Бирюза - минерал из группы основных водных фосфатов меди. Ее химическая формула, по Э.С. Дана: СuО • ЗАl203 • 2Р205 • 9Н20. Теоретический состав (в %): Р205 34,12; Аl203 36,84; СuО 9,57; Н20 19,47. Чаще формула бирюзы приводится по Шаллеру: СuАl6 • (P04)4 (ОН)8 x 5Н20. Химические анализы природной бирюзы из различных месторождений весьма близки. В составе бирюзы отмечено кроме основных компонентов значительное количество железа. Железо замещает алюминий, частично медь, содержание его в большинстве случаев 1-9 %. При содержании железа 10-20 % бирюза переходит в минерал рашлеит. Если содержание железа составляет 30-40 %, это уже не бирюза, а халькосидерит или алюмохалькосидерит. Закисное железо (0,2 - 5,32%) устанавливается чаще всего в плотной голубой, реже в зеленой бирюзе.

В других случаях в бирюзе происходит замещение меди цинком, при этом образуется так называемая цинксодержащая бирюза или минерал фаустит. Фаустит открыт в 1953 г. в шт. Невада (США). Цинк, как правило, в количестве 0,21 - 2 %, присутствует в бирюзе из месторождений Средней Азии, Армении и Монголии.

Третьей существенной и практически обязательной примесью в бирюзе является кремнезем, содержание которого колеблется от 0,16 до 5 %. Кремнезем присутствует в бирюзе из самых различных месторождений. Наличие его, видимо, обусловлено тесной парагенетической связью бирюзы с горным хрусталем. Микросрастания этих минералов обычны и неразделимы, нередок в бирюзе и халцедон.

В отдельных образцах бирюзы химическим анализом устанавливаются незначительные содержания оксидов магния, марганца, мышьяка, серы и органических веществ.

Физические свойства и ювелирные качества бирюзы находятся в прямой зависимости от чистоты ее химического состава. Бирюза бывает голубая разных оттенков или даже зеленая; если содержание меди составляет 1 % и менее, то это сильно каолинизированные разности; если в отдельных образцах медь отсутствует, то это, вероятнее всего, не бирюза, а сходные с ней минералы. Так, оригинальные образования яркого яблочно-зеленого цвета из месторождения Ауминза, относимые к бирюзе, по данным спектрального анализа содержат 0,005% Сu, 0,005% Fe, 5% V и, видимо, принадлежат к группе ванадиевых минералов, а не бирюзе.

Практически всюду в бирюзе установлены примеси Sr, Cr, Ni, Ti, реже Со. Обычны в ней Mn, Zn, V, Si, Ca, Mg, Mo, Pb. В трех пробах зеленых разностей бирюзы присутствует серебро. Наиболее существенны примеси Zn (до 3 %), V (0,1-0,5%), Si (0,05-5%) и Са. Содержание кальция в бирюзе из проявления Косшока достигает 10%, нередко кальций содержится в количестве 1-5%. Известковистые разности бирюзы отмечаются исследователями и на месторождениях США.

Физические свойства бирюзы (цвет, твердость и плотность) и ее химический состав изменяются в результате "старения" бирюзы, замещения ее в процессе гипергенных изменений (вплоть до полных псевдоморфоз) своеобразным комплексом вторичных минералов (хризоколла, планерит, вавеллит, варисцит, алунит, каолинит, ярозит, вудхаузеит и др.), представляющих собой не одновременную ассоциацию минералов, а последовательную серию. Не исключено, что изменение бирюзы началось еще на заключительных стадиях гидротермального процесса. Трудность разделения глинистых минералов (галлуазита, каолинита, монмориллонита) - постоянных спутников бирюзы, их полигенность, а также недостаточная изученность не позволяют однозначно говорить об этом.

В.Н. Вебер, Э.С. Дана и другие исследователи указывают на существование изоморфных рядов: бирюза - алюмохалькосидерит - рашлеит - халькосидерит; бирюза - фаустит. Все это и обусловливает необычайно широкую гамму окраски этого минерала, различную его твердость и плотность. Уверенно можно говорить, что в роли зеленой бирюзы нередко выступают фаустит, варисцит, рашлеит; разности, окрашенные в желто-зеленые тона, принадлежат халькосидериту, ярко-голубые образования иногда неотличимы от планерита и хризоколлы.

Цвет собственно бирюзы изменяется от яркого синевато-голубого, небесно-голубого и зеленовато-голубого до бледно-голубого. Присутствие окисного железа придает бирюзе зеленоватый и буроватый оттенок, существенные примеси галлуазита, каолинита, алунита обесцвечивают бирюзу. Некоторые исследователи выделяют даже белую бирюзу. По мнению Т.И. Менчинской, если и существует белая бирюза (а не окремненный вавеллит или галлуазит), то вряд ли она может существовать как драгоценный камень. Голубую окраску бирюзы большинство исследователей объясняют присутствием меди. Детальные структурные исследования среднеазиатской бирюзы, проведенные Л.В. Никольской и М.И. Самойловичем, показали, что появление зеленых и бурых окрасок в природной бирюзе связано с повышением концентрации ионов железа, входящих в структуру преимущественно в трехвалентной форме.

В шлифах в отраженном свете бирюза окрашена в бледно-голубые, зеленоватые и зеленовато-желтые тона в зависимости от количества четко видимых гидроксидов железа, развитых в виде тончайших планок и примазок, и сплошной тонкодисперсной пропитки.