Оптическая минералогия — это изучение минералов и горных пород путем измерения их оптических свойств. Чаще всего образцы горных пород и минералов готовят в виде тонких срезов или образцов зерен для изучения в лаборатории с помощью петрографического микроскопа . Оптическая минералогия используется для определения минералогического состава геологических материалов, чтобы помочь раскрыть их происхождение и эволюцию.
Некоторые из используемых свойств и методов включают в себя:
Уильям Никол , имя которого связано с созданием призмы Николя , вероятно, первым приготовил тонкие срезы минеральных веществ, а его методы применил Генри Тронтон Мэйр Уитэм (1831) для изучения окаменелостей растений. Этот метод, имеющий большое значение в петрологии , не был сразу использован для систематического исследования горных пород, и только в 1858 году Генри Клифтон Сорби указал на его ценность. Тем временем оптическое исследование срезов кристаллов было развито сэром Дэвидом Брюстером и другими физиками и минералогами, и оставалось лишь применить их методы к минералам, видимым в срезах горных пород. [2]
Срез породы должен иметь толщину около одной тысячной дюйма (30 микрометров ), и его относительно легко изготовить. Можно взять тонкий осколок камня, около 1 сантиметра; он должен быть максимально свежим и без явных трещин. Шлифуя его на пластине из строганной стали или чугуна с небольшим количеством мелкого карборунда , он вскоре становится плоским с одной стороны, а затем переносится на лист листового стекла и сглаживается мелкозернистым наждаком до тех пор, пока не будут удалены все шероховатости и ямки. , а поверхность представляет собой однородную плоскость. Затем каменную крошку промывают и кладут на медную или железную пластину, нагреваемую спиртовкой или газовой лампой. На этой пластинке также разогревается микроскопическое стекло , на поверхности которого находится капля вязкого натурального канадского бальзама . Более летучие ингредиенты бальзама рассеиваются под действием тепла, и когда это достигается, гладкий, сухой, теплый камень плотно прижимается к стеклянной пластине, так что промежуточная пленка бальзама может быть как можно более тонкой и свободной от пузырьки воздуха. Дают заготовке остыть и снова стачивают каменную крошку, как и раньше, сначала карборундом, а когда она станет прозрачной, мелким наждаком до получения нужной толщины. Затем его очищают, снова нагревают с дополнительным небольшим количеством бальзама и накрывают покровным стеклом. Труда по шлифовке первой поверхности можно избежать, отрезав гладкий срез железным диском, снабженным измельченным алмазным порошком. Второе применение резака после того, как первая поверхность будет сглажена и приклеена к стеклу, в опытных руках оставит секцию камня настолько тонкой, что она станет прозрачной. Таким образом, подготовка раздела может занять всего двадцать минут. [2]
Используемый микроскоп обычно снабжен вращающимся столиком, под которым находится поляризатор, а над объективом или окуляром установлен анализатор; в качестве альтернативы столик может быть фиксированным, а поляризационная и анализирующая призмы могут иметь возможность одновременного вращения посредством зубчатых колес и шатуна. Если требуется обычный, а не поляризованный свет, обе призмы можно отвести от оси прибора; если вставлен только поляризатор, передаваемый свет плоскополяризован; когда обе призмы находятся в нужном положении, предметное стекло просматривается в кросс-поляризованном свете, также известном как « скрещенные николи ». Микроскопический срез породы при обычном освещении, если использовать подходящее увеличение (например, около 30-кратного), можно увидеть состоящим из зерен или кристаллов, различающихся по цвету, размеру и форме. [2]
Некоторые минералы бесцветны и прозрачны ( кварц , кальцит , полевой шпат , мусковит и др.), другие — желтого или коричневого цвета ( рутил , турмалин , биотит ), зеленого ( диопсид , роговая обманка , хлорит ), синего ( глаукофан ). Многие минералы могут иметь различные цвета в одной и той же или разных породах или даже несколько цветов в одном образце минерала, что называется цветовой зональностью. Например, минерал турмалин может иметь концентрические зоны цвета от коричневого, желтого, розового, синего, зеленого, фиолетового или серого до бесцветного. Каждый минерал имеет один или несколько наиболее распространенных оттенков.
Форма кристаллов в общих чертах определяет очертания их срезов, представленных на слайдах. Если минерал имеет одну или несколько хороших спайностей , они будут обозначаться набором одинаково ориентированных плоскостей, называемых плоскостями спайности.
Ориентация плоскостей спайности определяется кристаллической структурой минерала и формируется преимущественно через плоскости, вдоль которых лежат наиболее слабые связи, поэтому ориентация плоскостей спайности может быть использована в оптической минералогии для идентификации минералов.
Информацию о показателе преломления минерала можно получить, сравнив его с окружающими материалами. Это могут быть другие минералы или среда, в которой находится зерно. Чем больше разница в оптическом рельефе , тем больше разница в показателе преломления между средами. Материал с более низким показателем преломления и, следовательно, меньшим рельефом будет казаться утопленным в предметном стекле или оправе, в то время как материал с более высоким показателем преломления будет иметь более высокий рельеф и будет казаться выскакивающим. Тест линии Бекке также можно использовать для сравнения показателей преломления двух сред. [3]
Дополнительную информацию можно получить, вставив нижний поляризатор и повернув секцию. Свет колеблется только в одной плоскости и, проходя через двупреломляющие кристаллы на предметном стекле, вообще говоря, распадается на лучи, которые колеблются под прямым углом друг к другу. У многих цветных минералов, таких как биотит , роговая обманка , турмалин , хлорит , эти два луча имеют разную окраску, и при повороте участка, содержащего любой из этих минералов, изменение цвета часто бывает хорошо заметно. Это свойство, известное как «плеохроизм», имеет большое значение при определении минерального состава.
Плеохроизм часто особенно интенсивен в небольших пятнах, окружающих мельчайшие включения других минералов, таких как циркон и эпидот . Они известны как « плеохроические ореолы ». [4]
Некоторые минералы легко разлагаются и становятся мутными и полупрозрачными (например, полевой шпат); другие остаются всегда совершенно свежими и прозрачными (например, кварц), а другие дают характерные вторичные продукты (например, зеленый хлорит после биотита). Большой интерес представляют включения в кристаллах (как твердые, так и жидкие ); один минерал может заключать в себе другой или содержать пространства, занятые стеклом, жидкостями или газами. [2]
Строение породы — отношение ее компонентов друг к другу — обычно четко обозначено, фрагментарна ли она или массивна; наличие стекловидного вещества в отличие от полностью кристаллического или «полокристаллического» состояния; природа и происхождение органических фрагментов; полосатость, слоение или ламинирование; пемзовая или пористая структура многих лав. Эти и многие другие признаки, хотя часто и не заметные на ручных образцах породы, становятся очевидными при исследовании микроскопического среза. Могут быть применены различные методы детального наблюдения, такие как измерение размеров элементов породы с помощью микрометров, их относительных пропорций с помощью стеклянной пластинки, размеченной небольшими квадратами, углов между трещинами или гранями, наблюдаемыми на секцию с использованием вращающегося градуированного столика и оценку показателя преломления минерала по сравнению с показателями различных монтажных сред. [2]
Если анализатор вставить в такое положение, что он скрещен относительно поляризатора, поле зрения будет темным там, где нет минералов или где свет проходит через изотропные вещества, такие как стекло, жидкости и кубические кристаллы. Все остальные кристаллические тела, будучи дважды преломляющими, будут казаться яркими в каком-то положении при вращении сцены. Единственным исключением из этого правила являются участки, перпендикулярные оптическим осям двулучепреломляющих кристаллов, остающиеся темными или почти темными в течение всего оборота, исследование которых часто имеет важное значение. [2]
Минеральные секции с двойным преломлением во всех случаях будут казаться черными в определенных положениях при вращении предметного столика. Говорят, что когда это происходит, они «вымирают». Угол между этими и любыми расколами можно измерить, вращая столик и записывая эти положения. Эти углы характерны для системы, к которой принадлежит минерал, а часто и для самой минеральной разновидности (см. Кристаллография ). Для облегчения измерения углов затухания были изобретены различные типы окуляров: некоторые со стереоскопической кальцитовой пластинкой, другие с двумя или четырьмя склеенными вместе кварцевыми пластинами. Часто оказывается, что они дают более точные результаты, чем те, которые получаются при наблюдении только того положения, в котором минеральный разрез наиболее полностью темен между скрещенными николями.
Непогашенные участки минерала не только яркие, но и окрашены, а цвет, который они проявляют, зависит от нескольких факторов, наиболее важным из которых является сила двойного лучепреломления. Если все срезы имеют одинаковую толщину, как это почти верно для хорошо сделанных предметных стекол, минералы с самым сильным двойным лучепреломлением дают цвета с самой высокой поляризацией. Порядок расположения цветов выражен в так называемой шкале Ньютона: самый низкий из них — темно-серый, затем серый, белый, желтый, оранжевый, красный, фиолетовый, синий и так далее. Разница между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного луча в кварце равна 0,009, а в разрезе породы толщиной около 1/500 дюйма этот минерал дает поляризационные серые и белые цвета; нефелин с более слабым двойным лучепреломлением дает темно-серый цвет; авгит, с другой стороны, дает красный и синий цвет, а кальцит с более сильным двойным лучепреломлением кажется розовато- или зеленовато-белым. Однако все срезы одного и того же минерала не будут иметь одинаковый цвет: срезы, перпендикулярные оптической оси, будут почти черными, и, вообще, чем ближе какой-либо срез к этому направлению, тем ниже будут цвета его поляризации. Взяв средний или самый высокий цвет, придаваемый каким-либо минералом, можно оценить относительную величину его двойного преломления или, если точно известна толщина среза, можно определить разницу между двумя показателями преломления. Если слайды толстые, цвета в целом будут выше, чем на тонких слайдах.
Часто бывает важно выяснить, является ли из двух осей упругости (или следов вибрации) в сечении осей большей упругости (или меньшего показателя преломления). Это позволяет сделать кварцевый клин или селенитовая пластина. Предположим, что минеральная секция с двойным преломлением расположена так, что она «погашена»; если теперь повернуть на 45 градусов, он будет ярко подсвечен. Если через него провести кварцевый клин так, чтобы длинная ось клина была параллельна оси упругости в сечении, цвета поляризации будут увеличиваться или уменьшаться. Если они поднимаются, то оси большей упругости у обоих минералов параллельны; если они тонут, то ось большей эластичности в одном будет параллельна оси меньшей эластичности в другом. В последнем случае, если нажать клин достаточно далеко, получится полная темнота или компенсация. Для этой цели также используются селенитовые клинья, селенитовые пластины, слюдяные клинья и слюдяные пластины. Кварцевый клин также можно калибровать, определяя величину двойного лучепреломления на всех участках его длины. Если теперь его использовать для компенсации или полного гашения в любом дважды преломляющемся минеральном участке, мы можем установить, какова сила двойного лучепреломления этого участка, поскольку оно очевидно равно и противоположно силе известной части кварцевого клина.
Дальнейшее усовершенствование микроскопических методов состоит в использовании сильно сходящегося поляризованного света ( коноскопические методы). Это достигается с помощью широкоугольного ахроматического конденсора над поляризатором и мощного микроскопического объектива. Наиболее полезны те сечения, которые перпендикулярны оптической оси, и поэтому остаются темными при вращении. Если они принадлежат к одноосным кристаллам, то показывают темный крест или сходящийся свет между скрещенными николями, полоски которого остаются параллельными проволокам в поле окуляра. На срезах, перпендикулярных оптической оси двухосного минерала, в тех же условиях наблюдается темная полоса, которая при вращении искривляется до гиперболической формы. Если разрез перпендикулярен «биссектрисе» (см. Кристаллография ), виден черный крест, который при вращении раскрывается, образуя две гиперболы, вершины которых повернуты друг к другу. Оптические оси выходят на вершины гипербол и могут быть окружены цветными кольцами, хотя из-за тонкости минералов в разрезах горных пород они видны только при сильном двойном лучепреломлении минерала. Расстояние между осями, видимое в поле микроскопа, зависит частично от осевого угла кристалла и частично от числовой апертуры объектива. Если его измерить с помощью окуляр-микрометра, то оптический осевой угол минерала можно найти простым расчетом. Кварцевый клин, четверть слюдяной пластинки или пластинка селенита позволяют определить положительный или отрицательный характер кристалла по изменениям цвета или формы фигур, наблюдаемых в поле. Эти операции аналогичны тем, которые применяет минералог при исследовании пластинок, вырезанных из кристаллов. [2]
Хотя в настоящее время горные породы изучают главным образом в микроскопических срезах, исследование мелкозернистых порошков горных пород, ставшее первой отраслью микроскопической петрологии, получившей внимание, по-прежнему активно применяется. Современные оптические методы легко применимы к любым прозрачным минеральным фрагментам. Минералы в порошке почти так же легко определяются, как и в разрезе, а в горных породах дело обстоит иначе, как строение или соотношение компонентов друг к другу. Это элемент, имеющий большое значение при изучении истории и классификации горных пород, практически полностью разрушающийся при измельчении их в порошок. [2]
