《晶体光学与光性矿物学》教程讲义教案3单偏光系统下晶体的光学性质

晶体光学与光性矿物学教程讲义教案3单偏光系统下晶体的光学性质 第三章单偏光系统下晶体的光学性质单偏光系统指的是只使用下偏光镜观察，不使用上偏光、锥光和勃氏镜。 观察的内容包括三个方面 1、矿物的外表特征，如形态、解理等。 2、与矿物对透射光波吸收有关的光学性质，如颜色、多色性、吸收性等。 3、与矿物折射率有关的光学性质，如突起、糙面、边缘、贝克线、色散效应等。 一、矿物的形态每一种矿物由于其结晶习性不同，构成不同的形态。 另外，矿物的形状、大小、晶体的完整程度等。 常常其形成条件及结晶顺序等相关。 因此，研究矿物的形态，不但有助于鉴定矿物，而且有助于推断其形成条件。 岩石薄片中所见的矿物形态，并不是矿物晶体的整个立体形态，而是晶体某一方向切面的轮廓。 同一晶体不同方向的切面，其外形轮廓可以截然不同。 例如一个立方体晶体，因切面方向不同，切面的形状可以是正方形、三角形、六边形、长方形以及其他不规则的情况（图31）。 图31在实际鉴定工作中，必须仔细观察晶体各个方向的切面，并结合晶面夹角、解理性质等特征，综合判断矿物的形态。 例如磷灰石在薄片中常见六边形和长条形切面，由此可知磷灰石为六方柱状晶体；黑云母常呈假六边形和具有一组极完全解理的长条形出现，矿物确定它为假六边形片状矿物。 在岩石薄片中，矿物有时呈集合体出现，集合体中，矿物常表现出一定的形态。 常见的有粒状，如石英；针状，如金红石、硅灰石；板条状，如蓝晶石；柱状，如角闪石、辉石；板状，如重晶石、石膏；纤维状，如石棉、纤维蛇纹石；片状，如云母、绿泥石；发射状，如某些透闪石、葡萄石等；球粒状，如某些玉髓；网状，如蛇纹岩中的蛇纹石；文象状，如石英、钾长石呈文象交生；雏晶状，如某些火山玻璃中出现的雏晶等（图32）。 二、解理及解理夹角的测定许多矿物都具有解理。 不同的矿物，其解理方向、完善程度、组数及解理夹角不同。 所以解理是鉴别矿物的重要特征之一。 同时，解理还往往与晶面、晶轴有一定联系，所以解理还可以作为测定某些光学常数的辅助条件的依据。 在磨制薄片时，由于机械力的影响，使解理张开形成细缝，加拿大树胶充填于其中。 由图32于矿物折射率与加拿大树胶不同，光透过时发生折射、反射作用而使这些解理缝显示出来。 解理的完善程度不同，解理缝表现情况亦不同。 根据解理的完善程度，可以划分为下列三级 1、极完全解理解理缝细、密、长，往往贯穿整个晶体，如云母累矿物的解理（图331）。 2、完全解理解理缝较稀，不完全连贯，如角闪石类、辉石类矿物的解理（图332）。 3、不完全解理解理缝断断续续，有时仅见解理痕迹，如橄榄石的解理（图333）。 解理缝的宽度、清晰程度，除了与解理的完善程度有关外，还与切面方向有密切联系。 当解理面与岩石薄片平面的法线一致时（即解理面垂直薄片平面），解理缝最细、最清晰（图34）。 此时，稍微升降物台，解理缝不向左右移动。 当解理面与薄片平面的法线成?夹角时，解理缝变宽。 此时稍微升降物台，解理缝向左右移动。 解理面逐渐倾斜，即?角逐渐加大，解理缝逐渐变宽，且越来越不清晰。 当?角增至一定限度时，解理缝就看不见了，这个夹角称为解理缝的可见临界角。 其大小与矿物和加拿大树胶的折射率差值有关，差值越大，解理缝可见临界角也越大。 图33图34.洛多契尼科夫具出一些矿物解理缝可见临界角的近似值，如N1.70的矿物（辉石类等），?约为30?。 N1.65的矿物（角闪石类等），?约为25?。 N1.601.55的矿物（云母、斜长石类等），?约为20?10?。 由此可见，当不同矿物的折射率相差较大时，虽然具有相同组数的解理，但在薄片中见到解理的机会是不同的。 如辉石和斜长石都具有两组完全解理，但斜长石在薄片中见到解理缝的机会就少得多。 同一矿物不同方向的切面，解理缝的可见性、宽度、组数也是不同的。 如角闪石虽然具有两组完全解理，但在薄片中，有的切面上只见一组解理缝，另一些切面上看不见解理缝，只有垂直或近于垂直Z轴的切面上才可以见到两组解理缝。 因此，在显微镜下观察矿物的解理时，切不可以个别或少数切面判断矿物解理的有无、完善程度、组数。 必须多观察一些切面，综合判断。 晶体的裂缝在薄片中表现为弯曲或不规则的细缝，有时也可以很平直，但缝与缝之间的距离往往不等。 二、解理夹角的测定当矿物具有两组解理时，测定其解理夹角可以帮助鉴定矿物。 解理夹角在晶体上本来是一定的，但在矿物切片上，由于切面方向不同，其夹角的大小有一定的差异（图35）。 只有同时垂直两组解理面的切面，才是两组解理真正的夹角。 因此，测定解理夹角时，必须选择同时垂直两组解理的切面。 这种切面的特点是两组解理缝最细最清楚，升降物台时，解理缝不向左右移动。 测定方法如下1按上述原则选择适当的切面，至于视域中心（图36）。 2使一组解理缝平行目镜十字丝竖丝，在物台上读数为a。 3旋转物台使另一组解理缝平行竖丝，在物台上读数为b，两次读数之差即为所测之夹角。 图35图363.3薄片中矿物的颜色、多色性与吸收性显微镜下所观察到的是矿物在薄片中呈现的颜色，与手标本中肉眼观察到的颜色常常有所不同。 前者是在投射光中观察，是光波透过矿物而未被吸收的部分色光出现的颜色；后者则是在反射光方向进行的观察，是反射、散射结果所形成的颜色。 在晶体光学中则主要是研究矿物在薄片中的颜色。 一、矿物的颜色当光透过矿物薄片时，总是要被吸收一部分。 如果矿物对白光中的各色光波同等程度吸收，透过矿物后仍为白光，只是强度有所减弱，此时矿物不具颜色，称为无色矿物。 如果矿物对白光中的各色光波选择性吸收，则透过矿片的各色光强度比例将发生变化，从而使矿片呈现特定的颜色。 因此，显微镜下，矿物在薄片中呈现的颜色是选择性吸收的结果。 图37矿物对白光中的各种色光选择吸收后呈现的颜色，遵从一定的规律，即混合补色原理。 如图37所示，白光由八种色光组成，对顶二色光称为互补色，此二对顶色等浓度混合亦成为白色。 对顶二色光之一的浓度超过另一色光，则叠加所成之色倾向于浓度较大色光。 例如矿物吸收了橙色色光则呈现蓝色；吸收了红色色光，则呈现绿色。 此外任一种主色均可以由相邻二色混合而成，如橙色可由红、黄二色合成等。 矿物在薄片中呈现的颜色还与矿物的性质有密切关系，特别与某些色素离子有关。 例如含Fe2+，常呈浅绿色（钙铁辉石）；F3+呈浅红色（玄武角闪石）；含Mn3+呈浅红色（红帘石）；含Cr3+，呈亮绿色（铬透辉石）等等。 矿物的颜色还与其所含的OH-1有关。 至于矿物颜色的深浅，则取决于矿物对各色光波吸收的总强度，吸收的总强度大，颜色就深，反之颜色就浅。 吸收的总强度又取决于矿物本身的性质和薄片的厚度，对同一种矿物来说，薄片越厚颜色越深。 二、多色性与吸收性非均质体矿物的光学性质因方向不同而异，对光波的选择吸收及吸收总强度也随方向而异。 因此在单偏光镜下旋转物台时，许多非均质体矿物薄片的颜色及颜色深浅要发生变化。 这种由于光波在晶体中的振动方向不同，而使矿片颜色变化的现象称为多色性；颜色深浅变化的现象称为吸收性。 一轴晶矿物有两个主要的颜色，分别以Ne、No相当。 兹已电气石为例说明一轴晶矿物的多色性现象（图38）。 图38电气石平行Z轴（光轴）的切面，其光率体椭圆切面的长短半径分别为No和Ne，NoNe，为负光性，将这种切面置于单偏光镜下当矿片上光率体椭圆半径Ne（Z轴方向）平行下偏光振动方向PP时（图38左），矿片呈浅紫色。 为沿Ne方向振动光波出现的颜色，在No方向上振幅为零，没有光波透过。 旋转物台90?，使矿片上光率体椭圆半径No平行下偏光振动方向PP时（图38中），矿片呈深蓝色。 为沿No方向振动光波出现的颜色，在Ne方向上振幅为零。 当矿片上光率体椭圆半径Ne、No与下偏光振动方向PP斜交时（图38右），矿片呈浅蓝色。 平行于下偏光PP振动方向的偏光进入矿片后，发生双折射分解成两种偏光，振动方向分别平行于No和Ne,此时所见到的颜色为二主振动方向上颜色的混合色。 在电气石垂直光轴的切片上，光率体切面为圆切面，半径为No。 将这种切面置于单偏光镜下，矿片呈深蓝色。 旋转物台，颜色不发生变化。 斜交光轴的切面颜色的变化没有平行光轴切面显著。 一轴晶矿物如电气石多色性公式记录方式为No=深蓝色，Ne=浅紫色。 因为No的颜色比Ne深，表明光波沿No方向振动时总吸收强度大，其吸收性公式为NoNe。 二轴晶矿物有三个主折射率值，Ng、Nm、Np。 相应地，有三个主要的颜色。 在平行光轴的切面上显示Ng、Np的颜色，其多色性明显；垂直光轴的切面，只显示Nm的颜色，不具有多色性，其他切面的多色性明显程度介于上述两种切面之间。 二轴晶矿物如普通角闪石的多色性公式如下Ng深绿色，Nm绿色，Np浅黄绿色。 吸收性公式为NgNmNp，为正吸收。 如果与此相反，NpNmNg，则为反吸收。 非均质矿物中，不同矿物的多色性明显程度是不同的。 有些矿物多色性极为明显，如黑云母，电气石等；有些矿物多色性不太明显，如紫苏辉石、红柱石等；有些非均质体矿物看不出多色性。 在矿物薄片中多色性的明显程度除与矿物的本性有关外，还与切面方向有关。 同一矿物切面方向不同，多色性的明显程度也不同。 在一轴晶平行光轴和二轴晶平行光轴面的切面上多色性最明显。 此外，多色性的明显程度还与薄片厚度有关，薄片愈厚，多色性愈明显。 测定多色性公式必须在定向切面上进行，其测定方法见下章。 3.4薄片中矿物的边缘、贝克线、糙面和突起本节主要介绍岩石薄片中相邻两物质间，由于折射率不同而发生折射、反射所引起的一些光学现象。 一、矿物的边缘与贝克线在两种折射率不同的物质接触处，光从一种物质射入另一种物质，必然产生折射和/或反射，使接触界线处光线减少，而呈现出黑暗的边缘。 在岩石薄片中，各种矿物边缘的粗细、明暗程度，取决于矿物折射率与树胶折射率差值的大小。 二者间差值越大，矿物的边缘越粗，越暗。 反之，则边缘细而不明显。 如图39所示，榍石Nm2.58?，比树胶的折射率1.54大得多，边缘粗而黑暗；普通角闪石Nm=1.649，边缘细而清晰；石英No1.544，边缘极不明显。 根据矿物边缘的粗细明暗程度，可以估计矿物折射率的大小。 在矿物边缘附近常可以见到一条比较明亮的细线，升降物台，亮线发生移动，这条亮线称为贝克线（图310）。 贝克线的形成与相邻两种物质折射率不同有关，二者折射率相差越大，贝克线越显著，图图39图图310反之贝克线越微弱。 两物质折射率相等，则贝克线消失。 升降物台时，贝克线发生移动。 基本规律为下降物台，贝克线向折射率大的方向移动，上升物台，贝克线向折射率小的方向移动，见图310。 以此可以用来确定相邻两种物质的相对折射率大小。 贝克线产生和移动的原因如图311所示。 设两种物质的折射率分别为N和n，且Nn,根据二者接触关系，可分以下几种情况 1、相邻二物质倾斜接触时，折射率大的物质盖在折射率小的物质之上（图311A），无论接触界面的倾斜程度如何，光线在接触处均向折射率高的一方折射。 下降物台时，焦点平面F1F1移至F2F2，折射光线与之相交的位置移向折射率高的物质一边，故贝克线向折射率高的物质方向移动。 上升物台，焦点平面下降至F3F3，折射光线与之相交的点移向折射率低的物质一边，故贝克线向折射率低的物质方向移动。 2、折射率小的物质盖在折射率大的物质之上，当接触面较缓时光的入射角小于全反射临界角，折射光线仍折向折射率高的物质一边。 下降物台，贝克线仍向折射率高的物质方向移动（图311B）。 3、折射率小的物质盖在折射率大的物质之上。 若接触面较陡，入射角大于临界角，则光线发生全反射，仍折向折射率高的物质一边。 下降物台，贝克线仍向折射率高的物质方向移动（图311C）。 4、两种物质垂直接触，倾斜入射的光发生折射或全反射，仍然集中在折射率高的物质一边，故下降物台，贝克线仍向折射率高的物质方向移动（图311D）。 图图311贝克线的灵敏度很高，即使在两种物质的折射率相差只有0.001的情况下，贝克线仍很清楚，若用单色光，灵敏度可达0.0005。 观察贝克线时应注意以下几点a.两种物质的交界线应靠近视域中心；b.适当缩小光圈。 档去入射光中倾斜较大的部分光线，并使视域亮度不至过强。 c.交界线处不应夹有其他杂质。 色散效应当两种相邻物质的折射率相差极小并用白光照射时，在接触面上则发生色散效应。 贝克线分解成两条有色的光带，橙黄色光带靠近折射率低的矿物，浅蓝色光带靠近折射率高的矿物。 这种色散效应也称为洛多契尼科夫色散效应。 对于鉴定钠长石与正长石等折射率相差极小的矿物，这种色散效应极为有效。 二、矿物的糙面在单偏光下观察不同矿物的表面时，可以看到某些矿物表面比较光滑，某些矿物表面显得较为粗糙呈麻点状，好象粗糙皮革一样，这种现象称为糙面。 图图312糙面产生的主要原因是矿物薄片表面常表现为显微状的凹凸不平，覆盖在矿片之上的加拿大树胶折射率又与矿片折射率不同。 当光线通过二者之间的界面时，发生折射，甚至全反射作用，致使矿物表面的光线集散不一，而显得明暗程度不相同，给人以粗糙的感觉（图312）。 显然，糙面的明显程度取决于矿物折射率与树胶折射差值的大小及矿物表面的光滑程度。 一般是二者折射率差值愈大，矿物表面的光滑程度愈差，其糙面愈明显。 三、矿物的突起薄片中有的矿物表面显得高，有的显得低，这种表面似乎高低不平的现象称为矿物的突起（图62）。 突起的现象只是一种感觉，它是由于薄片中的矿物与树胶之间有不同的折射率差值引起的。 差值愈大，突起的现象愈显著。 突起产生的原因可由图63作示意性的说明。 光自矿物底部a点射入顶部与树胶接触处，由于二者折射率不同产生折射，比树胶折射率（1.54）大的矿物产生正突起，比树胶折射率小的矿物产生负突起。 图63中设矿物A1的折射率比树胶折射率大得多，A2折射率近于树胶的折射率，A3的折射率比树胶的折射率小得多。 以A2成象平面A2A2为准，A1的成象平面比A2高，A3的成象平面比A2低。 由此可见，突起的高低取决于矿物与树胶折射率差值的大小。 如前所述，矿物的折射率大于树胶，为正突起，下降物台，贝克线向矿物方向移动。 若矿物折射率小于树胶，为负突起，下降物台，贝克线向树胶方向移动。 在实际鉴定工作中，此点极为重要。 例如，正长石的Nm=1.530?，石英的No=1.544。 它们与树胶的差值均为0.007?。 因此在薄片中全显低突起。 但是，利用贝克线的移动规律可知前者为低负突起，后者为低正突起。 根据矿物突起的高低、边缘、糙面的明显程度，一般把突起分为六个等级（如表1及图65）。 表表1不同突起等级对比表突起级别折射率糙面及边缘特征实例高负突起低负突起低正突起中正突起高正突起极高正突起1.78糙面及边缘显著，下降物台，贝克线移向树胶表面光滑，边缘不显著，下降物台，贝克线移向树胶。 表面光滑，边缘不显著，下降物台，贝克线移向矿物。 表面大致光滑，边缘清楚糙面显著，边缘明显且较宽糙面显著，边缘很宽萤石正长石、白榴石石英（偏低），白云母（偏高）黑云母、磷灰石、透闪石辉石、橄榄石榍石、石榴石由表1可以看出，矿物突起的高低、边缘、糙面的明显程度，都是反映矿物折射率与加拿大树胶折射率的差值大小。 差值愈大，则突起愈高、边缘及糙面愈显著。 四、闪突起在单偏光镜下，转动物台，矿物突起高低发生显著变化的现象称为闪突起。 它是矿物各向异性在突起上的表现。 多数矿物的闪突起不明显，只有少数矿物如角闪石和白云母等具有明显的闪突起，可作为鉴定特征。 闪突起的明显程度与切面方向有关，在平行光轴和平行光轴面的切面上，闪突起最明显，垂直光轴的切面上不具有闪突起，斜交光轴切面的闪突起明显程度介于二者之间。 思考题 1、普通辉石和普通角闪石均发育110完全解理 （1）比较普通辉石 (100