm trọng về tài sản. Một trong số những người chứng kiến có họa sĩ John James Audubon khi ông tình cờ xuất hiện tại khu vực này. Cơn địa chấn phá đổ các ngôi nhà tại Cincinnati trong phạm vi bốn trăm dặm và, theo một bản ghi nhận nọ, làm đắm tàu bè tại các bến cảng bờ biển phía Đông và… thậm chí phá đổ giàn giáo quanh tòa nhà Washington, D.C”. Ngày 23 tháng Một và 4 tháng Hai lại xuất hiện thêm vài cơn địa chấn với cường độ lớn như thế. Từ đó trở đi New Madrid hoàn toàn yên lặng – nhưng không có gì phải ngạc nhiên, vì những sự kiện như thế chưa bao giờ xảy ra hai lần tại cùng một nơi. Theo chúng ta biết, chúng xuất hiện ngẫu nhiên giống như hiện tượng sét đánh vậy. Nơi sắp sửa chịu sự tấn công của loại địa chấn này có thể là Chicago hoặc Paris hoặc Kinshasa. Không ai có thể đoán biết trước. Và đâu là nguyên nhân tạo ra sự đổ gãy bên trong các phiến đá này? Một cái gì đó sâu thẳm trong lòng đất. Chúng ta không biết được điều đó.
Trước thập niên 1960, các nhà khoa học cảm thấy không hài lòng với những hiểu biết nhỏ nhoi của mình về lòng đất và họ quyết định phải làm một điều gì đó về việc này. Đặc biệt, họ dự định khoan một cái hố xuyên qua đáy biển (lớp vỏ trên bề mặt quá dày) để tìm hiểu về lòng đất. Họ cho rằng nếu họ có thể hiểu được bản chất của các loại đá trong lòng đất, họ có thể hiểu được những tương tác của chúng, từ đó họ có thể dự đoán được các cơn địa chấn và những sự kiện không mong đợi khác.
Dự án này được đặt tên là Mohole. Họ hy vọng đưa chiếc máy khoan xuống độ sâu 14.000 foot nước của Thái Bình Dương ngoài khơi Mexico và từ đó khoan sâu xuống thêm 17.000 foot. Mọi nỗ lực đều thất bại. Họ chỉ có thể khoan sâu xuống 600 foot. Năm 1966, vì tức giận với kinh phí gia tăng mà không đạt được kết quả nào, quốc hội Hoa Kỳ quyết định hủy bỏ dự án này.
Bốn năm sau, các nhà khoa học Liên Xô cũ quyết định thử vận may trên đất liền. Họ chọn một điểm tại bán đảo Kola của Nga, gần biên giới Finnish, và bắt tay vào việc với hy vọng khoan được một cái hố sâu mười lăm kilomet. Công việc diễn ra khó khăn hơn mong đợi, nhưng họ vẫn kiên trì bền bỉ. Khi họ bỏ cuộc, sau mười chín năm cố gắng, họ đã khoan được một chiếc hố có độ sâu 12.262 mét. Biết rằng lớp vỏ của trái đất chỉ chiếm 0,3 phần trăm khối lượng của trái đất và rằng chiếc hố Kola thậm chí còn chưa vượt qua được một phần ba độ dày của lớp vỏ trái đất, chúng ta biết rằng mình không thể chinh phục được lòng đất.
Thật thú vị, dù chiếc hố này có độ sâu khá khiêm tốn, gần như mọi điều về nó đều khiến chúng ta phải ngạc nhiên. Các nghiên cứu về sóng địa chấn đã giúp các nhà khoa học có thể xác định rằng họ đã tìm đến được loại đá trầm tích ở độ sâu 4.700 mét, sau khi tiếp cận với đá granit ở độ sâu 2.300 mét và bazan ở độ sâu lớn hơn 2.300 mét. Hơn nữa, nhiệt độ ở đó cao hơn nhiều so với những gì họ mong đợi, với nhiệt độ tại độ sâu 10.000 mét lên đến 180 độ C, gần gấp hai lần con số mong đợi. Đáng ngạc nhiên nhất là loại đá tại độ sâu này bão hòa với nước – đây là điều trước đó không ai nghĩ đến.
Vì chúng ta không quan sát được lòng đất, chúng ta phải vận dụng các kỹ thuật khác, các kỹ thuật này gần như luôn liên quan đến việc ghi nhận các hình thức biến tấu của sóng địa chấn khi chúng di chuyển qua lòng đất. Chúng ta cũng tìm hiểu được đôi chút về vỏ trái đất qua các ống kimbeclit, kim cương được hình thành tại các ống này. Những gì xảy ra tại độ sâu đó trong lòng đất là: một vụ nổ bắn mạnh nham thạch lên bề mặt trái đất với tốc độ siêu âm. Đó là một sự kiện ngẫu nhiên. Trong khi bạn đang đọc sách này, ống kimbeclit có thể phát nổ ngay tại sân sau nhà bạn. Vì xuất nguồn từ độ sâu như thế – khoảng 120 dặm – các ống kimbeclit tạo ra tất cả những vật chất mà chúng ta thường không tìm thấy trên bề mặt hoặc gần bề mặt trái đất: một loại đá được gọi là periđotit, các loại thủy tinh olivin, và – khá hiếm hoi, tại 1/100 ống kimbeclit – kim cương. Nhiều cacbon xuất hiện cùng với những gì được phóng ra từ các ống kimbeclit, nhưng hầu hết đều bốc hơi hoặc biến thành than chì. Rất hiếm khi nó được bắn ra với tốc độ hợp lý và nguội đủ nhanh để trở thành kim cương. Chính các ống kimbeclit là yếu tố biến Nam Phi thành quốc gia có mỏ kim cương lớn nhất thế giới, nhưng có thể có những mỏ kim cương khác lớn hơn thế mà cho đến nay chúng ta vẫn chưa khám phá được. Các nhà địa chất học biết rằng tại đâu đó quanh vùng đông bắc Indiana có bằng chứng cho thấy sự tồn tại của một mỏ kim cương khổng lồ. Các loại kim cương từ hai mươi cara trở lên được tìm thấy tại các khu vực rải rác quanh đây. Nhưng vẫn chưa ai thực sự tìm được nguồn tạo ra nó. Theo lời John McPhee, có thể nó bị chôn vùi đâu đó giống như chiếc hố Manson tại Iowa, hoặc bên dưới Ngũ đại hồ.
Thế thì chúng ta có thể biết gì về lòng đất? Rất ít. Các nhà khoa học thường đồng lòng rằng thế giới dưới chân chúng ta được cấu thành bởi bốn lớp – đá bên ngoài lớp vỏ, lớp vỏ nóng, đá sệt (loại đá dẻo bao quanh lõi trái đất), và đá cứng bên trong lõi trái đất [1]. Chúng ta biết rằng bề mặt trái đất chủ yếu gồm có silicat (hợp chất không tan của silic dioxit), chất này tương đối nhẹ và không đủ nặng để tạo ra khối lượng lớn của trái đất. Thế nên ắt hẳn phải có một chất liệu nào đó nặng hơn ẩn bên trong lòng đất. Chúng ta biết rằng để có thể phát ra từ trường thì lòng đất phải có một vành đai các chất kim loại ở trạng thái lỏng. Nhìn chung các nhà khoa học đều đồng ý với khái niệm này. Gần như mọi điều khác – các lớp này tương tác với nhau như thế nào, điều gì khiến chúng vận hành theo cách đó, chúng sẽ vận hành ra sao tại một thời điểm nào đó trong tương lai – lại là điều chúng ta khá mơ hồ hoặc rất mơ hồ.
Ngay cả những gì chúng ta có thể quan sát được (lớp vỏ trái đất) cũng là vấn đề khiến mọi người tranh cãi quyết liệt. Gần như mọi sách địa chất học đều nói rằng lớp vỏ trái đất dưới lòng đại dương dày ba đến sáu dặm, khoảng hai mươi lăm dặm trên đất liền, và từ bốn mươi đến sáu mươi dặm tại các dãy núi lớn, nhưng có nhiều biến đổi khác nhau so với sự khái quát này. Ví dụ, lớp vỏ trái đất tại dãy núi Sierra Nevada chỉ dày khoảng chín đến hai mươi lăm dặm, và không ai biết được tại sao lại thế. Theo các quy luật của địa vật lý thì Sierra Nevada nhất định phải bị sụt lún, giống như vùng cát lún. (Một số nhà khoa học nghĩ rằng khu vực này có thể sẽ sụt lún như thế).
Lớp vỏ của trái đất hình thành như thế nào và hình thành khi nào là vấn đề tạo ra sự phân chia các nhà địa chất học thành hai nhóm – một nhóm cho rằng điều đó xảy ra đột ngột tại giai đoạn đầu hình thành trái đất và một nhóm cho rằng điều đó xảy ra chầm chậm sau đó khá lâu. Vào thập niên 1960 Richard Armstrong của Đại học Yale đề xuất học thuyết về sự xuất hiện đột ngột, và trải qua cả đời để đấu tranh với những ai phản đối ý tưởng này của mình, ông qua đời do chứng ung thư vào năm 1991.
Bề mặt trái đất và một phần của lớp vỏ ngoài được gọi là thạch quyển, lớp này lần lượt trượt trên lớp đá mềm hơn được gọi là suy quyển, nhưng những từ ngữ này chưa bao giờ giúp người ta cảm thấy hoàn toàn thỏa đáng. Sự chuyển động này không chỉ diễn ra theo hướng trượt ngang mà còn chuyển động theo hướng lên xuống, khi các phiến đá nâng lên và hạ xuống qua quá trình nổi sóng được gọi là sự đối lưu. Sự đối lưu là quá trình được khám phá lần đầu bởi nhà khoa học lập dị Count von Rumford vào cuối thế kỷ mười tám. Sáu năm sau một người Anh tên là Osmond Fisher tự tin tiên đoán rằng lòng đất có thể có đủ chất lỏng để các vật chất trong đó có thể chuyển động, nhưng phải mất một thời gian dài ý tưởng này mới nhận được sự ủng hộ.
Vào khoảng năm 1970, khi các nhà địa vật lý khám phá những hỗn độn diễn ra trong lòng đất, ý tưởng của ông trở thành trung tâm của sự chú ý.
Quá trình đối lưu này diễn ra ở độ sâu bao nhiêu đã trở thành vấn đề gây tranh cãi kể từ đó. Một số người cho rằng nó diễn ra ở độ sâu bốn trăm dặm, một số khác lại cho rằng hai nghìn dặm. Theo Donald Trefil thì vấn đề ở đây là, “Chúng ta có hai bộ dữ liệu, từ hai kỹ thuật khác nhau, và hai kỹ thuật này không tương thích với nhau”. Các nhà địa hóa học cho rằng một số nguyên tố trên bề mặt trái đất không thể xuất nguồn từ lớp vỏ ngoài này, và rằng ắt hẳn chúng đã xuất nguồn từ sâu bên trong lòng đất. Thế nên ít nhất thì các vật chất ở lớp vỏ trên và lớp vỏ dưới cũng có lúc bị hòa trộn. Các nhà nghiên cứu địa chấn khẳng định rằng chẳng có bằng chứng nào ủng hộ một luận điểm như thế.
Thế nên chúng ta chỉ có thể nói rằng tại một điểm nào đó khi chúng ta hướng về tâm trái đất, chúng ta sẽ rời bỏ suy quyển và lao thẳng vào lớp vỏ trái đất. Dù chiếm 82 phần trăm khối lượng trái đất và 65 phần trăm trọng lượng trái đất, lớp vỏ này không thu hút nhiều sự chú ý của các nhà khoa học, vì những gì tạo sự hứng thú nơi họ là những gì thường xảy ra hoặc sâu bên trong lòng đất (chẳng hạn từ trường) hoặc gần bề mặt trái đất hơn (chẳng hạn các cơn địa chấn). Chúng ta biết rằng tại độ sâu khoảng một trăm dặm thì lớp vỏ trái đất phần lớn chứa một loại đá được gọi là periđotit, nhưng chúng ta chẳng biết thứ gì xuất hiện ở độ sâu hơn thế. Theo tờ Nature, dường như đó không phải periđotit. Chúng ta không thể biết nhiều hơn thế.
Bên dưới lớp vỏ trái đất là hai lõi – một lõi rắn bên trong và một lõi mềm bên ngoài. Dĩ nhiên, những hiểu biết của chúng ta về bản chất của hai lõi này chỉ mang tính gián tiếp, nhưng các nhà khoa học có thể đưa ra các nhận định khá hợp lý. Họ biết rằng áp suất tại tâm trái đất đủ lớn – hơn ba triệu lần so với áp suất trên bề mặt – để biến mọi loại đá trở thành thể rắn. Họ cũng biết được từ lịch sử trái đất (và từ nhiều nguồn khác) rằng lõi trong của trái đất có khả năng giữ nhiệt rất tốt. Người ta cho rằng trong bốn tỷ năm qua nhiệt độ tại lõi trái đất chỉ giảm xuống không quá 200 độ F. Không ai biết chính xác nhiệt độ tại tâm trái đất, nhưng họ dự đoán rằng nó dao động từ 7.000 độ F đến 13.000 độ F – nóng bằng bề mặt của mặt trời.
Chúng ta hiểu biết rất ít về lõi ngoài, dù mọi người đều đồng ý rằng nó ở dạng sệt lỏng và nó là trung tâm tạo ra từ trường. Giả thuyết này do E. C. Bullard của Đại học Cambridge vào năm 1949 phát biểu rằng lõi ngoài của trái đất xoay tròn và biến nó thành một động cơ điện, tạo ra từ trường của trái đất. Chúng ta không biết chính xác điều gì đang xảy ra, nhưng chúng ta có thể nói rằng từ trường có liên quan mật thiết đến quá trình chuyển động xoay tròn của lõi trái đất với chất sệt lỏng của nó. Các vật thể không có lõi sệt lỏng – chẳng hạn mặt trăng và sao Hỏa – không có từ trường.
Chúng ta biết rằng từ trường của trái đất liên tục thay đổi cường độ: suốt thời kỳ khủng long còn tồn tại, từ trường có cường độ lớn gấp ba lần so với ngày nay. Chúng ta cũng biết rằng nó tự nghịch đảo sau bình quân mỗi 500.000 năm. Quá trình nghịch đảo diễn ra gần đây nhất cách đây khoảng 750.000 năm. Đôi khi nó không thay đổi suốt hàng triệu năm – có lẽ 37 triệu năm là khoảng thời gian tồn tại dài nhất của nó – và đôi khi nó thay đổi chỉ sau 20.000 năm. Tổng cộng, suốt 100 triệu năm qua nó đã tự nghịch đảo khoảng hai trăm lần, và chúng ta không biết tại sao lại thế. Đây được xem là “vấn đề lớn nhất chưa được đáp lời trong địa chất học”.
Có thể ngày nay chúng ta đang trải qua quá trình nghịch đảo của nó. Từ trường của trái đất đã giảm khoảng 6 phần trăm chỉ trong một trăm năm qua. Bất kỳ sự suy giảm nào nơi từ trường cũng là một tin xấu, vì từ trường, ngoài việc giúp các vật dụng ở yên vị trí cần thiết và giúp la bàn của chúng ta chỉ đúng hướng, đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với sự tồn tại của chúng ta. Không gian đầy ắp các tia vũ trụ nguy hại, nếu không có sự bảo vệ của từ trường thì chúng sẽ xé toạc thể xác của chúng ta, nghiền DNA của chúng ta thành nhiều mảnh. Khi từ trường vận hành, các tia vũ trụ này bị xua tan khỏi bề mặt trái đất và bị đẩy đến hai khu vực trên không trung được gọi là các vành đai Van Allen. Chúng cũng tương tác với các vật chất tại bầu khí quyển tầng trên để tạo ra một màng lưới được gọi là cực quang.
Một phần lớn trong sự ngu muội của chúng ta là, chúng ta có rất ít sự phối hợp giữa những gì đang xảy ra trên mặt đất và những gì đang xảy ra trong lòng đất. Theo Shawna Vogel: “Các nhà địa chất học và các nhà địa vật lý hiếm khi nào cộng tác để giải quyết cùng một vấn đề”.
Có lẽ minh họa tốt nhất cho những hiểu biết thiếu sót của chúng ta về thế giới trong lòng đất chính là sự phun trào núi lửa tại đỉnh St. Helens tại Washington vào năm 1980.
Khi ấy bốn mươi tám bang bên dưới của Hoa Kỳ không chứng kiến bất kỳ sự phun trào núi lửa nào suốt sáu mươi lăm năm trước đó. Thế nên các nhà nghiên cứu núi lửa chỉ tập trung tìm hiểu về các núi lửa tại Hawaii thay vì lưu tâm đến đỉnh St. Helens.
Đỉnh St. Helens bắt đầu có dấu hiệu phun trào vào ngày 20 tháng Ba. Chỉ trong một tuần lễ sau nó bắt đầu thực sự phun macma, dù chỉ với một lượng nhỏ, một trăm lần trong một ngày, và liên tục rung chuyển với các cơn địa chấn. Mọi người được sơ tán đến nơi được cho là an toàn cách đó tám dặm. Khi đỉnh Helens bắt đầu có dấu hiệu phun trào, nó trở thành điểm thu hút khách du lịch trên thế giới. Các tờ báo cho rằng đó là nơi tốt nhất để thưởng ngoạn. Các phóng viên truyền hình không ngừng dùng trực thăng bay qua đỉnh núi, thậm chí còn có người tự mình leo lên đỉnh núi để quan sát. Chỉ trong một ngày, hơn bảy mươi trực thăng và khí cầu lượn quanh đỉnh núi. Nhưng nhiều ngày trôi qua và dường như mọi dấu hiệu đều không cho thấy sự nguy hiểm đến mức nghiêm trọng nào, mọi người bắt đầu trở nên sốt ruột, và quan điểm chung của họ là đỉnh St. Helens sẽ không phun trào.
Ngày 19 tháng Tư sườn phía Bắc của ngọn núi này phình to rõ rệt. Đáng ghi nhận là, không ai trong giới chức năng cho rằng đây là dấu hiệu của một thảm họa thiên nhiên. Các nhà nghiên cứu địa chấn kiên quyết đưa ra những kết luận dựa vào những hiểu biết của họ về các núi lửa ở Hawaii (các núi lửa ở Hawaii không phun trào từ sườn núi). Chỉ có một người tin rằng một điều rất tệ sẽ xảy ra, đó là Jack Hyde, một Giáo sư địa chất tại một trường Đại học ở Tacoma. Ông vạch ra rằng đỉnh Helens không có miệng phun giống như các núi lửa tại Hawaii, thế nên bất kỳ áp lực nào từ bên trong cũng có thể bùng nổ dữ dội. Tuy nhiên, Hyde không phải là một thành viên chính thức của hội đồng các quan chức chịu trách nhiệm về việc này và những ghi nhận của ông gần như chẳng thu hút bất kỳ sự chú ý nào.
Lúc 8:32 sáng Chủ Nhật, ngày 18 tháng Năm, sườn phía Bắc của ngọn núi lửa này sụp đổ, tạo ra một trận mưa bụi và đá lăn theo dốc núi với tốc độ 150 km/giờ. Đó là vụ lở đất lớn nhất trong lịch sử và mang theo đủ loại chất liệu để có thể chôn vùi toàn bộ Manhattan dưới độ sâu bốn trăm foot (120 mét). Một phút sau, nó bùng nổ với sức mạnh gấp năm trăm lần so với quả bom nguyên tử được ném xuống Hiroshima, phun ra một đám mây nóng kinh người di chuyển với vận tốc 650 dặm/giờ. Nhiều người tại khu vực được xem là an toàn đã bị tác hại. Năm mươi bảy người thiệt mạng. Hai mươi ba người mất tích. Nếu hôm ấy không phải là ngày Chủ Nhật thì thiệt hại có lẽ đã lớn hơn nhiều. Ngay cả những người sống cách đó mười tám dặm cũng phải thiệt mạng.
Người may mắn nhất hôm ấy là một sinh viên vừa tốt nghiệp tên là Harry Glicken. Anh giữ nhiệm vụ quan sát núi lửa tại một đài quan sát cách đó 5,7 dặm, nhưng vì anh có cuộc phỏng vấn vào ngày 18 tháng Năm tại California, thế nên anh ta đã rời khỏi khu vực này một ngày trước khi thảm họa xuất hiện. Thay vào đó là David Johnston. Johnston là người đầu tiên ghi nhận sự bùng nổ của núi lửa, chỉ một lát sau ông qua đời. Không ai tìm được thi thể của ông. Sự may mắn của Glicken chỉ là tạm thời. Mười một năm sau ông là một trong số mười một nhà khoa học và nhà báo bị mắc kẹt trong lớp tro, bụi, khí, và dung nham tại đỉnh Unzen ở Nhật Bản khi người ta lại hiểu sai về một núi lửa khác.
Các nhà địa chấn học có thể là, hoặc có thể không phải là, các nhà khoa học tỏ ra tệ hại nhất khi đưa ra những lời tiên đoán, nhưng rõ ràng họ là những người tệ hại nhất trong việc ý thức được những sai lạc nơi sự tiên đoán của mình. Hai năm sau thảm họa Unzen, một nhóm các nhà nghiên cứu núi lửa khác, dẫn đầu là Stanley Williams của Đại học Arizona, xuất hiện tại một núi lửa đang hoạt động được gọi là Galeras ở Colombia. Dù trong khoảng thời gian gần đó nhiều nhà khoa học đã thiệt mạng trong khi đang nghiên cứu núi lửa, chỉ hai trong số mười sáu thành viên của nhóm này đội nón an toàn hoặc mang thiết bị bảo vệ. Ngọn núi này đã phun trào, giết chết sáu trong số nhóm nhà khoa học này cùng với ba du khách theo chân họ, và gây thương tích nghiêm trọng cho nhiều người khác, kể cả Williams.
Trong cuốn Surviving Galeras, Williams nói rằng ông chỉ có thể “lắc đầu trong sự băn khoăn” khi sau đó ông được biết rằng trước đó các đồng nghiệp đã có nhận định rằng ông quá coi thường các dấu hiệu quan trọng và hành xử quá khinh suất. “Chỉ trích sau khi việc đã rồi là điều quá dễ dàng”, ông viết.
Quay trở lại Washington. Đỉnh St. Helens phá hủy cả một khu rừng với diện tích 230 dặm vuông. Lượng cây cối trong khu rừng này có thể dùng để xây dựng 150.000 ngôi nhà (một số bản báo cho rằng 300.000) đã bị thổi bay. Thiệt hại lên đến 2,7 tỷ đô–la Mỹ. Chỉ trong mười phút, một cột khói và tro bụi khổng lồ bay lên độ cao sáu mươi nghìn foot. Một máy bay dân dụng loại lớn cách đó ba mươi dặm thuật lại rằng họ đã bị các mảnh đá tấn công ào ạt.
Chín mươi phút sau vụ nổ, tro bụi bắt đầu rơi xuống Yakima thuộc Washington, đây là một cộng đồng gồm năm mươi nghìn người sống cách đó khoảng tám mươi dặm. Như bạn có thể hình dung, tro bụi đã biến ngày thành đêm và nhấn chìm mọi thứ. Hệ thống liên lạc, điện, nước, và giao thông trong thành phố hoàn toàn phải ngưng trệ.
Bạn có thể nhận thấy rằng, đây là sự phun trào núi lửa đã được cảnh báo trước hai tháng. Thế nhưng Yakima lại không có bộ phận nào chuyên nghiên cứu về núi lửa. Suốt ba ngày, Yakima bị tê liệt và cách ly khỏi thế giới, hệ thống sân bay đóng cửa, mọi con đường đều tắc nghẽn. Toàn thành phố này hứng chịu năm phần tám lượng tro bụi sau sự phun trào của đỉnh St. Helens.
____________
[1] Nếu bạn muốn tìm hiểu chi tiết hơn về lòng đất thì sau đây là các giá trị của các lớp cấu thành trái đất, ở đây chỉ là những con số bình quân: 0 đến 40 km là độ dày của bề mặt, 40 đến 400 km là độ dày của lớp vỏ trên, 400 đến 650 km là độ dày của phần giáp ranh giữa lớp vỏ trên và lớp vỏ dưới, 650 đến 2.700 km là độ dày của lớp vỏ dưới, 2.700 đến 2.890 km là độ dày của lớp “D”, 2.890 đến 5.150 km là độ dày của lõi ngoài, và 5.150 đến 6.378 là độ dày của lõi trong.