Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã xác định nguyên nhân các trận động đất ở khu vực núi lửa Campi Flegrei là do áp suất nước ngầm tích tụ chứ không phải do hoạt động đá nóng chảy magma, và do vậy, việc kiểm soát dòng chảy của nước có thể giúp giảm nguy cơ địa chấn tại khu vực này.

Từ năm 2022, miền nam nước Ý đã trải qua nhiều đợt động đất ngày càng dữ dội, đe dọa sự an toàn của hàng trăm nghìn người sống tại khu vực núi lửa Campi Flegrei – nơi mặt đất liên tục nâng lên rồi lún xuống. Trong khi chính quyền vẫn đang cân nhắc kế hoạch sơ tán và phương án ứng phó thiên tai, các nhà khoa học có thể đã phát hiện ra một phương pháp tiềm năng để ngăn chặn tình trạng bất ổn tái diễn: quản lý dòng nước bề mặt hoặc giảm mực nước ngầm để hạ áp suất chất lỏng trong hồ chứa địa nhiệt.

Thông qua hình ảnh dưới lòng đất và trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học tại Stanford đã chứng minh rằng áp suất từ nước và hơi bị giữ lại dưới Campi Flegrei có thể gây ra động đất khi lớp đá nắp (caprock) phía trên bị bịt kín. Công bố trên tạp chí Science Advances, nghiên cứu phát hiện rằng sự tích tụ áp suất này là nguyên nhân gây ra hoạt động địa chấn và biến dạng mặt đất vào đầu những năm 1980 cũng như trong 15 năm qua, từ đó giúp nhóm nghiên cứu xác định cơ chế chính gây ra bất ổn.

Kết quả này bác bỏ giả thuyết lâu nay rằng động đất trong khu vực là do magma hoặc khí từ các vùng nóng chảy sâu dưới lòng đất trồi lên. Thay vào đó, nghiên cứu cho thấy việc nước từ từ thấm vào hồ chứa là yếu tố chính gây biến dạng địa hình và thay đổi độ cao mặt đất theo thời gian.

“Để giải quyết vấn đề, chúng ta có thể kiểm soát dòng chảy bề mặt và dòng nước ngầm, hoặc thậm chí giảm áp suất bằng cách rút chất lỏng từ các giếng khoan,” tác giả chính của nghiên cứu – giáo sư Tiziana Vanorio thuộc Trường Bền vững Stanford Doerr – cho biết.

Các nhà nghiên cứu đã phân tích các xu hướng lặp lại và đặc điểm tương đồng từ ảnh địa chấn dưới lòng đất và dữ liệu động đất trong hai giai đoạn bất ổn gần nhất tại Campi Flegrei. Những giai đoạn này được đặc trưng bởi hiện tượng mặt đất nâng lên và các cơn rung đột ngột kèm tiếng ầm vang – điều mà người dân tại đây đã quen thuộc – được cho là dấu hiệu của các vụ nổ hơi nước khi nước lỏng đột ngột chuyển thành hơi trong quá trình tạo vết nứt do động đất. Nghiên cứu bao gồm dữ liệu từ giai đoạn bất ổn 1982–1984 và 2011–2024.

“Chúng tôi quan sát những hiện tượng xảy ra cách nhau hàng chục năm, nhưng hình ảnh dưới lòng đất cho thấy những điểm tương đồng rõ rệt, không chỉ thể hiện tính chu kỳ của hiện tượng mà còn chỉ ra nguyên nhân chung,” đồng tác giả Grazia De Landro – nhà nghiên cứu tại Đại học Naples Federico II (Ý) và học giả thỉnh giảng tại Stanford – cho biết.

Đất thở

Vùng núi lửa Campi Flegrei là một vùng sụt lún rộng khoảng 13 km, hình thành từ các vụ phun trào lớn cách đây khoảng 39.000 và 15.000 năm, khiến bề mặt Trái đất sụp xuống. Khu vực này trải qua các giai đoạn nâng và lún mặt đất ngay cả khi không xảy ra phun trào. Sau đợt bất ổn 1982–1984, mặt đất nơi đây đã lún khoảng 1 mét. Hiện tượng lún chỉ xảy ra khi có sự thất thoát khối lượng từ lòng đất, gồm magma nóng chảy, nước, hơi và khí CO₂.

Người dân ở Pozzuoli cho biết họ thấy mặt đất “thở,” phun ra hơi nước và liên tục chuyển động – đôi khi nâng lên hoặc lún xuống cả mét trong thời gian ngắn.

Một chuỗi hình ảnh thời gian từ năm 2015 cho thấy tâm chấn động đất ban đầu tập trung quanh khu vực suối Pisciarelli – nơi nước cuối cùng đổ về – rồi dần mở rộng theo hình tròn bao trùm lưu vực thủy văn. Điều này trùng khớp với các thí nghiệm vật lý đá từ giữa thế kỷ 20, trong đó nước từ một điểm lan ra theo mô hình hình cầu.

Trong lịch sử, việc mặt đất nâng lên tại các khu vực núi lửa thường được cho là do magma bên dưới đang bơm ngược lên – giả thuyết cho rằng magma và khí của nó là nguyên nhân chính gây biến dạng rồi sinh ra động đất. Tuy nhiên, theo nghiên cứu, áp suất tăng dần do lượng nước tích tụ chậm rãi trong một hồ chứa bị bịt kín mới là nguyên nhân khiến đá nứt – gây ra các cơn rung.

“Chúng tôi biết rằng lượng mưa hằng năm đã tăng trong 24 năm qua, nên điều cần theo dõi không phải chỉ là lượng mưa, mà là mực nước ngầm tích lũy trong lòng đất – hoặc đảm bảo rằng nước mưa được thoát đúng cách,” Vanorio nói.

Một hệ kín

Một đặc điểm đáng chú ý của vùng Campi Flegrei là lớp đá nắp bên trên hồ chứa địa nhiệt có cấu trúc sợi. Vật liệu sợi thường được sử dụng trong kỹ thuật xây dựng vì có khả năng biến dạng mà không bị vỡ ngay. Chúng có thể tích tụ ứng suất, và trong hệ thống núi lửa, sự tích tụ này có thể được giải phóng bất ngờ qua các vụ nổ hơi nước và tro núi lửa.

Nhóm nghiên cứu đã khảo sát 24 năm lượng mưa, hướng dòng chảy dưới lòng đất và quá trình bịt kín lớp đá nắp để hiểu rõ quá trình nạp lại hồ chứa và sự tích tụ áp suất. Trong phòng thí nghiệm Vật lý Đá và Vật liệu Địa chất của Vanorio, họ cho thấy các vết nứt trong đá nắp có thể được bịt kín nhờ tương tác giữa khoáng chất và nước/hơi địa nhiệt.

Để thử nghiệm đặc điểm đá nắp, họ dùng thiết bị mô phỏng giống nồi moka của người Ý. Họ đổ nước muối vào ngăn dưới, đổ tro núi lửa và đá nghiền vào ngăn trên, rồi đun nóng đến nhiệt độ như trong hồ địa nhiệt. Trong vòng một ngày, các sợi khoáng hình thành và vết nứt bị bịt kín nhanh chóng do quá trình xi măng hóa.

Hệ thống kín này cho phép áp suất chất lỏng tăng cho đến khi đá bị nứt. Động đất gây nứt dẫn đến giảm áp suất đột ngột khi nước chuyển thành hơi và thoát ra – tạo nên những vụ nổ và âm thanh vang như tiếng sấm mà người dân đã quen.

Mô hình mới

Việc phân tích ảnh cắt lớp địa chấn kết hợp với vị trí và phạm vi của các trận động đất giúp nhóm nghiên cứu xây dựng giả thuyết rằng những cơn rung lặp lại không nhất thiết do magma hoặc khí từ hệ thống trồi lên.

Trong cả hai đợt bất ổn, động đất bắt đầu tại lớp đá nắp ở độ sâu khoảng 1,6 km. “Sau khi dựng lại diễn tiến thời gian, bạn sẽ thấy một mô hình rất rõ – động đất ngày càng sâu hơn,” đồng tác giả Tianyang Guo cho biết. Nếu magma hoặc khí là nguyên nhân chính, ta sẽ thấy điều ngược lại: động đất bắt đầu từ vùng sâu khoảng 8 km rồi tiến dần lên. Ngoài ra, nếu magma trồi lên mà không gây phun trào thì không thể giải thích hiện tượng mặt đất lún sau bất ổn.

Với mô hình mới về hệ thống ngầm của Campi Flegrei, nhóm nghiên cứu hy vọng có thể truyền đạt cơ chế gây bất ổn cho chính quyền địa phương tại Ý.

“Tôi gọi đây là cơn bão hoàn hảo của địa chất – bạn có đủ nguyên liệu để tạo bão: nguồn nhiệt là magma, nhiên liệu là nước ngầm trong hồ chứa, và cái nắp,” Vanorio nói. “Chúng ta không thể kiểm soát nguồn nhiệt, nhưng có thể quản lý nhiên liệu. Bằng cách khơi thông dòng nước, giám sát mực nước ngầm và kiểm soát áp suất hồ chứa, chúng ta có thể biến địa chất thành lĩnh vực chủ động – giống như y tế dự phòng – để phát hiện nguy cơ sớm và ngăn chặn sự bất ổn ngay từ đầu. Đó là cách khoa học phục vụ xã hội.”

Các bức ảnh chụp từ hai hướng đối diện nhau (180 độ). Từ một hồ suối nhỏ năm 2016 (trái), đến một bồn nước rộng năm 2024, chuỗi ảnh này ghi lại sự gia tăng dần của dòng thoát từ hệ thống địa nhiệt sau các hoạt động địa chấn – bằng chứng trực quan về sự gia tăng hoạt động thủy động lực tại Campi Flegrei. Đến năm 2024, các cọc gỗ của hàng rào đã bị nước nhấn chìm.
Ảnh: Alessandro Gandolfi, Tiziana Vanorio

Nghiên cứu mới cho thấy áp suất từ nước ngầm bị giữ lại – chứ không phải magma – có thể là nguyên nhân gây ra động đất tại caldera Campi Flegrei. Kiểm soát áp suất này có thể giúp ngăn ngừa các đợt bất ổn trong tương lai.

Khu vực núi lửa Campi Flegrei nằm dưới thị trấn Pozzuoli (ảnh chụp năm 2018). Việc đất trồi nhanh vào những năm 1980 khiến cảng Pozzuoli trở nên quá cạn để tàu cập bến.
Ảnh: Kurt Hickman