ĐẶC ĐIỂM VÀ KIỂU NGUỒN GỐC CỦA RUBI TRONG ĐÁ HOA

Ở HAI VÙNG MỎ LỤC YÊN VÀ QUỲ CHÂU

PHẠM VĂN LONG¹, HOÀNG QUANG VINH², VIRGINIE GARNIER³,
GASTON GIULIANI⁴, DANIEL OHNENSTETTER³

¹ Trung tâm Nghiên cứu - Kiểm định đá quý và vàng, 91 Đinh Tiên Hoàng, Hà Nội
²Viện Địa chất, Viện KH & CN Việt Nam,Phố Chùa Láng, Đống Đa,Hà Nội
³CRPG/CNRS, UPR 2300, BP 20, 54501 Vandoeuvre, Pháp
⁴IRD và CRPG/CNRS, UPR 2300, BP 20, 54501 Vandoeuvre, Pháp

Tóm tắt: Rubi trong đá hoa tại Lục Yên được phát hiện vào những năm 80, tiếp theo là các phát hiện rubi trong đá hoa tại Quỳ Châu vào cuối những năm 90. Bài báo trình bày khái quát những đặc điểm khoáng vật học và ngọc học của rubi trong đá hoa ở hai vùng mỏ này. Đặc điểm nổi bật của rubi trong loại hình nguồn gốc này là sự chiếm ưu thế của Cr₂O₃ so với Fe₂O₃ và TiO₂; sự có mặt phổ biến của các bao thể khoáng vật anatas, apatit, calcit, corinđon, điaspor, graphit, margarit, monazit, muscovit, nephelin, phlogopit, pyrit, rutil, sphen, spinel và zircon. Nghiên cứu bao thể lỏng đã phát hiện tổ hợp CO₂-H₂S-COS-S₈-AlO(OH) với khoáng vật điaspor và lưu huỳnh tự sinh. Các kết quả nghiên cứu về đặc điểm tinh thể khoáng vật học và bao thể kết hợp với các kết quả xác định đồng vị oxy (d¹⁸O) trong rubi cho phép kết luận là rubi trong đá hoa trên cả hai vùng mỏ được thành tạo trong quá trình biến chất nhiệt động tương ứng với tướng amphibolit từ các đá trầm tích sét giàu thành phần carbonat ban đầu.

MỞ ĐẦU

Rubi và saphir được phát hiện ở nhiều nơi tại Việt Nam. Hiện nay rubi được khai thác chủ yếu tại hai vùng mỏ Lục Yên (tỉnh Yên Bái) và Quỳ Châu (tỉnh Nghệ An). Tuy đã được phát hiện và khai thác từ lâu, song vấn đề điều kiện thành tạo và nguồn gốc của rubi trong đá hoa vẫn đang có nhiều ý kiến khác nhau [3, 4, 10]. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về đặc điểm tinh thể, khoáng vật học và ngọc học, đặc biệt là các kết quả nghiên cứu về bao thể, bài báo đã khái quát kiểu nguồn gốc của rubi trong các thành tạo đá hoa trên hai vùng mỏ.

I. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Các mẫu phục vụ cho việc nghiên cứu trong bài báo này bao gồm các mẫu thô và đã mài bóng thu thập trong đá hoa. Các nghiên cứu ngọc học được tiến hành tại Trung tâm Nghiên cứu - Kiểm định đá quý và vàng bao gồm các tính chất chiết suất, tỷ trọng, phổ hấp thụ, tính phát quang và các đặc tính quang học khác.

Phổ raman của các bao thể được được ghi trên thiết bị LABRAM-1B hãng Jobin – Yvon, với sự trợ giúp của hệ thiết bị quang học Olimpus BX40. Để tránh huỳnh quang rất mạnh của rubi trong dải bước sóng 640-745 mm, nguồn laser argon có bước sóng 488 nm được sử dụng trong các nghiên cứu này.

Thành phần hoá học các nguyên tố vết của mẫu và các bao thể rắn được xác định bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) trên hệ thiết bị Hitachi 2500. Nghiên cứu vi nhiệt các bao thể lỏng trên thiết bị Reynolds stage tại Trung tâm Thạch học và Địa hoá Nancy (Pháp). Các pha rắn trong bao thể lỏng được xác định bởi hệ thiết bị Fuji Stereoscan 250 SEM tại Đại học Tổng hợp Henry Poincaré Nancy I (Pháp).

II. ĐẶC ĐIỂM PHÂN BỐ CỦA RUBI TRONG ĐÁ HOA

1. Mỏ Lục Yên: Mỏ rubi Lục Yên là một mỏ giàu triển vọng. Trong vùng này, phát hiện đầu tiên có ý nghĩa về đá quý trong sa khoáng là vào năm 1983 tại An Phú. Tại các điểm mỏ Bãi Đá Lăn, An Phú, Minh Tiến, Nước Ngập và Khoan Thống, các tinh thể rubi gốc phát triển trong đá hoa màu trắng xám cùng với các khoáng vật phlogopit, pargasit, margarit, pyrit, rutil và graphit, hoặc tạo thành các dải cùng với tổ hợp các khoáng vật calcit, pargasit, pyrit, margarit và phlogopit (tại mỏ An Phú và Bãi Đá Lăn). Các tinh thể rubi thường có kích thước rất khác nhau, đặc trưng bởi màu đỏ phớt tím, đỏ nhạt với dạng tinh thể khá hoàn chỉnh (Hình 1).

Hình 1. Tinh thể rubi dạng lưỡng tháp sáu phương cùng với tổ hợp khoáng vật phlogopit, graphit trong đá hoa mỏ Lục Yên

2. Mỏ Quỳ Châu: Mỏ rubi Quỳ Châu được phát hiện vào năm 1987 với các thành tạo sa khoáng tại đồi Tỷ, đồi Sắn và đồi Mồ Côi. Vào cuối năm 2001, trong quá trình khai thác rubi tại moong cạnh đồi Mồ Côi đã phát hiện được các thành tạo rubi gốc trong đá hoa. Rubi thường có dạng tinh thể hoàn chỉnh, màu đỏ đậm phớt tím, thường bán trong tới đục. Tổ hợp khoáng vật đi cùng với rubi bao gồm calcit, phlogopit, pargasit, graphit và pyrit.

III. ĐẶC ĐIỂM TINH THỂ, KHOÁNG VẬT HỌC VÀ NGỌC HỌC

1. Hình dạng tinh thể

Các thông số ô mạng của tinh thể rubi Lục Yên và Quỳ Châu được xác định bằng phương pháp đo chính xác các đỉnh nhiễu xạ trên máy nhiễu xạ roengen D5005 và sử dụng công thức liên hệ giữa khoảng cách các mặt mạng (biểu hiện qua góc nhiễu xạ q trên giản đồ nhiễu xạ roengen), với các thông số ô mạng cơ sở đối với hệ 3 phương.

Mẫu sử dụng để đo thông số d là mẫu bột hoặc mẫu đơn tinh thể với các mặt lăng trụ, mặt đôi cơ sở phát triển tốt. Các vạch nhiễu xạ được sử dụng để tính thông số là 220, 0012 hoặc 300, 1.0.10.

Thông số ô mạng xác định được cho rubi Lục Yên như sau: a = 4,753A^o; c = 12,990A^o; và c = 12,996A^o; c/a = 2,733-2,734. Thông số cho rubi Quỳ Châu là a = 4,756A^o; c = 12,988A^o; c/a = 2,731.

So với thông số ô mạng của khoáng vật corinđon là a = 4,758A^o; c = 12,991A^o, c/a = 2,73 thì các thông số ô mạng cơ sở của rubi Lục Yên và Quỳ Châu có giá trị tương tự. Giá trị chênh lệch nằm trong sai số cho phép do các vạch nhiễu xạ được sử dụng để tính thông số nằm trong phạm vi góc nhiễu xạ trung bình.

2. Đặc điểm hình thái tinh thể

Hầu hết các mẫu nghiên cứu đặc điểm hình thái tinh thể của rubi được lấy từ đá gốc (đá hoa) với các tinh thể có hình dạng rõ ràng, một số được lấy từ sa khoáng với những tinh thể còn giữ được hình dạng tinh thể ban đầu. Kết quả nghiên cứu các kiểu hình dạng tinh thể của rubi vùng mỏ Lục Yên, Quỳ Châu được đưa ra ở các Hình 2 và 3.

Rubi trong đá hoa vùng mỏ Lục Yên có hình dạng tinh thể đa dạng hơn so với rubi mỏ Quỳ Châu. Ở vùng Lục Yên, ta có thể gặp các tinh thể dạng lưỡng tháp sáu phương (tinh thể dạng A, B, Hình 2), dạng lăng trụ sáu phương (tinh thể dạng C, D, E, Hình 2) với sự phát triển của các mặt “thoi”, tạo nên các tinh thể dạng “con suốt” và dạng “thùng rượu” rất phổ biến. Các tinh thể rubi trong đá hoa mỏ Lục Yên thường có kích thước một vài đến hàng chục centimet Trong khi đó, ở vùng mỏ Quỳ Châu, các tinh thể rubi phổ biến nhất ở dạng lăng trụ sáu phương ngắn ở các dạng khác nhau (Hình 2), và chúng thường ít có xu hướng phát triển theo chiều dài. Chính vì vậy mà rubi mỏ Quỳ Châu thường có kích thước ngắn hơn so với các tinh thể rubi mỏ Lục Yên. Đôi khi tại mỏ Quỳ Châu, ta gặp các tinh thể với sự chiếm ưu thế của các mặt thoi và mặt song diện làm cho tinh thể thoạt nhìn có dạng bát diện rất giống với tinh thể của spinel (tinh thể dạng E, Hình 3).

Hình 2. Một số dạng quen thuộc của tinh thể rubi mỏ Lục Yên

Hình 3. Một số dạng quen thuộc của tinh thể rubi mỏ Quỳ Châu

Màu sắc: Xét về độ phong phú của màu sắc thì rubi Lục Yên thường có nhiều màu hơn. Màu của rubi Lục Yên có thể gặp với các sắc thái khác nhau, từ đậm đến nhạt, hoặc là màu trung gian giữa các màu chính, trong khi đó ở Quỳ Châu, các sắc thái màu thường ít thay đổi. Nếu như ở Lục Yên ta có thể gặp saphir màu lam, thì trong khi đó ở Quỳ Châu, saphir màu lam hầu như không gặp. Có một điều dễ nhận thấy là rubi Quỳ Châu thường có màu đỏ đậm hơn và có độ bão hoà màu cao hơn so với rubi Lục Yên.

Chiết suất và lưỡng chiết suất: Giá trị chiết suất của rubi Lục Yên và Quỳ Châu được xác định bằng thiết bị khúc xạ kế GEM Duplex II với nguồn sáng đơn sắc. Kết quả cho thấy giá trị chiết suất của chúng không có gì khác biệt với giá trị chiết suất của khoáng vật corinđon nói chung và có giá trị từ 1,762 đến 1,770, giá trị lưỡng chiết suất trong khoảng 0,008.

Tỷ trọng: Kết quả xác định cho thấy giá trị tỷ trọng của rubi Quỳ Châu dao động trong khoảng 3,93 - 4,05. Giá trị tỷ trọng này phụ thuộc nhiều vào độ nứt nẻ của mẫu và các mẫu có màu sắc khác nhau thì giá trị tỷ trọng cũng khác nhau. Những viên rubi có màu hồng hoặc đỏ thuần khiết thường có giá trị tỷ trọng thấp, chúng chỉ dao động trong khoảng 3,94 - 3,98. Loại rubi đục và chứa nhiều bao thể thường có tỷ trọng cao hơn loại tinh khiết và chứa ít bao thể.

Cũng giống như rubi, saphir Quỳ Châu, giá trị tỷ trọng của rubi Lục Yên cũng dao động trong một khoảng rộng từ 3,83 đến 4,01. Nhưng so với rubi Quỳ Châu thì tỷ trọng của rubi Lục Yên thấp hơn, ít mẫu có tỷ trọng đạt đến 4,05 và giá trị trung bình chỉ dao động trong khoảng 3,94 - 3,99. Đặc biệt có những mẫu có giá trị tỷ trọng xuống rất thấp, đến 3,83. Đặc điểm tỷ trọng phụ thuộc vào màu sắc cũng giống như ở rubi Quỳ Châu, tức là tỷ trọng của saphir màu lam thường cao hơn so với rubi đỏ hoặc saphir hồng.

Tính phát quang: Rubi Quỳ Châu và Lục Yên thuộc loại phát quang rõ. Tất cả các viên nghiên cứu có màu đỏ, tím, hồng đều phát quang màu đỏ khi chiếu tia cực tím sóng dài (365 nm), phát quang yếu hơn khi chiếu tia cực tím sóng ngắn (254 nm). Loại màu đỏ phát quang mạnh hơn loại màu hồng và tím. Loại màu lam thường không phát quang, tuy nhiên tại Lục Yên nhiều khi ta lại gặp loại saphir có tính phát quang màu đỏ tương đối mạnh (so với saphir ở bãi Thái), điều này có lẽ liên quan tới hàm lượng chrom cao trong thành phần của chúng.

3. Các đặc điểm bên trong

Đường sinh trưởng: Là một dấu hiệu rất thường gặp trong rubi Quỳ Châu và Lục Yên, và so với rubi Quỳ Châu thì ở rubi Lục Yên, đường sinh trưởng thường hay gặp hơn. Các đường sinh trưởng ở đây thường là sinh trưởng thẳng góc, hoặc gấp khúc kiểu hình nêm. Chúng phản ánh các pha sinh trưởng trong quá trình thành tạo và thường phân bố cùng với các đặc điểm phân đới màu.

Một dạng sinh trưởng khác cũng hay gặp trong rubi Lục Yên, Quỳ Châu là dạng sinh trưởng “xoắn”. Đây là một dạng sinh trưởng phản ánh sự thay đổi đột ngột điều kiện của môi trường kết tinh, làm cho tinh thể phát triển các mặt không đều hoặc dẫn đến sự không đồng nhất về mặt quang học.

Song tinh: Ở rubi Lục Yên và Quỳ Châu, song tinh cũng tương đối phát triển và bao gồm các song tinh dạng tấm và song tinh đa hợp. Trong trường hợp các song tinh đa hợp phát triển, chúng thường kèm theo các bao thể boemit dạng kim, thô, màu trắng, phân bố dọc theo các mặt phẳng song tinh. Tuy nhiên, khi so sánh đặc điểm song tinh của rubi ở hai mỏ Lục Yên và Quỳ Châu thì ta thấy là rubi Lục Yên có hiện tượng song tinh đa hợp phát triển hơn và kèm theo nó cũng phát triển nhiều bao thể boemit hơn. Các bao thể boemit ở Lục Yên thường thô hơn và kéo dài hơn so với bao thể boemit trong rubi, saphir Quỳ Châu (Hình 4).

A B

Hình 4. A- Bao thể boemit dạng kim, que (Bhm) trong rubi mỏ Lục Yên;
B- bao thể boemit trong rubi Quỳ Châu. Phóng đại x15

Tính phân đới màu: Một đặc điểm hay gặp của rubi Quỳ Châu và Lục Yên là tính phân đới màu. Cấu trúc của đới màu là các dải, đốm lớn nhỏ khác nhau, phân bố dọc theo mặt sinh trưởng. Tuy nhiên, xét về mặt phổ biến thì rubi Lục Yên thường gặp đới màu hơn rubi Quỳ Châu và đặc biệt là nếu như ở rubi Quỳ Châu chỉ gặp các đới hoặc dải màu thẳng song song nhau, thì ở rubi Lục Yên thường gặp các đới màu lục giác đồng tâm. Nghĩa là nếu cắt ngang tinh thể thì sẽ quan sát được tính phân đới từ ngoài vào trong. Tuỳ thuộc vào đặc điểm mà ta có thể gặp các kiểu phân đới khác nhau, có thể là bên trong màu đỏ và chuyển dần ra phía ngoài có các màu hồng, lam nhạt đến lam, hoặc ngược lại.

Đặc điểm bao thể: Tổ hợp bao thể khoáng vật đã gặp trong rubi Lục Yên và Quỳ Châu bao gồm: anatas, apatit, calcit, corinđon, điaspor, graphit, margarit, monazit, muscovit, nephelin, phlogopit, pyrit, rutil, sphen, spinel, zircon, bao thể lỏng, tinh thể âm và các bao thể dạng vân tay. Các bao thể hậu sinh có: boemit, kim que rutil và limonit.

Ngoài các bao thể giống nhau nêu trên, trong rubi Lục Yên, ta thường gặp thêm hematit, hercynit, pyrotin và tourmalin. Trong khi đó, ở rubi Quỳ Châu, ta lại gặp anđalusit, anorthit (Hình 5), biotit, đolomit, spinel, zoisit và bao thể mica là biến thể trung gian giữa muscovit và phlogopit (Hình 6).

Hình 5. Ảnh SEM của tổ hợp bao thể anorthit (Anr) và anđalusit (And)
trong rubi mỏ Quỳ Châu và phổ của bao thể anorthit (bên phải)

Hình 6. Ảnh SEM và phổ của bao thể mica trong rubi mỏ Quỳ Châu

Đặc điểm bao thể lỏng: Về đặc điểm phân bố, có thể chia các bao thể lỏng trong rubi Lục Yên và Quỳ Châu thành 3 loại: bao thể lỏng nguyên sinh (gọi tắt là loại A), bao thể lỏng giả thứ sinh (loại B) và bao thể lỏng thứ sinh thực thụ (loại C). Về thành phần, các bao thể lỏng thuộc 3 loại trên chủ yếu là những bao thể lỏng đa pha chứa tổ hợp CO₂-H₂S-COS-S₈-AlO(OH) hoặc các bao thể lỏng một hoặc hai pha với thành phần chỉ đơn giản là CO₂, H₂S hoặc là hỗn hợp giữa chúng.

4. Đặc điểm thành phần hoá học

Kết quả phân tích thành phần hoá học rubi Lục Yên và Quỳ Châu đã giúp phát hiện các nguyên tố tạp chất Cr, Fe, Ti, V, Mn, Mg, Ca, Ga, Ge, Sc và Zn. Trên cả hai mỏ, hàm lượng trung bình của Cr thường cao hơn so với Fe và Ti, trong đó hàm lượng trung bình của Cr trong rubi mỏ Quỳ Châu cao hơn mỏ Lục Yên. Khi xem xét mối tương quan giữa các hàm lượng Cr₂O₃ với Fe₂O₃ và TiO₂ trong rubi trên hai mỏ, ta thấy trong khi tại mỏ Quỳ Châu các tương quan này thường là nghịch thì tại mỏ Lục Yên, các tương quan này thường là thuận. Điều này đã giải thích sự chiếm ưu thế của rubi tại mỏ Quỳ Châu và sự phổ biến của saphir với một số màu khác nhau tại mỏ Lục Yên.

IV. BÀN LUẬN VÀ KẾT LUẬN

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, có thể đi đến kết luận về các đặc điểm tinh thể, khoáng vật học và ngọc học của rubi trong đá hoa trên hai vùng mỏ Lục Yên và Quỳ Châu là gần như tương đồng, điều đó đã gián tiếp chứng tỏ rằng chúng có chung kiểu nguồn gốc và điều kiện thành tạo.

Tổ hợp bao thể đã phát hiện được trong rubi ở các mỏ Lục Yên, Quỳ Châu rất đa dạng và phong phú và bao gồm các bao thể đặc trưng cho kiểu nguồn gốc biến chất như anatas, điaspor, muscovit và các bao thể lỏng chứa tổ hợp CO₂-H₂S-COS-S₈-AlO(OH). Bên cạnh đó, trong rubi Quỳ Châu còn có các bao thể đặc trưng khác như anorthit, anđalusit và zoisit. Sự có mặt đồng thời của các bao thể anorthit và anđalusit trong rubi đã chứng tỏ sự có mặt của các phản ứng biến chất tạo thành rubi từ các khoáng vật mica ban đầu:

CaAl₄Si₂O₁₀(OH)₂ ® CaAl₂Si₂O₈ + Al₂SiO₅ + Al₂O₃ + H₂O

margarit anorthit anđalusit rubi

Khi phân tích thành phần của một trong các bao thể mica trong rubi vùng Quỳ Châu cho thành phần SiO₂= 44,44%; Al₂O₃= 33,26%; MgO= 8,20%; K₂O= 10,00%; TiO₂= 1,56% và F= 2,54%. Thành phần của bao thể mica này đặc trưng bởi hàm lượng Al₂O₃ cao (hàm lượng này gần với hàm lượng của Al₂O₃ trong muscovit) trong khi đó hàm lượng của MgO lại thấp (gần với hàm lượng của MgO trong phlogopit). Từ đó, có thể cho rằng bao thể mica này là biến thể trung gian giữa muscovit và phlogopit, đồng thời điều này chứng tỏ sự có mặt của phản ứng biến chất hình thành rubi từ đá hoa giàu đolomit:

3CaMg(CO₃)₂ + KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂ ® KMg₃(AlSi₃O₁₀)(OH)₂ + 3CaCO₃ + Al₂O₃ + CO₂

đolomit muscovit phlogopit calcit rubi

VĂN LIỆU

1. Giuliani G., Dubessy J., Banks D., Hoàng Quang Vinh, Lhomme T., Pironon J., Garnier V., Phan Trọng Trịnh, Phạm Văn Long, Ohnenstetter D., and Schwarz D., 2003. CO₂-H₂S-COS-S₈-AlO(OH)-bearing fluid inclusions in ruby from marble-hosted deposits in Luc Yen area, North Vietnam, Chemical Geology, 194: 167-185.

2. Kane R.E., McClure S.F., Kammerling R.C., Khoa N.D., Mora C., Repetto S., Khai N.D., and Koivula J., 1991. Rubies and fancy sapphires from Vietnam. Gems & Gemmology, 27: 136-155.

3. Nguỵ Tuyết Nhung, Nguyễn Ngọc Khôi, Phan Văn Quýnh, Nguyễn Ngọc Trường, Hoàng Thị Tuyết, 1994. Đặc điểm tinh thể khoáng vật học và điều kiện thành tạo corinđon Việt Nam. TC Địa chất, A/222: 6-16. Hà Nội.

4. Nguyễn Kinh Quốc (Chủ biên), 1995. Nguồn gốc, quy luật phân bố và đánh giá tiềm năng đá quý, đá kỹ thuật Việt Nam. Báo cáo tổng kết Đề tài KT.01.09. Lưu trữ Địa chất, Hà Nội.

5. Phạm Văn Long, G. Giuliani, G. Virginie, D. Ohnenstteter, 2004. Gemstones of Vietnam: A review. Australian Gemmologist, 22/4: 162-168.

6. Phạm Văn Long, Hoàng Quang Vinh, V. Garnier, G. Giuliani, D. Ohnenstetter, 2004. Marble-hosted ruby from Vietnam. The Canadian Gemmologist, 25/3: 83-95.

7. Phạm Văn Long, Hoàng Quang Vinh, V. Garnier, G. Giuliani, D. Ohnenstetter, T. Lhomme, D. Schwarz, A. Fallick, J. Dubessy, Phan Trọng Trịnh, 2004. Gem corundum deposits in Vietnam. J. of Gemmology, 29/3: 129-147.

8. Phạm Văn Long, Hoàng Quang Vinh, Nguyễn Xuân Nghĩa, 2004. Inclusions in Quy Chau ruby of Vietnam and their origin. Australian Gemmologist, 22/2: 67-71.

9. Phạm Văn Long, 2003. Nghiên cứu đặc điểm tinh thể khoáng vật học và ngọc học của rubi, saphir hai vùng mỏ Lục Yên (Yên Bái) và Quỳ Châu (Nghệ An). Luận án Tiến sĩ Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Hà Nội, 175 tr.

10. Phan Trọng Trịnh, G. Giuliani, P. H. Leloup, Hoàng Quang Vinh, 1999. Nguồc gốc thành tạo rubi vùng Lục Yên và dọc đới biến chất sông Hồng. TC Địa chất, A/254: 4-9. Hà Nội.

11. Spear F. S., 1993. Metamorphism. Mineralogical Soc. of America, Michigan, USA.