Интерференционные окраски и величина двойного лучепреломления

Различные сечения одного и того же минерала имеют неодина­ковую разность хода световых лучей. Если наблюдения при скре­щенных николях вести в монохроматическом свете с определенной длиной волны, то зерна, разность хода в которых равна четному числу полуволн, будут вследствие интерференции погашены. Зер­на, разность хода в которых равна нечетному числу полуволн,мак­симально просветлены и обладают интерференционной окраской, соответствующей данной длине волны.

При работе в белом (не монохроматическом, смешанном) све­те явление усложняется. Как известно, белый свет представляет собой совокупность световых колебаний с различной длиной вол­ны, в том числе колебаний, соответствующих фиолетовому (410 нм), синему (470 нм), зеленому (515 нм), желтому (560 нм) и красному (760 нм) цветам. При наличии определенной разности хода будут по­гашены те световые колебания, полуволны которых укладываются в данной разности хода четное число раз, т.е. для которых R = 2nλ/2.В то же время световые колебания других цветов, полуволны кото­рых укладываются в этой же разности хода нечетное число раз, т.е. для которых R=(2n+1)λ/2 , будут усилены[1]. В результате усиления одних волн и погашения других вместо белого света в кристалле по­являются интерференционные окраски, зависящие от разности хода. При работе в белом свете можно видеть, что по мере увеличения разности хода наблюдается периодически повторяющаяся смена ок­расок: темно-серая, серая, светло-серая, белая, желтая, оранжевая, красная, фиолетовая, синяя, зеленая, желтая, оранжевая, красная, фиолетовая, синяя и т.д. В зависимости от того, сколько раз нечетное число полуволн укладывается в разности хода (1, 3, 5 и т.д.), интерфе­ренционные окраски разделены на порядки (1, 2, 3 и т.д.). Границы между порядками проводятся по фиолетовой окраске. Таким образом, чем больше разность хода лучей в кристалле, тем более высокий по­рядок имеет его интерференционная окраска. Отсюда возникло по­нятие о высоких и низких интерференционных окрасках. При боль­ших разностях хода интерференционные окраски становятся все бо­лее бледными и выше третьего порядка трудно различимыми.

При постоянной толщине пластинки (d) разность хода R = d(n'_g - n'_p) зависит от величины двойного лучепреломления, которая, как было показано выше, неодинакова в разных сечениях кристалла. Поэтому при скрещенных николях различно ориентиро­ванные срезы одного и того же минерала имеют разные интерферен­ционные окраски. Для диагностики минерала решающее значение имеет только наивысшая интерференционная окраска, соответствующая максимальнойве­личине двойного лучепреломления ng – np.Эта важная оптическая константа минерала может быть определена лишь на разрезах, парал­лельных оптической оси одноосных кристаллов или плоскости оп­тических осей в кристаллах двуосных. Именно на этих разрезах на­блюдаются самые высокие интерференционные окраски.

Рис.28. Номограмма Мишель-Леви, отражающая зависимость между разностью хода, толщиной шлифа и величиной двойного лучепреломления

Из формулы R =d(ng – np) следует, что, определив интерферен­ционную окраску минерала (а следовательно и разность хода R), и зная толщину шлифа, можно вычислить силу двойного лучепре­ломления ng – np. Для того чтобы получить эту константу не при­бегая к вычислениям, пользуются цветной номограммой, предло­женной французским петрографом Мишель-Леви (рис.28).По горизонтальной оси номограммы отложены разности хода в на­нометрах, или миллимикронах, а по вертикальной — толщина шли­фа в сотых долях миллиметра. Каждой разности хода соответству­ет определенная интерференционная окраска, которая изображена в виде вертикальных полос. Из начала координат радиально расходятся прямые линии, отвечающие определенным значениям вели­чины двупреломления. Эти значения указаны на пересечениях наклонных ли­ний с верхним или правым краями номограммы.

Для определения величины двойного лучепреломления минера­ла необходимо выбрать в шлифе разрез этого минерала с наивысшей интерференционной окраской. Далее на цветной номограмме на­ходят полосу, отвечающую этой окраске и ее порядку, пересекают эту полосу горизонтальной линией, которая отвечает толщине шлифа (стандартная толщина шлифа равна 0,03 мм), и по положению наклонной линии, проходящей через точку пе­ресечения, находят величину ng – np,указанную на верхней или правой рамке номограммы.

Для отыскания разреза с наивысшей интерференционной окра­ской следует при скрещенных николях просмотреть всю площадь шлифа, последовательно определяя окраски имеющихся в нем сре­зов изучаемого минерала, и остановиться на том из них, интерфе­ренционная окраска которого будет расположена на номограмме правее всех остальных. Определяя окраску, необходимо учитывать ее порядок, так как все окраски, за исключением серой и белой, встречаются в разных порядках и соответствуют различным вели­чинам двойного лучепреломления.

Порядок интерференционной окраски определяют методом ступеньки, который основан на том, что толщина зерен минералов по краям обычно меньше, чем во внутренней части, поскольку в минеральном агрегате грани кристаллов и поверхности зерен сре­заны плоскостью шлифа чаще всего под острым углом. Поэтому вдоль краев зерен получаются клиновидные утонения, где толщи­на минеральной пластинки в наружном направлении сходит на нет (d > d₁> d₂ и т.д.), а интерференционные окраски понижаются (R>R₁>R₂ и т.д.), образуя цветные полоски, огибающие зерно по его контуру (рис.29). При этом смена окрасок происходит в той же последовательности, что и на цветной номограмме.

Истинная величина ng – np минерала определяется по интерфе­ренционной окраске внутренних частей зерен, где их толщина рав­на толщине шлифа. Следует учитывать при этом, что участки с пониженными окрасками встречаются и внутри зерен, где они приурочены к трещинам в минерале или к бороздам на поверхно­сти шлифа. Прослеживая смену окрасок от края зерна к центру и сопоставляя их с цветами на номограмме, доходим до интерферен­ционной окраски внутренней части зерна, которая и соответству­ет силе двойного лучепреломления минерала.

Если зерно имеет, например, желтую интерференционную ок­раску первого порядка, то вдоль края будут видны серая и белая окраски, а последняя сменяется во внутренней части зерна желтой. Если же окраска соответствует желтой второго порядка, то в крае­вой зоне должна наблюдаться такая смена интерференционных ок­расок: серая, белая, желтая, оранжевая, красная, фиолетовая, синяя и зеленая, переходящая внутри зерна в желтую.

Ширина цветных каемок зависит от наклона скошенных границ зерен. Только при пологом угле наклона границы можно наблюдать последовательную смену всех цветов интерференции; при более крутом наклоне контакта зерна некоторые цвета становятся неза­метными, а другие (обычно синий и зеленый) сливаются в одну темную полоску. При вертикальном крае зерна каемки вообще от­сутствуют. Следует подчеркнуть, что наличие слившейся сине-зе­леной полоски, даже при неразличимости всех других, достаточно для определения порядка окраски. Отсутствие такой полоски гово­рит о первом порядке интерференционной окраски минерала; од­на полоска указывает на второй порядок, а если вдоль края зерна идут две такие полоски, то это третий порядок интерференционной окраски.

Собственный цвет минерала, например, биотита или роговой об­манки, наблюдаемый при одном николе, несколько искажает ин­терференционную окраску. В этом случае надо мысленно исключить из интерференционной окраски ту ее часть, которая обусловлена собственным цветом минерала.

Так, роговая обманка, зеленая при одном николе. обладая крас­ной интерференционной окраской I порядка, будет, тем не менее, выглядеть в скрещенных николях бурой. На разрезе, перпендику­лярном оптической оси или близком к нему, роговая обманка, имея серую или белую интерференционную окраску, обнаруживает зеле­новатый оттенок, который не следует принимать за зеленую окра­ску второго порядка, поскольку никаких цветных каемок по краям зерна в данном случае не наблюдается.

Рис. 29. Появление цветных каемок в краевой части зерна

Метод определения величины двойного лучепреломления при помощи номограммы Мишель-Леви не является абсолютно точным. Некоторые искажения возникают благодаря субъективному зрительному восприятию и не вполне точному отражению интерференционных окрасок на цветной номограмме. Еще более существенные отклонения возникают в случаях, когда толщина шлифа не соответствует стандартной. В более толстом шлифе интерференционные окраски становятся более высокими, а в более тонком окраски, наоборот, понижены.

Кроме того, следует помнить, что чем выше порядок цветов интерференции, тем более нежны их оттенки, и уже после 5-го и 6-го порядков они становятся желто-розовыми, а еще выше – сливаются в белый цвет высшего порядка со слабым перламутровым оттенком. Белые интерференционные окраски высшего порядка характерны для карбонатов, титанита.

В некоторых оптически анизотропных минералах световые волны разной длины распространяются с неодинаковой скоростью, и показатели преломления для красного, зеленого, синего цветов оказываются различными. Вследствие этого искажается и величина двойного лучепреломления. Этот эффект называют дисперсией двупреломления.

По характеру дисперсии двупреломления Ф.Бекке выделил три типа аномальных интерференционных окрасок:

1. Супернормальная окраска проявляется у минералов, у которых сила двупреломления для коротких волн больше, чем для длинных. В этом случае цвета интерференции первого порядка приближаются к соответствующим цветам второго порядка. Вместо серого цвета наблюдается глубокий синий, который сменяется ярким лимонно-желтым, а красный цвет первого порядка приобретает светлый карминовый оттенок, свойственный красному второго порядка. Супернормальной интерференционной окраской обладают эпидот, клиноцоизит, цоизит, анатаз, мелилит.

2. Субнормальная окраска характерна для минералов, у которых сила двупреломления для коротких волн меньше, чем для длинных. Интерференционные окраски первого порядка тускнеют. Так, желтый цвет первого порядка приближается к коричневому, красный тоже становится более тусклым – грязно-красным. Субнормальная окраска появляется у клинохлора и брусита.

3. Аномальная окраска проявляется, когда сила двупреломления минимальна для волн средней длины и повышается к его концам, причем меняется и оптический знак. Минералы в скрещенных николях имеют чернильно-синие, фиолетовые, ржаво-бурые тона вместо серого первого порядка. Аномальная окраска характера для хлоритов, везувиана.

Характер и угол угасания

Если николи скрещены, то при повороте столика микроскопа срезы оптически анизотропных кристаллов периодически просвет­ляются и гаснут. Угасание наступает в положениях, при которых направления световых колебаний, пропускаемых кри­сталлом, т.е. оси индикатрисы совпадают с направлениями колеба­ний, пропускаемых николями. Минерал при этом выглядит черным.

Рис. 30. Разрезы кристаллов, обладающие прямым (а) и косым (б) угасанием

В том случае, когда ось индикатрисы минерала сов­падает с кристаллографиче­ским направлением, он об­ладает прямым угасанием, т.е. в момент его угасания кристаллографическое направление (грань кристалла, трещины спайности) параллельно одной из нитей окуляра (рис.30 а). При косом угасании ось индикатрисы отклонена на тот или иной угол от кристаллографической оси (рис.30 б). Этот угол, который называется углом угасания, является важной оптической константой минерала.

Прямое угасание характерно для минералов гексагональной, те­трагональной, тригональной и ромбической сингоний, а косое — для минералов триклинной сингонии. В минералах моноклинной сингонии только одна из осей индикатрисы совпадает с кристалло­графической осью b; две другие, лежащие в плоскости (010), не сов­падают с осями а и с, образуя с ними определенные углы. Поэтому ми­нералы моноклинной сингонии на разрезах _┴ (010) обладают прямым угасанием, а на разрезе || (010) — косым. Угол косого угасания исполь­зуется для диагностики минералов. Поскольку плоскость (010) парал­лельна плоскости оптических осей моноклинных кристаллов, то раз­резы || (010) выделяются максимальной интерференционной окраской. Следовательно, углы угасания минералов моноклинной сингонии, например, моноклинных пироксенов и амфиболов, нуж­но измерять на разрезах с максимальной интерференционной окра­ской. Эти разрезы используются и во всех других случаях, когда нуж­но определить угол угасания между тем или иным кристаллографическим направлением и осями индикатрисы Ng или Np.

Найдя разрез с максимальной интерференционной окраской, надо установить грань кристалла или трещины спайности парал­лельно вертикальной нити окулярного креста и, включив анализатор, посмотреть, будет минерал при скрещенных николях нахо­диться в положении угасания или нет. Если минерал в этом положении гаснет, значит, угасание — прямое, а если минерал про­светлен, то угасание — косое. Для того, чтобы измерить угол угаса­ния, надо повернуть столик микроскопа до положения угасания, тем самым совместив одну из осей индикатрисы с вертикальной нитью окуля­ра (см.рис.30б). Угол поворота равен углу угасания в данном се­чении минерала. Достичь положения угасания можно, вращая сто­лик микроскопа как вправо, так и влево. При измерении угла угасания вращают столик в сторону быстрейшего угасания минера­лаи измеряют тот угол угасания, который не превосходит 45° (угол между двумя положениями угасания всегда равен 90°).

При измерении углов угасания необходимо указывать, с каким кристаллографическим направлением они образованы и каково наименование осей индикатрисы. В хорошо образованных вытяну­тых кристаллах обычно измеряют угол угасания с гранями, параллельными кристаллографической оси с. В изометричных кристал­лах и зернах неправильной формы определяют угол угасания относительно плоскости спайности, например, в слюдах по отношению к плоскости (001).

Определение наименований осей индикатрисы производится с помощью компенсаторов, которые представляют собой прозрач­ные кристаллические пластинки с известной разностью хода и фик­сированным положением осей индикатрисы. Имеются компенса­торы заводского изготовления, которые прилагаются к каждому микроскопу, а также компенсаторы, сделанные в оптических лабо­раториях.

Компенсаторы с разностью хода 550—560 нм раньше делали из гипса, и они до сих пор называются гипсовыми, хотя сейчас их из­готавливают из кварца или пластинок белой слюды — мусковита. Гипсовый компенсатор, введенный в специальную прорезь тубуса микроскопа, дает красно-фиолетовую интерференционную окра­ску, поэтому такой компенсатор называют иногда красным. Завод­ские гипсовые компенсаторы заключены в металлическую обойму, на которой имеется индекс λ (R = 550 нм). При изготовлении ком­пенсаторов в лаборатории листочки мусковита заклеивают между двумя узкими стеклянными пластинками, а на край пластинки гип­сового компенсатора наносят красную полоску.

Компенсаторы с разностью хода 130—150 нм, сделанные из бо­лее тонких пластинок слюды, называются слюдяными. Они дают светло-серую интерференционную окраску. Такие компенсаторы условно называют синими, и на край стеклянной пластинки нано­сят синюю полоску. Заводские слюдяные компенсаторы имеют на обойме индекс 1/4λ (R =145 нм). По длинной стороне всех компенсаторов расположена ось Nр индикатрисы кристаллической пластинки, а по короткой сторо­не - ось Ng (рис.31).

Рис. 31. Компенсаторы с разной разностью хода: а – «гипсовый» или «красный» компенсатор с R=550-600 mμ; б – «слюдяной» или «синий» компенсатор с R=160-180 mμ

Применение компенсаторов основано на том, что, если над данным разрезом двупреломляющего минерала поместить другой, ориентированный так же, как первый, то интерференционная окраска (разность хода) повышается, как бы суммируется. Если же направление наибольшего светопреломления Ng одного кристалла совпадает с направлением наименьшего светопреломления Nр другого, то интерференционная окраска (разность хода) понизится (рис.32).

Рис. 32. Определение наименования осей индикатрисы

Поэтому, приступая к компенсации цветов интерференции, следует помнить правило, вытекающее из рассмотренного выше принципа компенсации.

При разноименном (перекрещенном) расположении осей индикатрисы кристалла и компенсатора происходит вычитание из разности хода кристалла разности хода компенсатора и цвета интерференции снижаются, а при одноименном (параллельном) расположении осей индикатрисы и компенсаторапроисходит сложение обеих разностей хода и цвета интерференции повышаются.

При высоких интерференционных окрасках удобнее пользоваться слюдяным («синим») компенсатором, при интерференционных окрасках первого порядка – гипсовым («красным»).

Применяя гипсовый компенсатор в том случае, когда разность хода в кристалле меньше 600 нм (меньше ΙI порядка), учет повышения или понижения интерференционной окраски надо смотреть по отношению к гипсовому компенсатору, а не кристаллу, так как в отношении последнего и сложение, и вычитание разностей хода могут дать более высокую окраску, что обусловлено так называемым эффектом перекомпенсации.

Рис.33.Определение наименования осей индикатрисы в минералах с прямым угасанием: а – положение угасания; б – положение максимального просветления; в – наименования осей индикатрисы минерала и компенсатора совпадают; г - наименования осей индикатрисы минерала и компенсатора не совпадают

Таким образом, для определения наименования световых колебаний в кристалле следует:

1) поставить зерно в положение угасания (рис.33а, 34б),

2) повернуть столик микроскопа на 45º против часовой стрелки (рис.33б, 34в),

3) ввести в прорезь тубуса компенсатор (рис.33в,г, 34в),

4) оценить изменение окраски (повышение или понижение),

5) определить наименование оси индикатрисы, совпадающей с длинной стороной компенсатора: эта ось в положении угасания совпадала с вертикальной нитью окуляра.

Кроме определения характера угасания и угла угасания нужно обращать внимание на тип угасания. Часто наблюдается волнистое и «точечное» (ситовидное) угасание.

Волнистое угасание выражается в том, что при установке зерна на угасание гаснет не все зерно сразу, а только какая-то часть. В этом случае поворотом столика микроскопа можно погасить другую часть зерна, а первая станет просветленной. Такое явление связано с нарушением положения осей индикатрисы в разных частях зерна и обусловлено его деформацией при катаклазе.

«Точечное» (ситовидное) угасаниенаблюдается у минералов с сильным двупреломлением и крошащихся по плоскостям весьма совершенной спайности.

Рис. 34.Определение наименований осей индикатрисы в минералах с косым угасанием: а – исходное положение; б – положение угасания; в – положение максимального просветления: наименования осей индикатрисы минерала и компенсатора не совпадают

Поэтому поверхности таких минералов, как слюды или тальк, при шлифовке оказываются покрытыми мельчайшими различно ориентированными чешуйками, которые дают интерференционный эффект в то время, как зерно в целом находится в положении угасания.

В кристаллах моноклинной и триклинной сингонии возможна дисперсия положения осей индикатрисы. Заключается она в том, что оси индикатрисы для волн разной длины занимают различные положение в кристалле. Резко выраженная дисперсия осей индикатрисы проявляется в неполном угасании минерала при вращении столика микроскопа между скрещенными николями. В тот момент, когда наступает угасание для красного цвета, кристалл имеет синеватую окраску. Если погасить синие лучи, то кристалл приобретает красноватую окраску. Дисперсия положения осей индикатрисы характерна для щелочных амфиболов, титанистых авгитов и т.д.