Введение

Петрография – это отрасль петрологии, специализирующаяся на детальном описании горных пород. Человека, изучающего петрографию, называют петрографом. Подробно описываются минеральный состав и текстурные взаимосвязи внутри породы. Классификация пород основывается на информации, полученной в ходе петрографического анализа. Петрографические описания начинаются с полевых заметок, сделанных непосредственно у выхода пород на поверхность, и включают макроскопическое описание образцов размером с ладонь. Наиболее важным инструментом петрографа является петрографический микроскоп. Детальный анализ минералов методами оптической минералогии в тонких срезах, а также микротекстуры и структуры, имеют решающее значение для понимания происхождения породы. В современной петрографической лаборатории используются электронный микрозонд или атомно-зондовая томография отдельных зерен, а также химический анализ цельных пород методами атомно-абсорбционной спектроскопии, рентгенофлуоресцентного анализа и лазерно-индуцированной пробоем спектроскопии. Отдельные минеральные зерна из образца породы также могут быть проанализированы методом рентгеновской дифракции, когда оптических методов недостаточно. Анализ микроскопических флюидных включений в минеральных зернах с использованием нагревательной стадии на петрографическом микроскопе позволяет получить информацию об условиях температуры и давления, существовавших во время образования минералов.

История

Петрография как наука началась в 1828 году, когда шотландский физик Уильям Николь изобрел метод получения поляризованного света, расщепляя кристалл исландского шпата, разновидность кальцита, на специальную призму, получившую название призмы Николя. Добавление двух таких призм к обычному микроскопу превращало прибор в поляризационный, или петрографический микроскоп. Используя прошедший свет и призмы Николя, стало возможным определять внутреннее кристаллографическое строение очень мелких минеральных зерен, что значительно расширило знания о составе пород. В 1840-х годах разработки Генри К. Сорби и других ученых окончательно заложили основы петрографии. Это был метод изучения ультратонких срезов горных пород. Срез породы закрепляли на предметном стекле, а затем шлифовали до такой тонкости, чтобы свет мог проходить сквозь минеральные зерна, которые в противном случае казались непрозрачными. Расположение соседних зерен оставалось неизменным, что позволяло анализировать текстуру породы. Петрография тонких шлифов стала стандартным методом изучения горных пород. Поскольку текстурные особенности существенно влияют на понимание последовательности кристаллизации различных минеральных компонентов в породе, петрография развивалась в петрогенез и, в конечном итоге, в петрологию. Наиболее значительный прогресс петрография достигла в Германии во второй половине XIX века.

Макроскопические символы

Макроскопические признаки горных пород, видимые в образцах без использования микроскопа, очень разнообразны и их сложно описать точно и полно. Геолог, работающий в поле, опирается главным образом на них и на несколько простых химических и физических тестов; для практического инженера, архитектора и мастера карьера они также имеют большое значение. Хотя сами по себе они часто недостаточны для точного определения природы породы, они обычно служат для предварительной классификации и нередко предоставляют всю необходимую информацию. Имея под рукой небольшую бутылочку кислоты для определения наличия карбоната кальция, нож для оценки твердости пород и минералов и лупу для изучения их структуры, полевой геолог редко затрудняется в определении принадлежности породы к той или иной группе. Мелкозернистые породы часто невозможно определить таким образом, а изучение мельчайших минеральных компонентов всех пород обычно требует микроскопического анализа. Однако легко заметить, что песчаник или гравелист состоит из более или менее округлых песчинок, обточенных водой, и если он содержит тусклые, выветренные частицы полевого шпата, блестящие чешуйки слюды или мелкие кристаллы кальцита, то и они редко остаются незамеченными. Сланцы и глинистые породы обычно мягкие, мелкозернистые, часто слоистые и нередко содержат микроскопические организмы или фрагменты растений. Известняки легко царапаются ножом, активно вступают в реакцию со слабой холодной кислотой и часто содержат целые или обломанные раковины и другие окаменелости. Кристаллическая структура гранита или базальта очевидна с первого взгляда: первый содержит белый или розовый полевой шпат, прозрачный стеклянный кварц и блестящие пластинки слюды, а второй – желто-зеленый оливин, черный авгит и серый слоистый плагиоклаз. К другим простым инструментам относятся выдувная трубка (для определения температуры плавления отдельных кристаллов), гониометр, магнит, лупа и ареометр.

Микроскопические характеристики

При работе с незнакомыми типами пород или с породами настолько мелкозернистыми, что их составляющие минералы невозможно определить с помощью лупы, используется микроскоп. Характеристики, наблюдаемые под микроскопом, включают цвет, изменение цвета при поляризованном свете (плейохроизм, вызываемый нижней призмой Николо или, в последнее время, поляризационными фильмами), особенности скола зерен, показатель преломления (по отношению к среде заливки, обычно бальзаму Канады) и оптическую симметрию (двойное лучепреломление или изотропия). В совокупности эти характеристики достаточны для идентификации минерала и часто позволяют достаточно точно оценить его основной элементный состав. Процесс идентификации минералов под микроскопом достаточно тонкий, но при этом механистичный – теоретически возможно разработать определитель, позволяющий компьютеру выполнять эту задачу. Более сложной и требующей опыта частью оптической петрографии является установление взаимосвязей между зернами и сопоставление их с особенностями, наблюдаемыми в образцах размером с руку, в полевых условиях или при картировании.

Разделение компонентов

Разделение компонентов измельченного порошка горных пород для получения чистых образцов для анализа – распространенный подход. Это может быть выполнено с помощью мощного электромагнита с регулируемой силой. Слабое магнитное поле притягивает магнетит, затем гематит и другие железные руды. Силикаты, содержащие железо, следуют в определенном порядке: биотит, энстатит, аугит, роговая обманка, гранат и подобные ферромагниевые минералы последовательно извлекаются. В конечном итоге остаются только бесцветные, немагнитные соединения, такие как мусковит, кальцит, кварц и полевой шпат. Химические методы также полезны. Слабая кислота растворяет кальцит из измельченного известняка, оставляя только доломит, силикаты или кварц. Фтористоводородная кислота воздействует на полевой шпат раньше, чем на кварц, и при осторожном использовании может растворять его и любой стекловидный материал в порошке горной породы до того, как растворит аугит или гиперстен. Методы разделения по удельному весу имеют еще более широкое применение. Самый простой из них – левигация, которая широко используется в механическом анализе почв и обогащении руд, но менее эффективна для горных пород, поскольку их компоненты, как правило, не сильно различаются по удельному весу. Используются жидкости, которые не взаимодействуют с большинством минералов, образующих горные породы, но имеют высокую удельную плотность. Основными используемыми жидкостями являются растворы йодида ртути и калия (уд. вес 3.196), борат кадмия (уд. вес 3.30), йодистый метилен (уд. вес 3.32), бромоформ (уд. вес 2.86) или бромид ацетилена (уд. вес 3.00). Их можно разбавлять (водой, бензолом и т.д.) или концентрировать путем выпаривания. Если порода – гранит, состоящий из биотита (уд. вес 3.1), мусковита (уд. вес 2.85), кварца (уд. вес 2.65), олигоклаза (уд. вес 2.64) и ортоклаза (уд. вес 2.56), то измельченные минералы будут плавать в йодистом метилене. При постепенном разбавлении бензолом они осаждаются в указанном выше порядке. Эти методы, простые в теории, на практике трудоемки, особенно поскольку часто один минерал, формирующий породу, заключает в себе другой. Квалифицированная обработка свежих и подходящих образцов дает отличные результаты. Эта информация связывает артефакты с геологическими районами, откуда были получены сырьевые материалы для керамики. Помимо глины, гончары часто использовали фрагменты горных пород, обычно называемые "добавки" или "непластичные примеси", для изменения свойств глины. Геологическая информация, полученная из компонентов керамики, дает представление о том, как гончары выбирали и использовали местные и неместные ресурсы. Археологи могут определить, была ли керамика, найденная в определенном месте, произведена на месте или привезена из других мест. Эта информация, наряду с другими данными, может подтвердить выводы о моделях расселения, мобильности групп и отдельных лиц, социальных контактах и торговых сетях. Кроме того, понимание того, как определенные минералы изменяются при определенных температурах, позволяет археологическим петрографам делать выводы об аспектах самого процесса производства керамики, таких как минимальные и максимальные температуры, достигнутые при первоначальном обжиге изделия.