Тау жыныстары мен минералдардың оптикалық қасиеттері
Optical mineralogy
Минералдар мен тау жыныстарының оптикалық қасиеттерін зерттеу: сына жақтары, рефракция, бирефрингия, өң түсі, және т.б. Геологиялық материалдарды анықтауға көмектеседі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Тау жыныстары мен минералдардың оптикалық қасиеттері
Optical properties of rocks and minerals
Оптикалық минералогия – минералдар мен тау жыныстарын олардың оптикалық қасиеттерін өлшеу арқылы зерттеу ғылымы. Көбінесе тау жыныстары мен минералдардың үлгілері зертханада петрографиялық микроскоппен зерттеу үшін жіңішке кесінділер немесе дәнге орнатылған препараттар түрінде дайындалады. Оптикалық минералогия геологиялық материалдардың минералдық құрамын анықтауға және олардың пайда болуы мен эволюциясын түсінуге көмектеседі. Қолданылатын қасиеттер мен техникалар:
Сыну көрсеткіші
Қос сыну
Мишель-Левидің интерференциялық түстер кестесі
Плеохроизм
Сөну бұрышы
Коноскопиялық интерференциялық сурет (Интерференциялық фигура)
Беке сызығының сынағы
Оптикалық рельеф
Созылу белгісі (Ұзындығы бойынша жылдам және ұзындығы бойынша баяу)
Толқындық пластинка
Optical mineralogy is the study of minerals and rocks by measuring their optical properties. Most commonly, rock and mineral samples are prepared as thin sections or grain mounts for study in the laboratory with a petrographic microscope. Optical mineralogy is used to identify the mineralogical composition of geological materials in order to help reveal their origin and evolution. Some of the properties and techniques used include:
Refractive index
Birefringence
Michel Lévy Interference colour chart
Pleochroism
Extinction angle
Conoscopic interference pattern (Interference figure)
Becke line test
Optical relief
Sign of elongation (Length fast vs. length slow)
Wave plate
Тарих
Уильям Никол, оның есімі Николь призмасын жасаумен байланысты, минералдық заттардың жұқа тілімдерін дайындаған алғашқы адам болуы мүмкін, ал оның әдістерін Генри Тронтон Мейр Уитэм (1831) өсімдіктердің тасқа айналуын зерттеуге қолданды. Петрологияда маңызды рөл атқаратын бұл әдіс бірден тау жыныстарын жүйелі түрде зерттеу үшін пайдаланылмады, және Генри Клифтон Сорби оның құндылығын 1858 жылға дейін көрсеткен жоқ. Осы аралықта, кристалдардың тілімдерін оптикалық тұрғыдан зерттеуді сэр Дэвид Брюстер және басқа физиктер мен минералогтар жетілдірді, және тау жыныстарында көрінетін минералдарға олардың әдістерін қолдану ғана қалды.
William Nicol, whose name is associated with the creation of the Nicol prism, is likely the first to prepare thin slices of mineral substances, and his methods were applied by Henry Thronton Maire Witham (1831) to the study of plant petrifactions. This method, of significant importance in petrology, was not at once made use of for the systematic investigation of rocks, and it was not until 1858 that Henry Clifton Sorby pointed out its value. Meanwhile, the optical study of sections of crystals had been advanced by Sir David Brewster and other physicists and mineralogists and it only remained to apply their methods to the minerals visible in rock sections.
Бөлімдер
Тау жынысының қалыңдығы шамамен үш мыңнан бір дюйм (30 микрометр) болуы керек, және оны жасау салыстырмалы түрде оңай. Тастың шамамен 1 сантиметрлік жұқа сынығы алынуы мүмкін; ол мүмкіндігінше жаңа және көзге көрінетін жарықтарсыз болуы тиіс. Оны ұнтақталған болаттан немесе құйма темірден жасалған пластинаға аздаған мөлшердегі ұсақ карборундоммен саусалап ұнтақтау арқылы бір жағынан тез тегістеуге болады, содан кейін оны шыны пластинаға ауыстырып, бетінің барлық өңкейліктері мен шұңқырлары жойылғанша ең ұсақ смирнамен тегістеу керек, нәтижесінде беті біркелкі жазық болады. Тау жынысы жуылғаннан кейін мыс немесе темір пластинаға қойылады, оны спирт немесе газ шаммен қыздырады. Осы пластинада микроскоптық шыны сынығы да жылытылады, оның бетіне аздаған мөлшерде жабысқақ табиғи Канада бальзамы жағылады. Бальзамның ұшқыш құраушылары қыздыру арқылы буланып кетеді, және бұл орындалғаннан кейін тегіс, құрғақ, жылы тас шыны пластинаға тығыз басылады, арадағы бальзам қабаты мүмкіндігінше жұқа болып, ауа көпіршіктері болмауы үшін. Дайындама салқындатылуына рұқсат етіледі, содан кейін тау жынысы бұрынғысынша, алдымен карборундоммен, ал мөлдір болған кезде, қажетті қалыңдыққа дейін ұсақ смирнамен ұнтақталады. Содан кейін оны тазартып, тағы да аздап бальзам қосып, қыздырып, қақпақ шынымен жабады. Алғашқы бетін ұнтақтаудың қиындығын майдаланған алмаз ұнтағымен жабдықталған темір дискімен тегіс кесінді жасау арқылы болдырмауға болады. Бірінші бет тегістеліп, шыныға жабыстырылғаннан кейін, тәжірибелі қолдарда, жартас бөлігінің мөлдір болу үшін өте жұқа болуын қамтамасыз ету үшін бальзамды екінші рет қолдану жеткілікті. Осылайша, бір бөлімді дайындауға бар болғаны жиырма минут уақыт қажет болуы мүмкін.
A rock section should be about one thousandth of an inch (30 micrometres) in thickness, and is relatively easy to make. A thin splinter of the rock, about 1 centimetre may be taken; it should be as fresh as possible and free from obvious cracks. By grinding it on a plate of planed steel or cast iron with a little fine carborundum it is soon rendered flat on one side, and is then transferred to a sheet of plate glass and smoothed with the finest grained emery until all roughness and pits are removed, and the surface is a uniform plane. The rock chip is then washed, and placed on a copper or iron plate which is heated by a spirit or gas lamp. A microscopic glass slip is also warmed on this plate with a drop of viscous natural Canada balsam on its surface. The more volatile ingredients of the balsam are dispelled by the heat, and when that is accomplished the smooth, dry, warm rock is pressed firmly into contact with the glass plate so that the film of balsam intervening may be as thin as possible and free from air bubbles. The preparation is allowed to cool, and the rock chip is again ground down as before, first with carborundum and, when it becomes transparent, with fine emery until the desired thickness is obtained. It is then cleaned, again heated with an additional small amount of balsam, and covered with a cover glass. The labor of grinding the first surface may be avoided by cutting off a smooth slice with an iron disk armed with crushed diamond powder. A second application of the slitter after the first face is smoothed and cemented to the glass will, in expert hands, leave a section of rock so thin as to be transparent. In this way the preparation of a section may require only twenty minutes.
Плеохроизм
Қосымша ақпаратты төменгі поляризаторын қосып, бөлікті айналдыру арқылы алуға болады. Жарық тек бір жазықтықта ғана тербеледі, ал слайдтағы қос сыну кристалдарынан өтетін кезде, әдетте, бір-біріне тік бұрышпен тербелетін сәулелерге ыдырайды. Биотит, рогбленда, турмалин, хлорит сияқты көптеген түсті минералдарда бұл екі сәуленің түсі әртүрлі болады, және мұндай минералдардың кез келгенін қамтитын бөлік айналғанда түстің өзгеруі көбінесе анық байқалады. Бұл қасиет, "плеохроизм" деп белгілі, минералдың құрамын анықтауда өте құнды. Плеохроизм көбінесе циркон және эпидот сияқты басқа минералдардың кішкентай кірікпелерін қоршап тұрған шағын дақтарда ерекше күшті болады. Бұл дақтар "плеохроизмдік гала" деп аталады.
Further information is obtained by inserting the lower polarizer and rotating the section. The light vibrates in only one plane, and in passing through doubly refracting crystals in the slide, is, speaking generally, broken up into rays, which vibrate at right angles to one another. In many colored minerals such as biotite, hornblende, tourmaline, chlorite, these two rays have different colors, and when a section containing any of these minerals is rotated the change of color is often clearly noticeable. This property, known as "pleochroism" is of great value in the determination of mineral composition. Pleochroism is often especially intense in small spots which surround minute enclosures of other minerals, such as zircon and epidote. These are known as "pleochroic halos".
Өзгерістердің өнімдері
Кейбір минералдар оңай ыдырайды және бұлыңғыр, жартылай мөлдір болады (мысалы, фельдшпат); ал басқалары әрқашан толық жаңа және мөлдір күйінде қалады (мысалы, кварц), үшіншілері ерекше екіншілік өнімдерді түзеді (мысалы, биотиттен кейін жасыл хлорит). Кристаллдардың ішіндегі (қатты және сұйық) қоспалар зор қызығушылық тудырады; бір минерал екіншісін қамтуы мүмкін, немесе шыны, сұйықтықтар немесе газдармен толған кеңістіктер болуы мүмкін.
Some minerals decompose readily and become turbid and semi transparent (e. g. feldspar); others remain always perfectly fresh and clear (e. g. quartz), while others yield characteristic secondary products (such as green chlorite after biotite). The inclusions in the crystals (both solid and fluid) are of great interest; one mineral may enclose another, or may contain spaces occupied by glass, by fluids or by gases.
Микроқұрылым
Тау жынысының құрылымы – оның құрамдас бөліктерінің бір-бірімен байланысы – әдетте, оның сынықтарға бөлінгендігіне немесе массивтілігіне қарамастан, анық байқалады; толығымен кристалдық немесе "толық кристалдық" күйге қарағанда шыны тәрізді заттың болуы; органикалық қалдықтардың сипаты мен пайда болуы; қабаттар, жапырақтанғандық немесе қабатты құрылым; көптеген лавалардың пемзалы немесе кеуекті құрылымы. Бұл және тағы да көптеген белгілер, көбінесе тау жынысының қолдағы үлгілерінде көрінбейді, бірақ микроскоп арқылы қарағанда айқын болады. Микрометрлердің көмегімен тау жынысы элементтерінің мөлшерін өлшеу, кішкентай шаршылармен бөлінген шыны тақта арқылы олардың салыстырмалы пропорцияларын анықтау, айналмалы градуировкаланған платформаны қолдану арқылы қимадағы жарылымдар немесе жақтар арасындағы бұрыштарды және әртүрлі орташа құралдармен салыстыру арқылы минералдың жарық сыну индексін бағалау сияқты әртүрлі егжей-тегжейлі бақылау әдістерін қолдануға болады.
The structure of the rock the relation of its components to one another is usually clearly indicated, whether it is fragmented or massive; the presence of glassy matter in contradistinction to a completely crystalline or "holo crystalline" condition; the nature and origin of organic fragments; banding, foliation or lamination; the pumiceous or porous structure of many lavas. These and many other characters, though often not visible in the hand specimens of a rock, are rendered obvious by the examination of a microscopic section. Various methods of detailed observation may be applied, such as the measurement of the size of the elements of the rock by the help of micrometers, their relative proportions by means of a glass plate ruled in small squares, the angles between cleavages or faces seen in section by the use of the rotating graduated stage, and the estimation of the refractive index of the mineral by comparison with those of different mounting media.
Қос рефракция
Егер анализатор поляризаторға қатысты қиылысқан күйде орналасса, минералдар жоқ жерде немесе жарық шыны, сұйықтықтар және кубикалық кристалдар сияқты изотроптық заттардан өткенде көру өрісі қараңғы болады. Қалған барлық кристалл денелер, қос сыну қасиетіне ие болғандықтан, сахна айналғанда белгілі бір жағдайда жарқырап көрінеді. Бұл ережеден жалғыз ерекшелік – екі сынушы кристалдардың оптикалық осьтеріне перпендикуляр кесінділер, олар айналу бойында қараңғы немесе дерлік қараңғы болып қалады, және олардың зерттелуі көбінесе маңызды болып табылады.
If the analyzer is inserted in such a position that it is crossed relatively to the polarizer, the field of view will be dark where there are no minerals or where the light passes through isotropic substances such as glass, liquids and cubic crystals. All other crystalline bodies, being doubly refracting, will appear bright in some position as the stage is rotated. The only exception to this rule is provided by sections which are perpendicular to the optic axes of birefringent crystals, which remain dark or nearly dark during a whole rotation, the investigation of which is frequently important.
Құрып кету
Қос сынушы минералдық кесінділер сахна айналғанда әрқашан белгілі бір жағдайларда қара түсті болып көрінеді. Олар осы кезде "сөнуге" ұшырайды делінеді. Бұл және кез келген жарылымдар арасындағы бұрышты сахнаны айналдырып, осы жағдайларды тіркеу арқылы өлшеуге болады. Бұл бұрыштар минерал жататын жүйеге тән, және көбінесе минералдың өзіне тән (кристаллографияны қараңыз). Сөну бұрыштарын өлшеуді жеңілдету үшін әртүрлі типтегі көзқарастар ойлап шығарылған, кейбіреулерінде стереоскопиялық кальцит пластинасы, ал енді бірінде екі немесе төрт кварц пластинасы біріктірілген. Бұл әдістер көбінесе қиылысқан поляризаторлар арасында минералдық кесіндінің толық қараңғыланған орнын ғана бақылау арқылы алынған нәтижелерге қарағанда дәл нәтижелер береді. Сөніп қалмаған кезде минералдық кесінділер тек жарқырамай ғана қоймай, сонымен қатар түсті болады, ал олардың көрсеткен түсі бірнеше факторларға байланысты, олардың ең маңыздысы – қос сынудың күші. Егер барлық кесінділердің қалыңдығы шамалы айырмашылықпен бірдей болса, жақсы жасалған препараттардағыдай, қос сынуы күшті минералдар ең жоғары поляризациялық түстерді береді. Түстердің орналасу реті Ньютон шкаласы деп аталады, ең төменгісі – қою сұр, содан кейін сұр, ақ, сары, қызғылт сары, қызыл, күлгін, көк және т.б. Кварцтағы қалыпты және ерекше сәулелердің сыну көрсеткіштерінің айырмашылығы 0,009 құрайды, ал шамамен 1/500 дюйм қалыңдығындағы тау жынысы кесіндісінде бұл минерал сұр және ақ поляризациялық түстерді береді; қос сынуы әлсіз нефелин қою сұр түсті, ал аугит керісінше – қызыл және көк түсті, ал қос сынуы күшті кальцит – қызғылт немесе жасыл түсті болады. Дегенмен, бір минералдың барлық кесінділері бірдей түсті болмайды: оптикалық оське перпендикуляр кесінділерге жақын қара түсті, және, әдетте, кез келген кесінді осы бағытқа қаншалықты жақын болса, оның поляризациялық түсі соншалықты төмен болады. Кез келген минералдың орташа немесе ең жоғары түсі арқылы оның қос сынуының салыстырмалы мәнін бағалауға болады немесе кесіндінің қалыңдығы дәл белгілі болса, екі сыну көрсеткіштерінің айырмашылығын анықтауға болады. Егер препараттар қалың болса, түстер жұқа препараттарға қарағанда жалпы алғанда жоғары болады. Көбінесе кесіндідегі екі серпімділік осінің (немесе тербеліс іздерінің) қайсысының серпімділігі жоғары (немесе сыну көрсеткіші төмен) екенін анықтау маңызды. Осы мақсатта кварц клин немесе селенит пластинасы қолданылады. Егер қос сынушы минералдық кесінді "сөнген" күйде болса, оны 45 градусқа айналдырса, ол жарқын жарықпен жарықтанады. Егер кварц клин клиннің ұзын осі кесіндідегі серпімділік осіне параллель етіп жүргізілсе, поляризациялық түстер көтеріледі немесе төмендейді. Егер олар көтерілсе, екі минералдың үлкен серпімділік осьтері параллель болады; егер олар төмендесе, біреуінің үлкен серпімділік осьтері екіншісінің кіші серпімділік осьтеріне параллель болады. Соңғы жағдайда клинды жеткілікті қашықтыққа итеріп, толық қараңғылық немесе компенсацияға қол жеткізіледі. Бұл мақсатта селенит клин, селенит пластинасы, слюда клин және слюда пластинасы да қолданылады. Кварц клин оның ұзындығының барлық бөліктеріндегі қос сыну мөлшерін анықтау арқылы калибрленуі мүмкін. Егер ол кез келген қос сынушы минералдық кесіндіде компенсацияны немесе толық сөнуді тудыру үшін қолданылса, біз кесіндінің қос сыну күшін анықтай аламыз, өйткені ол кварц клиннің белгілі бір бөлігіне тең және қарама-қарсы болады. Микроскопиялық әдістерді одан әрі жетілдіру күшті конвергентті поляризацияланған жарықты пайдаланудан тұрады (коноскопиялық әдістер). Бұл поляризатордың үстіндегі кең бұрышты ахроматикалық конденсор және жоғары қуатты микроскопиялық объектив арқылы қол жеткізіледі. Оптикалық оське перпендикуляр және осының салдарынан айналғанда қараңғы болып қалатын кесінділер ең пайдалы. Егер олар бір осьті кристалдарға жатса, олар өтетін поляризаторлар арасында қара крест немесе конвергентті жарық көрсетеді, олардың сызықтары октанол өрісіндегі сызықтарға параллель болып қалады. Екі осьті минералдың оптикалық оське перпендикуляр кесінділері бірдей жағдайларда айналғанда гиперболалық пішінге айналған қара жолақ көрсетеді. Егер кесінді "бисектриске" перпендикуляр болса (кристаллографияны қараңыз), айналғанда екі гипербола құрайтын қара крест көрінеді, олардың шыңдары бір-біріне қарай бұрылады. Оптикалық осьтер гиперболалардың шыңдарында пайда болады және оларды түсті шеңберлермен қоршауға болады, бірақ тау жынысы кесінділеріндегі минералдардың жұқа болуына байланысты олар тек минералдың қос сынуы күшті болғанда ғана көрінеді. Микроскоп өрісінде көрінетін осьтер арасындағы қашықтық кристалдың осьтік бұрышына және объективтің сандық апертурасына байланысты. Егер ол көзқарас микрометрі арқылы өлшенсе, минералдың осьтік бұрышын қарапайым есептеу арқылы табуға болады. Кварц клин, төрттен бір слюда пластинасы немесе селенит пластинасы өрісте байқалатын суреттердің түсі немесе пішініндегі өзгерістер арқылы кристалдың оң немесе теріс сипаттамасын анықтауға мүмкіндік береді. Бұл операциялар кристалдардан кесілген пластиналарды зерттеуде минералогтар қолданатын операцияларға ұқсас.
Doubly refracting mineral sections will in all cases appear black in certain positions as the stage is rotated. They are said to "go extinct" when this takes place. The angle between these and any cleavages can be measured by rotating the stage and recording these positions. These angles are characteristic of the system to which the mineral belongs, and often of the mineral species itself (see Crystallography). To facilitate measurement of extinction angles, various types of eyepieces have been devised, some having a stereoscopic calcite plate, others with two or four plates of quartz cemented together. These are often found to give more precise results than are obtained by observing only the position in which the mineral section is most completely dark between crossed nicols. The mineral sections when not extinguished are not only bright, but are colored, and the colors they show depend on several factors, the most important of which is the strength of the double refraction. If all the sections are of the same thickness, as is nearly true of well made slides, the minerals with strongest double refraction yield the highest polarization colors. The order in which the colors are arranged is expressed in what is known as Newton's scale, the lowest being dark grey, then grey, white, yellow, orange, red, purple, blue, and so on. The difference between the refractive indexes of the ordinary and the extraordinary ray in quartz is .009, and in a rock section about 1/500 of an inch thick, this mineral gives grey and white polarization colors; nepheline with weaker double refraction gives dark grey; augite on the other hand will give red and blue, while calcite with the stronger double refraction will appear pinkish or greenish white. All sections of the same mineral, however, will not have the same color: sections perpendicular to an optic axis will be nearly black, and, in general, the more nearly any section approaches this direction the lower its polarization colors will be. By taking the average, or the highest color given by any mineral, the relative value of its double refraction can be estimated, or if the thickness of the section be precisely known the difference between the two refractive indexes can be ascertained. If the slides are thick the colors will be on the whole higher than on thin slides. It is often important to find out whether of the two axes of elasticity (or vibration traces) in the section is that of greater elasticity (or lesser refractive index). The quartz wedge or selenite plate enables this. Suppose a doubly refracting mineral section so placed that it is "extinguished"; if now is rotated through 45 degrees it will be brightly illuminated. If the quartz wedge be passed across it so that the long axis of the wedge is parallel to the axis of elasticity in the section the polarization colors will rise or fall. If they rise the axes of greater elasticity in the two minerals are parallel; if they sink the axis of greater elasticity in the one is parallel to that of lesser elasticity in the other. In the latter case by pushing the wedge sufficiently far complete darkness or compensation will result. Selenite wedges, selenite plates, mica wedges and mica plates are also used for this purpose. A quartz wedge also may be calibrated by determining the amount of double refraction in all parts of its length. If now it be used to produce compensation or complete extinction in any doubly refracting mineral section, we can ascertain what is the strength of the double refraction of the section because it is obviously equal and opposite to that of a known part of the quartz wedge. A further refinement of microscopic methods consists of the use of strongly convergent polarized light (conoscopic methods). This is obtained by a wide angled achromatic condenser above the polarizer, and a high power microscopic objective. Those sections are most useful which are perpendicular to an optic axis, and consequently remain dark on rotation. If they belong to uniaxial crystals they show a dark cross or convergent light between crossed nicols, the bars of which remain parallel to the wires in the field of the eyepiece. Sections perpendicular to an optic axis of a biaxial mineral under the same conditions show a dark bar which on rotation becomes curved to a hyperbolic shape. If the section is perpendicular to a "bisectrix" (see Crystallography) a black cross is seen which on rotation opens out to form two hyperbolas, the apices of which are turned towards one another. The optic axes emerge at the apices of the hyperbolas and may be surrounded by colored rings, though owing to the thinness of minerals in rock sections these are only seen when the double refraction of the mineral is strong. The distance between the axes as seen in the field of the microscope depends partly on the axial angle of the crystal and partly on the numerical aperture of the objective. If it is measured by means of eye piece micrometer, the optic axial angle of the mineral can be found by a simple calculation. The quartz wedge, quarter mica plate or selenite plate permit the determination of the positive or negative character of the crystal by the changes in the color or shape of the figures observed in the field. These operations are similar to those employed by the mineralogist in the examination of plates cut from crystals.
Тау жыныстары ұнтақтарын тексеру
Қазір тау жыныстарын негізінен микроскоптық кесінділер арқылы зерттесе де, микроскоптық петрологияның алғашқы саласы болған ұсақ ұнтақталған тау жыныстарын зерттеу әлі де белсенді қолданыста. Қазіргі заманғы оптикалық әдістер кез келген түріндегі мөлдір минералдық сынықтарға оңай қолданылады. Минералдарды ұнтақта да, кесіндіде де шамамен бірдей оңай анықтауға болады, бірақ тау жыныстарының құрылымы немесе құрамдас бөліктерінің бір-бірімен байланысы жайлы мәліметтер басқаша. Бұл тау жыныстарының тарихын және жіктелуін зерттеуде маңызды рөл атқарады, ал тау жыныстарын ұнтаққа айналдыру осы құрылымды толығымен жояды.
Although rocks are now studied principally in microscopic sections the investigation of fine crushed rock powders, which was the first branch of microscopic petrology to receive attention, is still actively used. The modern optical methods are readily applicable to transparent mineral fragments of any kind. Minerals are almost as easily determined in powder as in section, but it is otherwise with rocks, as the structure or relation of the components to one another. This is an element of great importance in the study of the history and classification of rocks, and is almost completely destroyed by grinding them to powder.