Đá quý từ biến chất: ruby trong đá hoa, garnet và ngọc jadeite

Đá quý biến chất là những viên đá sinh ra khi một loại đá có sẵn bị nung nóng và nén ép sâu trong lòng đất mà không tan chảy, khiến các nguyên tử sắp xếp lại thành khoáng vật mới. Ruby trong đá hoa, garnet trong đá phiến mica, tanzanite và ngọc jadeite đều ra đời theo cách này. Mỗi loại cần một tổ hợp nhiệt độ, áp suất và thành phần đá gốc riêng, nên mỗi loại chỉ có ở một số vùng nhất định trên thế giới.

Biến chất là gì: nấu lại đá mà không làm tan

Hãy hình dung một lớp đá vôi nằm dưới đáy biển cổ. Hàng chục triệu năm sau, hai mảng lục địa va vào nhau, lớp đá vôi bị kéo xuống sâu hàng chục kilomet, nóng lên vài trăm độ, chịu áp suất gấp hàng nghìn lần áp suất khí quyển. Nó không chảy lỏng, nhưng các tinh thể canxit nhỏ li ti tái kết tinh thành hạt to, trắng, lấp lánh: đá vôi đã thành đá hoa (marble).

Nếu trong đá vôi ban đầu có lẫn một ít sét, tức là có nhôm, cùng chút crom, những nguyên tố đó cũng phải tìm chỗ đứng mới trong điều kiện mới. Ở nhiệt độ và áp suất thích hợp, chúng có thể kết lại thành corundum, và khi có crom thì đó là ruby. Biến chất vì thế giống như nấu lại một nồi nguyên liệu cũ: món ăn mới phụ thuộc vào nguyên liệu có sẵn và vào lửa.

Nhà địa chất chia biến chất thành hai kiểu chính:

• Biến chất khu vực: xảy ra trên diện rộng hàng trăm kilomet, gắn với va chạm mảng và tạo núi. Nhiệt và áp cùng tăng. Phần lớn ruby trong đá hoa và garnet trong đá phiến thuộc kiểu này.
• Biến chất tiếp xúc: xảy ra quanh một khối magma xâm nhập, chủ yếu do nhiệt. Vùng ảnh hưởng hẹp, từ vài mét đến vài kilomet. Đá vôi tiếp xúc với granit nóng có thể biến thành skarn chứa garnet, hoặc đá hoa chứa lapis lazuli như ở vùng Sar-e-Sang, Afghanistan.

Trong thực tế, nhiều mỏ có dấu vết của cả hai, cộng thêm vai trò của dung dịch nóng thấm qua đá. Nhà nghiên cứu thường phải đọc từng lớp khoáng vật mới phân định được.

Ruby trong đá hoa: vì sao cần đá vôi "bẩn"

Ruby là corundum (oxit nhôm) có crom. Corundum có một điều kiện khắt khe: nó không thể bền vững khi có nhiều thạch anh xung quanh, vì nhôm và silic sẽ kết hợp thành khoáng vật khác như silimanit hay fenspat. Đá vôi là nơi lý tưởng vì rất nghèo silic. Lượng nhôm và crom nhỏ trong phần sét lẫn vào đá vôi có cơ hội thành corundum thay vì bị silic "giành" mất.

Các nghiên cứu về mỏ ruby trong đá hoa ở châu Á cho thấy thêm một chi tiết quan trọng: đá vôi gốc thường có xen kẹp muối bốc hơi từ biển cổ. Khi biến chất, muối cung cấp clo, flo giúp hoà tan và di chuyển nhôm, gom nó về những điểm nhất định. Nhờ vậy ruby mọc thành tinh thể rõ ràng thay vì phân tán.

Nhiệt độ hình thành ruby trong đá hoa thường được ước tính khoảng 600 đến 700 °C. Tuổi của nhiều mỏ ở dải Himalaya và Đông Nam Á nằm trong vài chục triệu năm gần đây, gắn với cú va chạm giữa mảng Ấn Độ và châu Á, cú va chạm đã nâng dãy Himalaya.

Các vùng ruby đá hoa nổi tiếng

• Mogok, Myanmar: vùng ruby lâu đời và nổi tiếng nhất, ruby nằm trong đá hoa và trong sa khoáng phong hoá từ đá hoa.
• Jegdalek, Afghanistan và Hunza, Pakistan: ruby trong đá hoa thuộc dải va chạm Himalaya.
• Vùng Pamir ở Tajikistan: ruby và spinel trong đá hoa, khai thác từ thời trung đại.
• Lục Yên, Việt Nam (nay thuộc tỉnh Lào Cai): ruby và spinel trong đá hoa thuộc đới đứt gãy sông Hồng, chi tiết về vùng mỏ có ở bài riêng về đá quý Lục Yên.

Không phải mọi ruby đều sinh ra trong đá hoa. Ruby ở Mozambique, Madagascar hay Kenya chủ yếu gắn với đá biến chất giàu magie, sắt như amphibolit; ruby Thái Lan, Campuchia đến từ vùng bazan. Ruby đá hoa thường ít sắt, nên phát huỳnh quang đỏ mạnh dưới tia cực tím.

Garnet trong đá phiến: chiếc nhiệt kế của nhà địa chất

Garnet là họ khoáng vật, gồm nhiều loại như almandine, pyrope, grossular, spessartine. Trong đá phiến mica, sản phẩm biến chất của đá sét, almandine mọc thành những hạt tròn đỏ thẫm, mười hai mặt hoặc hai mươi bốn mặt, nằm nổi trên nền mica lấp lánh như hạt lựu. Tên garnet được cho là bắt nguồn từ tiếng Latin chỉ quả lựu.

Với nhà địa chất, garnet quý hơn cả giá trị trang sức. Từ cuối thế kỷ 19, nhà địa chất người Scotland George Barrow nhận ra rằng khi đi qua một vùng đá biến chất, các khoáng vật xuất hiện theo trình tự: chlorit, biotit, garnet, staurolit, kyanit, silimanit. Mỗi khoáng vật đánh dấu một mức nhiệt áp. Thấy garnet, người ta biết đá đã từng nóng tới mức nào đó; thấy kyanit, biết đá đã chịu áp suất cao hơn. Đây là các đới biến chất Barrow, bài học vỡ lòng của ngành thạch học.

Hạt garnet lớn dần trong lúc đá bị ép, nên nó thường nuốt vào các hạt khoáng vật nhỏ xung quanh. Đường nét của những hạt bị nuốt, có khi xoắn như chữ S, cho biết đá đã bị xoay, cắt thế nào trong lúc garnet lớn. Một hạt garnet nhỏ bằng hạt đậu là bản nhật ký của cả một đợt tạo núi.

Tanzanite và tsavorite: món quà của dãy núi cổ châu Phi

Ở vùng đồi Merelani gần núi Kilimanjaro, Tanzania, có một tổ hợp đá biến chất đặc biệt: đá phiến và gneis giàu graphit, xen đá hoa, bị biến chất mạnh trong một đợt tạo núi cổ cách nay khoảng 600 triệu năm. Tại đây sinh ra hai đá quý:

• Tanzanite: zoisit màu lam tím có vanadi. Đến nay, nguồn tanzanite chất lượng đá quý được biết gần như chỉ có ở Merelani, trên một dải dài vài kilomet.
• Tsavorite: garnet grossular xanh lục có vanadi và crom, tìm thấy ở cả Tanzania và vùng Tsavo, Kenya.

Graphit trong đá gốc tạo môi trường khử, giúp vanadi ở trạng thái thích hợp đi vào tinh thể. Đây là ví dụ cho thấy đá quý biến chất phụ thuộc vào cả "công thức hoá học" của đá gốc chứ không chỉ nhiệt và áp.

Jadeite: sinh ra ở áp suất cao, nhiệt độ thấp

Ngọc jadeite (phỉ thuý) là trường hợp ngược với ruby. Nó cần áp suất rất cao nhưng nhiệt độ tương đối thấp, điều kiện chỉ có ở đới hút chìm, nơi một mảng đại dương lạnh bị đẩy nhanh xuống dưới mảng khác. Đá bị kéo xuống sâu mà không kịp nóng lên.

Phần lớn jadeite được cho là kết tủa từ dung dịch giàu natri, nhôm thấm lên dọc đới hút chìm, rồi kết tinh thành khối hạt mịn đan cài chặt vào nhau. Sau đó những khối này được đưa trở lại gần mặt đất cùng với đá serpentinit nhẹ và dẻo. Vì điều kiện hình thành và trồi lên đều hiếm, jadeite chất lượng cao chỉ tập trung ở vài nơi, nổi bật là vùng Hpakant, bang Kachin, Myanmar; ngoài ra có ở Guatemala, Nhật Bản, Nga và một số nơi khác.

Cấu trúc hạt đan cài giải thích độ dai nổi tiếng của jadeite: nó không cứng bằng thạch anh nhiều, nhưng rất khó vỡ khi va đập. Câu chuyện so sánh jadeite và nephrite được bàn kỹ ở danh mục ngọc.

Bảng tóm tắt: mỗi đá quý một "bếp lửa"

Góc nhìn hôm nay: đọc một hòn đá biến chất

Đá biến chất dễ gặp hơn người ta tưởng. Mặt bàn đá hoa, bậc thềm đá phiến, sỏi garnet trong cát lọc nước đều là sản phẩm của quá trình này. Vài cách quan sát:

• Tìm hạt nổi: trên đá phiến mica, những chấm tròn đỏ sẫm to hơn nền chính là garnet. Dùng kính lúp sẽ thấy các mặt tinh thể.
• Nhìn thớ đá: đá biến chất khu vực thường có thớ song song do bị ép một chiều. Đá biến chất tiếp xúc thường không có thớ rõ.
• Tham quan: Ngũ Hành Sơn ở Đà Nẵng là những khối đá hoa; ở các bảo tàng địa chất, hãy tìm mẫu đá hoa có hạt ruby hoặc spinel để thấy tinh thể nằm giữa nền canxit trắng ra sao.
• Đọc thêm: các công trình về ruby trong đá hoa vùng Himalaya và Đông Nam Á đăng trên Gems & Gemology, và mục khoáng vật trên Mindat.org.