Phân tích nguyên tố vết là đo lượng rất nhỏ các nguyên tố lạ nằm trong một viên đá, như sắt, titan, gali, crôm, vanadi hay beryli, thường tính bằng phần triệu. Hai kỹ thuật hay dùng là huỳnh quang tia X, đo nhanh và không để lại dấu, và khối phổ plasma cảm ứng kết hợp bóc tách laser, nhạy hơn nhiều nhưng để lại một lỗ nhỏ đến mức mắt thường không thấy.
Con số nguyên tố vết không gọi tên loài đá, vì việc đó đã có khúc xạ kế và Raman. Nó trả lời những câu hỏi khó hơn: viên sapphire này có bị khuếch tán beryli không, viên ruby có lấp thuỷ tinh chì không, viên đá có thành phần giống nhóm đá từ vùng mỏ nào. Bài giải thích hai kỹ thuật, cách đọc kết quả ở mức người ngoài nghề, và những giới hạn quan trọng khi dùng con số để nói về vùng mỏ.
Nguyên tố vết là gì và vì sao chúng có ích
Một viên corundum về lý thuyết chỉ gồm nhôm và oxy. Trong thực tế, khi tinh thể mọc trong lòng đất, nó nhận vào mạng của mình một ít nguyên tử khác: crôm làm nên màu đỏ của ruby, sắt và titan làm nên màu lam của sapphire, gali và vanadi đi theo từ môi trường địa chất. Lượng các nguyên tố này rất nhỏ, có khi chỉ vài phần triệu, nhưng tỉ lệ giữa chúng phản ánh môi trường hoá học nơi viên đá đã mọc.
Môi trường trong lò tổng hợp khác hẳn môi trường địa chất. Đá tổng hợp thường rất sạch, thiếu những nguyên tố mà đá tự nhiên hay có, hoặc lại chứa những nguyên tố đến từ hoá chất và chén nung. Đá xử lý cũng để lại dấu: khuếch tán beryli đưa beryli vào lớp ngoài của đá, lấp thuỷ tinh chì đưa chì vào khe nứt. Đo được những nguyên tố này là có bằng chứng mà kính hiển vi không cung cấp được.
Cuối cùng, các vùng mỏ khác nhau có môi trường địa chất khác nhau. Sapphire hình thành trong đá bazan thường giàu sắt hơn sapphire hình thành trong đá biến chất. Tỉ lệ gali với magie, hay hàm lượng sắt, được dùng như một phần dữ liệu để ước đoán nhóm vùng mỏ. Dù vậy, đây là phần dễ bị hiểu sai nhất, sẽ được bàn ở cuối bài.
Huỳnh quang tia X: nhanh, không để lại dấu
Nguyên lý. Máy chiếu tia X vào viên đá, làm bật các electron lớp trong của nguyên tử. Electron lớp ngoài nhảy vào lấp chỗ trống và phát ra tia X thứ cấp có năng lượng đặc trưng cho từng nguyên tố. Đếm số tia và đo năng lượng của chúng là biết trong đá có nguyên tố gì, nhiều hay ít.
Kiểu máy hay dùng. Phòng ngọc học thường dùng máy huỳnh quang tia X tán sắc năng lượng, đặt đá trong buồng mẫu, đo trong vài phút. Có cả máy cầm tay dùng ngoài hiện trường.
Thế mạnh. Không phá huỷ, đo được đá đã gắn trang sức nếu đặt vừa buồng mẫu, nhận ra nhanh những nguyên tố nặng như chì, đồng, kẽm, sắt, gali. Rất hữu ích để phát hiện chì trong ruby lấp thuỷ tinh chì hay đồng trong tourmaline màu lam lục rực.
Điểm yếu. Không đo được các nguyên tố rất nhẹ như beryli, liti, bo, vốn quan trọng trong một số câu hỏi về xử lý. Độ nhạy với nguyên tố vết ở mức vài phần triệu bị giới hạn, và kết quả phản ánh chủ yếu lớp gần bề mặt.
Khối phổ plasma kết hợp bóc tách laser: nhạy hơn, đổi lại một lỗ nhỏ
Nguyên lý. Một tia laser bắn vào một điểm trên viên đá, thường ở mép đai, bóc đi một lượng vật chất cực nhỏ. Vật chất này được dòng khí đưa vào ngọn lửa plasma rất nóng, bị ion hoá, rồi đưa vào máy khối phổ để đếm từng loại nguyên tử theo khối lượng.
Dấu để lại. Mỗi điểm đo để lại một lỗ nhỏ, đường kính theo nhiều tài liệu vào cỡ vài chục micromet, sâu tương tự, đặt ở chỗ khuất như đai. Mắt thường không thấy, kính lúp 10x thường cũng khó thấy, nhưng về nguyên tắc đây là phép đo phá huỷ tối thiểu, và phòng lab phải được chủ đá đồng ý.
Thế mạnh. Đo được hầu hết các nguyên tố, kể cả beryli và liti, với độ nhạy tới phần triệu và thấp hơn nữa. Đây là kỹ thuật được dựa vào để phát hiện khuếch tán beryli trong sapphire và để xây dựng dữ liệu vùng mỏ.
Điểm yếu. Máy đắt, cần mẫu chuẩn để định lượng, cần người vận hành chuyên sâu. Mỗi điểm đo chỉ phản ánh đúng điểm đó; đá có thành phần không đều cần đo nhiều điểm.
Câu hỏi nào dùng kỹ thuật nào
Bảng dưới gom một số câu hỏi thường gặp và kỹ thuật phòng lab hay dùng để trả lời. Mỗi phòng lab có trang bị khác nhau nên lựa chọn thực tế có thể khác.
| Câu hỏi | Kỹ thuật hay dùng | Nguyên tố hoặc dấu hiệu đáng chú ý |
|---|---|---|
| Ruby có lấp thuỷ tinh chì không | Huỳnh quang tia X, kính hiển vi | Chì trong khe; dưới kính hiển vi có chớp màu và bọt khí trong khe |
| Sapphire có khuếch tán beryli không | Khối phổ laser hoặc kỹ thuật tương đương | Beryli ở lớp ngoài; huỳnh quang tia X không thấy được beryli |
| Corundum tự nhiên hay tổng hợp | Huỳnh quang tia X, khối phổ laser | Đá tổng hợp thường nghèo gali và một số nguyên tố vết khác |
| Tourmaline màu lam lục rực có đồng không | Huỳnh quang tia X, khối phổ laser | Đồng và mangan là nguyên tố tạo màu |
| Ước đoán nhóm vùng mỏ | Khối phổ laser kết hợp bao thể và phổ | Tỉ lệ sắt, gali, magie, vanadi, titan |
Cột cuối không nên đọc như bảng tra cứu. Các ngưỡng cụ thể thay đổi theo loài đá, theo phòng lab và theo dữ liệu đối chứng mà họ có.
Ví dụ giả định: viên sapphire màu cam hồng và câu hỏi về beryli
Ví dụ giả định: một viên sapphire màu cam hồng, sạch, màu đều, được gửi tới phòng lab với yêu cầu kiểm tra xử lý. Chiết suất, phổ và phát quang đều khớp corundum. Dưới kính hiển vi, viên đá có vài bao thể nhỏ bị biến đổi kiểu thường thấy ở đá đã nung, nhưng chưa nói được nung thường hay nung kèm khuếch tán. Khi ngâm đá, người giám định thấy màu cam tập trung thành một lớp viền mỏng chạy theo hình dáng viên đá, phần lõi nhạt hơn.
Lớp viền màu song song với bề mặt mài là dấu hiệu gợi ý màu đã đi từ ngoài vào, nhưng chưa đủ để gọi tên nguyên tố. Huỳnh quang tia X không giúp được vì không đo được beryli. Phòng lab xin phép chủ đá dùng khối phổ laser, đặt một điểm đo ở đai. Kết quả cho thấy beryli ở mức không có trong corundum tự nhiên chưa xử lý, và đó là bằng chứng quyết định để ghi kết luận về khuếch tán beryli.
Ví dụ này cho thấy cách các bằng chứng xếp chồng lên nhau: kính hiển vi cho nghi vấn, ngâm đá cho hình dạng vùng màu, phân tích nguyên tố cho tên của thứ đã được đưa vào. Thiếu một bước, kết luận sẽ yếu đi. Và chính vì cần sự đồng ý để khoan một lỗ nhỏ, phiếu yêu cầu giám định thường có ô để chủ đá chấp thuận hay không chấp thuận phép đo này.
Con số ppm và chuyện xác định vùng mỏ
Kết quả khối phổ laser thường được trình bày thành bảng hàm lượng từng nguyên tố theo phần triệu, rồi được đặt lên các biểu đồ so sánh với dữ liệu của những viên đá đã biết rõ nguồn gốc. Nếu điểm của viên đá cần xét rơi vào vùng của nhóm đá từ một vùng mỏ, đó là một bằng chứng ủng hộ. Nhưng nhiều vùng mỏ có môi trường địa chất tương tự nhau, nên thành phần của chúng chồng lấn.
Vì vậy kết luận vùng mỏ trên phiếu là ý kiến chuyên môn tổng hợp từ bao thể, phổ và nguyên tố vết, không phải kết quả đọc thẳng từ máy. Hai phòng lab lớn có thể đưa ra ý kiến khác nhau về cùng một viên đá, đặc biệt với các vùng mỏ có đặc điểm gần nhau. Có những viên đá mà phòng lab ghi là không xác định được vùng mỏ, và đó là câu trả lời trung thực.
Một điều nữa: dữ liệu đối chứng của phòng lab chỉ tốt bằng các mẫu mà họ đã thu thập. Vùng mỏ mới phát hiện, hoặc vùng ít mẫu, có thể cho kết quả rơi vào khoảng trống. Người mua nên đọc chữ "xuất xứ" trên phiếu như một ý kiến có cơ sở, không phải giấy khai sinh của viên đá.
Những điều nên nhớ khi đọc kết quả phân tích nguyên tố
Phân tích nguyên tố là công cụ mạnh nhưng dễ bị trích dẫn quá đà. Vài điều dưới đây giúp đọc kết quả cho đúng mức.
- Hàm lượng ở một điểm đo không đại diện cho toàn viên đá nếu đá có dải màu hay vùng thành phần khác nhau.
- Huỳnh quang tia X không thấy beryli, nên kết quả "không phát hiện bất thường" từ máy này không loại trừ khuếch tán beryli.
- Lỗ đo của khối phổ laser rất nhỏ nhưng có thật; phòng lab cần sự đồng ý và thường đặt ở đai.
- Một nguyên tố có mặt không tự động có nghĩa là xử lý; nhiều nguyên tố có mặt tự nhiên ở mức thấp, chỉ mức bất thường mới là dấu hiệu.
- Kết luận về vùng mỏ luôn là ý kiến tổng hợp, có thể khác nhau giữa các phòng lab.
- Không có phép đo nguyên tố nào thay được quan sát bao thể dưới kính hiển vi; hai loại bằng chứng bổ sung cho nhau.
Với người mua, điều đáng hỏi không phải là con số ppm cụ thể, mà là phòng lab đã dùng những phương pháp nào để đi đến kết luận trên phiếu.
Câu hỏi thường gặp
Phân tích nguyên tố có làm hỏng đá không?
Huỳnh quang tia X không để lại dấu. Khối phổ plasma kết hợp bóc tách laser để lại một lỗ rất nhỏ, thường ở đai, mắt thường không thấy. Phòng lab cần sự đồng ý của chủ đá trước khi dùng kỹ thuật này và sẽ chọn vị trí khuất nhất.
Vì sao cần máy riêng để phát hiện khuếch tán beryli?
Vì beryli là nguyên tố rất nhẹ, huỳnh quang tia X không đo được. Phải dùng kỹ thuật như khối phổ plasma kết hợp bóc tách laser hoặc các kỹ thuật quang phổ plasma tương đương để đo beryli ở lớp ngoài của đá, kết hợp với quan sát vùng màu dưới kính hiển vi.
Phân tích nguyên tố có cho biết chính xác đá từ mỏ nào không?
Không chính xác tuyệt đối. Nó cho dữ liệu để so với các nhóm đá đã biết nguồn gốc, nhưng nhiều vùng mỏ có thành phần chồng lấn. Kết luận vùng mỏ là ý kiến tổng hợp từ bao thể, phổ và nguyên tố vết, có thể khác nhau giữa các phòng lab.
Đá tổng hợp có thành phần nguyên tố khác đá tự nhiên không?
Thường có khác biệt. Đá tổng hợp hay rất sạch, thiếu một số nguyên tố vết mà đá tự nhiên có như gali, hoặc chứa nguyên tố từ hoá chất và chén nung. Nhưng một số phương pháp tổng hợp hiện đại cho thành phần khá gần tự nhiên, nên phân tích nguyên tố vẫn cần đi kèm các bằng chứng khác.
Đo huỳnh quang tia X ruby lấp thuỷ tinh chì thấy gì?
Máy thường phát hiện chì, vì thuỷ tinh lấp khe chứa nhiều chì, trong khi ruby tự nhiên chưa xử lý không có chì đáng kể. Kết hợp với dấu hiệu dưới kính hiển vi như chớp màu lam, bọt khí trong khe, người giám định kết luận khá chắc về kiểu xử lý này.
Phòng lab nào cũng có máy khối phổ laser không?
Không. Đây là thiết bị đắt và cần người vận hành chuyên sâu, thường chỉ có ở các phòng giám định lớn hoặc cơ sở nghiên cứu. Các phòng lab nhỏ có thể gửi mẫu đi đo hoặc ghi rõ trên phiếu những phương pháp đã dùng và giới hạn của kết luận.
