第一章-晶体光学性质(6学时)课件

1、矿物岩石薄片研究基础2011年9月授课教师：赵 峰TEL柱石（海蓝宝石，祖母绿）黄铁矿黝铜矿辉锑矿上图:天然六射星光蓝宝石下图:黄水晶彩色水晶斑状结构：斑晶和基质 为两个世代似斑状结构：斑晶和基质为同一世代的产物电气石显微镜下特征橄榄石显微镜下特征全晶质结构（4）隐晶质结构（20）半晶质结构（10）斑状变晶结构（10）（）：斑晶为堇青石斑状变晶结构（10）（）：斑晶为堇青石课程性质：专业基础课程目的任务：掌握晶体光学性质的基本理论知识，学会使用显微镜鉴定及研究矿物(透明)和岩石(岩浆岩/变质岩/沉积岩)，解决生产实际问题研究内容： 矿物的形态、解理、光学特性(颜色、多

2、色性与吸收性、折射率及突起与糙面、双折射率及干涉色、消光类型及延性、2V角及轴性与光性等)；岩石的矿物组成、结构与构造、次生变化、成岩作用、孔隙结构等研究方法：磨制薄片，显微镜工具为主，辅以其它研究方法重 要 性：基本、方便、快速、廉价、不可替代课程的目的与意义第一章 矿物的结晶质属性及其光学性质第二章 偏光显微镜及单偏光镜下矿物薄片研究第三章 正交偏光镜下矿物光学性质的研究第四章 锥光镜下矿物光学性质的研究第五章 透明矿物的偏光显微镜鉴定第六章 岩浆岩的偏光显微镜研究第七章 变质岩的偏光显微镜研究第八章 沉积岩的偏光显微镜研究主要研究内容第一节 光学基础知识1.光的本质光具有粒子和波动双重性

3、质。无线电波至射线的各种电磁波组成连续的电磁波谱，肉眼能感知的可见光波是其中波长为390770nm的一小段。1nm=10A（埃）=10-3m10-6mm10-9m一、光的本质与偏振光第一章 矿物的结晶质属性和光学性质10-11101031051071091012101510-5波长（n m）射线射线紫外线可见光红外线短无线电波广播波段长无线电波可见光放大红橙黄绿蓝靛紫390（n m）430460500570590650770光波作为电磁波，是依靠交变电磁场之间的相互作用而传播。光波是一种横波，传播方向与振动方向相互垂直。波速：VT 2光强 ：IKA2波动方程：Y=Acos(t+) 其中t+称位

4、相平行光波的波前和波法线 光在介质中传播，既是光能的传播，也是光波位相的传播。 按照惠更斯原理，光在某一介质中传播时，某一瞬间光波所到达的连续表面，称为“波前”(等时界面)。 平行光波在均质介质中传播时，任意瞬时的波前都是平面，其与平行传播方向的平面相交为一直线。点光源光波的波前和波法线 点光源发出的光波在均质介质中传播时，任意时刻的波前都是圆球面，在平面上看是一个圆。 波前的法线方向称“波法线”。光由一种介质传入另一种介质时，除了光的频率（f）之外，光的速度（ V ）、波长（ ）、光强（I）、光矢量的振动特征、光波相位、波法线与光线的方向等均会发生有规律的变化。 波法线方向与光线方向具有不同

5、的涵义，光线是指光能传播的方向，而光的波法线方向是指相位的传播方向。 在均质介质中，波法线方向与光线的方向平行或重合；而在非均质介质中，除了个别的特殊方向以外，波法线方向与光线方向一般不相互重合。2.自然光与偏振光自然光： 光波在垂直于光线传播方向的平面内做任意方向的振动，其振幅均匀对称。偏振光： 当光矢量的振动被限制在某个确定的方向上而其余方向振动完全消除（或部分消弱）时，则称为“偏振光”（或称为部分偏光），简称偏光。 自然光经由某些物质的折射、双折射、反射或吸收后，可以使其光矢量的振动被局限在某个确定方向上，从而使自然光变为偏振光，这种现象称为“光的偏振化”。2.自然光与偏振光reflec

6、ted and refracted raysboth become polarizedincoming ray is non-polarized2.自然光与偏振光 据光矢量的特点，偏振光可分为： 平面偏振光：若光矢量振动方向恒定，在垂直光传播方向的平面内光矢量振动方向的投影为一条直线。 圆偏光：若偏振光光矢量的振幅不变，而方向随时间变化而变化。 椭圆偏光：若偏振光光矢量的振幅与方向均随时间有规律的变化。平面偏光圆偏光椭圆偏光2.自然光与偏振光 在矿物岩石薄片研究中主要应用平面偏光，而在不透明矿物及矿石的研究中经常应用到圆偏光和椭圆偏光。 自然光和偏振光是同一事物的两个侧面，二者可相互转化。偏振

7、光与自然光同样具有颜色，具有折射、反射与吸收, 波法线可与光线分离(常光与非常光之分)，可发生干涉与衍射。2.自然光与偏振光二、光的折射、反射与吸收二、光的折射、反射与吸收反射定律：入射光、法线、反射光共面；入射光和反射光位于法线两则；入射角反射角折射定律：入射光、法线、折射光共面；入射光和折射光位于法线两则；入射角i的正弦与折射角r的正弦之比，为一常数。 sin i / sin r = N 1-2 N 1-2为折射介质对入射介质的(相对)折射率。当入射介质为真空(空气)时，称为绝对折射率，以N 表示。 某一介质的折射率在数值上又等于光在入射介质中的传播速度与光在折射介质中的传播速度之比，即相

8、对折射率为： -2/1 二、光的折射、反射与吸收 即介质的折射率N与光在该物质中的传播速度V成反比。光在介质中传播的速度越快，折射率数值愈小，为“光疏介质”；反之，传播速度越小折射率值愈大，称为“光密介质。 折射率的大小还与入射光波长有关，不同波长的光折射入同种介质时，其折射率各不相同 。此现象称为“折射率色散”。 二、光的折射、反射与吸收光的反射 反射光常用“反射率（Reflectance）”来描述。反射率（R）指垂直入射光（入射角为0）经矿物的光滑表面反射后的反射光强（Ir）与入射光强（Ii）的比率：R = Ir / Ii 反射率除与入射角和反射介质的表面光滑程度有关外，还与入射光的频率、

9、入射介质的折射率、反射介质的折射率和吸收系数等因素有关。光进入介质传播的过程中，随传播距离的增加，光强（或光矢量的振幅）将逐渐衰减，此现象为介质的吸收性 。光的吸收性全反射临界角与全反射 当光线由折射率较大的介质（光密介质）进入折射率较小的介质（光疏介质）时，其折射率小于1 即: sin i /sin r 1 其入射角恒小于折射角，若增加入射角I,折射角也逐渐增大,当r增大至90时,入射光线不再进入光疏介质，此时的入射角称“全反射临界角”（）一 、矿物的透明度、光泽与发光性透明度:矿物允许可见光透过的程度。第二节矿物的光学属性 式中e为自然对数的底，数值为2.71829，系圆周率3.1416，

10、o为透入光在真空中的波长，K为与介质性质及入射光Ii入射角有关的常数，在正入射（入射角i为0）的条件下K称为“吸收系数”。 透明矿物：吸收系数 K 0.73，如黄铁矿、方铅矿等金属硫化物。一 、 矿物的透明度、光泽与发光性 光泽:是指矿物表面对可见光的反射能力。 相关计算公式见教材。 金属光泽：Nr3 或 Nr0.25。金，黄铁矿等；半金属光泽：Nr2.63.0,R=0.190.25。磁铁矿；金刚光泽：Nr1.92.6, R=0.100.19。金刚石；玻璃光泽：Nr 1.32.9,R=0.040.10。透明矿物等， 发光性：矿物晶体在外来能量的激发下，发出可见光的性质，属于冷发光范畴。 晶体在

11、外界能量的激发下发光，当激发作用一旦停止，发光现象在10-8s内迅速消失。这种发光现象称为“荧光”。如果发光现象在激发作用停止后仍能持续达108s 以上（有时可能达数小时）时，称为“磷光”。一 、 矿物的透明度、光泽与发光性泥晶灰岩阴极发光显微照片，方解石具环带二、矿物晶体中光的传播与折射（重点）1.光性均质体及光的传播特点 非晶质物质（空气、液体、玻璃、树胶等）和未受应力作用的高级晶族矿物（萤石、石榴石）等，其光学性质在各个方向上均相同。光波在均质体中传播时，其传播速度不因振动方向不同而发生改变，均质体在三维空间的任何方向上的折射率恒相等，即能传播自然光，也能传播偏振光。 不改变入射光、折射

12、光性质的介质称为光性均质体，包括非晶质物质和未受应力作用的高级晶族矿物。 换句话说：光由经界面正入射到这些矿物中传播时，不改变入射光的振动性质，正入射光为各向振动的自然光，折射光与反射光仍为自然光，正入射光为固定方向振动的偏振光，折射光与反射光亦为偏振光，且振动面方向与入射光一致； 光在传播至矿物的界面上时，将发生折射和反射，入射光、折射光和反射光之关系，完全遵循折射定律和反射定律。 光性均质体具有各向同性的特点：（1）光传播至均质体的界面时，有反射与折射发生，且遵循反射定律和折射定律。（2）不改变光的性质，与光的传播方向及振动方向无关。既能传播自然光，也能传播偏振光。（3）只有一个折射率，与

13、入射光方向无关。 特定频率的光波在非均质体中传播时，其传播速率随光波在晶体中的振动方向不同而发生改变。换言之，非均质体的折射率值亦随光波在晶体中的振动方向不同而发生变化，即非均质的折射率值有许多个。包括一切中级晶族和低级晶族的矿物晶体，以及受过应力作作用的高级晶族的矿物晶体，是各向异性的。2. 光性非均质体非结晶物质（玻璃，松香，树脂）高级晶族等轴晶系(石榴石,萤石,黄铁矿）一轴晶(中级晶簇)光性非均质体光性均质体三方晶系(方解石,电气石)四方晶系(锆石，黄铜矿)六方晶系(磷灰石)二轴晶(低级晶族）斜方晶系(橄榄石，重晶石)单斜晶系(透辉石，正长石)三斜晶系(斜长石) 光性非均质体将入射光分解

14、为速度不等、折射率各异、振动面方向互相正交的两列平面偏振光的现象称为“双折射（Duble refraction）”，两列振动面互相正交的偏振光之折射率的差值称为“双折射率（重折射率）”。3.光在中级晶族和低级晶族矿物中的传播特点3.1 双折射与双折射率 光在非均质体矿物中的某一个（或两个）特殊方向传播时，不发生双折射，这种特殊的不产生双折射的方向称为非均质体的“光轴（Optical axis）”。 中级晶族的矿物晶体具有一个这样的特殊方向，称为“一轴晶（Uniaxial crystal）”； 低级晶族的矿物晶体具有两个这样的特殊方向，称为“二轴晶（Biaxial crystal）”。3.光在中

15、级晶族和低级晶族矿物中的传播特点3.光在中级晶族和低级晶族矿物中的传播特点冰洲石的双折射率实验 光由空气等介质射入到光性非均质体矿物中传播时（无论是正入射或是斜入射），入射光与折射光的振动特性会发生明显的改变。入射光为各向振动的自然光，折射光将被分解为振动面方向互相垂直的两列平面偏振光；入射光为偏振光，折射光亦常常被分解为振动面方向互相正交的两列平面偏振光（个别特殊情况除外）。 两列偏振光的传播速度不同，折射率大小不等。3.2 光在非均质中传播特点 一轴晶的特点是：自然光将被分解为振动面互相垂直的两列平面偏光，一为常光o，另一为非常光e； 常光o的折射率恒定不变（NO），与正入射光方向无关，偏

16、光（矢量）振动方向垂直光轴（Z轴）与入射方向构成的平面，遵循折射定律，光线与波法线（光波传播方向）一致；更多强调光波的振动方向 非常光e的折射率（Ne）随偏光振动面方向变化而改变，偏光振动面方向/光轴（Z轴）与光波传播所构成的平面，且振动方向与Ne相垂直，不遵循折射定律，光线与波法线分离； 光沿光轴方向正入射不发生双折射，其折射率与常光折射率相等.O光E光常光O的振动面非常光 e 的振动面光轴一轴晶双折射示意图 二轴晶双折射的情况比一轴晶复杂，主要表现在：有二个方向的光轴，当光沿光轴方向正入射时不发生双折射；光沿其他方向入射时均发生双折射并将入射光分解为振动面互相正交的平面偏光，且均为非常光E

17、1和E2，均不遵循折射定律，光线与波法线分离（特殊方向除外）。E1光E2光非常光e 1的振动面非常光 e2 的振动面光轴1二轴晶双折射示意图光轴2共有波法线表13光性均质体与非均质体的比较4. 光率体及光性方位 4.1 光率体（或称光性指示体）的概念 它是表示偏光的振动方向与相应振动方向上折射率值之间关系的立体图形。也可以说它是晶体中光的振动方向与相应折射率值之间关系的一种光性指示体。 其作法是：有规律地测定晶体不同方向上的折射率；设想自晶体中心起，沿光波的各个振动方向，按比例截取相应的折射率值，再把各个线段的端点连接起来，便构成了光率体。 其作法是：有规律地测定晶体不同方向上的折射率；设想自

18、晶体中心起，沿光波的各个振动方向，按比例截取相应的折射率值，再把各个线段的端点连接起来，便构成了光率体。4.1 光率体(或称光性指示体)的概念光率体的意义与作用：充分反映了矿物光学性质中最本质的特点，形像直观；能方便地依据矿物晶体中偏光的共有波法线方向(也即正入射光的方向)确定偏光振动面的方向及对应的折射率值；能说明各类晶体的光波振动方向与其相应折射率变化的规律；能够解释许多晶体光学现象；据光率体的形态和半径的长短及其在各矿物中的方位区分鉴定矿物。4.1 光率体(或称光性指示体)的概念 高级晶族和一切非晶质的矿物具有各向同性的特征，光在这些物质中传播时，沿任何方向振动的光波的折射率均相等。所以

19、均质体的光率体是一个圆球体。 半径代表均质体的折射率值(N)； 不同的均质体的光学性质的差异主要表现在球体半径不同。4.2 高级晶族的光率体光率体的构成4.3 一轴晶的光率体一轴晶包括中级晶族的四方、三方、六方三个晶系的矿物。Ne=NmaxNo=Nmin4.3 一轴晶的光率体 当光垂直于这类矿物的c轴（即光轴）正入射时，折射形成的振动面相互垂直的两列偏光，一为常光o，另一为非常光e。常光的折射率为定值记为o，此时非常光的折射率亦为定值，记为e，分别为该矿物折射率的最大值（或最小值），其它方向的非常光的折射率值递变于这两个数值之间记为e。 一轴晶的光率体为一旋转椭球体，并有正光性和负光性之分。4

20、.3.1 一轴晶光率体的构成4.3.2 一轴晶的光率体基本特征（1）光轴为旋转轴的旋转椭球体，恒平行于非常光E的振动面方向，又称为是Ne轴；（2）水平轴恒平行于常光O的振动面方向,又称为No轴;（3） Ne，No分别为折射率最大和最小值,称为一轴晶的主折射率（光学主轴）,二者差值为最大双折射率，其他方向折射率介于其间,以Ne 表示；（4） Ne No时，为一轴晶正光性矿物（一轴正晶）；Ne No时，为一轴晶负光性矿物（一轴负晶）； 一般将折射率的最大值以Ng（慢光折射）表示，最小值以Np率（快光折射率）表示，则当NeNg时光性为正，当NeNp时光性为负。 （正光性NeNo） （负光性Ne Nm

21、Np Bxa切面双折射率 Bxo切面双折射率5.3 二轴晶光率体主要切面(应用)（5）垂直主轴面的斜交切面a.垂直光轴面的斜切面, 平行于Nm轴的切面，即光波垂直于Ng-Np面而平行Nm入射,椭圆切面。半径之一为Nm;另一为Ng或者为Np。b.垂直于Ng-Nm主轴面的斜切面,平行于Np主轴. Ng- Np为双折射率c.垂直于Nm-Np主轴面的斜切面,平行于Ng主轴的.Ng- Np为双折射率5.3 二轴晶光率体主要切面(应用)（6）与三个主轴均斜交切面为椭圆切面, Ng Np为双折射率5.3 二轴晶光率体主要切面(应用) 矿物晶体中，光率体光学主轴与结晶轴之间的关系称为光性方位。 具体来说是光率

22、体主轴Ne、No或Ng、Nm、Np与结晶轴a, b, c之间的相互关系称为光性光位。 光率体在晶体中的位置，受晶体对称要素的支配。因此，不同的矿物其光率体光学主轴与结晶轴的关系常是各不相同的，了解这些关系对研究晶体的光学性质与矿物鉴定均有重要的价值。 6.光性方位 一轴晶光率体为旋转椭球体，中级晶族的三方晶系、四方晶系和六方晶系的矿物均有唯一高次对称轴。光率体的旋转轴Ne（即光轴OA）与中级晶族晶体的C轴（L3、L4、L6）相重合一致。6.1 中级晶族晶体的光性方位图6-10 石英晶体的光性方位及镜下特征(A)石英;(B)石英 二轴晶光率体为三轴椭球体，有三个相互垂直的光学主轴，相当于光率体的

23、二次对称轴。低级晶族的矿物晶体对称程度各不相同，晶体参数各异。光性方位的特征各不相同。6.2 低级晶族晶体的光性方位斜方晶系,负光性, Npc,Nma,Ngb 6.2.1 斜方晶系的光性方位 三个方向的结晶轴a、b、c相互垂直.光率体三个主轴与三个结晶轴a、b、c分别重合。究竟哪一个与哪一个结晶轴重合,随矿物而异,可与六种组合情况。光轴面位置光轴与结晶轴对应关系光轴面(001） 硅镁石: Npa, Nmc, Ngb 橄榄石: Npb, Nmc, Nga 光轴面(100） 十字石: Npb, Nma, Ngc 文 石: Npc, Nma, Ngb光轴面(010） 黄 石: Npa, Nmb, N

24、gc 红柱石: Npc, Nmb, Nga图61-21 丝光沸石(A)钠沸石 的光性方位图 最高对称型为L2PC，二次对称轴与b轴一致。光率体中仅有一个光学主轴与结晶轴b重合，另外二光学主轴与晶体的a轴和c轴共在一个面内，且与结晶轴a和结晶轴c角度相交。至于哪一个主轴与b轴重合，另两个主轴与a、c结晶斜交的方位和角度，都随矿物而异。单斜晶系，负光性，Npa=20,Nmb,Ngc=10-20 6.2.2 单斜晶系的光性方位类型1类型2类型3Ng-Nm主轴面(010)Ng-Np主轴面(010)Nm-Np主轴面(010)Np bNg a 或Ng cNm a 或Nm cNm bNg a 或Ng cNp a 或Np cNg bNm a 或Nm cNp a 或Np c例:独居石:Np bNma =10Ngc =4例:透闪石:Nm bNgc =18Npa =2例:正长石: Ng bNmc =21Npa =5表15 单斜晶系的光性方位6.2.2 单斜晶系的光性方位图6-8 钠闪石(A)和钠铁闪石(B)光性方位图 三斜晶系没有二次对称轴，最高对称型为C，光率体中心与三斜晶系的对称中心C重合，三个光学主轴与三个结晶轴皆斜交。斜交的方位与角度随矿物而异。6.2.3 三斜晶系的光性方位图6-15 钠长石(A)更长石(B)中长石