Đá vỏ chai (obsidian): dung nham nguội nhanh thành thuỷ tinh núi lửa

Đá vỏ chai (obsidian) là thuỷ tinh núi lửa tự nhiên: dung nham giàu silic, khoảng 70–75% silic điôxít, nguội nhanh tới mức các nguyên tử không kịp sắp xếp thành tinh thể và "đông cứng" ở trạng thái vô định hình, giống thuỷ tinh làm chai lọ. Vì không có mặt tinh thể, đá vỡ theo mặt cong như vỏ sò và cho mép sắc hơn lưỡi dao thép, nên người tiền sử ở nhiều châu lục đã dùng nó làm dụng cụ cắt. Họ hàng gần của nó là đá bọt, cũng là thuỷ tinh núi lửa nhưng đầy bọt khí, nhẹ tới mức nổi trên nước.

Vì sao dung nham lại thành thuỷ tinh thay vì đá kết tinh?

Khi một chất lỏng nguội đi, các nguyên tử cần thời gian để tìm đúng chỗ trong mạng tinh thể. Phần lớn dung nham nguội đủ chậm để kết tinh thành các hạt khoáng vật, dù nhỏ. Đá vỏ chai thì khác vì hai lý do cộng lại.

Thứ nhất, dung nham tạo ra nó rất giàu silic. Các nhóm silic – ôxy nối thành chuỗi và mạng dài, làm chất lỏng đặc quánh hơn dung nham bazan hàng nghìn tới hàng triệu lần. Trong một chất lỏng đặc như thế, nguyên tử di chuyển cực chậm. Thứ hai, dung nham đã mất phần lớn nước hoà tan, mà nước vốn giúp nguyên tử linh động. Khi dung nham giàu silic, khô, chảy ra ở rìa dòng hay rìa vòm núi lửa và nguội nhanh, các nguyên tử bị "khoá" ở chỗ đang đứng: chất lỏng biến thành chất rắn mà không qua kết tinh.

Nhiệt độ của loại dung nham này cũng không quá cao, thường khoảng 700–900 °C, thấp hơn dung nham bazan Hawaii. Điều đó nghe có vẻ ngược, nhưng chính sự đặc quánh chứ không phải nhiệt độ mới quyết định nó thành thuỷ tinh.

Người làm thuỷ tinh hiểu rõ điều này. Thuỷ tinh cửa sổ cũng chủ yếu là silic điôxít, được nấu chảy trong lò ở khoảng 1.400–1.600 °C rồi làm nguội có kiểm soát. Sự khác biệt lớn là thợ thuỷ tinh thêm natri, canxi để hạ nhiệt độ nóng chảy, còn thiên nhiên dùng thành phần sẵn có của dung nham. Một mẩu đá vỏ chai là một mẩu thuỷ tinh do núi lửa thổi ra.

Đá vỏ chai sắc đến mức nào?

Đá vỏ chai không cứng lắm, khoảng 5–5,5 trên thang Mohs, thấp hơn thạch anh và gần bằng lưỡi dao thép thông thường. Bí mật nằm ở kiểu vỡ. Vì không có mặt tinh thể hay ranh giới hạt, vết nứt lan đều theo mặt cong trơn, gọi là vết vỡ vỏ sò. Ở mép mảnh vỡ, độ dày có thể thu nhỏ tới cỡ nanomét, mỏng hơn mép dao mổ thép nhiều lần khi soi dưới kính hiển vi điện tử.

Vì vậy, từ thời đồ đá, con người đã ghè đá vỏ chai thành lưỡi cắt, mũi dùi, dao nhỏ. Trong y học hiện đại, đã có các thử nghiệm dùng dao mổ làm từ đá vỏ chai cho những đường rạch cần cực mảnh, nhưng chúng không phổ biến vì giòn, dễ mẻ, và dao thép, dao kim cương đã đáp ứng tốt nhu cầu.

Tính giòn cũng là mặt trái: mảnh đá vỏ chai vỡ dễ, mép sắc cắt tay rất ngọt. Ghè đẽo đá vỏ chai làm bắn ra những mảnh vụn sắc như dao cạo và bụi thuỷ tinh mịn. Đây là việc của nhà khảo cổ học thực nghiệm có trang bị bảo hộ mắt, tay, khẩu trang; không nên tự làm cho vui.

Người xưa dùng đá vỏ chai thế nào, và vì sao khảo cổ học yêu quý nó?

Đá vỏ chai là một trong những vật liệu được buôn bán xa sớm nhất của loài người. Nó chỉ có ở một số vùng núi lửa nhất định, nhưng xuất hiện trong di chỉ cách nguồn hàng trăm kilômét. Ví dụ nổi tiếng là đá vỏ chai từ đảo Melos trong biển Aegean được tìm thấy trong hang Franchthi ở đất liền Hy Lạp, với niên đại hàng nghìn năm trước khi có nông nghiệp ở đó — một bằng chứng sớm về việc người xưa đã vượt biển.

Lý do khảo cổ học yêu quý đá vỏ chai là mỗi dòng dung nham có một "dấu vân tay hoá học" riêng: tỉ lệ các nguyên tố vết như zirconi, stronti, rubiđi khác nhau. Dùng máy phân tích huỳnh quang tia X, người ta xác định một mảnh đá vỏ chai đến từ ngọn núi lửa nào, rồi vẽ lại các tuyến trao đổi cổ. Ở Trung Mỹ, các thành phố cổ đã có xưởng chế tác đá vỏ chai quy mô lớn, làm dụng cụ, gương soi và đồ trang sức.

Đá vỏ chai còn tự mang theo "đồng hồ". Bề mặt mới vỡ hút nước từ môi trường, tạo một lớp ngậm nước mỏng dần dày lên theo thời gian. Đo độ dày lớp ấy dưới kính hiển vi, với hiệu chỉnh theo nhiệt độ vùng, người ta ước được mảnh đá đã được ghè cách nay bao lâu. Phương pháp này có sai số và cần đối chiếu với cách định tuổi khác, nhưng rất hữu ích cho các di chỉ không có than hay xương để định tuổi.

Vì sao đá vỏ chai hiếm khi rất cổ?

Thuỷ tinh không phải trạng thái bền vững lâu dài. Theo thời gian, nhất là khi có nước thấm vào, các nguyên tử dần dần sắp xếp lại thành tinh thể nhỏ — hiện tượng gọi là khử thuỷ tinh. Đá vỏ chai già đi sẽ mờ dần, chuyển sang đá kết tinh hạt mịn. Vì vậy, ít khi gặp đá vỏ chai có tuổi hơn vài chục triệu năm; phần lớn đá vỏ chai đẹp trên thế giới đến từ các núi lửa tương đối trẻ.

Những đốm trắng trên loại đá vỏ chai "bông tuyết" chính là các cụm tinh thể nhỏ đã bắt đầu mọc trong thuỷ tinh. Màu đen thường do vô số hạt khoáng magnetit li ti; ánh nâu đỏ do hematit; ánh cầu vồng do các hạt nhỏ hoặc bọt khí xếp lớp làm ánh sáng giao thoa.

Đá bọt, tóc Pele và các loại thuỷ tinh tự nhiên khác khác gì đá vỏ chai?

Thiên nhiên làm ra thuỷ tinh bằng nhiều cách. Bảng dưới so sánh vài loại hay gặp:

Đá bọt là ví dụ đẹp về vai trò của khí. Cùng một loại magma giàu silic, nếu khí thoát ra hết trước khi phun thì thành đá vỏ chai đặc; nếu khí sủi bọt dữ dội ngay lúc phun thì thành đá bọt. Sau các vụ phun dưới biển, đá bọt có thể kết thành những "bè" nổi rộng hàng chục kilômét vuông, trôi theo hải lưu hàng nghìn kilômét. Năm 2021, bè đá bọt từ một núi lửa dưới biển ở quần đảo Ogasawara (Nhật Bản) đã trôi tới bờ biển Okinawa, gây phiền toái cho tàu thuyền và cảng cá.

Việt Nam có đá vỏ chai không?

Việt Nam không phải nơi nổi tiếng về đá vỏ chai, vì núi lửa ở nước ta chủ yếu phun bazan, loại dung nham loãng và ít silic, khi nguội thường kết tinh thành đá bazan sẫm màu. Thứ thuỷ tinh tự nhiên đáng chú ý hơn ở Việt Nam lại là thiên thạch thuỷ tinh. Các mẩu tektit đen bóng thuộc vùng rải lớn trải từ nam Trung Quốc qua bán đảo Đông Dương tới Australia đã được tìm thấy ở nhiều nơi, trong đó có Việt Nam. Chúng có tuổi khoảng 790.000 năm. Hố va chạm sinh ra chúng chưa được xác định chắc chắn; một nghiên cứu năm 2020 cho rằng hố có thể nằm dưới lớp bazan của cao nguyên Bolaven ở nam Lào, nhưng giả thuyết này còn cần thêm kiểm chứng.

Trên thị trường, "đá vỏ chai" hay được bán làm vòng tay, đồ trang trí. Một số sản phẩm thật ra là thuỷ tinh nhân tạo nhuộm màu. Thuỷ tinh nhân tạo hay có bọt khí tròn đều, màu quá đồng nhất hoặc quá rực; đá thật thường có vân chảy, đốm nhỏ, ánh kim nhẹ. Muốn chắc chắn, cần giám định ở phòng thí nghiệm đá quý.

Nơi xem tận mắt: các bảo tàng địa chất và bảo tàng tự nhiên thường trưng bày mẫu đá vỏ chai, đá bọt, tektit cạnh nhau. Đặt chúng cạnh một mảnh bazan Tây Nguyên sẽ thấy rõ: cùng là dung nham đã nguội, chỉ khác lượng silic, lượng khí và tốc độ nguội, mà ra những vật liệu khác hẳn nhau.