Núi lửa là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa chung về núi lửa

Núi lửa là một cấu trúc địa chất nơi dung nham, khí và vật liệu núi lửa khác thoát ra từ khoang chứa magma sâu dưới lòng đất lên bề mặt Trái Đất. Đây là kết quả của hoạt động kiến tạo khi áp suất và nhiệt độ cao bên trong lớp phủ làm nóng chảy đá thành magma. Khi magma có đường thoát lên bề mặt, nó trở thành dung nham và gây ra các hiện tượng phun trào với mức độ và hình thức khác nhau.

Khác với quan niệm phổ biến cho rằng núi lửa là các ngọn núi hình nón, trong địa chất học, thuật ngữ "núi lửa" chỉ toàn bộ hệ thống bao gồm: (1) buồng magma nằm sâu dưới vỏ Trái Đất, (2) đường ống dẫn magma lên gần bề mặt, và (3) lỗ phun trên bề mặt nơi vật chất phun ra ngoài. Một số hệ thống núi lửa có cấu trúc phức tạp với nhiều miệng phun hoặc các khe nứt phụ. Chiều sâu của buồng magma có thể dao động từ vài km đến hơn 100 km, như tại hệ thống hotspot ở Hawaiʻi.

Theo ước tính, Trái Đất hiện có khoảng 1.500 núi lửa có thể còn hoạt động. Tuy nhiên, chỉ khoảng 60–80 trong số đó phun trào mỗi năm. Núi lửa có thể được phân loại theo hoạt động thành: đang hoạt động (active), tạm ngừng (dormant) và ngừng hoạt động (extinct), tuy việc phân biệt không phải lúc nào cũng rõ ràng.

Cấu trúc và phân loại cơ bản

Núi lửa có thể được phân chia thành các loại hình chính dựa trên hình thái, thành phần dung nham và cơ chế phun trào. Bốn kiểu phổ biến nhất là: núi lửa hình khiên, núi lửa tầng, nón tro (cinder cone) và vòm dung nham.

• Núi lửa hình khiên (Shield volcano): Đặc trưng bởi độ dốc thoai thoải và diện tích rộng lớn. Được hình thành từ dung nham basalt lỏng, chảy xa trước khi nguội. Ví dụ điển hình là Mauna Loa và Kīlauea ở Hawaiʻi.
• Núi lửa tầng (Stratovolcano): Gồm nhiều lớp xen kẽ giữa dung nham, tro, đá bọt và tephra. Có cấu trúc hình nón, cao và dốc. Phun trào thường dữ dội do độ nhớt cao của magma. Ví dụ: Mount Fuji (Nhật Bản), Mount St. Helens (Mỹ).
• Nón tro (Cinder cone): Nhỏ, dốc đứng, được tạo từ vật liệu rời như tro núi lửa, scoria, đá vụn. Phổ biến ở các khu vực phun trào basalt ngắn hạn.
• Vòm dung nham (Lava dome): Hình thành từ dung nham đặc, tích tụ gần lỗ phun, gây tăng áp suất và có thể dẫn đến các vụ nổ mạnh nếu vỡ đỉnh.

Bảng sau so sánh một số đặc điểm chính giữa các loại núi lửa:

Cơ chế phun trào

Phun trào núi lửa là quá trình vật chất được đẩy từ dưới lòng đất lên bề mặt do sự tích tụ áp suất trong buồng magma. Yếu tố quyết định chính đến kiểu phun là tính chất vật lý và hóa học của magma, đặc biệt là độ nhớt và hàm lượng khí hòa tan (chủ yếu là H₂O, CO₂, SO₂).

Với magma basalt, độ nhớt thấp, khí dễ thoát ra, dẫn đến phun trào kiểu effusive – dung nham chảy tràn, tạo thành các dòng dài và ổn định. Điều này thường xảy ra ở các núi lửa hình khiên như ở Hawaiʻi. Ngược lại, magma rhyolite hoặc dacite có độ nhớt cao, giữ khí bên trong, tạo áp suất lớn – khi thoát ra sẽ gây phun trào nổ dữ dội (explosive), thường thấy ở núi lửa tầng.

• Độ nhớt cao + nhiều khí = phun nổ mạnh, nguy hiểm
• Độ nhớt thấp + ít khí = phun trào nhẹ, dòng dung nham

Phản ứng áp suất có thể được mô hình hóa bởi công thức:

$P = \rho g h + \frac{2\gamma}{r}$

Trong đó \(P\) là áp suất tổng, \(\rho\) là khối lượng riêng của magma, \(g\) là gia tốc trọng trường, \(h\) là chiều sâu, \(\gamma\) là sức căng bề mặt và \(r\) là bán kính bọt khí. Khi áp suất khí vượt áp suất tổng này, hiện tượng giải phóng năng lượng xảy ra dưới dạng phun trào.

Kiểu phun trào và mối nguy hiểm

Phun trào có thể theo hai kiểu chính: (1) qua lỗ phun tập trung – tạo ra cột khí và tro thẳng đứng, và (2) theo khe nứt (fissure eruption) – lan rộng theo chiều ngang với các dòng dung nham chảy dài. Các vụ phun nổ dữ dội tạo pyroclastic flows – dòng hỗn hợp khí nóng và vật liệu di chuyển nhanh, gây chết người trong vài phút.

Các mối nguy hiểm từ núi lửa có thể liệt kê như sau:

• Pyroclastic flows: tốc độ > 100 km/h, nhiệt độ > 800°C, phá hủy mọi thứ trên đường đi.
• Lahars: dòng bùn tro do nước mưa trộn vật liệu núi lửa, gây lũ lụt và chôn vùi nhà cửa.
• Ashfall: tro mịn bay xa hàng trăm km, ảnh hưởng giao thông hàng không, hệ hô hấp.
• Gas emissions: CO₂, SO₂ có thể tích tụ trong thung lũng gây chết ngạt động vật và con người.

Minh họa nổi bật là vụ phun trào Mount St. Helens năm 1980. Vụ nổ này phun tro lên độ cao 24 km, gây lở đất quy mô lớn, hủy diệt 600 km² rừng và cướp đi 57 sinh mạng. Thiệt hại kinh tế ước tính hơn 1 tỷ USD, phần lớn do ảnh hưởng của pyroclastic và tro bụi.

Vai trò địa chất và sinh thái học

Núi lửa đóng vai trò quan trọng trong tiến trình địa chất của Trái Đất. Chúng là biểu hiện bề mặt của hoạt động kiến tạo sâu bên dưới vỏ Trái Đất và tham gia tích cực vào quá trình kiến tạo địa hình. Khi phun trào, núi lửa có thể tạo thành các đảo mới (như quần đảo Hawaiʻi), mở rộng lục địa, hình thành núi hoặc tạo nên caldera – một dạng lõm lớn khi khoang magma sụp đổ sau phun trào dữ dội. Ví dụ điển hình là caldera Yellowstone rộng hơn 70 km.

Sự phun trào còn cung cấp vật liệu khoáng phong phú cho đất đai. Tro núi lửa và dung nham basalt sau phân hủy tạo thành đất feralit và andosol rất giàu khoáng chất thiết yếu như kali, phốt-pho và vi lượng kim loại. Điều này lý giải vì sao các vùng đất núi lửa như Java (Indonesia), vùng Napoli (Ý) hoặc Tây Nguyên (Việt Nam) lại có nông nghiệp phát triển mạnh dù tiềm ẩn nguy cơ thiên tai.

• Đất núi lửa thường có:
• Khả năng giữ nước cao
• Độ pH trung tính đến axit nhẹ
• Giàu khoáng chất, tơi xốp

Không chỉ về mặt địa chất và đất đai, núi lửa còn ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Các loài sinh vật đặc hữu có thể phát triển tại môi trường núi lửa do ít cạnh tranh. Sau mỗi vụ phun trào, chuỗi tái sinh sinh thái diễn ra từ rêu, dương xỉ, đến cây bụi, tạo điều kiện nghiên cứu tiến hóa và thích nghi của sinh vật trong môi trường khắc nghiệt.

Ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu

Núi lửa có tác động đáng kể đến khí hậu, đặc biệt khi xảy ra các vụ phun trào lớn giải phóng một lượng lớn khí và hạt vào tầng bình lưu. Trong đó, các hợp chất lưu huỳnh (SO₂) khi bị oxy hóa tạo thành aerosol sulfate, có khả năng phản xạ bức xạ mặt trời và làm giảm nhiệt độ toàn cầu.

Một số vụ phun trào có ảnh hưởng khí hậu rõ rệt bao gồm:

Khí CO₂ do núi lửa thải ra cũng đóng góp vào chu trình carbon toàn cầu. Ước tính các núi lửa đang hoạt động thải ra khoảng 180–440 triệu tấn CO₂ mỗi năm – một phần nhỏ so với con người, nhưng ảnh hưởng đến chu kỳ địa chất dài hạn.

Các công nghệ giám sát và dự báo

Dự báo hoạt động núi lửa là một trong những thách thức lớn trong khoa học địa chất. Dù không thể xác định chính xác thời điểm phun trào, các chỉ số tiền phun có thể được phát hiện và giám sát để cảnh báo sớm. Các kỹ thuật hiện đại bao gồm:

• Địa chấn học: phát hiện sóng địa chấn do magma di chuyển.
• Đo biến dạng mặt đất: sử dụng GPS hoặc InSAR để phát hiện phồng rộp bề mặt do tích tụ magma.
• Phân tích khí: đo hàm lượng SO₂, CO₂ thoát ra từ lỗ thông khí bằng cảm biến mặt đất hoặc vệ tinh.
• Camera và radar giám sát liên tục: quan sát trực tiếp hoạt động bề mặt, phát hiện dòng dung nham mới hình thành.

Một số cơ quan quốc tế chuyên giám sát hoạt động núi lửa gồm: USGS Volcano Hazards Program, Global Volcanism Program (Smithsonian Institution), và Cơ quan quan sát núi lửa Indonesia (PVMBG). Các nền tảng vệ tinh như Sentinel-5P (ESA) cũng góp phần quan trọng trong theo dõi khí núi lửa toàn cầu.

Ảnh hưởng đến con người và xã hội

Mặc dù núi lửa có vai trò tích cực về mặt địa chất và nông nghiệp, chúng cũng là mối đe dọa nghiêm trọng với con người. Các vụ phun trào có thể gây thương vong lớn, phá hủy nhà cửa, mùa màng, ô nhiễm không khí và làm tê liệt hệ thống giao thông.

Theo thống kê của International Disaster Database (EM-DAT), các vụ núi lửa lớn trong thế kỷ XX và XXI đã khiến hàng trăm nghìn người thiệt mạng và hàng triệu người bị ảnh hưởng. Điển hình:

• Tambora (1815): ~71.000 người chết trực tiếp và gián tiếp do đói.
• Mount Pelée (1902): 29.000 người chết trong vài phút do pyroclastic flow.
• Mount Nyiragongo (2002, 2021): hàng chục nghìn người phải sơ tán khẩn cấp.

Bên cạnh đó, núi lửa cũng ảnh hưởng tâm lý