Thạch nhũ mọc chậm cỡ nào: con số, lý do và mô hình sợi len ở nhà

Trong phần lớn hang đá vôi, thạch nhũ chỉ dài thêm vài phần mười milimét mỗi năm. Tính ra, để mọc thêm một phân (10 mm), một cây thạch nhũ thường cần từ vài chục đến vài trăm năm, có cây lâu hơn nữa. Cột đá cao bằng người lớn mà bạn thấy trong động du lịch có thể đã bắt đầu từ trước khi có làng ở ngoài cửa hang.

Bài này giải thích vì sao chúng mọc chậm như thế, vì sao tốc độ mỗi nơi một khác, và cách làm một mô hình "thạch nhũ muối" trên bàn học để nhìn thấy nguyên lý nhỏ giọt bằng mắt mình.

Thạch nhũ và măng đá là gì

Thạch nhũ là khối đá rủ từ trần hang xuống, giống cây kem đá treo ngược. Măng đá mọc từ nền hang lên, giống búp măng nhú khỏi đất. Khi một cây thạch nhũ và một cây măng đá nằm thẳng hàng, mọc mãi thì chạm nhau, thành cột đá.

Cả ba đều làm từ cùng một chất: canxi cacbonat (CaCO₃), loại khoáng gọi là canxit. Đá vôi, vỏ ốc, vỏ trứng và viên phấn viết bảng cũng chủ yếu là canxi cacbonat. Nói cách khác, thạch nhũ là đá vôi được nước "chở" từ trên núi xuống rồi đặt lại, từng lớp mỏng như tờ giấy.

Một mẹo nhớ mà nhiều thầy cô địa lý dùng: thạch nhũ "bám trần" nên phải bám chặt, còn măng đá "mọc nền" nên đứng vững dưới đất.

Giọt nước chở đá đi như thế nào

Mọi chuyện bắt đầu từ nước mưa. Khi rơi qua không khí và thấm qua lớp đất mùn trên núi, nước hoà thêm khí cacbonic (CO₂) do rễ cây và vi sinh vật trong đất thở ra. Nước có khí cacbonic trở thành một axit rất yếu, yếu hơn nước chanh rất nhiều, nhưng đủ để từ từ hoà tan đá vôi.

Nước đó len qua các khe nứt trong núi đá, mang theo canxi đã hoà tan. Khi ra tới trần hang, giọt nước gặp không khí trong hang, nơi lượng khí cacbonic thường thấp hơn trong đất. Một phần khí cacbonic thoát ra khỏi giọt nước, giống như bọt khí thoát khỏi chai nước ngọt khi bạn mở nắp. Mất khí, nước không còn giữ nổi toàn bộ canxi nữa, và một lớp canxit cực mỏng đọng lại trên trần.

Giọt nước rơi xuống nền vẫn còn chở theo một ít canxi. Nó bắn ra, tiếp tục mất khí, và để lại một lớp mỏng nữa ở dưới. Vì thế măng đá thường mọc đúng bên dưới thạch nhũ.

1. Mưa thấm qua đất, nhận thêm khí cacbonic từ đất.
2. Nước có tính axit nhẹ hoà tan đá vôi trong khe nứt.
3. Ra tới trần hang, khí cacbonic thoát ra khỏi giọt nước.
4. Canxit đọng thành vòng mỏng quanh chỗ giọt nước treo.
5. Giọt rơi xuống nền, đọng thêm một lớp, măng đá cao dần.

Ống hút đá: thạch nhũ lúc mới sinh

Mỗi giọt để lại một vòng canxit quanh mép của chính nó. Vòng chồng lên vòng tạo thành một ống rỗng, đường kính đúng bằng giọt nước, chừng nửa phân. Người làm hang gọi là "ống hút đá" (tiếng Anh: soda straw). Khi ống bị tắc, nước chảy ra mặt ngoài và đọng thêm lớp bên ngoài, cây thạch nhũ bắt đầu phình to thành hình củ cà rốt quen thuộc.

Bao lâu một phân: những con số đáng nhớ

Các nhà nghiên cứu đo tốc độ mọc bằng hai cách chính: đo trực tiếp trong nhiều năm, và xác định tuổi các lớp canxit bằng phương pháp phóng xạ (urani–thori) rồi chia độ dày cho số năm. Kết quả cho thấy tốc độ chênh nhau rất xa giữa các hang, thậm chí giữa hai cây đứng cạnh nhau.

Tốc độ mọc	Một phân mất khoảng	Thường gặp khi
Dưới 0,1 mm/năm	Hơn 100 năm	Nước nhỏ giọt rất chậm, hang khô, khí hậu lạnh
0,1–0,5 mm/năm	20–100 năm	Phần lớn hang đá vôi vùng nhiệt đới ẩm
1–3 mm/năm	3–10 năm	Nước giàu canxi, nhỏ giọt đều, trường hợp hiếm
Vài mm đến vài cm/năm	Vài tháng đến vài năm	"Thạch nhũ" dưới gầm cầu, mái bê tông (không phải hang tự nhiên)

Các con số trong bảng là khoảng thường gặp trong tài liệu hang động học, không phải tốc độ đo ở một hang cụ thể nào của Việt Nam. Điều quan trọng cần nhớ là: không thể nhìn chiều dài thạch nhũ mà đoán chính xác tuổi của nó. Một cây dài một mét có thể vài nghìn năm tuổi, cũng có thể vài chục nghìn năm, tuỳ đời sống của dòng nước nuôi nó.

Vì sao có cây mọc nhanh, cây mọc chậm

• Lượng nước nhỏ giọt. Nhỏ quá chậm thì ít canxi được chở tới. Chảy quá nhanh thì giọt rơi trước khi kịp mất khí, canxit lại đọng phần lớn ở măng đá bên dưới.
• Độ dày lớp đất và rừng phía trên. Rừng rậm, đất nhiều mùn thì nước mang nhiều khí cacbonic hơn, hoà tan được nhiều đá hơn.
• Mùa mưa và mùa khô. Ở Việt Nam, nhiều cây thạch nhũ gần như ngừng mọc vào mùa khô rồi "sống lại" khi mưa về. Vì thế các lớp canxit thường xếp thành vân như vòng gỗ.
• Không khí trong hang. Hang có gió lùa, nhiều cửa thông ra ngoài thì khí cacbonic thoát nhanh hơn.

Chính các vân lớp này khiến măng đá trở thành "cuốn nhật ký khí hậu". Các nhà khoa học cắt đôi măng đá, đo thành phần từng lớp, rồi đọc ra những thời kỳ gió mùa mạnh hay yếu cách nay hàng chục nghìn năm.

Nhìn thạch nhũ trong động du lịch, nên để ý gì

Lần tới đi động Phong Nha, động Thiên Đường, hang Sửng Sốt hay động Tam Thanh ở Lạng Sơn, thay vì chỉ chụp ảnh, bạn có thể làm "người quan sát" với mấy câu hỏi sau:

• Đầu cây thạch nhũ còn ướt không? Có giọt nước treo ở đầu nghĩa là nó vẫn đang mọc. Khô và phủ bụi nghĩa là đã ngừng, có thể từ rất lâu.
• Màu sắc ra sao? Canxit tinh khiết có màu trắng hoặc trong. Màu vàng, nâu, cam thường do chất hữu cơ từ đất hoặc sắt hoà lẫn vào nước.
• Có măng đá ngay bên dưới không? Nếu có, hãy ước xem hai đầu còn cách nhau bao xa trước khi thành cột.
• Có chỗ nào bị đen, gãy, bóng loáng không? Đó thường là dấu tay người, dấu đèn đuốc thời xưa hoặc chỗ bị bẻ.

Một chi tiết người hướng dẫn hay nhắc: đừng sờ vào thạch nhũ. Dầu và mồ hôi trên tay làm bề mặt canxit bị bẩn, nước nhỏ giọt không bám được, chỗ đó có thể ngừng mọc. Một cái chạm mất một giây, nhưng phần đá bị hỏng có khi cần cả trăm năm mới phủ lại.

Thạch nhũ dưới gầm cầu: họ hàng mọc nhanh

Bạn có thể đã thấy những "cây kem" trắng nhỏ dưới gầm cầu, mép ban công hay trần hầm gửi xe. Chúng trông giống thạch nhũ nhưng sinh ra từ bê tông. Nước mưa ngấm qua bê tông, hoà tan một phần vôi trong xi măng, rồi chảy ra ngoài và gặp khí cacbonic trong không khí, đọng thành canxi cacbonat.

Khác biệt lớn là hoá học: nước chảy từ bê tông có tính kiềm mạnh và chở nhiều canxi hơn hẳn nước trong hang, nên những "thạch nhũ bê tông" này có thể dài thêm vài phân mỗi năm. Chúng cũng là dấu hiệu bê tông đang bị nước thấm, thứ mà kỹ sư cầu đường phải để ý. Vì vậy đừng lấy tốc độ mọc ở gầm cầu để suy ra tuổi thạch nhũ trong hang.

Thử làm: thạch nhũ muối trên sợi len

Mô hình này không dùng đá vôi mà dùng muối, nhưng cho thấy đúng ý chính: chất hoà tan trong nước được chở theo một đường, rồi đọng lại khi điều kiện thay đổi. Ở đây điều kiện thay đổi là nước bay hơi.

Chuẩn bị

• Hai cốc thuỷ tinh hoặc lọ giống nhau.
• Nước ấm (nhờ người lớn rót từ phích, không tự đun).
• Muối ăn hoặc muối Epsom (magie sunfat, mua ở hiệu thuốc). Muối Epsom cho kết quả đẹp hơn.
• Một sợi len hoặc dây bông dài chừng 40 cm, hai cái kẹp giấy, một đĩa nhỏ.

Các bước

1. Pha muối vào nước ấm, khuấy tới khi muối không tan thêm được nữa (đáy cốc còn lắng một ít). Chia đều vào hai cốc.
2. Đặt hai cốc cách nhau khoảng 15 cm, đĩa nhỏ ở giữa.
3. Buộc kẹp giấy vào hai đầu sợi len cho nặng, thả mỗi đầu xuống đáy một cốc. Sợi len võng xuống giữa, điểm thấp nhất cách mặt đĩa vài phân.
4. Để ở chỗ khô, kín gió, không ai đụng tới. Mỗi ngày nhìn một lần và ghi lại.

Sau vài ngày, nước muối thấm dọc sợi len, nhỏ giọt ở chỗ võng thấp nhất. Nước bay hơi, muối đọng lại thành một "thạch nhũ" nhỏ treo trên sợi len, và nếu may mắn, một "măng đá" trắng nhô lên trên đĩa.

Ghi chép như nhà khoa học

Ngày	Thạch nhũ dài (mm)	Măng đá cao (mm)	Thời tiết hôm đó
Ngày 1	0	0	…
Ngày 3	…	…	…
Ngày 7	…	…	…

Câu hỏi để bàn với bố mẹ hoặc cả lớp: ngày hanh khô và ngày nồm ẩm, ngày nào "thạch nhũ" lớn nhanh hơn? Vì sao mô hình của mình mọc nhanh gấp hàng nghìn lần thạch nhũ thật? (Gợi ý: nước muối đậm hơn nước trong hang rất nhiều, và bay hơi nhanh hơn.)

Lưu ý: muối Epsom không dùng để ăn, uống. Rửa tay sau khi làm và cất cốc ngoài tầm với của em nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

Thạch nhũ mọc bao nhiêu năm được một phân?

Trong phần lớn hang đá vôi, thạch nhũ mọc khoảng 0,1 đến 0,5 mm mỗi năm, nên một phân mất từ khoảng 20 đến hơn 100 năm. Có cây mọc nhanh hơn nhờ nguồn nước giàu canxi, cũng có cây gần như ngừng hẳn. Không có một con số chung cho mọi hang.

Thạch nhũ và măng đá khác nhau thế nào?

Thạch nhũ treo từ trần hang xuống, còn măng đá mọc từ nền hang lên, thường nằm ngay dưới thạch nhũ. Cả hai đều là canxi cacbonat do nước nhỏ giọt để lại. Khi hai đầu chạm nhau, chúng thành cột đá.

Vì sao không được sờ vào thạch nhũ?

Dầu và mồ hôi trên tay bám lên bề mặt đá, làm nước khó đọng canxit ở chỗ đó, khiến phần ấy có thể ngừng mọc hoặc đổi màu. Thạch nhũ mọc rất chậm nên vết hỏng tồn tại rất lâu. Đó là lý do các hang du lịch đều có biển dặn khách không chạm vào đá.

Thạch nhũ ở gầm cầu có phải thạch nhũ thật không?

Chúng cũng là canxi cacbonat và trông giống thạch nhũ, nhưng sinh ra từ nước thấm qua bê tông chứ không phải từ đá vôi tự nhiên. Nước từ bê tông chở nhiều canxi hơn nên chúng mọc nhanh hơn hàng chục lần. Kỹ sư coi chúng là dấu hiệu công trình đang bị thấm nước.

Có thể biết tuổi một cây măng đá không?

Có, nhưng phải dùng phòng thí nghiệm. Các nhà khoa học lấy mẫu nhỏ từ các lớp bên trong và xác định tuổi bằng phương pháp urani–thori. Nhìn chiều dài bằng mắt thì chỉ ước lượng rất thô.