Оптическая минералогия — это изучение минералов и горных пород путем измерения их оптических свойств. Чаще всего образцы горных пород и минералов готовятся в виде тонких срезов или зерен для изучения в лаборатории с помощью петрографического микроскопа . Оптическая минералогия используется для определения минералогического состава геологических материалов с целью выявления их происхождения и эволюции.
Некоторые из используемых свойств и методов включают в себя:
Уильям Никол , чье имя связано с созданием призмы Николя , вероятно, был первым, кто приготовил тонкие срезы минеральных веществ, и его методы были применены Генри Троном Мэром Уитхэмом (1831) для изучения окаменелостей растений. Этот метод, имеющий важное значение в петрологии , не сразу использовался для систематического исследования горных пород, и только в 1858 году Генри Клифтон Сорби указал на его ценность. Тем временем оптическое изучение сечений кристаллов было развито сэром Дэвидом Брюстером и другими физиками и минералогами, и оставалось только применить их методы к минералам, видимым в сечениях горных пород. [2]
Срез породы должен быть около одной тысячной дюйма (30 микрометров ) в толщину, и его относительно легко сделать. Можно взять тонкий осколок породы, около 1 сантиметра; он должен быть как можно более свежим и без явных трещин. Отшлифовав его на пластине из струганной стали или чугуна с небольшим количеством мелкого карборунда, он вскоре становится плоским с одной стороны, а затем переносится на лист листового стекла и шлифуется самым мелким наждаком до тех пор, пока все шероховатости и ямки не будут удалены, а поверхность не станет однородной плоскостью. Затем осколок породы промывают и помещают на медную или железную пластину, которую нагревают спиртовой или газовой лампой. Микроскопический стеклянный отрезок также нагревают на этой пластине с каплей вязкого натурального канадского бальзама на его поверхности. Более летучие ингредиенты бальзама рассеиваются под воздействием тепла, и когда это происходит, гладкая, сухая, теплая порода плотно прижимается к стеклянной пластине, чтобы пленка бальзама между ними была как можно тоньше и не содержала пузырьков воздуха. Препарату дают остыть, и скол породы снова шлифуют, как и прежде, сначала карборундом, а когда он станет прозрачным, мелким наждаком до получения желаемой 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, вооруженным измельченным алмазным порошком. Второе применение резака после того, как первая поверхность будет сглажена и приклеена к стеклу, в опытных руках оставит участок породы настолько тонким, что станет прозрачным. Таким образом, подготовка среза может занять всего двадцать минут. [2]
Обычно используется микроскоп, снабженный вращающимся столиком, под которым находится поляризатор, в то время как над объективом или окуляром установлен анализатор; в качестве альтернативы столик может быть зафиксирован, а поляризующая и анализирующая призмы могут одновременно вращаться с помощью зубчатых колес и соединительного стержня. Если требуется обычный свет, а не поляризованный, обе призмы могут быть выведены из оси прибора; если вставлен только поляризатор, проходящий свет является плоскополяризованным; при наличии обеих призм слайд рассматривается в кросс-поляризованном свете, также известном как « скрещенные николи ». Микроскопический срез горной породы в обычном свете, если используется подходящее увеличение (например, около 30x), состоит из зерен или кристаллов, различающихся по цвету, размеру и форме. [2]
Некоторые минералы бесцветны и прозрачны ( кварц , кальцит , полевой шпат , мусковит и т. д.), в то время как другие желтые или коричневые ( рутил , турмалин , биотит ), зеленые ( диопсид , роговая обманка , хлорит ), синие ( 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.
Формы кристаллов определяют в общем виде очертания их сечений, представленных на слайдах. Если минерал имеет одну или несколько хороших спайностей , они будут обозначены наборами одинаково ориентированных плоскостей, называемых плоскостями спайности.
Ориентация плоскостей спайности определяется кристаллической структурой минерала и формируется преимущественно через плоскости, вдоль которых пролегают наиболее слабые связи, поэтому ориентацию плоскостей спайности можно использовать в оптической минералогии для идентификации минералов.
Информация о показателе преломления минерала может быть получена путем сравнения с окружающими материалами. Это могут быть другие минералы или среда, в которой установлено зерно. Чем больше разница в оптическом рельефе , тем больше разница в показателе преломления между средами. Материал с более низким показателем преломления и, следовательно, более низким рельефом будет казаться погруженным в слайд или оправу, в то время как материал с более высоким показателем преломления будет иметь более высокий рельеф и, по-видимому, выпирать. Тест линии Бекке также может использоваться для сравнения показателя преломления двух сред. [3]
Дальнейшая информация получается путем вставки нижнего поляризатора и вращения секции. Свет колеблется только в одной плоскости и, проходя через дважды преломляющие кристаллы в слайде, в общем случае разбивается на лучи, которые колеблются под прямым углом друг к другу. Во многих цветных минералах, таких как биотит , роговая обманка , турмалин , хлорит , эти два луча имеют разные цвета, и когда секцию, содержащую любой из этих минералов, вращают, изменение цвета часто отчетливо заметно. Это свойство, известное как «плеохроизм», имеет большое значение при определении минерального состава.
Плеохроизм часто особенно интенсивен в небольших пятнах, которые окружают крошечные включения других минералов, таких как циркон и эпидот . Они известны как « плеохроичные гало ». [4]
Некоторые минералы легко разлагаются и становятся мутными и полупрозрачными (например, полевой шпат); другие всегда остаются совершенно свежими и прозрачными (например, кварц), в то время как другие дают характерные вторичные продукты (например, зеленый хлорит после биотита). Включения в кристаллах (как твердых, так и жидких ) представляют большой интерес; один минерал может заключать в себе другой или может содержать пространства, занятые стеклом, жидкостями или газами. [2]
Структура породы - отношение ее компонентов друг к другу - обычно четко обозначена, является ли она фрагментированной или массивной; наличие стекловидного вещества в отличие от полностью кристаллического или "голокристаллического" состояния; природа и происхождение органических фрагментов; полосчатость, расслоение или слоистость; пемзовидная или пористая структура многих лав. Эти и многие другие характеристики, хотя часто и не видны в ручных образцах породы, становятся очевидными при изучении микроскопического сечения. Могут применяться различные методы детального наблюдения, такие как измерение размера элементов породы с помощью микрометров, их относительных пропорций с помощью стеклянной пластины, разлинованной на маленькие квадраты, углов между сколами или гранями, видимыми в сечении, с использованием вращающегося градуированного столика и оценка показателя преломления минерала путем сравнения с показателями различных монтажных сред. [2]
Если анализатор вставлен 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 другие кристаллические тела, будучи дважды преломляющими, будут казаться яркими в некотором положении при вращении столика. Единственное исключение из этого правила составляют сечения, которые перпендикулярны оптическим осям двупреломляющих кристаллов , которые остаются темными или почти темными в течение всего вращения, исследование которых часто важно. [2]
Двойные преломляющие минеральные срезы во всех случаях будут казаться черными в определенных положениях при вращении столика. Говорят, что они «гаснут», когда это происходит. Угол между ними и любыми сколами можно измерить, вращая столик и регистрируя эти положения. Эти углы характерны для системы, к которой принадлежит минерал, и часто для самого минерального вида (см. Кристаллография ). Для облегчения измерения углов погасания были разработаны различные типы окуляров, некоторые из которых имеют стереоскопическую пластину кальцита, другие — две или четыре пластины кварца, сцементированные вместе. Часто оказывается, что они дают более точные результаты, чем те, которые получаются при наблюдении только за положением, в котором минеральный срез наиболее темный между скрещенными николями.
Минеральные секции, когда они не погашены, не только яркие, но и окрашены, и цвета, которые они показывают, зависят от нескольких факторов, наиболее важным из которых является сила двойного преломления. Если все секции имеют одинаковую толщину, что почти верно для хорошо сделанных слайдов, минералы с самым сильным двойным преломлением дают самые высокие цвета поляризации. Порядок, в котором расположены цвета, выражается в том, что известно как шкала Ньютона, самый низкий - темно-серый, затем серый, белый, желтый, оранжевый, красный, фиолетовый, синий и так далее. Разница между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного луча в кварце составляет 0,009, и в сечении породы толщиной около 1/500 дюйма этот минерал дает серые и белые цвета поляризации; нефелин с более слабым двойным преломлением дает темно-серый; авгит, с другой стороны, даст красный и синий, в то время как кальцит с более сильным двойным преломлением будет казаться розоватым или зеленовато-белым. Однако все сечения одного и того же минерала не будут иметь одинаковый цвет: сечения, перпендикулярные оптической оси, будут почти черными, и, в общем, чем ближе какое-либо сечение приближается к этому направлению, тем ниже будут его цвета поляризации. Взяв средний или наивысший цвет, данный любым минералом, можно оценить относительное значение его двойного преломления или, если толщина сечения точно известна, можно установить разницу между двумя показателями преломления. Если слайды толстые, цвета будут в целом выше, чем на тонких слайдах.
Часто бывает важно выяснить, является ли одна из двух осей упругости (или следов вибрации) в сечении осями большей упругости (или меньшего показателя преломления). Кварцевый клин или селенитовая пластина позволяют это сделать. Предположим, что сечение дважды преломляющего минерала расположено так, что оно «погашено»; если теперь повернуть его на 45 градусов, то оно будет ярко освещено. Если кварцевый клин провести по нему так, чтобы длинная ось клина была параллельна оси упругости в сечении, цвета поляризации будут повышаться или понижаться. Если они повышаются, оси большей упругости в двух минералах параллельны; если они понижаются, ось большей упругости в одном из них параллельна оси меньшей упругости в другом. В последнем случае, если вдвинуть 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 откалибровать, определив величину двойного преломления во всех частях его длины. Если теперь использовать его для компенсации или полного погашения в любом дважды преломляющем минеральном сечении, мы можем установить, какова сила двойного преломления сечения, поскольку она, очевидно, равна и противоположна 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, следовательно, остаются темными при вращении. Если они принадлежат одноосным кристаллам, они показывают темный крест или сходящийся свет между скрещенными николями, стержни которых остаются параллельными проволокам в поле окуляра. Сечения, перпендикулярные оптической оси двуосного минерала при тех же условиях, показывают темную полосу, которая при вращении изгибается до гиперболической формы. Если сечение перпендикулярно «биссектрисе» (см. Кристаллография ), виден черный крест, который при вращении раскрывается, образуя две гиперболы, вершины которых обращены 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 тогда, когда двойное преломление минерала сильное. Расстояние между осями, как видно в поле зрения микроскопа, зависит частично от осевого угла кристалла и частично от числовой апертуры объектива. Если его измерить с помощью окулярного микрометра, оптический осевой угол минерала можно найти простым расчетом. Кварцевый клин, четверть пластины слюды или пластина селенита позволяют определить положительный или отрицательный характер кристалла по изменениям цвета или формы фигур, наблюдаемых в поле зрения. Эти операции аналогичны тем, которые использует минералог при исследовании пластин, вырезанных из кристаллов. [2]
Хотя горные породы в настоящее время изучаются в основном в микроскопических срезах, исследование тонкоизмельченных порошков горных пород, которое было первой отраслью микроскопической петрологии, получившей внимание, по-прежнему активно используется. Современные оптические методы легко применимы к прозрачным минеральным фрагментам любого вида. Минералы почти так же легко определяются в порошке, как и в сечении, но с горными породами дело обстоит иначе, как со структурой или отношением компонентов друг к другу. Это элемент большой важности в изучении истории и классификации горных пород, и он почти полностью разрушается при измельчении их в порошок. [2]
