Haüyne Màu Lục Vàng (Bản tin tháng 08/2010)

Haüyne Màu Lục Vàng Chất Lượng Quý Từ Núi Lửa Oldoinyo Lengai, Miền Nam Tanzania

Núi lửa Oldoinyo Lengai nằm ở vùng Gregory Rift, Nam Tanzania là dạng núi lửa carbonatite còn đang hoạt động duy nhất trên thế giới (theo Dawson, 1962; Keller và Krafft, 1990; Mitchell và Dawson, 2007). Nó là núi lửa phân tầng đặc trưng và có độ cao 2.952 m (hình 1). Nó chứa nhiều đá núi lửa silica chưa bão hòa bất thường bao gồm nephenilite, phonolite và các natrocarbonatite. Các tro bụi, cuội núi lửa (lapilli), tuff (chỉ tất cả các đá vụn núi lửa đã gắn kết) và các dăm kết núi lửa (agglomerate) nằm xen kẻ với các dòng lava (dung nham). Các dăm kết núi lửa bao gồm các khối đá xâm nhập sâu (plutonic) giàu feldspathoid bất thường như urtite và ijolite.

Trong chuyến đi đến vùng núi lửa Oldoinyo Lengai năm 2003, các nhà nghiên cứu từ đại học Freiburg, Đức phát hiện một khối đá plutonic kích thước dài nhất ~0,35 m, có thành phần là một nửa ijolite và một nửa là urtite. Khối đá có dạng hạt thô và thể pegmatic chứa phần chính là nepheline và diopsite; một lượng nhỏ magnetite, apatite và perovskite. Nó còn chứa các tinh thể tha hình (dạng vô định hình) màu vàng phớt lục nhạt chất lượng quý, lớn đến 7 cm, tinh thể đó sau cùng được xác định là haüyne (hình 2), công thức đặc trưng là Na₆Ca₂(Al₆Si₆O₂₄)(SO₄)₂. Tuy nhiên các dữ liệu đã ấn bản về haüyne cho thấy rằng nó được mô tả là có các thành phần Ca và Na có thể thay đổi, điển hình nó còn chứa một số K, (SO₄)^2- và cả Cl và S^2- nữa (theo Deer và những người khác, 2004). Vì thế công thức chung hơn của haüyne có thể được viết như sau (Na,Ca,K)_4-8(Al₆Si₆O₂₄)(SO₄,S,Cl)_1-2.

Thành phần và phương pháp:

Các mẫu haüyne đo được từ 10 – 15 mm được lấy ra từ khối đá vùng núi Oldoinyo Lengai và được mài thành 3 viên mài giác khoảng 1,5 ct/1 viên (hình 3). Tất cả đều mài giác cúc với các hình dạng như tròn, nệm vuông cổ điển và tam giác. Các đặc tính ngọc học được xác định trên cả 3 viên đá mài giác (chiết suất RI đo bằng chiết suất kế, tỷ trọng SG và phát quang UV) và trên một số hạt tha hình (đo chiết suất bằng phương pháp nhúng – mẫu vật được nhúng trong dung dịch có chiết suất đã biết trước) tại trường đại học của bang St. Petersburg, Nga sử dụng thiết bị tiêu chuẩn. Độ cứng được xác định trên một mảnh thô sử dụng bộ khoáng vật có độ cứng mẫu theo thang Mohs.

Thành phần hóa học được xác định trên mảnh đá thô ở bảo tàng lịch sử tự nhiên ở London bằng: (1) kính hiển vi điện tử quét – phổ kế phân tán năng lượng (SEM-EDS) và (2) phân tích đốt cháy (phân tích các khí sau khi mẫu bị đốt cháy, khi bị đốt sẽ làm gẫy các liên kết trả lại thành phần hợp thành ban đầu) đối với C, H và N. Hơn nữa, phân tích huỳnh quang tia X phân tán năng lượng (EDXRF) trên mẫu bột cũng đã được thực hiện ở đại học Freiburg. Một viên đá mài giác cũng được nghiên cứu bằng SEM-EDS với áp suất thay đổi (không mẫu nào bị xử lý phủ màu). Phân tích nhiễu xạ tia X, xác định cấu trúc đơn tinh thể và phổ hồng ngoại của các mẫu đá thô được thực hiện ở đại học bang St. Petersburg. Phổ Raman của cả mẫu thô và mẫu cắt mài được thực hiện ở trường Khoa Học Trái Đất và Địa Chất, đại học Kingston, London.

Kết quả và thảo luận:

Khoáng vật được xác định là haüyne dựa trên nền tảng của dạng biểu đồ từ sự nhiễu xạ tia X (tham số mỗi đơn vị ɑ = 9,040 ± 0,001 Å); đặc điểm quang học và vật lý của nó giống với đặc điểm ghi nhận của haüyne và những khoáng vật nhóm sodalite khác (theo Deer và những người khác, 2004; Ballirano và Maras, 2005). Tuy nhiên giá trị chiết suất RI thấp hơn và giá trị tỷ trọng SG cao hơn so với những giá trị ghi nhận được của haüyne màu xanh chất lượng quý bởi Kiefert và Hänni (2000). Tuy nhiên, việc xác định là haüyne được khẳng định bởi dữ liệu từ việc xác định cấu trúc đơn tinh thể.

Màu lục vàng của các mẫu mà chúng tôi có khác nhiều so với các mẫu haüyne màu xanh chất lượng quý đã được biết đến từ Eifel, Đức (Kiefert và Hänni, 2000) và Dattaw, Myanmar (Grobon và Hainschwang, 2006). Các biến thể màu khác của haüyne gồm có màu trắng và màu xám, lục, vàng và đỏ (theo Robert và những người khác, 1990). Những đặc tính ngọc học của khoáng vật vùng Oldoinyo Lengai được mô tả trong bảng 1.

Bảng 1: Những đặc điểm của haüyne vùng Oldoinyo Lengai, Tanzania.^a

Phổ hồng ngoại của haüyne vùng Oldoiny Lengai ~ 1300 – 350 cm^-1 giống với phổ của haüyne và sodalite chứa SO₄ ở những địa phương khác (Ballirano và Maras, 2005). Hơn nữa phổ hồng ngoại của các mẫu vật vùng Oldoinya Lengai chứa các đỉnh đơn ở 1364 cm^-1 [các nhóm (NO₃)^2-], 1499 và 1412 cm^-1 [các nhóm (CO₃)^2-] và 1692 cm^-1 cũng như một dãy rộng ở 3600 – 3400 cm^-1; hai dãy sau cùng tương ứng với các phân tử nước (Buhl và Löns, 1996; Ballirano và Maras, 2005). Phổ Raman cho thấy rằng haüyne từ Oldoinyo Lengai chứa các nhóm (SO₄)^2- được xác định bởi sự hiện diện của các đỉnh ở 990 – 980 và 449 – 446 cm^-1. Không thấy các đỉnh ở ~ 1089 và 543 cm^-1 liên quan đến nhóm S^3- như đã được thấy trong phổ Raman của haüyne xanh từ Eifel (Kiefert và Hänni, 2000; Di Muro, 2004).

Bảng 2: Thành phần hóa học của haüyne vùng Oldoinyo Lengai.^a

Phân tích SEM-EDS (phổ phân tán năng lượng – kính hiển vi điện tử quét), EDXRF (phổ huỳnh quang tia X phân tán năng lượng) và phân tích đốt cháy xác định thành phần rất bất thường của một số điện tích âm (anion) trong haüyne. Các phân tích cho thấy có một lượng lưu huỳnh – sulfur đáng kể (6,6 – 7,1 wt.% SO₃); lượng nhỏ nitơ (nitrogen: 1,1 – 1,3 wt.% N₂O₅), nước (0,9 – 1,0 wt.% H₂O), clo (chlorine: 0,6 – 0,7 wt.% Cl) và carbon (0,4 – 0,5 wt.% CO₂); và một ít phốt pho (phosphorous: 0,1 wt.% P₂O₅). Ngoài những cation chính hiện điện trong haüyne (Na, Ca, Al và Si), chúng tôi còn thấy lượng nhỏ K ((1,6 – 1,8 wt.% K₂O) và một ít Fe (0,2 – 0,3 wt.% Fe₂O₃) và Mg (0,1 wt.% MgO). Dựa vào những kết quả phân tích ghi trong bảng 2, từ đó chúng tôi sắp xếp thành công thức thực nghiệm trung bình là (Na_6,75Ca_0,87K_0,37)_S7,99(Al_5,97Fe³⁺_0,03Si_6,00O₂₄)[(SO₄)_0,89(OH)_0,54(NO₃)_0,23Cl_0,20(CO₃)_0,12]_S1,98. Theo chúng tôi biết thì đây là khoáng vật chứa nitơ tự nhiên đầu tiên trong nhóm sodalite được biết đến.

Kết luận:

Haüyne chất lượng quý được tìm thấy ở vùng núi lửa Oldoinyo Lengai còn đang hoạt động. Haüyne này có màu lục vàng rất khác thường và có thành phần hóa học phức tạp (bao gồm sự có mặt của N và C). Sản lượng trong tương lai của Haüyne thì không biết rõ nhưng với số lượng khách đến vùng này của Tanzania ngày càng tăng cho thấy hình như các mẫu khoáng vật này tìm được ngày càng nhiều.

(Theo Anatoly N. Zaitsev, Olga A. Zaitseva, Alexander K. Buyko, Jorg Keller, Jurgis Klaudius và Andrei A. Zolotarev, trong Rapid Communications, G&G Fall 2009)

Các Vết Bẩn Do Phóng Xạ Có Hoa Văn Màu Lục

Các vết bẩn do phóng xạ có màu lục và màu nâu là các đặc điểm phổ biến trên các bề mặt kim cương thô. Chúng được tạo ra khi các khoáng hay chất lỏng chứa các yếu tố phóng xạ tàn dư vẫn còn tiếp xúc với các tinh thể trong một thời gian dài. Quá trình phân hủy phóng xạ tự nhiên tạo ra các hạt alpha làm cho chỗ hỏng cấu trúc nhìn thấy giống như các đốm màu lục và màu nâu.

Các vết phóng xạ thường ở dạng đường tròn và có thể xuất hiện ở dạng rỉ từ bề mặt vào trong kim cương. Những vết này lúc đầu có màu lục, chỉ chuyển sang màu nâu khi đốt ở nhiệt độ thấp tương ứng (cả khi chôn dưới đất hay từ nhiệt độ của vòng cắt). Hầu hết các vết bẩn do phóng xạ đều rất cạn và thường di chuyển trong khi cắt mài. Khi ở dạng viên đá mài giác, chúng thường được thấy như các đốm riêng biệt trên gờ hay các đới nhỏ quanh các khe nứt lên đến bề mặt tự nhiên. Gần đây, phòng giám định ở Carlsbad đã quan sát một viên kim cương có các hoa văn dạng vết bẩn do phóng xạ màu lục rất đẹp (hình 4, bên trái). Viên đá hình chữ nhật, giác cúc biến thể nặng 6 ct này được cho là loại Ia qua sử dụng phổ hấp thu hồng ngoại và nó được phân ở cấp màu lục xám. Tuy nhiên hầu hết màu được tạo ra bởi các vết bẩn do phóng xạ màu lục trên các vết tự nhiên dạng ngấn sâu không di chuyển trong khi cắt mài. Bên trong của viên kim cương thì gần như không màu.

Điều thú vị các vết màu lục sắp xếp thành nhiều đường tròn. Lời giải thích phù hợp nhất cho các hoa văn này là tinh thể gốc được bao quanh bởi các hạt có kích cỡ khác nhau; kim cương có lẽ được khai khác từ quặng bồi tích ở đó sự phong hóa tự nhiên tạo ra một hỗn hợp của các mãnh vỡ khoáng hình tròn. Chúng tôi cho rằng các đường biên của các hạt lớn hơn (được vẽ bởi các vết) có nhiều lỗ hổng hơn và vì thế được lấp đầy bởi nhiều chất lỏng phóng xạ, trong khi đó các vùng không bị dính bẩn của tinh thể tiếp xúc với các hạt mịn hơn được kết chặt hay hàn gắn và vì thế ít lỗ hổng hơn.

Hình ảnh phát quang dưới DiamondView cho thấy đặc điểm thú vị khác: trong khi hầu hết kim cương có phát quang màu xanh thì các điểm từ vết bẩn do phóng xạ và các đường nét thì lại trơ (hình 4, bên phải). Điều này được cho là từ sự sai hỏng do phóng xạ có lẽ đã phá hủy các lỗ hổng tạo ra phát quang. Phải có nhiều nghiên cứu nữa để củng cố kết quả nghiên cứu này. Tuy rằng các vết bẩn do phóng xạ là phổ biến trong kim cương, nhưng thật là hiếm thấy chúng có dạng hoa văn này từ đó đưa ra manh mối về lịch sử địa chất của các tinh thể gốc này.

(Theo Christopher M. Breeding và Virginia A. Schwart, trong Lab Notes, G&G Fall 2009)

Mây Hydrô Và Các Rãnh Khắc Dạng Ăn Mòn Axit 

Trong Kim Cương

Kim cương chứa mây hydrô và các rãnh khắc dạng ăn mòn axit thì khá phổ biến (xem phần Lab Notes: Summer 1994, trang 115 – 116; Spring 1999, trang 42 – 43; Summer 1999, trang 137 – 138 và Spring 2009, trang 54 – 55). Mây hydrô trong kim cương thiên nhiên thường có dạng bất đều và các rãnh khắc dạng ăn mòn axit phổ biến nhất đi kèm trong kim cương là dạng hình tam giác (xem T. Lu và những người khác, “Quan sát các rãnh khắc dạng ăn mòn axit trong các viên kim cương thiên nhiên”, Diamond and Related Materials – Kim cương và các khoáng vật liên quan, Vol. 10, 2001, trang 68 – 75).

Gần đây, phòng giám định ở New York nghiên cứu một viên kim cương dạng khối hình vuông, nặng 0,63 ct (7,98 x 7,88 x 0,76 mm) có mây hydrô hình chữ X và các rãnh khắc dạng ăn mòn axit hẹp, rỗng nằm đối xứng trên mỗi bên của đám mây (hình 5).

Viên đá được đánh bóng để xem được rõ bên trong. Chữ “X” chỉ theo 4 góc của viên kim cương theo các hướng [100] ở đó viên đá thể hiện đối xứng 4 cạnh. Có khoảng 16 rãnh khắc dạng ăn mòn axit hiện diện trên viên đá, đo được ~0,3 – 1,35 mm chiều dài và ~0,1 – 0,4 mm chiều rộng, thon nhỏ dần suốt chiều dài. Hầu hết các rãnh hổng hốc này có dạng góc cạnh và giọt nước (hình 6) và chúng gần như song song theo hướng [111]; các rãnh khắc dạng ăn mòn axit theo hướng thế này tạo ra dạng có vẻ giống như hình elip. Các hoa văn dạng góc cạnh được quan sát trong các rãnh chứng tỏ nguồn gốc tự nhiên của nó (Summer 1994 Lab Notes, trang 115 – 116), giống như trường hợp thay đổi màu sắc do phóng xạ. Tất cả các rãnh dừng lại trước khi chạm đến đám mây.

Phổ hồng ngoại và phát quang bức xạ cho thấy kim cương giàu hydrô và phổ ghi nhận được từ 2 vùng (trong và ngoài đám mây) cho thấy sự khác nhau rõ rệt về hàm lượng H. Vùng mây cho thấy 2 vạch phổ cơ bản cho hydrô ở 3107 và 1405 cm^-1 và các đỉnh liên quan đến H ở 3236, 3153 và 3050 cm^-1 (W. Wang và W. Mayerson, “Mây đối xứng trong kim cương – liên quan các mối nối hydrô”, Journal of Gemmology – Tạp chí ngọc học, Vol. 28, No. 3, 2002, trang 143 – 152). Ngược lại vùng ngoài đám mây hydrô chỉ có một đỉnh 3107 cm^-1 với cường độ thấp hơn nhiều, chứng tỏ đám mây có hàm lượng hydrô cao hơn. Cả 2 vùng cho thấy đây là phổ đặc trưng của kim cương loại IaA theo hàm lượng nitơ. Phổ phát quang bức xạ có được từ đám mây cho thấy các đỉnh liên quan đến H mạnh ở 693 và 700 nm, điều đó không thấy trong vùng không có mây (hình 7).

Các rãnh khắc dạng ăn mòn axit dừng lại trước đám mây có thể là do sự kháng lại hóa chất ăn mòn hay có thể do rãnh gặp một điểm hỏng chẳng hạn như một chất bẩn làm ngăn cản sự hòa tan. Tuy nhiên do mây hydrô nằm dọc theo mặt tinh thể {100} và các rãnh theo hướng [111] nên không đủ bằng chứng để chứng minh mây hydrô ngăn chặng sự hình thành các rãnh khắc dạng ăn mòn axit.

(Theo Erica Emerson, trong Lab Notes, G&G Fall 2009)

 

Kim Cương Màu Đỏ Do Chiếu Xạ Và Nung Nhiệt

Đặc điểm nổi tiếng nhất của viên kim cương tròn, nặng 0,28 ct trong hình 8, được đưa đến phòng giám định để nghiên cứu khoa học. Màu thuần khiết của nó được phân cấp ở cấp màu đỏ. Cấp màu này (màu sắc không thay đổi) thì rất là hiếm, thậm chí đối với kim cương xử lý màu. Kim cương xử lý trong vùng màu này thường có màu phớt tím mạnh và không đủ đậm để xếp vào cấp màu đỏ. Viên đá này phân bố màu không đều và có sự tập trung màu dễ thấy ở chóp đáy (hình 9). Dưới phóng đại, nó có các hạt xếp theo đường thẳng đẹp mắt và một nhóm các bao thể dạng kim nhỏ. Kim cương phát quang đỏ phớt cam mạnh dưới UV sóng dài và đỏ phớt cam yếu dưới UV sóng ngắn.

Phổ hấp thu hồng ngoại cho thấy các đặc điểm đặc trưng của kim cương loại Ib với một phổ yếu nhưng sắc nét ở 1344 cm^-1. Độ mạnh hấp thu của phổ này là ~0,14 cm^-1 tương ứng với mức tập trung lượng nitrogen (nitơ) ~5 ppm. Không phát hiện nitơ dạng A hay B. Ngoài phổ hấp thu vừa ở “tâm amber” ~4110 cm^-1 còn có phổ liên quan đến chiếu xạ như H1a (1450 cm^-1) và H1b (4935 cm^-1) hiện diện trong phổ hồng ngoại. Phổ UV-Vis-NIR ở nhiệt độ nitơ lỏng cho thấy hấp thu ở tâm NV mạnh tại 575,0 [(NV)⁰] và 637,0 [(NV)^-1] nm và những dãy liền kề liên quan của chúng, đó là nguyên nhân chính tạo ra màu đỏ. Các dãy hấp thu hơi mạnh ở 503,1 nm (H3) và 594,3 cũng được phát hiện.

Những đặc tính ngọc học và phổ này cho thấy rằng đây là một viên kim cương thiên nhiên loại Ib,  lúc đầu có màu vàng hay cam với một số sắc tố màu nâu. Sự tập trung cao các tâm NV được hình thành bởi chiếu xạ và nung nhiệt ở nhiệt độ vừa phải. Màu khác thường này có được bằng cách đưa vào một lượng các nguyên tố thích hợp thay thế các sai hỏng tập trung của khoáng vật ban đầu, dưới các điều kiện xử lý lý tưởng. Các tâm NV bao gồm một nguyên tử nitrogen và một khoảng trống gần đó là các điểm sai hỏng phổ biến trong kim cương. Những chỗ sai hỏng này có trong kim cương thiên nhiên và khi đó có thể đem lại màu hồng dịu cho viên đá nhưng chúng cũng có thể được tạo ra do xử lý trong phòng thí nghiệm. Những viên đá được xử lý như thế này ngày càng phổ biến trong những năm gần đây và viên kim cương màu đỏ được dùng minh họa trong bài là một điển hình. 

(Theo Wuyi Wang, trong Lab Notes, G&G Fall 2009)