Vụ phun trào núi lửa Tonga 2022: Hé mở yếu tố kích hoạt

Vào ngày 15 tháng 1 năm 2022, núi lửa Hunga (vương quốc Tonga) đã phun trào với sức mạnh khủng khiếp đến mức bầu khí quyển của Trái Đất tràn ngập nước và tạo một lỗ thủng mới trên tầng ozone. Vụ phun trào xảy ra ở một ngọn núi lửa nằm ở phía Nam Thái Bình Dương này đã phá vỡ một loạt kỷ lục trước đây, tạo ra luồng khói núi lửa lớn nhất từng quan sát được (vươn tới độ cao 58km) đồng thời tạo ra một trong những âm thanh lớn nhất mà thế giới từng được nghe thấy (có nhân chứng nghe thấy vụ nổ ở bang Alaska, Mỹ, nơi cách ngọn núi lửa khoảng 10,000 km).

Song, dù có không ít dữ liệu địa chấn về vụ nổ, cho đến nay, các nhà khoa học vẫn phải vật lộn để giải thích nguyên nhân khiến Hunga Tonga phun trào dữ dội như vậy. Để tìm ra câu trả lời, TS. Phạm Thành Sơn (Đại học Quốc gia Úc) và các cộng sự đã xây dựng một mô hình kết hợp nhiều loại dữ liệu địa vật lý quan trắc được, và mới đây, kết quả nghiên cứu đã được trình bày trong bài báo “A Composite Seismic Source Model for the First Major Event During the 2022 Hunga (Tonga) Volcanic Eruption” trên tập san Geophysical Research Letters.

Thách thức giả thuyết cũ

Dù không ảnh hưởng đến Việt Nam, vụ nổ thế kỷ ở Tonga đã gây ra lực đẩy nước theo phương thẳng đứng lên bầu khí quyển và gây ra sóng thần cao tới 45 mét ở các đảo gần đó. Sau gần hai năm, nguyên nhân kích hoạt sự kiện thảm khốc này vẫn là một bí ẩn đối với cộng đồng khoa học. “Một trong những thách thức lớn nhất khi nghiên cứu về vụ phun trào này nằm ở việc nó xảy ra ở một vùng biển xa xôi”, TS. Phạm Thành Sơn giải thích với Báo KH&PT.

Khoảng cách gần nhất giữa trạm địa chấn và núi lửa là khoảng 700 km. Ở khoảng cách này, các nhà khoa học không thể sử dụng các sóng có tần số cao mà phải dùng sóng có tần số thấp. Bên cạnh đó, các dữ liệu quan sát được có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhiễu địa chấn đặc trưng trong môi trường biển, hoặc do những hiểu biết hạn chế về cấu trúc địa chất xung quanh núi lửa. “Không có những trạm quan trắc đủ gần để có thể theo dõi một cách chi tiết quá trình phun trào xảy ra như thế nào”, TS. Phạm Thành Sơn cho biết. Đó là lý do dù vụ phun trào núi lửa Tonga là một trong những vụ phun trào được quan trắc tốt nhất, bao gồm các dữ liệu địa chấn và quan sát từ vệ tinh, các nhà nghiên cứu vẫn chưa hiểu rõ về vụ nổ đầu tiên, kích hoạt toàn bộ chuỗi phun trào núi lửa sau đó.


Trước bài toán này, TS. Phạm Thành Sơn và nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích sóng địa chấn mà nhóm nghiên cứu đã phát triển gần đây để phân tích định lượng những vụ thử hạt nhân gần ở Bắc Triều Tiên – phương pháp nghịch đảo mô men địa chấn. Tuy nhiên, “sai số gây ra bởi các mô hình giả định của cấu trúc của trái đất sẽ tăng lên theo tỷ lệ thuận với khoảng cách tới trạm quan sát ở khoảng cách xa”, TS. Phạm Thành Sơn cho biết.

Để giải quyết hạn chế này, nhóm đã nghiên cứu đề xuất giải pháp định lượng những sai số có thể xảy ra nhằm giảm thiểu ảnh hưởng gây ra bởi các yếu tố nhiễu. “Một ưu điểm lớn của phương pháp mới được đề xuất này là nó tiết kiệm về mặt thời gian tính toán hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống khác, do đó có thể phân tích dữ liệu một cách chi tiết hơn và cụ thể hơn”, anh cho biết thêm.

Trước đó, trong một nghiên cứu trên tập san Journal of Volcanology and Geothermal Research, nhóm nghiên cứu đã đề xuất mô hình “khí nén áp suất cao” gây ra vụ nổ đầu tiên kích hoạt chuỗi phun trào Tonga. Và kết quả mới đây đã tiếp tục làm sáng tỏ yếu tố kích hoạt vụ phun trào thế kỷ này. “Những phát hiện của chúng tôi xác nhận đã có một vụ nổ, có thể là do khí nén dưới áp suất rất cao bị giải phóng đột ngột. Năng lượng của vụ nổ khí nén này tương đương với năm vụ nổ hạt nhân ngầm lớn nhất do Bắc Triều Tiên thực hiện vào năm 2017”, nhóm nghiên cứu cho biết.

“Mô hình của chúng tôi cho thấy sự kiện này là kết quả của việc đá nén khí bị mắc kẹt bên dưới một vùng biển nông bị giải phóng đột ngột, giống như việc nổ một nồi áp suất khi bị nấu quá lửa”. Phát hiện về cơ chế nổ này là tương đối mới mẻ với nhiều người vì cho đến nay, người ta vẫn thường nghĩ rằng sự tương tác nhanh chóng giữa nham thạch nóng với nước biển lạnh đã gây ra vụ nổ dưới nước lớn như vậy.

Mô hình mới được đề xuất cho thấy có một lực hướng lên khổng lồ bên cạnh vụ nổ chính. Các nhà nghiên cứu tại ĐHQG Úc cho rằng vụ phun trào xảy ra khi một vụ nổ dưới nước nông khiến nước phía trên núi lửa bị đẩy lên thẳng đứng. Khi lượng nước khổng lồ bị đẩy lên một cách đột ngột, áp lực lên khối đá nén bên dưới bị triệt tiêu, khiến nó “nảy lên” với lực cực mạnh. Bằng cách định lượng độ lớn của lực “nảy lên” này, các tác giả có thể ước lượng thể tích nước bị đẩy lên bởi vụ nổ. “Theo ước tính của chúng tôi, lượng nước bật lên trong sự kiện này có thể lấp đầy khoảng một triệu hồ bơi tiêu chuẩn Olympic”, TS. Phạm Thành Sơn chia sẻ.

Chuẩn bị cho tương lai

Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng, mô hình của họ dùkhả thi và phù hợp với các quan trắc hiện cóvẫn còn “có thể gây tranh luận”trong cộng đồng khoa học. “Tuynhiên những tranh luận này là lành manh và cần thiết để thúc đẩy những hiểu biết mới về vụ phun trào lịch sử này”, nhóm nghiên cứu cho biết.

Và việc hiểu rõ về cơ chế giải phóng khí núi lửa và hoạt động địa chấn nhỏ từ các địa điểm núi lửa như vậy là điều vô cùng quan trọng. “Khi hiểu được những cơ chế này, chúng ta có thể thiết lập được những mạng quan sát tốt hơn khi những vụ nổ tiếp theo xảy ra, cũng như đưa ra được những cảnh báo chính xác hơn”, TS. Phạm Thành Sơn nhấn mạnh.

Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa thể đưa ra được các dự báo về các vụ núi lửa phun trào hay các trận động đất tương tự như các dự báo thời tiết. “Hầu hết các nghiên cứu hiện tại đều đang tập trung theo hướng nhằm phát hiện ra các bất thường từ các dữ liệu địa vật lý sau khi các trận động đất hoặc các vụ phun trào đã xảy ra”, TS. Phạm Thành Sơn cho biết. “Tuy nhiên, các kỹ thuật để thu thập các tín hiệu địa vật lý ‘nhạy cảm’ đó theo thời gian thực là chưa khả thi”. Đó là lý do cảnh bảo gần đây về siêu động đất tại Nhật Bản đã không hề diễn ra như dự đoán đưa ra bởi nhà chức trách.

Thách thức này cũng là lý do nhóm nghiên cứu mong muốn có thể định lượng hóa tốt hơn nữa các sai số trong mô hình trái đất để có thể hiểu rõ hơn về cơ chế của đa dạng các nguồn địa chấn. “Chủ đề này là một trong những hướng nghiên cứu chính của nhóm chúng tôi tại ĐHQG Úc, tập trung vào nghiên cứu về phương pháp phân tích các nguồn địa chấn (seismic source)”, TS. Phạm Thành Sơn chia sẻ. Nguồn địa chấn có thể bao gồm động đất thông thường, tức là động đất do sự dịch chuyển của địa mảng, hoặc núi lửa phun trào, cũng như các nguồn địa chấn nhân tạo như các vụ thử hạt nhân.

Vụ phun trào Tonga là sự kiện địa chất được ghi nhận bằng công cụ tốt nhất so với các sự kiện có quy mô tương tự trong quá khứ. Thực tế, có một vụ phun trào xảy ra vào năm 1991 với quy mô tương tự tại núi lửa Pinatubo, Philippines, song khi đó, hệ thống quan trắc địa chấn chưa được tinh vi như bây giờ.

“Vụ phun trào Tonga là một trong những sự kiện lớn nhất trong cuộc đời chúng ta. May mắn thay, chúng ta có nhiều cách để ghi lại sự kiện, từ dữ liệu từ hình ảnh vệ tinh đến mạng lưới các cảm biến địa chấn và cảm biến sóng âm được lắp đặt trên bề mặt của trái đất”, nhóm nghiên cứu cho biết. Song, “luôn luôn có những bất ngờ có thể xảy ra và phải luôn chuẩn bị cho những bất ngờ ấy trong quá trình nghiên cứu, tìm hiểu về sự kiện tự nhiên”, TS. Phạm Thành Sơn rút ra kinh nghiệm.