Magma là gì? Các bài nghiên cứu khoa học về Magma.

Định nghĩa magma

Magma là vật chất đá nóng chảy hoặc bán nóng chảy nằm dưới bề mặt Trái Đất, hình thành từ quá trình nóng chảy từng phần của đá trong lớp phủ hoặc vỏ Trái Đất. Thành phần chính của magma bao gồm các khoáng silicat nóng chảy, tinh thể khoáng rắn và khí hòa tan như hơi nước, carbon dioxide và sulfur dioxide.

Khi magma nguội đi và kết tinh dưới bề mặt, nó tạo thành đá xâm nhập như granite. Nếu magma phun trào ra ngoài qua núi lửa, nó trở thành dung nham (lava) và hình thành đá phun trào như basalt. Thành phần và độ nhớt của magma quyết định tính chất của hoạt động núi lửa và loại đá magma tạo thành.

Các loại magma và phân loại

Magma được phân loại dựa trên hàm lượng silica ($SiO_2$) và các nguyên tố khác, chia thành ba loại chính:

• Magma mafic (basaltic): chứa 45–55% silica, giàu sắt và magiê, tạo basalt. Có độ nhớt thấp và ít khí hòa tan.
• Magma andesitic (trung gian): chứa 55–65% silica, tạo andesite. Độ nhớt trung bình và hoạt động phun trào trung gian.
• Magma felsic (rhyolitic): chứa >65% silica, giàu nhôm, natri và kali, tạo rhyolite. Độ nhớt cao, dễ gây phun trào nổ mạnh.

Bảng so sánh tính chất các loại magma:

Loại magma	Hàm lượng $SiO_2$	Độ nhớt	Loại đá
Mafic	45–55%	Thấp	Basalt, Gabbro
Andesitic	55–65%	Trung bình	Andesite, Diorite
Felsic	65–75%	Cao	Rhyolite, Granite

Cơ chế hình thành magma

Magma được hình thành do sự nóng chảy từng phần của đá trong lớp phủ và vỏ dưới, qua ba cơ chế chính:

• Giảm áp (decompression melting): xảy ra khi vật chất đá bị nâng lên gần bề mặt, giảm áp suất nhưng vẫn giữ nhiệt độ cao, thường ở rìa mảng kiến tạo tách giãn.
• Gia tăng nhiệt độ: xảy ra khi có thêm nhiệt từ dòng mantle hoặc hoạt động xâm nhập magma, làm đá chảy ra.
• Thêm chất bay hơi (flux melting): đặc biệt là nước từ các mảng lún xuống làm giảm nhiệt độ nóng chảy của đá ở vùng hút chìm.

Tham khảo chi tiết tại: USGS – How Magma Forms

Thành phần hóa học của magma

Magma gồm ba pha chính:

• Pha lỏng: chứa các ion như $Si^{4+}$, $Al^{3+}$, $Ca^{2+}$, $Na^+$, $K^+$… hòa tan trong silicat nóng chảy.
• Pha rắn: là các tinh thể khoáng hình thành trong quá trình kết tinh từng phần (plagioclase, olivine, pyroxene…).
• Pha khí: gồm hơi nước, carbon dioxide, sulfur dioxide… thoát ra trong quá trình giảm áp hoặc nguội đi.

Hàm lượng các thành phần này ảnh hưởng đến tính chất vật lý như độ nhớt, điểm nóng chảy và khả năng phun trào của magma. Magma felsic thường chứa nhiều khí và dễ gây phun trào dữ dội hơn magma mafic.

Động lực học và vận chuyển magma

Magma sau khi hình thành có xu hướng di chuyển lên phía trên nhờ vào sự khác biệt về mật độ giữa nó và đá vỏ xung quanh. Quá trình vận chuyển magma diễn ra qua các đới đứt gãy, khe nứt và các ống dẫn gọi là diatreme. Vận tốc di chuyển của magma phụ thuộc vào độ nhớt, áp lực nội magma và cấu trúc địa chất khu vực.

Magma có thể tích tụ trong các buồng magma (magma chamber) tại độ sâu từ vài km đến hàng chục km dưới bề mặt Trái Đất. Tại đây, magma có thể tiếp tục tiến hóa thông qua các quá trình như kết tinh phân đoạn, hòa trộn magma, và hấp thu vỏ đá (assimilation), tạo ra các biến thể hóa học đa dạng.

Khi áp suất trong buồng magma vượt qua khả năng chịu đựng của lớp đá phủ phía trên, một vụ phun trào núi lửa có thể xảy ra. Tùy vào đặc tính của magma (độ nhớt, hàm lượng khí), phun trào có thể dạng nổ (explosive) hoặc phun trào yên lặng (effusive).

Tương tác magma với kiến tạo mảng

Sự hình thành và đặc điểm của magma phụ thuộc chặt chẽ vào vị trí kiến tạo mảng. Tại ranh giới phân kỳ như sống núi giữa đại dương, magma mafic hình thành do giảm áp và tạo basalt tràn rộng. Ở vùng hút chìm, magma hình thành do chất bay hơi giải phóng từ mảng lún xuống, tạo ra magma trung gian hoặc felsic.

Ở điểm nóng (hotspot), như tại Hawaii hoặc Iceland, magma được cấp từ các cột mantle (mantle plume) có nguồn gốc sâu, dẫn đến hình thành quần đảo núi lửa hoặc đại dương basalt. Các môi trường này cung cấp thông tin quý giá về thành phần và nguồn gốc của magma trong vỏ Trái Đất và lớp phủ trên.

Bảng mối liên hệ giữa kiến tạo mảng và loại magma:

Môi trường kiến tạo	Cơ chế	Loại magma chủ yếu
Rìa phân kỳ	Giảm áp	Mafic (basalt)
Rìa hội tụ	Thêm chất bay hơi	Andesitic → Felsic
Điểm nóng	Nguồn nhiệt sâu	Mafic (với dị thường địa hóa)

Tiến hóa magma và kết tinh phân đoạn

Khi magma nguội dần trong buồng magma hoặc trong quá trình di chuyển lên bề mặt, các khoáng chất có điểm nóng chảy cao như olivine và pyroxene kết tinh trước, làm thay đổi thành phần còn lại của magma. Quá trình này gọi là kết tinh phân đoạn (fractional crystallization) và là cơ chế chính tạo nên sự đa dạng hóa học của đá magma.

Trình tự kết tinh khoáng chất được mô tả trong chuỗi phản ứng Bowen. Ví dụ, magma basalt nếu được kết tinh phân đoạn có thể tiến hóa thành magma andesitic rồi felsic. Đồng thời, sự hòa trộn giữa hai loại magma khác nhau hoặc sự hấp thu vật chất từ vỏ Trái Đất cũng góp phần làm biến đổi thành phần magma.

Kết tinh phân đoạn còn ảnh hưởng đến mức độ tích tụ khí trong magma. Khi các khoáng chất tinh thể hóa, các khí như $H_2O$, $CO_2$ không còn hòa tan được, dẫn đến sự hình thành các bóng khí và làm tăng áp suất trong buồng magma – yếu tố dẫn đến các vụ phun trào nổ.

Magma và các kiểu núi lửa

Đặc điểm của magma ảnh hưởng trực tiếp đến kiểu núi lửa và mức độ nguy hiểm của phun trào. Núi lửa dạng khiên (shield volcanoes), như ở Hawaii, hình thành bởi magma mafic lỏng, ít khí và phun trào yên lặng. Núi lửa dạng tầng (stratovolcanoes), như ở Andes hoặc Nhật Bản, hình thành bởi magma andesitic, có độ nhớt trung bình và dễ gây phun trào hỗn hợp.

Trong khi đó, magma felsic có độ nhớt rất cao và chứa nhiều khí hòa tan, gây cản trở sự thoát khí trong quá trình di chuyển. Khi áp suất tích tụ đủ lớn, phun trào nổ dữ dội xảy ra, tạo thành núi lửa vòm hoặc caldera như Yellowstone. Các vụ phun trào này phóng ra hàng triệu tấn tro bụi và khí sulfuric, có thể ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu.

Danh sách các loại núi lửa theo loại magma:

• Núi lửa khiên: Basaltic magma, phun trào lặng.
• Núi lửa tầng: Andesitic magma, phun trào hỗn hợp.
• Núi lửa vòm / caldera: Felsic magma, phun trào nổ mạnh.

Kết luận

Magma là vật chất nóng chảy dưới bề mặt Trái Đất, đóng vai trò trung tâm trong các hiện tượng địa chất như phun trào núi lửa, kiến tạo mảng và hình thành vỏ lục địa. Sự đa dạng về thành phần hóa học, cơ chế hình thành và tương tác với môi trường kiến tạo tạo nên các loại đá và cảnh quan địa chất phong phú.

Việc nghiên cứu magma không chỉ giúp hiểu sâu hơn về nội cấu trúc Trái Đất mà còn có giá trị thực tiễn trong cảnh báo thiên tai, khai thác khoáng sản và dự đoán tiến hóa địa chất hành tinh. Magma là chìa khóa kết nối giữa quá khứ địa chất và vận động hiện tại của hành tinh sống.