Введение

Оптические свойства пород и минералов

Оптическая минералогия – это изучение минералов и пород путем измерения их оптических свойств. Чаще всего образцы пород и минералов готовят в виде тонких шлифов или зерновых ориентированных шлифов для исследования в лаборатории с помощью петрографического микроскопа. Оптическая минералогия используется для определения минерального состава геологических материалов с целью установления их происхождения и эволюции. К используемым свойствам и методам относятся:

Показатель преломления
Двойное лучепреломление
Интерференционная цветовая шкала Мишеля-Леви
Плеохроизм
Угол гашения
Конскопическая интерференционная картина (фигура интерференции)
Тест линии Бекке
Оптический рельеф
Знак вытянутости (быстрая длина против медленной длины)
Волновая пластинка

История

Уильям Никол, чье имя связано с созданием призмы Никола, вероятно, первым изготовил тонкие срезы минеральных веществ, а его методы были применены Генри Тронтоном Мейром Уитэмом (1831) к изучению окаменелых растений. Этот метод, имеющий большое значение в петрологии, не сразу стали использовать для систематического исследования горных пород, и лишь в 1858 году Генри Клифтон Сорби указал на его важность. Тем временем, оптическое изучение шлифов кристаллов было продвинуто сэром Дэвидом Брюстером и другими физиками и минералогами, и оставалось лишь применить их методы к минералам, видимым в шлифах горных пород.

Разделы

Толщина шлифа должна составлять около одной тысячной дюйма (30 микрометров), и его относительно легко изготовить. Можно взять тонкую пластинку породы, примерно 1 сантиметр в длину; она должна быть максимально свежей и без видимых трещин. При шлифовке на пластине из строганой стали или чугуна с небольшим количеством мелкого карборунда она быстро становится плоской с одной стороны, после чего переносится на лист стекла и полируется мельчайшим абразивным порошком, пока не исчезнут все неровности и ямки, и поверхность не станет ровной. Затем образец породы промывается и помещается на медную или железную пластину, нагреваемую спиртовкой или газовой горелкой. На этой пластине также нагревается предметное стекло с каплей вязкого натурального канадского бальзама на поверхности. Более летучие компоненты бальзама испаряются под воздействием тепла, и когда это происходит, гладкий, сухой, теплый шлиф плотно прижимается к предметному стеклу, чтобы слой бальзама между ними был как можно тоньше и не содержал пузырьков воздуха. Препарат остужают, и шлиф снова шлифуют, как и прежде, сначала карборундом, а когда он становится прозрачным – мелким абразивным порошком, до достижения необходимой толщины. Затем его очищают, снова нагревают с небольшим добавлением бальзама и накрывают покровным стеклом. Труд шлифовки первой поверхности можно избежать, если отрезать гладкий срез железным диском с алмазным порошком. После того, как первая поверхность отшлифована и приклеена к стеклу, повторное нанесение бальзама в умелых руках позволит получить шлиф настолько тонким, что он станет прозрачным. Таким образом, подготовка шлифа может занять всего двадцать минут.

Плеохроизм

Дополнительная информация получается при установке нижнего поляризатора и вращении шлифа. Свет вибрирует в одной плоскости, и, проходя через двойственно преломляющие кристаллы в шлифе, он, как правило, разделяется на лучи, вибрирующие перпендикулярно друг другу. Во многих цветных минералах, таких как биотит, роговая обманка, турмалин, хлорит, эти два луча имеют различные цвета, и при вращении шлифа, содержащего любой из этих минералов, изменение цвета часто хорошо заметно. Это свойство, известное как "плеохроизм", имеет большое значение для определения минерального состава. Плеохроизм часто особенно интенсивен в небольших пятнах, окружающих микроскопические включения других минералов, таких как циркон и эпидот. Эти пятна называются "плеохроизматическими ореолами".

Продукты модификации

Некоторые минералы легко разрушаются и становятся мутными и полупрозрачными (например, полевой шпат); другие всегда остаются совершенно свежими и прозрачными (например, кварц), а третьи образуют характерные вторичные продукты (например, зеленый хлорит по биотиту). Включения в кристаллах (как твердые, так и жидкие) представляют большой интерес: один минерал может заключать в себе другой, или содержать полости, заполненные стеклом, жидкостями или газами.

Микроструктура

Структура породы, взаимосвязь между ее компонентами, как правило, четко проявляется, независимо от того, является ли она обломочной или массивной; наличие стекловидного вещества в отличие от полностью кристаллического или "голокристаллического" состояния; характер и происхождение органических фрагментов; слоистость, слоистая структура или ламинация; пемзовое или пористое строение многих лав. Эти и многие другие характеристики, хотя часто не видны невооруженным глазом в ручных образцах породы, становятся очевидными при изучении микроскопического среза. Для детального наблюдения могут применяться различные методы, такие как измерение размеров элементов породы с помощью микрометров, определение их относительных пропорций с использованием стеклянной пластинки с нанесенной сеткой из мелких квадратов, измерение углов между плоскостями спайности или гранями, видимыми в срезе, с помощью вращающейся градуированной круговой платформы, и определение показателя преломления минерала путем сравнения с показателями различных сред для просветления.

Двойная рефракция

Если анализатор вставлен в такое положение, что он скрещен с поляризатором, поле зрения будет темным в тех местах, где нет минералов или где свет проходит через изотропные вещества, такие как стекло, жидкости и кубические кристаллы. Все остальные кристаллические тела, обладая двойным лучепреломлением, будут казаться светлыми в определенном положении при вращении стола. Единственным исключением из этого правила являются сечения, перпендикулярные оптическим осям двуосевых кристаллов, которые остаются темными или почти темными на протяжении всего вращения, исследование которых часто имеет важное значение.

Исчезновение

Двойнопреломляющие минеральные срезы во всех случаях будут казаться черными в определенных положениях при вращении стола. Они "гаснут", когда это происходит. Угол между этими плоскостями и любыми спайностями можно измерить, вращая стол и фиксируя эти положения. Эти углы характерны для системы, к которой принадлежит минерал, и часто для самого минерального вида (см. Кристаллографию). Для облегчения измерения углов гашения разработаны различные типы окуляров, некоторые с пластиной стереоскопического кальцита, другие – с двумя или четырьмя пластинами кварца, склеенными вместе. Часто они дают более точные результаты, чем наблюдение только за положением, в котором минеральный срез наиболее полностью темнеет между скрещенными поляризаторами. Минеральные срезы, когда они не погашены, не только светлые, но и окрашенные, и цвета, которые они проявляют, зависят от нескольких факторов, наиболее важным из которых является величина двойного лучепреломления. Если все срезы имеют одинаковую толщину, что почти верно для хорошо изготовленных шлифов, минералы с наибольшим двойным лучепреломлением дают самые высокие поляризационные цвета. Порядок расположения цветов выражается в так называемой шкале Ньютона: от темно-серого, серого, белого, желтого, оранжевого, красного, фиолетового, синего и так далее. Разность между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного луча в кварце составляет 0,009, и в скальном срезе толщиной около 1/500 дюйма этот минерал дает серо-белые поляризационные цвета; нефелин с более слабым двойным лучепреломлением дает темно-серый; аугит, напротив, дает красный и синий, в то время как кальцит с более сильным двойным лучепреломлением выглядит розовато- или зеленовато-белым. Однако не все срезы одного и того же минерала будут иметь одинаковый цвет: срезы, перпендикулярные оптической оси, будут почти черными, и, в целом, чем ближе срез к этому направлению, тем ниже будут его поляризационные цвета. Определяя среднее или самый высокий цвет, проявляемый минералом, можно оценить относительную величину его двойного лучепреломления, или, если точно известна толщина среза, можно определить разность между двумя показателями преломления. Если шлифы толстые, цвета будут в целом выше, чем на тонких. Часто важно выяснить, какая из двух осей упругости (или колебаний) в срезе является осью большей упругости (или меньшего показателя преломления). Это позволяет сделать кварцевый клин или пластина селенита. Предположим, что двойнопреломляющий минеральный срез расположен так, что он "погас"; если теперь повернуть его на 45 градусов, он будет ярко освещен. Если кварцевый клин поместить так, чтобы его длинная ось была параллельна оси упругости в срезе, то поляризационные цвета повысятся или понизятся. Если они повысятся, то оси большей упругости в двух минералах параллельны; если они понизятся, то ось большей упругости в одном параллельна оси меньшей упругости в другом. В последнем случае, если клин продвинуть достаточно далеко, наступит полная темнота или компенсация. Для этой цели также используются клины и пластины селенита, клины и пластины слюды. Кварцевый клин также можно калибровать, определяя величину двойного лучепреломления во всех его частях. Если теперь использовать его для получения компенсации или полного гашения в любом двойнопреломляющем минеральном срезе, мы можем определить величину двойного лучепреломления среза, поскольку она, очевидно, равна и противоположна величине известной части кварцевого клина. Дальнейшее усовершенствование микроскопических методов заключается в использовании сильно конвергентного поляризованного света (конскопические методы). Это достигается с помощью широкоугольного ахроматического конденсора над поляризатором и объектива микроскопа с большим увеличением. Наиболее полезны те срезы, которые перпендикулярны оптической оси и, следовательно, остаются темными при вращении. Если они принадлежат к одноосным кристаллам, они показывают темный крест или сходящийся свет между скрещенными поляризаторами, штрихи которого остаются параллельными нитям в поле зрения окуляра. Срезы, перпендикулярные оптической оси двуосного минерала, в тех же условиях показывают темный штрих, который при вращении изгибается в гиперболическую форму. Если срез перпендикулярен "бисектрисе" (см. Кристаллографию), виден черный крест, который при вращении раскрывается, образуя две гиперболы, вершины которых обращены друг к другу. Оптические оси выходят из вершин гипербол и могут быть окружены цветными кольцами, хотя из-за тонкости минералов в скальных срезах они видны только при сильном двойном лучепреломлении минерала. Расстояние между осями, видимое в поле микроскопа, зависит частично от угла аксиальности кристалла и частично от числовой апертуры объектива. Если измерить его с помощью окулярного микрометра, то можно вычислить угол аксиальности минерала с помощью простого расчета. Кварцевый клин, четвертьпластина из слюды или пластина селенита позволяют определить положительный или отрицательный характер кристалла по изменению цвета или формы фигур, наблюдаемых в поле зрения. Эти операции аналогичны тем, которые используются минералогом при исследовании пластин, вырезанных из кристаллов.

Исследование порошков

Хотя в настоящее время породы изучаются преимущественно в микроскопических срезах, исследование мелко измельченных порошков пород, которое было первым направлением микроскопической петрологии, получившим развитие, до сих пор активно применяется. Современные оптические методы легко применимы к прозрачным минеральным фрагментам любого типа. Минералы почти так же легко идентифицируются в порошке, как и в срезе, но для пород это не так, поскольку теряется структура и взаимосвязь между компонентами. Это важный элемент при изучении истории и классификации пород, который практически полностью разрушается при их измельчении в порошок.