05第五章矿物在聚敛光下的偏光图.doc

第五章 矿物在聚敛光下的偏光图 一、聚敛光下偏光图的基本概念 前面几章介绍了金属矿物的垂立入射、垂直反射光下研究的情况，本章再介绍一下金属矿物在斜入射、斜反射下研究的光学效应。考虑到地质类专业的需要和当前教学实验室的条件，本教程只对聚敛偏光下光学效应最基本的原理和主要光学现象作简要的阐述。关于详细的测量方法和测定结果可参阅有关专门著作和参考书。 众所周知，非均质透明矿物于透射偏光显微镜下在直射正交偏光条件下显示全视域均匀的干涉色，在聚敛正交偏光条件下则显示不均匀的干涉图高重折率一轴晶矿物在消光位呈带彩色环带的黑十字，二轴晶矿物呈更复杂的干涉偏光图。强双反射非均质不透明矿物于反射矿相显微镜下在直射正交偏光条件下显示全视域均匀亮度和偏光色，在聚敛正交偏光条件下则显示亮度和颜色不均匀的偏光图。与透明矿物的聚敛偏光图可以区分二轴晶矿物的正、负光性相似，不透明矿物的聚敛偏光图可以提供更多的光性鉴定特征鉴别矿物如鉴别软猛矿和硬锰矿软锰矿的正交聚敛偏光双曲线暗带偏光图暗带凹部显蓝色、凸部显红色；而硬锰矿则是凹部显红色、凸部显蓝色。再如一般光学性质很相似的金、银碲化物类矿物也可用聚敛偏光图加以区别。因此，不透明矿物在聚敛光下的偏光图具有实际意义，它受到不少矿相学家的重视。对其复杂的形成机理，已有一些专著的论文在理论上作了比较深入的探讨和基本的论述。 二、聚敛光下偏光图的形成机理 一 反射旋转及其色散 在矿相显微镜下，物镜产生束圆锥形入射光。光线投射到矿物光片表面再反射出去。物镜中心即视域中心的光线为垂直入射、垂直反射。物镜视域其他位置则系成各种不同角度的斜入射、斜反射。入射光和反射光组成的面为“入射面”，入射面与光片表面垂直。入射面中与光片表面垂直的线为“入射法线”，入射光与入射法线所夹的角度即为光线的“入射角”。按物理光学定律，入射角与反射角相等。 斜入射光为平面偏光时，斜反射光的振动面图5－1的R线将与原入射光的振动面图5-1的东西向的P线不同，此即为“反射旋转”。反射旋转产生的原因是由于斜反射时平行入射面的分振动Rp和垂直入射面的分振动Rs的振幅不相等OR2大于ORp、合成振动R的振动面将产生趋向于入射面垂线图5-1之S线的反射旋转。 如图5-1所示，在高倍物镜下即在聚敛光下由于每一个位置的斜入射、斜反射角度不同影响到每一点的“反射旋转量”不同见第一章，物镜越边部的入射角和数值孔径越大导致反射旋转量越大；以及入射角相等时越接近视域45线反射旋转量越大，越接近东西向和南北向，即入射面与入射平面偏光振动面平行和垂直，反射旋转量越小直至为零。图5－1中虚线曲线表示反射旋转量的线量线，四角部分表示四个象限中反射旋转的旋转方向（东北、西南两象限因合成振动R趋向S线而为顺时针方向旋转，西北、东南两象限因合成振动R趋向S线而为逆时针方向旋转。 由物理光学得知，白光可分解成不同的单色光。上述反射旋转量对不同单色光（如红光、蓝光等可能不同，这种在可见光范围内反射旋转量随不同波长单色光而变化的光学现象就是“反射旋转色散”。反射旋转色散在聚敛偏光图形成机理中起着重要的作用。 二非均质旋转及其色散 关于非均质矿物由于主反射率R1、R2不相等在直射光下造成偏光振动面非均质旋转的性能已在本教程第三章第二节阐明图3-1等。在聚敛偏光下这种“非均质旋转”光学效应同样存在。由于反射偏光振动面总是偏向反射率高的一边，导致转动物台一周“非均质旋转”在从某一消光位开始转动0一90、180一270为一种旋转方向；转动90－180、270－360为另一种相反的旋转方向。这对非均质矿物在聚敛光下偏光图的形成具有重要的意义。 同样，在第三章第二节中也阐述过“非均质旋转色散”效应。非均质旋转色散是指非均质旋转角对不同波长单色光的变化而言，它在聚敛偏光图形成机理中也起着重要的作用。矿物的非均质旋转色散可分为红＞蓝r＞υ、蓝＞红υ＞r和红≈蓝（r≈υ）三种类型。 三、均质矿物的偏光图 一均质矿物的“黑十字”偏光图 由图5-1所示反射旋转量的等量线分布状况可以看出，视域边缘部位旋转量大、视域中心部位旋转量小、十字丝部位旋转量为零。因之在严格正交偏光下均质矿物的任何位置即任意旋转物台和非均质矿物的“消光位”显示“黑十字”图象图5-2-a和图5-3。在这两种情况下不发生“非均质旋转”而只发生“反射旋转”。视域圆南北向和东西向直径处因反射旋转量为零，故这些位置的反射偏光振动面都为东西向。因而都不能通过上偏光镜而出现“黑十字”。其余位置因存在不同的反射旋转量，故通过上偏光镜的光强不等。由图5-1得知应于45线视域最边部最亮，向视域中心和东西、南北直径目镜十字丝依次逐渐减弱。这种严格偏光下显示的典型“黑十字”聚敛偏光图，当非均质矿物处于“消光位”时也同样出现图5-2-a。 二均质矿物的“双曲线暗带”偏光图 当偏转上偏光镜使其离开与前偏光镜正交的位置时，均质矿物在聚敛光下将如图5-2-b和图.5-4所示出现“双曲线暗带”偏光图。双曲线暗带处反射光振动方向与集团伯的上偏光镜振动方向垂直，其他位置反射光振动方向则都与之斜交（图5-4）。双曲线暗带出现的象限为反射旋转方向与上偏光镜偏离方向一致的象限，如图5-2-b都是顺时针方向（东北－西南象限显示“双曲线暗带”、图5-4都是逆时针方向西北一东南象限显示“双曲线暗带”。不出现暗带的两象限内的所有位置和出现暗带象限内“暗带”以外的位置都因经反射旋转后 的反射光振动方向与偏转后的上偏光镜振动方向斜交而显示一定的亮度。前者是越靠近45线和视域边缘亮度越大；后者是越靠近“双曲线暗带“亮度越小。以上“双曲线暗带”偏光图象当非均质矿物在严格正交偏光下转动物台偏离“消光位”时也同样出现（图5-2-c，其形成机理于下面阐明。 三均质矿物的反射旋转色散效应 如图5-5所示，均质矿物在严格正交聚敛偏光下显示黑十字图象后再偏转上偏光镜出现带红、蓝色边的双曲线暗带。此由反射旋转色散作用造成，具有实际鉴定意义。图5-5-a表示反射旋转在视域的东南象限呈逆时针方向旋转。图5-5-b表示上偏光镜由A逆时针方向偏转至A1后，这个偏转的角度∠AOA1将与视域东南象限内每一位置的反射旋转量相消。在双曲线暗带中的每一处之反射旋转量与∠AOA1相等，使得反射光的振动方向与OA1垂直，故显示“双曲线暗带”。在双曲线暗带的凸边区域内，因蓝光反射旋转后的振动方向红光反射旋转后的振动方向更垂直于OA1方向主要消去蓝光，故导致产生红色的“色边”。同理，在双曲线暗带的凹边区域内，由红光反射旋转后的振动方向比蓝光反射旋转后的振动方向更垂直于OA1方向主要消去红光，导产生蓝色“色边”。这种“色边”效应的实质是蓝光的反射旋转量大于红光的反射旋转量。反射旋转色散符号为蓝＞红（υ＞r）。当然，在自然界均质不透明矿物还有反射旋转色散符号为红＞蓝r＞υ和红≈蓝（r≈υ）的一共三类表5-1。 四均质矿物偏光图的鉴定意义 均质矿物偏光图对于鉴别均质不透明矿物具有重要的实际意义。如表5-1所示，其他许多光学性质类似的黝铜矿和砷黝铜矿，凭借反射旋转色散类型不同黝铜矿为蓝≥红类型、砷黝铜矿为红＞蓝类型可以区分两者。 应该指出，在聚敛偏光下确定反射旋转色散类型除了上述“色边法”以外，还有其他方法可供参考运用。 表5-1 常见均质不透明矿物的反射旋转色散分类表 “红＞蓝”型 凸边蓝色、凹边红色 “蓝＞红”型 凸边红色、凹边蓝色 “红≈蓝”型 （看不出色边） 自然铁 黄铁矿 自然铂 辉银矿 紫硫镍矿 磁铁矿 砷黝铜矿 黝铜矿 方铅矿 蓝辉铜矿 斑铜矿 闪锌矿 四、非均质矿物的偏光图 一非均质矿物的“双曲线暗带”偏光图 非均质不透明矿物在反射聚敛偏光下的光学效应实质上主要由非均质旋转与反射旋转叠加作用所决定。如图5-2-c所示，矿物的非均质旋转方向是逆时针的；而在东北、西南两象限中反射旋转是顺时针的，在西北、东南两象限中反射旋转是逆时针的。因此，由于这两种旋转作用叠加的结果，在东北、西南两象限内各出现条弯曲的消光带（此带内各点的反射旋转量与非均质旋转量相等、方向相反）。同理在西北、东南两象限内由于总旋转量加大（两种旋转方向相同各点都较明亮。图5-6更确切地表达了在严格正交偏光下45位置非均质矿物聚敛偏光图象的形成机理。图中视域外四角部位E代表入射光振动的方向，r代表矿物在四象限中经反射旋转后反射光的振动方向，黑十字线上之双箭头线代表整个视域中任何一点的非均质旋转量此图中为顺时针方向旋转，R表示非均质旋转与反射旋转叠加后在四个象限中反射光总的振动方向。由图5-6可知，在西北、东南两象限内由于反射旋转r为逆时针方向旋转，故在此两象限内有一些位置的的反射旋转量与非均质旋转量相等，二者适相抵消，使反射偏光振动面未旋转（仍为原入射光的振动方向E，光线完全不能通过，即由这些点连接成“消光带”isogyres。从将5-1反射旋转量等量线为双曲线形状决定了“消光带”为“双曲线暗带”。此带上各点的振动面都与上偏光镜振动面AA垂直暗带内双箭头线都是东西向振动。西北、东南两象限内“非暗带位置”上各点的反射光总振动方向R都不与上偏光镜振动面垂直，故都有部分光线通过上偏光镜显示一定的亮度。东北、西南两象限内两种旋转方向相同（都是顺时针方向而相加，导致有较多有光量通过上偏光镜变成明亮区域，并且越是靠近视域边缘和45线越亮。 二非均质矿物的反射旋转色散和非均质旋转色散效应 非均质矿物不但可由反射旋转和非均质旋转叠加形成双曲线暗带，而且也可以由于这两种旋转的综合色散作用造成双曲线暗带的“色边”。如图5-7所示，图的上半部三个小图表示非均质矿物在“消光位”上显黑十字聚敛偏光图象后偏转上偏光镜至A1，由于反射旋转色散符号为红＞蓝使得双曲线暗带凸边显蓝色色边（蓝光经反射旋转后的振动方向与OA1近于垂直、凹边显红色色边（蓝光经反射旋转后的振动方向与OA1近于垂直）。图的下半部三个小图表示反射旋转和非均质旋转综合色散的三种类型。图中虚线代表经反射旋转后反射光的振动方向，粗黑线代表叠加了非均质旋转的反射光总振动方向。 如图5-7-a下图所示，非均质矿物在45位置上双曲线暗带凸边为红色色边、凹边为蓝色色边。在红色色边区内蓝光的反射旋转和非均质旋转叠加综合的反射光总振动方向与上偏光镜振动方向OA近于垂直，故能消掉蓝光而通过较多的红光形成红色色边；在蓝色色边区内则是红光的反射旋转和非均质旋转叠加综合的反射光总振动方向与上偏光振动方向OA近于垂直，因而消掉红光而通过较多的蓝光形成蓝色色边。这种凸红凹蓝的综合因旋转色散符号为红＞蓝r＞υ。同时由5-7-a上图反射旋转色散符号为红＞蓝推知该矿物的非均质旋转色散符号亦为红＞蓝r＞o。 图5-7-b下图则表示非均质矿物在45位置上双曲线暗带不显色边。在暗带凸区和凹区都是红光和蓝光两种旋转叠加综合的反射光总振动方向与上偏光镜振动方向斜交的角度大致相同，故都是通过大致相等的红光和蓝光，最终合成为白光而不出现“色边”。这种无色边的综合旋转色散符号为红≈蓝（r≈υ）。同样由5-7-b上图反射旋转色散符号为红＞蓝（r＞υ）可推知该矿物的非均质旋转色散符号亦为红＞蓝（r＞υ）但不如5-7-a强。 图5-7-c下图表示非均质矿物在45位置上双曲线暗带凸边为蓝色色边、凹边为红色色边。在蓝色色边区内红光的反射旋转和非均质旋转叠加综合的反射光总振动方向与上偏光镜振动方向OA近于垂直，故消掉红光而通过较多的蓝光形成蓝色色边；在红色色边区内蓝光的反射旋转和非均质旋转叠加综合的反射光总振动方向与上偏光镜振动方向（OA近于垂直，因而消掉蓝光而通过较多的红光形成红色色边。这种凸蓝凹红的综合旋转色散符号为蓝＞红υ＞r。同时由5-7-c上图反射旋转色散符号为红＞蓝推知该矿物的非均质旋转色散符号为红＞蓝很弱、红≈蓝或蓝＞红强。此时三种可能性推断较为复杂，可参阅有关专门著作，在此不作赘述。 三非均质矿物偏光图的鉴定意义 应该强调指出，非均质矿物聚敛偏光图象对于观测矿物的反射旋转色散、反射和非均质旋转综合色散特别有效，不宜由消光位斜交偏光图和45位置正交偏光图推测矿物的非均质旋转色散符号用直光观测效果更好。表5-2列出某些常见非均质不透明矿物的几种旋转色散资料可以说明研究聚敛偏光图象的实际鉴定意义。 四非均质矿物的椭圆偏化效应和偏光图象变化系列 应当说明，以上讨论中都只考虑由垂直、平行入射面的分振动RS、RP及最大、最小主反射率Rl、R2振幅不同造成的反射旋转和非均质旋转效应，都未考虑由RS和RP以及R1和RP之间的周相差造成的椭圆偏化效应。从严密的角度看，以上所提到“黑十字’和“双曲线”消光带都可由“椭圆偏化作用”而呈“暗十字”、“暗双曲线”，以及可由“椭圆偏化色散效应”而呈“色十字”、“色双曲线”。这种消光带不黑或带色的现象在消光带中段和视域中心部位比较明显。 非常明显，我们在第三章第二节中总结的在直射光下旋转物台一周非均质不透明矿物由于严格正交偏光下的“正四明四暗”到不完全正交偏光下显示“歪四明四暗”进而显示“两明两暗”的光学效应，在聚敛光下同样会产生由“正四合四分”到“歪四合四分”进而为“两合两分”的光学效应。即在直射光下显示的“明亮”于聚敛光下为“分离度大的双曲线暗带”偏光图象；在直射光下显示的“暗淡”于聚敛光下为“暗十字”或“分离度很小的双曲线暗带”偏光图象。 在聚敛光下观测偏光图要求高质量的矿相显微镜，用高倍物镜、玻片式反射器加上勃氏镜或摘掉目镜观察聚敛偏光图象。对显微镜的调节与校正等可参阅专门书籍，养蚕偏光图光学效应定量理论计算和各种新的测定方法也可参阅有关专著和论文。 表5-2 常见非均质不透明矿物的几种旋转色散分类表 色散符号类型 色散种类 矿 物 反射旋转色散 反射旋转和非均质旋转综合色散 非均质 旋转色散 自然铋 蓝＞红 蓝＞红 蓝＞红 石 墨 红≈蓝 红＞蓝 红＞蓝 赤铁矿 红＞蓝 蓝＞红 红≈蓝 钛铁矿 蓝＞红 蓝＞红 蓝＞红 软锰矿 红≈蓝 红＞蓝 红＞蓝 硬锰矿 红≈蓝 蓝＞红 蓝＞红 黑锰矿 红≈篮 红＞篮 红＞蓝 白铁矿 蓝＞红 蓝＞红 蓝＞红 磁黄铁矿 蓝＞红 蓝＞红 蓝＞红 辉钼矿 红≥蓝 红≈蓝 红＞蓝 铜 蓝 红＞蓝 红＞蓝 红＞蓝 墨铜矿 蓝≥红 红＞蓝 红＞监 辉铜矿 红＞蓝 蓝＞红 红＞蓝 黄铜矿 蓝＞红 红＞蓝 红≈蓝 硫砷铜矿 篮＞红 红＞蓝 红＞篮 辉锑矿 红≈蓝 蓝＞红 蓝＞红 辉铋矿 红＞蓝 红＞蓝 红＞蓝 黝锡矿 蓝＞红 蓝＞红 蓝＞红 红砷镍矿 蓝＞红 蓝＞红 篮＞红 毒 砂 蓝＞红 蓝＞红 蓝＞红