Главная1. Изучение рельефа поверхности минерала. Метод основан на том, что в шлифе все минералы покрыты сверху и снизу слоем канадского бальзама с показателем преломления, близким к 1,537. В то же время поверхность шлифа всегда покрыта тонкими бороздками, получающимися при шлифовании. Если показатели преломления канадского бальзама и минерала неодинаковы, то на границе между первым и вторым происходят отклонения лучей вследствие явлений преломления и полного внутреннего отражения. Эти явления будут тем более сильно выражены, чем: а) больше разница между показателями преломления. б) более взаимно параллельны те лучи, которые проходят через препарат. Для получения возможно более параллельных лучей при помощи рычага или пинта, находящегося под столиком микроскопа, опускают поляризатор, на котором лежит осветительная линза; при этом получаются все более и более параллельные лучи (вертикальное или центральное освещение). То же получается, если зажимается диафрагма, помещенная под столиком микроскопа над поляризатором или под ним. В том случае, если сбоку подводить под поляризатор непрозрачную пластинку или палец, получается косое освещение, при котором пучок почти параллельных лучей идет косо к оси микроскопа. Во всех этих случаях поле зрения и препарат становятся более темными, но зато резко выступают явления преломления света, неодинаковые в различных минералах и в различных разрезах одного и того же минерала, а также явления полного внутреннего отражения.
Вследствие этих отклонений не все лучи попадают в микроскоп и, следовательно, в глаз. Благодаря этому поверхность минерала, если показатель преломления его разнится от показателя преломления канадского бальзама, кажется покрытой массой как бы точек, сливающихся друг с другом в тонкие морщинки: получается более или менее ясно заметная шероховатая, так называемая шагреневая поверхность минерала. Также и на границе между двумя минералами с неодинаковым показателем преломления наблюдаются нередко явления полного внутреннего отражения: благодаря нм минерал с большим показателем преломления окружен светлой каймой, тем более широкой и резкой, чем больше его показатель преломления сравнительно с соседним минералом; минерал кажется как бы выдающимся над окружающими минералами; он обладает рельефом.
В зависимости от рельефа и показателей преломления минералы можно разделить на несколько групп.
Рельеф отрицательный:
1) Показатель преломления меньше 1,54. Шагреневая поверхность. Отрицательный (обратный) рельеф (минерал кажется расположенным ниже других). Опал, плавиковый шпат, содалит, кальцит, нозеан, гаюин, лейцит, альбит, ортоклаз, микроклин.
Без рельефа:
2) Показатель преломления 1,54—1,56. Без шагреневой поверхности и без рельефа. Нефелин, кварц, олигоклаз, кордиерит (частью).
Рельеф положительный:
3) Показатель преломления 1,56—1,60. Слабо выраженные шагреневая поверхность и рельеф. Андезин, мусковит, биотит (табл. V, рис. 3).
4) Показатель преломления 1,61—1,65. Ясная шагреневая поверхность и рельеф. Андалузит, апатит, турмалин (частью), роговая обманка (частью) (табл. VI, рис. 3).
5) Показатель преломления 1,66—1,70. Рельеф и шагреневая поверхность резко выраженные. Оливин, ромбические пироксены, диопсид, кальцит (No).
6) Показатель преломления 1,71—1,78. Рельеф и шагреневая поверхность очень резкие. Эпидот, авгит (табл. VII, рис. 3), гранат.
7) Показатель преломления больше 1,78. Рельеф и шагреневая поверхность чрезвычайно резко выраженные. Титанит (табл. VIII, рис. 2), циркон, анатаз, рутил.
Следует иметь в виду, что благодаря присутствию в минерале включений, продуктов выветривания, а в некоторых случаях тонких и многочисленных трещин спайности может получиться поверхность минерала, напоминающая шагреневую.
При определении показателя преломления путем изучения рельефа и шагреневой поверхности необходимо обращать внимание на то, что она более резко выражена при большом увеличении, а также и при особенно низко опущенном конденсаторе.
При некотором навыке с помощью приведенной таблицы групп удается определять показатели преломления минералов с достаточной точностью.
2. Метод Бекке, При определении малой разницы показателей преломления двух рядом лежащих минералов, главным образом кварца и различных полевых шпатов, можно с большим успехом пользоваться методом, предложенным Бекке. Метод основан на том, что на границе между двумя минералами, хотя бы с весьма малой разницей в показателях преломления, при перемещении тубуса наблюдается появление тонкой светлой полоски (линии Бекке), которая при поднятии тубуса микроскопа передвигается в сторону минерала с большим показателем преломления. При этом под столиком микроскопа должен находиться поляризатор, благодаря которому можно выделять в исследуемых двоякопреломляющих минералах один из двух лучей. Появление линии Бекке объясняется тем, что часть лучей, падая под пологим углом на границу между двумя минералами и встречая минерал с меньшим показателем преломления, испытывает полное внутреннее отражение. Как видно из рис. 48, направо от границы между обоими минералами собирается большее число лучей, чем налево.
Все лучи, падающие под небольшим углом на поверхность, разделяющую оба минерала Л и В, например < 62°10', испытывают полное внутреннее отражение и собираются в большем количестве над минералом, обладающим большим показателем преломления; наоборот, в сторону минерала с меньшим показателем преломления проходят только те лучи, которые падают под углом > 62°10', если считать, что этот угол является предельным углом полного внутреннего отражения.При поднятии тубуса пучок отклоненных лучей попадает в глаз наблюдателю, и мы видим тогда на поверхности минерала с большим показателем преломления светлую полоску. Этим методом особенно часто пользуются при определении полевых шпатов, сравнивая их показатели преломления с показателями преломления соприкасающихся с ними зерен кварца.
При наблюдении линии Бекке необходимо выбирать такие места, где плоскость соприкосновения двух минералов стояла бы более или менее параллельно оси микроскопа, в противном случае линия Бекке затемняется явлениями преломления света в местах косого расположения ограничивающей эти минералы плоскости, где как бы выклинивается край линзы.
Чем ровнее поверхность, отделяющая две среды, тем резче выражена линия Бекке.
Методом получения полоски Бекке можно пользоваться только в том случае, когда оба минерала, относительный показатель которых определяется, непосредственно прилегают один к другому, и поверхность обоих совершенно лишена в месте их соприкосновения посторонних веществ, например продуктов выветривания. Для получения более отчетливой линии Бекке необходимо применять большое увеличение, возможно более зажимать диафрагму или опускать осветительный аппарат. Необходимо сначала установить микроскоп на ясную видимость линии соприкосновения между изучаемыми минералами или минералом и канадским бальзамом и медленно подымать тубус, следя за появлением и передвижением линии Бекке. Если минералы обладают большими показателями преломления, этот метод не применяется, так как достаточно ясно виден характер показателя преломления по шагреневой поверхности и рельефу. В случае сколько-нибудь большой разницы между показателями преломления при поднятии тубуса минерал с большим показателем преломления становится значительно более светлым, чем минерал с меньшим показателем преломления, так как получается очень широкая линия Бекке.
3. Метод косого освещения. При определении относительной величины показателей преломления двух рядом расположенных сред в шлифе, например минерала и бальзама или двух различных минералов, применяется также метод косого освещения обычно при сравнительно небольших увеличениях (около 50 раз). При этом облегчается определение относительной величины показателей преломления одновременно ряда минералов в шлифе. Под осветитель продвигается с одной стороны картонная пластинка или другой предмет, благодаря этому поступает только часть пучка, отраженного от зеркала микроскопа. Лучший эффект получается без конденсатора. Половина поля зрения затемняется, и минералы, обладающие большим показателем преломления, чем соседние, обнаруживают появление темной полоски на стороне зерна, удаленной от затемненной части поля зрения микроскопа, с меньшим показателем преломления на стороне, обращенной к этой части поля зрения. То же получается и при вдвигании картонной пластинки в отверстие над объективом (при малом увеличении и в присутствии конденсора) или при слабом задвигании анализатора.
Следовательно, если затемнение наблюдается на стороне зерна, обращенной к затемненной части поля зрения, минерал обладает меньшим показателем преломления, чем соприкасающийся с ним, если на удаленной — он обладает относительно большим показателем преломления.
Во всех этих случаях лучи проходят через изучаемые зерна минералов, соприкасающиеся с другими минералами или вообще находящиеся в среде с иным показателем преломления, в виде косого пучка. Если параллельный пучок лучей проходит через линзовидное зерно, идя из менее плотной среды (N1 > N2), получается пучок света, сходящийся над зерном, и минерал становится более светлым (рис. 49 а). Если же он идет из среды более плотной (N1 < N2), минерал кажется более темным (рис. 49 b). Способ диафрагмирования снизу для устранения части лучей показан на рис. 49 с.4. Иммерсионный метод. Иммерсионный метод имеет ряд существенных преимуществ перед другими методами определения показателей преломления, так как дает в ряде случаев особенно точные числа, притом с затратой минимального времени, и, кроме того, дает возможность определять показатели преломления, даже в особенно мелких зернах.
Основа метода заключается в том, что путем смешения двух жидкостей или пользуясь набором из большого числа жидкостей с разными показателями преломления подбирают такую жидкость, которая обладает показателем преломления, равным одному из показателей преломления минерала.
Особенно удобно сравнение показателей преломления жидкости и минерала при пользовании косым освещением; хорошие результаты получаются также и при центральном освещении.
Наиболее точно определяются показатели преломления методом дисперсии (комбинированный метод Мервина); точность достигает +0,001. Минерал погружается в жидкость с несколько большим показателем преломления, чем минерал в натровом свете. Применяя монохроматический иллюминатор, изменяя длину волны, уравнивают показатели преломления жидкости и минерала для иной длины волны, затем погружают тот же минерал в среду с меньшим показателем преломления, чем у минерала. То же делают для другой части спектра. Определяются показатели преломления минерала для двух цветов с различной длиной волны. Так как дисперсия показателей преломления составляет для большинства минералов почти прямую линию, показатели преломления для натрового или иного цвета можно определить графически.
Жидкости, которые применяют при работе иммерсионным методом, крайне разнообразны. Существует несколько наборов их. Такие наборы жидкостей предложены были Эммонсом, использовавшим их для петрографических целей. Список помещен также в книге Н.Е. Веденеевой «Лабораторное руководство по иммерсионному методу» (1937), другой список имеется в книге Е. Ларсена и Г. Бермана «Определение прозрачных минералов под микроскопом» (1937). Один из таких списков следующий (для света D):
При способе смешения двух жидкостей с различными показателями преломления пользуются а-монобромнафталином (показатель преломления 1,639) или иодистым метиленом (1,739), которые смешиваются с бензолом (1,500). Показатель преломления смеси наиболее удобно определять при помощи рефрактометра Бертрана, видоизмененного Смитом.При помощи того же рефрактометра Бертрана — Смита можно определять показатель преломления и в пластинках минералов даже диаметром 1 мм, помещая их на плоскую поверхность полушара, смоченную а-монобромнафталином.
Наиболее точные результаты получаются при применении рефрактометров Валлерана или Клейна и др.
При пользовании иммерсионными жидкостями следует иметь в виду, что ряд их действует на изучаемые минералы, растворяя их. К числу таких жидкостей относится прежде всего вода (растворяет ряд минералов с малым показателем преломления), амиловый спирт (растворяет ряд минералов).
Обычно применяют наборы с показателями от 1,400 до 1,87, с интервалами между отдельными жидкостями 0,010. По Ларсену имеется 11 минералов, Nm которых меньше 1,40, и 27 с Nm большим 1,87.
Наборы иммерсионных жидкостей изготовляются ВСЕГЕИ в Ленинграде и Институтом геологических наук Академии наук СССР в Москве.
Иммерсионные вещества, обладающие показателем преломления большим, чем 1,87, при обычных температурах находятся в твердом состоянии и разогреваются на электрических плитках с тремя ступенями нагрева.
Небольшое количество иммерсионного вещества расплавляется на предметном стекле, вносится небольшое количество порошка исследуемого минерала, сверху масса прикрывается и придавливается покровным стеклом.
В числе веществ, относящихся к такого рода иммерсионным средам, имеются в частности следующие: расплавленный пиперин с примесью трехиодистого мышьяка и трехиодистой сурьмы, с показателями преломления от 1,68 до 2,10; сплав селена и серы, n = 1,998 Na — 2,716 Li, сплавы селена с селенистым мышьяком с показателями от 2,72 Li до 3,17 Li; галоидные соединения таллия (показатели преломления 2,4 и выше) и др.
5. Рефрактометры с полным внутренним отражением'. Распространенным и удобным, притом очень точным методом определения показателей преломления является определение их при помощи наблюдений полного внутреннего отражения. Для этого пользуются рефрактометрами с шаровым сегментом.
Берется полушар из стекла, обладающего особенно большим показателем преломления (1,8—1,9), плоская поверхность которого, проходящая через его центр, располагается вверху горизонтально.
На горизонтальной поверхности полушара в центре его при помощи капли, не действующей на стекло и на минералы жидкости с большим показателем преломления, прикрепляется отшлифованная пластинка минерала. Жидкость образует между поверхностью полушара и пластинкой исследуемого минерала тонкий плоскопараллельный слой; необходимо, чтобы показатели преломления полушара N, жидкости n1 и пластинки минерала п были: N > n1 > n.
Освещая полушар с одной стороны рассеянным светом, мы будем видеть, что лучи, проходящие без преломления через полушар, частью пройдут через пластинку минерала под достаточно малым углом для того, чтобы они не испытывали полного внутреннего отражения; те же лучи, которые падают на нижнюю поверхность минерала под слишком большим углом, не проходят в минерал с малым показателем преломления и испытывают полное внутреннее отражение. Помещая по другую сторону полушара зрительную трубу, которая вращается в плоскости падения лучей на пластинку, испытываемую на полное внутреннее отражение, находим крайний луч, полностью отражающийся судя по резкой границе между более темной и более светлой частями поля зрения в зрительной трубе.
При помощи рефрактометров с полным внутренним отражением удается определять показатели преломления с точностью до четвертого десятичного знака.
Рефрактометр Аббе-Пульфриха (рис. 50). Рефрактометр состоит из полого металлического вертикального цилиндра, на верхнем конце которого прикреплен стеклянный полушар из сильно преломляющего свет стекла с горизонтальной плоскостью, проходящей через центр полушара и перпендикулярно к оси вращения цилиндра. Вращение вокруг этой оси может производиться при помощи специальных небольших ручек на краю горизонтального лимба, на котором производятся отсчеты вращения полушара. В нижнем конце полой вертикальной трубы, укрепленной вместе с упомянутым лимбом в обойме, находится призма николя. К штативу прикреплены зеркало, через которое пропускается свет по вертикали (по полому цилиндру), а также вращающаяся вокруг оси, перпендикулярной к полому вертикальному цилиндру, зрительная коленчато изогнутая труба с окуляром и призмой николя. Зрительная труба имеет противовес и вращается вместе с лимбом и делениями на его краю; неподвижно укреплен нониус для производства отсчетов вращения зрительной трубы. По другую сторону зрительной трубы имеется зеркало для направления рассеянного монохроматического света скользящими лучами на горизонтальную поверхность полушара.B окуляре имеется перекрест нитей, точка пересечения которых лежит на оси зрительной трубы. Вращая трубу при наличии на полушаре исследуемой пластинки минерала, устанавливают границу между темным и светлым полем зрения на перекресте нитей; эта граница получается благодаря явлениям полного внутреннего отражения; тем самым находят предельный угол этого отражения — предельный луч идет в таком случае вдоль оси зрительной трубы. Отсчет производится при помощи нониуса с точностью до минут. Для определения угла полного внутреннего отражения необходимо знать угол i этого отражения. Его определяют, сперва поставив зрительную трубу вертикально, наблюдая перекрест в полой вертикальной трубе и делая соответствующий отсчет на лимбе и затем вращая трубу до затемнения половины поля зрения. Полушар освещается либо методом скольжения по поверхности (рис. 51 а), либо снизу (рис. 51 b).
Приизмерении показателей преломления при помощи призмы или рефрактометра необходимо либо пользоваться имеющимися ровными плоскостями кристаллов, либо же пришлифовывать соответствующие плоскости на кристаллах; последнее в ряде случаев является далеко не легким делом.Применяя пластинку оптически одноосного кристалла с целью определения показателей преломления при помощи явлений полного внутреннего отражения, измеряют предельный угол отклонения для каждого из двух лучей. Так как скорости распространения этих лучей и, следовательно, показатели преломления различны, мы получаем два предельных угла для этих лучей. Для луча обыкновенного предельный угол остается неизменным, для луча необыкновенного он меняется от наибольшей величины до наименьшей. Вращая полушар рефрактометра, на котором находится исследуемая пластинка, находим такое положение, когда луч проходит под прямым углом к оптической оси. В таком случае, очевидно, получается то, что при горизонтальном положении такого направления скользящий луч распространяется перпендикулярно к оптической оси кристалла; следовательно, получаются два луча, причем колебания одного из них (обыкновенного) происходят перпендикулярно к оптической оси, другого (необыкновенного) — параллельно ей.
Если определить угол наименьшего отклонения каждого из них в отдельности, получаем показатели преломления No и Ne. Можно определить показатели преломления хотя бы для двух цветов, например для желтого и красного. Остальные показатели преломления мы определяем по формуле Коши или Брио.
Следует иметь в виду, что из двух получаемых лучей только луч обыкновенный все время остается в плоскости падения, луч необыкновенный может и не оставаться в этой плоскости.
1) Пластинка вырезана параллельно оптической оси. При соответствующем освещении пластинки, помещенной на поверхности полушара рефрактометра, видны две границы между различно освещенными частями поля зрения.
Поле зрения зрительной трубы разделяется на три различно освещенных участка. При вращении пластинки в ее плоскости одна из границ различно освещенных частей поля зрения остается на одинаковом расстоянии от центра поля зрения, описывая круг, соответственно шаровой волне обыкновенного луча: No = n sin j0; другая граница меняет свое положение; в известный момент она соответствует наименьшему (Np) или наибольшему (Ng) показателю преломления в кристалле в зависимости от его оптического характера и сливается при этом с предыдущей границей. При дальнейшем вращении она отдаляется от первой круговой границы и. наконец, становится на наибольшем расстоянии от нее при повороте пластинки на 90°, т. е. описывает кривую в виде эллипса, соответственно данному поперечному сечению поверхности волны необыкновенного луча; Ne = n sin iв. В такого рода разрезах имеется возможность определить наибольший (Ng) и наименьший (Np) показатели преломления данного кристалла.
2) Пластинка вырезана перпендикулярно к оптической оси, В этом случае получаются две границы между различно освещенными частями поля зрения, причем при вращении обе границы остаются на равных расстояниях одна от другой, не изменяя своего положения, так как разрез пересекает волну по двум круговым концентрическим сечениям, радиусы которых о и е соответствуют наибольшей и наименьшей скоростям, возможным в кристалле.
Получаем два показателя преломления с постоянными в обоих
случаях No = 1/o и Ne = 1/e — по формулам:
No = n sin io; Ne = n sin iв.
Поле зрения и тут распадается на три различно освещенные части, но при вращении пластинки в ее плоскости границы между ними остаются в неизменном положении.
В случае кристалла оптически одноосного один из предельных углов полного отражения все время остается неизменным, именно тот, который соответствует показателю преломления обыкновенного луча No. Второй угол колеблется между крайними значениями No и Ne.
В случае кристаллов двуосных при вращении пластинки в ее плоскости отсчеты предельных углов полного внутреннего отражения, при наличии почти все время двух лучей, получаются в виде наиболее отклоняющихся значений для каждой из двух пограничных линий полного внутреннего отражения. Из этих четырех попарно крайних значений предельных углов полного внутреннего отражения три соответствуют трем главным показателям преломления двуосного кристалла Ng, Np и Nm. Вопрос о том, которое из двух средних значений соответствует Nm, решается либо путем определения действительного угла оптических осей 2 V на специальных приборах, либо же путем повторного определения показателей преломления на второй, иначе ориентированной пластинке того же вещества.
При определении показателей преломления с помощью полного внутреннего отражения следует учитывать дисперсию света (см. рис. 51 b), так как лучи разной длины волны обладают различными предельными углами полного внутреннего отражения. Благодаря этому граница между освещенной и неосвещенной частями поля зрения при наблюдениях в белом свете становится неясной, в особенности в кристаллах анизотропных. Поэтому необходимо определять показатели преломления в монохроматическом свете.
Монохроматический свет получают различными методами: погружая асбестовый картон в насыщенный раствор поваренной соли и накаливая его в пламени газовой горелки или пропуская яркий белый свет через стандартный цветной фильтр.
Натровый (желтый) монохроматический свет исключительной яркости получают следующим образом: берут алундовый фильтровальный тигель с поваренной солью и подвешивают над газовой горелкой; на дне тигля образуется полусфера из NaCl. Установка такого рода располагается на достаточно большом расстоянии от рефрактометра.
6. Измерение показателей преломления при помощи призмы. В случае оптически анизотропного минерала (кристалла) призму изготовляют так, чтобы ребро ее совпадало с одним из главных оптических направлений в кристалле — Ng, Nm или Np. При определении показателей преломления пользуются поляризованным светом (николь в зрительной трубе), определяя показатель преломления для каждого луча отдельно. Для определения показателей преломления в одноосном кристалле достаточно одной такой призмы, в случае определения показателей преломления двуосных кристаллов требуется изготовление двух призм такого же рода.
Способ определения показателя преломления при помощи призмы с нахождением угла наименьшего отклонения отличается большой точностью; этим способом можно определять показатель преломления с точностью до четвертого знака десятичной дроби. Однако способ этот неудобен, так как для него необходимо изготовлять призмы, между тем в горных породах мы имеем дело по большей части с зернами настолько малого размера, что из них нет возможности изготовить призму.