Mỏ thiếc Tĩnh Túc Cao Bằng: từ quặng sa khoáng tới thỏi thiếc

Mỏ thiếc Tĩnh Túc nằm ở vùng núi Pia Oắc, tỉnh Cao Bằng, là một trong những mỏ thiếc có lịch sử khai thác lâu nhất Việt Nam — từ đầu thế kỷ 20 dưới thời Pháp tới nay. Quặng ở đây chủ yếu là cassiterit (thiếc điôxít) nằm trong sa khoáng và trong đá gốc. Đường đi của thiếc gồm ba chặng: đào và rửa quặng, tuyển trọng lực để gom hạt quặng nặng, rồi luyện với than ở nhiệt độ cao để khử ra thiếc kim loại, đúc thành thỏi.

Mỏ thiếc Tĩnh Túc ở đâu và có từ bao giờ?

Tĩnh Túc thuộc vùng núi phía tây tỉnh Cao Bằng, quanh khối núi Pia Oắc — vùng núi đá granit cao, khí hậu mát, nhiều suối. Giới địa chất giải thích: thiếc ở đây gắn với khối granit, nơi dung dịch nóng từ magma đem theo thiếc và kết tinh thành khoáng vật trong mạch đá. Qua hàng triệu năm phong hoá, đá gốc vỡ vụn, nước cuốn hạt quặng nặng xuống, đọng lại ở chân núi, lòng suối, thung lũng — gọi là sa khoáng.

Người Pháp tổ chức khai thác thiếc ở vùng này từ đầu thế kỷ 20, đưa quặng về luyện và xuất khẩu. Sau năm 1954, mỏ được khôi phục, xây dựng thành một xí nghiệp khai thác – tuyển – luyện thiếc. Quanh mỏ, một khu dân cư thợ mỏ hình thành, sau này thành thị trấn mỏ Tĩnh Túc — cái tên gắn với thiếc trong ký ức nhiều thế hệ người Cao Bằng.

Quặng thiếc trông như thế nào?

Khoáng vật thiếc quan trọng nhất là cassiterit, công thức SnO₂. Vài đặc điểm dễ nhớ:

• Rất nặng: tỷ trọng khoảng 6,8–7,1, gấp hơn hai lần rưỡi cát thạch anh (khoảng 2,65). Đây là chìa khoá của cả quá trình tuyển.
• Màu nâu đen, đôi khi nâu đỏ, ánh như kim cương khi tinh thể đẹp.
• Rất bền: không bị phong hoá phá huỷ, nên tồn tại lâu trong sa khoáng sau khi đá gốc đã mục.
• Không nhiễm từ rõ, nên có thể tách khỏi các khoáng vật sắt bằng nam châm.

Ở Tĩnh Túc có hai kiểu mỏ: sa khoáng — hạt cassiterit lẫn trong đất cát bồi, dễ đào, dễ rửa; và quặng gốc — cassiterit nằm trong mạch đá cứng, phải khoan nổ, nghiền nhỏ mới giải phóng được hạt quặng. Sa khoáng được khai thác trước vì rẻ hơn, quặng gốc là phần còn lại về lâu dài.

Tuyển quặng trọng lực là gì?

Đất đào lên từ sa khoáng có hàm lượng thiếc rất thấp — phần lớn là cát, sét, sỏi. Phải bỏ đi phần vô dụng để còn lại một ít bột quặng giàu thiếc, gọi là tinh quặng. Với thiếc, cách hiệu quả nhất là dựa vào chênh lệch tỷ trọng: hạt nặng chìm nhanh, hạt nhẹ bị nước cuốn đi.

Các thiết bị tuyển trọng lực thường gặp:

Sau tuyển trọng lực, tinh quặng còn lẫn khoáng vật nặng khác như magnetit, ilmenit, wolframit. Người ta dùng thêm tuyển từ để kéo các khoáng vật nhiễm từ ra. Cuối cùng là tinh quặng thiếc đủ giàu để đưa vào lò luyện.

Điểm hay của tuyển trọng lực là gần như không dùng hoá chất, chỉ dùng nước và chuyển động. Điểm khó là tốn rất nhiều nước, sinh ra lượng bùn thải lớn — và đây là gốc của chuyện môi trường ở các vùng mỏ thiếc.

Từ tinh quặng đến thỏi thiếc diễn ra thế nào?

Luyện thiếc là một ví dụ rõ ràng của luyện kim khử: lấy ôxi ra khỏi ôxít kim loại bằng cacbon.

1. Trộn tinh quặng với than (than cốc hoặc than antraxit) và chất trợ dung.
2. Nung trong lò ở khoảng 1.200–1.300 °C. Cacbon và khí CO lấy ôxi khỏi SnO₂, để lại thiếc kim loại lỏng. Tạp chất nóng chảy thành xỉ nổi trên mặt.
3. Tháo thiếc thô ra khỏi lò. Thiếc thô còn lẫn sắt, asen, đồng, chì.
4. Tinh luyện: tận dụng việc thiếc chảy ở nhiệt độ rất thấp (khoảng 232 °C) so với sắt (khoảng 1.538 °C). Nung thiếc thô vừa đủ chảy trên một mặt nghiêng, thiếc lỏng chảy đi, phần lớn tạp chất sắt ở lại dạng rắn. Có thể tinh luyện thêm bằng điện phân để đạt độ tinh khiết cao.
5. Đúc thỏi: thiếc tinh khiết rót vào khuôn thành thỏi sáng bạc.

Mấu chốt nằm ở bước 4: khoảng cách nhiệt độ nóng chảy giữa thiếc và sắt hơn 1.300 °C, nên chỉ cần điều khiển nhiệt khéo là tách được hai kim loại. Đây là một trong những ứng dụng "đẹp" nhất của bảng nhiệt độ nóng chảy.

Lò luyện thiếc thải ra khí có bụi và có thể có asen — tạp chất độc thường đi kèm quặng thiếc. Nhà máy hiện đại phải có hệ thống lọc bụi, thu hồi khói. Đây là việc của xưởng có thiết bị, tuyệt đối không phải thứ để làm thủ công ngoài trời.

Thiếc Tĩnh Túc dùng vào việc gì?

• Thiếc hàn cho điện tử: ngày nay phần lớn là hợp kim thiếc không chì (thiếc – bạc – đồng), chảy khoảng 217–220 °C.
• Sắt tây: thép lá tráng một lớp thiếc mỏng để làm lon đồ hộp, nhờ thiếc ít độc và chống gỉ tốt.
• Hợp kim đồng thiếc: bạc lót, chi tiết chịu mài mòn, đồ đúc mỹ nghệ.
• Hoá chất thiếc: chất ổn định nhựa, men gốm, kính.

Thiếc là kim loại tương đối hiếm trong vỏ Trái Đất, và các mỏ thiếc lớn trên thế giới chỉ tập trung ở vài vùng như Đông Nam Á, Trung Quốc, Nam Mỹ. Vì thế thiếc trong chiếc điện thoại thường đã đi qua nhiều nước trước khi tới tay người dùng.

Khai thác thiếc ảnh hưởng tới môi trường ra sao?

Câu chuyện của Tĩnh Túc cũng như nhiều vùng mỏ thiếc khác có những mặt khó khăn:

• Bùn thải tuyển quặng: lượng đất đá đã rửa rất lớn, nếu không chứa trong hồ thải chắc chắn thì trôi xuống suối, làm đục nước và bồi lấp ruộng.
• Đồi núi bị đào xới: khai thác sa khoáng bóc lớp đất mặt, để lại mặt bằng trơ sỏi đá nếu không hoàn thổ, trồng lại cây.
• Khai thác trái phép: ở nhiều vùng mỏ thiếc trong nước từng có cảnh người dân tự đào, đãi quặng ngoài kiểm soát, gây sạt lở, mất an toàn lao động và ô nhiễm nguồn nước.
• Tạp chất độc như asen có thể đi theo quặng thiếc; nước rỉ từ bãi thải cần được theo dõi.

Hướng xử lý chung là: hồ thải có đê bao vững, tuần hoàn nước tuyển thay vì xả thẳng, hoàn thổ – trồng rừng sau khai thác, và quản lý chặt khai thác nhỏ lẻ. Đây không phải chuyện riêng của Tĩnh Túc mà là bài học chung của khai khoáng sa khoáng.

Muốn tìm hiểu thêm về mỏ thiếc Tĩnh Túc

Bảo tàng tỉnh Cao Bằng có tư liệu về lịch sử vùng mỏ. Bảo tàng Địa chất (Hà Nội) trưng bày mẫu cassiterit và nhiều khoáng vật quặng của Việt Nam — nơi tốt nhất để cầm lên so độ nặng tay của quặng thiếc với hòn đá thường (nếu được phép). Khi đi qua vùng Pia Oắc, có thể thấy dấu vết các bãi tuyển cũ, nhưng không nên tự vào khu vực mỏ đang hoạt động hoặc moong khai thác bỏ hoang: vách đất dễ sạt và hố nước có thể rất sâu.