Tại Công viên quốc gia Yellowstone của Mỹ có một địa điểm đặc biệt, nơi du khách vừa nhìn đồng hồ vừa chờ đợi. Trên mặt đất bằng phẳng, thoạt đầu chẳng có dấu hiệu gì đáng chú ý, nhưng đến giờ nhất định, nước nóng và hơi nước lại vọt lên cao giữa trời. Cột nước kéo dài vài phút rồi biến mất như chưa từng xuất hiện, và sau hơn một giờ lại phun lên. Đài phun nước tự nhiên này, tựa như mặt đất đang thở ra theo một nhịp đều đặn, chính là “mạch nước phun (Geyser)”.
Nói một cách dễ hiểu, mạch nước phun là “suối nước nóng mà nước ngầm được đun nóng dưới lòng đất phun mạnh lên cùng hơi nước theo những khoảng thời gian nhất định”. Khác với suối nước nóng thông thường luôn có nước đọng hoặc lặng lẽ chảy ra, đặc điểm nổi bật nhất của mạch nước phun là chu kỳ nghỉ rồi phun lặp đi lặp lại.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu từ nguồn gốc tên gọi và điều kiện hình thành mạch nước phun đến nguyên lý nước phun lên, những mạch nước phun tiêu biểu trên thế giới, rồi lý do chúng dễ biến mất và những giá trị tiềm ẩn của chúng.
Nồi áp suất dưới lòng đất: bí mật của mạch nước phun
Nguồn gốc tên gọi và điều kiện hình thành
Từ tiếng Anh Geyser bắt nguồn từ tên mạch nước phun “Geysir” ở phía tây nam Iceland. Trong tiếng Iceland, tên này có nghĩa là “thứ phun ra”; khi du nhập vào tiếng Anh vào cuối thế kỷ 18, từ này trở thành danh từ chung chỉ hiện tượng tương tự.
Có vẻ mạch nước phun có thể xuất hiện ở bất kỳ vùng núi lửa nào, nhưng thực tế đây là một dạng địa hình vô cùng hiếm trên Trái Đất. Đó là vì ba điều kiện sau phải đồng thời hội tụ.
- Nhiệt (Heat): Phải có magma ở độ sâu nông dưới lòng đất để nung nóng các khối đá xung quanh.
- Nước (Water): Nước mưa hoặc nước tuyết tan phải thấm sâu xuống lòng đất và liên tục bổ sung nguồn nước. Thông thường, nước đi xuống độ sâu khoảng 2,000 m để tiếp xúc với đá nóng.
- Hệ thống đường dẫn (Plumbing System): Phải có khoang chứa nước và đường dẫn hẹp nối lên bề mặt với hình dạng phù hợp.
Đặc biệt, điều kiện thứ ba rất khó đáp ứng. Nếu nền đá mềm, đường dẫn sẽ bị bào mòn sau mỗi lần phun, khiến mạch nước phun nhanh chóng bị phá hỏng. Vì vậy, ngay cả trong những vùng núi lửa có nhiều suối nước nóng, vũng bùn và lỗ thoát hơi, mạch nước phun thực sự phun nước lên vẫn hiếm khi xuất hiện.
Nguyên lý khiến nước vọt lên trời
Cách hoạt động của mạch nước phun giống với nồi áp suất trong bếp. Một đợt phun diễn ra qua ba giai đoạn chính sau đây.
(1) Nước được nạp đầy và nóng dần lên
Trong khi nước ngầm lấp đầy khoang chứa và đường dẫn, nước ở phía dưới được đá nóng đun lên. Do đường dẫn hẹp, quá trình đối lưu khiến nước bên trên và bên dưới hòa trộn rồi nguội đi khó diễn ra.
(2) Nước phía trên đóng vai trò như nắp đậy
Trọng lượng của cột nước phía trên đè lên lớp nước phía dưới. Áp suất càng cao thì nhiệt độ sôi càng tăng, nên nước ở đáy vẫn không thể sôi và tiếp tục ở trạng thái lỏng dù nhiệt độ đã vượt xa 100℃. Loại nước này được gọi là nước quá nhiệt.
(3) Áp suất được giải phóng và nước sôi đồng loạt
Cuối cùng, khi bọt khí hình thành ở đáy rồi nổi lên, một ít nước tràn ra khỏi miệng. Ngay khi cột nước nhẹ đi khiến áp suất giảm, nước quá nhiệt đồng loạt chuyển thành hơi nước, thể tích tăng mạnh, đẩy nước và hơi nước phun dữ dội ra khỏi miệng.
Khi đợt phun kết thúc, lượng nước còn lại nguội xuống dưới nhiệt độ sôi, nước ngầm lại thấm vào và toàn bộ quá trình được lặp lại từ đầu. Trong khi đó, quanh miệng mạch nước phun có đá màu trắng hoặc xám tích tụ; đó là trầm tích silic (Geyserite), hình thành khi axit silicic hòa tan trong nước nóng nguội đi và kết tủa trên bề mặt.
Những mạch nước phun tiêu biểu trên thế giới
Mạch nước phun được chia thành hai loại chính. Đó là mạch nước phun dạng đài phun (Fountain Geyser), phun từ vũng nước thành nhiều đợt dữ dội như những vụ nổ, và mạch nước phun dạng nón (Cone Geyser), nơi tia nước mảnh liên tục vọt lên từ gò hình nón do trầm tích silic tích tụ tạo thành.
Công viên quốc gia Yellowstone (Yellowstone National Park)
Đây là nơi có nhiều mạch nước phun nhất thế giới, tập trung khoảng 300–500 mạch, chiếm gần một nửa tổng số mạch nước phun trên Trái Đất. Đại diện tiêu biểu là Old Faithful, một mạch nước phun dạng nón được đoàn thám hiểm đặt tên vào năm 1870; trung bình cứ khoảng 92 phút lại phun một lần nên nó mang tên “Lão tướng đáng tin cậy”. Mạch nước phun Steamboat trong cùng công viên có cột nước cao nhất trong số các mạch nước phun hiện còn hoạt động, với những đợt phun lớn bắn nước lên quá 90 m. Tuy nhiên, khoảng cách giữa các lần phun dao động thất thường từ ba ngày đến hàng chục năm, khiến việc dự đoán thời điểm phun trở nên khó khăn.
Iceland (Iceland)
Geysir, mạch nước phun đã tạo nên tên gọi chung, luân phiên trải qua các thời kỳ hoạt động và ngủ yên. Strokkur ở ngay bên cạnh phun nước trong vài giây sau mỗi vài phút, trở thành điểm tham quan nơi bất kỳ du khách nào cũng dễ dàng chứng kiến cảnh phun nước.
Ngoài ra, bán đảo Kamchatka của Nga, El Tatio của Chile và Đảo Bắc của New Zealand cũng được xem là những khu vực tiêu biểu tập trung nhiều mạch nước phun.
Những mạch nước phun dễ biến mất và giá trị tiềm ẩn
Mạch nước phun không phải là dạng địa hình tồn tại lâu bền. Chúng có thể ngừng phun khi khoáng chất tích tụ làm tắc đường dẫn hoặc khi động đất làm thay đổi cấu trúc dưới lòng đất. Tác động của con người cũng là một mối đe dọa lớn. Không ít mạch nước phun đã ngừng hoạt động do đá hoặc rác mà người xem ném xuống làm tắc miệng, và cũng có trường hợp chúng ngừng phun sau khi nhà máy điện địa nhiệt được xây dựng gần đó khai thác nước ngầm.
Mặt khác, mạch nước phun cũng là nơi khiến chúng ta suy nghĩ lại về giới hạn của sự sống. Cho đến tận thập niên 1960, các nhà khoa học vẫn cho rằng sự sống không thể tồn tại khi nhiệt độ vượt khoảng 73℃. Tuy nhiên, các vi khuẩn ưa nhiệt liên tiếp được phát hiện trong nước nóng ở Yellowstone, và enzyme chịu nhiệt thu được từ một loài trong số đó, Thermus aquaticus, đã trở thành thành phần cốt lõi của phản ứng chuỗi polymerase (PCR) dùng trong xét nghiệm di truyền. Chính những vi sinh vật này cũng khiến khu vực quanh mạch nước phun mang màu vàng, cam và xanh lá.
Những đợt phun tương tự cũng được quan sát thấy ngoài Trái Đất. Các luồng hơi nước đã được ghi nhận gần cực nam của Enceladus, vệ tinh của Sao Thổ, còn trên Triton, vệ tinh của Sao Hải Vương, người ta đã ghi nhận cảnh nitơ phun ra.
Chỉ hình thành khi nhiệt và nước dưới lòng đất kết hợp với một hệ thống đường dẫn tinh tế, mạch nước phun cho chúng ta tận mắt thấy Trái Đất đang sống và vận động. Suy ngẫm về khoa học của áp suất và nhiệt độ sôi ẩn trong một cột nước vọt lên chính là bước đầu tiên của khoa học để hiểu về Trái Đất sống động.
