Khoáng vật là một chất rắn hình thành tự nhiên qua các quá trình địa chất, có thành phần hoá học xác định (hoặc dao động trong một giới hạn biết trước) và các nguyên tử xếp thành mạng tinh thể có trật tự. Đá thì khác: đá là tập hợp của một hay nhiều khoáng vật, đôi khi lẫn cả thuỷ tinh núi lửa hay chất hữu cơ. Nói gọn, khoáng vật là "chữ cái", còn đá là "câu văn" ghép từ những chữ cái đó.
Định nghĩa khoáng vật theo Hiệp hội Khoáng vật Quốc tế
Định nghĩa được giới khoáng vật học dùng hiện nay dựa trên đề xuất của Ernest Nickel năm 1995, được Uỷ ban Khoáng vật mới của Hiệp hội Khoáng vật Quốc tế (IMA) chấp nhận: khoáng vật là một nguyên tố hoặc hợp chất hoá học, thường ở dạng kết tinh, hình thành do các quá trình địa chất. Tách ra thành từng điều kiện, ta có bốn câu hỏi để soi bất kỳ thứ gì nghi là khoáng vật:
- Có hình thành tự nhiên qua quá trình địa chất không? Viên ruby nuôi trong lò Verneuil có cùng thành phần và cấu trúc với ruby Lục Yên, nhưng theo nghĩa chặt nó là chất tổng hợp, không phải khoáng vật. Giới đá quý vẫn gọi là "ruby tổng hợp" để nói rõ nguồn gốc.
- Có thành phần hoá học xác định không? Thạch anh luôn là SiO₂ — silic điôxit. Nhiều khoáng vật cho phép các nguyên tố thay thế nhau trong một khoảng: olivin (mà peridot là loại đẹp dùng làm đá quý) có công thức (Mg,Fe)₂SiO₄, magie và sắt đổi chỗ cho nhau liên tục giữa hai đầu là forsterit giàu magie và fayalit giàu sắt. Như vậy vẫn là "xác định", vì khoảng dao động được biết rõ.
- Có cấu trúc tinh thể không? Nguyên tử phải xếp theo một mạng lặp lại đều đặn trong không gian ba chiều. Đây là điều kiện tách khoáng vật khỏi thuỷ tinh.
- Có ở thể rắn không? Gần như luôn đúng, nhưng định nghĩa của IMA vẫn chừa vài ngoại lệ lịch sử, sẽ nói ở dưới.
Một điểm hay bị bỏ qua: hai khoáng vật có thể cùng một công thức mà khác cấu trúc. Canxit và aragonit đều là canxi cacbonat CaCO₃, nhưng nguyên tử xếp khác nhau nên chúng là hai loài khoáng vật riêng, khác hệ tinh thể, khác cát khai, khác tỷ trọng. Hiện tượng này gọi là đa hình. Ngược lại, hai mẫu khác màu hẳn nhau vẫn có thể là cùng một khoáng vật: ruby đỏ và sapphire xanh đều là corundum, chỉ khác lượng nhỏ tạp chất.
Đá là gì và khác khoáng vật ở đâu
Đá là vật liệu tự nhiên tạo nên vỏ Trái Đất, thường là hỗn hợp nhiều hạt khoáng vật gắn với nhau. Nhìn kỹ một mặt đá granit đã đánh bóng (loại hay lát bậc cầu thang), mắt thường thấy được ba thành phần chính:
- Hạt trong mờ, xám như nước đá: thạch anh.
- Hạt trắng sữa, hồng hoặc xám có mặt phẳng loáng khi nghiêng: fenspat.
- Vảy nhỏ đen hoặc ánh bạc: mica (biotit đen, muscovit sáng màu), đôi khi kèm hornblend đen.
Ba khoáng vật, một loại đá. Có những loại đá gần như chỉ gồm một khoáng vật: đá vôi chủ yếu là canxit, đá hoa (cẩm thạch) là canxit hoặc dolomit đã kết tinh lại dưới nhiệt và áp suất, quarzit là thạch anh gắn chặt. Dù chỉ một khoáng vật, chúng vẫn là đá vì là tập hợp vô số hạt chứ không phải một tinh thể liên tục.
Có cả đá không chứa khoáng vật nào theo đúng nghĩa: obsidian là thuỷ tinh núi lửa, dung nham nguội nhanh đến mức nguyên tử không kịp xếp hàng; than đá chủ yếu là vật chất hữu cơ đã biến đổi. Cách phân đá thành magma, trầm tích, biến chất là một chủ đề riêng; ở đây chỉ cần nhớ ranh giới: một loài khoáng vật có công thức và cấu trúc, còn một loại đá có thành phần khoáng vật và kiến trúc.
| Tiêu chí | Khoáng vật | Đá |
|---|---|---|
| Thành phần | Một chất, có công thức hoá học | Hỗn hợp một hay nhiều khoáng vật, có thể lẫn thuỷ tinh, chất hữu cơ |
| Cấu trúc | Mạng tinh thể trật tự | Nhiều hạt sắp xếp theo kiến trúc (hạt to, hạt nhỏ, phân lớp…) |
| Đặt tên | Loài, được IMA phê duyệt | Theo hệ phân loại thạch học, ranh giới mềm hơn |
| Ví dụ | Thạch anh, canxit, corundum, olivin | Granit, đá vôi, đá hoa, bazan, obsidian |
| Tính chất đo được | Độ cứng, tỷ trọng, cát khai… khá cố định | Phụ thuộc tỉ lệ khoáng vật, thay đổi theo từng mẫu |
Những trường hợp nằm ở ranh giới
Định nghĩa đẹp nhất cũng có ngoại lệ. Biết các ngoại lệ là cách nhanh nhất để hiểu vì sao định nghĩa lại được viết như vậy.
Thuỷ ngân và nước đá
Thuỷ ngân tự sinh là chất lỏng ở nhiệt độ thường, vậy mà vẫn có tên trong danh sách khoáng vật. Đó là ngoại lệ được giữ lại vì truyền thống lâu đời. Nước đá thì ngược lại, hoàn toàn đạt chuẩn: nó tự nhiên, có công thức H₂O và kết tinh trong hệ sáu phương. Một sông băng, xét chặt chẽ, là một khối đá gồm toàn khoáng vật băng.
Opal và hổ phách: khoáng vật dạng
Opal là silica ngậm nước, nhưng phần lớn opal không có mạng tinh thể hoàn chỉnh; ánh màu lấp lánh của opal quý đến từ những hạt cầu silica xếp đều, chứ không phải từ mạng nguyên tử. Hổ phách là nhựa cây hoá đá, chất hữu cơ, không có công thức cố định. Cả hai được gọi là khoáng vật dạng (mineraloid): trông giống, được buôn bán như đá quý, nhưng không đạt chuẩn khoáng vật.
Ngọc trai, san hô và sỏi thận
Ngọc trai được cấu tạo chủ yếu bởi aragonit, một khoáng vật thật. Nhưng viên ngọc do con trai tiết ra, tức là một quá trình sinh học thuần tuý, nên bản thân viên ngọc không được coi là khoáng vật. IMA quy định các chất sinh ra hoàn toàn do quá trình sinh học không được đặt tên khoáng vật mới, trừ khi có quá trình địa chất tham gia sau đó. Sỏi thận cũng vậy: chứa tinh thể canxi oxalat, nhưng không phải khoáng vật.
Chất nhân tạo và "khoáng vật" sinh ra do con người
Muối kết tinh trên bãi thải mỏ, gỉ trên xỉ luyện kim là những chất hình thành ngoài tự nhiên nhờ tác động của con người. Từ giữa thập niên 1990, IMA không phê duyệt loài mới nếu nguồn gốc là nhân tạo. Đây là lý do một danh sách khoáng vật thật chỉ gồm thứ Trái Đất (hoặc thiên thạch, Mặt Trăng) tự làm ra.
Có bao nhiêu khoáng vật và vì sao chỉ vài chục loại quen mặt
Theo danh sách của IMA, số loài khoáng vật được công nhận đã vượt mốc 6.000 và mỗi năm còn thêm chừng một trăm loài mới. Phần lớn là những loài hiếm, có khi chỉ biết từ vài hạt nhỏ ở một mỏ duy nhất. Trong khi đó, vỏ Trái Đất lại do một nhóm rất nhỏ chi phối: fenspat và thạch anh chiếm phần lớn khối lượng vỏ lục địa, tiếp theo là pyroxen, amphibol, mica, olivin, khoáng vật sét và canxit. Giới địa chất gọi chúng là các khoáng vật tạo đá.
Lý do nằm ở hoá học: tám nguyên tố oxy, silic, nhôm, sắt, canxi, natri, kali, magie chiếm tuyệt đại đa số khối lượng vỏ Trái Đất. Oxy và silic kết hợp thành bộ khung tứ diện SiO₄, nên nhóm silicat chiếm ưu thế áp đảo. Đá quý phần đông lại thuộc nhóm hiếm: beryl cần berili, tourmalin cần bo, corundum cần môi trường nghèo silic. Đá quý hiếm một phần vì những nguyên tố hay điều kiện tạo ra nó hiếm.
Nhận diện khoáng vật bằng những tính chất nào
Không ai nhìn một mẩu đá rồi đọc ngay ra công thức. Nhà khoáng vật học ngoài thực địa dựa vào một chuỗi tính chất vật lý, mỗi tính chất loại bớt vài khả năng. Mỗi mục dưới đây là một bài riêng trong danh mục này:
| Tính chất | Hỏi gì | Ví dụ nhanh |
|---|---|---|
| Màu | Mẫu màu gì | Dễ đánh lừa nhất: thạch anh có đủ màu |
| Vết vạch | Màu của bột khoáng vật | Hematit đen nhưng vạch ra màu nâu đỏ |
| Ánh | Mặt khoáng vật phản chiếu ánh sáng ra sao | Pyrit ánh kim, thạch anh ánh thuỷ tinh |
| Độ cứng | Có bị vạch xước không (thang Mohs, 1–10) | Canxit 3, thạch anh 7, corundum 9 |
| Cát khai, vết vỡ | Tách theo mặt phẳng hay vỡ cong | Mica tách lá, thạch anh vỡ vỏ sò |
| Tỷ trọng | Nặng hơn nước bao nhiêu lần | Thạch anh khoảng 2,65; galena khoảng 7,5 |
| Hình dạng tinh thể | Hệ tinh thể, dạng quen, song tinh | Pyrit lập phương, tourmalin lăng trụ có rãnh |
| Tính chất quang | Khúc xạ kép, huỳnh quang | Canxit trong suốt nhân đôi hình ảnh |
| Phản ứng hoá học | Sủi bọt với axit loãng | Canxit sủi mạnh, dolomit sủi yếu |
Thang Mohs là bậc thứ tự chứ không phải thước đo tuyến tính: khoảng cách giữa corundum (9) và kim cương (10) lớn hơn nhiều so với giữa talc (1) và thạch cao (2). Huỳnh quang thì cần đèn tử ngoại; loại đèn sóng ngắn có thể gây tổn thương mắt và da, phải đeo kính chắn UV và không bao giờ nhìn thẳng vào bóng đèn.
Một quy tắc nghề: đừng bao giờ dựa vào màu một mình. Màu là thứ đầu tiên mắt thấy và cũng là thứ dễ sai nhất, vì một lượng tạp chất cỡ phần nghìn đã đổi màu cả viên đá. Ghép ba bốn tính chất lại thì mới thu hẹp được.
Góc nhìn hôm nay: tập đọc khoáng vật trong nhà mình
Không cần đi núi mới thấy khoáng vật. Một vòng quanh nhà đã đủ cho buổi học đầu:
- Muối ăn là halit. Rắc vài hạt muối hạt to lên giấy đen, soi kính lúp: nhiều hạt là khối lập phương vuông vức, dấu vết của hệ lập phương.
- Mặt bếp đá granit cho thấy thạch anh, fenspat, mica nằm cạnh nhau. Nghiêng mặt đá dưới đèn để thấy fenspat loé sáng ở những mặt cát khai phẳng.
- Bút chì có ruột là graphit trộn đất sét. Graphit là khoáng vật; vạch bút chì là "vết vạch" của nó.
- Cát ở công trình: nhìn dưới kính lúp sẽ thấy phần lớn hạt trong là thạch anh, vì thạch anh cứng và bền hoá học nên sống sót lâu nhất khi đá bị phong hoá.
Muốn đi xa hơn, Bảo tàng Địa chất ở Hà Nội (số 6 Phạm Ngũ Lão) trưng bày nhiều mẫu khoáng vật và đá của Việt Nam, có nhãn tên khoa học. Trên mạng, Mindat.org cho tra từng loài khoáng vật với ảnh, công thức, tính chất và nơi tìm thấy; trang danh sách của IMA cho biết loài nào đang được công nhận. Một cuốn giáo trình khoáng vật học đại cương bậc đại học là đủ nền cho người mới.
Câu hỏi thường gặp
Khoáng vật là gì?
Khoáng vật là chất rắn hình thành tự nhiên qua quá trình địa chất, có thành phần hoá học xác định và cấu trúc tinh thể có trật tự. Thạch anh, canxit, corundum, olivin là những ví dụ quen thuộc. Hiện có hơn 6.000 loài khoáng vật được Hiệp hội Khoáng vật Quốc tế công nhận.
Khoáng vật và đá khác nhau thế nào?
Khoáng vật là một chất có công thức và mạng tinh thể riêng; đá là tập hợp của một hay nhiều khoáng vật. Granit gồm thạch anh, fenspat và mica; đá vôi chủ yếu là canxit. Có đá không chứa khoáng vật nào như obsidian, vốn là thuỷ tinh núi lửa.
Hổ phách và opal có phải khoáng vật không?
Không theo nghĩa chặt. Opal thiếu mạng tinh thể hoàn chỉnh, hổ phách là nhựa cây hoá đá không có công thức cố định. Cả hai được xếp vào nhóm khoáng vật dạng (mineraloid), dù vẫn được dùng làm đá quý.
Nước đá có phải là khoáng vật không?
Có. Nước đá tự nhiên là chất rắn kết tinh trong hệ sáu phương, có công thức H₂O và hình thành bằng quá trình tự nhiên, nên đạt đủ tiêu chuẩn. Nước lỏng thì không, vì không có cấu trúc tinh thể.
Ruby tổng hợp có phải khoáng vật không?
Ruby tổng hợp có cùng thành phần và cấu trúc với ruby tự nhiên, nhưng được tạo trong lò nên theo định nghĩa khoáng vật học, nó là chất tổng hợp chứ không phải khoáng vật. Giới đá quý vì thế bắt buộc ghi rõ chữ "tổng hợp" khi gọi tên.
