Tìm hiểu về thế giới Amber – Hổ phách (Bản tin tháng 01/2019)

Hổ phách được các nhà khoáng vật học gọi là succinite, từ succinum trong tiếng Latin, có nghĩa là hổ phách. Hổ phách khi bị làm nóng sẽ trở nên mềm và cuối cùng nó sẽ cháy, thực tế này đã làm nảy sinh ra tên gọi bernstein, người Đức dùng để nói đến hổ phách. Chà xát hổ phách bằng vải sẽ làm cho nó trở nên có điện tích, thu hút các mẩu giấy. Tên tiếng Hy Lạp của hổ phách là elektron, tương tự nguồn gốc của từ điện là electricity. Hổ phách là một chất dẫn nhiệt kém và cảm thấy ấm khi chạm vào (các khoáng vật thì thường tạo cảm giác mát mẻ). Tên gọi tiếng anh hiện nay của hổ phách là amber được cho là bắt nguồn từ tiếng Ả Rập, amber, có nghĩa là ambergris – long diên hương. Ambergris là chất sáp thơm được tạo ra trong ruột của loài cá nhà táng. Chất này có liên quan đến cholesterol và được hình thành để bảo vệ cá nhà táng khỏi những vật sắc nhọn và xúc tua châm chích của loài mực khổng lồ, nguồn thức ăn chính của cá nhà táng. Ambergris đã được sử dụng để làm nước hoa. Ambergris và hổ phách hoàn toàn khác nhau, chúng chỉ liên quan đến nhau bởi thực tế là cả hai đều được rửa trôi trên bãi biển.

Nghiên cứu về hổ phách thực sự là nghiên cứu liên ngành bởi nó liên quan đến rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Các nhà địa chất và cổ sinh vật học quan tâm đến hổ phách vì đây là một hóa thạch, bằng chứng của cuộc sống thời tiền sử. Các nhà khảo cổ thì quan tâm đến các tuyến đường giao thương và quan điểm – cách thức đổi chác, mua bán của hổ phách. Các nhà hóa học hữu cơ thì nghiên cứu các tính chất vật lý và hóa học. Các nhà thực vật học và côn trùng học nghiên cứu các nguồn gốc thực vật của hổ phách và côn trùng, mảnh vụn bị chôn vùi – ướp xác bên trong hổ phách. Các nhà thơ, nhà văn và nghệ sĩ tìm đến hổ phách với những góc nhìn, cảm hứng đầy phấn khích. Các nhà đá quý và thợ kim hoàn mong muốn sở hữu hổ phách vì vẻ đẹp và sự hiếm có của nó. Các nhà quản lý bảo tàng và các nhà bảo vệ môi trường tự nhiên cũng rất quan tâm đến việc bảo tồn và lưu trữ hổ phách.

Hổ phách là gì?

Hổ phách là nhựa hóa thạch từ các khu rừng thời cổ đại. Hổ phách không được sản xuất từ sap (nhựa cây – dưỡng chất), mà là từ resin (nhựa – mủ thực vật). Loại nhựa thơm này có thể nhỏ giọt từ từ và chảy xuống thân cây, cũng như lấp đầy các khe nứt bên trong, các mảnh vụn như hạt, lá, lông vũ và côn trùng cũng thường bị bẫy lại bên trong hổ phách. Nhựa thơm này dần dần bị chôn vùi và hóa thạch thông qua sự trùng hợp tự nhiên của các hợp chất hữu cơ ban đầu.

Hổ phách được hình thành như thế nào?

Hổ phách là một loại nhựa hóa thạch, không phải nhựa cây. “Sap” – Nhựa cây – dưỡng chất là chất lỏng lưu thông qua hệ thống mao mạch của thực vật, trong khi “resin” – nhựa – mủ cây là chất hữu cơ, bán rắn chắc, vô định hình được tiết ra tại các hốc và ống dẫn mao mạch??? thông qua các tế bào biểu mô của cây. Nhựa của các thực vật trên đất liền là hỗn hợp phức tạp của các gốc đơn (mono-), gấp một rưỡi (sesqui-), gấp đôi (di-) và [C₆H₁₆]₃ (triterpenoid), có cấu trúc dựa trên các liên kết hydro carbon C₅H₈ (Langenheim, 1969, trang 1157). Các thành phần chứa gốc C₆H₁₆ không ổn định trong nhựa sẽ bay hơi và tiêu tan trong điều kiện rừng tự nhiên, để đọng lại các phần C₆H₁₆ không bay hơi trở nên hóa thạch nếu chúng đủ ổn định để chống lại sự phân rã và đủ điều kiện lắng đọng. Nhựa hóa thạch dần dần hợp nhất vào các chất trầm tích và đất, chúng trãi qua hàng triệu năm biến thành đá tương tự như quá trình hóa đá của đá phiến và sa thạch.

Do đó, sự hình thành hổ phách là kết quả của quá trình hóa thạch của mủ cây phải mất hàng triệu năm và liên quan đến quá trình oxy hóa và phản ứng trùng hợp của các hợp chất hữu cơ ban đầu, hydrocarbon bị oxy hóa. Mặc dù khoảng thời gian cụ thể để xảy ra quá trình này là chưa được xác định, nhưng phần lớn hổ phách được tìm thấy trong đá trầm tích Kỷ Cretaceous và trầm tích Đệ Tam (khoảng 30 – 90 triệu năm tuổi).

Tại sao nhựa – mủ cây được tạo ra?

Mặc dù có nhiều quan điểm trái ngược về lý do tại sao nhựa được tạo ra, nhưng cơ bản đó là cơ chế bảo vệ của thực vật. Nhựa – mủ cây có thể được sản xuất để bảo vệ cây khỏi bệnh tật và thương tích do côn trùng và nấm gây ra. Nhựa có thể được tiết ra để chữa lành vết thương như cành cây bị gãy và nhựa có mùi hoặc vị vừa thu hút vừa xua đuổi côn trùng (Langenheim, 1969, trang 1167). Ở những cây trưởng thành, nhựa cây có thể đơn giản thoát ra từ những vết nứt dọc trong vỏ cây do sức căng được tạo ra bởi sự tăng trưởng nhanh chóng (Langenheim, 1969, trang 1166). Nhựa cũng có thể được sản xuất như một phương pháp của sinh học thực vật để xử lý lượng acetate dư thừa.

Mối quan hệ nguồn gốc thực vật của hổ phách

Không có một cây cụ thể nào chịu trách nhiệm cho nhựa hóa thạch biến thành hổ phách. Các mối quan hệ về nguồn gốc thực vật đã được đề xuất dựa trên việc nghiên cứu các mảnh vụn bị chôn vùi và thông qua các nghiên cứu hóa học của nhựa hóa thạch này. Mối quan hệ thực vật của jelinite ((C₁₀H₁₆O + H₂S), một loại amber – hổ phách), hổ phách Kansas, dường như được hình thành từ họ Araucariaceae – cây họ bách tán, được coi là một cây có khả năng tạo hổ phách trong Đại Cổ Sinh Mesozoic. Mặc dù, ngày nay cây này không tồn tại ở bán cầu Bắc, nhưng nó rất giống với thực vật hạt trần Agathis australis, hay cây thông Kauri khổng lồ được tìm thấy ngày nay ở New Zealand.

Trong hầu hết thời gian địa chất Mesozoic, thực vật hạt trần chiếm ưu thế nhất trong thảm thực vật trên cạn. Cây lá kim là loài thực vật hạt trần tiến hóa thành công và còn tồn tại hiện nay (Cleal & Thomas, 1999, trang 62). Một số loài thực vật trên đất liền có khả năng tạo hổ phách có lẽ là cây lá kim từ cây thuộc bộ tùng bách “order Pinales”, trong đó có: Araucariaceae – họ bách tán (ví dụ: thông Norfolk, Monkey Puzzle –  Araucaria araucana: thực vật hạt trần thuộc chi bách tán, thông Kauri), Taxipseeae – họ bụt mọc (ví dụ: sequoia – cây cù tùng và bald cypress hay Taxodium distichum – cây thông đầu gối, cây bụt mọc), Taxaceae – họ thanh tùng (ví dụ: cây thông đỏ), Pinaceae – họ thông (ví dụ: thông và cây thông rụng lá), Cupressaceae – họ hoàng đàn (ví dụ: cây tuyết tùng, cây bách, cây bách xù) và Podocarpaceae – họ thông tre hay kim giao.

Các nghiên cứu của Göppert (1836), dựa trên các mảnh vụn thực vật bị mắc kẹt trong hổ phách, có thể kết luận rằng các thành viên của các cây họ thông – Pinaceae là nguồn hình thành nên hổ phách Baltic. Đặc biệt, Göppert (1836) đã đề xuất cây hổ phách là Pinites succinifer, mặc dù ông nói rõ rằng cấu trúc gỗ này không giống với bất kỳ cây thông nào còn sống hiện nay. Không quan tâm đến bằng chứng thực vật mà tập trung vào bằng chứng hóa học, Beck (1999) và Larsson (1978) đã đề xuất các nguồn khác ngoài họ thông – Pinaceae cho hổ phách Baltic, bao gồm Araucariaceae, Cupressaceae và Taxipseeae; họ tin rằng về mặt hóa học thì cây hổ phách do Göppert đề xuất gần giống với họ bách tán – Araucariaceae hơn là họ thông – Pinaceae.

Hổ phách Kansas được hình thành từ khi nào?

Hổ phách Kansas được tìm thấy trong đá thời kỳ Kỷ Phấn Trắng – Cretaceous, nằm trong Kỷ Đại Trung Sinh Mesozoic. Nhựa hóa thạch và copal hiện diện trên lục địa Bắc Mỹ trong các tầng đá từ Kỷ Triassic đến hiện tại. Hổ phách lâu đời nhất được tìm thấy trong hệ tầng Triassic muộn, New Mexico (Grimaldi, Nascimbene, Luzzi, Case, 1998, trang 81). Mỏ hổ phách lâu đời nhất tiếp theo là trong Kỷ Phấn Trắng – Cretaceous. Các loại nhựa hóa thạch có nguồn gốc từ Bắc Mỹ phong phú nhất là từ các bang Alaska và New Jersey, Hoa Kỳ và từ các bang Alberta và Manitoba, Canada.

Loại môi trường lắng đọng nào lưu giữ được hổ phách?

Môi trường lắng đọng cho hổ phách là biển rìa (biển nửa kín nằm cạnh lục địa). Trọng lượng riêng của hổ phách thì lớn hơn 1 một chút và nó trôi nổi trong nước mặn; do đó hổ phách thường tập trung ở các cửa sông hoặc biển, di chuyển một khoảng cách so với vị trí hình thành ban đầu (Langenheim, 1969, trang 1159). Những thân cây và nhựa có thể được vận chuyển và lắng đọng trong các trầm tích nước yên tĩnh tạo thành đáy đầm hoặc đồng bằng ở rìa biển. Gỗ và nhựa được chôn dưới lớp trầm tích và nhựa chuyển thành hổ phách, còn gỗ thì biến thành than nâu. Trầm tích sét ẩm ướt và cát là môi trường bảo quản nhựa tốt nhất vì chúng không có oxy.

Do đó, với môi trường dồi dào cây có khả năng sản xuất nhựa mủ và điều kiện chôn vùi thích hợp, hổ phách được bảo quản trong đất sét trầm tích, đá phiến và đá cát kết kết hợp với các lớp than non, than gỗ nâu. Một cách giải thích khái quát về các điều kiện lắng đọng có ở tầng chứa hổ phách Kansas là vùng biển xâm lấn hoặc biển tiến trong giai đoạn Kỷ Phấn Trắng – Cretaceous ở phía Bắc trung tâm Kansas đã dẫn đến sự lắng đọng và bảo tồn các bãi phù sa, cửa sông và đầm phá phía sau hệ thống đảo chắn (Franks, 1980, trang 56).

Tính chất vật lý của Amber

Khoáng vật là một chất rắn đồng nhất hiện diện trong tự nhiên với thành phần hóa học xác định và cấu trúc tinh thể được qui định sẵn. Nó thường có nguồn gốc vô cơ. Hổ phách không phải là khoáng vật, vì nó có nguồn gốc hữu cơ và cấu trúc vô định hình (không có sự sắp xếp bên trong của các nguyên tử). Tìm hiểu thêm về các tính chất vật lý của hổ phách dưới đây. Các tính chất này tương tự cho loại vật liệu nhựa non, thường bị nhầm lẫn với hổ phách, được gọi là copal. Copal giống như hổ phách, nó cũng không phải là khoáng vật.

• Thành phần: có thể thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào nguồn thực vật, mặc dù tất cả đều có terpene – (C₅H₈)_n hoặc hợp chất liên kết với terpene khi nhựa hóa thạch. Người ta cho rằng hổ phách Baltic, hay succinite, chứa 3 – 8% acid succinic (succus trong tiếng Latin có nghĩa là chất dịch); acid succinic  – C₄H₆O₄ được cho là hình thành từ quá trình lên men cellulose do vi sinh vật có trong nhựa. Thành phần của một loại hổ phách khác là: hydrocarbon có liên kết với oxy (carbon 67 – 87%, hydro 8,5 – 11%, oxy 15%, lưu huỳnh 0 – 0,46%). Mặc dù thành phần này được cho là nhựa cây hóa rắn từ các cây thuộc chi Thông – Pinus, nhưng các nghiên cứu hóa học cho thấy những cây thông này không phải là nguồn gốc tạo nên hổ phách Baltic.

Tiến sĩ Curt W. Beck (1998) đã có báo cáo tóm tắt các tài liệu về thành phần hóa học của hổ phách tại Hội nghị hổ phách thế giới. Ông đồng tình với quan điểm của Pliny rằng hổ phách là một chất lỏng được rỉ ra từ cây thông, cứng lại bởi các điều kiện băng giá, sức nóng và môi trường biển. Vào thế kỷ 16, Agricola cũng tin rằng hổ phách là chất dịch của cây thông và sử dụng thuật ngữ succinum. Mặc dù các nhà thực vật học đã mô tả cây hổ phách Baltic – cây có khả năng hình thành hổ phách là Pinites succinifer hoặc từ chi Pinus, dựa trên các quả hình nón và lá kim được thấy nằm chôn vùi trong hổ phách, nhưng các nhà hóa học đã chiết tách các hợp chất trong succinite cho thấy chúng hiện diện ở nhiều nguồn khác ngoài các cây thông thông thường. Trong thế kỷ 19, các nhà hóa học người Đức, Thụy Điển và Thụy Sĩ đã công nhận acid succinic và borneol – C₁₀H₁₈O, là 2 trong số các hợp chất có trong hổ phách. Chỉ trong khoảng thời gian gần đây, việc xác định chính xác các thành phần của loại nhựa này mới được thực hiện với sự kết hợp của quang phổ khối và sắc ký khí nhiệt phân. Phân tích hóa học của succinite đã kết luận "đặc tính labdanoid – labdane: C₂₀H₃₈???" cho nhựa hóa thạch này, dựa trên công trình của Ken Anderson và những người khác; phân tích này giúp loại bỏ quan niệm nguồn thực vật từ chi Thông – Pinus cho hổ phách Baltic (Beck, 1998, trang 57). Tiến sĩ Beck và Tiến sĩ Francis Heuber (1998) đã tin rằng nguồn thực vật cho succinite là nguồn gốc từ các cây họ Bách tán – araucarian. Mặc dù cây này không tồn tại ngày nay, nhưng nó có liên quan đến Agathis australis hoặc cây thông Kauri khổng lồ được tìm thấy ở các cánh rừng thuộc New Zealand.

• Màu sắc:

Hổ phách có thể có màu với các sắc độ khác nhau của màu vàng, cam, đỏ, trắng, nâu, lục, hơi xanh, xanh đậm đến "đen" (màu rất sậm của các màu khác tạo vẻ ngoài giống màu đen). Màu sắc cầu vồng trong hổ phách là do sự giao thoa ánh sáng của bọt khí hoặc mặt nứt căng được tạo ra trong qua trình vùng vẫy mong thoát chết của côn trùng. Một số người tin rằng màu sắc của hổ phách có liên quan đến nguồn giống, loại cây. Những cây thông hiện nay có thể tạo ra mủ màu vàng, màu trắng, màu ngà và đôi khi là màu xanh. Các nhà khoa học tại Bảo tàng Khoa học Ba Lan tin rằng tông màu đỏ là nhựa của cây rụng lá, như anh đào và mận. Hổ phách Dominica với tông màu đỏ được cho là có liên quan đến một nguồn cây họ đậu.

Sở thích về màu hổ phách sẽ khác nhau giữa các quốc gia. Màu đỏ và màu lục trong suốt được cho là màu sắc được mong đợi nhất ở nhiều quốc gia, tiếp theo là màu vàng trong suốt. Màu cam ấm, trong suốt, dường như là màu sắc đáng mong đợi đối với nhiều người Mỹ. Màu hổ phách tự nhiên, bất kể là màu sắc gì, đều có thể chuyển sang màu nâu êm dịu sau khi tiếp xúc lâu với không khí; hổ phách tái nén ép có thể chuyển sang màu trắng khi nó được nén ép lâu năm.

• Phân loại & cấu trúc: hữu cơ & vô định hình.
• Độ trong suốt: tất cả các cấp độ từ hoàn toàn trong suốt đến hoàn toàn mờ đục, với độ đục của mây do sự hiện diện của nhiều bong bóng khí và tạp chất chứa đựng bên trong viên đá. Không khí trong hổ phách cũng là đề tài được nhiều người nghiên cứu!

• Độ cứng: từ 1 – 3. Hổ phách Miến Điện hay hổ phách từ Myanmar, cứng nhất ở mức 3 trên thang độ cứng; Hổ phách Baltic thường nằm trong khoảng 2 – 2,5; Hổ phách Dominican là mềm nhất ở 1 – 2. Hổ phách trẻ hơn về tuổi địa chất có xu hướng mềm hơn hổ phách đã bị chôn vùi trong một thời gian dài.
• Độ bền và vết vỡ: dai đến giòn, vết vỡ dạng vỏ sò. Đối với độ cứng thấp, hổ phách chắc, dai hơn đáng kể so với hầu hết các loại đá quý có độ cứng tương tự. Hổ phách Baltic có xu hướng chắc hơn hổ phách vùng khác; Hổ phách Dominican có xu hướng giòn hơn và dễ nứt, vỡ hơn các loại hổ phách khác.
• Ánh: ánh nhựa.
• Trọng lượng riêng – tỉ trọng: 1,05 – 1,2 (nó nổi, lơ lửng trong nước bão hòa muối hoặc nước biển). Các hổ phách cực trong suốt hoặc trong suốt thì nặng hơn, trong khi các loại hổ phách khác chứa nhiều bọt khí thì nhẹ hơn.
• Phát quang: một số mẫu có tính phát quang. Các màu phát quang phổ biến của hổ phách là xanh dương hoặc vàng và ít thường xuyên hơn là màu lục, cam hoặc trắng. Nói chung, các loại nhựa có hàm lượng lưu huỳnh cao hơn sẽ phát huỳnh quang nhiều hơn các loại nhựa chứa ít lưu huỳnh. (Còn tiếp)

(Lược dịch bài viết của Susie Ward Aber, Đại học Emporia Bang Emporia, Kansas, Hoa Kỳ)