Quá trình hình thành hang động karst: Trường hợp khối đá vôi Phong Nha – Kẻ Bàng

Võ Văn Trí

1. Tồng quan địa hình karst và đặc điểm khối đá vôi Phong Nha – Kẻ Bàng

Karst là dạng địa hình hình thành do sự hòa tan của các loại đá dễ hòa tan (thường là đá vôi, đôlômit) bởi nước có axit yếu, tạo nên hệ thống thoát nước ngầm và các hang động đặc trưng. Vườn quốc gia Phong Nha – Kẻ Bàng (PNKB) nằm ở tỉnh Quảng Bình, là một trong những khối núi đá vôi lớn và cổ nhất châu Á. Khối đá vôi PNKB thuộc hệ tầng Bắc Sơn có tuổi hình thành khoảng 400 triệu năm (kỷ Paleozoic), được coi là khối karst quy mô lớn lâu đời nhất châu Á. Diện tích khối núi đá vôi khoảng 200.000 ha với địa hình karst nổi bật, chiếm 2/3 diện tích khu di sản[1]. PNKB được UNESCO công nhận di sản thiên nhiên thế giới (2003) về địa chất – địa mạo và lần thứ hai (2015) về đa dạng sinh học. Nhờ đặc điểm địa chất độc đáo, vùng này có mạng lưới karst phát triển mạnh với các núi đá vôi dựng đứng, tháp karst, doline sâu và hệ thống sông ngầm phức tạp. Đến nay đã khảo sát được trên 400 hang động lớn nhỏ với tổng chiều dài hơn 210–220 km[2]. Nhiều hang động ở PNKB có quy mô và vẻ đẹp vào loại hàng đầu thế giới, như động Phong Nha, Thiên Đường, Sơn Đoòng – hang động tự nhiên lớn nhất hành tinh[3]. Chính những giá trị địa chất đặc biệt và hệ sinh thái đa dạng đã làm cho PNKB trở thành “bảo tàng địa chất tự nhiên” quý giá ở khu vực Đông Nam Á.

2. Điều kiện hình thành hệ thống hang động karst ở Phong Nha – Kẻ Bàng

Sự phát triển của hang động karst đòi hỏi sự kết hợp của nhiều điều kiện địa chất và môi trường. Tại PNKB, các yếu tố cần và đủ để hình thành nên hệ thống hang động karst khổng lồ bao gồm:

• Địa chất: Khối núi PNKB cấu tạo gần như hoàn toàn bởi đá vôi Carboniferous-Permian (hệ tầng Bắc Sơn) có độ tinh khiết CaCO₃ rất cao (hàm lượng CaO ~52–53%, MgO <2%)[1]. Bề dày địa tầng đá vôi lên tới 600–1000 m[1], tạo nên khối đá đủ lớn cho sự karst hóa sâu. Đá vôi ở đây phân lớp dày hoặc dạng khối với nhiều vách dựng đứng và đỉnh lởm chởm, cho phép nước dễ thấm xuống sâu. Đặc biệt, khu vực đã trải qua hoạt động kiến tạo mạnh: các hệ thống đứt gãy theo các hướng chính Đông Bắc – Tây Nam, Tây Bắc – Đông Nam và phương kinh tuyến cắt xẻ đá vôi, làm đá bị dập vỡ và tạo nên vô số khe nứt, đới phá hủy[1]. Chính mạng lưới khe nứt dày đặc này đóng vai trò “khung xương” định hướng cho quá trình karst hóa – nước dễ dàng thấm xuống và hòa tan đá vôi dọc theo các khe nứt, mở rộng dần thành các đường hầm và hang ngầm[1]. Như vậy, nền địa chất đá vôi dày, tinh khiết cùng cấu trúc đứt gãy dày đặc là điều kiện tiên quyết cho sự hình thành hang động quy mô lớn.
• Khí hậu: Phong Nha – Kẻ Bàng nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm với lượng mưa rất lớn, trung bình khoảng 2.300 mm/năm. Mùa mưa tập trung từ tháng 8 đến tháng 1 năm sau. Lượng mưa dồi dào cung cấp nguồn nước phong phú để hòa tan đá vôi. Nước mưa khi đi qua khí quyển và tầng đất sẽ hấp thụ CO₂ tạo thành axit carbonic yếu, tăng khả năng ăn mòn hóa học đá vôi. Ở vùng nhiệt đới ẩm, nhiệt độ cao quanh năm cũng làm tốc độ phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn, thúc đẩy mạnh quá trình phong hóa đá. Đặc biệt, tại PNKB mùa mưa trùng với thời kỳ khí hậu mát hơn (cuối thu – đông), nước lạnh có khả năng tích lũy CO₂ nhiều hơn, do đó hiệu quả hòa tan đá vôi còn tăng lên[1]. Nhìn chung, khí hậu nóng ẩm với mưa lớn quanh năm ở PNKB tạo môi trường lý tưởng để karst hóa xảy ra liên tục và mạnh mẽ.
• Thủy văn: Cấu trúc thủy văn khu vực PNKB rất thuận lợi cho việc hình thành sông ngầm và hang động. Khối đá vôi Phong Nha nằm thấp hơn các vùng xung quanh cấu tạo bởi đá không hòa tan, nên nước từ lưu vực ngoài tràn vào khối karst[1]. Thực tế cho thấy hầu như không có dòng chảy mặt đáng kể trong khối đá vôi PNKB; nước mưa và nước từ vùng lân cận nhanh chóng thẩm thấu qua các lỗ hổng karst và chảy ngầm trong lòng đất[1]. Dòng chảy ngầm mạnh mẽ dọc theo hệ thống hang động không những tăng cường hòa tan hóa học mà còn gây xói mòn cơ học, cuốn trôi vật liệu vụn, mở rộng thêm các lỗ hổng ngầm. Các nghiên cứu thủy địa hóa cho thấy vào mùa mưa, hàm lượng ion HCO₃⁻ và Ca²⁺ trong nước karst tăng vọt, cao gấp hàng chục lần so với mùa khô, chứng tỏ quá trình hòa tan xảy ra mạnh trong thời kỳ mưa lũ[1]. Như vậy, yếu tố thủy văn – bao gồm nguồn nước dồi dào và chế độ dòng chảy ngầm mạnh – là điều kiện trọng yếu quyết định mức độ phát triển của hang động karst.
• Sinh học: Thảm thực vật rừng nhiệt đới rậm rạp trên bề mặt PNKB không chỉ góp phần bảo vệ lớp đất và giữ ẩm mà còn cung cấp nguồn CO₂ sinh học quan trọng cho quá trình hòa tan đá. Sự phân hủy nhanh của vật liệu hữu cơ trong đất rừng, cùng hô hấp của rễ cây và vi sinh vật, làm tăng nồng độ CO₂ trong nước thấm xuống đất. Nước này giàu CO₂ khi gặp đá vôi sẽ tạo nhiều axit carbonic, đẩy nhanh tốc độ hòa tan canxit. Ngoài ra, hoạt động sinh học (ví dụ các loài rêu, vi khuẩn) có thể ăn mòn sinh hóa lên bề mặt đá vôi và tạo thêm vi khoáng axit hữu cơ, tuy tác động không lớn nhưng cũng góp phần mở rộng khe nứt. Tại PNKB, hệ sinh thái rừng trên núi đá vôi rất phát triển, độ che phủ cao và đất rừng dày ở thung lũng karst đã cung cấp lượng CO₂ dồi dào, hỗ trợ đắc lực cho quá trình karst hóa diễn ra mạnh mẽ hơn. Như vậy, yếu tố sinh học – thông qua việc cung cấp CO₂ và axit hữu cơ – là điều kiện đủ, bổ trợ cho các yếu tố địa chất, khí hậu, thủy văn để hình thành nên hệ thống hang karst đồ sộ tại PNKB.

Quá trình hình thành hang động. Võ Văn Trí

3. Tiến trình hình thành hang động karst qua các giai đoạn

Các hang động karst không hình thành đột ngột mà trải qua một quá trình tiến hóa lâu dài qua nhiều giai đoạn. Quá trình này bắt đầu từ những khe nứt nhỏ trong đá và dần phát triển thành những hang động khô khổng lồ trang trí thạch nhũ. Cụ thể, một hệ thống hang karst điển hình ở PNKB trải qua các giai đoạn chính như sau:

3.1 Khe nứt ban đầu

Đây là giai đoạn khởi sinh, khi nước mưa và nước mặt bắt đầu thấm vào các khe nứt tự nhiên sẵn có trong khối đá vôi. Nước có tính axit yếu len lỏi vào mạng khe nứt và hòa tan dần dần đá vôi dọc theo vách khe. Ban đầu, quá trình hòa tan diễn ra chậm, chỉ mở rộng khe nứt thêm vài milimet mỗi năm. Tuy nhiên, theo thời gian hàng chục nghìn năm, các khe nứt mở rộng đáng kể về bề rộng và chiều sâu, tạo nên các hốc và khoảng rỗng nhỏ trong đá. Mật độ khe nứt và cường độ hòa tan quyết định mức độ phát triển ở giai đoạn này. Tại PNKB, do đá vôi dập vỡ mạnh, có rất nhiều khe nứt nên quá trình mở rộng khe nứt diễn ra đồng loạt khắp khối núi. Kết quả là hình thành mạng lưới lỗ hổng sơ khai – tiền thân của hang động.

3.2 Ống karst sơ khai (phát triển hang thanh niên)

Khi các khe nứt đủ mở rộng, dòng nước bắt đầu tập trung chảy qua những đường dẫn ngầm này, chuyển từ thấm nhỏ giọt sang dòng chảy thành vòi. Lúc này hình thành các ống karst – tức là những đường hầm nhỏ dưới đất có tiết diện cỡ vài cm đến vài chục cm. Nước chảy áp lực trong ống karst tiếp tục hòa tan mở rộng thành hầm ngầm lớn hơn. Đồng thời, nước chảy xiết mang theo cát sạn gây xói mòn cơ học mài rộng lòng ống (giai đoạn “rửa lũa” cơ học). Hai quá trình hóa học và cơ học kết hợp làm tăng nhanh kích thước hang: từ ống nhỏ dần phát triển thành hang ngầm đủ cho dòng sông chảy. Giai đoạn này tương ứng với sự hình thành các hang nước trẻ, còn ngập đầy nước ngầm và chưa thông ra mặt đất. Ở PNKB, các hang ngầm ban đầu thường có mặt cắt tròn dạng ống áp lực nằm sâu trong núi, thí dụ các đoạn hang ngầm thượng nguồn sông Chày hoặc Rào Thương thời kỳ đầtt.

3.3 Phát triển sông ngầm và hang động trưởng thành

Qua hàng trăm nghìn năm, các ống karst hợp lưu với nhau tạo thành mạng lưới sông ngầm chính trong khối karst. Nước từ lưu vực rộng đổ vào mạng lưới này, dòng chảy gia tăng lưu lượng tiếp tục mở rộng hang ngầm về cả chiều dài lẫn tiết diện. Hang động đạt đến giai đoạn trưởng thành, thể hiện bằng những hang sông ngầm lớn với chiều cao và bề rộng hàng chục mét, kéo dài nhiều km. Dòng sông ngầm chảy uốn lượn trong lòng núi và thường thoát ra ngoài qua cửa hang nước – là đoạn hang thông ra sườn núi hoặc thung lũng, nơi nước lộ thiên tạo thành suối nguồn. Một hệ quả quan trọng của giai đoạn này là tạo nên tầng thoát nước cơ bản cho hệ karst. Khi mực căn bản hạ xuống (do sông ngoài hạ thấp hoặc do nâng kiến tạo), dòng sông ngầm sẽ hạ thấp theo, để lại các hang động cạn ở cao hơn. Tại PNKB, rất nhiều hang động lớn hình thành bởi sông ngầm thời kỳ cổ. Ví dụ động Phong Nha hiện nay là một hang sông ngầm vẫn đang hoạt động (sông Son chảy xuyên núi), trong khi động Tiên Sơn nằm cao hơn ~200 m là một hang khô hình thành từ dòng sông ngầm cổ đã cạn. Sự tồn tại của cặp hang ướt – hang khô này minh chứng cho việc mực nước ngầm đã hạ thấp và hang động chuyển từ giai đoạn có sông sang giai đoạn khô cạn.

3.4 Hang khô và hình thành thạch nhũ

Khi một hang động bị cắt khỏi dòng nước ngầm (do nước hạ thấp hoặc đổi dòng), nó chuyển sang giai đoạn treo khô. Lúc này, hang không còn nước chảy qua, chỉ còn ẩm khí và nước thấm từ trần nhỏ giọt xuống. Điều kiện không khí trong hang cho phép xảy ra quá trình kết tủa khoáng vật: Nước nhỏ giọt mang ion Ca²⁺, HCO₃⁻ đã bão hòa sẽ giải phóng CO₂ vào không khí hang, kết tủa lại calcite tạo thành thạch nhũ. Theo thời gian hàng chục nghìn năm, các khối stalactite (nhũ đá từ trần) và stalagmite (măng đá từ sàn) lớn dần lên, có thể hợp nhất tạo cột trụ nối trần – sàn hang. Nhiều dạng khác như màn đá, rèm đá, hoa đá cũng hình thành do nước chảy tràn chứ không nhỏ giọt. Hang động lúc này trở thành hang khô hóa thạch, được trang trí lộng lẫy bởi hệ thống thạch nhũ muôn hình vạn trạng. Đây là giai đoạn cuối trong chu trình phát triển hang động karst. Nếu có tác động kiến tạo nâng hoặc hạ, có thể mở ra cửa hang mới (do sập trần) hoặc ngược lại bị lấp đầy trầm tích, kết thúc vòng đời hang. Tại PNKB, động Tiên Sơn, động Khô (thuộc hệ thống Phong Nha) hay động Thiên Đường là các hang khô điển hình, bên trong đầy thạch nhũ cho thấy chúng đã ổn định, không còn sông ngầm chảy qua. Ngược lại, những hang còn dòng nước (Phong Nha, Sơn Đoòng) thì thạch nhũ chỉ hình thành ở những khu vực cao, còn phần lòng sông vẫn trong giai đoạn hoạt động.

Như vậy, sự hình thành một hang động karst là kết quả của quá trình tiến hóa địa chất lâu dài: từ khe nứt nhỏ ban đầu, phát triển thành ống karst, rồi thành sông ngầm và cuối cùng trở thành hang khô treo cao khi nước rút đi. Quá trình này có thể lặp lại theo các mức cao độ khác nhau nếu địa hình tiếp tục biến đổi, tạo nên hệ thống hang nhiều tầng chồng lên nhau trong một khối karst.

4. Vai trò của kiến tạo địa chất trong sự phát triển hang động

Quá trình kiến tạo địa chất, đặc biệt là vận động nâng hạ địa tầng và hoạt động đứt gãy, có ảnh hưởng sâu sắc đến sự hình thành và định hướng phát triển của hang động karst tại PNKB.

Trước hết, các đứt gãy kiến tạo tạo ra mạng khe nứt dày đặc, quy định hướng chính cho dòng nước ngầm và hang động. Tại PNKB, các hệ đứt gãy theo hướng NE-SW, NW-SE… chia cắt khối đá vôi thành những đai dập vỡ nơi đá bị nứt nẻ mạnh[1]. Những nơi giao cắt các hệ thống đứt gãy thường hình thành nên thung lũng karst, hố sụt và hang động kéo dài theo phương đứt gãy. Nghiên cứu cho thấy khu vực nào đá vôi càng nứt nẻ mạnh do kiến tạo thì mật độ phễu sụt, giếng karst và hang động càng cao[1]. Ví dụ, động Phong Nha có hướng chính trùng với phương NE-SW của đứt gãy khu vực Sơn Trach – Phong Nha, hay hệ thống Hang Vòm – Hang Dơi ở PNKB cũng phát triển dọc đứt gãy kiến tạo sâu. Rõ ràng, các đới phá hủy kiến tạo đã định hướng cho nước ngầm “ăn” theo, từ đó tạo ra hành lang hang động trải dài theo phương đó.

Thứ hai, vận động tân kiến tạo (nâng – hạ địa tầng) quyết định sự hình thành các tầng hang động ở nhiều cao độ khác nhau. Nếu khu vực đá vôi được nâng lên theo từng chu kỳ xen kẽ với giai đoạn ổn định, quá trình karst sẽ phát triển theo chiều sâu: mực nước ngầm hạ dần sau mỗi pha nâng, để lại hệ thống hang động nhiều tầng cao thấp. Mỗi cao độ hang tương ứng với một mức mực nước ngầm trong quá khứ; hang nằm càng cao thì càng cổ và thường đã “chết” (không còn hoạt động)[1]. Nghiên cứu karst Việt Nam cho thấy ở những vùng nâng kiến tạo lâu dài, có thể hình thành tới 5 bậc hang động từ thấp nhất ~0–5 m đến cao nhất ~150–180 m[1]. Tại PNKB, quá trình nâng kiến tạo từ cuối Đệ Tam đã góp phần tạo ra các bậc hang: ví dụ hang Tiên Sơn cao ~200 m là hang cổ, trong khi hang Phong Nha (30 m) và mực nước ngầm hiện tại thấp hơn nữa cho thấy ít nhất hai tầng hang đã hình thành do nâng địa tầng. Ngược lại, nếu khu vực chịu sụt lún kiến tạo, mực nước ngầm dâng lên có thể làm bít lấp các hang tầng thấp, khiến chúng ngập trầm tích và ngưng phát triển[1].

Ngoài ra, kiến tạo nâng còn gây hiện tượng sập vòm hang do mái hang cũ nằm ở vị trí cao, không còn được nước chống đỡ. Hậu quả là tạo nên các hố sụt xuyên từ mặt đất vào hang, hình thành lối thông thiên gọi là giếng trời. Tại PNKB có nhiều hố sụt do sập hang cổ, điển hình như hố sụt Kong trong hệ thống hang Hổ – Over – Pygmy. Các nghiên cứu chỉ ra ba hang Hổ, Over, Pygmy vốn từng thông nhau tạo thành một hang lớn, sau đó trần hang sập xuống tạo hai hố sụt khổng lồ, phân tách thành ba hang riêng biệt có rừng cây mọc trong lòng hố sụt. Hai “giếng trời” tự nhiên trong hang Sơn Đoòng cũng là kết quả sập trần do hang chịu nâng và mở rộng quá mức. Như vậy, kiến tạo nâng vừa tạo điều kiện hình thành hang tầng cao, vừa gián tiếp gây sập đổ để lộ thiên một phần hang động.

Tóm lại, kiến tạo địa chất giữ vai trò “nhạc trưởng” trong sự phát triển hang động karst. Vận động nâng hạ quyết định hệ thống tầng hang (phân bố hang theo cao độ), còn các đứt gãy quyết định hướng và hình thái hang (phân bố hang theo bình đồ). Sự kết hợp của hai yếu tố này lý giải vì sao PNKB có hệ thống hang nhiều tầng phức tạp với hướng hang thẳng kéo dài và miệng hố sụt khổng lồ – tất cả đều mang dấu ấn của lịch sử kiến tạo lâu dài ở khu vực này.

Sơ đồ hang động. Võ Văn Trí

5. Ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới ẩm trong quá trình phong hóa đá vôi

Khí hậu nhiệt đới ẩm của PNKB không chỉ cung cấp lượng nước dồi dào mà còn tạo ra môi trường phong hóa hóa học rất mạnh, thúc đẩy nhanh quá trình karst hóa đá vôi. Một số đặc điểm khí hậu và hệ quả đối với phong hóa karst có thể kể đến:

• Mưa nhiều và phân bố theo mùa: Lượng mưa trung bình >2 m/năm, tập trung vào mùa mưa (cuối hè sang đông). Mùa mưa, nước mưa thấm xuống làm tăng mạnh mực nước ngầm, tạo điều kiện hòa tan đá vôi trên diện rộng. Trong khi đó, mùa khô kéo dài (6 tháng) nhưng độ ẩm không khí vẫn cao, giảm bốc hơi nước, giúp duy trì độ ẩm trong đất đá. Sự luân phiên mùa mưa – khô làm chu kỳ hòa tan – kết tủa diễn ra: mùa mưa hòa tan mở rộng hang, mùa khô nước rút tạo khoảng trống cho kết tủa thạch nhũ. Tuy mùa khô ít nước nhưng quá trình phong hóa hóa học vẫn tiếp tục ở các giếng karst, nơi nước tồn lưu cô đặc dần.
• Nhiệt độ cao quanh năm: Nhiệt độ trung bình năm ~23–25 °C, mùa hè có tháng >30 °C. Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ phản ứng hóa học; cứ tăng 10 °C thì tốc độ phản ứng hóa học có thể tăng gấp đôi. Do đó ở vùng nhiệt đới, đá vôi bị hòa tan nhanh hơn vùng ôn đới lạnh, nơi nhiệt độ thấp hạn chế phản ứng. Bên cạnh đó, nhiệt độ cao làm vi sinh vật hoạt động mạnh, sản sinh nhiều CO₂ trong đất hơn (đã đề cập ở phần sinh học). Nhìn chung, khí hậu nóng ẩm liên tục làm quá trình ăn mòn đá vôi diễn ra quanh năm, khác với karst vùng hàn đới chỉ hoạt động mùa ấm.
• Nước giàu CO₂ và axit hữu cơ: Hệ sinh thái rừng ẩm nhiệt đới cung cấp một lượng lớn vật chất hữu cơ phân hủy. Nước thấm trong đất rừng tích tụ CO₂ (từ rễ cây, vi khuẩn) và cả axit humic, fulvic từ mùn lá cây. Loại nước này khi chảy vào đá vôi sẽ gây ăn mòn hóa học mạnh hơn so với nước mưa thuần khiết. Thực nghiệm cho thấy nước trong rừng nhiệt đới có pH thấp hơn (acidic hơn) và hàm lượng ion hòa tan cao hơn hẳn nước ở vùng ít sinh vật. Tại PNKB, yếu tố này góp phần tạo nên các tiểu cảnh karst phong phú: chẳng hạn các khe rãnh karren sắc nét trên bề mặt đá (“đá tai mèo”) do nước acid chảy qua, hay hiện tượng “vỏ phong hóa” đất đỏ dày hình thành từ phần đá vôi bị hòa tan hết khoáng tan, chỉ còn oxit sắt sét.
• Hiện tượng lũ karst và xói mòn cơ học: Khí hậu PNKB có những trận mưa lớn, ngắn ngày gây lũ quét. Các lũ karst dâng nhanh trong hang ngầm rồi thoát rất nhanh qua ngầm karst, tạo lực xói mạnh. Bằng chứng là sau trận lũ lịch sử 2010, các nhà thám hiểm phát hiện nhiều hồ nước “treo” mới trong động Phong Nha do lũ bào mòn xoáy tạo hốc rồi rút đi để lại hố trũng chứa nước. Hồ “treo” rộng ~500 m² nằm lưng chừng động Phong Nha, cao hơn sông ngầm ~30 m là một minh chứng độc đáo cho tác động của những trận lũ karst trong khí hậu nhiệt đới ẩm. Lũ cũng cuốn trôi bùn cát, “rửa” sạch lòng hang, giúp hang duy trì thông thoáng chứ không bị lấp đầy; tuy nhiên lũ quá lớn có thể phá hủy thạch nhũ hoặc làm sập một số đoạn hang non yếu.

Tổng hợp lại, khí hậu nhiệt đới ẩm vừa là “động lực” vừa là “thử thách” cho địa hình karst PNKB. Nó cung cấp nguồn nước và nhiệt lượng để karst hóa diễn ra mãnh liệt (tốc độ ăn mòn đá vôi ở vùng nhiệt đới có thể đạt hàng mm mỗi năm, cao hơn hẳn vùng khô lạnh). Đồng thời, các cực đoan khí hậu như mưa lũ lớn cũng tạo nên những biến đổi địa hình đặc thù (hố sụt, hồ treo…) trong hang động PNKB. Có thể nói, nếu thiếu khí hậu nóng ẩm, PNKB khó có được hệ thống hang động kì vĩ, nhiều tầng và năng động như chúng ta thấy ngày nay.

Hang va. Vũ Ngọc Kỳ Văn

6. Địa hình hang động nhiều tầng ở Phong Nha – Kẻ Bàng 

Nhờ tổng hòa các yếu tố địa chất, kiến tạo và khí hậu kể trên, khối karst Phong Nha – Kẻ Bàng phát triển hệ địa hình hang động nhiều tầng rất độc đáo. Điều này nghĩa là trong cùng một khối núi đá vôi tồn tại các hang động ở nhiều cao độ khác nhau, phản ánh lịch sử tiến hóa karst qua các thời kỳ địa chất. Dưới đây là một số ví dụ cụ thể tiêu biểu:

• Cặp hang động ướt – khô Phong Nha – Tiên Sơn: Động Phong Nha và động Tiên Sơn là hai hang động nằm gần nhau nhưng ở hai cao độ rất chênh lệch, tạo thành một minh chứng điển hình cho địa hình hang nhiều tầng. Động Phong Nha nằm ở độ cao chỉ ~40 m (cửa hang sát mặt sông Son), có sông ngầm dài ~14 km chảy xuyên qua núi. Ngược lại, động Tiên Sơn (còn gọi là động Khô) nằm trên vách núi cao ~200 m so với mặt sông, cách cửa Phong Nha khoảng 100 m về phía nam Tiên Sơn dài ~1 km hoàn toàn khô ráo, nhiều thạch nhũ, không thông với dòng sông Phong Nha bên dưới. Các nhà khoa học cho rằng Tiên Sơn chính là phần hang cổ của hệ thống Phong Nha, được hình thành từ hàng triệu năm trước bởi dòng sông ngầm ở mức cao, sau đó mực nước hạ thấp chuyển dòng xuống tầng dưới (tạo thành hang Phong Nha ngày nay). Sự song song tồn tại của Phong Nha (hang nước hoạt động) và Tiên Sơn (hang khô hóa thạch) là ví dụ rõ rệt về hai thế hệ hang khác nhau xếp chồng theo chiều đứng do tác động nâng kiến tạo và hạ thấp mực nước qua thời gian.

• Hệ thống hang nhiều tầng Sơn Đoòng – Hang Én: Hang Sơn Đoòng hiện được xem là hang động lớn nhất thế giới, với chiều cao tới ~200 m, rộng ~150 m và dài gần 5 km. Sơn Đoòng nối với Hang Én (một hang lớn khác) tạo thành một phần của hệ thống hang Vòm. Đặc điểm đáng chú ý là trong hang Sơn Đoòng có hai hố sụt khổng lồ trên trần, hình thành do sập mái, gọi là giếng trời, cho phép ánh sáng mặt trời chiếu sâu vào hang và hình thành cả rừng cây dưới đáy hố sụt. Các nghiên cứu chỉ ra rằng Sơn Đoòng từng là một hang ngầm kín, nhưng do hang phát triển quá lớn và nằm trong khu vực nâng kiến tạo, trần hang đã sập ở hai điểm yếu, tạo lối thông lên mặt đất. Hiện tượng này chứng tỏ Sơn Đoòng đã chuyển từ hang ngầm sang một hang mở có mái sụt – một dạng trung gian trong quá trình karst hóa nhiều tầng. Ngoài ra, hệ thống Sơn Đoòng – Hang Én còn có sự phân tầng thủy văn: Hang Én là đoạn sông ngầm thượng nguồn ở mức cao hơn, nước chảy vào Sơn Đoòng rồi sau đó lại mất hút xuống tầng thấp hơn trong hang để chảy ra ngoài qua hang khác. Cấu trúc phức tạp nhiều tầng mức của Sơn Đoòng thể hiện một quá trình karst kéo dài và trải qua nhiều chu kỳ hạ thấp mực nước.

• Chuỗi hang sụt Hổ – Over – Pygmy: Đây là một hệ thống hang động đặc biệt mới được khám phá ở PNKB, minh họa cho sự phát triển hang động qua nhiều giai đoạn và sự sập đổ phân tầng. Hệ thống gồm ba hang lớn: Hang Hổ, Hang Over và Hang Pygmy, nằm sâu trong lõi rừng PNKB. Khảo sát cho thấy ban đầu chúng vốn thông với nhau thành một hang liền mạch; về sau, trần hang sập tạo thành hai hố sụt lớn chia tách thành ba đoạn hang riêng biệt. Hiện nay, cửa ra của hang Hổ thông sang hang Over qua một hố sụt sâu ~125 m (được đặt tên “Massive Attack”), và từ hang Over tiếp tục qua một hố sụt nữa mới đến hang Pygmy. Hang Pygmy hiện được đo đạc là hang lớn thứ 4 thế giới (chiều cao vòm ~100 m) do từng là phần cuối của hang lớn cổ. Hệ thống hang Hổ minh chứng rằng sự sập trần do karst phát triển mạnh và kiến tạo nâng đã tạo nên kiểu địa hình “hang nhiều tầng liên thông hố sụt” rất ngoạn mục. Giữa các hố sụt này, ánh sáng và mưa tạo điều kiện cho hệ sinh thái trong hang với cây rừng, chim và dơi sinh sống – một đặc trưng thú vị của hang nhiều tầng.

• “Hồ Kỳ” – hồ treo trong động Phong Nha: Gần đây, các nhà thám hiểm Việt Nam đã phát hiện một hồ nước ngầm treo trên cao trong động Phong Nha, được mô tả là “hồ kỳ lạ” bởi vị trí đặc biệt của nó. Hồ này rộng ~500 m², nằm trên một gờ hang cao 30 m so với sông ngầm Phong Nha bên dưới và cao hơn Xuyên Sơn Hồ (một hồ nhỏ 70 m² phía dưới) khoảng 10 m. Sự tồn tại của “hồ treo” chứng tỏ trong hang Phong Nha có tầng hang cao hơn song song với dòng sông chính, có thể hình thành do nước lũ xoáy tạo hốc rồi rút đi để lại hồ nước. Các nhà khoa học lý giải rằng hàng trăm triệu năm lũ lớn đã bào mòn đá và tạo nên hồ treo này – tức là vết tích còn sót của một mực nước ngầm tầng cao trong quá khứ. Hồ treo cùng với loạt “giếng trời” trong Sơn Đoòng cho thấy hệ thống Phong Nha còn lưu giữ nhiều tầng nước ngầm cổ và hang bán ngập ở cao độ khác nhau, góp phần hoàn thiện bức tranh đa tầng của karst PNKB.

Những ví dụ trên khẳng định rằng địa hình karst Phong Nha – Kẻ Bàng có cấu trúc không gian rất phức tạp với nhiều tầng hang động chồng xếp. Mỗi tầng hang tương ứng với một giai đoạn phát triển karst khác nhau về thời gian và điều kiện hình thành. Sự đa tầng này vừa làm tăng giá trị khoa học (nghiên cứu lịch sử địa chất qua “hồ sơ” các tầng hang), vừa tạo cảnh quan kỳ thú độc nhất vô nhị. Ít có nơi nào trên thế giới như PNKB, du khách có thể đi thuyền trên sông ngầm ở hang động tầng thấp, rồi leo lên tham quan hang khô tầng cao đầy thạch nhũ, hoặc chui xuống hố sụt để trải nghiệm hệ sinh thái lòng hang ngập tràn ánh sáng. Đây chính là minh chứng cho quá trình karst hóa mãnh liệt và lâu dài dưới tác động của kiến tạo và khí hậu đặc thù ở vùng núi đá vôi Phong Nha.

7. Nghiên cứu về quá trình karst hóa tại Phong Nha – Kẻ Bàng

Với những đặc điểm độc đáo và quy mô nổi bật, khu vực PNKB đã và đang là đối tượng thu hút nhiều nghiên cứu khoa học, cả trong nước và quốc tế, về địa chất karst và quá trình hình thành hang động.

Ngay từ trước khi được công nhận di sản thế giới, các nhà địa chất Việt Nam đã nghiên cứu về địa hình karst PNKB. Năm 1991–1992, Đặng Ngọc Thanh và cộng sự đã khảo sát hang động PNKB phục vụ lập hồ sơ địa chất cho Vườn quốc gia (tiền đề cho việc UNESCO công nhận sau này). Các nghiên cứu nền tảng xác định khối PNKB gồm đá vôi cổ Devon–Carbon dày, bị đứt gãy mạnh và karst hóa nhiều giai đoạn. Nguyễn Thị Ngọc Yến & Nguyễn Đức Lý (Sở KH&CN Quảng Bình) đã phân tích sâu các yếu tố tự nhiên ảnh hưởng đến karst PNKB, nhấn mạnh vai trò cấu trúc đứt gãy, khí hậu ẩm và tương quan karst – phi karst trong vùng[1]. Công trình này giúp hiểu rõ nguyên nhân vì sao karst ở PNKB lại phát triển mạnh, phức tạp và đa dạng hơn hẳn nhiều nơi khác ở Việt Nam.

Về phương diện thủy văn karst, Đỗ Quang Thiên et al. (2011) đã nghiên cứu hoạt động karst dưới góc độ thủy địa hóa cho khối PNKB[3]. Nhóm đã phân tích thành phần hóa học nước ở nhiều hang động khác nhau, qua đó đánh giá mức độ hoạt động karst hiện tại. Kết quả cho thấy nước ngầm PNKB có độ cứng và hàm lượng ion hòa tan cao, biến động mạnh theo mùa, chứng tỏ quá trình hòa tan đá vôi diễn ra rất nhạy với mùa mưa và có thể gây ra các nguy cơ sụt lún, sập hang. Nghiên cứu này cũng đề xuất cần giám sát định kỳ chất lượng nước karst để đánh giá sự ổn định của di sản PNKB trong bối cảnh phát triển du lịch[3].

Về hang động cụ thể, nhiều đề tài trong nước đã tập trung vào từng hang tiêu biểu. Ví dụ, Đặng Văn Bài & Nguyễn Xuân Nam (2005) nghiên cứu điền dã động Phong Nha – Tiên Sơn, làm rõ mối liên hệ tầng hang như đã trình bày. Trần Nghị (2010) khảo sát động Thiên Đường khi mới phát hiện, đánh giá đây là một mẫu mực của hang khô tầng cao với hệ thống thạch nhũ đồ sộ. Gần đây, Mai Thanh Tân et al. (2024) công bố nghiên cứu về paleokarst ở PNKB và Hin Nam No (Lào) – tức là dấu vết karst cổ bị chôn vùi trong lòng đá – qua đó xác nhận vùng này từng trải qua karst hóa mạnh từ hàng trăm triệu năm trước, để lại những trầm tích karst cổ trong hang động[4]. Đây là hướng nghiên cứu mới, giúp hiểu rõ hơn lịch sử tiến hóa địa chất khu vực.

Về khám phá hang động, Hiệp hội Hang động Hoàng gia Anh (BCRA) đóng góp to lớn. Từ năm 1990, các đoàn thám hiểm Anh – Việt đã khảo sát hầu hết các hang lớn ở PNKB, phát hiện hơn 300 hang động mới. Thành tựu nổi bật là năm 2009, đoàn thám hiểm Hoàng gia Anh dẫn đầu đã phát hiện và đo đạc hang Sơn Đoòng, xác lập kỷ lục hang lớn nhất thế giới [5]. Các kết quả thám hiểm hang động PNKB được BCRA công bố quốc tế (Tạp chí Cave and Karst Science, National Geographic 2011…) đã gây tiếng vang, qua đó thu hút sự quan tâm của giới nghiên cứu địa chất toàn cầu. Chính nhờ những nỗ lực này mà đến nay khoảng 30% diện tích PNKB đã được khảo sát hang động, tổng chiều dài hang đạt ~250 km, và nhiều loài sinh vật hang động quý hiếm cũng được phát hiện (cá mù, côn trùng đặc hữu).

Các tổ chức quốc tế như UNESCO, IUCN cũng tham gia nghiên cứu, tư vấn bảo tồn karst PNKB. Báo cáo UNESCO (2015) ghi nhận PNKB là mẫu hình karst nhiệt đới ẩm tiến hóa liên tục từ Paleozoic đến nay[2]. IUCN khuyến nghị cần hợp tác Việt–Lào để nghiên cứu xuyên biên giới PNKB – Hin Nam No như một hệ karst thống nhất. Hiện PNKB cũng là phòng thí nghiệm tự nhiên để nghiên cứu biến đổi khí hậu (qua thạch nhũ lưu giữ dữ liệu khí hậu quá khứ) và địa mạo karst trong môi trường nhiệt đới.

Tóm lại, quá trình karst hóa tại Phong Nha – Kẻ Bàng đã và đang được nghiên cứu toàn diện trên nhiều lĩnh vực: địa chất, thủy văn, sinh thái, khảo cổ… Sự kết hợp giữa các nhà khoa học Việt Nam và quốc tế đã làm sáng tỏ phần nào lịch sử hình thành hệ thống hang động độc nhất vô nhị này, đồng thời đưa ra các khuyến nghị quan trọng cho công tác bảo tồn và phát triển bền vững di sản. PNKB không chỉ là báu vật thiên nhiên của Việt Nam mà còn là một trong những phòng thí nghiệm sống động nhất thế giới về nghiên cứu karst và hang động nhiệt đới.

Tài liệu tham khảo:

1. Đỗ Quang Thiên, Nguyễn Thị Ngọc Yến, Vũ Cao Minh (2011). “Hoạt động karst của khối đá vôi Phong Nha - Kẻ Bàng dưới góc độ thủy địa hóa.” Tạp chí Các Khoa học về Trái Đất, 33(4), 669-673.
2. UNESCO World Heritage Centre (2023). “Phong Nha-Ke Bang National Park and Hin Nam No National Park” – World Heritage List Description.
3. Nguyễn Thị Ngọc Yến, Nguyễn Đức Lý (201x). “Phân tích nguyên nhân, điều kiện phát sinh, phát triển karst khối núi đá vôi Phong Nha - Kẻ Bàng, Quảng Bình.” (Báo cáo khoa học, Sở KH&CN Quảng Bình).
4. M. T. Tan, V. T. M. Nguyet, H. V. Tha, B. V. Thom, L. T. Phuc, and L. T. Tuat, “Paleokarst in Phong Nha – Ke Bang – Hin Nam No and its geomorphological and geological values,” VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, vol. 40, no. 3, pp. 72–91, 2024, doi: 10.25073/2588-1094/vnuees.5065.
5. Trần Ngụy (en), Howard Limbert (eds.) (2014). “Phong Nha-Ke Bang: Ky quan karst the gioi.” Nhà xuất bản Thế Giới, Hà Nội. (Tổng hợp các khám phá hang động PNKB của đoàn thám hiểm Hoàng gia Anh và các nghiên cứu karst khu vực).