1、礦物巖石薄片研究基礎2011年9月授課教師：趙 峰TEL柱石（海藍寶石，祖母綠）黃鐵礦黝銅礦輝銻礦上圖:天然六射星光藍寶石下圖:黃水晶彩色水晶斑狀結構：斑晶和基質 為兩個世代似斑狀結構：斑晶和基質為同一世代的產物電氣石顯微鏡下特征橄欖石顯微鏡下特征全晶質結構（4）隱晶質結構（20）半晶質結構（10）斑狀變晶結構（10）（）：斑晶為堇青石斑狀變晶結構（10）（）：斑晶為堇青石課程性質：專業基礎課程目的任務：掌握晶體光學性質的基本理論知識，學會使用顯微鏡鑒定及研究礦物(透明)和巖石(巖漿巖/變質巖/沉積巖)，解決生產實際問題研究內容： 礦物的形態、解理、光學特性(顏色、多

2、色性與吸收性、折射率及突起與糙面、雙折射率及干涉色、消光類型及延性、2V角及軸性與光性等)；巖石的礦物組成、結構與構造、次生變化、成巖作用、孔隙結構等研究方法：磨制薄片，顯微鏡工具為主，輔以其它研究方法重 要 性：基本、方便、快速、廉價、不可替代課程的目的與意義第一章 礦物的結晶質屬性及其光學性質第二章 偏光顯微鏡及單偏光鏡下礦物薄片研究第三章 正交偏光鏡下礦物光學性質的研究第四章 錐光鏡下礦物光學性質的研究第五章 透明礦物的偏光顯微鏡鑒定第六章 巖漿巖的偏光顯微鏡研究第七章 變質巖的偏光顯微鏡研究第八章 沉積巖的偏光顯微鏡研究主要研究內容第一節 光學基礎知識1.光的本質光具有粒子和波動雙重性

3、質。無線電波至射線的各種電磁波組成連續的電磁波譜，肉眼能感知的可見光波是其中波長為390770nm的一小段。1nm=10A（埃）=10-3m10-6mm10-9m一、光的本質與偏振光第一章 礦物的結晶質屬性和光學性質10-11101031051071091012101510-5波長（n m）射線射線紫外線可見光紅外線短無線電波廣播波段長無線電波可見光放大紅橙黃綠藍靛紫390（n m）430460500570590650770光波作為電磁波，是依靠交變電磁場之間的相互作用而傳播。光波是一種橫波，傳播方向與振動方向相互垂直。波速：VT 2光強 ：IKA2波動方程：Y=Acos(t+) 其中t+稱位

4、相平行光波的波前和波法線 光在介質中傳播，既是光能的傳播，也是光波位相的傳播。 按照惠更斯原理，光在某一介質中傳播時，某一瞬間光波所到達的連續表面，稱為“波前”(等時界面)。 平行光波在均質介質中傳播時，任意瞬時的波前都是平面，其與平行傳播方向的平面相交為一直線。點光源光波的波前和波法線 點光源發出的光波在均質介質中傳播時，任意時刻的波前都是圓球面，在平面上看是一個圓。 波前的法線方向稱“波法線”。光由一種介質傳入另一種介質時，除了光的頻率（f）之外，光的速度（ V ）、波長（ ）、光強（I）、光矢量的振動特征、光波相位、波法線與光線的方向等均會發生有規律的變化。 波法線方向與光線方向具有不同

5、的涵義，光線是指光能傳播的方向，而光的波法線方向是指相位的傳播方向。 在均質介質中，波法線方向與光線的方向平行或重合；而在非均質介質中，除了個別的特殊方向以外，波法線方向與光線方向一般不相互重合。2.自然光與偏振光自然光： 光波在垂直于光線傳播方向的平面內做任意方向的振動，其振幅均勻對稱。偏振光： 當光矢量的振動被限制在某個確定的方向上而其余方向振動完全消除（或部分消弱）時，則稱為“偏振光”（或稱為部分偏光），簡稱偏光。 自然光經由某些物質的折射、雙折射、反射或吸收后，可以使其光矢量的振動被局限在某個確定方向上，從而使自然光變為偏振光，這種現象稱為“光的偏振化”。2.自然光與偏振光reflec

6、ted and refracted raysboth become polarizedincoming ray is non-polarized2.自然光與偏振光 據光矢量的特點，偏振光可分為： 平面偏振光：若光矢量振動方向恒定，在垂直光傳播方向的平面內光矢量振動方向的投影為一條直線。 圓偏光：若偏振光光矢量的振幅不變，而方向隨時間變化而變化。 橢圓偏光：若偏振光光矢量的振幅與方向均隨時間有規律的變化。平面偏光圓偏光橢圓偏光2.自然光與偏振光 在礦物巖石薄片研究中主要應用平面偏光，而在不透明礦物及礦石的研究中經常應用到圓偏光和橢圓偏光。 自然光和偏振光是同一事物的兩個側面，二者可相互轉化。偏振

7、光與自然光同樣具有顏色，具有折射、反射與吸收, 波法線可與光線分離(常光與非常光之分)，可發生干涉與衍射。2.自然光與偏振光二、光的折射、反射與吸收二、光的折射、反射與吸收反射定律：入射光、法線、反射光共面；入射光和反射光位于法線兩則；入射角反射角折射定律：入射光、法線、折射光共面；入射光和折射光位于法線兩則；入射角i的正弦與折射角r的正弦之比，為一常數。 sin i / sin r = N 1-2 N 1-2為折射介質對入射介質的(相對)折射率。當入射介質為真空(空氣)時，稱為絕對折射率，以N 表示。 某一介質的折射率在數值上又等于光在入射介質中的傳播速度與光在折射介質中的傳播速度之比，即相

8、對折射率為： -2/1 二、光的折射、反射與吸收 即介質的折射率N與光在該物質中的傳播速度V成反比。光在介質中傳播的速度越快，折射率數值愈小，為“光疏介質”；反之，傳播速度越小折射率值愈大，稱為“光密介質。 折射率的大小還與入射光波長有關，不同波長的光折射入同種介質時，其折射率各不相同 。此現象稱為“折射率色散”。 二、光的折射、反射與吸收光的反射 反射光常用“反射率（Reflectance）”來描述。反射率（R）指垂直入射光（入射角為0）經礦物的光滑表面反射后的反射光強（Ir）與入射光強（Ii）的比率：R = Ir / Ii 反射率除與入射角和反射介質的表面光滑程度有關外，還與入射光的頻率、

9、入射介質的折射率、反射介質的折射率和吸收系數等因素有關。光進入介質傳播的過程中，隨傳播距離的增加，光強（或光矢量的振幅）將逐漸衰減，此現象為介質的吸收性 。光的吸收性全反射臨界角與全反射 當光線由折射率較大的介質（光密介質）進入折射率較小的介質（光疏介質）時，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,折射角也逐漸增大,當r增大至90時,入射光線不再進入光疏介質，此時的入射角稱“全反射臨界角”（）一 、礦物的透明度、光澤與發光性透明度:礦物允許可見光透過的程度。第二節礦物的光學屬性 式中e為自然對數的底，數值為2.71829，系圓周率3.1416，

10、o為透入光在真空中的波長，K為與介質性質及入射光Ii入射角有關的常數，在正入射（入射角i為0）的條件下K稱為“吸收系數”。 透明礦物：吸收系數 K 0.73，如黃鐵礦、方鉛礦等金屬硫化物。一 、 礦物的透明度、光澤與發光性 光澤:是指礦物表面對可見光的反射能力。 相關計算公式見教材。 金屬光澤：Nr3 或 Nr0.25。金，黃鐵礦等；半金屬光澤：Nr2.63.0,R=0.190.25。磁鐵礦；金剛光澤：Nr1.92.6, R=0.100.19。金剛石；玻璃光澤：Nr 1.32.9,R=0.040.10。透明礦物等， 發光性：礦物晶體在外來能量的激發下，發出可見光的性質，屬于冷發光范疇。 晶體在

11、外界能量的激發下發光，當激發作用一旦停止，發光現象在10-8s內迅速消失。這種發光現象稱為“熒光”。如果發光現象在激發作用停止后仍能持續達108s 以上（有時可能達數小時）時，稱為“磷光”。一 、 礦物的透明度、光澤與發光性泥晶灰巖陰極發光顯微照片，方解石具環帶二、礦物晶體中光的傳播與折射（重點）1.光性均質體及光的傳播特點 非晶質物質（空氣、液體、玻璃、樹膠等）和未受應力作用的高級晶族礦物（螢石、石榴石）等，其光學性質在各個方向上均相同。光波在均質體中傳播時，其傳播速度不因振動方向不同而發生改變，均質體在三維空間的任何方向上的折射率恒相等，即能傳播自然光，也能傳播偏振光。 不改變入射光、折射

12、光性質的介質稱為光性均質體，包括非晶質物質和未受應力作用的高級晶族礦物。 換句話說：光由經界面正入射到這些礦物中傳播時，不改變入射光的振動性質，正入射光為各向振動的自然光，折射光與反射光仍為自然光，正入射光為固定方向振動的偏振光，折射光與反射光亦為偏振光，且振動面方向與入射光一致； 光在傳播至礦物的界面上時，將發生折射和反射，入射光、折射光和反射光之關系，完全遵循折射定律和反射定律。 光性均質體具有各向同性的特點：（1）光傳播至均質體的界面時，有反射與折射發生，且遵循反射定律和折射定律。（2）不改變光的性質，與光的傳播方向及振動方向無關。既能傳播自然光，也能傳播偏振光。（3）只有一個折射率，與

13、入射光方向無關。 特定頻率的光波在非均質體中傳播時，其傳播速率隨光波在晶體中的振動方向不同而發生改變。換言之，非均質體的折射率值亦隨光波在晶體中的振動方向不同而發生變化，即非均質的折射率值有許多個。包括一切中級晶族和低級晶族的礦物晶體，以及受過應力作作用的高級晶族的礦物晶體，是各向異性的。2. 光性非均質體非結晶物質（玻璃，松香，樹脂）高級晶族等軸晶系(石榴石,螢石,黃鐵礦）一軸晶(中級晶簇)光性非均質體光性均質體三方晶系(方解石,電氣石)四方晶系(鋯石，黃銅礦)六方晶系(磷灰石)二軸晶(低級晶族）斜方晶系(橄欖石，重晶石)單斜晶系(透輝石，正長石)三斜晶系(斜長石) 光性非均質體將入射光分解

14、為速度不等、折射率各異、振動面方向互相正交的兩列平面偏振光的現象稱為“雙折射（Duble refraction）”，兩列振動面互相正交的偏振光之折射率的差值稱為“雙折射率（重折射率）”。3.光在中級晶族和低級晶族礦物中的傳播特點3.1 雙折射與雙折射率 光在非均質體礦物中的某一個（或兩個）特殊方向傳播時，不發生雙折射，這種特殊的不產生雙折射的方向稱為非均質體的“光軸（Optical axis）”。 中級晶族的礦物晶體具有一個這樣的特殊方向，稱為“一軸晶（Uniaxial crystal）”； 低級晶族的礦物晶體具有兩個這樣的特殊方向，稱為“二軸晶（Biaxial crystal）”。3.光在中

15、級晶族和低級晶族礦物中的傳播特點3.光在中級晶族和低級晶族礦物中的傳播特點冰洲石的雙折射率實驗 光由空氣等介質射入到光性非均質體礦物中傳播時（無論是正入射或是斜入射），入射光與折射光的振動特性會發生明顯的改變。入射光為各向振動的自然光，折射光將被分解為振動面方向互相垂直的兩列平面偏振光；入射光為偏振光，折射光亦常常被分解為振動面方向互相正交的兩列平面偏振光（個別特殊情況除外）。 兩列偏振光的傳播速度不同，折射率大小不等。3.2 光在非均質中傳播特點 一軸晶的特點是：自然光將被分解為振動面互相垂直的兩列平面偏光，一為常光o，另一為非常光e； 常光o的折射率恒定不變（NO），與正入射光方向無關，偏

16、光（矢量）振動方向垂直光軸（Z軸）與入射方向構成的平面，遵循折射定律，光線與波法線（光波傳播方向）一致；更多強調光波的振動方向 非常光e的折射率（Ne）隨偏光振動面方向變化而改變，偏光振動面方向/光軸（Z軸）與光波傳播所構成的平面，且振動方向與Ne相垂直，不遵循折射定律，光線與波法線分離； 光沿光軸方向正入射不發生雙折射，其折射率與常光折射率相等.O光E光常光O的振動面非常光 e 的振動面光軸一軸晶雙折射示意圖 二軸晶雙折射的情況比一軸晶復雜，主要表現在：有二個方向的光軸，當光沿光軸方向正入射時不發生雙折射；光沿其他方向入射時均發生雙折射并將入射光分解為振動面互相正交的平面偏光，且均為非常光E

17、1和E2，均不遵循折射定律，光線與波法線分離（特殊方向除外）。E1光E2光非常光e 1的振動面非常光 e2 的振動面光軸1二軸晶雙折射示意圖光軸2共有波法線表13光性均質體與非均質體的比較4. 光率體及光性方位 4.1 光率體（或稱光性指示體）的概念 它是表示偏光的振動方向與相應振動方向上折射率值之間關系的立體圖形。也可以說它是晶體中光的振動方向與相應折射率值之間關系的一種光性指示體。 其作法是：有規律地測定晶體不同方向上的折射率；設想自晶體中心起，沿光波的各個振動方向，按比例截取相應的折射率值，再把各個線段的端點連接起來，便構成了光率體。 其作法是：有規律地測定晶體不同方向上的折射率；設想自

18、晶體中心起，沿光波的各個振動方向，按比例截取相應的折射率值，再把各個線段的端點連接起來，便構成了光率體。4.1 光率體(或稱光性指示體)的概念光率體的意義與作用：充分反映了礦物光學性質中最本質的特點，形像直觀；能方便地依據礦物晶體中偏光的共有波法線方向(也即正入射光的方向)確定偏光振動面的方向及對應的折射率值；能說明各類晶體的光波振動方向與其相應折射率變化的規律；能夠解釋許多晶體光學現象；據光率體的形態和半徑的長短及其在各礦物中的方位區分鑒定礦物。4.1 光率體(或稱光性指示體)的概念 高級晶族和一切非晶質的礦物具有各向同性的特征，光在這些物質中傳播時，沿任何方向振動的光波的折射率均相等。所以

19、均質體的光率體是一個圓球體。 半徑代表均質體的折射率值(N)； 不同的均質體的光學性質的差異主要表現在球體半徑不同。4.2 高級晶族的光率體光率體的構成4.3 一軸晶的光率體一軸晶包括中級晶族的四方、三方、六方三個晶系的礦物。Ne=NmaxNo=Nmin4.3 一軸晶的光率體 當光垂直于這類礦物的c軸（即光軸）正入射時，折射形成的振動面相互垂直的兩列偏光，一為常光o，另一為非常光e。常光的折射率為定值記為o，此時非常光的折射率亦為定值，記為e，分別為該礦物折射率的最大值（或最小值），其它方向的非常光的折射率值遞變于這兩個數值之間記為e。 一軸晶的光率體為一旋轉橢球體，并有正光性和負光性之分。4

20、.3.1 一軸晶光率體的構成4.3.2 一軸晶的光率體基本特征（1）光軸為旋轉軸的旋轉橢球體，恒平行于非常光E的振動面方向，又稱為是Ne軸；（2）水平軸恒平行于常光O的振動面方向,又稱為No軸;（3） Ne，No分別為折射率最大和最小值,稱為一軸晶的主折射率（光學主軸）,二者差值為最大雙折射率，其他方向折射率介于其間,以Ne 表示；（4） Ne No時，為一軸晶正光性礦物（一軸正晶）；Ne No時，為一軸晶負光性礦物（一軸負晶）； 一般將折射率的最大值以Ng（慢光折射）表示，最小值以Np率（快光折射率）表示，則當NeNg時光性為正，當NeNp時光性為負。 （正光性NeNo） （負光性Ne Nm

21、Np Bxa切面雙折射率 Bxo切面雙折射率5.3 二軸晶光率體主要切面(應用)（5）垂直主軸面的斜交切面a.垂直光軸面的斜切面, 平行于Nm軸的切面，即光波垂直于Ng-Np面而平行Nm入射,橢圓切面。半徑之一為Nm;另一為Ng或者為Np。b.垂直于Ng-Nm主軸面的斜切面,平行于Np主軸. Ng- Np為雙折射率c.垂直于Nm-Np主軸面的斜切面,平行于Ng主軸的.Ng- Np為雙折射率5.3 二軸晶光率體主要切面(應用)（6）與三個主軸均斜交切面為橢圓切面, Ng Np為雙折射率5.3 二軸晶光率體主要切面(應用) 礦物晶體中，光率體光學主軸與結晶軸之間的關系稱為光性方位。 具體來說是光率

22、體主軸Ne、No或Ng、Nm、Np與結晶軸a, b, c之間的相互關系稱為光性光位。 光率體在晶體中的位置，受晶體對稱要素的支配。因此，不同的礦物其光率體光學主軸與結晶軸的關系常是各不相同的，了解這些關系對研究晶體的光學性質與礦物鑒定均有重要的價值。 6.光性方位 一軸晶光率體為旋轉橢球體，中級晶族的三方晶系、四方晶系和六方晶系的礦物均有唯一高次對稱軸。光率體的旋轉軸Ne（即光軸OA）與中級晶族晶體的C軸（L3、L4、L6）相重合一致。6.1 中級晶族晶體的光性方位圖6-10 石英晶體的光性方位及鏡下特征(A)石英;(B)石英 二軸晶光率體為三軸橢球體，有三個相互垂直的光學主軸，相當于光率體的

23、二次對稱軸。低級晶族的礦物晶體對稱程度各不相同，晶體參數各異。光性方位的特征各不相同。6.2 低級晶族晶體的光性方位斜方晶系,負光性, Npc,Nma,Ngb 6.2.1 斜方晶系的光性方位 三個方向的結晶軸a、b、c相互垂直.光率體三個主軸與三個結晶軸a、b、c分別重合。究竟哪一個與哪一個結晶軸重合,隨礦物而異,可與六種組合情況。光軸面位置光軸與結晶軸對應關系光軸面(001） 硅鎂石: Npa, Nmc, Ngb 橄欖石: Npb, Nmc, Nga 光軸面(100） 十字石: Npb, Nma, Ngc 文 石: Npc, Nma, Ngb光軸面(010） 黃 石: Npa, Nmb, N

24、gc 紅柱石: Npc, Nmb, Nga圖61-21 絲光沸石(A)鈉沸石 的光性方位圖 最高對稱型為L2PC，二次對稱軸與b軸一致。光率體中僅有一個光學主軸與結晶軸b重合，另外二光學主軸與晶體的a軸和c軸共在一個面內，且與結晶軸a和結晶軸c角度相交。至于哪一個主軸與b軸重合，另兩個主軸與a、c結晶斜交的方位和角度，都隨礦物而異。單斜晶系，負光性，Npa=20,Nmb,Ngc=10-20 6.2.2 單斜晶系的光性方位類型1類型2類型3Ng-Nm主軸面(010)Ng-Np主軸面(010)Nm-Np主軸面(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:獨居石:Np bNma =10Ngc =4例:透閃石:Nm bNgc =18Npa =2例:正長石: Ng bNmc =21Npa =5表15 單斜晶系的光性方位6.2.2 單斜晶系的光性方位圖6-8 鈉閃石(A)和鈉鐵閃石(B)光性方位圖 三斜晶系沒有二次對稱軸，最高對稱型為C，光率體中心與三斜晶系的對稱中心C重合，三個光學主軸與三個結晶軸皆斜交。斜交的方位與角度隨礦物而異。6.2.3 三斜晶系的光性方位圖6-15 鈉長石(A)更長石(B)中長石