Lực Cắt Trong Magma Khởi Tạo Sự Hình Thành Bong Bóng, Thay Đổi Mô Hình Núi Lửa

Trong nhiều thập kỷ, giới khoa học địa chất thống nhất quan điểm rằng sự hình thành bong bóng khí, yếu tố quyết định động lực học của các vụ phun trào núi lửa, chủ yếu là hệ quả của việc giảm áp suất khi magma di chuyển lên bề mặt Trái Đất. Tuy nhiên, một công trình nghiên cứu được công bố vào năm 2025 bởi một nhóm chuyên gia quốc tế đã chứng minh các lực cơ học có thể đóng vai trò khởi tạo độc lập, định hình lại nền tảng của ngành núi lửa học và các mô hình dự báo nguy cơ phun trào hiện tại.

Nghiên cứu, có sự tham gia của các chuyên gia từ ETH Zurich như Olivier Bachmann và được dẫn dắt một phần bởi Olivier Roche, đã chứng minh rằng hành động đơn giản của việc di chuyển và biến dạng magma bão hòa khí có thể thúc đẩy quá trình tạo mầm bong bóng mà không cần sự thay đổi đáng kể nào về áp suất môi trường. Các nhà khoa học tập trung vào tác động của lực cắt, một loại ứng suất trượt hoặc xoắn xảy ra do sự di chuyển khác biệt của dòng magma bên trong ống dẫn núi lửa, đặc biệt tại các khu vực gần thành ống dẫn nơi ma sát đạt mức cao nhất. Công trình này chính thức giới thiệu một cơ chế tạo mầm mới, được gọi là sự tạo mầm do lực cắt, bổ sung cho quy trình giảm áp truyền thống vốn đã được chấp nhận từ lâu.

Để kiểm chứng giả thuyết, các nhà nghiên cứu đã xây dựng một hệ thống tương tự sử dụng polymer nóng chảy được bão hòa carbon dioxide (CO2) dưới áp suất, đóng vai trò vật liệu thay thế cho magma tự nhiên. Trong các thí nghiệm được kiểm soát, họ quan sát thấy sự hình thành bong bóng tự phát xảy ra tại những vùng có ứng suất cơ học cao khi lực cắt được áp dụng. Một chi tiết quan trọng được xác định là ứng suất cắt tới hạn cần thiết để khởi tạo sự hình thành bong bóng sẽ giảm xuống khi nồng độ khí hòa tan trong magma tăng lên.

Phân tích chiều không gian áp dụng cho các hệ thống tự nhiên cho thấy cơ chế tạo mầm do lực cắt này có khả năng xảy ra trong các ống dẫn núi lửa, đặc biệt đối với các loại magma có độ nhớt cao, môi trường mà lực cắt là phổ biến. Khám phá này mang lại ý nghĩa sâu sắc cho việc giải thích các kiểu phun trào khác nhau, có khả năng làm sáng tỏ lý do tại sao các magma có độ nhớt cao và giàu chất dễ bay hơi đôi khi lại tạo ra các vụ phun trào êm dịu, chảy tràn thay vì các vụ nổ dữ dội. Sự hình thành bong bóng sớm do lực cắt cho phép giải phóng khí một cách dần dần, làm giảm áp suất bên trong trước khi magma đạt đến các khu vực giảm áp tới hạn, từ đó làm mềm hành vi phun trào.

Các nhà khoa học tại ETH Zurich chỉ ra rằng sự khác biệt về vận tốc dòng chảy—magma chảy chậm hơn ở rìa và nhanh hơn ở trung tâm—tạo ra sự nhiễu loạn vi mô kích hoạt sự hình thành bong bóng. Hơn nữa, cơ chế mới này đặt ra nghi vấn về cách giải thích truyền thống đối với các hồ sơ địa chất, vì các ước tính trước đây về tốc độ magma đi lên, vốn dựa trên kết cấu bong bóng, có thể bị đánh giá quá cao nếu sự tạo mầm do lực cắt có vai trò đáng kể. Các mô hình dự báo nguy cơ núi lửa, vốn dựa trên các phương pháp như Mô hình Dự báo Thất bại (FFM) hoặc các mô hình vật lý và thực nghiệm khác, hiện cần được cập nhật để tích hợp rõ ràng hiệu ứng của lực cắt trong các ống dẫn, mở ra những chiến lược giảm thiểu rủi ro chính xác hơn.