Bằng cách nào rừng cổ đại hóa thành than, cấp nhiên liệu cho xã hội hiện đại?

Khi các nhà phát minh hoàn thiện hóa động cơ hơi nước, mọi ngành công nghiệp nhanh chóng chuyển đổi sang cơ chế mới. Các dây chuyền sản xuất, những con đường bộ, đường thủy và đường sắt tận dụng sức mạnh từ nước sôi để lan khắp chốn. Nhưng phải nhờ tới những vỉa than đen bóng, xã hội mới phát triển được tới tầm cao đương đại.

Thứ đá giàu carbon cũng đồng thời đẩy nhanh tốc độ biến đổi khí hậu, nhưng không vì thế mà xem nhẹ vai trò của than trong Cách mạng Công nghiệp. Tới từ Viện Smithsonian, nhà cổ sinh học Bill DiMichele khẳng định “than là vua”, và ở một số địa phương điều này vẫn đúng.

Ngay cả khi năng lượng tái tạo đã đang dần ổn định, nước Mỹ năm 2020 vẫn chứng kiến 20% sản lượng điện được tạo ra bởi các nhà máy nhiệt điện sử dụng than. “Ở thời điểm này, than vẫn rất quan trọng”, chuyên gia DiMichele khẳng định.

"Than công" không phải là một loại than cụ thể, mà định nghĩa này dùng để chỉ hiện tượng oxi hóa vật chất trong than và tạo ra màu lấp lánh. Không lâu sau khi lộ thiên, không khí sẽ oxi hóa hết vật chất gây lấp lánh.

Cũng nhờ may mắn, nhân loại có thể sinh trưởng trên cùng một thành tinh với thứ tài nguyên quý giá. Hàng trăm triệu năm trước, tại những đầm lầy rậm rạp thực vật trên những lục địa nguyên sơ, một chuỗi những hiện tượng khí hậu và vận động mảng lục địa đã giúp chôn sâu một lượng thực vật khổng lồ. Khi phương trình thêm yếu tố áp lực, nhiệt độ và thời gian, lớp thực vật biến thành than bùn, và rồi cứng lại thành than đá.

Quá trình hình thành than yêu cầu hội tụ đủ và đúng thứ tự một loạt các điều kiện. Tại sao lại có chuyện trùng hợp như vậy?

Khi các nhà địa chất học bắt đầu phân loại địa tầng, Kỷ Than đá (Carboniferous Period - kéo dài trong khoảng từ 300 tới 360 triệu năm trước) là một trong những giai đoạn được đặt tên đầu tiên. Giai đoạn này đồng thời chứng kiến thực vật sinh trưởng mạnh trên mặt đất. Từ “carboniferous”, có nghĩa “sản sinh than” trong tiếng Latin, mô tả một cách chính xác bản chất của lớp trầm tích chứa phần lớn than tại Anh Quốc.

Tuy vậy nhiều ngàn năm sau Kỷ Than đá, quá trình tạo than vẫn diễn ra tại những khu vực khác, thậm chí với quy mô còn lớn hơn. Nhà cổ thực vật vật học Kevin Boyce giải thích rằng “than không dừng [hình thành], chúng chỉ di chuyển sang những khu vực khác”. Theo dữ liệu ông có được, những vỉa than rộng lớn của Siberia, Trung Quốc và Úc đều có niên đại thuộc Kỷ Permi, giai đoạn liền sau Kỷ Than đá. Một vài thông số khảo sát cho thấy quá trình tạo thành than đá tại Kỷ Permi còn mạnh mẽ hơn kỷ “sản sinh than”.

Hình minh họa đầm lầy Kỷ Than đá.

Dù vậy, than không hình thành ở một tốc độ ổn định. Xuyên suốt lịch sử địa chất Trái đất, xen giữa những khoảng thời gian những mảng than lớn hình thành là những giai đoạn nhỏ lẻ. Tính bất đồng phát sinh câu hỏi: tại sao quá trình sinh than không nhất quán suốt bề dày lịch sử Trái đất.

Từng có một lời giải thích trong quá khứ, cho rằng Kỷ Than đá hình thành được nhiều than do cây thân gỗ vừa bắt đầu phát triển, và nấm vẫn chưa đủ hoàn thiện để phân hủy lignin, thứ polymer khiến gỗ có độ cứng như ta biết. Nhờ đó, thực vật cổ đại không biến mất mà được bảo tồn dưới nhiều lớp trầm tích, rồi biến thành than đá.

Giả định hợp lý về nhiều mặt, nhưng chưa đủ để thuyết phục toàn bộ giới chuyên gia. Đầu tiên, tỷ lệ để nấm không tổng hợp được enzyme phân hủy lignin sau hàng chục triệu năm là rất thấp. Hơn nữa, than không chỉ tới từ cây thân gỗ. Ở nhiều khu vực, phần lớn thực vật chôn vùi trong trầm tích là những cây lớn có họ hàng với thạch tùng (hay còn gọi là “thông đá”) ngày nay, vốn chứa rất ít lignin.

Cần một công thức chính xác để nhà giả kim Trái đất luyện được than

Trong một báo cáo khoa học xuất bản năm 2016, hai nhà nghiên cứu Boyce, DiMichele và các cộng sự phản bác giả thuyết nêu trên, đưa ra luận điểm rằng Kỷ Than đá chỉ đơn giản là hội tụ đủ những yếu tố địa chất cần có; ấy là chưa kể tới những kỷ tạo than khác.

Khắp các vùng đất, thành tố hỗ trợ việc phát sinh than hiện hữu dồi dào. Theo nhận định của ông Boyce, chỉ cần mưa nhiều (để giúp cây sinh trưởng và hình thành đầm lầy) và một hố lớn (để chứa cây) là than sẽ có thể xuất hiện theo thời gian.

Tại những đầm lầy lõng bõng nước, than bùn sẽ hình thành.

Trong Kỷ Than đá, khi các mảng lục địa xích lại gần nhau tạo nên Toàn Lục Địa (Pangaea), những va chạm giữa các mảng kiến tạo đã tạo nên những dãy núi và lòng chảo lớn. Đó chính là những hố đựng than tiềm tàng. Một số lòng chảo như vậy, có mặt tại Châu Âu ngày nay lẫn miền Đông nước Mỹ, đều xuất hiện trong điều kiện nhiệt đới nóng ẩm.

Về cơ bản, quá trình hình thành than phụ thuộc vào số lượng hố lớn nằm tại những khu vực hội tụ đủ điều kiện, cho phép vật chất hữu cơ quy tụ với số lượng lớn.

Khi thực vật chết đi tại những miền đất úng nước này, nhiều cây đổ xuống những ao tù ít hàm lượng oxy. Bởi lẽ phần lớn sinh vật có khả năng phân hủy (như vi khuẩn, nấm, v.v…) không thể sinh trưởng trong môi trường khắc nghiệt đó, thực vật không có cơ hội phân hủy. Thay vào đó, chúng mủn thành than bùn. Ngay cả vậy, than bùn cũng chưa thể trở thành than đá nếu như vùng đất khô dần và khiến than bùn tan biến. Cần một lớp trầm tích mang tính bảo quản phủ lên trên, giúp quá trình hình thành than đá bắt đầu.

Đôi khi, tại những vùng đầm lầy nằm gần biển hay những vùng cận biển nơi thường xuyên tiếp xúc với triều dâng, những hố than bùn thường hiện hữu. Hiện tượng này thường xuyên xảy ra trong các kỷ băng hà của Trái đất.

Sông băng ở Argentina.

Than bùn hình thành trong giai đoạn giá lạnh phủ khắp chốn, là khi băng cực dày lên và mực nước biển xuống thấp. Và khi băng tan, nước đưa trầm tích phủ lên hố than bùn, chôn giấu lớp thực vật mủn mà sau này sẽ trở thành than đá. Ở một số khu vực khảo cổ, những trang sử bằng đá ghi lại lớp lớp xen kẽ của trầm tích đất liền và trầm tích biển. Sâu trong đất liền, đất xói mòn cũng có thể phủ lên hố than bùn và cho kết quả tương tự.

Tiếp diễn với chu kỳ lên tới cả ngàn năm, những lớp trầm tích và than bùn mới nén lớp cũ. Khối lượng khổng lồ ép hết nước trong than bùn, để than cứng lại theo thời gian. Than nâu (lignite) dần hình thành, rồi dần biến thành than đá.

Sự trùng hợp hàng kỷ nguyên mới có một

Lý do than đá xuất hiện nhiều tại Kỷ cùng tên phức tạp hơn ta tưởng, nó không chỉ là khoảng thời gian chờ cho nấm tiến hóa thêm khả năng phân hủy gỗ. Nhưng nhà nghiên cứu DiMichele lại suy nghĩ đơn giản về quá trình tự nhiên với sự góp mặt của ba yếu tố: kỷ băng hà, mưa lớn và các lớp trầm tích.

Chỉ cần lòng chảo nằm đúng chỗ, quy trình hình thành than có thể diễn ra đều đặn. “Khi bạn đã thấy hệ thống liên kết với nhau, nó chẳng còn phức tạp đến thế”, ông nói. “Các dòng sông băng đến và đi. Than bùn đồng thời hình thành và không xuất hiện. Hợp lý mà.”

Than xuất hiện ở rất nhiều nơi trên thế giới.

Bên cạnh đó, than xuất hiện ở rất nhiều nơi trên thế giới. Ngay cả ngày nay, một số vùng nhiệt đới như đảo Borneo tại Châu Á hay rừng ở Lòng chảo Congo, than bùn đang tụ thành đống với mong muốn trở thành những vỉa than đá tương lai.

Nhưng quả thực, không quy trình nào trong lịch sử hiện đại hay cận đại so sánh được với hay Kỷ Than đá và Permi. Để tạo nên những kho tàng nhiên liệu hóa thạch khổng lồ dẫn lối Cách mạng Công nghiệp, ta sẽ cần một chuỗi những sự kiện diễn ra chính xác, và không phải lúc nào Trái đất cũng sẵn.

• Than đá được hình thành như thế nào?
• Lò than cháy suốt 300 năm, mỗi năm "đốt nhẹ" 1 tỷ NDT nhưng Trung Quốc vẫn lực bất tòng tâm!
• Phát hiện cấu trúc bí ẩn trong thiên hà khổng lồ