Vào mùa hè năm 1971, nhà địa chất trẻ Mike Voorhies đang đi thăm dò trên một khu vực đồng cỏ rậm rạp ở phía đông Nebraska, không xa thị trấn nhỏ Orchard nơi ông lớn lên. Khi đi qua một đoạn dốc đứng, ông thấy một ánh sáng lóe lên từ bụi cây bên trên nên đã tò mò leo lên xem thử. Thứ ông tìm thấy là hộp sọ được bảo quản một cách hoàn hảo của một con tê giác non, đã được những cơn mưa nặng hạt đưa tới đây.

Không ngờ, cách đó một vài thước là khu vực hóa thạch dị thường nhất từng được phát hiện ở Bắc Mỹ: một hồ nước cạn đã trở thành ngôi mộ tập thể cho vô số các loài động vật – tê giác, ngựa vằn, lạc đà, rùa, vv… Tất cả đều đã chết sau một thảm họa bí ẩn vào khoảng 12 triệu năm trước, thuộc kỷ địa chất Miocen. Thời kỳ này, Nebraska nằm trên một đồng bằng rộng lớn và nóng như Serengeti của châu Phi ngày nay. Người ta tìm thấy các loài động vật bị vùi dưới lớp tro núi lửa sâu tới 3m. Vấn đề là không có và chưa từng có bất cứ ngọn núi lửa nào ở Nebraska.

Ngày nay, địa điểm đó được gọi là Công viên hóa thạch Ashfall. Nó có một trung tâm dành cho khách viếng thăm và bảo tàng mới, nơi trưng bày các hiện vật địa chất của Nebraska và lịch sử của khu vực hóa thạch. Trung tâm này bao gồm một phòng thí nghiệm với tường kính qua đó du khách có thể quan sát các nhà cổ sinh vật học vệ sinh xương. Khi qua đây vào một buổi sáng, tôi thấy người đang làm việc một mình trong phòng thí nghiệm này là một nhà khoa học có vẻ ngoài tươi vui, mặc chiếc áo chuyên dụng màu xanh. Tôi nhận ra đó là Mike Voorhies nhờ bộ phim tài liệu Horizon [tạm dịch: Chân trời] trên kênh BBC mà ông tham gia. Công viên Hóa thạch Ashfall không có nhiều khách – vì nó ở một nơi rất trống trải – và Voorhies tỏ ra hào hứng khi đưa tôi đi một vòng. Ông đưa tôi đến đỉnh của khe núi cao 6m nơi ông đã có phát hiện quan trọng của đời mình.

“Đây là một nơi tồi để tìm kiếm xương,” ông nói một cách vui vẻ. “Nhưng khi đó, tôi không định đi tìm xương, mà định vẽ bản đồ địa chất của vùng đông Nebraska, và thật sự chỉ đang nhìn ngó xung quanh. Nếu tôi không leo lên khe núi này hoặc những cơn mưa không đưa chiếc xương sọ tới đây, tôi hẳn đã đi tiếp và nơi này sẽ không bao giờ được phát hiện.” Ông chỉ tay về một khu vực có mái che gần đó, cũng là di chỉ khai quật chính. Tại đây, khoảng hơn hai trăm con vật nằm chồng chất lên nhau như một mớ bòng bong đã được phát hiện.

Tôi hỏi ông, xét về khía cạnh nào, nơi đây lại không thích hợp để tìm kiếm xương. “Ồ, nếu muốn tìm xương, anh cần tìm các tảng đá lộ thiên. Đây là lý do đa số nghiên cứu cổ sinh vật học được thực hiện tại các vùng khô nóng. Không phải vì ở đó có nhiều xương hơn mà vì ở đó khả năng tìm thấy chúng sẽ cao hơn,” – ông khoát tay ngang qua chiều rộng của vùng thảo nguyên – “ở một nơi như thế này, anh sẽ không biết phải bắt đầu từ đâu. Có thể có một kho báu khổng lồ ngoài kia, nhưng không có dấu hiệu nào trên mặt đất cho anh biết anh phải bắt đầu tìm kiếm từ đâu.”

Ban đầu, họ nghĩ các con vật bị chôn sống và Voorhies đã nhấn mạnh điều này trong một bài viết trên tạp chí National Geographic số ra năm 1981. “Bài báo đã gọi di chỉ này là “Pompeii của các động vật thời tiền sử”, ông kể lại với tôi, “song thật không may vì ngay sau đó, chúng tôi nhận thấy các con vật không hề chết bất thình lình. Chúng đều mắc chứng loạn dưỡng xương do phì đại phổi, nguyên nhân là hít phải quá nhiều tro sắc cạnh – hẳn là phải rất nhiều vì lớp tro dày hàng mét trải rộng suốt hàng trăm dặm.” Ông nhặt một mẩu màu xám, trông giống như đất sét, và bỏ vào tay tôi. Nó có dạng bột và hơi góc cạnh. “Hít phải thứ này thì thật ghê sợ,” ông nói tiếp “trông nó thì không hề gì nhưng lại khá sắc. Vì thế chúng đã đến hồ nước này để mong thoát khỏi cơn đau, nhưng đã chết một cách khổ sở. Tro bụi có lẽ đã hủy hoại mọi thứ. Nó có thể đã vùi lấp hết cỏ và phủ kín từng chiếc lá cây, biến nguồn nước thành một đống bùn xám không còn uống được. Điều này hoàn toàn không dễ chấp nhận chút nào.”

Bộ phim tài liệu Horizon đã chỉ ra rằng sự tồn tại của quá nhiều tro ở Nebraska thật đáng ngạc nhiên. Nguồn tro khổng lồ của Nebraska đã được biết đến từ lâu. Trong suốt gần một thế kỷ người ta đã khai thác nó để làm ra các loại bột lau rửa gia dụng như Comet và Ajax. Điều đáng ngạc nhiên là không ai từng thắc mắc tất cả số tro này từ đâu ra.

“Tôi hơi xấu hổ phải kể với anh,” Voorhies nói và mỉm cười, “lần đầu tiên tôi nghĩ về nó là khi một biên tập viên của National Geographic hỏi tôi về nguồn gốc của tro tại đây, và tôi phải thú nhận là mình không biết. Và cũng không ai biết.” Voorhies gửi mẫu tro tới các đồng nghiệp trên khắp miền Tây nước Mỹ để xem liệu họ có phát hiện bất cứ điều gì hay không. Vài tháng sau, một nhà địa chất có tên Bill Bonnichsen đến từ Hội Nghiên cứu Địa chất Idaho đã liên lạc và cho biết mẫu tro đó phù hợp với nham thạch núi lửa tại Bruneau-Jarbidge, ở phía tây nam Idaho. Sự kiện đã giết chết hàng loạt các loài động vật đồng bằng ở Nebraska là một vụ núi lửa phun trào trên một quy mô chưa từng tưởng tượng được trước đây – nhưng đủ lớn để phủ lớp tro dày 3m lên một khu vực rộng 1.600km về phía đông Nebraska. Như vậy, dưới miền tây nước Mỹ là một vạc mắc-ma lớn, một miệng núi lửa khổng lồ, có khả năng gây ra thảm họa khoảng 600.000 năm một lần. Lần phun trào cuối cùng là khoảng hơn 600.000 năm trước. Điểm nóng này giờ vẫn còn. Ngày nay, nó được gọi là Công viên Quốc gia Yellowstone.

Chúng ta biết vô cùng ít về những gì diễn ra dưới chân mình. Cần nhớ rằng hãng Ford đã chế tạo xe hơi và các ủy ban Nobel đã trao giải từ trước khi chúng ta biết Trái Đất có lõi. Và tất nhiên ý tưởng về việc các châu lục trôi trên bề mặt Trái Đất như những khóm hoa súng chỉ mới trở thành tri thức chung trong chưa đầy một thế hệ. “Thật kì lạ,” Richard Feynman viết, “chúng ta biết về sự phân bố vật chất trong Mặt Trời hơn cả trong Trái Đất.”

Khoảng cách từ bề mặt Trái Đất tới tâm của nó là 6.370km, nghĩa là không quá xa. Người ta đã tính toán rằng nếu đào một chiếc giếng tới tâm Trái Đất và thả một viên gạch xuống, sẽ chỉ mất 45 phút để viên gạch này chạm đáy (dù khi đó, nó sẽ không có trọng lượng vì tất cả trọng lực của Trái Đất đều ở bề mặt và xung quanh chứ không phải trong nó). Thực tế chúng ta cũng ít nỗ lực xuyên tới vùng lõi này. Một hoặc hai mỏ vàng ở Nam Phi đạt tới độ sâu hơn 3km, nhưng hầu hết các hầm mỏ trên Trái Đất đều không sâu quá 400m tính từ bề mặt. Nếu xem hành tinh này là một trái táo, chúng ta thậm chí còn chưa xuyên qua lớp vỏ.

Cho tới gần một thế kỷ trước, những gì các nhà khoa học biết được về phần sâu trong Trái Đất không nhiều hơn kiến thức của một người thợ mỏ là bao – chẳng hạn, bạn có thể đào qua lớp đất đến một độ sâu nào đó, và sau đó bạn sẽ chạm vào lớp đá, tất cả chỉ có vậy. Vào năm 1906, nhà địa chất người Ireland, R. D. Oldham, trong lúc nghiên cứu các số đo địa chấn từ một vụ động đất ở Guatemala đã nhận thấy có một số loại sóng xung kích đã đi xuyên tới một điểm nằm sâu trong Trái Đất rồi phản lại theo một góc, như thể chúng gặp phải một chướng ngại vật nào đó. Từ đây, ông suy ra Trái Đất có tâm. Ba năm sau, khi nhà địa chấn học người Croatia, Andrija Mohorovičić, đang nghiên cứu các biểu đồ từ trận động đất ở Zagreb, ông cũng thấy sự đi chệch hướng tương tự, nhưng ở mức nông hơn. Ông đã phát hiện ra ranh giới giữa lớp vỏ, lớp liền kề và lớp phủ. Từ đó nó được gọi là sự gián đoạn Mohorovičić, hay gọi tắt là Moho.

Chúng ta bắt đầu có ý tưởng về các lớp trong Trái Đất – dù thật sự chỉ là những ý tưởng mơ hồ. Phải đến tận năm 1936, khi nhà khoa học người Đan Mạch, Inge Lehmann, nghiên cứu các biểu đồ địa chấn của các trận động đất ở New Zealand, ông mới nhận ra rằng có hai lõi – lõi trong, được cho là ở thể rắn, và lõi ngoài (do Oldham phát hiện), được cho là ở dạng lỏng, và là nơi sinh ra từ trường.

Cùng thời điểm mà Lehmann làm thay đổi nhận thức cơ bản của chúng ta về phần lõi Trái Đất qua nghiên cứu sóng địa chấn của các vụ động đất, có hai nhà địa chất học tại California cũng đang tìm cách so sánh các trận động đất với nhau. Họ là Charles Richter và Beno Gutenberg, dù vì nhiều lý do không liên quan tới sự công bằng, thang đo được biết đến gần như lập tức với tên của riêng Richter. (Chuyện này không liên quan gì tới Richter. Là một nhà khoa học khiêm tốn, ông không bao giờ dùng tên mình để gọi thang đo này, mà luôn gọi nó là Thang Cường độ.)

Thang đo Richter thường bị hiểu sai bởi những người không thuộc giới khoa học, cho dù có lẽ ngày nay, điều này đã được cải thiện so với những ngày đầu tiên khi mà những ai ghé thăm phòng làm việc của ông đều muốn xem công cụ thiên tài của ông, vì cho rằng đó là một loại máy móc. Thang đo này, đương nhiên, là một ý tưởng hơn là một vật dụng. Nó là phương thức giả định nhằm đo độ rung của Trái Đất dựa trên các thông số bề mặt. Thang đo này tăng theo cấp số nhân, theo đó một trận động đất 7,3 độ sẽ mạnh hơn 10 lần so với một trận động đất 6,3 độ và mạnh hơn 100 lần so với một trận động đất 5,3 độ.

Về mặt lý thuyết, sẽ không có giới hạn trên hay giới hạn dưới cho một trận động đất. Thang đo đơn giản chỉ là một phép đo cường độ, chứ không nói lên thiệt hại. Một trận động đất 7 độ xảy ra trong lớp phủ – nghĩa là ở độ sâu khoảng 650km – có thể không gây ra bất cứ thiệt hại nào trên bề mặt, trong khi một trận động đất có cường độ nhỏ hơn nhiều nếu xảy ra ở độ sâu 6 hoặc 7km so với mặt đất lại có thể có sức hủy diệt khủng khiếp. Hơn nữa, thiệt hại còn phụ thuộc vào bản chất của lớp đất bên dưới, thời gian xảy ra động đất, tần số, mức độ nghiêm trọng của dư chấn và kết cấu vật lý của khu vực bị ảnh hưởng. Tất cả những điều này hàm nghĩa những trận động đất kinh hoàng nhất không nhất định có cường độ mạnh nhất, cho dù cường độ rõ ràng đóng vai trò rất quan trọng.

Trận động đất mạnh nhất kể từ khi thang đo này ra đời (tùy thuộc vào nguồn mà bạn tham khảo) xảy ra tại Prince William Sound ở Alaska vào tháng Ba năm 1964, với cường độ 9,2 theo thang đo Richter; hoặc trận xảy ra trên Thái Bình Dương ngoài khơi Chilê vào năm 1960, ban đầu được ghi nhận có cường độ 8,6 nhưng sau đó theo điều chỉnh bởi một số cơ quan (trong đó có Hội nghiên cứu Địa chất Hoa Kỳ) là một con số cực lớn, 9,5 độ. Như bạn có thể thấy, việc đo các trận động đất không phải luôn chuẩn xác, nhất là khi nó đòi hỏi người đo phải giải mã các kết quả đo được từ các vị trí cách xa nhau. Dù trận động đất nào mạnh hơn thì chúng đều là những thảm họa. Trận động đất năm 1960 không chỉ gây thiệt hại cho khắp vùng duyên hải Nam Mỹ, mà còn kéo theo một cơn sóng thần, băng gần 10.000 kilômét qua Thái Bình Dương và phá hủy phần lớn khu trung tâm Hilo, Hawaii, khiến 500 tòa nhà sụp đổ và 60 người thiệt mạng. Những trận sóng dữ tương tự còn khiến số nạn nhân gia tăng ở những quốc gia xa xôi như Nhật Bản và Philippin.

Tuy nhiên, nếu chỉ nhìn vào mức độ tàn phá, có lẽ trận động đất kinh hoàng nhất được ghi lại trong lịch sử là trận động đất đã tấn công – và phá tan – thành phố Lisbon, Bồ Đào Nha, vào ngày Lễ Các Thánh (ngày 1 tháng Mười một), năm 1755. Ngay trước 10 giờ sáng, thành phố bị tấn công bởi một cơn chao đảo mà về sau được dự đoán có cường độ 9 độ richter và rung lắc dữ dội trong 7 phút. Khi tất cả mọi chấn động chấm dứt, những người sống sót chỉ có 3 phút yên bình trước khi hứng chịu một cơn chấn động thứ hai, khủng khiếp không kém cơn trước đó. Sau đó là cơn thứ ba và thứ tư. Chấn động dữ dội đến mức nước đã rút khỏi bến cảng của thành phố và trở lại dưới dạng con sóng cao 15m, góp phần gây thêm tổn thất. Sau cùng, 60.000 người đã thiệt mạng và hầu như tất cả nhà cửa suốt mấy dặm cách đó đều biến thành đống đổ nát. Trận động đất ở San Francisco năm 1906 có cường độ khoảng 7.8 độ richter và kéo dài trong khoảng 30 giây.

Động đất khá giống nhau. Mỗi ngày trung bình trên thế giới xảy ra hai cơn động đất mạnh 2 độ richter hoặc hơn – như vậy đã đủ khiến những người sống gần khu vực đó choáng váng. Dù có xu hướng tập trung ở một vài nơi nhất định – đặc biệt là quanh vành đai Thái Bình Dương – nhưng chúng có thể xảy ra ở gần như tất cả mọi nơi. Tại Mỹ, tính tới nay, chỉ Florida, miền đông Texas và vùng thượng Trung Tây là gần như miễn nhiễm. New England đã trải qua hai trận động đất mạnh 6 độ hoặc hơn trong vòng 200 năm qua. Vào tháng Tư năm 2002, vùng này đã trải qua một cơn rung lắc mạnh 5,1 độ, đây là hệ quả của một trận động đất gần Hồ Champlain nằm ở vùng giáp ranh giữa New York và Vermont, gây ra những thiệt hại nặng nề cho vùng lân cận mà tôi có thể làm chứng. Nó làm những bức tranh bung ra khỏi tường và hất văng lũ trẻ khỏi giường ở mãi tận New Hampshire.

Các dạng động đất thường gặp nhất xảy ra ở nơi hai mảng kiến tạo gặp nhau, giống như ở California dọc theo phay San Andreas. Khi các mảng va và ép vào nhau, áp lực sẽ gia tăng cho tới khi một trong hai mảng phải thoái lui. Nói chung, khoảng cách giữa các trận động đất càng dài, áp lực bị dồn nén càng lớn và vì thế quy mô của cơn địa chấn lại càng lớn. Đây là một điều đáng lo ngại cho Tokyo. Bill McGuire, một chuyên gia về thảm họa tại Đại học London đã gọi đây là “thành phố chờ chết”. Tokyo nằm trên điểm hội tụ của ba mảng kiến tạo và thuộc một quốc gia vốn đã nổi tiếng về sự bất ổn địa chất. Bạn hẳn còn nhớ vào năm 1995, thành phố Kobe, cách Tokyo khoảng 500km về phía tây, đã bị một trận động đất 7,2 độ richter tấn công, khiến 6.394 người chết. Thiệt hại ước tính lên đến 99 tỷ đô-la. Còn chưa là gì so với thảm họa đang chờ đợi Tokyo.

Tokyo đã phải gánh chịu một trong những trận động đất có sức tàn phá khủng khiếp nhất trong lịch sử hiện đại. Vào ngày 1 tháng Chín năm 1923, ngay giữa ban ngày, thành phố bị tấn công bởi trận động đất mang tên Great Kanto – với sức mạnh gấp 10 lần trận động đất xảy ra tại Kobe nói trên. Hai trăm nghìn người đã tử vong. Kể từ đó, Tokyo yên tĩnh kỳ lạ và nguy cơ dưới bề mặt của nó đã tích tụ hơn 80 năm. Năm 1923, dân số của Tokyo là khoảng ba triệu người. Ngày nay, con số này xấp xỉ 30 triệu. Không ai muốn tính xem số thương vong có thể lên đến bao nhiêu nhưng thiệt hại kinh tế được dự đoán sẽ rơi vào khoảng 7.000 tỷ đô-la.

Có một loại động đất đáng sợ hơn vì chúng ta hiểu rất ít về chúng, và chúng có thể xảy ra ở bất cứ nơi nào tại bất kỳ thời điểm nào, đó là những cơn địa chấn mang tên động đất nội mảng. Những trận động đất này xảy ra cách xa rìa các mảng kiến tạo, khiến chúng gần như không dự đoán được. Và vì chúng xuất phát từ một độ sâu lớn hơn, nên chúng có thể lan truyền trên một khu vực rộng hơn. Những trận động đất nổi tiếng nhất thuộc loại này đã từng tấn công nước Mỹ là chuỗi ba trận động đất xảy ra tại New Madrid, bang Missouri, vào mùa đông năm 1811-1812. Câu chuyện bắt đầu vào nửa đêm ngày 16 tháng Mười hai khi mọi người bị đánh thức bởi tiếng kêu hoảng hốt của các loài gia súc (sự nhạy cảm của động vật trước các trận động đất là một sự thật đã được khẳng định dù không ai hiểu cặn kẽ nguyên do) và sau đó là âm thanh đứt gãy khủng khiếp từ sâu trong lòng đất. Người dân địa phương có thể nhìn thấy đất đai như nổi sóng, trồi lên tới 1m và xuất hiện những vết nứt sâu vài mét. Mùi lưu huỳnh nồng nặc trong không khí. Cơn rung lắc kéo dài bốn phút với sức tàn phá tài sản như thường lệ. Trong số các nhân chứng có họa sĩ John James Audubon, ông tình cờ có mặt tại đây. Trận động đất lan rộng với một năng lượng mạnh đến mức làm gãy đổ các ống khói ở Cincinnati cách đó 600km và theo ít nhất một bản tường thuật, nó “phá hủy tàu bè ở các bến cảng phía bờ Đông, thậm chí làm sập giàn giáo được dựng lên quanh Tòa nhà Capitol ở Thủ đô Washington, DC.” Vào ngày 23 tháng Một và ngày 4 tháng Hai, hai trận động đất với cường độ tương tự nối tiếp nhau xảy ra. New Madrid đã được hưởng sự yên bình kể từ đó – điều này không có gì đáng ngạc nhiên vì loại động đất này chưa từng xảy ra lần thứ hai ở cùng một nơi. Theo những gì chúng ta biết, chúng ngẫu nhiên như những tia chớp. Lần xảy ra tiếp theo có thể là ở Chicago, Paris hay Kinshasa. Không ai có thể dự đoán được. Liệu điều gì đã gây ra sự đứt gãy nội mảng? Hẳn phải do thứ gì đó sâu thẳm trong lòng Trái Đất. Chúng ta không biết được điều gì hơn thế.

Vào những năm 1960, các nhà khoa học đã đủ thất vọng trước nhận thức hạn chế của mình về phần lõi của Trái Đất, vì thế họ quyết định phải làm gì đó để cải thiện tình hình. Cụ thể, họ nảy ra ý định sẽ khoan qua đáy đại dương (vì phần vỏ của các lục địa quá dày) tới phần gián đoạn Moho và lấy ra một mẩu lớp vỏ của Trái Đất để nghiên cứu. Họ cho rằng nếu có thể hiểu bản chất của các lớp đá bên trong Trái Đất, thì có thể hiểu chúng tương tác với nhau như thế nào, và do đó, có thể dự đoán những trận động đất và những sự cố không mong muốn khác.

Dự án được gọi tên là Hố Moho [Mohole], và đây là một thảm họa lớn. Hy vọng ban đầu của họ là hạ một mũi khoan xuyên qua 4.000m nước Thái Bình Dương ngoài khơi Mexico và khoan sâu khoảng 5.000m qua lớp đá tương đối mỏng. Việc khoan từ một con tàu ngoài đại dương, theo lời một nhà hải dương học, “không khác gì việc cố gắng dùng một sợi mỳ spaghetti để khoan một lỗ trên vỉa hè New York từ nóc tòa nhà Empire State.” Mọi nỗ lực đều thất bại. Độ sâu lớn nhất mà họ có thể đạt được chỉ vào khoảng 180m. Dự án Mohole trở thành No Hole [nghĩa là không có cái hố nào]. Vào năm 1966, không hài lòng trước chi phí ngày một gia tăng trong khi không đem lại kết quả gì, Quốc hội đã chấm dứt dự án này.

Bốn năm sau, các nhà khoa học Liên Xô đã quyết định thử vận may trên đất liền. Họ chọn một vị trí trên bán đảo Kola của Nga, vùng giáp với biên giới Phần Lan và hy vọng có thể khoan tới độ sâu 15km. Công việc khó hơn dự đoán rất nhiều, và các nhà khoa học Liên Xô thật sự đáng được ca ngợi vì lòng kiên trì. Khi bỏ cuộc sau 19 năm, họ đã khoan tới độ sâu 12.262m. Hãy nhớ rằng lớp vỏ Trái Đất chỉ chiếm 0,3% khối lượng của cả hành tinh, và hố Kola thậm chí còn chưa cắt qua một phần ba lớp vỏ, chúng ta không thể nói rằng đã chinh phục được lòng đất.

Mặc dù miệng hố thật khiêm tốn, nhưng gần như bất cứ thứ gì mà nó hé lộ đều khiến các nhà nghiên cứu phải kinh ngạc. Các nghiên cứu sóng địa chấn cho phép các nhà khoa học dự đoán khá tự tin rằng lớp đá trầm tích có độ sâu khoảng 4.700m, tiếp theo là khoảng 2.300m đá granite, từ đó trở xuống là đá bazan. Thực tế, lớp trầm tích dày gấp rưỡi so với dự đoán, và lớp bazan không hề được tìm thấy. Chưa kể, thế giới dưới lòng đất “ấm áp” hơn tưởng tượng của bất cứ ai. Nhiệt độ lên tới 180oC ở độ sâu 10.000m, cao gấp gần hai lần so với mức dự đoán. Điều gây ngạc nhiên nhất là ở độ sâu đó đá bị thấm đẫm trong nước – điều chưa ai từng nghĩ tới.

Vì không thể nhìn sâu bên trong Trái Đất, nên chúng ta cần có những phương pháp khác, trong đó chủ yếu là đọc các dữ liệu sóng khi chúng đi sâu vào bên trong và giải mã xem đó là gì. Chúng ta đã biết đôi chút về lớp phủ nhờ các ống kimberlite1, nơi kim cương được hình thành. Những gì xảy ra là ở sâu trong lòng đất có một vụ nổ khiến một quả cầu lửa magma được bắn lên bề mặt với tốc độ siêu âm. Đây hoàn toàn là một hiện tượng ngẫu nhiên. Một ống kimberlite có thể phát nổ ở sau vườn nhà bạn khi bạn đang đọc tới dòng này. Vì chúng đến từ độ sâu lên tới 200km, nên các ống kimberlite mang theo những thứ thường không thể tìm thấy trên bề mặt: một loại đá có tên là pêriđôtit, tinh thể olivin – và đôi khi, với xác suất xấp xỉ 1% – cả kim cương nữa. Rất nhiều cácbon đã được đẩy lên từ các ống kimberlite, nhưng hầu hết chúng đều bốc hơi và trở thành đá graphit. Chỉ đôi khi một lượng cácbon được bắn lên với tốc độ vừa phải và nguội đi đủ nhanh để trở thành kim cương. Chính một ống như vậy đã biến Nam Phi trở thành quốc gia có mỏ khai thác kim cương hiệu quả nhất trên thế giới, nhưng có thể còn có những mỏ lớn hơn ở những nơi khác mà chúng ta không biết. Các nhà địa chất đã biết đâu đó tại vùng phụ cận phía đông bắc bang Indiana có dấu hiệu về một hay một nhóm các ống khổng lồ. Người ta tìm thấy những viên kim cương với kích thước lên tới 20 carat hoặc hơn rải rác tại nhiều chỗ trên các vùng này. Song, chưa ai tìm thấy một mỏ thật sự. John McPhee nhận định, nó có thể bị vùi dưới đất lạnh, giống như miệng Manson ở Iowa, hoặc bên dưới Ngũ Đại Hồ.

1. Kimberlite là một kiểu đá núi lửa kali nổi tiếng do nó đôi khi có chứa kim cương. Tên loại đá này được đặt theo tên thị trấn Kimberley ở Nam Phi, đây là nơi phát hiện ra viên kim cương có kích thước 83,5 carat năm 1871. Kimberlit có mặt trong vỏ Trái Đất trong các cấu tạo thẳng đứng tạo thành ống kimberlite. (ND)

Vậy thì chúng ta biết được bao nhiêu về các lớp trong Trái Đất? Rất ít. Các nhà khoa học về cơ bản cho rằng thế giới dưới chân chúng ta được cấu tạo từ bốn lớp – một lớp vỏ đá, một lớp phủ bằng đá nóng chảy, một lõi ngoài thể lỏng và một lõi trong thể rắn.1 Chúng ta biết rằng bề mặt Trái Đất chủ yếu là silicat, vốn tương đối nhẹ và do đó không đủ nặng để giải thích cho tỷ trọng tổng thể của cả hành tinh. Vì thế, hẳn phải có những thứ nặng hơn ở trong. Chúng ta biết rằng để có từ trường, đâu đó trong Trái Đất phải có một vành đai tập trung các nguyên tố kim loại ở thể lỏng. Đó là những nhận thức đã được chấp nhận trên toàn cầu. Hầu như những gì xa hơn thế – cách các lớp tương tác với nhau, điều gì đã quy định tính chất của chúng, điều gì sẽ xảy ra tại bất kỳ thời điểm nào trong tương lai – đều ít nhiều không chắc chắn và nhìn chung là rất không chắc chắn.

1. Với những ai muốn có một bức tranh chi tiết hơn về lòng đất, thì đây là kích thước của các lớp khác nhau: Từ 0 đến 40km là lớp vỏ. Từ 40 tới 400km là lớp phủ trên. Từ 400 đến 650km là khu vực trung chuyển giữa lớp phủ trên và lớp phủ dưới. Từ 650 tới 2.700km là lớp phủ dưới. Từ 2.700 tới 2.890km là lớp D. Từ 2.890 tới 5.150km là lõi ngoài, và từ 5.150 tới 6.370km là lõi trong.

Ngay cả phần mà chúng ta có thể nhìn thấy, vỏ Trái Đất, cũng vẫn là một chủ đề gây tranh cãi gay gắt. Gần như mọi tài liệu về địa chất đều nói rằng lớp vỏ dày từ 5 đến 10km dưới đáy đại dương, khoảng 40km dưới đất liền và từ 65 đến 95km dưới các dãy núi lớn, nhưng khoảng biến thiên giữa các con số khái quát này rất rộng. Chẳng hạn, phần vỏ Trái Đất dưới dãy Sierra Nevada, chỉ dày khoảng 30-40km và không ai biết tại sao. Theo các quy luật về địa chất, dãy Sierra Nevada lẽ ra đang phải chìm xuống, như bị đặt trên cát lún.

Bằng cách nào và từ khi nào Trái Đất hình thành nên lớp vỏ của mình là những câu hỏi đã chia giới địa chất thành hai trường phái chính – những người cho rằng nó xảy ra nhanh chóng, ngay từ thuở bình minh của lịch sử Trái Đất, và những người cho rằng nó xảy ra từng bước và khá muộn màng. Về vấn đề này, người ta thường bị cảm xúc chi phối rất mạnh. Richard Armstrong, Đại học Yale, đã đề xướng một học thuyết vào những năm 1960, sau đó dành cả cuộc đời để tranh cãi với những người bất đồng chính kiến. Ông qua đời vì ung thư vào năm 1991, và theo một bài báo trên tạp chí Earth số ra năm 1998, không lâu trước khi mất, ông vẫn “buông những lời chỉ trích trong cuộc bút chiến trên một tạp chí về khoa học Trái Đất của Australia, cáo buộc những những người đó duy trì những điều hoang đường.” “Ông ấy đến chết vẫn là một người cay nghiệt,” một đồng nghiệp của ông thuật lại.

Phần vỏ và lớp phủ ngoài cùng tạo thành thạch quyển (lithosphere, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, lithos, có nghĩa là đá), chúng nổi trên một lớp đá mềm hơn gọi là quyển astheno (asthenosphere, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, nghĩa là không có sức mạnh), nhưng các thuật ngữ này không bao giờ diễn tả đầy đủ và chính xác. Nói thạch quyển nổi trên quyển astheno là hàm ý một độ trôi dạt tương đối nhưng điều này không thật sự chính xác. Tương tự, sẽ rất sai lầm nếu hình dung sự trôi dạt của các lớp đá giống như sự chảy của các loại vật chất trên bề mặt Trái Đất. Sự vận động này không khác gì với sự vận động trong các tấm kính. Có vẻ không thật trực quan song tất cả kính trên Trái Đất đều chảy xuống phía dưới do sự lôi kéo không ngừng của trọng lực. Tháo một tấm kính thật cổ từ cửa sổ của một nhà thờ châu Âu, ta sẽ thấy chắc chắn rằng phần đáy của nó dày hơn phần đỉnh.1 Đó là sự “chảy” mà chúng ta đang đề cập tới. Kim giờ trên đồng hồ có vận tốc gấp khoảng 10.000 lần so với tốc độ “chảy” của các lớp đá ở phần phủ.

1. Hoặc là nó thường được viết như vậy. Tuy nhiên, vào mùa hè năm 2003 khi cuốn sách này ra đời, Science News đã công bố một nghiên cứu của Giáo sư E. D. Zanotto (Brazil) cho rằng dù tấm kính có cổ đến thế nào, sự chảy của nó thật sự quá chậm để có thể nhận thấy được bằng mắt thường.

Những chuyển động này không chỉ mang tính một chiều giống như các mảng của Trái Đất vận động quanh bề mặt, mà còn cả lên và xuống nữa bởi các lớp đá nâng lên và hạ xuống trong một quá trình đảo lộn được gọi là sự đối lưu. Đối lưu với tư cách một quá trình lần đầu tiên được trình bày bởi Bá tước Rumford vào cuối thế kỷ XVIII. Sáu mươi năm sau, một tu sĩ người Anh, Osmond Fisher, đã tiên tri rằng phần trong của Trái Đất phải đủ mềm để vật chất chuyển động xung quanh, nhưng phải mất rất nhiều thời gian, ý tưởng này mới nhận được sự ủng hộ.

Vào khoảng năm 1970, khi các nhà địa chất nhận ra trong lòng đất mọi thứ diễn ra bất ổn thế nào, nó đã trở thành một cú sốc lớn. Như Shawna Vogel đã đề cập trong cuốn sách Naked Earth: The New Geophysics [tạm dịch: Trái Đất trần trụi: Địa vật lý mới]: “Nó giống như việc các nhà khoa học đã bỏ ra hàng thế kỷ nghiên cứu về các lớp khí quyển của Trái Đất – tầng đối lưu, tầng bình lưu, vv… – và sau đó tình cờ hiểu rõ về gió.”

Độ sâu của quá trình đối lưu đã trở thành đề tài tranh luận kể từ đó. Một số người cho rằng nó bắt đầu từ độ sâu 650km, những người khác thì đưa ra con số hơn 3.000km. Vấn đề là, như James Trefil đã nhận xét, “có hai bộ số liệu theo các trật tự khác nhau và không thể thống nhất.” Các nhà địa vật lý cho rằng các yếu tố nhất định trên bề mặt Trái Đất không thể được sinh ra từ lớp phủ trên mà phải xuất phát từ nơi sâu hơn. Do đó, vật chất của lớp phủ trên và dưới phải thỉnh thoảng được trộn lên. Các nhà địa chấn học thì khẳng định rằng giả thuyết này không dựa trên bằng chứng khách quan.

Vì thế, những gì ta có thể nói là tại một điểm không xác định khi ta hướng về tâm Trái Đất, ta sẽ rời khỏi quyển astheno và đi vào lớp phủ thuần túy. Chiếm tới 82% kích thước và 65% khối lượng của Trái Đất, lớp phủ không thu hút được nhiều sự chú ý, chủ yếu bởi những thứ làm các nhà khoa học và độc giả quan tâm nhìn chung thường xảy ra ở sâu hơn (chẳng hạn từ trường) hoặc nông hơn (chẳng hạn động đất). Chúng ta biết rằng cho tới độ sâu khoảng 150km, lớp phủ chủ yếu được cấu tạo bởi đá peridotit, nhưng cái gì lấp đầy 2.650km tiếp theo thì chưa ai biết. Theo một báo cáo trên tạp chí Nature, có lẽ đó không phải là peridotit, còn cụ thể là gì thì chúng ta chưa rõ.

Bên dưới lớp phủ là hai lõi, một lõi cứng phía trong và một lõi mềm bên ngoài. Không cần nói thêm, những gì chúng ta biết được về bản chất của các lõi này là không rõ ràng, nhưng các nhà khoa học có thể đưa ra một vài giả định hợp lý. Họ biết rằng áp suất trong tâm Trái Đất đủ lớn – gấp hơn ba triệu lần so với trên mặt đất – để biến bất cứ loại đá nào trở nên rắn chắc. Từ lịch sử Trái Đất (cùng các bằng chứng khác), người ta cũng biết rằng lõi trong có khả năng giữ nhiệt rất tốt. Mặc dù vẫn chỉ là một dự đoán, nhưng người ta cho rằng trong hơn bốn tỷ năm qua, nhiệt độ trong tâm Trái Đất chưa giảm đi quá 110oC. Không ai biết chính xác nhiệt độ ở tâm Trái Đất, có lẽ vào khoảng từ 4000oC - 7000oC, tương đương nhiệt độ tại bề mặt Mặt Trời.

Lõi ngoài thậm chí còn là bí ẩn lớn hơn xét về nhiều mặt, cho dù mọi người đều đồng ý rằng nó ở dạng lỏng và sinh ra từ trường. Lý thuyết được đề xuất bởi E. C. Bullard tại Đại học Cambridge vào năm 1949 là phần chất lỏng của tâm Trái Đất xoay theo cách khiến nó trở thành một động cơ điện, tạo ra từ trường Trái Đất. Giả thuyết là các chất lỏng đối lưu trong Trái Đất có vai trò tương đối giống với các dòng điện trong dây dẫn. Không ai biết chính xác điều gì đang diễn ra, nhưng khá chắc chắn là nó liên quan tới sự xoay của phần lõi và bản chất lỏng của nó. Các thiên thể không có lõi lỏng, chẳng hạn Mặt Trăng và sao Hỏa, đều không có từ trường.

Chúng ta biết rằng từ trường Trái Đất thay đổi cường độ theo thời gian: vào thời kỳ khủng long, nó mạnh hơn ngày nay gấp ba lần. Chúng ta cũng biết rằng nó đổi chiều sau trung bình cứ nửa triệu năm, dù con số trung bình này lại ẩn chứa mức độ khó dự đoán rất lớn. Lần đổi chiều cuối cùng là khoảng 750 nghìn năm trước. Đôi khi nó không đổi chiều trong suốt hàng triệu năm – 37 triệu năm có lẽ là khoảng thời gian dài nhất – và có những lần nó đổi chiều chỉ sau 20.000 năm. Trong 100 triệu năm qua, tổng cộng từ trường Trái Đất đã đổi chiều khoảng 200 lần mà chúng ta không thể lý giải. Đây là câu hỏi không lời đáp vĩ đại nhất trong khoa học địa chất.

Hiện nay, chúng ta có thể đang trải qua một đợt đảo chiều. Từ trường Trái Đất đã giảm khoảng 6% chỉ trong thế kỷ trước. Bất cứ sự suy giảm từ tính nào đều có thể là một tin xấu, bởi từ trường ngoài tác dụng giữ các tờ giấy nhớ không rơi khỏi tủ lạnh và khiến la bàn chỉ đúng hướng, thì còn đóng vai trò trọng yếu đối với sự sống của chúng ta. Vũ trụ chứa đầy những tia độc hại, và nếu thiếu sự bảo vệ của từ trường, chúng ta hẳn đã bị xé ra thành từng mảnh ADN vô dụng. Khi từ trường Trái Đất hoạt động tốt, các tia này sẽ bị đẩy ra xa bề mặt Trái Đất tới hai vùng gọi là các vành đai Van Allen. Chúng cũng tương tác với các hạt trong khí quyển để tạo thành thứ ánh sáng đẹp mê hồn gọi là cực quang.

Một phần lớn nguyên nhân của việc chúng ta không biết gì là vì trong lịch sử có rất ít nỗ lực kết nối những gì xảy ra ở bề mặt Trái Đất với những thứ đang diễn ra trong nó. Theo lời Shawna Vogel: “Các nhà địa chất và địa vật lý hiếm khi cùng ngồi họp hay hợp tác với nhau về cùng một vấn đề.”

Có lẽ không có gì cho thấy hiểu biết hạn chế của chúng ta về sự năng động của phần trong Trái Đất bằng sự bị động khi nó hoạt động, và ví dụ đáng nhớ nhất là vụ phun trào của núi lửa St Helens ở bang Washington vào năm 1980.

Vào thời điểm đó, 48 bang thấp hơn của nước Mỹ chưa từng phải chứng kiến núi lửa phun trào trong hơn 65 năm. Vì thế đa số các nhà khoa học núi lửa của Mỹ được triệu tập để giám sát và dự đoán chỉ mới được chứng kiến các núi lửa hoạt động tại Hawaii, và hóa ra chúng hoàn toàn không giống nhau.

St Helens bắt đầu cho thấy những bất ổn đáng ngại của mình từ ngày 20 tháng Ba. Trong một tuần liền, nó đã phun magma hàng trăm lần mỗi ngày, dù với một lượng nhỏ và liên tục rung lên vì động đất. Người dân được sơ tán với khoảng cách được cho là an toàn, 13km. Khi những bất ổn gia tăng, St Helens trở thành điểm du lịch hấp dẫn trên thế giới. Báo chí đưa tin hằng ngày về những nơi đẹp nhất để ngắm cảnh. Các đoàn phóng viên truyền hình lũ lượt bay tới đỉnh núi, có người còn leo lên đây. Có ngày, hơn 70 chiếc trực thăng và máy bay nhẹ quây kín đỉnh núi. Nhưng khi thời gian trôi qua và không có biến chuyển gì lớn, mọi người trở nên nóng ruột và cho rằng núi lửa này cuối cùng sẽ không phun trào.

Vào ngày 19 tháng Tư, sườn phía bắc của ngọn núi bắt đầu phồng lên trông thấy. Điều đáng chú ý là không cơ quan hữu trách nào nhận thấy đây là dấu hiệu của một vụ nổ cận kề. Các nhà địa chấn học kiên quyết đưa ra kết luận dựa trên hoạt động của các núi lửa ở Hawaii, vốn không phun trào ra hai bên. Gần như chỉ có một người tin rằng điều rất tồi tệ sắp sửa xảy ra. Đó là Jack Hyde, một giáo sư địa chất tại một trường cao đẳng cộng đồng ở Tacoma. Ông đã chỉ ra rằng St Helens không có lỗ thông mở như các núi lửa ở Hawaii, và áp lực gia tăng trong nó chắc chắn sẽ được giải phóng một cách ngoạn mục và có lẽ là khủng khiếp. Song, Hyde không phải thành viên của đội ngũ các nhà khoa học chính thức nên nhận định của ông không được chú ý.

Chúng ta đều biết điều gì xảy ra sau đó. Khoảng 8 giờ 32 phút sáng Chủ nhật, ngày 18 tháng Năm, sườn trái của ngọn núi lửa sụp xuống, kéo theo một trận lở đất đá khổng lồ với vận tốc gần 250kmgiờ. Đây là vụ lở đất lớn nhất trong lịch sử nhân loại, đủ để vùi Manhattan dưới độ sâu 120m. Một phút sau, khi sườn núi yếu hẳn đi, St Helens phát nổ với sức mạnh của 27.000 trái bom nguyên tử cỡ Hiroshima, và bắn ra những đám mây nóng chết người với tốc độ 1.050kmgiờ – quá nhanh để bất cứ ai đang ở gần đó có thể chạy thoát. Nhiều người từng nghĩ đã ở nơi an toàn, thường là những nơi khuất tầm nhìn núi lửa, cũng bị cuốn đi. Năm mươi bảy người tử vong, trong đó 23 thi thể vĩnh viễn mất tích. Con số thương vong sẽ còn nhiều hơn nếu đó không phải là Chủ nhật. Vào ngày làm việc thông thường, nhiều công nhân lâm nghiệp hẳn sẽ làm việc ngay trong khu vực chết chóc đó. Thậm chí, có những nạn nhân ở cách St Helens 30km.

Người may mắn nhất ngày hôm đó là một nghiên cứu sinh có tên Harry Glicken. Anh phụ trách một điểm quan sát cách ngọn núi 9km, nhưng vì có buổi phỏng vấn vào ngày 18 tháng Năm tại trường ở California, anh đã rời điểm quan sát một ngày trước khi vụ phun trào diễn ra. Người thay thế anh là David Johnston. Johnston là người đầu tiên báo tin ngọn núi lửa sắp phát nổ, và chỉ sau một tích tắc anh đã qua đời. Thi thể của anh vĩnh viễn mất tích. Sự may mắn của Glicken chỉ là nhất thời. Mười một năm sau, ông là một trong số 43 nhà khoa học và nhà báo bị kẹt trong tro và khí siêu nóng cùng với đá nóng chảy, thứ chúng ta vẫn gọi là dòng nham thạch, tại núi Unzen ở Nhật Bản. Đây là một thảm họa khác khi một ngọn núi lửa nữa bị đánh giá sai.

Các nhà núi lửa học có thể không phải là những nhà khoa học tồi nhất trên thế giới xét về phương diện đưa ra dự báo, nhưng chắc chắn họ là những người tồi nhất vì không nhận ra các phán đoán của mình tồi như thế nào. Chưa đầy hai năm sau thảm họa Unzen, một nhóm các nhà quan sát khác do Stanley Williams của Đại học Arizona dẫn đầu đã leo xuống rìa của một ngọn núi lửa đang hoạt động tại Colombia có tên là Galeras. Bất chấp những cái chết mới xảy ra trong các năm trước đó, chỉ 2 trong số 16 thành viên của nhóm này được trang bị mũ bảo hiểm hoặc các thiết bị bảo hộ khác. Ngọn núi lửa phun trào, giết chết 6 nhà khoa học cùng 3 du khách khác đi theo họ, những người còn lại bị thương nghiêm trọng, kể cả Williams.

Trong một cuốn sách không có chút gì tự trách mình mang tên Surviving Galeras [tạm dịch: Sống sót ở Galeras], Williams nói ông chỉ có thể lắc đầu ngao ngán khi sau này biết được các đồng nghiệp của ông trong lĩnh vực khoa học núi lửa cho rằng ông đã xem thường và đánh giá không đúng tầm quan trọng của các tín hiệu địa chấn, dẫn đến những hành động liều lĩnh. “Không khó để nói vuốt đuôi sau khi sự việc đã xảy ra, nhất là khi áp dụng tri thức ngày nay vào một sự kiện xảy ra năm 1993,” ông viết. Ông tin mình không làm gì sai ngoài việc chọn thời điểm không may mắn khi núi Galeras “hoạt động một cách tùy tiện, theo cách các thế lực tự nhiên thường làm. Tôi đã bị lừa và tôi sẽ chịu trách nhiệm về điều đó. Tuy vậy, tôi không thấy mình có lỗi đối với cái chết của các đồng nghiệp. Không có tội lỗi nào ở đây cả. Chỉ có duy nhất sự phun trào.”

Hãy trở lại với Washington. Núi St Helens đã mất 400m phần đỉnh và hơn 600km2 rừng đã bị phá hủy. Số gỗ đủ để xây dựng 150.000 ngôi nhà (thậm chí theo một vài báo cáo là 300.000) đã bị cuốn đi. Thiệt hại được xác định lên tới 2,7 tỷ đô-la. Một cột khói và tro khổng lồ bốc cao tới 18.000m trong chưa đầy 10 phút. Một máy bay cách đó 48km cho biết là đã bị đá bắn vào.

Chín mươi phút sau vụ nổ, tro bắt đầu trút xuống Yakima, Washington, một cộng đồng gồm 50.000 cư dân ở cách đó 130km. Như bạn có thể hình dung, tro đã biến ngày thành đêm và xâm nhập vào mọi thứ, làm tắc nghẽn động cơ, máy phát điện và thiết bị chuyển mạch điện, khiến người đi bộ nghẹt thở, chặn đứng các hệ thống lọc và nói chung khiến mọi thứ ngưng trệ. Sân bay phải ngừng hoạt động và các đường cao tốc ra vào thành phố phải đóng lại.

Tất cả những điều này chắc chắn sẽ xảy ra, như bạn đã thấy, chỉ cần căn cứ vào hướng gió của một ngọn núi lửa đã ầm ầm đe dọa suốt hai tháng. Song Yakima không có quy trình xử lý tình huống núi lửa phun trào khẩn cấp. Hệ thống thông tin khẩn cấp của thành phố, lẽ ra phải hoạt động tất bật trong thảm họa, lại không thể phát sóng vì đội ngũ nhân viên trực sáng Chủ nhật không biết cách vận hành thiết bị. Trong suốt ba ngày, Yakima bị tê liệt và cô lập khỏi thế giới. Toàn thành phố bị phủ một lớp tro dày 1,5cm sau vụ phun trào của St Helens. Bây giờ hãy ghi nhớ những điều này khi chúng ta xem một vụ phun trào ở núi lửa Yellowstone sẽ gây ra điều gì.