Các phương pháp nghiên cứu

1. Phương pháp ngọc học xác định: tỷ trọng, chiết suất, tính đa sắc, tính phát quang dưới tia cực tím, phổ hấp thụ UV-Vis-NIR, đặc điểm bên trong…

2. Phương pháp phân tích hóa lý: microsond – EMPA 3. Phương pháp khối phổ kế LA – ICP – MS

2.2.2.1. Phương pháp ngọc học xác định: tỷ trọng, chiết suất, tính đa sắc, tính phát quang dưới tia cực tím, phổ hấp thụ, đặc điểm bên trong…

a. Xác định đặc điểm bên trong

Phương pháp nghiên cứu đặc điểm bên trong của đá quý nói chung, peridot nói riêng là sử dụng hính hiển vi soi nổi chuyên dụng (kính hiển vi ngọc học).

Nhìn chung, kính hiển vi ngọc học không khác nhiều với kính hiển vi quang học thông thường. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động đặc biệt của thiết bị này là sự kết hợp hệ thống chiếu ánh sáng phân cực, ánh sáng chiếu xuyên thẳng (trường sáng), ánh sáng chiếu xiên (trường tối).

Dùng kính hiển vi ngọc học phóng đại viên đá lên nhiều lần (từ 10 – 40 lần) để nghiên cứu và mô tả các đặc điểm bên trong của các loại đá quý: sự phân đới màu, song tinh, dấu hiệu sinh trưởng, hình dạng và đặc điểm các bao thể, độ trong của viên đá.

24

b. Phương pháp khúc xạ kế

Nguyên lý hoạt động của khúc xạ kế dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần. Xác định chiết suất tuyệt đối của các loại đá quý. Khúc xạ kế là phương pháp rất hữu hiệu trong việc giám định đá quý. Bằng tính chất này người ta có thể xác định được khoảng 10 tính chất quang học khác nhau của đá quý, trong đó quan trọng nhất là chiết suất, và các tính chất chất khác như: lưỡng chiết, tính trục, dấu quang học, tính dị hướng quang học...

Bộ phận chính của khúc xạ kế là một bán cầu thuỷ tinh trong suốt có chiết suất cao (1,81). Khi đặt viên đá lên mặt bán cầu thủy tinh, phần tiếp xúc giữa là một lớp dầu nhúng có giá trị chiết suất trung gian giữa thuỷ tinh và viên đá quý. Ánh sáng được chiếu từ bán cầu tinh thể, dầu nhúng tới viên đá và bị phản xạ toàn phần trở lại và chiếu sáng thang đo. Trong thị trường thang đo của khúc xạ kế sẽ thấy hai phần sáng tối, ranh giới giữa phần sáng và tối chính là giá trị chiết suất của viên đá. Phương pháp khúc xạ kế xác định được chiết suất của các loại đá quý có chiết suất từ 1,3 đến 1,8. Yêu cầu của phương pháp là mặt của viên đá phải được mài phẳng và nhẵn bóng.

Ứng dụng của phương pháp: dùng để xác định chiết suất của peridot, từ đó tính được các giá trị lưỡng chiết suất, dấu quang, biến thiên chiết suất, tính đẳng hướng-dị hướng và tính trục.

c. Xác định tính phát quang dưới tia cực tím

Bản chất của hiện tượng phát quang về cơ bản giống bản chất màu sắc. Trong đó nguồn kích thích thay vì là ánh sáng nhìn thấy, là các bức xạ điện từ khác (tia cực tím, tia X) hoặc nhiệt độ, ma sát, điện, tia âm cực...

Khi một loại đá quý nhận được năng lượng kích thích dưới dạng nào đó ở dưới mức gây nóng sáng hoặc gây cháy, nó sẽ biến năng lượng này thành một bức xạ “lạnh” có bước sóng thường nằm trong vùng nhìn thấy. Đó là hiện tượng phát quang của đá quý. Hiện tượng này có thể gây ra bởi các nguyên nhân khác nhau: như do sự có mặt của các tạp chất (chất kích thích) – các chất này nhạy bén với sự

25

phát quang như Cr, Mn, Cu, Ag, S... và do các sai lệch trong cấu trúc tinh thể như trong kim cương.

Trong giám định đá quý người ta hay dùng tia cực tím ở 2 bước sóng: cực tím sóng dài (LW – long way) với bước sóng 365nm và cực tím sóng ngắn 254 nm. Phát quang dưới tia cực tím là phương pháp được sử dụng nhiều nhất trong tất cả các hiện tượng phát quang.

d. Xác định tỷ trọng

Tỷ trọng là đại lượng thứ nguyên, bằng tỷ số giữa trọng lượng của vật với trọng lượng một khối nước có thể tích bằng vật và ở 4°C. Tỷ trọng một chất cho biết chất đó nặng hơn nước bao nhiêu lần.

Trọng lượng của viên đá được xác định bằng cách cân trong không khí (cân khô), thể tích viên đá đúng bằng thể tích của khối dung dịch (thường dùng nước cất) bị đẩy ra khi nhúng chìm viên đá vào đó. Theo định luật Archimedes, khi nhúng viên đá vào trong một dung dịch nào đó, trọng lượng của viên đá sẽ mất đi một lượng đúng bằng trọng lượng của khối dung dịch mà nó chiếm chỗ. Thể tích của viên đá chính bằng thể tích của khối dung dịch bị chiếm chỗ, bằng trọng lượng của khối dung dịch đó chia cho tỷ trọng của dung dịch chiếm chỗ. V = (m – m’)/’. Trong đó, m: trọng lượng của viên đá trong không khí; m’: trọng lượng của viên đá trong dung dịch; ’: tỷ trọng của dung dịch. Từ đó, ta có công thứ tính tỷ trọng của viên đá:

 = ’[m/(m – m’)]

Thông thường, dung dịch là nước cất ở điều kiện tiêu chuẩn thì tỷ trọng bằng 1. Các phương pháp xác định tính chất ngọc học (tỷ trọng, tính phát quang,đặc điểm bên trong, chiết suất, tính đa sắc) cho các đá quý vùng nghiên cứu được thực hiện tại Viện Ngọc học và Trang sức DOJI.

e. Xác định phổ hấp thụ bằng phổ UV-Vis-NIR

Phổ hấp thụ là một trong những tính chất quang học đặc trưng của khoảng 30% các loại đá quý khác nhau. Để xác định phổ hấp thụ có các thiết bị chuyên dụng gọi là phổ kế (spectroscope). Trong phạm vi luận văn, học viên sử dụng các

26

kết quả phổ của đề tài nghiên cứu khoa học cơ bản mã số 105.01-2012.01, được thực hiện tại Viện khoa học địa chất, trường Đại học Tổng Hợp Johannes Gutenberg, Mainz, CHLB Đức. Phổ UV-Vis-NIR không phân cực có được từ các mẫu mài bóng hai mặt bằng phổ kế PerkinElmer Lambda 950 được trang bị với gương cầu hội tụ từ trên 200 đến 1600 nm.

Nguyên lý của phương pháp: Khi chiếu chùm ánh sáng (tập hợp các ánh sáng đơn sắc có bước sóng trong phạm vi rộng từ 200 - 1600 nm) vào viên đá quý, tuỳ thuộc vào thành phần và cấu trúc của mỗi loại đá quý, chúng sẽ hấp thụ một số bước sóng nhất định. Khi phản xạ hoặc xuyên qua sẽ cho phổ với các vạch và dải hấp thụ đặc trưng cho từng loại đá.

Ứng dụng của phương pháp: Xác định sơ đồ hấp thụ sóng cực tím và sóng nhìn thấy của peridot. Peridot có màu lục tự sắc là do Fe2+, nhưng peridot Việt Nam thường nhuốm sắc nâu, vàng do trong thành phần của chúng có chứa một lượng Fe3+, dùng phương pháp soi phổ hấp thụ sẽ xác định được các dải phổ đặc trưng của Fe2+, Fe3+, Mg2+ và xác định được yếu tố gây ra sự đa dạng các sắc thái màu sắc trong peridot.

2.2.2.2. Phương pháp microsond-EPMA (Electron Probe MicroAnalyser)

- Bản chất của phương pháp

Bản chất của phương pháp microsond được dựa trên nguyên tắc dùng cathod là một sợi dây bằng hình chữ V có đường kính bằng 0.1mm, được đốt nóng tới 2800oK, đặt dưới điện thế 30KV. Chùm điện tử phát ra từ cathod, được tụ tiêu tới cỡ 0.1m chuyển động về hướng anot, nơi đặt mẫu phân tích. Khi bị bắn phá bởi chùm điện tử, các nguyên tử của các nguyên tố chứa trong mẫu bị kích thích, từ đó bắn ra chùm tia rơnghen sơ cấp. Mỗi nguyên tố sẽ cho vạch phổ Rơnghen đặc trưng riêng bởi bước sóng xác định. Để phân tích định lượng, người ta dựa trên nguyên tắc so sánh mối tương quan về cường độ phổ rơnghen đặc trưng của nguyên tố (A) trong mẫu phân tích và trong mẫu chuẩn ở cùng điều kiện phân tích.

27 Trong đó, KA: cường độ phát xạ;

CA: hàm lượng nguyên tố A trong mẫu nghiên cứu

k: hệ số.

Nhờ các tấm làm lệch, chùm tia điện tử có đường kính rất nhỏ cỡ 0,2µm được quét trên bề mặt mẫu sẽ được khuếch đại và sẽ được ghi nhận trên màn hình. Như vậy trên màn hình sẽ ghi được hình ảnh của bề mặt mẫu, có thể là ảnh địa hình, ảnh cỡ hạt của mẫu, có thể là ảnh phân bố hàm lượng các nguyên tố hóa học trên bề mặt mẫu tùy thuộc ta sử dụng nguồn lấy ra là tia ronghen hay tia điện tử phản xạ ngược.

- Nguyên lý của phương pháp

Thiết bị phân tích EPMA được thiết kế hệ thống quang điện tử gồm súng điện tử sợi đốt volfram hoạt động trong chế độ thế gia tốc điều chỉnh theo bước từ 0,2 đến 40 kV và cường độ dòng của đầu dò điện tử từ 10-12

-10-15 A có độ ổn định là ±1,5 x 10-3 h. Kích thước của đầu dò điện tử có thể nhỏ tới 1nm-1µm, và cường độ 1pA-1µA trên điểm phân tích. Khi mẫu vật bị bắn phá bởi chùm tia điện tử hội tụ có năng lượng cao để phân tích thành phần hóa học của một vùng có thể tích cỡ nhỏ micromet. Một trong các tín hiệu thu được là các photon tia X đặc trưng của các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu phát ra từ phần thấp của vùng thể tích bị kích hoạt và được thu, xử lý, ghi lại dưới dạng phổ và hình ảnh tia X.

Các tín hiệu thứ sinh cơ bản khác như điện tử thứ sinh (SE), điện tử phản xạ ngược (BE) được thu và xử lý cho ra các loại hình ảnh về cấu trúc, địa hình và sự tương phản về thành phần của bề mặt được phân tích. Khi đó, thiết bị phân tích có chức năng như một kính hiển vi điện tử quét (SEM).

- Ứng dụng

Phương pháp phân tích vi dò điện tử EMPA được dùng để xác định định lượng các nguyên tố chính trong peridot của vùng nghiên cứu trên diện tích rất nhỏ

28

mà không cần phá mẫu. Từ đó nhằm xác định được chỉ số Mg của các mẫu nghiên cứu.

.2.2.2.3. Phương pháp khối phổ kế LA-ICP-MS

LA-ICP-MS là một kỹ thuật phân tích các chất vô cơ (nguyên tố) dựa trên sự ghi đo phổ theo số khối (m/z) của nguyên tử các nguyên tố cần phân tích. Ưu điểm của phương pháp là LA-ICP-MS sử dụng để phân tích nồng độ của hầu hết các kim loại trong bảng hệ thống tuần hoàn ở nồng độ thấp ppm-ppt (phần triệu đến phần tỷ) mà không cần phá hủy mẫu; hiệu quả vượt trội so với những kỹ thuật phân tích khác; phân tích đồng vị nhanh chóng, khoảng dải phân tích rộng. Và ứng dụng của phương pháp ngày càng được mở rộng.

ICP (Inductively Coupled Plasma) là ngọn lửa plasma tạo thành bằng dòng điện có tần số cao (cỡ MHz) được cung cấp bằng một máy phát RF. Ngọn lửa plasma có nhiệt độ rất cao có tác dụng chuyển các nguyên tố trong mẫu cần phân tích ra dạng ion.

MS (Mass Spectrometry): phép ghi phổ theo số khối hay chính xác hơn là theo tỷ số giữa số khối và điện tích (m/z).

LA (laser ablation): Dùng tia lazer để phân tích mẫu (cắt đốt) mà không cần phải hóa lỏng mẫu.

- Nguyên lý của phương pháp:

Khi dẫn mẫu phân tích vào vùng nhiệt độ cao của ngọn lửa argon plasma( ICP), vật chất có trong mẫu khi đó bị chuyển hoàn toàn thành trạng thái hơi các phân tử chất khí được tạo ra lại bị phân ly thành các nguyên tử tự do ở trạng thái khí; trong điều kiện nhiệt độ cao của plasma (8000oC) phần lớn các nguyên tử trong mẫu bị ion hóa tạo thành ion dương có điện tích +1 và các electron tự do. Thu và dẫn dòng ion đó vào thiết bị phân giải để phân chia chúng theo số khối (m/z), nhờ

29

hệ thống phân giải hóa theo số khối và detector thích hợp ta thu được phổ khối của các nguyên tố cần phân tích có trong mẫu.

- Ứng dụng:

Phương pháp phân tích thành phần hóa học của đá quý bằng khối phổ kế LA- ICP-MS cho phép xác định hàm lượng các nguyên tố vết đến giới hạn ppm, ppb mà không cần phá hủy mẫu.

Luận văn sử dụng số liệu thành phần hóa học (bằng phương pháp EPMA, LA-ICP-MS) của đề tài nghiên cứu khoa học cơ bản mã số 105.01-2012.01, được phân tích tại Viện Nghiên cứu Đá quý, trường Đại học Tổng Hợp Johannes Gutenberg, Mainz, CHLB Đức.

30

Chƣơng 3

ĐẶC ĐIỂM KHOÁNG VẬT - NGỌC HỌC,

NGUỒN GỐC VÀ ĐIỀU KIỆN THÀNH TẠO CỦA PERIDOT

Tổng quan tài liệu

Peridot được phát hiện tại Việt Nam từ những năm 1990 (Stockton và nnk, 1995). Từ thời điểm đó peridot đạt chất lượng đá quý đã được khai thác từ ba tỉnh (Gia Lai, Đắk Nông và Lâm Đồng) ở Tây Nguyên. Cho đến nay, hoạt động khai thác khoáng sản chỉ còn ở tỉnh Gia Lai, nơi hai mỏ chính (Hàm Rồng và Biển Hồ) đạt hơn 100 kg hàng tháng, tỉ lệ được sử dụng để sản xuất hàng trang sức khoảng 15 - 20%. Khai thác khoáng sản ở đây chủ yếu được thực hiện theo quy mô nhỏ bởi các người đào mỏ cá nhân, ở đó vật liệu đá quý này đã được tách chiết ra hoặc từ bồi tích sa khoáng hoặc từ các thể ngoại lai (xenolith) trong đá bazan. Peridot Việt Nam xuất hiện trong xenolith lherzolit được tìm thấy trong các đá bazan (Nguyễn Kinh Quốc và nnk, 1995a, b; Trần Xuân Toản và Nguyễn Hữu Tý, 1995; Phạm Văn Long và nnk, 2004). Không có sự khác biệt có tính hệ thống nào được ghi nhận trong các đặc điểm ngọc học hoặc thành phần hóa học của peridot Việt Nam từ ba tỉnh thuộc vùng Tây Nguyên (Lê Thị Thu Hương và nnk, 2012; Nguyễn Kinh Quốc và nnk, 1995b). Hàm lượng của MgO thay đổi trong một phạm vi hẹp (47 - 51%) và bao gồm 91% forsterit và 9% fayalit (Lê Thị Thu Hương và nnk, 2012; Nguyễn Viết Ý và nnk, 2006; Nguyễn Kinh Quốc và nnk., 1995b), với một lượng nhỏ Ni, Cr, Mn, và Ca (Lê Thị Thu Hương và nnk, 2012). Mặt khác, olivin thường có mặt trong tổ hợp cộng sinh của orthopyroxen + clinopyroxene ± spinel là những tổ hợp được nhiều nhà khoa học thừa nhận là đặc trưng cho thành phần của manti trên (Nguyễn Viết Ý và nnk, 2006).

Lịch sử nghiên cứu cho đến nay đã có nhiều tài liệu về peridot, nhưng chưa có nhiều công trình báo cáo nghiên cứu chi tiết về các đặc điểm nguyên tố vết của peridot/olivin. Hiện nay mới chỉ có 3 báo cáo sử dụng hàm lượng nguyên tố vết trong peridot để luận giải nguồn gốc của peridot từ Sandinia ở Italia (Adamo và

31

nnk, 2009); xác định các đặc điểm của peridot ngoài trái đất (Shen, Koivula và Shigley, 2011) và phân tích địa hóa nguyên tố vết trong olivin để phân loại thạch học cho các đá manti (Dehoog, 2010). Bên cạnh đó, chưa có nghiên cứu toàn diện về đặc điểm khoáng vật và ngọc học cũng như điều kiện thành tạo của peridot Tây Nguyên. Vì vậy, các đặc điểm khoáng vật - ngọc học của peridot Tây Nguyên được xác định kết hợp với việc sử dụng nhiệt kế Al, Cr trong olivin theo De Hoog và nnk (2010) để luận giải nguồn gốc và điều kiện thành tạo của chúng là điểm mới mà chưa có công trình nghiên cứu nào được công bố.