Оптическая минералогия - Optical mineralogy

А петрографический микроскоп, что является оптический микроскоп оснащен крестовинойполяризующий линзы, а коноскопическая линза, а также компенсаторы (пластины из анизотропных материалов; обычно гипсовые пластины и кварцевые клинья) для кристаллографического анализа.

Оптическая минералогия это изучение минералы и горные породы измеряя их оптический свойства. Чаще всего образцы горных пород и минералов готовятся как шлифы или зернохранилища для учебы в лаборатория с петрографический микроскоп. Оптическая минералогия используется для определения минералогического состава геологических материалов, чтобы помочь выявить их происхождение и эволюцию.

Некоторые из используемых свойств и методов включают:

История

Уильям Николь, чье имя связано с созданием Призма николя, вероятно, был первым, кто приготовил тонкие пластинки минеральных веществ, и его методы были применены Генри Тронтон Мэр Уитхэм (1831 г.) к изучению окаменения растений. Этот метод, имеющий большое значение в петрология не сразу стал использоваться для систематических исследований горных пород, и только в 1858 г. Генри Клифтон Сорби указал на его ценность. Между тем оптическое изучение сечений кристаллов было продвинуто сэром Дэвид Брюстер и других физиков и минералогов, и оставалось только применить их методы к минералам, видимым в разрезах горных пород.[2]

Разделы

Отсканированное изображение шлифа в кросс-поляризованном свете.

Сечение породы должно составлять примерно одну тысячную дюйма (30 микрометры ) по толщине, и его относительно легко изготовить. Можно взять тонкий осколок камня, около 1 сантиметра; он должен быть как можно более свежим и без явных трещин. Путем шлифования на пластине из строганой стали или чугуна с небольшим количеством мелкой карборунд Вскоре он становится плоским с одной стороны, а затем переносится на лист листового стекла и сглаживается мелкозернистым наждаком до тех пор, пока все шероховатости и ямки не будут удалены и поверхность не станет однородной. Затем каменная крошка промывается и помещается на медную или железную пластину, которая нагревается спиртовой или газовой лампой. На этой пластине также согревается микроскопическое стекло с каплей вязкого натурального Канадский бальзам на его поверхности. Более летучие ингредиенты бальзама растворяются под воздействием тепла, и когда это достигается, гладкая, сухая, теплая порода плотно прижимается к стеклянной пластине, так что промежуточная пленка бальзама может быть как можно более тонкой и свободной от пузырьки воздуха. Препарату дают остыть, и стружку снова измельчают, как и раньше, сначала карборундом, а когда он станет прозрачным, мелким наждаком до получения желаемой толщины. Затем его очищают, снова нагревают с дополнительным небольшим количеством бальзама и закрывают покровным стеклом. Работы по шлифованию первой поверхности можно избежать, отрезав гладкий срез железным диском, вооруженным измельченным алмазным порошком. Повторное нанесение резца после того, как первая поверхность будет сглажена и приклеена к стеклу, в опытных руках оставит часть камня настолько тонкой, что будет прозрачной. Таким образом, на подготовку раздела может потребоваться всего двадцать минут.[2]

Микроскоп

Микрофотографии шлифа, содержащего карбонат вена в слюда богатый рок. В кросс-поляризованном свете слева, в плоскополяризованном свете справа.

Используемый микроскоп обычно снабжен вращающимся столиком, под которым расположен поляризатор, а над объективом или окуляром установлен анализатор; в качестве альтернативы столик может быть закреплен, а поляризационная и анализирующая призмы могут иметь возможность одновременного вращения с помощью зубчатых колес и шатуна. Если желателен обычный свет, а не поляризованный, обе призмы могут быть сняты с оси инструмента; если вставлен только поляризатор, проходящий свет имеет плоскую поляризацию; когда обе призмы установлены, слайд рассматривается в кросс-поляризованном свете, также известном как "скрещенные николы. "Микроскопический разрез горной породы при обычном свете, если использовать подходящее увеличение (например, около 30x), как видно, состоит из зерен или кристаллов, различающихся по цвету, размеру и форме.[2]

Характеристики минералов

цвет

Турмалин демонстрирует классическую «арбузную зональность»: светло-розовый интерьер и зеленый экстерьер.

Некоторые минералы бесцветны и прозрачны (кварц, кальцит, полевой шпат, москвич и т. д.), а другие желтые или коричневые (рутил, турмалин, биотит ), зеленый (диопсид, роговая обманка, хлорит ), синий (глаукофан ). Многие минералы могут иметь разные цвета в одних и тех же или разных породах или даже несколько цветов в одном образце минерала, что называется цветовой зональностью. Например, минеральный 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.

Привычка и декольте

Амфибол в шлифе с углом спайности 60 °.

Форма кристаллов в общих чертах определяет очертания их участков, представленных на слайдах. Если у минерала есть одно или несколько полезных расщепления, они будут обозначены наборами одинаково ориентированных плоскостей, называемых плоскостями спайности.

Ориентация плоскостей спайности определяется кристаллической структурой минерала и формируется преимущественно через плоскости, вдоль которых лежат самые слабые связи, поэтому ориентацию плоскостей спайности можно использовать в оптической минералогии для идентификации минералов.

Показатель преломления и двойное лучепреломление

Информация о показатель преломления минерала можно наблюдать, сравнивая его с окружающими материалами. Это могут быть другие минералы или среда, в которой находится зерно. Чем больше разница в Оптический рельеф тем больше разница в показателях преломления между средами. Материал с более низким показателем преломления и, следовательно, меньшим рельефом будет погружаться в предметное стекло или оправу, в то время как материал с более высоким показателем преломления будет иметь более высокий рельеф и выступать наружу. В Тест линии Беке также может использоваться для сравнения показателей преломления двух сред.[3]

Плеохроизм

Основная статья: Плеохроизм

Дополнительную информацию можно получить, вставив нижний поляризатор и повернув секцию. Свет колеблется только в одной плоскости и, проходя через дважды преломляющиеся кристаллы на слайде, вообще говоря, 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 участок, содержащий любой из этих минералов, поворачивается, изменение цвета часто явно заметно. Это свойство, известное как «плеохроизм», имеет большое значение при определении минерального состава.

Плеохроизм часто особенно интенсивен в небольших пятнах, окружающих мельчайшие скопления других минералов, таких как циркон и эпидот. Они известны как "плеохроические ореолы."[4]

Продукты переделки

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 твердые, так и жидкость ) представляют большой интерес; один минерал может окружать другой или может содержать пространства, занятые стеклом, жидкостями или газами.[2]

Микроструктура

Структура породы - соотношение ее компонентов друг с другом - обычно четко указывается, является ли она фрагментированной или массивной; наличие стекловидного вещества в отличие от полностью кристаллического или «голокристаллического» состояния; природа и происхождение органических фрагментов; полосатость, слоение или ламинация; то пемзовый или пористая структура многих лав. Эти и многие другие характеры, хотя часто не видны на ручных образцах породы, становятся очевидными при исследовании микроскопического разреза. Могут применяться различные методы детального наблюдения, такие как измерение размеров элементов породы с помощью микрометров, их относительных пропорций с помощью стеклянной пластины, размеченной небольшими квадратами, углы между сколами или гранями, видимыми на секцию с помощью вращающегося градуированного предметного столика и оценку показателя преломления минерала путем сравнения с показателями различных монтажных сред.[2]

Двойное лучепреломление

Если анализатор вставлен в такое положение, что он пересекает поляризатор, 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 каком-то положении при вращении сцены. Единственное исключение из этого правила - участки, перпендикулярные плоскости оптические оси из двулучепреломляющий кристаллы, которые остаются темными или почти темными в течение всего оборота, исследование которых часто важно.[2]

Вымирание

Дважды преломляющиеся части минерала во всех случаях будут казаться черными в определенных положениях при повороте сцены. Когда это происходит, они, как говорят, «вымирают». Угол между ними и любыми сколами можно измерить, вращая столик и записывая эти положения. Эти углы характерны для системы, к которой принадлежит минерал, и часто для самого минерального вида (см. Кристаллография ). Чтобы облегчить измерение углов затухания, были разработаны различные типы окуляров, некоторые из которых имеют стереоскопическую пластину кальцита, другие - две или четыре пластины кварца, склеенные вместе. Часто бывает, что они дают более точные результаты, чем полученные при наблюдении только того положения, в котором минеральный разрез наиболее темен между скрещенными николями.

Не погашенные участки минералов не только яркие, но и окрашенные, а цвет, который они показывают, зависит от нескольких факторов, наиболее важным из которых является сила двойного лучепреломления. Если все секции имеют одинаковую толщину, как это почти верно для хорошо сделанных слайдов, минералы с самым сильным двойным лучепреломлением дают самые высокие цвета поляризации. Порядок расположения цветов выражается в так называемой шкале Ньютона, самый нижний из которых - темно-серый, затем серый, белый, желтый, оранжевый, красный, фиолетовый, синий и т. Д. Разница между показателями преломления обыкновенного и необычного луча в кварце составляет 0,009, а в разрезе породы толщиной около 1/500 дюйма этот минерал дает серый и белый поляризационные цвета; нефелин при более слабом двойном лучепреломлении дает темно-серый цвет; авгит с другой стороны, дает красный и синий цвет, а кальцит с более сильным двойным лучепреломлением будет розоватым или зеленовато-белым. Однако все участки одного и того же минерала не будут иметь одинаковый цвет: участки, перпендикулярные оптической оси, будут почти черными, и, как правило, чем больше почти любой участок приближается к этому направлению, тем ниже будут цвета его поляризации. Взяв средний или самый высокий цвет, который дает любой минерал, можно оценить относительное значение его двойного лучепреломления или, если точно известна толщина секции, можно установить разницу между двумя показателями преломления. На толстых слайдах цвета в целом будут выше, чем на тонких.

Часто важно выяснить, является ли из двух осей упругости (или следов вибрации) в сечении осью большей упругости (или меньшим показателем преломления). Это позволяет кварцевый клин или пластина селенита. Предположим, что разрез минерала с двойным преломлением расположен так, что он «гаснет»; если теперь повернуть его на 45 градусов, он будет ярко подсвечен. Если провести кварцевый клин поперек него так, чтобы длинная ось клина была параллельна оси упругости в сечении, цвета поляризации будут повышаться или уменьшаться. Если они поднимаются, оси большей эластичности у двух минералов параллельны; если они опускаются, ось большей эластичности в одном параллельна оси меньшей эластичности в другом. В последнем случае, если протолкнуть клин достаточно далеко, произойдет полная темнота или компенсация. Для этой цели также используются клинья селенита, пластины селенита, клинья слюды и пластины слюды. Кварцевый клин также можно калибровать, определяя степень двойного лучепреломления на всех участках его длины. Если теперь его использовать для компенсации или полного исчезновения в любом дважды преломляющемся минеральном разрезе, мы сможем выяснить, какова сила двойного лучепреломления в разрезе, потому что оно, очевидно, равно силе известной части кварцевого клина и противоположно ей.

Дальнейшее усовершенствование микроскопических методов состоит в использовании сильно сходящегося поляризованного света (коноскопический методы). Это достигается с помощью широкоугольного ахроматического конденсора над поляризатором и микроскопического объектива высокой мощности. Наиболее полезны те секции, 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, полосы которых остаются параллельными проводам в поле окуляра. Сечения, перпендикулярные оптической оси двухосного минерала в 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 выступают на вершинах 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 зрения микроскопа, частично зависит от осевого угла кристалла и частично от числовой апертуры объектива. Если его измерить с помощью окулярного микрометра, оптический осевой угол минерала можно определить простым расчетом. Кварцевый клин, пластинка из четверти слюды или пластина селенита позволяют определять положительный или отрицательный характер кристалла по изменениям цвета или формы фигур, наблюдаемых в поле. Эти операции аналогичны тем, которые использует минералог при исследовании пластин, вырезанных из кристаллов.[2]

Исследование каменных порошков

Хотя сейчас горные породы изучаются в основном на микроскопических срезах, исследование мелкозернистых порошков измельченных горных пород, которое было первым разделом микроскопической петрологии, привлекшим внимание, все еще активно используется. Современные оптические методы легко применимы к прозрачным осколкам минералов любого вида. Минералы почти так же легко определяются в порошке, как и в разрезе, но иначе с горными породами, как и структура или соотношение компонентов друг с другом. Это очень важный элемент в изучении истории и классификации горных пород, который почти полностью разрушается при измельчении их в порошок.[2]

использованная литература

  1. ^ Нельсон, Стивен А. «Явления помех, компенсация и оптический знак». EENS 2110: Минералогия. Тулейнский университет. Получено 24 марта 2017.
  2. ^ а б c d е ж г час Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из публикации, которая сейчас находится в всеобщее достояние: Флетт, Джон Смит (1911). "Петрология "В Чисхолме, Хью (ред.)". Британская энциклопедия. 21 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 324–325.
  3. ^ Нессе, Уильям Д. (2013). Введение в оптическую минералогию (4-е изд.). Нью-Йорк: Oxford Univ. Нажмите. ISBN  978-0-19-984627-6. OCLC  828794681.
  4. ^ Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из публикации, которая сейчас находится в всеобщее достояние: Флетт, Джон Смит (1911). "Петрология "В Чисхолме, Хью (ред.)". Британская энциклопедия. 21 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 324–325.

внешние ссылки