Cát khai và vết vỡ: vì sao mica tách lá còn thạch anh vỡ vỏ sò

Cát khai là xu hướng một khoáng vật tách ra theo những mặt phẳng nhẵn, song song, đúng ở chỗ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể yếu nhất. Vết vỡ là kiểu bề mặt khi khoáng vật vỡ không theo mặt phẳng nào: cong như vỏ sò, lởm chởm, dạng mảnh hay dạng sợi. Mica tách thành lá mỏng vì có cát khai hoàn toàn theo một hướng; thạch anh gần như không có cát khai nên vỡ ra mặt cong như mảnh chai.

Vì sao có khoáng vật tách phẳng, có khoáng vật vỡ cong

Mọi tính chất cát khai đều bắt nguồn từ mạng tinh thể. Trong một số khoáng vật, các nguyên tử liên kết chặt theo một số hướng nhưng lỏng hơn theo hướng khác. Mica là ví dụ rõ nhất: nó gồm những tấm silicat liên kết rất bền bên trong mỗi tấm, còn giữa các tấm chỉ có lớp ion kali giữ lỏng lẻo. Lưỡi dao lách vào là các tấm tách ra như trang sách, mỏng đến mức nhìn xuyên qua được.

Thạch anh thì ngược lại. Bộ khung tứ diện SiO₄ nối với nhau bằng liên kết mạnh gần như đều theo mọi hướng, không có "đường yếu" nào nổi trội. Khi bị đập, vết nứt lan đi theo bất cứ đường nào ứng suất dẫn tới và để lại mặt cong lõm có những gợn đồng tâm, gọi là vết vỡ vỏ sò. Thuỷ tinh và obsidian, vốn không có mạng tinh thể, cũng vỡ y như vậy; người tiền sử khắp thế giới đã lợi dụng điều này để ghè đá lửa, obsidian thành mũi nhọn sắc.

Điều quan trọng cần nhớ: cát khai là tính chất của loài. Mọi mẫu canxit, dù lớn hay nhỏ, đẹp hay xấu, đều tách theo ba hướng cát khai giống nhau với cùng một góc. Vì vậy cát khai là bằng chứng nhận diện rất mạnh.

Mô tả cát khai: số hướng, góc và mức độ

Khi ghi chép cát khai, nhà khoáng vật học trả lời ba câu hỏi.

Mấy hướng?

Số hướng cát khai là số tập hợp mặt phẳng song song khác nhau. Một mảnh muscovit chỉ tách theo một hướng; halit tách theo ba hướng thành những khối vuông; fluorit tách theo bốn hướng tạo thành khối tám mặt.

Góc bao nhiêu?

Góc giữa các hướng cát khai giúp phân biệt những khoáng vật trông giống nhau. Ví dụ quen thuộc của sinh viên địa chất: pyroxen và amphibol đều thường sẫm màu, dạng lăng trụ, nhưng pyroxen có hai hướng cát khai gần vuông góc (khoảng 87° và 93°), còn amphibol có hai hướng cắt nhau khoảng 56° và 124°.

Mức độ nào?

Mức độ mô tả mặt cát khai dễ tạo và nhẵn đến đâu, thường dùng thang: hoàn toàn (tách rất dễ, mặt bóng như gương: mica, canxit, fluorit), tốt (fenspat, pyroxen), trung bình, kém (beryl), và không có hoặc gần như không (thạch anh, granat).

Các góc trong bảng là giá trị điển hình theo sổ tay khoáng vật học; đo trên mẫu thật thường lệch vài độ, nhất là khi mặt cát khai không hoàn hảo.

Vết vỡ: khi khoáng vật không tách phẳng

Ngay cả khoáng vật có cát khai tốt cũng có thể vỡ theo hướng khác, và khoáng vật không cát khai thì chỉ có vết vỡ. Các kiểu chính:

• Vỏ sò (conchoidal): mặt cong lõm, có gợn đồng tâm như mặt trong vỏ sò. Thạch anh, obsidian, opal, thuỷ tinh.
• Không phẳng (uneven): mặt gồ ghề không quy luật. Rất nhiều khoáng vật, ví dụ pyrit, granat.
• Dạng mảnh (splintery): vỡ ra các mảnh dài, nhọn như dằm gỗ. Một số khoáng vật dạng sợi, ngọc nephrit.
• Dạng sợi (fibrous): tách thành sợi. Thạch cao sợi, chrysotil.
• Răng cưa (hackly): mép lởm chởm sắc. Kim loại tự sinh như đồng, bạc khi bị xé rách.
• Dạng đất (earthy): vỡ vụn như đất khô. Kaolinit, limonit dạng đất.

Tách theo mặt song tinh: hiện tượng "parting"

Có những khoáng vật không có cát khai thật nhưng vẫn tách phẳng theo vài hướng. Corundum là ví dụ: về lý thuyết nó không có cát khai, nhưng nhiều mẫu tách theo mặt đáy và theo mặt thoi. Nguyên nhân là những mặt yếu được tạo ra sau khi tinh thể đã hình thành, thường do song tinh dạng lá mỏng hoặc do những lớp chất khác tách ra dọc theo một mặt mạng. Hiện tượng này gọi là tách theo mặt (parting).

Khác biệt then chốt: cát khai có ở mọi mẫu của loài và tách được ở bất cứ chỗ nào song song với mặt cát khai; parting chỉ có ở những mẫu có khuyết tật đó và chỉ tách ở đúng những mặt yếu cụ thể. Magnetit cũng hay có parting theo mặt tám mặt. Trong nghề đá quý, ruby và sapphire có parting rõ dễ bị tách ra khi mài nếu thợ không chú ý.

Độ bền dai: cát khai không phải tất cả

Cách khoáng vật phản ứng khi bị đập, uốn, cắt gọi là tính dai (tenacity). Đây là tính chất khác với cát khai và độ cứng, nhưng thường được mô tả cùng:

• Giòn: vỡ vụn khi đập, đa số khoáng vật phi kim như thạch anh, canxit.
• Dễ dát mỏng: đập thì bẹt ra chứ không vỡ, như vàng, bạc, đồng tự sinh.
• Cắt được: dao gọt ra phoi mỏng, như thạch cao, một số khoáng vật bạc.
• Uốn dẻo: uốn cong mà không bật lại, như lá clorit, talc.
• Đàn hồi: uốn cong rồi bật lại như cũ, như lá mica.

Kim cương là bài học kinh điển. Nó cứng nhất trên thang Mohs, nhưng có cát khai hoàn toàn theo bốn hướng tám mặt. Một cú va mạnh đúng góc có thể làm viên kim cương mẻ hoặc tách. Thợ cắt kim cương thời trước tận dụng chính cát khai này để chẻ những viên thô lớn, một thao tác đòi hỏi tính toán hướng rất chính xác. Ngày nay phần lớn việc cắt đôi viên thô dùng cưa và laser, nhưng hiểu cát khai vẫn là việc đầu tiên của người thợ.

Ngược lại, ngọc nephrit có độ cứng chỉ khoảng 6–6,5 nhưng gồm vô số sợi nhỏ đan xoắn vào nhau, không có mặt yếu chung, nên rất dai, khó đập vỡ hơn nhiều khoáng vật cứng hơn nó.

Cát khai trong nghề mài đá và trong đời sống

• Thợ mài đá quý phải biết hướng cát khai trước khi đặt viên đá lên đĩa mài. Topaz, kunzit (spodumen) và fluorit có cát khai hoàn toàn; mặt giác đặt trùng đúng mặt cát khai sẽ rất khó đánh bóng và dễ bong tróc, nên thợ thường nghiêng mặt giác lệch vài độ khỏi mặt cát khai.
• Mica nhờ tách được thành tấm mỏng, trong suốt, chịu nhiệt và cách điện nên từ lâu được dùng làm cửa sổ lò, tấm cách điện trong thiết bị điện.
• Muối mỏ (halit) bóc từ mỏ thường vỡ thành khối vuông vức nhờ ba hướng cát khai vuông góc.
• Đá phiến lợp mái tách thành tấm mỏng, nhưng đó là thớ phiến của đá do các khoáng vật dạng vảy xếp song song, không phải cát khai của một khoáng vật riêng. Phân biệt hai khái niệm này là một điểm thi kinh điển.

Góc nhìn hôm nay: quan sát cát khai an toàn tại nhà

Cách tốt nhất để hiểu cát khai là nhìn, không phải đập. Một vài gợi ý:

1. Muối hạt to: soi kính lúp, thấy những hạt có mặt vuông vức và bậc thang nhỏ, là cát khai lập phương của halit.
2. Mica: nếu có mẫu mica, lấy móng tay hoặc đầu dao mỏng tách nhẹ từng lá. Các lá tách ra mỏng, phẳng và bật lại khi uốn nhẹ.
3. Mặt đá granit: nghiêng dưới đèn để thấy các hạt fenspat loé sáng cùng lúc trên một mặt phẳng, rồi tối đi khi xoay tiếp. Đó là ánh phản chiếu của mặt cát khai.
4. Canxit: một mẩu canxit trong suốt (Iceland spar) mua ở cửa hàng mẫu khoáng vật thường đã có sẵn hình khối mặt thoi, chính là hình dạng cát khai.

Nếu muốn tự tách một mẫu bằng búa, phải đeo kính bảo hộ (mảnh vụn bắn rất nhanh), bọc mẫu trong vải dày và làm ngoài trời. Không đập mẫu có thể chứa amiăng (dạng sợi mềm như chrysotil) hay khoáng vật kim loại nặng; bụi của chúng có hại khi hít phải.

Muốn đọc thêm, chương "tính chất vật lý của khoáng vật" trong các giáo trình khoáng vật học đại cương đều có hình vẽ minh hoạ từng kiểu cát khai; Mindat ghi cát khai cho mỗi loài ở mục "Cleavage" và "Fracture".