Кристаллооптика.Магматичесие породы

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Иркутский государственный университет»

Геологический факультет

А. И. Сизых, В. А. Буланов

ОПТИЧЕСКИЙ

ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ

МИНЕРАЛОВ

Учебное пособие

Второе издание, исправленное и дополненное

1

УДК 552 (076.5) С34

Печатается по решению редакционно-издательского совета Иркутского государственного университета

Рецензенты:

проф. А. И. Иванов, доц. С. П. Летунов

Сизых А. И.

С34 Оптический определитель минералов : учеб. пособие / А. И. Сизых, В. А. Буланов. – 2-е изд., испр. и доп. – Иркутск : Изд-во ИГУ, 2011. – 279 с.

ISBN 978-5-9624-0530-8

Предназначено для практического определения минералов магматических и метаморфических пород. Значительное внимание уделено методике изучения оптических свойств минералов и их качественной диагностике на столике микроскопа. Приведена краткая характеристика минералов.

Рекомендуется студентам геологических специальностей по курсу «Петрография», Может быть полезно широкому кругу, аспирантов, геологов, занимающихся петрографическими исследованиями магматических и метаморфических пород.

Библиогр. 18 назв. Ил. 319. Табл. 13

УДК 552 (076.5)

ISBN 978-5-9624-0530-8	© Сизых А. И., Буланов В. А., 2011
	© ФГБОУ ВПО «ИГУ», 2011

2

Предисловие

Внастоящее время ни одна геологическая работа не обходится без петрографического и петрологического исследования магматических и метаморфических пород. Одним из основных методов исследования которых, является микроскопический. С помощью поляризационного микроскопа изучают особенности минерального состава, текстуры и структуры магматических и метаморфических пород. Это позволяет обоснованно выйти на проблемы генезиса данных пород.

Методика исследований породообразующих минералов магматических и метаморфических пород основана на знании студентами основных законов кристаллооптики. Она характеризуется определенной сложностью и является специальной дисциплиной. Количество часов, отводимых на лабораторные занятия по курсу «Петрография», особенно по петрографии метаморфических пород невелико. Как показывает многолетний опыт их проведения на геологическом факультете Иркутского госуниверситета, при отсутствии достаточного количества учебных пособий, много времени уходит на пояснение материала по основам кристаллооптики и оптическим свойствам минералов.

Настоящее учебное пособие «Оптический определитель минералов» отличается от раннее изданных, формой и содержанием. Значительное внимание уделено приведению микроскопа в рабочее положение.

Вучебном пособии даны практические приемы исследования минералов в шлифах на столике поляризационного микроскопа. Методика исследований включает следующие крупные разделы: «Исследование минералов при одном николе», «Исследование минералов при скрещенных николях» и «Исследование минералов в сходящемся свете». Эти разделы составляют вторуюглаву учебного пособия, носящую методический характер.

Теоретические проблемы кристаллооптики, изложенные в существующих учебниках, и достаточно полно освещаются на лекциях при освоении курса «Петрография», затронуты в данном учебном пособии очень коротко и в объеме, необходимом для понимания сущности физических явлений, возникающих при работе с поляризационным микроскопом. Петрография магматических и метаморфических пород читается в течение одного семестра, поэтому методика петрографических исследований в силу своей сложности требует постоянных упражнений и регулярного развития навыков. В противном случае приобретенные навыки по кристаллооптике быстро забываются, вследствие этого многие, даже опытные геологи после некоторого перерыва в работе с микроскопом, затрудняются сразу же приступить к петрографическим исследованиям, хотя в этом подчас ощущается настоятельная необходимость.

Вучебном пособии помещены разделы, посвященные теоретическому обоснованию и практическому применению кристаллооптического метода. Введены специальные разделы, излагающие методику определения показателей преломления минерала, спайности и других оптических констант. Описание методов кристаллооптических исследований дополняется практическими указаниями.

Авторы стремились составить учебное пособие, которое могло бы служить учебнометодическим руководством по основам кристаллооптики, и в то же время было бы руководством для лабораторных занятий и самостоятельной подготовки студентов. Для лиц, желающих более детально познакомиться с отдельными вопросами теории и практики исследования, в тексте даны литературные ссылки с указанием трудов, где данный

3

вопрос рассмотрен более подробно. Студентам-геологам для лучшего овладения теорией необходимо рекомендовать оригинальные учебные пособия по кристаллооптике С. Д. Четверикова (1949), В. Б. Татарского (1965), Р. Н. Кочуровой (1977), В. С. Князева, И. Б. Кононовой (1978), А. И. Сизых (1995), А. И. Сизых, В.А. Буланова (2005).

Глава «Физические и оптические свойства минералов в шлифах» – включает описание минералов магматических и метаморфических пород. Для удобства восприятия преподносимого материала за основу принята схема описания минерала, предложенная К. М. Сиротиным «Определитель минералов»: учеб. пособие (М. : Высш. шк., 1970. 263 с.). Рассматривая указанные в схеме описания минералов в принятой последовательности, студенты приходят к узкому кругу минералов, слагающих магматическую и метаморфическую породу. Окончательное определение минерала производится сопоставлением оптических свойств, набранных студентами, с данными, приведёнными в предлагаемом пособии. Многие минералы обладают переменными оптическими свойствами, обусловленными их компонентным составом и Р-Т условиями образования.

Взаключительной главе «Петрографическое описание магматических и метаморфических пород» приведены сведения о магматических и метаморфических породах, необходимых для первоначального исследования. В ней приводится план и последовательность описания глубинных, гипабиссальных, эффузивных и метаморфических пород. Следует отметить, что специальные вопросы петрологии метаморфических и магматических пород освещены во многих монографиях (Тернер, Ферхуген, 1961; Елисеев, 1963; Судовиков, 1964; Маракушев, 1975; Винклер, 1969; Добрецов и др., 1970; Великославинский, 1972; Саранчина, Шинкарёв, 1973; Коржинский, 1973, и др.).

При подготовке к изданию данного пособия авторы использовали известные учебники, монографии и учебные пособия. Перечень их помещен в рекомендуемом списке литературы. Одни из них содержат разделы, связанные только с определениями оптических констант минералов и не касаются вопросов изучения метаморфических и магматических пород. Другие охватывают все разделы курса «Петрография», но не могут быть использованы для индивидуальной работы с поляризационным микроскопом.

Всоответствии с проблемами, стоявшими перед авторами учебного пособия, вопросы теории любого раздела освещались в минимальном объеме и только в тех случаях, когда это необходимо для усвоения практических навыков работы с поляризационным микроскопом знакомятся С теоретическими основами курса. студенты-геологи знакомятся на лекциях и лабораторных занятиях, используя рекомендуемую литературу.

При подготовке учебного пособия к изданию значительную помощь оказал профессор М. И. Грудинин, сделавший ряд ценных замечаний. Авторы пользуется случаем выразить ему глубокую признательность и благодарность.

Отзывы об учебном пособии просим присылать по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1. Иркутский госуниверситет, геологический факультет.

4

Введение

Оптическое определение минералов сыграло большую роль в развитии петрологии. Без знания важнейших минералов, их свойств, происхождения нельзя даже приступить к изучению петрографии. Обычно считают, что петрография как самостоятельная научная дисциплина начала развиваться в 50-х годах XIX столетия, после того как англичанин Г. К. Сорби применил микроскоп для изучения породообразующих минералов в тонких шлифах горных пород. Применение микроскопа позволило установить полный минеральный состав и структуру горных пород, а также оптические особенности породообразующих минералов.

Оптические свойства минералов имеют ведущее значение для определения и характеристики минералов. Нередко оптические свойства позволяют точно проследить постепенное изменение химического состава внутри одного и того же неоднородного образца, что практически не осуществимо другими методами. При этом кристаллооптический анализ занимает минимальное время.

Оптические особенности минералов определяются характером распространения в них света. Поэтому оптическое определение минералов требует знания элементарных сведений по кристаллооптике. Теория кристаллооптических исследований детально изложены в учебных пособиях В. Н. Лодочникова (1947), Д. С. Белянкина и В. П. Петрова

(1951), В. Б. Татарского (1965), К. М. Сиротина (1970), Р. Н. Кочуровой (1977), А. И. Си-

зых и В.А. Буланова (2005) и др.

Таким образом, методы оптического изучения представляют собой одно из важнейших и в то же время наиболее простых средств познания вещественного состава. Точная и обоснованная диагностика минералов не возможна без определения их оптических свойств. В настоящее время микроскоп стал одним из основных технических средств, используемых при исследовании вещественного состава горных пород. Современные методы микроскопии позволяют надёжно идентифицировать определяемый минерал, и выделять особенности его строения и состава.

Решению поставленных задач способствует то, что в настоящее время оптическая промышленность освоила производство широкого ассортимента микроскопов и микроскопных устройств различного назначения. Конструкции этих микроскопов обеспечивают возможность применения всех основных методов микроскопических исследований прозрачных объектов в шлифах и препаратах.

5

1. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В ТЕКСТЕ

а, в, с, – направление кристаллографических осей а – первая кристаллографическая ось (горизонтальная)

в – вторая кристаллографическая ось (горизонтальная) с – третья кристаллографическая ось (вертикальная)

ng, nm, np, – три главных показателя преломления, округленные до третьего знака после запятой

ng – наибольший показатель преломления в оптически двуосных минералах nm – средний показатель преломления в оптически двуосных минералах np – наименьший показатель преломления в оптически двуосных минералах Ng, Nm, Np – направление осей индикатрисы в двуосном минерале

Ng – наибольшая ось индикатрисы Nm – средняя ось индикатрисы Np – наименьшая ось индикатрисы

ng – np – двупреломление в двуосных минералах

ne, no – два главных показателя преломления в оптически одноосных минералах no – показатель преломления обыкновенного луча

ne – показатель преломления необыкновенного луча

no – ne или ne – no – двупреломление в одноосных минералах Ne><No – направление осей индикатрисы в одноосном минерале

2V – угол оптических осей указывается всегда относительно острой биссектрисы r> <v – дисперсия оптических осей вокруг указанной (данной) биссектрисы (100) – первый пинакоид (010) – второй пинакоид (001) – третий пинакоид

Пл. о.о. – плоскость оптических осей

6

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КРИСТАЛЛООПТИКИ

Теория кристаллооптических исследований относительно детально изложена в учебных пособиях В. Н. Лодочникова (1947), Д. С. Белянкина и В. П. Петрова (1951), В. Б. Татарского (1965), К. М. Сиротина (1970), Р. Н. Кочуровой (1977), А. И. Сизых (1995), А. И. Сизых и В. А. Буланова (2005) и др. Вниманию читателей предлагаются элементарные сведения из кристаллооптики, необходимые для понимания оптических свойств минералов.

2.1. ЕСТЕСТВЕННЫЙ И ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ

Свет одновременно обладает волновыми и корпускулярными свойствами. Первые проявляются в светопреломлении, интерференции, отражении и т. д. В основу кристаллооптических исследований положена волновая теория. Свет рассматривается как электромагнитные колебания, распространяющиеся волнами во все стороны от источника света с большой скоростью.

Всветовом колебательном движении различают направление распространения колебаний. Прямые, по которым распространяется свет, называются световыми лучами. Направление световых колебаний перпендикулярно направлению распространения света. Световые колебания являются гармоническими, т. е. совершаются через определенные промежутки времени.

Вгармоническом колебательном движении выделяются следующие элементы (рис. 2.1):

1.Амплитуда (А) – наибольшее расстояние, на которое колеблющаяся точка отклоняется отсвоего положения равновесия.

2.Период колебаний – промежуток времени, в течение которого точка совершает одно полное колебание (аа’).

3.Частота колебания – число полных колебаний в секунду.

4.Фаза – состояние колебания в данной точке в данный момент, т. е. угол, на который отклоняются частицы от положения равновесия. Различают одинаковые фазы и противоположные. Точки одинаковых фаз располагаются по одну сторо-

ну от положения равновесия и движутся в одну сторону (1 и 1’). Точки противоположных фаз располагаются по разным сторонам от положения равновесия и движутся в разные стороны (2 и 2’).

Рис. 2.1. Элементы гармониче-

5.Длина волны (λ) – расстояние, на которое распространяется колебательное движение за один период. Иными словами,

7

длина волны есть расстояние между ближайшими точками, находящимися в одинаковых фазах.

К области видимого света относятся электромагнитные колебания с длинами волн от 380 мкм (фиолетовая часть спектра) до 780 мкм (красная часть спектра). Белый свет практически представляет собой смесь световых колебаний всех возможных длин волн. Свет какой-либо одной длины называется монохроматическим. Рентгеновские лучи и радиоволны имеют также электромагнитную природу и отличаются от видимого света только длиной волны. У первых длина волны меньше 380 мкм, а у вторых – больше 780 мкм.

Если два луча распространяются в одном и том же направлении и обладают одной и той же длиной волны, то они взаимодействуют или интерферируют между собой. Наиболее простой случай интерференции наблюдается, когда оба интерферирующих луча поляризованы в одной плоскости.

Различают свет естественный и поляризованный. Колебания естественного света совершаются во всех плоскостях, проходящих через направление распространения луча, во всех направлениях, перпендикулярных лучу. Колебания же поляризованного света совершаются в плоскости, перпендикулярной лучу, но по параллельным направлениям. Плоскость, перпендикулярная плоскости колебания, называется плоскостью поляризации (рис. 2.2). Поляризация света происходит при отражении, при прохождении света через кристаллическое вещество. Она может быть полной и частичной.

Рис. 2.2. Направление колебаний естественно-

го луча (I) и линейно поляризованного (II)

2.2. ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА

Скорость распространения света в разных средах неодинакова. В пустоте она приблизительно равна 300 000 км/с, во всех других средах меньше. При переходе света из одной среды в другую происходит изменение скорости распространения света, или, иначе говоря, преломление световых лучей.

Существует определенная зависимость между углом падения луча и изменением скорости. Для данных двух сред отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, равная отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде. Это отношение называется показателем преломления среды второй относительно среды первой и обозначается N.

Показатель преломления какой-либо среды относительно пустоты называют абсолютным показателем преломления. Вследствие того, что скорость распространения света в пустоте является наибольшей, абсолютный показатель преломления всегда больше

8

единицы. Практически показатель преломления определяется относительно воздуха (его

N = 1,0003).

При прохождении света из среды с меньшим показателем преломления, в среду с большим показателем преломления, угол преломления меньше угла падения. Если же свет идет из среды с большим показателем преломления, то угол преломления больше угла падения. Поэтому из пучка лучей найдется луч, который после преломления пойдет

					по границе сред. Угол падения такого луча называ-
					ется предельным.
					При угле падения, больше предельного, па-
					дающий луч полностью отразится от поверхности
					раздела двух сред (рис. 2.3). Это явление носит на-
					звание полного внутреннего отражения. Таким об-
					разом, полное внутреннее отражение наблюдается
					тогда, когда луч из среды с большим показателем
					преломления попадает в среду с меньшим показате-
					лем преломления под углом, превышающим пре-
					дельный. Чем значительнее разница в показателях
					преломления двух сред, тем меньше предельный
					угол и тем большая часть падающих лучей испыта-
					ет полное внутреннее отражение.
					Луч естественного света, войдя в кристалл,
	Рис. 2.3. Прелом-				преломляется и разделяется на два луча, идущих с
					различными скоростями и поляризованных в двух
	ление света на				взаимных перпендикулярных плоскостях. Такое яв-
					ление называют двойным лучепреломлением, или
	границе двух сред				двупреломлением.
	с различными по-				Явление двупреломления связано с анизо-
					тропностью кристаллов, т. е. с неодинаковыми
					свойствами кристаллов в различных направлениях.
					В аморфных веществах и кристаллов кубической
					сингонии скорость распространения света и другие
					их свойства во всех направлениях одинаковы, по-
					этому в них двупреломления не происходит. В ани-
					зотропных веществах – кристаллах всех остальных
					сингоний – двупреломление происходит во всех на-
					правлениях (кроме направлений оптических осей).
					Один из возникших при двупреломлении лу-
					чей идет с одинаковой скоростью по разным на-
					правлениям в кристалле, а другой меняет скорость в
					зависимости от направления. Первый луч называют
					обыкновенным (ordinarius) и обозначают о, а второй
					– необыкновенным (extraordinarius) и обозначают е.
					В кристаллах средних сингоний есть направ-
					ление, проходя по которому луч не раздваивается,
					т. е. двупреломления не происходит. Это направле-
					ние называют оптической осью кристалла. В кри-
					сталлах низших сингоний оба возникших луча яв-
	Рис. 2.4. Схе-
					ляются необыкновенными, т. е. меняют скорость в
	ма		устрой-		различных направлениях. В таких кристаллах име-

ются две оптических оси. Поэтому кристаллы низших сингоний называют оптически двуосными, а

средних – одноосными.

9

Двупреломлением обладают все анизотропные минералы. Однако у большинства из них обнаружить его можно только под микроскопом. У кальцита двупреломление выражено резко и наблюдается непосредственно в кристаллах.

На явлениях полного внутреннего отражения и двупреломления основано устройство призм Николя – главных частей поляризационного микроскопа. Призмы Николя (в практике их обычно называют просто николи) выпиливаются из прозрачных кристаллов кальцита – исландского шпата – и склеиваются канадским бальзамом. При изготовлении призм угол у основания выбирают такой, чтобы один из возникающих в кальците лучей претерпел полное внутреннее отражение (рис. 2.4).

Луч естественного света, совершающего колебания во всех плоскостях, входит в кристалл исландского шпата распадается на два поляризационных луча, совершающих колебания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Обыкновенный луч имеет показатель преломления 1,658, а необыкновенный – 1,536 (в данном направлении в кристалле, согласно определенным выпиленным углам). Оба возникших луча пойдут в николе до границы с канадским бальзамом (Nкб = 1,540). Здесь обыкновенный луч, идущий из среды более плотной в среду менее плотную под углом больше предельного, претерпевает полное внутреннее отражение и поглощается черной оправой призмы. Необыкновенный луч проходит через слой канадского бальзама, почти не преломляясь, и выходит из николя, совершая колебания в одной плоскости.

2.3. ОПТИЧЕСКАЯ ИНДИКАТРИСА

При изучении оптических свойств кристаллов пользуются вспомогательной пространственной фигурой, построенной на показателях преломления и называемой оптической индикатрисой. Величина каждого радиус-вектора индикатрисы выражает показатель преломления кристалла для тех световых волн, колебания которых совершаются в направлении данного вектора.

Поверхность индикатрисы представляет собой эллипсоид. В зависимости от свойств кристаллов форма эллипсоида может меняться. Так, если два показателя преломления равны, то индикатриса имеет форму эллипсоида вращения, а если равны все показатели преломления, то она принимает форму шара. В общем же случае эллипсоид имеет три неравные оси.

Главные оси эллипсоида обозначаются Ng – наибольшая, Np – наименьшая и Nm – средняя*.

Индикатриса кристаллов средних сингоний представляет собой эллипсоид, осью вращения которого является оптическая ось, а перпендикулярно к ней располагается круговое сечение. Различают оптически одноосные положительные и отрицательные кристаллы. В первых необыкновенный луч обладает меньшей скоростью по сравнению с обыкновенным (No < Ne) и совершает колебания в направлении большего показателя преломления Ng, а обыкновенный луч обладает большей скоростью и колеблется в направлении меньшего показателя преломления Np. Во вторых No > Ne и, соответственно, обыкновенный лучсовершает колебания внаправлении Ng, а необыкновенный – внаправлении Np.

Индикатриса одноосных положительных кристаллов имеет вытянутую форму: осью вращения является ось Ng, а радиусом кругового сечения – ось Np. Для одноосных отрицательных кристаллов эллипсоид имеет сплюснутую форму: осью вращения является ось Np, а радиусом кругового сечения – ось Ng (рис. 2.5).

* N – показатель преломления, g, m и p – начальные буквы французских слов grand – большой, moyen – средний, petit – малый.

10