Dung dịch rắn là hiện tượng trong một khoáng vật, một loại ion có thể thay thế dần cho một loại ion khác có kích thước và điện tích gần giống, trong khi khung tinh thể vẫn giữ nguyên. Nhờ vậy giữa hai khoáng vật "thuần" có thể tồn tại cả một dãy thành phần trung gian, gọi là dãy dung dịch rắn. Garnet, tourmaline, feldspar, olivine là những dãy quen thuộc nhất trong đá quý.
Hiện tượng này giải thích ba điều người mê đá hay thắc mắc: vì sao một nhóm đá có nhiều màu và nhiều tên đến thế, vì sao thông số trên phiếu giám định ghi thành khoảng chứ không phải một số, và vì sao có những viên đá mà hai phòng lab gọi tên khác nhau.
Thay thế ion: cái khung giữ nguyên, người ở thay đổi
Hãy hình dung mạng tinh thể như một toà nhà có những căn phòng cố định kích thước. Một số phòng dành cho ion silic, một số cho oxi, một số cho kim loại. Nếu hai kim loại có kích thước gần nhau và mang điện tích tương đương, chúng có thể đổi chỗ cho nhau trong những căn phòng dành cho kim loại mà toà nhà không sụp. Magie và sắt hai là cặp thay thế kinh điển; nhôm và sắt ba, canxi và natri cũng hay thay nhau.
Khi tỉ lệ hai ion thay đổi liên tục, ta có một dãy. Hai đầu dãy là các thành phần "thuần" gọi là cấu tử cuối. Một viên đá thật thường nằm đâu đó giữa dãy, mang một phần của cấu tử này và một phần của cấu tử kia.
Trong khoáng vật học, hiện tượng này còn được gọi là thay thế đồng hình. Nó không phải ngoại lệ hiếm hoi mà là quy luật phổ biến: hầu hết khoáng vật tự nhiên đều chứa ít nhiều ion "khách" ở các vị trí lẽ ra dành cho ion "chủ". Khi lượng khách rất nhỏ, ta gọi chúng là nguyên tố vết, như crôm trong ruby; khi lượng khách lớn tới mức thay đổi tên khoáng vật, ta nói tới dãy dung dịch rắn.
Không phải cặp ion nào cũng thay được cho nhau trọn dãy. Có dãy thay thế liên tục từ đầu này sang đầu kia; có dãy chỉ thay được một đoạn, vượt quá thì khung tinh thể phải tách thành hai pha khác nhau. Chính chỗ tách pha này lại tạo ra một số hiệu ứng ánh sáng đẹp nhất trong thế giới đá, như sẽ nói ở phần feldspar.
Các dãy dung dịch rắn quan trọng trong đá quý
Bảng dưới gom các dãy hay gặp. Tên cấu tử cuối là tên loài theo quy ước khoáng vật học; tên biến thể và tên thương mại thường gắn với một đoạn trên dãy.
| Nhóm | Các cấu tử cuối chính | Ion thay thế chủ yếu | Đá ngọc quen thuộc trên dãy |
|---|---|---|---|
| Garnet nhánh nhôm | Pyrope – almandine – spessartine | Magie, sắt, mangan | Rhodolite (giữa pyrope và almandine), garnet cam (giàu spessartine) |
| Garnet nhánh canxi | Grossular – andradite – uvarovite | Nhôm, sắt, crôm | Tsavorite, hessonite (grossular); demantoid (andradite) |
| Olivine | Forsterite – fayalite | Magie và sắt | Peridot (gần đầu forsterite, giàu magie) |
| Feldspar kiềm | Orthoclase – albite | Kali và natri | Đá mặt trăng (hai pha tách lớp) |
| Plagioclase | Albite – anorthite | Natri – silic và canxi – nhôm | Labradorite, đá mặt trời |
| Tourmaline | Elbaite, schorl, dravite, liddicoatite… | Liti, sắt, magie, canxi, natri | Rubellite, indicolite, tourmaline đa màu |
Cột cuối cho thấy tên đá ngọc thường không trùng với tên cấu tử cuối. Rhodolite chẳng hạn không phải một loài mà là cách gọi cho garnet có thành phần nằm giữa pyrope và almandine, màu đỏ tía.
Garnet: một nhóm, hai nhánh, cả dải màu
Garnet có công thức chung với hai vị trí kim loại. Ở nhánh thứ nhất, vị trí lớn chứa magie, sắt hai hoặc mangan, vị trí nhỏ chứa nhôm; ba cấu tử cuối là pyrope, almandine, spessartine. Ở nhánh thứ hai, vị trí lớn chứa canxi, vị trí nhỏ chứa nhôm, sắt ba hoặc crôm; ba cấu tử cuối là grossular, andradite, uvarovite. Trong mỗi nhánh, thay thế khá dễ; giữa hai nhánh, thay thế hạn chế hơn.
Màu garnet đi theo thành phần. Almandine giàu sắt thường đỏ thẫm ngả nâu; pyrope thuần gần như không màu, nhưng pyrope tự nhiên lẫn sắt và crôm thành đỏ; spessartine giàu mangan cho cam. Grossular thuần không màu, có vanadi hoặc crôm thì thành tsavorite xanh lục; andradite có crôm thì thành demantoid lục rực, nổi tiếng với tán sắc cao.
Chiết suất và tỉ trọng cũng trượt theo thành phần. Pyrope có chiết suất thấp hơn almandine; andradite cho chiết suất cao nhất trong nhóm. Đây là lý do phòng lab đôi khi ghi "garnet pyrope – almandine" thay cho một tên loài duy nhất: viên đá thật sự nằm giữa hai đầu.
Feldspar: khi dung dịch rắn tách lớp và tạo ra ánh sáng
Ở nhiệt độ cao, kali và natri có thể cùng nằm trong một khung feldspar khá thoải mái. Khi đá nguội chậm, khả năng hoà lẫn giảm, và khối đồng nhất ban đầu tách thành những lớp mỏng xen kẽ, lớp giàu kali và lớp giàu natri. Hiện tượng tách này gọi là tách dung dịch rắn.
Nếu các lớp đủ mỏng và đều, chúng tán xạ ánh sáng thành vầng sáng xanh trắng trôi trên mặt đá, đó là ánh của đá mặt trăng. Ở dãy plagioclase, một kiểu tách lớp khác trong labradorite tạo ra những mảng màu rực theo góc nhìn. Bài này không đi sâu vào hiệu ứng; điều cần giữ là: các hiệu ứng đó tồn tại được chính vì dung dịch rắn có giới hạn.
Đây cũng là lời nhắc rằng một viên đá "thuần" chưa chắc đã đẹp hơn. Nhiều vẻ đẹp của đá đến từ chỗ thành phần không đồng nhất, từ chỗ khung tinh thể phải nhượng bộ trước sự pha trộn.
Tourmaline: dãy phức tạp nhất mà người mê đá hay gặp
Nếu garnet là một dãy có hai nhánh rõ ràng, tourmaline là một mạng lưới thay thế nhiều chiều. Cấu trúc tourmaline có nhiều vị trí khác nhau, mỗi vị trí chấp nhận vài loại ion: natri, canxi hoặc để trống ở một vị trí; liti, nhôm, sắt, magie, mangan ở vị trí khác; thêm vào đó là bo, nhóm hydroxyl và đôi khi flo. Số tổ hợp lớn đến mức Hiệp hội Khoáng vật học Quốc tế công nhận hơn ba chục loài tourmaline, và danh sách vẫn được cập nhật.
Trong trang sức, phần lớn tourmaline màu tươi là elbaite, loài giàu liti và nhôm. Schorl giàu sắt thường đen; dravite giàu magie thường nâu. Liddicoatite giàu canxi nổi tiếng với những lát cắt ngang có hình tam giác đồng tâm nhiều màu. Nhìn bằng mắt rất khó tách elbaite với liddicoatite; phòng lab cần phân tích thành phần.
Bài học từ tourmaline là: với những nhóm thay thế phức tạp, tên biến thể theo màu như rubellite hay indicolite thường hữu ích cho người mua hơn tên loài, còn tên loài lại hữu ích cho người nghiên cứu. Hai lớp tên phục vụ hai mục đích, không cái nào sai.
Hệ quả khi đọc thông số và phiếu giám định
Thông số là khoảng, không phải một con số. Bảng tra của tourmaline, garnet, feldspar luôn ghi chiết suất, tỉ trọng theo khoảng. Một viên đá nằm trong khoảng đó là bình thường; nằm ngoài khoảng mới là chỗ nghi ngờ.
Tên loài đôi khi là tên "đa số". Theo quy ước phổ biến của khoáng vật học, khi một viên đá thuộc dãy, nó được gọi theo cấu tử chiếm ưu thế. Một garnet có nhiều almandine hơn pyrope thì gọi là almandine, dù vẫn mang khá nhiều pyrope.
Hai phòng lab có thể ghi khác nhau mà đều có lý. Nếu một viên đá nằm sát ranh giới giữa hai cấu tử, phép đo nhỏ khác nhau có thể đưa tới tên khác nhau. Một số phòng lab chọn ghi tên kép để tránh chuyện này.
Phân tích thành phần cho câu trả lời chắc nhất. Với những viên cần tên chính xác, phòng lab dùng các phép phân tích nguyên tố để biết tỉ lệ từng cấu tử. Đây là việc của phòng lab có thiết bị, không làm được bằng dụng cụ cầm tay.
Peridot và olivine: một dãy đơn giản để hiểu nguyên lý
Olivine là dãy dung dịch rắn dễ hiểu nhất: chỉ có magie và sắt thay nhau. Đầu thuần magie gọi là forsterite, đầu thuần sắt gọi là fayalite. Peridot dùng làm đá quý nằm gần đầu forsterite, nghĩa là giàu magie, với một lượng sắt vừa đủ để cho màu xanh lục ngả vàng đặc trưng.
Vì sắt vừa tạo màu vừa làm tăng tỉ trọng và chiết suất, một viên peridot có màu đậm hơn thường có thông số nhích lên một chút. Đây là ví dụ về chuyện một nguyên tố đồng thời là thành phần thiết yếu của khoáng vật và là chất tạo màu, mà các bài về màu trên trang gọi là đá tự sắc.
Olivine giàu magie cũng là khoáng vật rất phổ biến trong lớp phủ của Trái Đất. Peridot vì vậy thường được đưa lên mặt đất trong các khối đá núi lửa từ dưới sâu, và vài vùng có bazan chứa peridot, trong đó có vùng Tây Nguyên của Việt Nam.
Nhận ra một dãy dung dịch rắn khi đọc tài liệu
Khi đọc về một nhóm đá lạ, vài dấu hiệu dưới đây cho biết bạn đang đứng trước một dãy chứ không phải một khoáng vật cố định.
- Công thức hoá học có dấu phẩy trong ngoặc, ví dụ (Mg,Fe), nghĩa là hai ion dùng chung một vị trí.
- Bảng tra ghi chiết suất, tỉ trọng thành khoảng khá rộng.
- Nhóm có nhiều tên loài với đuôi -ite và nhiều tên biến thể theo màu.
- Tài liệu nhắc tới "cấu tử cuối", "dãy", "nhánh".
- Phiếu giám định đôi khi ghi tên kép nối bằng gạch ngang.
Nhận ra một dãy giúp bạn bớt lo khi thấy số đo "lệch" so với một bảng ghi một giá trị duy nhất, và giúp bạn hiểu vì sao người làm nghề hay nói về garnet, tourmaline như những "họ" lớn. Ví dụ giả định: một bảng tra ghi chiết suất của "garnet" là 1,76, trong khi viên của bạn đo ra 1,74. Nếu biết garnet là một dãy và pyrope có chiết suất thấp hơn almandine, bạn sẽ không vội kết luận viên đá là giả, mà hỏi tiếp viên đá nằm ở đoạn nào của dãy.
Câu hỏi thường gặp
Dung dịch rắn có làm đá kém bền không?
Không nhất thiết. Khung tinh thể giữ nguyên nên độ cứng của các thành viên trong dãy thường gần nhau. Chỉ khi dung dịch rắn tách pha thành lớp, như ở feldspar, các mặt ranh giới lớp mới có thể là chỗ yếu khi va đập.
Rhodolite là loài garnet nào?
Rhodolite không phải một loài mà là tên thương mại phổ biến cho garnet có thành phần nằm giữa pyrope và almandine, màu đỏ tía đến tím hồng. Phòng lab thường ghi thêm tên loài chiếm ưu thế hoặc ghi tên kép.
Vì sao tourmaline có nhiều màu trên một cây?
Vì trong lúc tinh thể lớn lên, thành phần dung dịch xung quanh thay đổi, các ion tạo màu được đưa vào khung với tỉ lệ khác nhau theo từng lớp. Tourmaline có cấu trúc chấp nhận nhiều ion thay thế nên rất dễ ghi lại các thay đổi đó thành dải màu.
Peridot có phải là olivine không?
Đúng. Peridot là tên đá quý của olivine có chất lượng mài được, nằm gần đầu giàu magie của dãy forsterite – fayalite. Màu xanh lục ngả vàng đến từ sắt, thành phần vốn có của khoáng vật.
Có thể tự đoán thành phần garnet bằng màu không?
Chỉ đoán thô được. Màu cam gợi ý nhiều spessartine, đỏ tía gợi ý pyrope – almandine, xanh lục gợi ý nhánh canxi. Nhưng màu chịu ảnh hưởng của cả nguyên tố vết, nên muốn biết chắc phải nhờ phòng lab đo và phân tích.
Đá tổng hợp có dung dịch rắn không?
Có thể có, tuỳ vật liệu. Nhà sản xuất kiểm soát thành phần nên đá tổng hợp thường đồng đều hơn đá tự nhiên. Sự đồng đều quá mức, kết hợp với bao thể đặc trưng, là một trong các manh mối phòng lab dùng để phân biệt.
