Tro và axit từ một vụ phun trào lớn rơi xuống khắp nơi trong vài tháng đến vài năm, nên lớp tro hay lớp sulfate ấy là một mốc thời gian chung. Tìm được cùng một vụ phun trào trong băng, gỗ và bùn hồ là ghép được ba thang thời gian vào nhau.
Mỗi kho lưu trữ khí hậu có thang tuổi riêng với sai số riêng: lõi băng đếm lớp, vòng cây đối chiếu chéo, trầm tích hồ đếm lớp năm hoặc định tuổi carbon-14. Muốn so sánh, chẳng hạn hỏi một đợt lạnh ở Greenland có xảy ra cùng lúc với đợt hạn ở châu Á không, cần biết chắc hai thang ấy khớp nhau tới mức nào. Núi lửa cung cấp những chiếc đinh ghim tự nhiên cho việc đó.
Một vụ phun trào để lại những dấu vết gì?
Tro và mảnh thuỷ tinh núi lửa
Magma phun lên nguội cực nhanh thành những mảnh thuỷ tinh rất nhỏ. Gần núi lửa, tro dày hàng mét; xa hàng nghìn kilômét, chỉ còn những mảnh nhỏ hơn hạt bụi, không nhìn thấy bằng mắt, gọi là tro ẩn. Chúng lắng xuống hồ, đầm lầy, băng và đất.
Axit sulfuric trong băng
Khí lưu huỳnh đioxit phun lên tầng bình lưu biến thành những giọt axit sulfuric li ti, lan khắp bán cầu, rồi rơi xuống theo tuyết trong một, hai năm. Trong lõi băng, chúng tạo đỉnh sulfate và đỉnh độ dẫn điện rất rõ.
Dấu trong vòng cây
Lớp sol khí sulfate che bớt ánh nắng, làm một vài mùa hè sau đó lạnh hơn. Cây ở vùng lạnh có thể tạo vòng rất hẹp, hoặc vòng sương giá: những tế bào bị phá huỷ khi băng giá xảy ra giữa mùa sinh trưởng, nhìn thấy như một dải méo trong vòng.
Làm sao biết lớp tro thuộc vụ phun trào nào?
Mỗi núi lửa, thậm chí mỗi lần phun trào, tạo ra thuỷ tinh có thành phần hoá học hơi khác nhau: tỷ lệ silic, kali, sắt, các nguyên tố vết. Nhà nghiên cứu tách từng mảnh thuỷ tinh, đo thành phần bằng tia điện tử hoặc tia laser, rồi so với thư viện thành phần của các vụ phun trào đã biết. Khớp chặt về hoá học, cộng với vị trí phù hợp trong thang tuổi, mới cho phép gọi tên vụ phun trào.
Lớp sulfate trong băng thì không mang dấu vân tay hoá học riêng như tro, nên chỉ đỉnh sulfate thì khó biết của núi lửa nào. Vì vậy các nhóm nghiên cứu ngày càng tìm cả mảnh thuỷ tinh siêu nhỏ trong cùng lớp băng để xác nhận.
Một vài vụ phun trào thường được dùng làm mốc
Các ví dụ dưới đây đều quen thuộc trong tài liệu khoa học phổ thông; năm hoặc khoảng tuổi được nêu ở mức phổ biến.
| Vụ phun trào | Thời điểm | Dấu vết dùng làm mốc |
|---|---|---|
| Tambora, Indonesia | Năm 1815 | Đỉnh sulfate ở cả hai cực; năm 1816 lạnh bất thường ở châu Âu, Bắc Mỹ |
| Laki, Iceland | Năm 1783 đến 1784 | Đỉnh sulfate rõ ở Greenland, ghi chép về sương mù khô ở châu Âu |
| Samalas, đảo Lombok, Indonesia | Năm 1257 | Một trong những đỉnh sulfate lớn nhất vài nghìn năm gần đây ở cả hai cực |
| Vesuvius, Italia | Năm 79 | Tro trong vùng Địa Trung Hải; nhiều tranh luận về việc khớp với lõi băng |
| Toba, Sumatra, Indonesia | Khoảng 74.000 năm trước | Lớp tro lan rộng khắp Nam Á, trong trầm tích biển và hồ |
Với vụ Samalas, đỉnh sulfate trong băng được biết từ lâu nhưng nguồn gốc chỉ được xác định vào thập niên 2010, nhờ ghép bằng chứng địa chất trên đảo, hoá học tro và ghi chép địa phương.
Tìm tro ẩn trong một lõi bùn diễn ra thế nào?
Chia lõi thành từng đoạn nhỏ
Lõi trầm tích hồ hay đầm lầy được cắt thành những lát dày khoảng một, hai centimét. Mỗi lát được sấy, cân, rồi đốt hoặc xử lý axit nhẹ để loại bỏ phần hữu cơ. Với đoạn nghi vấn, người ta cắt mỏng hơn để định vị lớp tro sát hơn.
Tách thuỷ tinh khỏi khoáng vật khác
Thuỷ tinh núi lửa nhẹ hơn phần lớn hạt khoáng trong bùn. Mẫu được cho vào dung dịch có tỷ trọng chọn sẵn, quay ly tâm; phần nhẹ nổi lên chứa các mảnh thuỷ tinh. Dưới kính hiển vi, người đếm nhận ra chúng nhờ hình dạng sắc cạnh, cong như mảnh vỡ của bọt khí, trong suốt.
Đếm và chọn lát có nhiều mảnh nhất
Số mảnh thuỷ tinh trên mỗi gam bùn được ghi theo độ sâu. Lát có số mảnh vọt lên được coi là vị trí lớp tro rơi xuống; những mảnh rải rác phía trên thường do tro bị khuấy lại về sau. Chỉ lát ở đỉnh mới được gửi đi đo hoá học.
Đo hoá học từng mảnh
Vì mảnh rất nhỏ, mỗi phép đo chỉ dùng một điểm trên một mảnh. Người ta đo hàng chục mảnh để thấy cả một quần thể thành phần, vì một lần phun trào có thể tạo thuỷ tinh hơi khác nhau giữa đầu và cuối đợt. So quần thể đó với thư viện, mới đi tới kết luận.
Mốc núi lửa sửa thang tuổi ra sao?
Khi một vụ phun trào có năm chắc chắn từ ghi chép lịch sử, như Tambora năm 1815, lớp sulfate tương ứng trong băng cho biết thang đếm lớp băng ở độ sâu đó lệch bao nhiêu năm. Với những vụ không có ghi chép, người ta dùng vòng cây: những năm vòng hẹp hoặc vòng sương giá đồng loạt ở nhiều vùng gợi ý một mùa hè lạnh do núi lửa. Đặt đỉnh sulfate băng cạnh các năm lạnh trong vòng cây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện thang băng ở thiên niên kỷ thứ nhất từng lệch vài năm, rồi chỉnh lại nhờ kết hợp với đỉnh carbon-14 năm 775.
Với trầm tích hồ và biển, một lớp tro ẩn được nhận dạng chắc chắn biến thành một đường thẳng nối hai lõi cách nhau hàng nghìn kilômét. Đây là cách ghép các bản ghi khí hậu khác nhau mà không phải tin hoàn toàn vào carbon-14 của từng nơi.
Phương pháp này có giới hạn gì?
Mốc núi lửa mạnh nhưng không phải lúc nào cũng có, và dễ bị đọc sai nếu vội.
- Không phải vụ phun trào nào cũng đủ lớn để rải tro, axit tới cả hai cực; nhiều vụ chỉ để lại dấu vết trong một vùng.
- Hai vụ phun trào gần nhau về thời gian có thể bị nhầm, nhất là khi chỉ có đỉnh sulfate mà không có mảnh thuỷ tinh.
- Tro có thể bị gió, nước di chuyển, rơi xuống lớp trẻ hơn, nên vị trí phải được kiểm kỹ trong lõi.
- Năm lạnh trong vòng cây có thể do nguyên nhân khác ngoài núi lửa; cần đồng thuận từ nhiều vùng.
- Gán các biến cố xã hội thời xưa cho một vụ phun trào cụ thể là bước suy luận khác hẳn, cần bằng chứng riêng.
Gợi ý cho người dạy và người học
Bắt đầu từ một vụ phun trào có năm rõ. Tambora 1815 phù hợp vì có cả ghi chép lịch sử, dấu trong băng và câu chuyện về năm không có mùa hè.
Cho học sinh nối ba kho lưu trữ. Vẽ ba cột: băng, vòng cây, trầm tích; đánh dấu cùng một vụ phun trào trên cả ba để thấy ý nghĩa của mốc chung.
Nhấn mạnh chữ khoảng. Với các vụ phun trào thời tiền sử như Toba, niên đại có sai số hàng trăm đến hàng nghìn năm.
Không quan sát lớp tro bằng cách tự đào ở di chỉ. Các vách đất ven đường, mỏ đá đã khai thác hoặc mẫu trong bảo tàng địa chất là nơi xem an toàn và hợp pháp hơn.
Câu hỏi thường gặp
Tephrochronology là gì?
Là phương pháp dùng các lớp tro núi lửa đã nhận dạng làm mốc thời gian, ghép niên đại giữa các trầm tích, lõi băng và di chỉ ở nhiều nơi khác nhau.
Làm sao biết lớp tro thuộc núi lửa nào?
Bằng cách đo thành phần hoá học của từng mảnh thuỷ tinh núi lửa rồi so với thư viện thành phần của các vụ phun trào đã biết, kết hợp với vị trí trong thang tuổi.
Vì sao năm 1816 được gọi là năm không có mùa hè?
Vì sau vụ phun trào Tambora năm 1815, sol khí sulfate che bớt nắng, mùa hè năm 1816 lạnh bất thường ở châu Âu và Bắc Mỹ, gây mất mùa nhiều nơi.
Đỉnh sulfate trong lõi băng là gì?
Là đoạn băng chứa nhiều axit sulfuric hơn bình thường, do sol khí từ một vụ phun trào lớn rơi xuống theo tuyết trong một, hai năm sau đó.
Vòng sương giá trong gỗ là gì?
Là dải tế bào gỗ bị méo, vỡ do băng giá xảy ra giữa mùa sinh trưởng. Nhiều vòng sương giá trùng năm ở nhiều nơi thường gợi ý một mùa hè lạnh sau núi lửa.