Кристаллография

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 максимальноезначениецветаинтерференциисномограммой 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 величинойдвупреломления 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 уче-

том 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.

КомпенсаторБерека

В этом устройстве кальцитовый диск, выпиленный 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 распо-

ложена 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 во-

круг 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 двумясистемами спайных плоскостей. Такоеявление наблюдается у авгита и роговой обманки, если их срез перпендикулярен оси z1.

При измерении углов погасания необходимо просмотреть как можно большезерен, находящих- (я в различной ориентации, чтобы получить представление о характере расположения индикатрисы поотношению 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.Привыясненииположенияиндикатрисывходе 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 оценива-

ются 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 интерференционая 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 возника-

ют 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 двуосных, которые перпендикулярны биссектрисе, а в ряде случаев — перпендикулярны оси индикатри-

сы Y (пт).

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 двупреломления, 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 — nf), так и значения ί, которые входят в уравнение разности хода = (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 тригональной сингонии.

2.Оценивать силу двупреломления минерала, которая определяется по резкости изображения креста и числу цветных колец, наблюдаемых в шлифе стандартной толщины (0,03 мм). Апа-

тит (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 серобелыми квадрантами, но цветных колец не воз-

никает. 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 np-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-

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. Этикольца не всегда видны в стандарт-

ных 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 двуосных 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 двуосного минерала и провести биссектрисы углов между указанными направлениями (рис. 7.35), то можно увидеть, что в первом приближении1 изогиры представляют собой Геометрические места распо-

ложения 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. 7.36 Стереограмма, построенная в соответствии с правиломБио—Френеляипоказывающаяповедение лучей, следующих вдоль изогиры. PP и AA — плоскостиполяризатораианализатора.

той области света, которая подверглась двупреломлению. Это выражается в возникновении балок

содинаковой интерференционной окраской, как и

вслучае 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 пря-