Magma là thể vật chất silicat nóng chảy ở nhiệt độ và áp suất cao, hình thành sâu trong vỏ Trái Đất hoặc phần trên của lớp manti. Thể nóng chảy tự nhiên phức tạp này bao gồm pha lỏng silicat (melt), các tinh thể khoáng vật lơ lửng và một lượng đáng kể các chất bốc hòa tan như hơi nước và khí carbonic.
Bản chất vật lý và thành phần hóa học của magma
Magma là hệ phân tán đa pha hoạt động nhiệt động lực học mãnh liệt. Tính chất vật lý (đặc biệt là độ nhớt, mật độ và nhiệt độ) và hành vi phun trào của magma phụ thuộc trực tiếp vào thành phần hóa học cấu tạo:
- Pha lỏng silicat (Silicate melt): Cấu tạo chủ yếu từ mạng lưới tứ diện silicat []. Các cation như và đóng vai trò là chất tạo mạng lưới (network formers) làm tăng độ nhớt, trong khi các cation kiềm và kiềm thổ như , , đóng vai trò là chất phá vỡ mạng lưới (network modifiers) giúp giảm độ nhớt nóng chảy.
- Pha rắn (Khoáng vật kết tinh): Các tinh thể hình thành sớm trong quá trình làm nguội như olivin, pyroxen, plagioclase và fenspat. Tỷ lệ tinh thể rắn tăng lên làm thay đổi tính chất lưu biến của magma từ chất lỏng Newton sang chất lỏng phi Newton (dẻo Bingham).
- Pha khí và chất bốc (Volatiles): Chiếm từ vài phần trăm khối lượng, chủ yếu là và , cùng lượng nhỏ sulfur dioxide, hydro sunfua và hydro clorua. Áp suất bốc hơi của chất khí hòa tan là động lực thúc đẩy các vụ phun trào núi lửa bùng nổ dữ dội.
Phân loại magma theo hàm lượng silica
Theo Marjorie Wilson (2000), magma được phân loại dựa trên hàm lượng phần trăm khối lượng silica [], quyết định trực tiếp đến độ nhớt và tính chất thạch học:
| Loại magma | Hàm lượng | Nhiệt độ điển hình | Độ nhớt | Đá xâm nhập / phun trào tương ứng |
|---|---|---|---|---|
| Siêu mafic (Ultramafic) | Dưới 45% | Rất cao | Rất thấp | Peridotit / Komatiit |
| Mafic (Bazơ) | 45% – 52% | Cao | Thấp (chảy tràn linh hoạt) | Gabbro / Basalt |
| Trung tính (Intermediate) | 52% – 63% | Trung bình | Trung bình | Diorit / Andesit |
| Felsic (Axit) | Trên 63% | Thấp hơn | Rất cao (nhớt quánh) | Granit / Rhyolit |
Cơ chế phát sinh và tiến hóa magma
Magma không tồn tại dưới dạng một đại dương chất lỏng liên tục dưới lòng đất mà sinh ra từ các quá trình nhiệt địa chất cục bộ:
1. Cơ chế nóng chảy từng phần (Partial Melting)
Nóng chảy từng phần trong manti và vỏ dưới được kích hoạt bởi ba cơ chế chính:
- Nóng chảy do giảm áp (Decompression melting): Xảy ra tại các sống núi giữa đại dương và đới tách giãn khi manti dâng lên nhanh mà không kịp mất nhiệt.
- Nóng chảy do bổ sung chất bốc (Flux melting): Xảy ra tại các đới hút chìm khi mảng đại dương bị kéo xuống sâu giải phóng nước và các hợp chất bay hơi vào nêm manti phía trên, làm hạ điểm nóng chảy của đá peridotit.
- Nóng chảy do truyền nhiệt (Thermal melting): Xảy ra khi magma nóng từ manti xâm nhập và đốt nóng phần đáy của vỏ lục địa.
2. Động lực học bồn chứa và phân dị magma
Theo Bruce Marsh (1989), khi tích tụ trong vỏ Trái Đất, magma trải qua quá trình phân dị kết tinh (fractional crystallization) theo chuỗi phản ứng Bowen, tách biệt pha tinh thể sớm nặng hơn lắng đọng xuống đáy bồn, làm cho phần dung nham còn lại ngày càng giàu silica và kiềm.
Nghiên cứu hiện đại của Cashman, Sparks và Blundy (2017) đã chỉ ra rằng thay vì một khoang chứa magma dạng túi lỏng khổng lồ cố định, các hệ thống magma vỏ Trái Đất là những mạng lưới phức tạp dạng bùn tinh thể (crystal mushes) trải rộng theo chiều thẳng đứng từ manti lên tới vỏ nông, nơi magma lỏng chỉ tập trung cục bộ và tức thời trước các đợt phun trào.
Phân biệt magma và dung nham (Lava)
Trong địa chất học, hai thuật ngữ này đại diện cho hai trạng thái môi trường khác nhau của cùng một nguồn vật chất silicat:
- Magma: Nằm hoàn toàn dưới bề mặt đất, bị nén dưới áp suất cao giúp giữ lại các chất bốc hòa tan trong pha lỏng. Khi nguội chậm trong lòng đất tạo thành đá xâm nhập có cấu trúc hạt thô (như đá hoa cương Granit).
- Dung nham (Lava): Là magma đã thoát ra ngoài bề mặt đất qua miệng núi lửa hoặc khe nứt. Khi giảm áp suất đột ngột, phần lớn khí và hơi nước thoát ra khí quyển, và dòng dung nham nguội nhanh tạo thành đá phun trào có cấu trúc hạt mịn hoặc thủy tinh (như đá bazan).
Ý nghĩa địa chất và kinh tế khoáng sản tại Việt Nam
Các hoạt động magma trong lịch sử địa chất đã kiến tạo nên các diện mạo địa hình và nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú:
- Địa chất magma bazan: Các đợt phun trào bazan Kainozoi quy mô lớn tại khu vực Tây Nguyên (Đắk Lắk, Gia Lai, Lâm Đồng) và Đông Nam Bộ đã tạo nên các cao nguyên đất đỏ bazan màu mỡ và các mỏ đá xây dựng có giá trị kinh tế cao.
- Nguồn gốc khoáng sản nội sinh: Các thể xâm nhập magma axit và trung tính liên quan mật thiết đến sự hình thành các mỏ quặng nhiệt dịch và biến chất tiếp xúc (skarn) như thiếc, wolfram, đồng, chì-kẽm và vàng ở vùng Tây Bắc và Trung Bộ.
- Năng lượng địa nhiệt: Các khối magma còn nhiệt lượng nằm ở độ sâu nông trong vỏ Trái Đất là nguồn cung cấp nhiệt vô tận cho các nguồn suối khoáng nóng và tiềm năng phát triển nhà máy điện địa nhiệt trong tương lai.