Phun Nổ Thủy Nhiệt Là Gì? Cấu Trúc Địa Chất Và Nguy Cơ Bùng Nổ Phreatic Bất Ngờ

Ngày 27 tháng 9 năm 2014, hàng trăm người đang thong thả leo lên đỉnh Ontake ở Nhật Bản giữa mùa lá đỏ. Trời trong, nắng đẹp, và không ai nghĩ rằng chỉ vài phút sau mọi thứ sẽ đổi khác hoàn toàn. Mỗi lần nhắc lại câu chuyện này, chúng tôi lại thấy nghẹn lòng, bởi nó là hình ảnh điển hình của phun nổ thủy nhiệt (Phreatic eruption hay Hydrothermal explosion), một trong những hiện tượng địa chất nguy hiểm và khó dự báo nhất tại các vùng núi lửa còn hoạt động.

Khác với các đợt phun trào thông thường có magma tươi tham gia trực tiếp, bùng nổ Phreatic diễn ra do áp suất hơi nước cực hạn tích tụ trong lòng đất. Khi bùng phá, nó giải phóng khí độc, tro bụi và đá vụn rơi xuống với tốc độ rất nhanh. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ cùng bạn tìm hiểu cơ chế, dấu hiệu nhận biết, những sự kiện đáng nhớ trong lịch sử và cách các nhà khoa học theo dõi hiện tượng này.

Phun Nổ Thủy Nhiệt (Phreatic) Là Gì?

Phun nổ thủy nhiệt (Phreatic) là loại hình bùng nổ xảy ra khi nước ngầm, nước hồ hoặc nước mưa thấm sâu xuống lòng đất bị đun nóng đột ngột bởi magma, dung nham, đá nóng hoặc các lớp trầm tích núi lửa mới. Nước sôi, bốc hơi nhanh và làm áp suất trong các khe nứt đá tăng vọt. Theo định nghĩa của Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), đây là những vụ nổ do hơi nước thúc đẩy.

Nhiệt độ của magma có thể dao động từ khoảng 500 đến 1.170 độ C, đủ để làm nước bốc hơi gần như tức thời. Các nhà nghiên cứu núi lửa phân tích cơ chế của hiện tượng này qua những yếu tố cốt lõi sau:

• Cơ chế nén áp suất hơi nước (Steam-driven Blast): Khi nước tiếp xúc với lớp đá tích nhiệt nóng đỏ gần buồng magma, nó chuyển từ thể lỏng sang thể hơi. Thể tích hơi nước lớn hơn nước lỏng ban đầu hàng nghìn lần, nên áp suất tích tụ mãnh liệt trong hệ thống ống dẫn kín cho đến khi vượt quá sức chịu đựng của đá.
• Vụ nổ không chứa magma tươi (Non-magmatic Eruption): Vật chất bị xé rách và bắn ra không trung chủ yếu là đá cổ bị phong hóa, đá vụn bề mặt và tro bụi nghiền nát, không có magma lỏng trẻ. Nếu magma tham gia vào vụ nổ thì các nhà núi lửa học xếp nó vào loại phun trào Phreatomagmatic.
• Tốc độ bùng phát tức thì: Các vụ nổ Phreatic thường xảy ra rất nhanh và hiếm khi có dấu hiệu báo trước điển hình như magma dâng cao hoặc sườn núi phồng lên rõ rệt. Đây chính là điều khiến chúng trở nên khó lường.
• Hệ thống thủy nhiệt kín: Nhiều vụ nổ bắt nguồn từ các lớp đá bị biến đổi, đóng vai trò như nắp đậy khiến hơi nước và khí không thoát ra được. Khi nắp này vỡ, năng lượng tích tụ bị giải phóng cùng lúc.

(Xem thêm: Kiểu Phun Trào Strombolian Là Gì? Cơ Chế Nổ Định Kỳ Của Núi Lửa)

Các Đặc Điểm Nhận Biết Và Mối Đe Dọa Của Bùng Nổ Phreatic

Một đợt bùng phát thủy nhiệt để lại những dạng tàn phá rất đặc trưng đối với khu vực xung quanh:

• Bắn văng đá vụn và bom đá (Ballistic Blocks): Áp suất hơi nước xé rách vách đá và ném ra những tảng đá lớn với tốc độ rất cao, rơi xuống trong bán kính từ vài trăm mét đến vài ki lô mét quanh miệng hố. Đây thường là nguyên nhân gây thương vong nhiều nhất. Vụ phun trào Phreatic năm 1924 tại núi lửa Kilauea từng ném những tảng đá nặng ước tính tám tấn ra xa tới một ki lô mét.
• Phát tán khí độc và cột tro bụi mịn: Vụ nổ xả ra các cột tro xám cùng lượng lớn khí nguy hiểm như Hydrogen Sulfide (H2S), Sulfur Dioxide (SO2) và Carbon Dioxide (CO2). Carbon Dioxide có thể gây ngạt ở nồng độ đủ cao, còn Hydrogen Sulfide là chất độc tác động lên nhiều hệ cơ quan. Năm 1979, một vụ nổ Phreatic nhẹ trên cao nguyên Dieng ở Indonesia đã khiến hơn một trăm người tử vong vì khí độc.
• Nguy cơ chuyển sang Phreatomagmatic: Nếu vụ nổ làm vỡ hoàn toàn lớp đá chắn phía trên, nó có thể mở đường cho magma sâu bên dưới thoát ra. Khi đó đợt bùng phát chuyển từ nổ hơi nước thuần túy sang phun trào hỗn hợp magma và nước, mạnh hơn và tàn khốc hơn nhiều.
• Dấu hiệu báo trước cho các đợt phun trào lớn: Tại núi lửa Mount St. Helens ở Hoa Kỳ, hàng trăm vụ nổ hơi nước đã diễn ra trước đợt phun trào Plinian năm 1980. Vì vậy một vụ nổ Phreatic đôi khi là lời cảnh báo sớm cho điều lớn hơn sắp đến.

Những Sự Kiện Phun Nổ Thủy Nhiệt Tiêu Biểu Trong Lịch Sử

Lịch sử địa chất đã ghi lại nhiều tai nạn đau lòng do hiện tượng nổ Phreatic gây ra:

• Núi lửa Ontake (Nhật Bản, năm 2014): Thảm họa xảy ra giữa trưa một ngày nắng đẹp, khi hàng trăm du khách đang thưởng ngoạn trên đỉnh núi. Vụ nổ hơi nước diễn ra gần như không báo trước, ném đá và tro bụi xuống những người đang đi bộ, khiến 63 người thiệt mạng. Đây là vụ phun trào núi lửa gây tử vong nhiều nhất tại Nhật Bản kể từ sau Chiến tranh Thế giới thứ hai.
• Đảo núi lửa Whakaari hay White Island (New Zealand, năm 2019): Vụ nổ Phreatic xảy ra vào ngày 9 tháng 12 năm 2019 khi nhiều đoàn du khách đang tham quan ngay trong lòng hố lửa. Thương vong rất lớn, để lại bài học đắt giá cho ngành du lịch địa chất toàn cầu về việc đánh giá rủi ro tại các điểm đến núi lửa còn hoạt động.
• Núi lửa Bulusan và Taal (Philippines): Cả hai thường xuyên ghi nhận các đợt Phreatic ngắn hạn, xả tro bụi bốc cao hàng nghìn mét, buộc chính quyền phải liên tục điều chỉnh cấp độ cảnh báo và sơ tán dân cư.
• Núi lửa Kilauea (Hawaii, Hoa Kỳ): Có lịch sử lâu dài về các vụ nổ hơi nước. Đợt bùng phát năm 1924 tại hố Halema'uma'u kéo dài 18 ngày với những cột tro cao liên tiếp, mạnh nhất vào ngày 18 tháng 5.

Vì Sao Phun Nổ Thủy Nhiệt Khó Dự Báo?

Câu hỏi này khiến nhiều nhà khoa học trăn trở suốt nhiều năm. Với phun trào magma thông thường, các tín hiệu như động đất tăng dần, mặt đất biến dạng hay lượng khí thay đổi thường xuất hiện theo từng giai đoạn. Còn với Phreatic, năng lượng chủ yếu nằm trong hệ thống nước nóng và hơi nước nông, nên các tín hiệu đó có thể rất yếu hoặc chỉ xuất hiện trong thời gian ngắn trước vụ nổ. Một nghiên cứu về dự báo phun nổ Phreatic tại núi lửa Hakone của Nhật Bản, do nhóm tác giả gồm các nhà khoa học USGS tham gia, cho thấy việc tìm ra quy luật chung vẫn còn nhiều thách thức.

Nói cách khác, ngay cả khi núi lửa trông yên tĩnh, bên dưới vẫn có thể đang tích tụ áp suất. Đây là lý do chúng tôi luôn nhấn mạnh việc tôn trọng các vùng cấm.

Công Tác Giám Sát Và Cảnh Báo An Toàn Của Các Cơ Quan Địa Chất

Do tính chất khó dự báo của các vụ nổ Phreatic, các tổ chức địa chất chuyên trách như JMA, USGS, PHIVOLCS và PVMBG áp dụng công nghệ giám sát đa chiều:

• Cảm biến đo nồng độ khí và nhiệt độ suối nước nóng: Theo dõi thay đổi bất thường về nhiệt độ nước ngầm và tỷ lệ khí CO2 và SO2 thoát ra từ các lỗ khí nhiệt (fumaroles).
• Đo đạc vi địa chấn tần số cao (Micro-seismicity): Ghi nhận các rung chấn nhỏ do áp suất nước sôi sục làm nứt những khe đá sâu dưới lòng đất.
• Quan trắc biến dạng mặt đất và ảnh nhiệt: Phát hiện những thay đổi rất nhỏ về hình dạng sườn núi và nhiệt độ bề mặt quanh miệng hố.
• Thiết lập vùng cấm tiếp cận bán kính an toàn: Duy trì vùng cấm leo núi nghiêm ngặt từ 1 km đến 3 km quanh các miệng hố có hoạt động thủy nhiệt mạnh.

Nếu có dịp tham quan những vùng địa nhiệt như vậy, chúng tôi khuyên bạn kiểm tra cấp độ cảnh báo mới nhất trước chuyến đi, đi cùng hướng dẫn viên có chứng nhận và rời khỏi khu vực ngay khi cơ quan chức năng yêu cầu. Một bức ảnh đẹp không bao giờ đáng để đánh đổi bằng an toàn của bản thân.

Kết Luận

Phun nổ thủy nhiệt (Phreatic) cho thấy sức mạnh tiềm ẩn và sự biến động khó lường của vỏ Trái Đất. Chỉ cần nước, nhiệt và một nắp đá kín là đủ để tạo ra một vụ nổ đột ngột. Việc tuân thủ nghiêm ngặt chỉ dẫn từ cơ quan chức năng và trang bị kiến thức địa chất là yếu tố tiên quyết để bảo vệ con người khi hoạt động tại các vùng núi lửa địa nhiệt trên toàn cầu. Chúng tôi tin rằng hiểu biết chính là cách tôn trọng những người đã ngã xuống và bảo vệ những người sẽ đến sau.

Nguồn tham khảo:

• USGS, Glossary Phreatic eruption
• USGS, Towards forecasting phreatic eruptions: Examples from Hakone volcano and some global equivalents