Phun trào núi lửa diễn ra theo cơ chế nào?

Magma là vật chất nóng chảy nằm dưới bề mặt Trái Đất. Nó có thể di chuyển lên trên vì thường nóng và có khối lượng riêng thấp hơn môi trường đá xung quanh, tạo lực nổi. Tuy nhiên, lực nổi của magma không phải yếu tố duy nhất quyết định một vụ phun trào. Khi magma tiến gần bề mặt, áp suất bên ngoài giảm mạnh, làm thay đổi trạng thái của các chất khí hòa tan trong nó.

Magma ở độ sâu lớn có thể chứa các khí như hơi nước, CO₂ và các hợp chất lưu huỳnh ở trạng thái hòa tan. Khi áp suất giảm trong quá trình magma dâng lên, khí bắt đầu tách khỏi pha lỏng và hình thành các bong bóng. Quá trình này gọi là exsolution/vesiculation.

Có thể hình dung tương tự một chai nước có ga: khi áp suất giảm do mở nắp, khí hòa tan thoát ra thành bong bóng. Trong núi lửa, những bong bóng khí này không chỉ là sản phẩm phụ mà còn là một trong những nguồn năng lượng quan trọng thúc đẩy magma tiếp tục dâng lên.

Khí hòa tan tạo áp lực như thế nào?

Khi magma đi lên, áp suất giảm khiến khí hòa tan chuyển thành các bong bóng. Các bong bóng này giãn nở vì môi trường xung quanh có áp suất thấp hơn.

Cơ chế có thể khái quát thành chuỗi:

Magma dâng lên → áp suất giảm → khí tách khỏi magma → bong bóng khí hình thành và giãn nở → áp lực trong hệ thống tăng → magma bị đẩy lên → có thể dẫn tới phun trào

Smithsonian Global Volcanism Program cho biết khí núi lửa hòa tan trong magma được giải phóng khi magma tiến về bề mặt và là động lực của phần lớn các vụ phun trào. Thành phần khí thường gồm H₂O, CO₂ và các hợp chất lưu huỳnh cùng nhiều khí khác.

USGS cũng mô tả rằng các bong bóng khí hình thành khi áp suất giảm có thể đẩy magma về phía bề mặt. Vì vậy, nói đơn giản rằng “núi lửa phun trào vì magma nóng” là chưa đủ; cần xét cả sự giải phóng và giãn nở của khí trong magma.

Điều gì quyết định phun trào êm hay phun nổ?

Không phải mọi vụ phun trào đều diễn ra theo cùng một kiểu. Một hệ thống có thể tạo dòng dung nham tương đối liên tục, trong khi hệ thống khác tạo các vụ nổ mạnh, phóng tro và mảnh đá lên cao.

Một yếu tố quan trọng là khả năng khí thoát khỏi magma.

Nếu khí có thể thoát ra tương đối dễ dàng, áp suất có thể được giải phóng dần. Magma khi đó có thể tràn ra dưới dạng dung nham mà không tạo vụ nổ quá mạnh.

Ngược lại, nếu khí bị giữ lại trong magma và bong bóng tiếp tục phát triển, áp suất có thể tăng nhanh. Khi magma phá vỡ hoặc vượt qua phần bịt kín của hệ thống dẫn, năng lượng tích tụ có thể được giải phóng đột ngột, tạo phun trào nổ.

Vì vậy, không thể chỉ dùng một quy tắc đơn giản kiểu “càng nhiều khí thì càng nổ mạnh”. Cách khí thoát ra, tính chất vật lý của magma và cấu trúc đường dẫn magma đều ảnh hưởng đến kiểu phun trào. USGS ghi nhận chính sự khác biệt trong quá trình tạo và giải phóng bong bóng khí giúp giải thích vì sao có vụ phun trào thiên về dòng chảy, trong khi vụ khác mang tính nổ.

Độ nhớt của magma ảnh hưởng đến việc giải phóng khí ra sao?

Độ nhớt quyết định mức độ dễ dàng mà magma biến dạng và cho phép khí di chuyển qua nó.

Magma có độ nhớt thấp có xu hướng cho phép khí thoát ra và magma chảy dễ hơn. Trong điều kiện thích hợp, quá trình giải phóng khí có thể diễn ra tương đối hiệu quả, tạo hoạt động phun trào thiên về dòng dung nham.

Ngược lại, magma có độ nhớt cao có thể cản trở sự di chuyển của bong bóng khí. Khí khó thoát ra ngoài, trong khi bong bóng tiếp tục phát triển khi áp suất giảm. Điều này có thể làm tăng khả năng tích tụ áp suất và tạo điều kiện cho phun trào nổ.

Cơ chế thực tế phức tạp hơn vì còn phụ thuộc vào thành phần magma, tốc độ magma dâng, lượng khí hòa tan, cấu trúc đường dẫn và mức độ thông thoáng của hệ thống. Do đó, độ nhớt là một phần của cơ chế chứ không phải một biến số có thể dùng riêng lẻ để dự đoán kiểu phun trào.

Khi nào áp suất đủ để gây phun trào?

Phun trào xảy ra khi hệ thống magma–khí đạt điều kiện cho phép vật chất vượt qua các rào cản của lớp vỏ và thoát ra bề mặt.

Các yếu tố liên quan gồm:

·         Magma tiếp tục dâng và làm giảm áp suất bên ngoài

·         Khí hòa tan chuyển thành bong bóng và giãn nở

·         Áp suất khí tăng trong magma hoặc trong hệ thống dẫn

·         Đường dẫn magma có thể bị cản trở hoặc bịt kín

·         Áp lực vượt quá khả năng giữ ổn định của hệ thống đá và đường dẫn

USGS ghi nhận magma có thể dâng qua các vùng yếu hoặc khe nứt của lớp vỏ; khi áp lực và điều kiện đường dẫn thích hợp, magma có thể tiếp cận bề mặt và bắt đầu phun trào.

Điểm quan trọng là không tồn tại một ngưỡng áp suất duy nhất áp dụng cho mọi núi lửa. Mỗi hệ thống có cấu trúc đường dẫn, thành phần magma, điều kiện lưu trữ và lịch sử hoạt động khác nhau.

Vì sao núi lửa có thể phun dung nham, tro hoặc tạo vụ nổ?

Hình thức phun trào là kết quả của cách magma, khí và hệ thống dẫn tương tác với nhau.

Nếu magma thoát ra tương đối liên tục và khí được giải phóng đủ hiệu quả, sản phẩm nổi bật có thể là dòng dung nham.

Nếu khí giãn nở nhanh và bị giữ lại trong magma, magma có thể bị phân mảnh thành các mảnh vật chất núi lửa, tạo tro, mảnh vụn và cột phun.

Trong những điều kiện khác, hoạt động có thể kết hợp cả hai dạng: vừa có dòng dung nham vừa có các vụ nổ và cột tro. Cơ sở dữ liệu của Smithsonian Global Volcanism Program cũng phân loại nhiều vụ phun trào hiện đại là dạng kết hợp giữa explosive và effusive, cho thấy hai cơ chế này không phải lúc nào cũng tách biệt hoàn toàn.

Dấu hiệu nào cho thấy magma đang thay đổi dưới núi lửa?

Cơ chế phun trào không chỉ được nghiên cứu sau khi núi lửa hoạt động. Các nhà khoa học còn theo dõi những thay đổi có thể phản ánh magma đang di chuyển hoặc hệ thống magma–khí đang biến đổi.

Các tín hiệu quan trọng gồm:

·         Động đất và rung chấn núi lửa

·         Biến dạng mặt đất do magma di chuyển

·         Thay đổi thành phần hoặc lượng khí thoát ra

·         Biến đổi trường trọng lực và từ trường

Smithsonian Global Volcanism Program cho biết việc kết hợp nhiều loại dữ liệu này giúp các nhà khoa học đánh giá sự thay đổi bên dưới núi lửa. Tuy nhiên, từng tín hiệu riêng lẻ không phải lúc nào cũng đủ để xác định chắc chắn một vụ phun trào sắp xảy ra.

Điều này cho thấy phun trào núi lửa không phải một sự kiện xuất hiện hoàn toàn đột ngột ở cấp độ vật lý. Trước khi vật chất thoát ra bề mặt, hệ thống magma có thể trải qua một chuỗi thay đổi về áp suất, khí, chuyển động magma và cấu trúc đường dẫn.

Cơ chế phun trào núi lửa có thể hiểu ngắn gọn như thế nào?

Toàn bộ quá trình có thể cô đọng thành một chuỗi cơ học:

Magma hình thành và tích tụ dưới lòng đất

↓

Magma nóng và có tính nổi bắt đầu dâng lên

↓

Áp suất xung quanh giảm theo độ sâu

↓

Khí hòa tan tách khỏi magma và tạo bong bóng

↓

Bong bóng khí giãn nở, thúc đẩy magma tiếp tục dâng

↓

Khí thoát ra dễ hay khó tùy thuộc tính chất magma và hệ thống dẫn

↓

Áp suất có thể được giải phóng từ từ hoặc tích tụ

↓

Magma vượt qua đường dẫn và thoát ra bề mặt

↓

Phun trào diễn ra dưới dạng tương đối êm, nổ mạnh hoặc kết hợp cả hai

Vì vậy, cơ chế cốt lõi của phun trào núi lửa là sự tương tác giữa chuyển động của magma, sự giảm áp khi magma dâng lên và quá trình khí hòa tan tách ra rồi giãn nở. Chính khí magma là một động lực quan trọng giúp biến quá trình magma dâng chậm dưới lòng đất thành hoạt động phun trào trên bề mặt.

Phun trào núi lửa không đơn giản là “magma nóng bị đẩy lên”. Magma có thể dâng nhờ lực nổi, nhưng khi tiến gần bề mặt, sự giảm áp làm khí hòa tan tạo bong bóng và giãn nở. Khả năng khí thoát ra, độ nhớt của magma, tốc độ dâng và trạng thái của hệ thống đường dẫn cùng quyết định áp suất được giải phóng từ từ hay đột ngột. Khi điều kiện phù hợp, magma và khí vượt qua đường dẫn để thoát ra bề mặt, tạo dòng dung nham, tro hoặc các vụ phun trào nổ.