Magma là đá nóng chảy một phần, sinh ra chủ yếu ở phần trên của lớp phủ và phần dưới của vỏ Trái Đất, ở độ sâu vài chục tới khoảng 100–200 km. Đá trong lòng đất không chảy chỉ vì nóng: nó chảy khi một trong ba điều kiện thay đổi — áp suất giảm, có thêm nước, hoặc được cấp thêm nhiệt. Phần lớn lớp phủ Trái Đất thật ra vẫn là đá rắn, chỉ có những túi nhỏ đá chảy ở đúng nơi các điều kiện ấy gặp nhau.
Lòng đất nóng như vậy, sao phần lớn đá vẫn rắn?
Đây là chỗ nhiều người hình dung sai. Hình ảnh quen thuộc trong sách vở cũ là Trái Đất như quả trứng: vỏ mỏng bên ngoài, bên dưới là một biển đá lỏng sôi sục. Thực tế, các phép đo sóng địa chấn cho thấy sóng ngang (sóng S) đi xuyên qua toàn bộ lớp phủ, mà sóng ngang không truyền được qua chất lỏng. Nghĩa là lớp phủ dày gần 2.900 km gần như toàn bộ là chất rắn.
Ở độ sâu khoảng 100 km, nhiệt độ đã lên tới khoảng 1.300 °C. Ở mặt đất, loại đá chính của lớp phủ — đá peridotit giàu khoáng olivin — bắt đầu chảy ở khoảng 1.100–1.200 °C. Vậy mà dưới sâu nó vẫn rắn, vì áp suất của hàng chục kilômét đá đè lên đẩy điểm nóng chảy lên cao hơn. Nhiệt độ tăng theo độ sâu, nhưng điểm nóng chảy cũng tăng theo áp suất, và ở phần lớn lớp phủ, điểm nóng chảy vẫn "đi trước" nhiệt độ thật.
Rắn nhưng không cứng đơ. Đá lớp phủ biến dạng chậm như sáp ấm, chỉ vài centimét mỗi năm, đủ kéo các mảng kiến tạo trôi trên bề mặt. Ở một đới mềm gọi là quyển mềm, người ta ước có một tỉ lệ nhỏ đá chảy len giữa các hạt khoáng, thường chỉ vài phần trăm, như nước thấm trong miếng bọt biển.
Ba cách làm đá chảy thành magma là gì?
Các nhà địa chất gom lại thành ba cơ chế, cả ba đều đưa đá vượt qua đường điểm nóng chảy của nó.
| Cơ chế | Điều gì thay đổi | Nơi xảy ra điển hình | Magma thường gặp |
|---|---|---|---|
| Chảy do giảm áp | Đá nóng đi lên, áp suất giảm nhanh hơn nhiệt độ | Sống núi giữa đại dương, điểm nóng như Hawaii, Iceland | Bazan, nhiệt độ khoảng 1.100–1.200 °C |
| Chảy do thêm nước | Nước hạ điểm nóng chảy của đá hàng trăm độ | Đới hút chìm: Nhật Bản, Indonesia, dãy Andes | Andesit, nhiệt độ khoảng 800–1.000 °C |
| Chảy do cấp nhiệt | Magma nóng xâm nhập, nung chảy đá vỏ xung quanh | Dưới các vùng núi lửa lục địa | Riolit, granit, nhiệt độ khoảng 650–800 °C |
Giảm áp: đá nóng đi lên thì tự chảy
Hãy hình dung một khối đá lớp phủ nóng 1.300 °C đang từ từ trồi lên dưới sống núi giữa đại dương, nơi hai mảng đại dương tách xa nhau. Khi đi lên, nó gần như không kịp nguội, nhưng áp suất đè lên nó giảm dần. Điểm nóng chảy tụt theo áp suất, tới một độ sâu nào đó thì tụt xuống thấp hơn nhiệt độ của chính khối đá. Lúc ấy đá bắt đầu chảy mà không cần ai cấp thêm nhiệt.
Đây là cơ chế sinh ra nhiều magma nhất hành tinh. Dọc hệ thống sống núi giữa đại dương dài khoảng 65.000 km, magma bazan liên tục dâng lên, đông lại thành vỏ đại dương mới. Iceland là nơi hiếm hoi sống núi ấy nhô lên khỏi biển.
Thêm nước: chất "trợ chảy" của thiên nhiên
Ở các đới hút chìm, một mảng đại dương già, lạnh và nặng chui xuống dưới mảng khác. Mảng ấy mang theo đá ngấm nước biển và khoáng vật chứa nước. Xuống tới độ sâu khoảng 100 km, nhiệt và áp suất ép nước thoát ra, thấm lên lớp phủ nóng nằm phía trên.
Nước len vào giữa các liên kết của khoáng vật silicat, làm chúng lỏng lẻo hơn. Kết quả là đá có nước chảy ở nhiệt độ thấp hơn đá khô hàng trăm độ. Nguyên lý này giống việc thợ hàn rắc chất trợ dung hay việc rắc muối làm băng tan: thêm một chất lạ vào là điểm nóng chảy hạ xuống. Vành đai núi lửa quanh Thái Bình Dương, từ Nhật Bản, Philippines, Indonesia tới bờ tây châu Mỹ, phần lớn sinh ra theo cách này.
Cấp nhiệt: magma nấu chảy đá khác
Cơ chế thứ ba dễ hiểu nhất nhưng ít khi đứng một mình. Khi magma bazan rất nóng dâng lên rồi kẹt lại dưới đáy vỏ lục địa, nó truyền nhiệt cho đá vỏ xung quanh. Đá vỏ lục địa giàu silic và có điểm nóng chảy thấp hơn bazan, nên chỉ cần được hâm nóng là đã chảy một phần. Magma sinh ra theo kiểu này thường đặc quánh, giàu silic, nguội chậm trong lòng đất thành những khối granit lớn.
Vì sao magma không phải là đá chảy hoàn toàn?
Đá không phải một chất tinh khiết như thiếc hay nhôm. Nó là hỗn hợp nhiều khoáng vật, mỗi loại có điểm chảy riêng. Khi nóng lên, khoáng vật chảy dễ nhất chảy trước, để lại phần khó chảy. Các nhà địa chất gọi đó là nóng chảy từng phần.
Ở sống núi giữa đại dương, đá lớp phủ thường chỉ chảy khoảng 10–20% trước khi phần lỏng tách ra đi lên. Phần lỏng ấy giàu silic, nhôm, canxi, natri hơn đá gốc; phần cặn ở lại giàu magie và sắt hơn. Nhờ vậy, từ cùng một lớp phủ, Trái Đất tách dần ra một lớp vỏ có thành phần khác hẳn bên dưới.
Hợp kim cũng không có một điểm chảy mà có một khoảng chảy, giữa đường lỏng và đường rắn. Trong khoảng ấy, vật liệu là bùn đặc gồm tinh thể rắn trôi trong chất lỏng. Magma trong buồng chứa phần lớn thời gian cũng ở trạng thái "cháo" như vậy: một hỗn hợp tinh thể, chất lỏng và bọt khí.
Magma đi lên mặt đất bằng cách nào?
Magma nhẹ hơn đá rắn xung quanh, thường ít đặc hơn khoảng 10%. Chênh lệch ấy tạo lực nổi đẩy nó lên, giống giọt dầu trong nước. Magma thấm theo kẽ hạt, gom thành mạch, rồi tách đá mở đường thành những khe nứt thẳng đứng. Khi tới vùng đá vỏ có tỉ trọng gần bằng nó, magma thường dừng lại, tụ thành buồng chứa ở độ sâu vài kilômét tới hơn chục kilômét.
Phần lớn magma không bao giờ phun ra ngoài mà nguội dần trong lòng đất. Một yếu tố quyết định chuyện phun êm hay phun nổ là lượng khí hoà tan, chủ yếu hơi nước và cacbon điôxít. Ở dưới sâu, áp suất giữ khí tan trong magma như CO₂ trong chai nước ngọt đậy nắp. Khi magma đi lên, áp suất giảm, khí tách thành bọt. Magma bazan loãng để bọt thoát dễ dàng, nên núi lửa Hawaii thường phun tràn. Magma giàu silic đặc quánh giữ bọt lại tới khi áp suất phá tung, nên núi lửa ở đới hút chìm hay phun nổ.
Việt Nam có magma và núi lửa không?
Hiện nay Việt Nam không có núi lửa nào đang hoạt động theo kiểu phun thường xuyên, nhưng dấu vết magma thì có ở nhiều nơi. Rõ nhất là các cao nguyên bazan ở Tây Nguyên và Đông Nam Bộ. Lớp đất đỏ bazan nuôi cà phê, hồ tiêu, cao su chính là đá bazan phong hoá qua hàng triệu năm. Bazan ấy từ những đợt magma phun trào trong mấy triệu năm gần đây, theo kiểu khe nứt và các miệng núi lửa nhỏ.
Một số địa điểm có thể tới tận nơi xem:
- Núi lửa Chư Đăng Ya (Gia Lai): miệng núi lửa đã tắt, sườn trồng dã quỳ, nổi tiếng mùa hoa cuối năm.
- Công viên địa chất Đắk Nông cũ, nay thuộc Lâm Đồng: được UNESCO công nhận là công viên địa chất toàn cầu năm 2020, có cả hệ thống hang trong đá bazan.
- Đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi): hòn đảo hình thành từ núi lửa, còn các miệng núi lửa và vách đá bazan ven biển.
- Hòn Tro gần đảo Phú Quý: sử ghi nhận một đợt phun dưới biển năm 1923 làm nhô lên một đảo nhỏ rồi sau đó bị sóng bào mòn.
Vì sao bazan Tây Nguyên lại phun ra ở giữa một mảng lục địa chứ không nằm trên ranh giới mảng vẫn còn được bàn luận: có ý kiến cho là do giảm áp khi vỏ bị kéo giãn, có ý kiến gắn với dòng lớp phủ nóng đi lên.
Magma liên quan gì tới kim loại và nghề luyện kim?
Magma là "lò nấu" đầu tiên của thiên nhiên. Khi magma nguội, các khoáng vật kết tinh lần lượt theo thứ tự nhiệt độ: khoáng giàu magie, sắt kết tinh trước, khoáng giàu silic, kali kết tinh sau. Một số kim loại như crom, niken, bạch kim có thể lắng xuống đáy buồng magma thành lớp giàu quặng. Phần dịch nóng cuối cùng còn sót lại mang theo nước, lưu huỳnh và kim loại hoà tan, đi vào khe nứt, sinh ra mạch quặng đồng, thiếc, vàng.
Người thợ luyện kim cũng tách kim loại bằng chính nguyên lý ấy: nấu chảy hỗn hợp, để thứ nặng chìm xuống, thứ nhẹ nổi lên thành xỉ. Lò cao tách gang khỏi xỉ; buồng magma tách quặng sunfua khỏi magma silicat.
Một điểm an toàn đáng nhớ: nhiều video quay cảnh người ta dùng gậy kim loại chọc dung nham ở Hawaii hay Iceland. Đó là các nhà núi lửa học có trang bị, làm việc theo quy trình và cho phép của cơ quan quản lý. Dung nham đang nguội có lớp vỏ đen bên ngoài nhưng bên trong vẫn hàng trăm độ; khu vực quanh miệng núi lửa còn có khí độc. Đi tham quan núi lửa hoạt động thì đi theo lối được mở, nghe hướng dẫn viên và theo dõi cảnh báo của địa phương.
Đọc thêm và đi xem ở đâu?
Muốn hiểu sâu hơn, nên bắt đầu từ chương địa chất trong sách giáo khoa Địa lý phổ thông, rồi tìm các tài liệu phổ biến khoa học của Cục Địa chất Hoa Kỳ (USGS) về núi lửa, vốn giải thích ba cơ chế nóng chảy rất rõ. Bảo tàng Địa chất ở Hà Nội trưng bày nhiều mẫu đá magma của Việt Nam.
Khi đi Tây Nguyên, thử để ý mặt cắt ven đường: mỗi lớp bazan là một đợt magma từng chảy tràn rồi nguội lại. Thứ mang về được: đá dưới chân không chảy vì nóng, mà chảy khi áp suất giảm, khi có nước, hoặc khi được magma khác hâm nóng.
Câu hỏi thường gặp
Magma là gì?
Magma là đá nóng chảy một phần nằm trong lòng đất, thường gồm chất lỏng silicat, tinh thể khoáng vật và khí hoà tan. Khi phun lên mặt đất, magma được gọi là dung nham. Nhiệt độ magma thường từ khoảng 650 °C tới 1.200 °C tuỳ thành phần.
Magma được hình thành ở đâu?
Phần lớn magma hình thành ở phần trên của lớp phủ và đáy vỏ Trái Đất, độ sâu từ vài chục tới khoảng 200 km. Những nơi sinh nhiều magma nhất là sống núi giữa đại dương, đới hút chìm và các điểm nóng như Hawaii, Iceland.
Bên dưới vỏ Trái Đất có phải là biển dung nham không?
Không. Sóng địa chấn cho thấy lớp phủ gần như hoàn toàn rắn, chỉ biến dạng rất chậm qua hàng triệu năm. Magma chỉ tồn tại thành túi, mạch và buồng chứa ở những nơi áp suất giảm, có thêm nước hoặc được cấp thêm nhiệt.
Magma và dung nham khác nhau thế nào?
Cùng là đá nóng chảy, khác nhau ở vị trí. Còn nằm trong lòng đất gọi là magma; đã thoát ra bề mặt gọi là dung nham. Dung nham mất phần lớn khí hoà tan khi phun ra nên thành phần khác magma ban đầu một chút.
Vì sao nước làm đá dễ nóng chảy hơn?
Nước len vào giữa các liên kết của khoáng vật silicat làm chúng yếu đi, nên đá cần ít nhiệt hơn để chảy. Ở đới hút chìm, nước từ mảng đại dương chìm xuống có thể hạ điểm nóng chảy của đá lớp phủ hàng trăm độ, sinh ra chuỗi núi lửa.
Việt Nam có núi lửa không?
Việt Nam có nhiều núi lửa đã tắt, nổi bật ở Tây Nguyên, Lâm Đồng và đảo Lý Sơn, cùng các cao nguyên bazan rộng lớn. Lần phun gần đây được ghi nhận là đợt phun dưới biển gần đảo Phú Quý năm 1923. Hiện không có núi lửa nào phun thường xuyên trên đất liền.
