MAGMA CHẢY DỄ HƠN KHI BỊ NÉN — NHƯNG ĐÓ KHÔNG PHẢI LÝ DO NÓ TÍCH TỤ

Các mảng kiến tạo của Trái Đất trượt trên quyển mềm (asthenosphere), một lớp của manti trên mềm khác thường. Một ý tưởng lâu đời cho rằng một lượng nhỏ đá nóng chảy — magma bazan — góp phần làm mềm lớp này. Chất nóng chảy ấy di chuyển dễ đến đâu ở dưới sâu phụ thuộc vào độ nhớt của nó. Và chính ở đó, một kết quả kỳ lạ đã chia rẽ giới khoa học Trái Đất.

Hầu hết vật liệu bị nén đều trở nên cứng hơn. Thế nhưng các thí nghiệm áp suất cao, đáng chú ý là của Sakamaki và cộng sự năm 2013, cho thấy bazan nóng chảy lại trở nên kém nhớt hơn dưới áp suất, xuống tới một cực tiểu ở độ sâu khoảng 90 đến 150 kilômét, trước khi cứng lại. Ý tưởng này từng được dùng để giải thích cách magma di chuyển, những bất thường địa chấn trong manti và sự phân lớp hóa học. Năm 2025, Russell và cộng sự phản bác rằng cực tiểu này là một sai lệch thực nghiệm, gây ra bởi nhiệt độ kiểm soát kém: khi hiệu chỉnh lại, theo họ, độ nhớt chỉ đơn giản tăng theo áp suất.

Vì sao các thí nghiệm gặp khó

Ở những áp suất này, rất khó tách bạch nhiệt độ với áp suất. Nhiệt kế trong các máy ép áp suất cao có sai số từ 50 đến 100 kelvin hoặc hơn, còn phương pháp kinh điển — đo thời gian một viên bi nhỏ rơi qua chất nóng chảy — bị nhiễu bởi thành của những chiếc nang chỉ cỡ milimét. Hiệu ứng cần tìm thì tinh tế; nhiễu thì không.

Hàng tỷ bước nguyên tử

Hongkun Zeng, Liang Yuan và các đồng nghiệp tại Đại học Địa chất Trung Quốc ở Vũ Hán, Đại học Bayreuth và Đại học Tứ Xuyên đã chuyển sang mô phỏng. Họ mô hình hóa một loại bazan đơn giản hóa (hỗn hợp của hai khoáng vật diopside và anorthite) đến từng nguyên tử, với lực được tính từ cơ học lượng tử và được một mạng nơ-ron bắt chước, cho phép mô phỏng chạy lâu hơn hơn 1.000 lần so với các phương pháp lượng tử thông thường.

Chìa khóa nằm ở thống kê. Với mỗi áp suất và nhiệt độ, họ chạy 150 đến 600 mô phỏng độc lập, mỗi mô phỏng 5 nano giây, tổng cộng ít nhất 7,5 micro giây cho mỗi lộ trình, sau khi kiểm tra rằng phương pháp của họ tái hiện mật độ đo được của các khoáng vật thật với sai lệch dưới 1%. Nhờ đó, sai số của độ nhớt giảm xuống còn 1 đến 3%, so với tới 50% trong các nghiên cứu trước.

Một chữ U nông

Ở nhiệt độ không đổi 2.073 kelvin, độ nhớt vẽ nên một chữ U thoai thoải: 0,108 pascal-giây ở áp suất bằng không, cực tiểu 0,088 ở 3 gigapascal, rồi 0,104 ở 6 gigapascal — mức giảm khoảng 19%.

Còn dọc theo đường cong nóng chảy, như trong các thí nghiệm, độ nhớt lại giảm khoảng 23 lần giữa 0 và 6 gigapascal — nhưng chủ yếu là do nhiệt độ tăng. Ở áp suất bằng không, việc hạ nhiệt từ 2.073 xuống 1.619 kelvin làm độ nhớt tăng khoảng 18 lần. Như vậy, một sai số thực nghiệm điển hình 100 kelvin làm độ nhớt dịch chuyển hơn hai mươi lần độ sâu của chữ U. Chẳng trách nó khó thấy đến vậy.

Nguyên nhân nằm ở cấu trúc nguyên tử. Silic phần lớn vẫn bị khóa trong những nhóm cứng gồm bốn nguyên tử oxy. Ngược lại, nhôm sắp xếp lại mạnh mẽ dưới áp suất — tỷ lệ các nhóm năm oxy của nó tăng từ khoảng 20% lên 50% tổng số — và những vị trí nhôm hiếm hoi, thay đổi nhanh này khớp với thời gian cần để chất nóng chảy hồi phục. Chính chúng, chứ không phải khung silic, quyết định nhịp độ của dòng chảy.

Nhiệt độ, chứ không phải chỗ trũng

Sau đó, nhóm nghiên cứu mô hình hóa cách chất nóng chảy thấm dần lên trên qua manti. Độ linh động của nó tăng theo độ sâu, đạt đỉnh gần 150 kilômét, rồi giảm khi chất nóng chảy đi lên và nguội đi, nên magma có xu hướng dừng lại và tích tụ ngay bên dưới mảng cứng — phù hợp với các dấu hiệu địa chấn và điện về một lớp giàu chất nóng chảy ở độ sâu 45 đến 70 kilômét.

Nhưng các tác giả nhấn mạnh một sắc thái mà chính phần tóm tắt của họ nói nhẹ đi: đỉnh linh động này đến từ sự cạnh tranh giữa áp suất và nhiệt độ dọc theo cấu trúc nhiệt của Trái Đất, không phải từ cực tiểu ở 3 gigapascal. Cực tiểu độ nhớt là có thật, họ kết luận, nhưng “không cần thiết cũng không đủ” để giải thích sự đọng lại của chất nóng chảy; riêng nhiệt độ đã làm được việc đó. Bazan của họ được đơn giản hóa — không có sắt, không có natri, nước là chất dễ bay hơi duy nhất — và vị trí của cực tiểu phụ thuộc vào thành phần.