Bí ẩn về bê tông La Mã nằm trong đá núi lửa?
Nguồn
cảm hứng làm nên bê tông La Mã có thể đến từ việc quan sát sự tương tác
giữa tro núi lửa ở Pozzuoli và nước biển trong khu vực. (Ignacio García
/ CC BY-SA 2.0)
Tảng đá bê tông được tìm thấy ở núi lửa Campi Flegrei gần vịnh Naples.
“Điều này cho thấy có một quá trình tự nhiên hoạt động dưới bề mặt núi lửa Campi Flegrei khá tương đồng với quá trình sản xuất bê tông”, Tiziana Vanorio, một nhà địa vật lý thực nghiệm tại Đại học Stanford Khoa Trái đất, Năng lượng và Khoa học Môi trường cho biết.
Campi Flegrei nằm ở trung tâm của một vùng trũng lớn, hoặc miệng núi lửa, với lỗ chỗ những hố núi lửa do những đợt phun trào trong quá khứ, và đợt phun trào gần đây nhất là cách đây gần 500 năm. Nằm gọn trong hõm chảo núi lửa này là thành phố cảng đầy màu sắc Pozzuoli, được người Hy Lạp xây dựng vào năm 600 trước Công nguyên.Người La Mã là những nhà quan sát tự nhiên tỉ mỉ và là những nhà thực nghiệm kiệt xuất.
– Tiziana Vanorio
Bắt đầu từ năm 1982, mặt đất bên dưới Pozzuoli bắt đầu nâng lên ở mức báo động. Trong vòng hai năm, mặt đất đã nâng lên đến hơn 6 feet (1,82 mét) – một điều chưa từng thấy ở bất kỳ nơi nào trên thế giới.
“Đáy biển nâng lên làm cho vịnh Pozzuoli không còn đủ sâu cho những con tàu lớn”, Vanorio nói.
Kèm theo việc mặt đất trồi lên là những cơn động đất nhỏ càng làm cho mọi thứ tồi tệ hơn. Nhiều cơn rung lắc nhẹ không thể cảm nhận được, nhưng khi trận động đất 4 độ richter rung chuyển Pozzuoli, các quan chức buộc phải sơ tán trung tâm lịch sử của thành phố này. Chỉ qua một đêm, Pozzuoli đã trở thành một thị trấn ma.
Ở độ tuổi niên thiếu, Vanorio là một trong số 40.000 người dân buộc phải tháo chạy khỏi Pozzuoli, và định cư ở những thị trấn nằm rải rác giữa Naples và Rome. Sự kiện này đã để lại một ấn tượng mạnh trong tâm trí của Vanorio, và truyền cho cô cảm hứng theo đuổi ngành khoa học địa chất.
Các mẫu đá từ 2 dặm sâu
Vanorio – nay là trợ lý giáo sư tại Đại học Stanford – quyết định nghiên cứu xem làm thế nào mặt đất bên dưới Pozzuoli có thể chịu đựng được nhiều áp lực cong vênh trước khi nứt ra và bắt đầu những trận động đất nhỏ, áp dụng những kiến thức về sự phản ứng của đá trong lòng đất sâu đối với những thay đổi cơ học và hóa học.“Mặt đất phồng lên ở những miệng núi lửa như Yellowstone hay Long Valley ở Hoa Kỳ, nhưng không bao giờ đến mức độ như ở Campi Flegrei. Ở những nơi khác, chỉ cần ít lực đẩy hơn nhiều là đã có thể kích hoạt những trận động đất”, Vanorio giải thích. “Ở Campi Flegrei, những trận động đất nhỏ bị trì hoãn hàng tháng mặc dù mặt đất bị biến dạng đi rất nhiều”
Để tìm hiểu lý do vì sao bề mặt miệng núi lửa có thể chịu được lực co kéo đáng kinh ngạc mà không bị nứt đột ngột, Vanorio và một cộng sự đang nghiên cứu sau tiến sĩ, Waruntorn Kanitpanyacharoen, đã tiến hành nghiên cứu những lõi đá lấy từ khu vực này.
Vào đầu những năm 1980, các nhà khoa học tiến hành một dự án khoan sâu đến 2 dặm vào lòng địa nhiệt đang hoạt động của núi lửa Campi Flegrei. Khi bộ đôi Vanorio và Kanitpanyacharoen phân tích các mẫu đất đá, họ phát hiện rằng lớp đá caprock – lớp đá cứng nằm gần bề mặt miệng núi lửa –ở Campi Flegrei rất giàu chất pozzolana, hoặc rất nhiều tro núi lửa của khu vực.
Actinolite: Thành phần bí ẩn?
Các nhà khoa học cũng nhận thấy rằng lớp đá caprock chứa các khoáng chất tobermorite và ettringite – là những sợi khoáng được tìm thấy trong bê tông nhân tạo. Các khoáng chất này sẽ khiến đá caprock ở Campi Flegrei dẻo hơn, và sự hiện diện của nó giải thích lý do tại sao mặt đất bên dưới Pozzuoli có thể chịu được độ cong vênh đáng kể trước khi phá vỡ và nứt toác ra.Nhưng làm thế nào tobermorite và ettringite lại xuất hiện trong lớp đá caprock?
Một lần nữa, các mũi khoan thăm dò đã cung cấp những đầu mối quan trọng. Các mẫu đá cho thấy nền móng sâu của miệng núi lửa – “bức tường” của vùng trũng hình phễu – gồm các loại đá có chứa cacbonat tương tự như đá vôi, và xen lẫn trong đá cacbonat là loại chất khoáng như những mũi kim gọi là actinolit.
“Actinolit là chìa khóa giải đáp tất cả các phản ứng hóa học khác cần phải diễn ra để tạo thành xi măng tự nhiên ở Campi Flegrei”, Kanitpanyacharoen thuộc Đại học Chulalongkorn ở Thái Lan nói.
Người La Mã là những nhà quan sát tỉ mỉ
Từ actinolit, các nhà khoa học suy luận rằng một loại phản ứng hóa học khử CO2 đã xảy ra bên dưới Campi Flegrei. Họ tin rằng sự kết hợp của nhiệt và dòng nước giàu chất khoáng luân chuyển đã khử carbon ở lớp đá móng, hình thành actinolit cũng như khí CO2.Khi CO2 hòa lẫn với CaCO3 và khí hidro trong lớp đá móng, nó kích hoạt một chuỗi phản ứng hóa học và tạo ra một số hợp chất, một trong số đó là canxi hydroxit Ca(OH)2. Canxi hydroxit, còn được gọi là portlandite hoặc vôi tôi, là một trong hai thành phần quan trọng trong bê tông nhân tạo, kể cả bê tông La Mã.
Một cách tự nhiên, dòng dung dịch địa nhiệt lưu đã vận chuyển hợp chất này lên đến lớp đá nông hơn, nơi đây nó kết hợp với tro pozzolana trong lớp đá caprock để tạo thành một loại đá cứng như bê tông bất khả xâm phạm và có khả năng chịu lực rất lớn.
“Đây là phản ứng hóa học tương tự như cách mà Người La Mã cổ đại đã vô tình khai thác để tạo ra loại bê tông nổi tiếng của họ, nhưng ở Campi Flegrei, nó xảy ra hoàn toàn tự nhiên”, Vanorio nói.
Thực ra, Vanorio nghi ngờ rằng nguồn cảm hứng tạo nên bê tông La Mã đến từ việc quan sát sự tương tác giữa tro núi lửa ở Pozzuoli và nước biển trong khu vực. Triết gia người La Mã, Seneca, đã ghi chép lại rằng “bụi ở Puteoli [tên Latin của thành phố Pozzuoli] biến thành đá khi nó chạm vào nước.”
“Người La Mã là những nhà quan sát thiên nhiên tỉ mỉ và là những nhà thực nghiệm kiệt xuất”, Vanorio nói. “Seneca, và trước ông là Vitruvius, nhận ra rằng có điều gì đó thật đặc biệt về tro ở Pozzuoli, và người La Mã có thể đã sử dụng pozzolana để tạo ra vật liệu bê tông của riêng họ, mặc dù với một nguồn đá vôi khác”.
Sự sụp đổ của Pozzuoli
Pozzuoli là cảng thương mại và quân sự chủ chốt của đế chế La Mã, và việc các tàu thuyền sử dụng pozzolana để dằn tải trọng tàu khi giao thương hạt giống từ miền Đông Địa Trung Hải là khá phổ biến. Chính nhờ điều này, tro núi lửa từ Campi Flegrei và bê tông La Mã đã được lan truyền khắp thế giới cổ đại.Gần đây, các nhà khảo cổ phát hiện ra rằng các bến tàu ở Alexandria, Caesarea, và Cyprus đều được làm từ bê tông La Mã và pozzolana là một thành phần chính.Vanorio nghi ngờ rằng nguồn cảm hứng tạo nên bê tông La Mã đến từ việc quan sát sự tương tác giữa tro núi lửa ở Pozzuoli và nước biển trong khu vực.
Thật thú vị khi cũng cùng một phản ứng hóa học đã tạo ra tính chất độc đáo cho lớp đá caprock ở núi lửa Campi Flegrei cũng có thể kích hoạt sự tan rã của nó. Nếu quá trình khử CO2 xảy ra quá nhiều khi một số lượng lớn nước mặn được bơm vào quy trình – một lượng dư khí CO2, khí methane và hơi nước sẽ sản sinh.
Khi những chất khí này lên đến bề mặt, chúng va chạm với lớp xi măng tự nhiên của đá caprock và đẩy lớp đá caprock lên. Đây là lý do Pozzuoli bị nâng lên vào những năm 1980. Khi lực đẩy tích tụ vượt quá sức chịu đựng của lớp đá caprock, nó sẽ bị cắt và nứt, làm nên những cơn động đất nhỏ.
Khi các chất khí và chất lỏng bốc hơi vào khí quyển, hiện tượng mặt đất trồi lên được giảm dần. Vanorio và Kanitpanyacharoen nghi ngờ rằng khi càng nhiều đá vôi tự nhiên hình thành dưới lòng đất và trồi lên đến bề mặt, lớp đá caprock bị hư hỏng sẽ được sửa chữa từ từ và vết nứt của nó “tự lành lặn” nhờ xi măng tự nhiên lấp vào.
Vanorio tin rằng điều kiện và quá trình hóa học tạo nên tính năng đặc biệt cho đá ở Campi Flegrei cũng có thể xảy ra ở các miệng núi lửa khác trên khắp thế giới. Khi các nhà khoa học thấu hiểu hơn về điều kiện và quá trình hình thành lớp đá caprock ở Campi Flegrei, họ có thể tái tạo lại nó trong phòng thí nghiệm, và thậm chí cải tiến nó để thiết kế loại bê tông bền hơn và có khả năng đàn hồi tốt hơn để chịu được chấn động và rung lắc lớn hoặc có thể tự sửa chữa khi bị hư hỏng.
“Con người đang ngày càng có nhu cầu sản xuất vật liệu và bê tông thân thiện với môi trường và có khả năng chịu lực tốt hơn”, Vanorio nói. “Ví dụ như việc chiết xuất khí đốt tự nhiên bằng công nghệ fracking (kỹ thuật dùng thủy áp bẻ gãy các lớp đá phiến thạch) có thể gây ra những thay đổi áp suất nhanh chóng khiến đường ống dẫn khí bằng bê tông không chịu được áp lực và dẫn đến rò rỉ khí ga và ô nhiễm nguồn nước”.
Nguồn: Stanford University. Tái bản từ Futurity.org với bản quyền của Creative Commons 4.0.
Nếu bạn thấy bài viết hay, hãy chia sẻ nó với bạn bè
No comments:
Post a Comment