Thạch anh (SiO2) xuất hiện tự nhiên có màu sắc đa dạng. Các loại phổ biến nhất được sử dụng trong đồ trang sức là amethyst (màu tím) và citrine (màu vàng). Đá thạch anh pha lê (không màu) cũng thường được chạm khắc hoặc mài giác. Tất nhiên, tất cả các màu tự nhiên của thạch anh có thể được tổng hợp dễ dàng trong phòng thí nghiệm bằng cách thêm các yếu tố tạo màu thích hợp vào buồng tăng trưởng (hình 1). Tuy nhiên, đối với một nhà ngọc học, việc phân biệt thạch anh tự nhiên và tổng hợp thường không phải là nhiệm vụ dễ dàng. Các quá trình tăng trưởng nhiệt dịch tương tự nhau cả trong tự nhiên và phòng thí nghiệm dẫn đến các mẫu thạch anh giống nhau về cấu trúc và hình thái bên ngoài. Trong khi thạch anh tự nhiên và tổng hợp có hình dạng tinh thể khác biệt rõ ràng, sau khi mài mặt, chúng có thể gần như không thể phân biệt được do độ tinh khiết cao và thiếu các đặc điểm bao thể trong hầu hết các thạch anh đã chế tác.

Trong nỗ lực cung cấp các tiêu chuẩn khoa học bổ sung cho việc phân biệt thạch anh tự nhiên và tổng hợp, chúng tôi đã thực hiện cắt đốt bằng laser kết hợp quang phổ khối lượng plasma plasma kết hợp cảm ứng (LA-ICP-MS) trên 52 mẫu thạch anh tự nhiên và 65 mẫu tổng hợp khác nhau, cả thô và cắt giác (cắt facet) (xem bảng 1 để phân phối mẫu). Nghiên cứu này được dự đoán là một cuộc điều tra thăm dò về giá trị của phân tích hóa học trong việc xác định thạch anh. Đây là những kết quả sơ bộ, và cuộc điều tra đang diễn ra.

Kiểm tra ngọc học

Các nhà nghiên cứu đá quý đã phát triển một vài thử nghiệm để tạo thuận lợi cho việc nhận dạng thạch anh tự nhiên và tổng hợp của các mẫu cắt facet, nhưng trong nhiều trường hợp, các thử nghiệm này không có kết quả và dẫn đến các báo cáo trong phòng thí nghiệm với các bình luận “xác định không rõ ràng”. Các thử nghiệm đá quý được tập trung vào bốn tính chất: đặc điểm bảo thể, song tinh, đới màu và dải hấp thụ hồng ngoại. Nhiều mẫu thạch anh rất sạch với một vài bao thể, nhưng khi các bao thể tinh thể tự nhiên xuất hiện, việc xác định rất đơn giản. Tương tự, bao thể “vụn bánh mì” hay các loại bao thể tổng hợp chẩn đoán khác thỉnh thoảng xuất hiện (Gzigelin và Koivula, 1986). Sự hiện diện của song tinh theo quy luật Brazil là một trong những dấu hiệu có thể đáng tin cậy hơn của thạch anh tự nhiên (Crowningshield et al., 1986). Kiểu song tinh này xảy ra ở hầu hết amethyst và một số citrine và có thể được nhìn thấy bằng cách sử dụng kết hợp giữa ngâm và kính hiển vi phân cực chéo hoặc kính phân cực. Mặc dù song tinh này có thể xảy ra trong amethyst tổng hợp (Koivula và Fritsch, 1989), nhưng nó thường có bề ngoài rất khác nhau. Phân vùng màu cũng có thể cung cấp một số trợ giúp nhận dạng. Trong hầu hết amethyst và citrine tự nhiên, nồng độ màu xảy ra dọc theo các hướng tinh thể cụ thể, trong khi nhiều chất tổng hợp thậm chí có sự phân bố màu hoặc một tấm tinh thể mầm dễ nhận biết (Crowningshield et al., 1986). Quang phổ hấp thụ hồng ngoại đã được chứng minh phần nào hữu ích. Một vài dải hấp thụ đã được đưa ra chủ yếu xuất hiện trong amethyst tự nhiên, như báo cáo trong Zecchini và Smaali (1999).

Kết quả phân tích LA-ICP-MS

Phân tích LA-ICP-MS cho thấy một số xu hướng thú vị trong thành phần hóa học của thạch anh tự nhiên và tổng hợp, đặc biệt là amethyst và citrine. Một đánh giá ban đầu về dữ liệu cho thấy các mẫu tinh thể đá không màu không chứa các nguyên tố nào ngoài Si ở nồng độ vượt quá giới hạn phát hiện dụng cụ (các giới hạn này khác nhau đối với các yếu tố khác nhau, nhưng trong hầu hết các trường hợp đều thấp hơn 0,5 ppm). Trên thực tế, ngay cả các vùng không màu trong các mẫu amethyst và citrine cũng cho thấy sự thiếu thành phần hóa học tương tự. Do đó, cần tập trung đánh giá hóa học vào các điểm phân tích được thu thập từ các vùng màu. Đối với cả amethyst và citrine, các vùng này dễ dàng được xác định bằng sự có mặt của Fe, ngay cả khi màu sắc không rõ ràng.

Mặc dù hầu hết nồng độ nguyên tố đều nằm dưới giới hạn phát hiện (BDL; chúng tôi đã phân tích ~ 72 nguyên tố) trong tất cả các mẫu, một số mẫu cho thấy kết quả thú vị. Trong cả hai mẫu amethyst và citrine, Ga thể hiện độ đáng tin cậy để phân biệt thạch anh tự nhiên và tổng hợp (hình 2). amethyst và citrine tự nhiên cho thấy nồng độ Ga lần lượt là 0,3 – 19,0 ppm và 0,7 – 10, 10 ppm, trong khi các viên tổng hợp tương tự của chúng cho thấy có ít hoặc không có hàm lượng Ga (BDL 0,2 ppm cho cả hai loại tổng hợp). Mặc dù hàm lượng giàu Ga trong thạch anh tự nhiên là nguyên tố phân biệt đáng tin cậy và nhất quán nhất, nồng độ Ti và Cr tăng nhẹ cũng được quan sát thấy trong nhiều mẫu được tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Có sự chồng chéo đáng kể trong các ô của hai nguyên tố này, nhưng tỷ lệ mẫuamethyst và citrine tổng hợp chứa Ti và Cr cao hơn nhiều so với đá thạch anh tự nhiên (hình 2).

Một xu hướng khác được quan sát trong các mẫu amethyst là mối tương quan yếu giữa hàm lượng Ga và địa phương địa lý mà từ các mẫu được thu thập. Nước có nguồn gốc được biết đến với 34 mẫu amethyst tự nhiên được sử dụng trong nghiên cứu, bao gồm các mẫu từ Brazil, Uruguay, Namibia, Mexico, Canada, Zambia, Bolivia, Tanzania và Hoa Kỳ. Tất cả các mẫu amethyst từ Zambia và Mexico cho thấy nồng độ Ga cao hơn 9 ppm, trong khi các mẫu từ Bolivia và Uruguay chứa ít hơn 1 ppm. Các viên đá từ các quốc gia khác chứa khoảng 1 – 8 ppm Ga. Mặc dù đây là dữ liệu thú vị, nhiều mẫu khác phải được phân tích để đánh giá mức độ tin cậy của Ga để xác định nguồn gốc địa lý của amethyst.

Kết luận sơ bộ

Phân tích LA-ICP-MS của một số loại thạch anh có thể là một công cụ đáng tin cậy để phân biệt các mẫu tự nhiên và tổng hợp. Mặc dù thạch anh không màu không thể được đánh giá bằng phương pháp này do thành phần tương đối tinh khiết của nó, dữ liệu sơ bộ từ các mẫu amethyst và citrine tự nhiên cho thấy nồng độ Ga tăng cao có vẻ hữu ích để phân biệt với các chất tương tự tổng hợp trong phòng thí nghiệm, cho thấy ít hoặc không có hàm lượng Ga. Ngoài ra, hàm lượng Ga dường như có khả năng hữu ích trong việc xác định nguồn gốc địa lý của một số amethyst tự nhiên. Hàm lượng Cr và Ti cũng có thể hữu ích trong việc xác định các mẫu thạch anh tổng hợp. Tuy nhiên, cần hết sức cẩn thận để phân tích các vùng màu (thay vì các vùng không màu). Sự có mặt của Fe rất hữu ích trong việc xác nhận rằng các vùng tăng trưởng có màu đã được lấy mẫu. Việc hoàn thiện thêm phân tích LA-ICP-MS là chủ đề của nghiên cứu đang diễn ra tại GIA.

Tài liệu tham khảo

Crowningshield R., Hurlbut C., Fryer C.W. (1986) A simple procedure to separate natural from synthetic amethyst on the basis of twinning. Gems & Gemology, Vol. 22, No. 3, pp. 130–139.
Gübelin E.J., Koivula J.I. (1986) Photoatlas of Inclusions in Gemstones. ABC Edition, Zurich, 532 pp.
Koivula J.I., Fritsch E. (1989) The growth of Brazil-twinned synthetic quartz and the potential for synthetic amethyst twinned on the Brazil law. Gems & Gemology, Vol. 25, No. 3, pp. 159–164.
Zecchini P., Smaali M. (1999) Identification de l’origine naturelle ou artificielle des quartz. Revue de Gemmologie a.f.g., Vol. 138–139, pp. 74–83.