Tất cả các loại đá, các loại khoáng vật, trong đó có hầu hết các đá quý của chúng ta đều hình thành trong các quá trình địa chất tự nhiên nhất định. Các quá trình này đã, đang và sẽ diễn ra trong lòng trái đất, mang tính chu kỳ và liên quan chặt chẽ với nhau và được gọi chung là chu trình tạo khoáng.

Thành phần và cấu trúc của vỏ trái đất

Hầu hết các loại đá quý tự nhiên đều hình thành trong phần ngoài cùng của trái đất, còn gọi là vỏ trái đất.

Trái đất là một trong chín hành tinh quay quanh mặt trời – hệ mặt trời. Bằng các phương pháp nghiên cứu khác nhau (sóng địa chấn…), người ta đã xác định được cấu trúc bên trong của trái đất gồm ba phần cơ bản: nhân, manti và vỏ trái đất. Nhân Trái Đất bắt đầu từ tâm trái đất tới độ sâu 2900km. Nhân trái đất lại được chia thành nhân trong và nhân ngoài.

Người ta cho rằng nhân trong trái đất có thành phần chủ yếu (80%) là sắt Fe và một lượng nhất định Niken (Ni), Coban (Co) và Silic (Si) tồn tại ở dạng plasma, trong khi nhân ngoài là magma lỏng (dung thể nóng chảy).

Lớp manti tồn tại ở dạng nửa nóng chảy và có độ dày khoảng 2900km. Trên lớp manti là vỏ trái đất, tạo nên chủ yếu từ 3 lớp là bazan, granit và trầm tích. Các đới này có độ dày không như nhau ở khu vực núi cao, vùng đồng bằng và đáy đại dương. Độ dày vỏ trái đất dao động từ 0km (đáy đại dương) tới 70-80km (vùng núi cao), trung bình là 33km.

Số phần trăm của những nguyên tố phổ biến nhất trong vỏ trái đất

Tên nguyên tố	Ký hiệu	% trọng lượng
Oxy	O	46,60
Silic	Si	27,70
Nhôm	Al	8,13
Sắt	Fe	5,00
Canxi	Ca	3,63
Natri	Na	2,83
Kali	K	2,59
Magie	Mg	2,09
Titan	Ti	0,44
Hydro	H	0,14
Phosphor	P	0,11
Mangan	Mn	0,10
Tất cả các nguyên tố còn lại		0,64
Tổng cộng		100,00

Số phần trăm các khoáng vật phổ biến nhất trong vỏ trái đất

Khoáng vật	% trọng lượng
Felspat	58,00
Thạch anh	12,50
PyroxenAmphibol Olivin	16,00
Mica	3,50
Các khoáng vật sắt (quặng sắt)	3,50
Calcite (CaCo3)	1,50

Các quá trình tạo thành đá quý

Tất cả các loại đá, các loại khoáng vật, trong đó có hầu hết các đá quý của chúng ta đều hình thành trong các quá trình địa chất tự nhiên nhất định. Các quá trình này đã, đang và sẽ diễn ra trong lòng trái đất, mang tính chu kỳ và liên quan chặt chẽ với nhau và được gọi chung là chu trình tạo khoáng.

Chu trình tạo khoáng bao gồm ba quá trình tạo khoáng vơ bản là : quá trình magma, quá trình trầm tích và quá trình biến chất.

Quá trình magma

Quá trình magma liên quan với sự hình thành và kết tinh về sau của các khối nóng chảy, có tên gọi là magma. Trong lòng trái đất dưới tác dụng của các nguồn năng lượng khác nhau (phóng xạ, chuyển động kiến tạo…). Ta có thể hình dung magma qua hoạt động núi lửa phun lên mặt đất dòng dung nham nóng và lỏng.

Sau khi dâng lên các độ sâu khác nhau, khối magma này sẽ nguội dần, các khoáng vật bắt đầu kết tinh. Quá trình này có thể diễn ra ở dưới sâu (hoạt động xâm nhập) hoặc phun lên mặt đất (hoạt động phun trào hay hoạt động núi lửa).

Do có nhiệt độ nóng chảy và độ linh động khác nhau, các thành phần trong khối magma sẽ kết tinh không đồng thời mà theo trình tự nhất định, theo các pha khác nhau. Quá trình magma được chia thành các pha (các giai đoạn) sau:

Pha magma sớm:

Pha này diễn ra ở nhiệt độ rất cao (>1500^oC) và chỉ kết tinh một số lượng hạn chế các khoáng vật như cromit, magnetit. Không có loại đá quý nào xuất hiện ở giai đoạn này.

Pha magma muộn:

Đây là giai đoạn kết tinh chủ yếu của khối magma, diễn ra ở khoảng nhiệt độ 1500-1600^oC

Các đá magma khác nhau được thành trong giai đoạn này như:

• Đá mafic và siêu mafic, có thành phần chủ yếu là các khoáng vật sẫm màu (hornblend, augit, olivin…). Ví dụ như các đá peridot, gabro, basalt…
• Đá axit, có thành phần là các khoáng vật sáng màu như thạch anh, felspat, mica (đá granit, ryolit…).

Trong giai đoạn này tạo thành một số loại đá quý như spinel, zircon, apatit, peridot, kim cương, corundum.

Có một số đá quý lại hình thành ở dưới sâu (hàng chục đến hàng trăm km) như kim cương, corundum. Sau đó chúng được một số magma đặc biệt cuốn theo trong các hoạt động núi lửa (phun nổ). Kim cương thường được magma kimberlit hoặc lamproit mang theo, trong khi corundum (ruby, sapphire) lại liên quan đến magma basalt. Theo nhiều nhà nghiên cứu, các mỏ saphir ở miền nam nước ta, các mỏ ruby và sapphire ở Thái Lan, Campuchia là ví dụ điển hình về kiểu nguồn gốc này.

Pha pegmatit

Pha pegmatit diễn ra ở khoảng 700-400^oC. Pha này liên quan tới sự kết tinh của magma tàn dư (còn sót lại sau khi lượng magma chủ yếu đã kết tinh). Trong magma này các chất linh động (khí, hơi, axit, oxit silic và các nguyên tố quý hiếm) tích lũy khá giàu. Khi nhiệt độ giảm xuống và áp suất tăng lên (áp suất hơi). Các khoáng vật có kích thước khá lớn sẽ kết tinh. Loại đá tạo nên từ khoáng vật này có tên gọi là pegmatit.

Loại pegmatit phổ biến nhất có liên quan với đá granit. Có thành phần là ba khoáng vật cơ bản là felspat, thạch anh và mica.

Pha pegmatit là giai đoạn quan trọng nhất đối với sự hình thành đá quý với những khoáng vật như tourmaline, beryl, thạch anh, felspat, zircon, brazilianit, spodumen…

Pha khí hóa – nhiệt dịch

Pha này có thể chia thành hai phụ pha là phụ pha khí hóa và phụ pha nhiệt dịch

Phụ pha khí hóa (500-300^oC) xảy ra trong điều kiện nhiệt độ giảm hơn nữa và áp suất tăng cao (do hàm lượng các chất bốc tăng hơn hẳn). Quá trình kết tinh thường diễn ra từ dung dịch khí, vì vậy mà có tên gọi là quá trình khí hóa.

Phụ pha nhiệt dịch là giai đoạn cuối cùng của quá trình magma, trong đó các khoáng vật kết tinh từ các dung dịch lỏng là chủ yếu (còn gọi là dung dịch nhiệt dịch). Nguồn dung dịch nhiệt dịch có thể từ la magma đi lên, hoặc từ nước khí quyển đi xuống, hoặc đồng thời cả hai. Quá trình tạo khoáng thường diễn ra trong các khe nứt, các lỗ hổng, các khoảng trống trong lòng đất.

Ví dụ về các loại đá quý hình thành trong giai đoạn này là emerald, beryl, thạch anh, fluorit, barit, calcit.

Tất cả các đá thành tạo trong quá trình magma được gọi là đá magma (granit, basalt, gabro, diorit, peridotit…). Các mỏ khoáng sản hình thành trong giai đoạn này được gọi theo tên từng pha: mỏ magma sớm, mỏ magma muộn, mỏ pegmatit, mỏ nhiệt dịch.

Quá trình trầm tích

Trái đất của chúng ta vốn dĩ không đứng yên, ngược lại nó luôn luôn vận động với cường độ và vận tốc khác nhau. Trong lịch sử hơn 4,5 tỷ năm tồn tại của mình có những vùng trước kia là núi cao sau lại chìm xuống biển, ngược lại có những vùng trước đó là đại dương sau lại thành đất liền.

Cùng với sự vận động đó (còn gọi là chuyển động kiến tạo), những đá, những khoáng vật tạo thành ở dưới sâu dần dần lộ ra trên mặt đất. Trong điều kiện mới này, những thành phần nào không bền sẽ bị phá hủy (phong hóa), được nước mưa, bằng hà, gió… vận chuyển theo các giòng chảy (sông, suối) dân dần bị phân dị, chọn lọc và lắng đọng ở các bồn trũng như sông, hồ, đại dương. Toàn bộ quá trình này có tên gọi là quá trình trầm tích và có thể diễn ra dưới tác động của các tác nhân cơ học, hóa học, sinh học và đồng thời. Vì vậy, các thành tạo trầm tích (đá, mỏ trầm tích) thường được chia thành trầm tích cơ học, trầm tích hóa học, trầm tích sinh hóa hoặc hỗn hợp.

Trong quá trình này có những mỏ, những khoáng vật đá quý mới được hình thành như lazurit, malachit, azurit, chrysopras, opal. Cũng có những khoáng vật đã được hình thành từ trước trong quá trình magma hoặc biến chất (nhưng chưa đủ điều kiện hình thành mỏ do hàm lượng còn thấp, trữ lượng chưa cao) thì quá trình trầm tích sẽ làm giàu và tích tụ chúng lại thành các mỏ thực sự. Các thành tạo này được gọi là thành tạo thứ sinh: đó là các sa khoáng eluvi (tại chỗ), aluvi (bối tích) hoặc sa khoáng ven biển.

Khá nhiều đá quý được tập trung trong các mỏ sa khoáng như kim cương, corundum, garnet…

Quá trình biến chất

Tất cả các đá (magma, trầm tích) hình thành trước đó, khi chìm xuống sâu do các chuyển động kiến tạo sẽ bị các đá tạo sau phủ lên. Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tăng, các khoáng vật sẽ trở nên không bền vững và trải qua các biển đổi khác nhau. Quá trình này được gọi là hoạt động biến chất.

Biến chất khu vực: liên quan tới sự vận động mạnh và chìm sâu của các khu vực rộng lớn của vỏ trái đất.

Biến chất tiếp xúc: xảy ra khi các đá nguội hơn tiếp xúc với các lò magma.

Trong quá trình biến chất cũng tạo thành khá nhiều loại đá quý như emerald, ruby, alexandrite, spinel, ngọc bích, garnet.