Menu

Изучение минералов в проходящем свете.

Перейдем к рассмотрению способов практических измерений, используемых для определения взаимоотношения индикатрисы с кристаллографическими направлениями в минералах.

7.8.1 Петрографический микроскоп (рис. 7.28)

В общих чертах петрографический (поляризационный) микроскоп состоит из вращающегося предметного столика, на котором размещается изучаемый минерал; поляризующего «фильтра», называемого поляризатором (находится под столиком) и другого подвижного «фильтра», называемого анализатором (расположен над препаратом). Важными вспомогательными компонентами, которые входят в комплект не всех микроскопов, являются: пересекающиеся под прямым углом нити, расположенные в фокальной плоскости окуляра таким образом, что одна из них проходит по линии С-Ю, а другая — по линии З-В; ирисовая диафрагма, находящаяся ниже предметного сто-

Рис. 7.28 Общий вид поляризационного микроскопа фирмы Leitz

лика и служащая для сужения падающего пучка света; щель в тубусе микроскопа, ориентированная пол углом 45° к пересекающимся нитям (в нее вводятся компенсационные пластинки); система конденсорных линз под столиком микроскопа, предназначенная для формирования в необходимых случаях лучей сходящегося света в плоскости расположения изучаемого минерала. В разных типах петрографических микроскопов имеется множество других усовершенствованных и модифицированных вспомогательных устройств.

7.8.2 Подготовка материала к работе

Для изучения минералов в проходящем свете следует использовать небольшие кристаллы или их обломки, которые способны пропускать свет, или нужно изготовлять шлифы. Зерна либо небольшие кристаллы обычно погружают в каплю иммерсионной жидкости с известным показателем преломления, чтобы устранить сильное преломление света по краям, и затем жидкость с минералом накрывается покровным стеклом. Для изготовления шлифов плоскую поверхность минерала или минерального агрегата (породы) шлифуют; подготовленный препарат затем приклеивают к стеклянной пластинке канадским бальзамом или синтетической смолой с известным и устойчивым показателем преломления. По давней традиции используется смола с n = 1,54. После этого минерал или породу шлифуют с помощью карборундового порошка со все уменьшающимся размером частиц до необходимой толщины (стандартная толщина составляет 0,03 мм). И в заключение на препарат наклеивается покровное стекло.

7.8.3 Изучение минералов в плоскополяризованном свете

Поляризатор под столиком микроскопа устанавливается таким образом, чтобы его плоскость поляризации (т.е. направление колебаний проходящего через него света) была параллельна одной из пересекающихся нитей окуляра. Обычно выбирают нить с направлением З-В (горизонтальную), если пользоваться географическим понятием. Нужное положение находится путем постепенного вращения поляризатора. Чтобы проверить, правильно ли установлена плоскость поляризации, используется такое свойство минералов, как плеохроизм, который резко проявляется у биотита. У этого минерала наибольшее поглощение света, прошедшего через поляризатор, происходит в положении, когда направление его колебаний параллельно спайности. Направление колебаний света в анализаторе будет перпендикулярно направлению его колебаний в поляризаторе.

Изотропные минералы

Изучение изотропных минералов проводят следующим образом.

1. Вводим анализатор над минералом и вращаем столик микроскопа. Если зерно остается темным при полном обороте столика и такая же картина наблюдается у нескольких зерен, находящихся в беспорядочной ориентации, то минерал является изотропным. Подобно предметному стеклу, на котором он расположен, минерал не оказывает никакого воздействия на поступающий снизу поляризованный свет, который гасится анализатором, создавая впечатление полного отсутствия зерен. Если при вращении столика зерно в некоторых положениях пропускает свет, то оно анизотропно. В таком случае зерно становится темным четыре раза за один полный оборот столика с интервалом 90°.

2. При выдвинутом из тубуса анализаторе необходимо отметить еще одно свойство минерала — его цвет в проходящем свете, который часто отличается от наблюдаемого в отраженном свете.

3. Следующий шаг — измерение показателя преломления. В препаратах, изготовленных из зерен минералов, измерения проводят путем сравнения показателей преломления исследуемого минерала и иммерсионных жидкостей, что позволяет получать высокую точность определений. Если измерения проведены достаточно тщательно, то полученные результаты являются такими же надежными характеристиками, как отпечатки пальцев, и по ним можно идентифицировать минерал (см. Приложение II). В шлифах показатель преломления определяют с помощью полоски Бекке или путем сравнения с показателем преломления зерна известного минерала, контактирующего с изучаемым. Еще один способ состоит в сравнении с показателем преломления бальзама (n = 1,54), используемого при изготовлении шлифов.

В силу того что бальзам покрывает всю свободную от минеральных зерен поверхность шлифа и проникает во все трещины, он становится иммерсионной средой для исследуемых минералов. Различие в показателях преломления между зерном и бальзамом приводит к проявлению у зерна высокого или низкого рельефа. Если разница в показателях небольшая, то зерно выглядит плоским и ровным без четких очертаний. Если же эта разница велика (скажем, 0,05 и больше), то очертания зерна становятся резкими, а трещины более отчетливыми. По мере возрастания разности показателей преломления становится заметной шероховатость поверхности, оставшаяся при полировке шлифа. Эти эффекты значительно усиливаются и становятся более отчетливыми, когда ирисовая диафрагма под столиком микроскопа частично закрыта. Опытные микроскопи-сты уделяют большое внимание регулировке этой диафрагмы для получения максимально контрастного эффекта.

Рельеф может указывать, «выше» или «ниже» показатель преломления минерала по сравнению с показателем преломления бальзама, причем различие оценивается с помощью полоски Бекке. Изотропные минералы, имеющие только один показатель преломления, ведут себя в ходе кристаллооптических исследований единообразно, независимо от их ориентации по отношению к направлению колебаний поступающего снизу поляризованного света.

4. Цвет и рельеф позволяют определить форму минеральных зерен, которую следует описать. Поскольку исследователь видит какой-то случайный срез зерна, то для получения объективного представления о кристаллографических формах и габитусе минерала необходимо просмотреть как можно большее количество зерен.

Изотропные (кубические) минералы, очевидно, должны обладать изометрическими формами, если только они не являются ксе-номорфными выделениями.

5. Также следует отмечать наличие спайности, проявляющейся в виде закономерных серий параллельных трещин, и определять угол между присутствующими различными их направлениями. Если две системы трещин перпендикулярны плоскости шлифа, то при изменении фокусного расстояния не будет возникать впечатления, что они расходятся в разные стороны. В этом случае возможно точно определить угол между разноориентированными трещинами, вращая столик микроскопа таким образом, чтобы поочередно выставлять трещины каждого направления параллельно какой-либо одной нити окуляра.

6. На кристаллографических плоскостях могут закономерно располагаться включения чужеродных веществ и пустоты, которые в этом случае являются полезными индикаторами кристаллографических особенностей и условий роста минерала1.

7. Минералог должен не только заниматься диагностикой минералов, но и изучать их связь с ассоциирующими минералами с целью выяснения последовательности образования, относительной скорости роста, взаимосвязанных ориентации в пространстве, химических взаимодействий и процессов соосаждения, поздних изменений и других подобных вопросов. Структурные соотношения между минералами подразумевают такое большое разнообразие наблюдений и заключений, что у нас нет возможности рассматривать их в этой книге. Вместе с тем они должны описываться наряду с данными, получаемыми при идентификации минералов.

Анизотропные минералы

Исследование анизотропных минералов аналогично изучению изотропных, но из-за некоторых особенностей необходимо сделать следующие дополнения.

1. В рассматриваемом случае цвет может меняться в зависимости от направления колебаний света в минерале. Это явление дихроизма в одноосных минералах, обладающих двумя раз-

ными направлениями поглощения света, уже упоминалось в разд. 7.6.3. В двуосных минералах подобный эффект называется плеохроизмом, причем в этих минералах могут существовать три разных направления поглощения света.

Дихроизм и плеохроизм оцениваются в таком положении кристалла, когда каждая главная ось индикатрисы параллельна плоскости колебаний поляризатора. Необходимо отмечать относительную степень поглощения света в трех направлениях. Приведем примеры подобных описаний изменения окраски:

2. У анизотропных минералов в общем имеются два значения показателя преломления в соответствии с разрешенными направлениями колебаний света для данной плоскости среза Когда какое-либо из них параллельно плоскости колебаний поляризатора, то проходящий через него свет будет колебаться только в этом разрешенном направлении. Если такое направление отсутствует, то свет дважды преломляется и частично начинает колебаться в каждом из разрешенных направлений. В этом случае для точного сравнения показателей преломления нужно вращать зерно таким образом, чтобы свет проходил вначале по одному, а затем по другому разрешенному направлению, и оценить оба показателя преломления. Для постановки зерна в эти необходимые положения надо ввести анализатор и вращать зерно до тех пор, пока оно полностью не потемнеет (т.е. поставить его но погасание). Затем вывести анализатор и оценить показатель преломления. После этого зерно поворачивается точно на 90° и исследуется при другом направлении световых колебаний.

Оценка рельефа и в этом случае представляет определенный интерес. Она проводится так же, как и при изучении изотропных кристаллов. Иногда показатели преломления настолько различны, что при вращении столика рельеф изменяется очень резко, и наблюдаемая при этом картина называется (не совсем правильно) мерцанием. Это явление наиболее заметно у кальцита (пе = 1,486, n0 = 1,658), один показатель преломления которого намного выше, чем у бальзама (n = 1,54), а другой очень близок к нему или несколько ниже.

7.8.4 Наблюдения при скрещенных николях

Когда верхний поляризатор введен в оптическую систему микроскопа таким образом, что его плоскость поляризации находится под прямым углом к плоскости поляризации нижнего поляризатора, говорят, что николи скрещены. Если на столике микроскопа отсутствует препарат, то поле зрения будет темным, так как свет, проходящий через нижний поляризатор, колеблется в плоскости поглощения анализатора.

Изотропные минералы

Как уже было показано, свет проходит через изотропные вещества без изменения, т. е. не испытывая двупреломления (если не считать небольшого изменения в скорости), и поэтому гасится анализатором. Изотропные вещества в скрещенных ни-колях выглядят темными и остаются такими при любом повороте столика.

Анизотропные минералы

Интерференционная окраска. Анизотропные вещества при скрещенных николях пропускают свет через анализатор; объяснение этому дается на рис. 7.29. Поступающий из поляризатора плоско-поляризованный свет, входя в анизотропный кристалл, распадается на два луча, которые колеблются в соответствии с разрешенными в кристалле направлениями. На рис. 7.29 направление колебаний быстрой волны обозначено OF, а медленной — OS. После прохождения через кристалл эти лучи колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях и, следовательно, не интерферируют друг с другом. Однако одна группа волн распространяется медленнее, чем другая, из-за разницы в скоростях, обусловленной различием в показа-

Рис. 7.29

Схема прохождения света через микроскоп при скрещенных николях.

телях преломления у двух разрешенных направлений колебаний1.

Пройдя через анализатор, составляющие двух пучков OF' и OS' начинают колебаться в одной плоскости AA, которая является плоскостью пропускания света анализатором. Из рисунка видно, что в какой паре квадрантов ни взять OF и OS, OF' и OS' можно выразить следующим образом:

Амплитуда колебаний этих волн будет зависеть от значения угла 0 между разрешенными направлениями колебаний в кристалле и плоскостью поляризатора. Очевидно, что величина амплитуды будет наибольшей при 0 — 45°.

Если разность фаз, возникающая при прохождении монохроматического света через пластинку кристалла, окажется равной нулю, то составляющие OF' и OS', направленные в противоположные стороны, будут гасить друг друга. Это явление называется погасанием света. Когда разность фаз составляет 2p, 4p и т. д. (т. е. целое число длин волн), то OF' и OS' будут опять-таки направлены в противоположные стороны и снова гасят друг друга.2 При всех остальных значениях разности фаз свет будет проходить через минерал без погасания. В таком случае его амплитуду и, следовательно, интенсивность можно определить с помощью фазового круга.

Теперь рассмотрим особенности прохождения через оптическую систему микроскопа белого света. Пусть разность хода, возникающая в кристалле при данной толщине пластинки, равна целому числу длин волн только для одного ее значения в спектре белого света. Такие волны гасятся анализатором. Однако у других волн спектра белого света разность хода не равняется целому числу волн при их прохождении через пластинку, и поэтому они пропускаются анализатором. Возникающая при этом окраска соответствует той, которая образуется при исключении из спектра белого света погашенных волн. Этот воспринимаемый глазом цвет называется интерференционной окраской.

Интерференционную окраску определяют следующие факторы.

1. Разница между наибольшим и наименьшим показателями преломления кристалла. Она зависит от силы двупреломления кристалла и обозначается как пе — п0 (для положительных одноосных минералов), п0 — пе (для отрицательных одноосных минералов) и п — пр (для дву-осных минералов).

2. Направление среза шлифа. Для всех срезов, за исключением тех, которые у одноосных кристаллов параллельны оптической оси, а у дву-осных — плоскости оптических осей, разница между большой и малой полуосями эллиптических сечений индикатрисы будет меньше, чем возможное максимальное значение, определяемое п. 1. Двупреломление, обусловленное разницей между полуосями эллиптического сечения индикатрисы, называется частным дву-преломлением. Оно обозначается как п 'е — п0, п0 — п'е и п'Е — п'р, где отмеченный штрихом символ указывает на то, что эти значения приближаются к п, пр и т. д.

3. Толщина шлифа. Как было показано выше, при прохождении через кристалл света, два поляризованных пучка которого колеблются под прямым углом друг к другу, один пучок запаздывает относительно другого в силу того, что его колебания происходят в направлении,

обладающем более высоким показателем преломления. Чем длиннее пути лучей, имеющих различные скорости, тем значительнее будет запаздывание одного из них.

В этом легко убедиться, поместив на столике микроскопа пластинку кварца, выпиленную параллельно оптической оси под углом 45° к кресту нитей (такой кварцевый клин обычно прилагается к микроскопу). При таком положении клина в каждом его направлении колебаний пропускается максимальное количество света. Во время этих наблюдений следует использовать натриевую лампу или поместить желтый фильтр перед лампой белого света, чтобы получить в достаточной степени монохроматический свет на входе в микроскоп, ни-коли которого должны быть скрещены.

Когда кварцевый клин вдвигается скошенным концом в оптическую систему микроскопа, то создается впечатление, что по всей поверхности клина вдоль его длины пробегают широкие желтые полосы, равномерно разделенные более узкими темными зонами. Данное явление объясняется тем, что желтый свет, проходя в виде двух пучков через кварц, формируется анализатором в единый пучок света с одинаковой длиной волны (так как на пути света не было препятствующих этому причин). У такого света амплитуда, а значит и интенсивность, при прохождении по кварцевому клину меняются в зависимости от того, насколько два исходных пучка различались по фазе. Если разность фаз соответствует целому числу длин волн, то волны интерферируют с ослаблением (т.е. взаимно гасятся) и в поле зрения возникают темные полосы. С увеличением толщины клина сначала наблюдается первая темная полоса, соответствующая разности хода X, затем вторая полоса, соответствующая 2X, потом ЗА и т.д. Одинаковые расстояния между темными полосами вдоль длины клина говорят о том, что равномерное увеличение толщины клина приводит к большему запаздыванию медленного луча относительно быстрого на величину 11. Таким образом, увеличение толщины кварцевого клина на расстоянии между двумя темными полосами приводит к тому, что медленный луч каждый раз запаздывает по отношению к быстрому на 589 HM. Наиболее яркие участки

последовательных желтых полосок возникают при разности фаз 1/2X, 3/2X, 5/2X и т. д., т.е. когда две составляющие компоненты света, пропущенные анализатором, усиливают друг друга.

Если вместо монохроматического использовать белый свет, то цвет по длине кварцевого клина меняется от серого до белого и затем через желтый и оранжевый переходит к красному; вслед за этим возникает последовательное повторение ньютоновской шкалы цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Обычно подобное повторение цветов наблюдается четыре раза, и при этом они начинают постепенно бледнеть, одновременно приобретая розоватый оттенок. Такая окраска определяется как «белая высокого порядка». Повторяющиеся участки, окрашенные в разные цвета и разделяемые красными полосами, называются интерференционными окрасками первого, второго, третьего и т. д. порядка (рис. 7.30). Каждый порядок цветов образуется оставшимися длинами волн, когда за счет разности хода при увеличении толщины клина одна за другой гасятся длины волн белого света.

В общем разность хода, или разница в длине оптического пути лучей, определяется соотноше-

где А —разность хода в HM, ns и nf —показатели преломления у медленного и быстрого направления колебаний в данном срезе минерала и t — толщина среза в HM. Частные двупреломления (ns -nf) сечения будут в различных случаях характеризоваться следующими значениями: п'е—п0, п0 — п'е или u'g - n'p.

Разность фаз б определяется как

Номограмма двупреломления Мишель-Леви

Поскольку интерференционная окраска зависит от толщины препарата, в оптической минералогии обычно изготавливают шлифы стандартной толщины, равной 0,03 мм. При такой толщине максимальная интерференционная окраска в обычном кварце выглядит белой с очень слабым жел-

Рис. 7.31 Компенсатор Берека

тым оттенком. Если толщина среза известна, то двупреломление изучаемого минерала можно оценить, просматривая несколько шлифов различной ориентации и сопоставляя установленное при этом максимальное значение цвета интерференции с номограммой Мишель-Леви (рис. 7.30). Чтобы определить величину двупреломления, необходимо из точки, где наблюдаемая цветовая полоса пересекается со значением толщины шлифа, проследовать по соответствующей наклонной линии к правому краю номограммы. И наоборот, максимально возможная окраска для зерна минерала с известной величиной двупреломления оценивается исходя из толщины шлифа.

Для определения порядка интерференционной окраски используется кварцевый клин, вводимый в соответствующую прорезь в верхней части тубуса микроскопа под углом 45° к кресту нитей. Наблюдения следует проводить над зерном минерала с максимальной интерференционной окраской Оптическая ось, соответствующая направлению медленного колебания света в кварце, располагается параллельно удлинению кварцевого клина. Если теперь вдвигать клин в прорезь, то по мере увеличения его толщины возможны два варианта.

1. Направление медленных колебаний света в клине совпадает с направлением медленных колебаний в пластинке минерала. В этом случае разность хода в минерале и клине совпадают и возникающая цветная полоса располагается ближе к острому краю клина, чем если бы в оптическую систему микроскопа был введен только один клин.

2. Направление медленных колебаний света в клине параллельно направлению быстрых колебаний в минерале; тогда, естественно, быстрые колебания света в клине параллельны медленным колебаниям в минерале. В таком случае разности хода в минерале и клине противодействуют друг другу и при определенной толщине последнего оба запаздывания света будут компенсированы. При этом характеристики света, выходящего через верхнюю поверхность клина, полностью совпадают с теми, которые имеет свет, проходящий через нижний поляризатор, и, следовательно, свет будет гаситься анализатором. В результате на минерале появляется темно-серая полоска, называемая компенсационной полоской Она образуется вследствие того, что эффект двупреломления клина компенсирует двупреломление минерала. Набор цветов, возникающих в клине при таком его положении, характеризует разность хода лучей в минерале; последняя с учетом толщины минерала позволяет определить величину его двупреломления.

Если в начале изучения минерала возникла ситуация, описанная в п. 1, то шлиф поворачивают на 90°, чтобы найти положение, соответствующее состоянию компенсации.

Компенсатор Берека

В этом устройстве кальцитовый диск, выпилен -ный перпендикулярно его оптической оси, размещается в тубусе микроскопа на держателе, который позволяет ему вращаться, оставаясь в одной и той же плоскости (рис. 7.31). Ось вращения расположена под углом 45° к плоскостям николей. Устанавливаем на столике микроскопа шлиф в положение с максимальной интерференционной окраской и начинаем поворачивать кальцитовый диск. Как только наблюдаемая в шлифе плоскость кальцита выводится из кругового сечения его индикатрисы и одновременно увеличивается эффективная толщина кальцитового диска, разность хода начинает быстро возрастать. Угол поворота столика регистрируется в тот момент, когда увеличение разности хода компенсирует аналогичную величину у изучаемого минерала. По установленной зависимости разности хода от величины замеренного угла строится калибровочный график. Подобно всем другим методикам, использующим компенсационный эффект, положение, при котором направление колебаний света в минерале противодействует тому, которое задает компенсатор, находится в ходе ряда попыток.

Измерение толщины зерен

Всякое определение величины двупреломления путем наблюдения за интерференционной окраской или посредством компенсации света требует, чтобы были точно известны ориентация и толщина зерен. Разрез необходимой ориентации обычно находят, просмотрев достаточно большое количество зерен. Подбор зерна с нужной для исследования толщиной может оказаться более трудной задачей.

Чтобы получить участок зерна одной требуемой толщины, как правило, шлифуют обе поверхности изучаемого минерала. Большинство существующих микроскопов оборудованы устройством для тонкого регулирования фокусировки, с помощью которого можно сфокусировать вначале нижнюю, а затем верхнюю поверхность зерна и определить таким образом его толщину. На практике осуществить с достаточной точностью эту операцию совсем не просто, так как глубина фокусировки (необходимая для фокусирования на обеих поверхностях) оказывается очень большой и может ограничиваться величиной перемещения кремальеры микроскопа.

Если в исследуемом препарате присутствуют зерна известного минерала, находящиеся в требуемой ориентации, то создается наиболее благоприятная ситуация для определения толщины препарата. При отсутствии таких зерен можно вокруг зерен неизвестного минерала разместить зерна кварца, по которым следует осуществлять контроль за толщиной препарата.

Величина двупреломления, определенная в шлифах по интерференционным окраскам, является весьма ценной характеристикой, которая неизменно используется в оптической минералогии. Тем не менее необходимо отметить, что описанный выше способ оценки этой величины по существу является качественным, а не количественным, если только не используются специальные приемы. В большинстве случаев наиболее точный способ определения величины двупреломления состоит в выделении зерен неизвестного минерала и непосредственном измерении у них главных показателей преломления с помощью иммерсионных жидкостей.

Положение погасания

Приведенное выше описание процесса формирования интерференционных окрасок применимо к разрезам анизотропных минералов в их произвольной ориентации, когда ни одно из разрешенных в них направлений колебания света не совпадает с плоскостью поляризации. Если же вращать шлиф минерала при скрещенных николях, то сначала одно, а затем другое разрешенное направление колебаний становится параллельным плоскости поляризатора. При этом весь свет, поступающий от поляризатора, будет проходить через минерал, обладая колебаниями только в разрешенном направлении, параллельном плоскости поляризатора, и будет гаситься анализатором. Когда минерал оказывается в таких положениях, он выглядит темным, т. е. находится в положении погасания. При полном повороте вокруг вертикальной оси микроскопа минерал оказывается в положении погасания четыре раза.

Погасание возникает тогда, когда направления колебаний в изучаемом шлифе параллельны кресту нитей окуляра микроскопа (плоскостям поляризатора и анализатора). Это положение фиксируется путем измерения угла, который образуется при погасании между одной из нитей окуляра и каким-либо существующим физическим направлением в исследуемом минерале — прямыми границами зерна (представляют собой следы граней кристалла), спайными трещинами (также соответствуют следам отдельных кристаллографических

плоскостей) или четко проявленному удлинению кристалла.

Замер угла погасания проводится по градуированной шкале вращающегося столика микроскопа путем последовательного выведения параллельно одному из направлений креста нитей сначала выбранного физического направления в минерале, а затем изучаемого направления колебаний света.

Прямое погасание происходит тогда, когда направление колебаний света параллельно выбранному физическому направлению кристалла или его удлинению.

Косое погасание характеризуется углом между направлением колебаний света и физическим направлением в минерале или его удлинением. Величину угла погасания следует отмечать при описании оптических свойств минерала.

Термин симметричное погасание используется в тех случаях, когда направления колебаний света проходят по биссектрисам углов, образованных двумя системами спайных плоскостей. Такое явление наблюдается у авгита и роговой обманки, если их срез перпендикулярен оси z.

При измерении углов погасания необходимо просмотреть как можно больше зерен, находящих-(я в различной ориентации, чтобы получить представление о характере расположения индикатрисы по отношению к кристаллографическим осям.

Быстрые и медленные направления колебаний света и знак удлинения

Существующие в анизотропных срезах минералов два направления колебаний пропускают свет с разной скоростью. Запаздывание света, проходящего по направлению, соответствующему более низкому показателю преломления, оказывается меньшим, чем того, который распространяется в направлении большего показателя преломления. При выяснении положения индикатрисы в ходе просмотра шлифов, содержащих исследуемый минерал в различной ориентации, во многих случаях возникает необходимость определить «быстрое» (низкий показатель преломления) и «медленное» (высокий показатель преломления) направления колебаний. Эти направления оцениваются путем поворота шлифа на 45° из положения погасания. При этом в щель тубуса микроскопа под углом 45° к кресту нитей вводится пластинка известного минерала (с известным направлением колебаний света вдоль удлинения пластинки) — обычно кварца или гипса, которые пришлифованы до толщины, позволяющей получить красную интерференционную окраску первого порядка. Такие пластинки, называемые пробными или компенсационными, характеризуются известными направлениями колебаний света, которые по удлинению кварцевой пластинки являются медленными (Z), а по удлинению гипсовой — быстрыми (X). Эти пластинки обычно прилагаются к петрографическим микроскопам2.

Например, введя поверх шлифа кварцевую компенсационную пластинку, можно получить две ситуации.

1. Если направление медленных колебаний света у кварцевого компенсатора параллельно направлению соответствующих колебаний в минерале, то и направления их быстрых колебаний должны быть параллельны. В этом случае разности хода лучей в компенсационной пластинке и минерале будут суммироваться, а ин-терференционая окраска повысится до голубой или еще более высокой в зависимости от возрастания величины хода.

2. Если направления колебаний света в изучаемом минерале и в компенсационной пластинке противоположны, произойдет уменьшение общей разности хода и окраска в шлифе снизится до желтой в зависимости от степени этого уменьшения.

С другой стороны, для подобных определений можно использовать кварцевый клин, что оказывается более удобным при изучении зерен, обладающих высоким двупреломлением. В этом случае находится положение компенсации света (см. выше, с. 201), при котором запаздывания света у зерна и у клина противодействуют друг другу. Если при определении этого положения возникают трудности, то для прояснения ситуации можно попробовать снять окуляр микроскопа или ввести линзу Бертрана (если она имеется). Тогда положение компенсации в большинстве случаев будет определяться по появлению четкой темной полоски, пересекающей всю гамму цветов, видимых при введенном клине.

Знак удлинения минерала считается положительным, когда направление медленных колебаний света параллельно (или почти параллельно) удлинению изучаемого зерна минерала, и отрицательным в тех случаях, когда его удлинение параллельно направлению быстрых колебаний света. Нам представляется, что условно выбранные знаки удлинения — менее подходящие термины, чем предлагаемые нами выражения «медленное удлинение» и «быстрое удлинение»1. Если индикатриса ориентирована таким образом, что ее ось Y (пт) параллельна удлинению кристаллов, то некоторые из них будут иметь быстрое удлинение, а некоторые — медленное, что также имеет значение при диагностике минералов.

7.8.5 Исследования в сходящемся свете

Ранее неоднократно говорилось об исследованиях в приблизительно параллельных лучах света, проходящих одним и тем же путем через атомную решетку кристаллов. Такой метод изучения минералов называется ортоскопическим. Но мы можем получить более полную информацию об ориентации и оптических характеристиках анизотропных кристаллов, если используем пучок света, лучи которого в значительной степени сближаются на плоскости изучаемого среза минерала. Этот метод называется коноскопическим.

Картина, наблюдаемая в коноскопическом методе, не дает изображения самого минерала, а воспроизводит возникающие интерференционные эффекты; для ее получения оптическая система микроскопа настраивается следующим образом.

1. Конденсорную линзу, расположенную под столиком микроскопа, необходимо ввести таким образом, чтобы получить сходящийся пучок света. В микроскопах старой конструкции это обеспечивалось применением вспомогательной линзы, но в современных приборах нужный свет создается посредством полного раскрытия находящейся под столиком ирисовой диафрагмы (в этом случае отпадает необходимость введения дополнительных линз).

2. Для получения максимально широкого конуса света, расходящегося выше плоскости исследуемого препарата, необходимо использовать высокократный объектив с большой числовой апертурой.

3. Николи должны быть скрещены.

4. Теперь необходимо увидеть тыловую сторону линзы объектива, для чего следует снять окуляр и смотреть в тубус микроскопа. Наиболее просто интерференционную картину можно наблюдать, если на место окуляра надеть колпачок с просверленным в его центре небольшим отверстием, ориентирующим глаз наблюдателя по оси прибора. Другой способ состоит в том, чтобы, оставляя окуляр на месте, ввести в оптическую систему микроскопа между анализатором и окуляром линзу Бертрана, вдвигая ее или поворачивая с помощью рычажного устройства. Однако в петрографических микроскопах простой конструкции линзы Бертрана могут отсутствовать.

Отбор кристаллов для изучения

Предлагаемый способ отбора кристаллов для исследования основан на степени проявления ими двупреломления и применим только к анизотропным минералам. Для исследования пригодны только те их зерна, которые ориентированы приблизительно перпендикулярно оптической оси одноосных и двуосных минералов, и те из двуос-ных, которые перпендикулярны биссектрисе, а в ряде случаев — перпендикулярны оси индикатрисы Y (uj.

Зерна, распиленные перпендикулярно оптической оси, в шлифах распознаются по тому признаку, что они остаются почти полностью темными в процессе вращения столика микроскопа при скрещенных николях. Зерна, перпендикулярные к биссектрисе, имеют сравнительно низкую интерференционную окраску, но их определить бывает трудно и на это нужно затратить определенные усилия. Зерна, перпендикулярные оси индикатрисы Y, обладают максимальными интерференционными окрасками, свойственными данному изучаемому минералу. При исследовании группы раз-

личных зерен используются те же приемы, однако их применить в ряде случаев может быть труднее из-за меняющейся толщины зерен, и тогда для нахождения зерна с нужной ориентацией может потребоваться большее время.

Фигуры интерференции одноосных минералов

Если в белом коноскопическом свете рассматривать зерно одноосного минерала, обладающего высоким двупреломлением, когда его оптическая ось направлена вверх по тубусу микроскопа, то мы увидим темный крест, балки которого параллельны кресту нитей, и ряд окрашенных концентрических колец, в каждом из которых наблюдается последовательность цветов ньютоновской шкалы спектра (рис. 7.32). Такая картина объясняется следующим образом.

Поступающий снизу сходящийся свет, проходя через минерал вверх, расширяется, образуя при этом ряд световых конусов, которые под все большим углом расходятся в стороны от центрального луча, падающего перпендикулярно на минерал (рис. 7.32, а). Центральный луч, будучи параллельным оптической оси, не испытывает двупре-ломления, а расходящиеся лучи отклоняются от оптической оси и поэтому обладают двупреломлением. Кроме того, каждый все более удаленный от центрального конус лучей проходит по кристаллу более длинный путь и все сильнее отклоняется от линии, параллельной оптической оси. Поэтому при перемещении от центра к краям поля зрения происходит возрастание как разности (ns — n), так и значения С, которые входят в уравнение разности хода А = (ns — nf)t. Увеличение разности хода в радиальном направлении от центра поля зрения приводит к тому, что при скрещенных николях возникают концентрические круги, окрашенные в разные цвета спектра.

Темная область в центре креста является тем местом, где свет входит в минерал при нормальном падении и направлен вдоль оптической оси, что заставляет минерал вести себя подобно изотропному. Чтобы объяснить потемнение балок креста, нужно обратиться к существующей у одноосных минералов закономерности, согласно которой е-лучи колеблются в той плоскости, где находятся падающий луч и оптическая ось, а о-лучи колеблются перпендикулярно к этой плоскости.

Таким образом, е-лучи конусов света повсюду будут колебаться радиально по отношению к возникающим концентрическим кругам, а о-лучи — по касательной к ним. Поэтому в направлении B-3 креста нитей весь проходящий через кристалл свет будет колебаться как е-лучи, а следующий по направлению С-Ю — как о-лучи. Свет, совершающий колебания в плоскости поляризатора подобным образом, гасится анализатором, что приводит к потемнению балок креста. Следовательно, балки креста являются геометрическим местом точек, где одно из направлений колебания света в минерале параллельно плоскости поляризатора (рис. 7.32, а).

Практическое использование фигуры интерференцииодноосныхминералов

Эта фигура позволяет получать следующую информацию.

1. Устанавливать принадлежность минерала к тетрагональной, гексагональной или тригональ-ной сингонии.

2. Оценивать силу двупреломления минерала, которая определяется по резкости изображения креста и числу цветных колец, наблюдаемых в шлифе стандартной толщины (0,03 мм). Апатит (п0 — пе = 0,003) и нефелин (п0 — пе = 0,004) дают широкий размытый крест с бледно окрашенными квадрантами. Кварц (пе — п0 = 0,009) образует четкий черный крест с серо-белыми квадрантами, но цветных колец не возникает. У пижонита (ng — np = 0,03) квадранты окрашены в желтый цвет, у циркона (пе — п0 = 0,06) имеется одно оранжево-красное кольцо. Кальцит (п0 — пе =0,172), если возникающая фигура располагается в центре поля зрения, характеризуется двумя порядками спектральных цветов, каждый из которых заканчивается красным цветом, а если фигура сдвинута относительно центра, то в квадрантах может появиться до четырех цветных колец, которые с удалением от центра становятся все бледнее.

3. Если в процессе наблюдения за минералом ввести в оптическую систему кварцевую np-пластинку под углом 45° к кресту нитей, то могут возникнуть фигуры двух видов:

а) Разности хода у оптически положительных минералов (пе > n0) и пластинки суммируются в

двух противоположных квадрантах, которые расположены параллельно удлинению пластинки; в двух других квадрантах, ориентированных поперек удлинения пластинки, разности хода будут вычитаться (рис. 7.32, б). Когда запаздывания суммируются, то возникающая интерференционная окраска повышается по спектральной шкале от красно-фиолетовой первого порядка, которую создает компенсационная пластинка, до голубой, тогда как в двух других квадрантах она падает до желтой. Черный крест при этом принимает красную окраску компенсационной пластинки. При использовании ^-пластинки следует руководствоваться следующим правилом: если окраска желтых квадрантов при введении пластинки повышается, то оптический знак минерала положительный.

б) В оптически отрицательных минералах наблюдается обратный эффект, и желтые квадранты теперь параллельны удлинению пластинки. Таким образом, при введении пластинки по ее удлинению порядок цветов понижается, что указывает на отрицательный знак минерала.

Аналогичным образом используется кварцевый клин. В этом случае окрашенные кольца смещаются к центру в тех квадрантах, где запаздывания суммируются, и расходятся к периферии в тех квадрантах, где запаздывания вычитаются. На рис. 7.33 показано изменение интерференционной фигуры в косом срезе одноосного минерала при вращении столика, т. е. в том случае, когда оптическая ось кристалла не находится в центре поля зрения микроскопа. При этом балки креста, перемещаясь через поле зрения, остаются параллель-

Рис. 7.32 Интерференционная фигура одноосного кристалла.

Интерференционная фигура косого среза одноосного кристалла при вращении препарата по часовой стрелке; знаком + обозначены последовательные положения оптической оси

Рис. 7.33 Интерференционная фигура косого среза одноосного кристалла.

Интерференционная фигура двуосного кристалла, перпендикулярная к О.Б.

(а) Под углом 45* (б) Параллельное положение

Рис. 7.34 Интерференционная фигура на разрезе, перпендикулярном острой биссектрисе двуосного кристалла.

ними кресту нитей. Эта фигура вполне информативна: наблюдая за ней, можно получить почти все те же сведения, которые дает центрированная. Ее отличие от нецентрированной фигуры двуосного минерала заключается в том, что у последней темные балки проходят через поле зрения, все время меняя свою ориентацию. Однако остается вероятность ошибиться при наблюдении нецентрированной фигуры двуосного минерала с малым углом оптических осей, поведение которой очень похоже на поведение нецентрированной фигуры в одноосном минерале.

Интерференционные фигуры двуосных минералов

Разрез, перпендикулярный к острой биссектрисе. При использовании обычных высокократных объективов в разрезе, перпендикулярном к острой биссектрисе двуосного минерала со средним углом оптических осей (менее 45°), в поле зрения наблюдается выход обеих биссектрис.

На рис. 7.34 показаны интерференционные фигуры, образующиеся, когда такой разрез наблюдается в сходящемся свете при следующих двух положениях: 1) плоскость оптических осей находится под углом 45° к кресту нитей и 2) плоскость оптических осей параллельна его нити В-3. В первом положении видны две изогнутые темные балки (изогиры) ширина которых минимальна в точках выхода оптических осей. Изогиры всегда обращены выпуклостью в сторону острой биссектрисы, и их кривизна увеличивается по мере уменьшения угла оптических осей. В толстых шлифах или у минералов с высоким двупреломлением вокруг оптических осей могут возникать цветные кольца, называемые лемнискатами. При удалении к периферии они сливаются в общие для обеих осей овалы. Эти кольца не всегда видны в стандартных шлифах обычных породообразующих минералов, но нередко обнаруживаются при просмотре множества зерен. Для демонстрации этой фигуры очень удобно использовать чешуйки мусковита, находящиеся на предметном стекле микроскопа в положении, когда их острая биссектриса перпендикулярна поверхности. Если требуется уменьшить толщину препарата, то чешуйки мусковита следует расщепить.

При постановке препарата в параллельное положение изогиры сдвигаются и сливаются в крест, одна балка которого, параллельная плоскости оптических осей, очерчена более четко по сравнению с другой и имеет пережимы в точках выхода оптических осей.

Особенности интерференционной фигуры дву-осных минералов можно объяснить с помощью правила Био—Френеля (разд. 7.7.4), согласно которому направления колебаний любого луча, проходящего через двуосный минерал, ориентированы по биссектрисам углов между содержащими их плоскостями и каждой оптической осью поочередно. Если проекции этих плоскостей нанести на схему интерференционной фигуры двуосно-го минерала и провести биссектрисы углов между указанными направлениями (рис. 7.35), то можно увидеть, что в первом приближении1 изогиры представляют собой Геометрические места расположения точек, в которых направления колебаний параллельны кресту нитей, и смещение изогир при вращении плоскости оптических осей вполне объяснимо. В свою очередь, лемнискаты являются геометрическим местом точек, для которых выполняется условие равенства разности хода лучей

Рис. 7.35 Направления колебаний на разрезе с острой биссектрисой, приблизительно оцененные по правилу Био—Френеля. PP и AA — плоскости поляризатора и анализатора соответственно.

Рис. 7.36 Стереограмма, построенная в соответствии с правилом Био—Френеля и показывающая поведение лучей, следующих вдоль изогиры. PP и AA — плоскости поляризатора и анализатора.

Рис. 7.37 Интерференционная фигура на разрезе, перпендикулярном оптической оси двуосного кристалла. PP и AA — плоскости поляризатора и анализатора соответственно.

той области света, которая подверглась двупрело-млению. Это выражается в возникновении балок с одинаковой интерференционной окраской, как и в случае фигур одноосных минералов.

Когда угол оптических осей достаточно велик, выходы оптических осей будут располагаться за пределами поля зрения микроскопа, и при повороте плоскости оптических осей на 45° изогиры также окажутся вне поля зрения. В таких случаях линия, соединяющая два квадранта, в которых изогиры не видны, показывает направление плоскости оптических осей.

Разрезы, благоприятные для образования фигуры острой биссектрисы, могут быть определены по их невысокому двупреломлению, хотя и не столь низкому, как у изотропных минералов. На практике иногда помогает оптическая ориентация относительно других кристаллографических элементов (например, спайности). Однако найти такие разрезы труднее, чем перпендикулярные к оптической оси.

Разрез, перпендикулярный к тупой биссектрисе. Разрез, перпендикулярный к тупой биссектрисе, всегда дает фигуру, у которой изогиры исчезают из поля зрения при повороте на 45°. Если угол оптических осей (измеренный по отношению к острой биссектрисе) невелик, то исчезновение изогир происходит резко при повороте всего на несколько градусов. Когда же этот угол большой, то бывает трудно определить, к какой биссектрисе — острой или тупой — принадлежит изучаемый разрез. В таких случаях для определения оптического знака минерала необходимо найти разрез, перпендикулярный оптической оси.

Разрез, перпендикулярный оптической оси. Если одна из оптических осей направлена прямо вверх по тубусу микроскопа, то видна только одна изогира (в шлифах ее сопровождают цветные кольца; рис. 7.37). При повороте столика микроскопа эта изогира будет вращаться вокруг центра поля зрения, приобретая максимальную кривизну, когда плоскость оптических осей оказывается под углом 45° к кресту нитей, и распрямляясь параллельно каждой из нитей при параллельном расположении этой плоскости относительно нитей креста. Прибегая к сравнению, можно сказать, что при максимальном изгибе изогиры след плоскости оптических осей пересекает ее подобно тому, как стрела пересекает лук, причем острие стрелы направлено в сторону острой биссектрисы, которая всегда находится на выпуклой стороне изогиры.

Степень изгиба изогиры, расположенной под углом 45°, зависит от величины угла оптических осей. Если угол невелик, изогира имеет заметную кривизну, а с приближением его к 90° изогира распрямляется (рис. 7.37, в).

С помощью рис. 7.37, в можно оценить величину угла 2V с точностью ±10°. Отметим, что прямолинейная изогира образуется при достижении углом 2V значения 90°, а изогнутая практически под прямым углом — при 2V = 0.

Разрез, параллельный плоскости оптических осей (фигура просветления). В разрезе, перпендикулярном к оптической нормали Y (nm), интерференционная фигура имеет вид широкого темного креста, занимающего почти все поле зрения. При небольшом повороте столика крест распадается на две части, которые быстро исчезают из поля зрения. Из-за такого поведения эта фигура называется фигурой просветления.

Практическое использование интерференционных фигур двуосного кристалла

1. Определение сингонии двуосного минерала — ромбической, моноклинной или триклинной.

2. Оценка величины двупреломления по резкости интерференционной фигуры и степени проявления цветных колец (как и в случае одноосных кристаллов).

3. Если при наблюдении под углом 45° интерференционных фигур на разрезах, перпендикулярных или к острой биссектрисе, или к оптической оси, ввести параллельно плоскости

оптических осей «^-кварцевую пластинку, могут возникнуть два варианта.

На вогнутой стороне изогиры (или изогир) возникает голубая окраска, а на выпуклой — желтая. В этом случае минерал относится к оптически положительным (О.Б. = Z или пе). (Отметим, что положение самих изогир согласуется с компенсационной пластинкой.) И наоборот, если желтая окраска возникает на внутренней стороне изогиры, а голубая — на выпуклой, то минерал считается оптически отрицательным (О.Б. = X или n).

Такая оценка знака минерала может проводиться даже в том случае, когда в разрезе, перпендикулярном острой биссектрисе, изоги-ры выходят из поля зрения. Тогда диагностическим признаком является окраска поля зрения между изогирами (точнее, на их выпуклых сторонах).

На рис. 7.38 показана окраска, образующаяся на разрезе оптически положительного минерала, перпендикулярном к оптической оси, когда сечение индикатрисы параллельно плоскости оптических осей.

Рисунок 7.39 иллюстрирует изменение интерференционной фигуры косого разреза дву-

Рис. 7.38 Определение знака минерала по интерференционной фигуре на разрезе, перпендикулярном оптической оси.

Рис. 7.39 Интерференционная фигура косого среза двуосного кристалла при вращении столика по часовой стрелке.

осного кристалла при вращении столика микроскопа. Она отличается от подобного же случая одноосного кристалла. При вращении столика микроскопа ее изогиры сходятся и расходятся, приобретая ту или иную кривизну; при этом на самых крайних точках поля зрения они как бы поворачиваются вокруг своей оси. В то же время у одноосных кристаллов балки креста при вращении столика остаются параллельными кресту нитей.

4. Разрез, перпендикулярный к тупой биссектрисе, можно использовать для определения знака минерала тем же способом, как это описывалось для острой биссектрисы. Появление желтой окраски между изогирами при введении пр-пластинки в этом случае указывает на оптически отрицательный знак минерала. Однако, поскольку разрезы, перпендикулярные тупой биссектрисе, распознаются с трудом, без особой необходимости их использовать не следует.

5. При изучении некоторых моноклинных минералов (например, пироксенов и амфиболов), чтобы проверить, перпендикулярен ли данный разрез nm, еще до замера угла погасания следует использовать фигуру просветления при одновременном наблюдении максимальной интерференционной окраски в условиях ортоско-пического освещения. Для моноклинных минералов именно угол погасания в срезе, перпендикулярном nm (т. е. измеренный в плоскости оптических осей и в плоскости кристаллографической симметрии), является диагностическим признаком.

Интерференционные фигуры и дисперсия

Влияние дисперсии на индикатрису описывалось в разд. 7.7.8. Данное явление лучше всего проявляется при рассмотрении интерференционных фигур, которые показаны на рис. 7.40 (ср. их с фигурами, приведенными на рис. 7.27). Возникновение окрашенных каемок легко объяснить исходя из того, что положение изогир у света разных длин волн различно. На интерференционных фигурах белый свет будет вызывать голубую окраску, когда красный цвет на изогире подвергается погасанию, а красная окраска будет возникать тогда, когда гасятся волны голубого цвета. Следовательно, изогиры выглядят темными, что обусловлено погасанием в месте их нахождения световых колебаний с промежуточными значениями длины волны. Изогиры приобретают красную каемку с одной стороны и голубую с другой, только когда дисперсия достаточно сильна, чтобы создать видимое различие в положении изогир для этих крайних точек спектрального диапазона. Если угол оптических осей у красного цвета больше, чем у фиолетового, то дисперсия обозначается как r > v, и наоборот.

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:4410 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:7572 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:4519 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Внутренняя разбивочная сеть здания.

Внутренняя разбивочная сеть здания обеспечивает совпадение по вертикали одноименных точек и осей здания на различных его горизонтах. Эта сеть представляет собой совокупность геодезических пунктов, расположенных на исходном и монтажных горизонтах...

13-08-2010 Просмотров:9168 Инженерная геодезия. Часть 2.

Вибирання рідини глушіння і блокувальної…

Глушіння свердловин є комплексом заходів з вибирання, приготування і закачування у свердловину рідини глушіння. Раціональне вибирання рідини глушіння здійснюють з урахуванням гірничо-геологічних і технічних умов роботи свердловин. Це дає змогу вжити...

19-09-2011 Просмотров:4238 Підземний ремонт свердловин

Магнитные методы

Магнитные методы основаны на регистрации рассеяния магнитных полей дефектов намагниченного материала или на определении магнитных свойств контролируемого материала. Рис. 2.9. Магнитные методы контроля: а — магнитоскоп; б — прибор для контроля арматуры;...

19-03-2013 Просмотров:6263 Обследование и испытание сооружений