ВВЕДЕНИЕ

Петрография – наука о горных породах, их минеральных и химических составах, структурах и текстурах, условиях залегания, закономерностях распространения, происхождении и изменении в земной поверхности и на поверхности Земли.

Предмет и методы петрографии

Петрография – наука геологического цикла, она тесно связана с минералогией, геохимией, вулканологией, тектоникой, стратиграфией и учением о полезных ископаемых.

По типам изучаемых горных пород различают:

1) петрографию магматических пород;

2) петрографию метаморфических пород;

3) петрографию осадочных пород (литология).

Петрография магматических горных пород исследует кристаллические горные породы, образовавшиеся в основном в результате застывания и кристаллизации магмы.

Процессы расщепления магмы в ходе ее застывания в земной коре и растворения в магме вмещающих пород ведут к возникновению различных по составу типов изверженных горных пород и связанных с ними полезных ископаемых.

Петрография метаморфических горных пород занимается исследованием горных пород, изменивших первоначальный минеральный и химический состав под влиянием новых физико-химических условий.

Для изучения состава и строения горных пород применяют специальные методы исследования. К ним относятся:

Кристаллооптические методы, позволяющие изучать тонкозернистые минеральные агрегаты в шлифах. При этом используется поляризационный микроскоп. Шлиф – тонкая пластинка горной породы или минерала, прикрепленная на стекло. Стандартный петрографический шлиф имеет толщину 0.03 - 0.02мм, прикреплен на специальную смолу (канадский бальзам) и покрыт сверху тонким стеклом. Размеры шлифа примерно 2×4см.

Широко применяется рентгеноскопический метод и спектральный анализ, которые дают возможность определить элементы-примеси, присутствующие в породах в малых количествах.

Химический состав минералов определяется при помощи микроанализа в горных породах. Вещество горных пород исследуется и путем химического анализа.

Физические исследования горных пород и составляющих их минералов применяются для определения ряда физических показателей (плотность, твердость, тепловое расширение, сжимаемость, вязкость, электрические и магнитные условия и т.д.)

С середины 20в. петрографии используются математические методы на основе применения ЭВМ (метод математической статистики). По характеру изучаемых свойств и применения методов выделяют следующие разделы петрографии: петрохимия, петрофизика, петротектоника, физико-химическая и экспериментальная петрография, тектоническая петрография, космическая петрография.

История развития петрографии

В качестве самостоятельной ветви геологических знаний петрография начала обосабливаться с середины 19в., с момента введения в практику исследования горных пород с помощью поляризующего микроскопа. С этого момента начинается период, который называется описательным направлением в петрографии. Первый учебник петрографии был составлен в 1866г. немецким ученым Циркелем.

Параллельно совершенствовались методы кристаллооптических исследований, в развитие которых большой вклад внес Федоров (столик Федорова).

Химические исследования ставили целью выявления закономерностей в изменении химического состава магматических пород. В этой области велика роль Левинсона-Лессинга.

В задачу физико-химических исследований входило изучение процессов кристаллизации и деформации магмы, т.е. выявление причин разнообразия магматических пород.

Целью экспериментальных исследований является изучение процессов образования минералов и горных пород (Боун, Грейгу).

Развитие инженерно-геологических и геофизических исследований активизировало изучение физических свойств горных пород и привело к появлению новой ветви в петрографии – петрофизике (Левинсон-Лессинг, Залесский).

Всестороннее аналитическое изучение магматических пород и параллельно проводившиеся региональные геолого-петрографические исследования привели к возникновению учения о магматических формациях.

Формация – естественная совокупность горных пород, связанных общностью условий их образования, т.е. возникших в сходных физико-географических и тектонических обстановках.

В развитии этого учения большой вклад внесли Афонасьев, Воробьева, Балибин, Кузнецов.

Тема 1. Основы кристаллооптики

Основные положения о свете

Кристаллооптический метод изучения горных пород основан на использовании поляризующего света, применяемого в микроскопах.

Свет – сложное природное явление, представляющее собой с одной стороны непрерывный поток материальных частиц (фотон), характеризующийся определенной энергией и количеством движений, с другой стороны - волновое электромагнитное колебание, возникающее при смене напряжений электрического и магнитного векторов. Оба вектора равны между собой, взаимно перпендикулярны и одновременно перпендикулярны к направлению распространения света.

Если в каждую единицу времени направление колебаний электрических и магнитных векторов меняется, т.е. в направлении распространения светового луча одновременно происходят поступательные и вращательные движения этих векторов, то такой свет называется обыкновенным (естественным).

Если колебания световых волн совершаются в одной плоскости, то свет называется плоско поляризованным.

Электромагнитные колебания являются гармоническими и характеризуются следующими элементами: длина волны, амплитуда, фаза, частота.

Видимый свет обусловлен волнами, имеющими длину от 380 до 780mμ.

В этом интервале каждая волна определенной длины имеет определенный цвет. Суммарный эффект всех волн даёт белый цвет.

Интерференция света

Если два колебательных движения распространяются по одному и тому же направлению и обладают одной и той же длиной волны, они взаимодействуют, складываются между собой – интерференция. Результат интерференции зависит от того, в каких относительных фазах встречаются колебания обоих интерферирующих лучей. Здесь возможны следующие случаи:

1) колебания соответствующих точек того или другого лучей, встречаются в одинаковых фазах;

2) колебания соответствующих точек интерферирующих лучей встречаются в прямо противоположных фазах;

3) разность фаз слагаемых колебательных движений является промежуточной между двумя предыдущими случаями.

Распространение света

В однородной среде свет распространяется равномерно (прямолинейно). Это утверждение называется законом прямолинейного распространения света. Геометрическую линию, указывающую направление распространения света, называют световым лучом. Геометрическое место точек среды, колеблющихся в одинаковой фазе, называют волновой поверхностью, а множество точек, до которых дошло колебание к данному моменту времени, называют фронтом волны. В зависимости от вида фронта волны различают плоские и сферические волны.

Преломление света

Если луч падает нормально на границу раздела двух сред, то он изменяет только скорость, а направление сохраняется.

Если луч падает под углом (i) на границу раздела двух сред, то при переходе из одной среды в другую луч изменяет и скорость, и направление (I – угол падения, r – угол преломления). Согласно закону Снелиуса-Декарта

sin i/ sin r = υ₁/υ₂

Это отношение называется показателем преломления n среды 2 относительно среды 1.

Отношение скорости света в воздухе (υ₀) к скорости света в конкретной среде (υ₁) называется показателем преломления данной среды. n – величина безразмерная и для минералов всегда больше 1. Показатели преломления двух сред обратно пропорциональны скоростям распространения света в них

n₁ / n₂ = υ₁ / υ₂

Методы определения показателей преломления

1) Определение светопреломления по способу призмы. Этот способ заключается в измерении отклонения от первоначального направления луча, при прохождении его через призму из данного тела, причем под призмой понимается пересечение двух граней кристаллов

угол А – преломляющий угол призмы, угол σ – угол отклонения луча призмы

A = r + r₁;

σ = (i – r) + (i_{1 ­­}– r₁);

т.к. i = i₁, r = r₁, то

n = sin ((A+σ)/2) / sin A/2 = sin i / sin r

угол А, угол σ – измеряются на гониометре – приборе, предназначенном для измерения углов между гранями кристаллов, а также для измерения углов различных призм.

2) Определение светопреломления по методу рефрактометра. Этот способ основан на явлениях полного внутреннего отражения на границе двух сред. В кристаллооптике используются кристаллорефрактометры с полушарием из стекла с высоким показателем преломления (1.8 – 1.9). На верхней плоской поверхности полушария прибора помещается капелька жидкости, а на нее сверху накладывается пластинка исследуемого вещества. С помощью рефрактометра определяют угол полного внутреннего отражения.

где n₁ – показатель преломления стекла, n₂ – показатель преломления жидкости, n – искомый показатель преломления.

n<n₂<n₁

3) Иммерсионный метод основан на сравнении n минерала с n жидкой среды. Определение производится под микроскопом. При этом наблюдаются тончайшие зернышки кристаллов, погруженные в капельку жидкости. Если n жидкости сильно отличается от n твердого тела, то контуры зернышек представляются резко очерченными. При равенстве показателей преломления твердого и жидкого тела, зернышки становятся совершенно неразличимыми в жидкости.

Таблица - Иммерсионные жидкости

Номер п\п	Название жидкости	n
1	вода	1,336
2	этиловый спирт	1.360
3	глицерин	1,467
4	касторовое масло	1,478
5	кедровое масло	1.502
6	гвоздичное масло	1,544
7	коричное масло	1,605
8	йодистый метилен	1,740

Линия Бекке – светлая полоска на границе твердого и жидкого вещества, ясно распознаваемая при средних увеличениях микроскопа. Если перемещать трубу микроскопа вверх, то полоска Бекке смещается в сторону среды, обладающей более высоким показателем преломления и наоборот. Точность определения показателя преломления +- 0.003.

4) Метод двойной вариации. Разновидность иммерсионного метода, при котором для определения n минеральных зерен используют изменение состава света и температуры жидкости. Он применяется при работе со сплавами, где смена иммерсионных сред затруднена.

Изотропные и анизотропные вещества

К оптически изотропным веществам относятся минералы аморфных и кубических сингоний. К анизотропным веществам – минералы средних и низших сингоний.

Минералы кубических сингоний (a_x = a_y = a_z). Для них n и υ будут одинаковы и меняются только при смене минерального вида.

Минералы средних сингоний (a_x = a_y ≠ a_z). Для них n и υ по направлению осей x, y, z различны, но по направлению x,y одинаковы.

Минералы низших сингоний (a_x ≠ a_y ≠ a_z). Для них n и υ не равны по всем направлениям.

Двойное лучепреломление

В анизотропных минералах луч света при попадании в кристалл раздваивается на 2 луча:

1) Луч с колебаниями по длинной оси. Называется обыкновенным n_o.

2) Луч с колебаниями по короткой оси. Называется необыкновенный n_е.

В кристаллах средних сингоний существует направление, где n_o = n_е. Это направление совпадает с осью симметрии и называется оптической осью кристалла. Следовательно, кристаллы средних сингоний оптически одноосны.

Условно принято, что при n_e большем, чем n_o кристаллы считаются оптически положительными, при меньшем – оптически отрицательными.

В кристаллах низших сингоний имеется 3 кристаллографических направления: n_g, n_m, n_p.

Кристаллы низших сингоний имеют 2 оптические оси:

если n_g – n_m > n_m – n_p – кристалл положительный,

если n_g – n_m ≤ n_m – n_p – кристалл отрицательный.