Исследования минералов в скрещенных николях

КРИСТАЛЛООПТИЧЕСКИЙ

АНАЛИЗ МИНЕРАЛОВ

Новокузнецк

КРИСТАЛЛООПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МИНЕРАЛОВ

Петрография использует разные методы исследований. Наиболее точным методом диагностики минералов является кристаллооптический при помощи поляризационного микроскопа. Наблюдения в нем производятся в параллельном или сходящемся (коноскопическом поляризованном свете. Увеличительная система микроскопа позволяет изучать оптические свойства минералов кристаллах размером до 1-2 мкм.

Изучение минералов при одном николе

Прозрачные минералы изучают в проходящем свете под петрографическим поляризационным микроскопом. Непрозрачные (рудные) минералы исследуются в отраженном свете с помощью минераграфического поляризационного микроскопа. Оптические свойства минерала определяют в различных произвольных сечениях кристаллических зерен в тонких (0,03мм) просвечивабщихся петрографических шлифах.

Свойства минералов о, определяемыев поляризованном свете с одним поляризатором:

1. Форма зёрен, симметрия кристаллических сечений, облик минеральных индивидов и углы контура ограничения кристаллических зерен.

2. Спайность, определение угла между плоскостями спайности.

3. Показатели преломления, рельеф сечений кристаллических зерен, шагреневая поверхность по относительному показателю преломления (эффекты Бекке и Лодочникова).

4. Окраска минералов. Плеохроизм.

5. Псевдоабсорбция.

Форма зёрен - является важным диагностическим признаком минерала. Она позволяет по произвольным сечениям дать объемное представление о кристалле. Форма кристаллов и минеральных зерен зависит от природы их формировании и наличия свободного пространства. В зависимости от этого выделяются:

• идиоморфные кристаллы, имеющие хорошие кристаллографические очертания или огранку, образуются первыми из расплава, их росту ничто не мешают далеко отстоящие соседние кристаллы, контуры идиоморфных индивидов прямолинейно многоугольные и симметричные;

• гипидиоморфные кристаллы имеют частично правильные прямолинейные кристаллографические контуры, а частично искаженные очертания за счет соприкосновения в процессе роста с соседними кристаллическими индивидами; они выделяются позже идиоморфных, которые искажают форму и ограничивают их свободный рост;

• ксеноморфные кристаллические зерна не имеющие правильной прямолинейной многоугольной формы, они образуются в оставшихся свободных промежутках между ранее образованными идиоморфными и гипидиоморфными кристаллами. Они образовались последними в заключительную стадию формирования горной породы.

Формы минеральных зерен приведены на рис. 1.

Облик кристаллов и кристаллических зерен характеризет степень их развития по трем взаимно перпендикулярным линейным параметрам:. По соотношению длин этих параметров различают:

· Изометричный облик кристаллов и зерен при a_x,=b_y,= c_z. Плоские сечения этих кристаллов в шлифах также изометричны, независимо от направления. В шлифах идиоморфные кристаллы имеют изометричные полигональные плоские сечения; гипидиоморфные кристаллы имеют частично правилные полигональные контуры, а частично неправильные вынужденные ограничения от контакт с соседними кристаллами;

· Удлиненный облик кристаллов и зерен формируется при a_x » b_y<_. c_z. В зависимости от удлинения, выражаемого соотношением c_z / a_x, различают боченковидный, коротко столбчатый, столбчатый, шестоватый, игольчатый и волокнистый или волосовидный разновидности удлиненного облика. Поперечное сечание удлиненных кристаллов всегда имеют меньше размеры, соответствующие их толщине.

· Уплощенный облик минеральных индивидов при a_x » b_y >_.. В зависимости от уплощения, выражаемого соотношением c_z / a_x, различают: толстотаблитчатый, таблитчатый, тонкотаблитчатый, пластинчатый, листоватый, чешуйчатый облики. Уплощенные кристаллы в сечениях параллельных c_z,всегда имеют удлиненную форму.

Следует быть внимательны при определении облика удлиненных и уплощенных минеральных индивидов.

Определение формы минералов позволяет судить о последовательности их формирования, скорости роста кристаллов, изменении химического состава расплавов-растворов, а также о геологических условиях образования пород и руд.

Рис. 1. Формы зерен минералов: А - гипидиоморфные формы зерен характерны для мусковита и хлоритоида; ксеноморфные зерна кварца и циркона; Б - идиоморфный авгит, гипидиоморфный плагиоклаз, ксеноморфные выделения оливина и магнетита

Спайность - это способность минералов раскалываться по плоским поверхностям. В кристаллах под микроскопом она наблюдается в виде тонких, прямых и параллельных линий. При изучении минералов в шлифах определяется характер и количество систем спайности.

В продольных разрезах кристаллов отмечается одна система спайности. Необходимо помнить, что в кристаллах, где плоскости спайности идут по отношению к плоскости шлифа под косым углом (до 30°), спайность отчётливо не наблюдается, трещины спайности трудно заметить. В поперечных разрезах некоторых минералов фиксируются две системы спайности (например, у амфиболов и пироксенов). Угол между системами трещин и линий спайности определяется следующим образом:

1. Найти зерно с 2-мя системами хорошо наблюдаемых трещин спайности (это поперечный разрез зерна).

2. Поставить одну из систем параллельно вертикальной нити окуляра. Взять отсчёт по любому нониусу лимба столика микроскопа.

3. Повернуть столик микроскопа в любую сторону до совмещения с вертикальной нитью второй системы спайности. Взять отсчёт по этому же нониусу.

4. Разность замеров определяет угол между системами спайности. При значении угла больше 90° необходимо от 180° отнять полученный результат для получения острого угла.

5. Для получения величины угла, приближающегося к истинной, нужно замерить несколько углов в зёрнах одного и того же минерала, взять из всех значений максимальное.

Рисунок 2. У амфиболов углы между системами спайности составляют 56° и 124°; у пироксенов - 87° и 93°.

Сравнение показателя преломления минералов или различных сред. Эталон - показатель преломления канадского бальзама (к. б.) п_к._б = 1,537. Все минералы можно сравнивать с этим веществом, применяя некоторые оптические эффекты.

Эффект Бекке (полоска Бекке). Наблюдается на границе канадского бальзама с минералом или на границе двух любых минералов (рис. 3). Полоска представляет скопление световых лучей на границе сред в результате перераспределения световых лучей. Она обусловлена эффектом полного внутреннего отражения при переходе света из среды с большим показателем преломления п₁ в среду с меньшим показателем п₂.

Для наблюдения полоски Бекке необходимо прикрыть диафрагму под столиком микроскопа при объективе 9^х, 10^х (в зависимости от марки микроскопа) или поставить объектив 20^х.

Необходимо помнить, что при поднятии тубуса микроскопа полоска Бекке движется в сторону среды с большим показателем преломления.

Рельеф наблюдается у минералов, которые отличаются по показателю преломления от канадского бальзама (к. б.).

Рис. 3. Световая полоска в шлифе на границе двух минералов. Без анализатора

Различают 3 типа рельефа:

1. Положительный, если п_{минерала} > п_к._б. Минералы выглядят в шлифе как бы приподнятыми по отношению к канадскому бальзаму.

2. Нейтральный (не имеют рельефа), если п_{минерала} минерала близок к п_кб Минералы и канадский бальзам выглядят на одном уровне.

3. Отрицательный, если п_{минерала} < п_к._б Минералы выглядят как бы опущенными, вдавленными по сравнению с канадским бальзамом.

Определение показателя преломления минерала производится при объективе 9^х (полосу Бекке и эффект Лодочникова определяют при 20^х), включаются линза Лазо, линза Бертрана и анализатор.

По рельефу, шагреневой поверхности и поведению полоски Бекке можно определить оптическую группу для данного минерала (табл. 1).

Шагреневая поверхность - это неровности на поверхности минерала, которые приводят к неравномерному распределению лучей света. Неравномерность освещения позволяет наблюдать неровную поверхность минералов, подобно поверхности кожи (шагреневая кожа имеет очень тонкий рисунок неровностей).

Если разница в показателях преломления минерала и канадского бальзама большая, то все неровности поверхности минерала наблюдаются отчетливо.

Если минерал и канадский бальзам имеют близкие показатели преломления, то шагреневая поверхность практически не видна.

Таким образом, шагреневая поверхность наблюдается тем лучше, чем больше разница в показателях преломления минералов и канадского бальзама.

Псевдоабсорбция - это явление ложного поглощения света (наблюдается только у бесцветных минералов). Некоторые анизотропные минералы имеют большую разницу в показателях преломления по Ng и Np. Например, у кальцита Ng = No = 1,658 (группа VI), Np = Ne= 1,486 (группа I).

Таблица 1 - Классификация минералов по показателю преломления

Группа	п	Рельеф	Шагреневая поверхность	Дисперсионный эффект Лодочникова	Минералы
I	1,41 – 1,51	Отрицатель-ный, хорошо виден	Наблюдается при открытой диафрагме	Полоска Бекке имеет розовый цвет, идет на к.б.	Флюорит, опал, лейцит, содалит, вулканические стекла риолитов
II	1,51 - 1,53	Отрицатель-ный, плохо заметен	Отсутствует или слабая (даже при закрытой диафрагме)	Полоска Бекке имеет розовый цвет (граница бесцветных минералов и к. б.), идет на к. б.	Плагиоклазы №0-5 (альбит), к.п.ш., гипс, монтмориллонит, вулканические стекла трахитов, дацитов, андезитов
III	1,53-1,54	Отсутствует	Отсутствует	Полоска Бекке незаметна	Плагиоклазы № 5-15 (альбит, олигоклаз), халцедон, нефелин, серпентин, вулканические стекла андезибазальтов
IV	1,54 -1,60	Положитель-ный	Видна только при почти полностью закрытой диафрагме	Полоска Бекке имеет зеленоватую окраску, идет на минерал	Плагиоклазы № 15-100 (олигоклаз - анортит), кварц, хлориты, мусковит, флюорит, тальк, вулканические стекла базальтов
V	1,60- 1,65	Положитель-ный	Положительная, видна при 1/2 открытой диафрагме	Полоска Бекке имеет зеленоватый цвет, идет на минерал	Биотит, роговая обманка, тремолит, актинолит, турмалин, топаз, глауконит
VI	1,65- 1,75	Положитель-ный, резкий	Положительная резкая, видна при открытой диафрагме	Не улавливается, эффект Лодочникова слабый	Пироксены, щелочные амфиболы, оливин, силлиманит, ортит, гроссуляр
VII	>1,75	Положитель-ный, очень резкий (зерна как бы окружены темно-серой полосой)	Положительная очень резкая (поверхность минерала серая)	Дисперсионный эффект не улавливается	Эпидот, эгирин, циркон, монацит, сфен, рутил, анатаз, корунд, шеелит, альмандин

При вращении столика микроскопа минерал по показателю преломления будет относиться к разным группам:

• в положении, когда показатель преломления отличается от п_к._б, у минерала отмечается резкий рельеф и шагреневая поверхность (в данном случае это Ng);

• в положении, когда показатель преломления близок к п_к,_б, у минерала рельеф и шагреневая поверхность проявляются крайне слабо (в данном положении это Np) (рис. 4).

Рис. 4. Псевдоабсорбция в кальците (без анализатора). А, Б — наблюдаются изменения в рельефе, шагрени в левой и правой половине зерна кальцита

Рис. 5. Плеохроизм биотита: А-в направлении, параллельно колебанию световых волн поляризатора; Б-в направлении, перпендикулярно направлению колебания световых волн поляризатора

Плеохроизм - изменение цвета минерала при повороте столика микроскопа (наблюдается только у окрашенных минералов). Он обусловлен различным поглощением света в разных направлениях в кристалле (рис. 5).

Различают 3 типа плеохроизма:

1. Изменяется интенсивность окраски. Например, у биотита с тёмно-коричневого до светло-коричневого.

2. Изменяется цвет минерала. Например, с коричневого на зелёный.

3. Изменяется и цвет, и интенсивность одновременно. Например, с тёмно- зелёного до светло-коричневого.

Исследования минералов в скрещенных николях

Для изучения минералов в скрещенных николях в оптическую систему микроскопа вводится анализатор.

Определяются следующие свойства:

1. Толщина шлифа.

2. Разность хода лучей.

3. Величина двупреломления (Ng - Np).

4. Угол погасания с : Ng

5. Знак зоны (оптический характер удлинения зерна).

6. Схема абсорбции.

7. Двойники.

Величину двупреломления, разность хода лучей и толщину шлифа определяют, пользуясь формулой

Dn = d (n_g - n_p)

где Dn - разность хода лучей; d - толщина шлифа; (n_g - n_p) - величина двойного луч преломления.

Для определения величины двупреломления применяется цветная номограмма Мишель-Леви (рис. 13). С нижнего левого угла номограммы веером вверх и вправо расходится пучок прямых линий. Они соединяют точки равных величин силы двупреломления при разных толщинах шлифа и разных значениях Dn. Отложив по горизонтали величину разности хода, а по вертикали толщину кристаллической пластинки, получим на номограмме точку. Проведя через эту точку и левый нижний угол прямую, на пересечении с верхней (или правой боковой) границей рамки найдем величину (Ng - Np).

Характер погасания минерала зависит от положения оптической индикатрисы по отношению к кристаллографическим осям.

Углы погасания ( с : Ng) определяются на разрезах минералов, параллельных главному сечению индикатрисы NgNp и имеющих наивысшую интерференционную окраску. В кристаллах разных сингоний оптическая индикатриса ориентирована различным образом. Минерал имеет прямое погасание ( с : Ng = 0), если в момент погасания с нитями окуляра совпадает ясно выраженное кристаллографическое направление минерала, обычно это трещины спайности, удлинение или направление граней. Погасание считается косым, если в момент погасания между нитями окуляра и хорошо заметными кристаллографическим направлением образуется некоторый угол - угол погасания ( с : Ng ≠ 0) (рис. 6).

Рисунок 6. Косое погасание в пироксене

Кристаллы средних сингоний (гексагональной, тригональной, тетрагональной) всегда обладают прямым погасанием относительно удлинения минерала.

Кристаллы ромбической сингонии отличаются на ориетированных разрезах прямым погасанием относительно всех кристаллических осей.

В моноклинных минералах прямое погасание наблюдается только в одной кристаллографической зоне (зона второго пинакоида), на всех других разрезах погасание всегда косое.

На всех разрезах триклинных минералов наблюдаются косые погасания.

Под характером удлинения минерала или знаком его главной зоны подразумевают взаимное расположение осей индикатрисы и кристаллографическое направление, в котором вытянут кристалл. Знак удлинения определяется в том случае, если угловое расстояние между осью индикатрисы и осью удлинения меньше 45°.

Для определения схемы абсорбции минерала обычно прибегают к визуальному сопоставлению интенсивности окрасок зерна в основных кристаллооптических направлениях. Последовательно совмещают положение осей индикатрисы с плоскостью световых колебаний поляризованного света.

Порядок определения силы двупреломления

1. Выбрать разрез минерала с наивысшей интерференционной окраской.

2. Поставить выбранное зерно на крест нитей, вращением столика микроскопа привести его в положение погасания.

3. От положения погасания повернуть столик на 45° в любую сторону. Этим добиваются максимального просветления минерала, во-первых, и параллельного прорези в микроскопе направления колебаний в кристалле, во-вторых.

4. В прорезь микроскопа тонким концом вперед ввести кварцевый клин и наблюдать смену интерференционных окрасок на данном зерне: а зерно становится темно-серым (произошла компенсация); интерференционная окраска клина соответствует интерференционной окраске минерала, но расположение осей индикатрисы в них обратное; б цвета сменяются последовательно и компенсации не происходит; повернуть столик микроскопа на 90° (или на 45° в противоположную сторону от положения погасания) и снова ввести клин, наблюдая за сменой окрасок до появления темно-серого цвета.

5. Определить, к какому порядку относится данная интерференционная окраска, т. е. установить разность хода в исследуемом минерале. Для этого, вынимая клин, по смене интерференционных окрасок на канадском бальзаме определяют порядок того цвета.

6. По таблице Мишель-Леви определить величину двупреломления минерала. По горизонтальной линии, соответствующей толщине шлифа (0,03 мм), находят цвет, который был компенсирован. По проходящей из угла диаграммы линии для этого цвета на верхней части диаграммы смотрят значение двупреломления.

Порядок определения угла погасания и знака зоны

1. Выбрать зерно с наивысшей интерференционной окраской для данного минерала. Поставить зерно на крест нитей.

2.

Поворотом столика микроскопа установить параллельно вертикальной нити окуляра какой-либо кристаллографический элемент, заметный в зерне (спайность, удлинение). Включить анализатор и определить характер погасания минерала:

если зерно темное, то минерал обладает прямым погасанием, т. к. его кристаллографические и кристаллооптические оси совпадают (угол погасания = 0°);

если зерно имеет интерференционную окраску, то минерал обладает косым погасанием; при положении спайности параллельно вертикальной оси взять отсчет по лимбу столика микроскопа (рисунок 7, а).

Риссунок 7. Схема определения угла погасания:

а) спайность || вертикальной нити; б) зерно на погасании; в) положение зерна при определении наименования оси индикатрисы получением компенсации. Пунктиром показано направление колебаний в николях

3. При включенном анализаторе повернуть столик микроскопа до наступления погасания данного зерна (столик микроскопа обычно поворачивают в сторону меньшего угла погасания). Взять второй отсчет по лимбу микроскопа (рисунок 7, б).

4. Разность отсчетов - угол погасания минерала.

5. Определить наименование оси индикатрисы, которая составляет этот угол погасания, т. е. той оси, которая была параллельна вертикальной нити. Повернуть столик микроскопа на 45° против часовой стрелки и вставить компенсатор. Получив компенсацию или понижение интерференционной окраски, устанавливают, что в этом направлении в зерне расположена ось Ng (рис. 7, в). При отсутствии компенсации или повышении окраски в этом направлении лежит ось Np.

6. Установить знак удлинения или знак зоны. Знак зоны положительный, если вдоль удлинения минерала расположена ось Ng. Знак зоны отрицательный, если вдоль удлинения минерала - ось Np.

Порядок исследования плеохроизма

Определение плеохроизма по осям Ng и Np

1. Выбрать сечение с наивысшей интерференционной окраской, обладающее наиболее резким плеохроизмом.

2. Определить наименование и расположение осей Ng и Np.

3. Поставить одну из осей индикатрисы параллельно направлению колебаний в поляризаторе (рисунок 8).

4. Выключить анализатор и посмотреть окраску минерала, соответствующую абсорбции по той оси индикатрисы, которая параллельна направлению колебаний в поляризаторе. Записать цвет минерала.

5. Повернуть столик микроскопа на 90° (до следующего погасания), т. е. совместить с направлением колебаний поляризатора вторую ось индикатрисы. Записать цвет.

6. Составить схему абсорбции по осям индикатрисы.

7. Ng> Np- схема абсорбции прямая; Ng< Np - схема обратная.

а) б) в)

Рисунок 8. Схема определения плеохроизма по осям Ng и Np: а) зерно на максимальном просветлении; б) с направлением колебаний в поляризаторе (РР) совмещена ось Ng; в) с РР совмещена ось Np

Определение плеохроизма по оси Nm

1. Выбираем сечение минерала с самой низкой интерференционной окраской (это круговое сечение, радиусом которого является ось Nm). Так как в круговом селении не должно быть практически плеохроизма, определение окраски сводится к определению цвета в сечении без плеохроизма при выключенном анализаторе.

2. Окраску по Nm сравниваем с ранее установленными окрасками по Ng и Np и составляют общую схему абсорбции для данного минерала, например, Ng > Nm > Np - прямая схема. Если окраска по Nm идентична или ближе по окраске к Ng, то минерал отрицательный. Если наблюдается обратная картина, т. е. окраска по Nm ближе к окраске Np, то минерал положительный.

3. Записываем схему абсорбции.

Исследования минералов в сходящемся свете (коноскопия)

Исследования в сходящемся свете позволяют установить:

1. Оптическую осность минерала.

2. Оптический знак.

3. Относительную величину угла оптических осей (для двуосных минералов).

В сходящемся свете изучается суммарный эффект, полученный при прохождении через зерно скрещенного пучка света. В зависимости от оптической осности минерала и ориентировки разреза фигуры интерференции имеют различные формы и свойства (рисунок 9).

Рисунок 9. Коноскопические фигуры одноосного минерала кальцита (А) и двуосного минерала флогопита со вставленным компенсатором (Б)

Определение осности, оптического знака и величины угла 2V минерала

1. При скрещенных николях с объективом 9^х- или 10^х-кратного увеличения находится зерно определяемого минерала с самой низкой интерференционной окраской и устанавливается в центре поля зрения.

2. Объектив меняется на 40^х- или 60^х-кратный, который затем осторожно, только поднимая тубус микроскопа, устанавливается на фокус.

3. Поднимается осветительная система и включается линза Лазо.

4. Вводится в систему анализатор.

5. Вынимается окуляр (первый способ) или включается линза Бертрана, но окуляр не вынимается (второй способ).

Рисунок 10. Определения осности, оптического знака и величины угла 2V

Примечание. Стрелки показывают направления лемнискат при введении кварцевого клина.

6. При вращении столика микроскопа наблюдается интерференционная фигура, по виду которой определяется осность минерала и ориентировка разреза (рисунок 10)

7. В двуосных минералах по степени изогнутости гиперболы или величине максимального расхождения гипербол приблизительно определяется угол оптических осей 2V.

8. С помощью компенсатора определяется оптический знак минерала.

1.4. Схема полного описания минерала при изучении его под микроскопом

Приступая к описанию исследуемого минерала, необходимо:

1. Внимательно просмотреть всю породу в шлифе с малым увеличением при одном николе, в скрещенных николях и примерно оценить, из скольких и каких породообразующих минералов она состоит.

2 Процентное содержание минерала в породе (приблизительно, без подсчета зерен). Оценить количественные соотношения минералов возможно по диаграмме визуальной оценки минералов (рис. 11).

3. Размеры зерен минерала. Для определения минералов используется микрометрическая линейка, имеющаяся в окуляре. Измеряются длина и ширина преобладающих по размеру зерен, а также размеры самых мелких и самых крупных зерен.

2.

3.

4.

5.

1% 3% 7% 15% 25% 40%

2% 5% 10% 20% 30% 50%

Рисунок 11. Диаграммы для визуальной оценки процентного содержания минералов в породах

4. Характеристика формы зерен минерала. Отмечается степень идиоморфизма зерен минерала и особенности формы их сечений: тетрагональные , ромбовидные, тригональные, гексагональные и искаженные полигональные рамки (рисунок12). На рисунке 13показаны гипидиоморфные и ксеноморфные монокристаллы двойниковые, радиально-лучистые сростки и зернистые агрегаты

5. Характеристика включений. Отмечается наличие или отсутствие включений, их количество, распределение, состав (твердые, жидкие, газообразные).

Твердые включения отличаются четким идиоморфизмом, например апатит или циркон в биотите; для жидких включений характерны неправильные очертания и относительно тонкие контуры, а газообразные чаще всего имеют округлую форму с грубыми контурами.

6. Описание продуктов разрушения минерала:

а) наличие или отсутствие;

б) количество продуктов разрушения;

в) минеральный состав;

г) характер процесса разрушения (по краям зерна, по трещинам или по всему зерну).

7. Спайность минерала:

а) наличие или отсутствие;

б) степень совершенства;

в) количество направлений, в которых проходят трещины спайности;

г) величина угла спайности.

Рисунок 12. Форма идиоморфных минералов: А - пират, Б - хромит, В – плагиоклаз, Г - гранат, Д - оливин, Е - роговая обманка, Ж-сфен (титанит), 3 - турмалин, И - альбит, К-апатит, Л - эгирин, М-андезин

Рис. 13. Форма некоторых минеральных индивидов и сростков