Đá quý hình thành ở năm môi trường chính: sâu trong lớp phủ Trái Đất, trong đá bị biến chất dưới nhiệt và áp suất, trong túi magma cuối cùng giàu nước gọi là pegmatit, trong mạch nước nóng len qua khe đá, và gần mặt đất do phong hoá, lắng đọng. Mỗi môi trường cho một "họ" đá quý khác nhau: kim cương từ lớp phủ, ruby trong đá hoa biến chất, ngọc lục bảo và aquamarine trong pegmatit hoặc mạch nhiệt dịch, opal từ gel silic gần mặt đất.
Điểm chung là đá quý cần một tổ hợp hiếm: đúng nguyên tố, đúng nhiệt độ, áp suất, đủ thời gian để tinh thể lớn và đủ may mắn để được đưa lên gần mặt đất mà không bị phá huỷ. Bài viết đi qua từng môi trường, giải thích vì sao một nguyên tố như crom vừa nhuộm đỏ ruby vừa nhuộm xanh ngọc lục bảo, và vì sao Việt Nam có ruby nằm trong đá hoa ở Lục Yên.
Kim cương: sinh ra sâu hơn trăm kilômét, lên mặt đất trong vài giờ
Kim cương là carbon tinh khiết xếp thành mạng tinh thể lập phương, và chỉ bền ở áp suất rất cao. Phần lớn kim cương tự nhiên hình thành ở độ sâu khoảng 150–200 km trong lớp phủ, dưới các nền lục địa cổ, nơi áp suất gấp hàng chục nghìn lần áp suất khí quyển và nhiệt độ khoảng 900–1.300°C. Ở mặt đất, than chì mới là dạng carbon bền; kim cương tồn tại được vì quá trình chuyển ngược diễn ra cực chậm ở nhiệt độ thường.
Vấn đề là làm sao đưa kim cương lên mà không biến thành than chì dọc đường. Câu trả lời là các vụ phun trào kimberlite: magma giàu khí từ rất sâu vọt lên với tốc độ lớn, tạo các ống hình củ cà rốt xuyên qua vỏ Trái Đất, mang theo kim cương và mảnh đá lớp phủ. Tốc độ đi lên nhanh giúp kim cương "đóng băng" ở trạng thái của nó. Phần lớn ống kimberlite chứa kim cương có tuổi rất cổ.
Bản thân kim cương còn cổ hơn: các nghiên cứu định tuổi bao thể cho thấy nhiều viên có tuổi từ khoảng một tới hơn ba tỉ năm. Bao thể trong kim cương là "viên nang thời gian" của lớp phủ. Năm 2014, một nhóm nghiên cứu công bố trên Nature việc tìm thấy khoáng vật ringwoodite chứa nước trong một viên kim cương từ Brazil, ủng hộ giả thuyết vùng chuyển tiếp sâu khoảng 410–660 km của lớp phủ chứa một lượng nước đáng kể.
Biến chất: ruby trong đá hoa và ngọc jadeite ở đới hút chìm
Biến chất là khi đá có sẵn bị nung nóng và nén ép, khoáng vật cũ tái kết tinh thành khoáng vật mới mà không nóng chảy hoàn toàn. Ruby trong đá hoa là ví dụ nổi bật. Đá vôi cổ chứa lẫn một ít nhôm và crom; khi bị biến chất thành đá hoa trong quá trình tạo núi, nhôm kết tinh thành corundum. Điều kiện quan trọng là rất ít silic: nếu có nhiều silic, nhôm sẽ đi vào các khoáng vật silicat khác chứ không thành corundum.
Môi trường đá hoa nghèo sắt cũng giải thích vì sao ruby ở đây thường có màu đỏ tươi và phát quang mạnh dưới tia cực tím: crom tạo màu và phát quang, còn sắt nếu nhiều sẽ dập tắt bớt sự phát quang. Các mỏ ruby trong đá hoa nổi tiếng gồm Mogok (Myanmar) và Lục Yên (Yên Bái cũ, nay thuộc tỉnh Lào Cai) của Việt Nam. Nhiều nhà địa chất liên hệ các mỏ này với quá trình va chạm mảng Ấn Độ với mảng Á-Âu, quá trình đã nâng dãy Himalaya.
Jadeite cần một kiểu biến chất khác: áp suất cao nhưng nhiệt độ tương đối thấp, điều kiện gặp ở đới hút chìm, nơi một mảng đại dương lạnh bị kéo xuống dưới mảng khác. Ngọc jadeite chất lượng cao vì thế thường gắn với các dải đá cổ từng là đới hút chìm, như vùng Kachin ở Myanmar. Garnet, kyanit, một số loại spinel cũng là sản phẩm của biến chất.
Pegmatit: túi magma cuối cùng nuôi những tinh thể khổng lồ
Khi một khối magma granit nguội dần, các khoáng vật thường gặp như fenspat, thạch anh kết tinh trước. Phần dung dịch còn lại cuối cùng ngày càng giàu nước và các nguyên tố "không vừa" với khoáng vật thông thường, như beryli, liti, bo, flo, tantal. Phần dung dịch đặc biệt này len vào khe nứt và kết tinh thành pegmatit.
Nước làm dung dịch loãng, nguyên tử di chuyển dễ, nên tinh thể trong pegmatit có thể lớn bất thường: các tinh thể beryl, fenspat dài nhiều mét đã được ghi nhận ở một số mỏ. Đây là "lò ấp" của nhiều đá quý: beryli tạo ra beryl (aquamarine xanh trời nhờ sắt, morganite hồng nhờ mangan), bo tạo tourmaline, flo góp phần tạo topaz, liti tạo kunzite.
Pegmatit cũng có giá trị công nghiệp: là nguồn liti, tantal, thiếc, mica. Ở Việt Nam, một số vùng có pegmatit chứa tourmaline, aquamarine, topaz được ghi nhận trong các khảo sát địa chất. Nhìn ở góc khoa học, pegmatit cho thấy một nguyên lý thú vị: chính những nguyên tố hiếm, bị khoáng vật thường từ chối, lại gom về một chỗ và tạo nên các tinh thể đẹp nhất.
Nước nóng và gần mặt đất: ngọc lục bảo, opal, ngọc lam
Mạch nhiệt dịch hình thành khi nước nóng mang khoáng chất hoà tan len qua khe nứt rồi kết tủa khi nguội đi. Ngọc lục bảo Colombia là trường hợp đặc biệt: thay vì pegmatit, chúng hình thành trong đá phiến đen trầm tích, khi dung dịch muối nóng phản ứng với đá, giải phóng beryli, crom, vanadi và kết tinh thành beryl màu lục. Cơ chế này được nhiều nghiên cứu địa hoá ủng hộ và giải thích vì sao ngọc lục bảo Colombia có bao thể chứa chất lỏng, bọt khí và tinh thể muối nhỏ, gọi là bao thể ba pha.
Gần mặt đất, nước mưa và nước ngầm tiếp tục làm việc ở nhiệt độ thường. Opal quý ở vùng trũng nội địa nước Úc hình thành khi silic hoà tan từ đá phong hoá lắng thành gel trong khe và hốc, rồi đông cứng thành vô số quả cầu silic siêu nhỏ xếp đều đặn; ánh sáng nhiễu xạ trên lưới cầu này tạo ra "lửa" màu của opal. Ngọc lam (turquoise) hình thành khi nước thấm qua đá chứa đồng và nhôm trong khí hậu khô, đồng cho màu xanh lam đặc trưng.
Hai môi trường này cho thấy đá quý không nhất thiết cần nhiệt độ khủng khiếp. Có loại sinh ra chỉ nhờ nước, thời gian và hoá học kiên nhẫn ở độ sâu vài chục mét.
Năm môi trường tạo đá quý
Bảng dưới đây tóm tắt ở mức phổ thông; điều kiện nhiệt độ, độ sâu là khoảng gần đúng, mỗi mỏ cụ thể có lịch sử riêng.
| Môi trường | Điều kiện | Đá quý tiêu biểu | Ví dụ nơi có |
|---|---|---|---|
| Lớp phủ sâu | 150–200 km, khoảng 900–1.300°C | Kim cương, peridot | Nam Phi, Botswana, Nga, Canada |
| Biến chất | Nhiệt và áp suất khi tạo núi hoặc ở đới hút chìm | Ruby, sapphire trong đá hoa, jadeite, garnet | Mogok, Lục Yên, Kachin |
| Pegmatit | Dung dịch magma cuối giàu nước, nguyên tố hiếm | Aquamarine, tourmaline, topaz, kunzite | Brazil, Madagascar, Afghanistan |
| Nhiệt dịch | Nước nóng chứa khoáng trong khe đá | Ngọc lục bảo Colombia, thạch anh tím trong hốc, mạch thạch anh | Colombia, Brazil, Uruguay |
| Phong hoá, lắng đọng | Nhiệt độ thường, nước ngầm, khí hậu đặc thù | Opal, ngọc lam; mỏ sa khoáng gom đá quý | Úc, Iran, Sri Lanka, Quỳ Châu |
Mỏ sa khoáng là trường hợp đặc biệt của nhóm cuối: đá quý hình thành ở nơi khác, nhưng vì cứng và nặng, chúng sống sót khi đá mẹ bị phong hoá và được dòng nước gom lại trong sỏi lòng sông. Nhiều nguồn đá quý ở Sri Lanka và Quỳ Châu (Nghệ An) là sa khoáng.
Màu sắc: cùng một nguyên tố, khác chủ nhà
Crom nhuộm đỏ ruby và xanh ngọc lục bảo. Trong corundum, ion crom bị các nguyên tử oxy xung quanh ép chặt, làm nó hấp thụ ánh sáng vàng lục và cho màu đỏ. Trong beryl, môi trường quanh crom "lỏng" hơn một chút, dải hấp thụ dịch chuyển, màu ra xanh lục. Hiện tượng được giải thích bằng lý thuyết trường tinh thể và là ví dụ kinh điển trong sách hoá vô cơ.
Sắt và titan cho sapphire xanh. Cặp ion sắt–titan đứng cạnh nhau trao đổi electron khi hấp thụ ánh sáng, tạo màu xanh lam. Chỉ sắt thì thường cho sắc vàng hoặc lục nhạt.
Khi nguyên tố gây màu là thành phần chính. Peridot có màu lục vì sắt nằm trong chính công thức của olivin, nên peridot gần như luôn có màu lục, chỉ đậm nhạt khác nhau. Ngọc lam cũng vậy với đồng.
Khi màu đến từ cấu trúc. Opal không cần nguyên tố tạo màu: lửa màu đến từ nhiễu xạ ánh sáng trên lưới cầu silic. Xà cừ ngọc trai cũng tạo ánh màu từ cấu trúc lớp.
Vì sao đá quý hiếm và con người tạo ra chúng thế nào
Đá quý hiếm vì cần nhiều điều kiện cùng lúc. Beryli chỉ chiếm phần rất nhỏ trong vỏ Trái Đất, nên muốn có ngọc lục bảo phải có một quá trình gom beryli lại, đồng thời có crom hoặc vanadi gần đó, trong khi hai nhóm nguyên tố này thường ở những loại đá rất khác nhau. Ruby cần nhôm và crom nhưng thiếu silic, một điều kiện khá kén chọn. Sau đó tinh thể còn phải lớn đủ, ít nứt, và được đưa lên gần mặt đất qua hàng triệu năm mà không bị phá huỷ.
Hiểu được điều kiện hình thành cũng là bước đầu để tái tạo trong phòng thí nghiệm. Năm 1902, nhà hoá học Pháp Auguste Verneuil công bố phương pháp nóng chảy trong ngọn lửa để tạo ruby tổng hợp, vẫn được dùng rộng rãi để làm corundum công nghiệp và kính đồng hồ. Năm 1954, các nhà khoa học của General Electric tạo kim cương bằng phương pháp áp suất cao, nhiệt độ cao, mô phỏng điều kiện lớp phủ. Ngày nay còn có phương pháp lắng đọng hơi hoá học, "mọc" kim cương từng lớp nguyên tử carbon từ khí.
Đá tổng hợp có cùng thành phần và cấu trúc với đá tự nhiên, nhưng mang dấu vết của quá trình nhân tạo: vân cong, bọt khí, kiểu phát quang khác, mà phòng kiểm định nhận ra được. Còn viên đá tự nhiên mang dấu vết của lịch sử địa chất: bao thể kể nó đã lớn lên ở đâu, nóng tới đâu, đi lên mặt đất bằng con đường nào.
Câu hỏi thường gặp
Kim cương có phải được tạo từ than đá bị nén không?
Đây là hiểu nhầm phổ biến. Than đá hình thành từ thực vật trong vỏ Trái Đất ở độ sâu nông, trong khi phần lớn kim cương hình thành sâu hơn trăm kilômét trong lớp phủ, từ carbon có sẵn ở đó, và nhiều viên cổ hơn cả thời có thực vật trên cạn. Hai thứ có chung nguyên tố carbon nhưng không có quan hệ trực tiếp.
Vì sao Lục Yên có ruby?
Lục Yên có các dải đá hoa hình thành khi đá vôi cổ bị biến chất trong quá trình tạo núi liên quan tới va chạm mảng kiến tạo khu vực. Trong đá hoa có đủ nhôm và crom nhưng thiếu silic, điều kiện thuận lợi để corundum đỏ kết tinh. Phong hoá về sau gom một phần ruby, spinel vào các bãi sa khoáng quanh vùng.
Đá quý có còn đang hình thành không?
Có. Các quá trình địa chất vẫn diễn ra: mảng kiến tạo vẫn va chạm, magma vẫn nguội, nước ngầm vẫn lắng đọng khoáng chất. Nhưng chúng diễn ra trong thời gian hàng nghìn tới hàng triệu năm và ở độ sâu con người không quan sát trực tiếp được, nên đá quý đang hình thành hôm nay sẽ chưa xuất hiện trên mặt đất trong tương lai gần.
Mỏ sa khoáng là gì?
Mỏ sa khoáng là nơi khoáng vật nặng, bền được nước gom lại sau khi đá mẹ bị phong hoá và bào mòn. Vì đá quý cứng và nặng hơn phần lớn hạt cát, chúng tụ lại ở chỗ dòng chảy chậm như khúc sông uốn, hố trũng. Nhiều mỏ đá quý ở Sri Lanka, Myanmar và Việt Nam là sa khoáng.
Vì sao cùng là corundum mà có ruby và sapphire?
Corundum tinh khiết không màu. Khi có crom, nó đỏ và được gọi là ruby. Khi có sắt cùng titan, nó xanh lam và được gọi là sapphire; các màu khác như vàng, hồng, cam cũng gọi là sapphire kèm tên màu. Ranh giới giữa ruby và sapphire hồng là quy ước của ngành, không phải khác biệt khoáng vật.
Đá quý tổng hợp có phải đá giả không?
Không hẳn. Đá tổng hợp có cùng thành phần hoá học, cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý với đá tự nhiên tương ứng, chỉ khác nguồn gốc. Đá giả là vật liệu khác hoàn toàn đội lốt, như thuỷ tinh giả ruby. Điều quan trọng là tên gọi phải nói rõ đá tổng hợp hay tự nhiên.