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光学鉱物学は、鉱物や岩石の光学特性を測定することによって研究する学問です。最も一般的には、岩石や鉱物のサンプルは、実験室で岩石顕微鏡を使用して研究するために、薄片または粒子標本として準備されます。光学鉱物学は、地質学的物質の鉱物学的組成を特定し、その起源と進化を明らかにするために使用されます。
使用されるプロパティとテクニックの一部を以下に示します。
歴史
ニコル プリズムの発明に名を連ねるウィリアム ニコルは、鉱物の薄片を作成した最初の人物であると考えられており、彼の手法はヘンリー スロントン メア ウィザム (1831) によって植物の石化の研究に応用されました。この手法は岩石学において非常に重要なものでしたが、岩石の体系的な調査にはすぐには利用されず、ヘンリー クリフトン ソルビーがその価値を指摘したのは 1858 年になってからでした。一方、結晶片の光学的な研究はデイビッド ブリュースター卿やその他の物理学者や鉱物学者によって進められており、残されたのは岩石片に見える鉱物にその手法を適用することだけでした。[2]
セクション
岩石の断片は、厚さが約 1000 分の 1 インチ (30マイクロメートル) で、比較的簡単に作ることができます。約 1 センチメートルの岩石の薄い破片を使用できます。できるだけ新鮮で、明らかな亀裂がないものにします。それを、少量の細かいカーボランダムを付けた、平らに削った鋼または鋳鉄の板の上で研磨すると、すぐに片側が平らになります。次に、板ガラスに移し、最も細かい粒子のエメリーで、すべてのざらつきと穴が取り除かれ、表面が均一な平面になるまで滑らかにします。次に、岩石の破片を洗浄し、アルコール ランプまたはガス ランプで加熱した銅または鉄の板の上に置きます。この板の上で、粘性のある天然のカナダ バルサムを一滴表面に垂らして、微細なガラス スリップも温めます。バルサムの揮発性の高い成分は熱によって除去され、それが達成されると、滑らかで乾燥した温かい岩石がガラス板にしっかりと押し付けられ、介在するバルサムの膜が可能な限り薄く、気泡がなくなるようにします。準備物を冷まし、岩石の破片を前と同じように再び研磨します。最初はカーボランダムで、透明になったら細かいエメリーで、希望の厚さになるまで研磨します。次に、岩石を洗浄し、さらに少量のバルサムで加熱し、カバーガラスで覆います。最初の表面を研磨する手間は、砕いたダイヤモンド粉末を装備した鉄のディスクで滑らかなスライスを切り取ることによって省くことができます。最初の面を滑らかにしてガラスに接着した後、スリッターを 2 回目に使用すれば、熟練した手作業で、透明なほど薄い岩石の断片が残ります。この方法では、断片の準備に 20 分しかかかりません。[2]
顕微鏡
使用される顕微鏡は通常、回転ステージを備え、その下に偏光子があり、対物レンズまたは接眼レンズの上に分析器が取り付けられている。あるいは、ステージを固定し、偏光プリズムと分析プリズムを歯車とコネクティングロッドで同時に回転させることができる。通常の光が必要で偏光光が必要ない場合は、両方のプリズムを機器の軸から引き離すことができる。偏光子のみを挿入すると、透過する光は平面偏光になる。両方のプリズムを所定の位置にすると、スライドは「クロスニコル」とも呼ばれる交差偏光で観察される。通常の光で観察される岩石の微細断面は、適切な倍率（たとえば約 30 倍）が使用されると、色、サイズ、形状が異なる粒子または結晶で構成されているのがわかる。[2]
鉱物の特性
色
鉱物には無色透明のもの（石英、方解石、長石、白雲母など）もあれば、黄色や茶色のもの（ルチル、電気石、黒雲母）、緑色のもの（透輝石、角閃石、緑泥石）、青色のもの（藍閃石）もあります。多くの鉱物は、同じ岩石でも異なる岩石でも、あるいは単一の鉱物標本の中に複数の色を呈するものもあり、これを色帯構造と呼びます。たとえば、鉱物トルマリンには、茶色、黄色、ピンク、青、緑、紫、灰色から無色までの同心円状の色の帯が見られます。すべての鉱物には、1 つ以上の最も一般的な色合いがあります。
習慣と胸の谷間
結晶の形状は、スライド上に表示される断面の輪郭を一般的に決定します。鉱物に 1 つ以上の良好な劈開がある場合、それらは劈開面と呼ばれる同様の方向を向いた一連の面によって示されます。
劈開面の方向は鉱物の結晶構造によって決定され、最も弱い結合がある面を通って優先的に形成されるため、劈開面の方向は光学鉱物学で鉱物を識別するために使用できます。
屈折率と複屈折
鉱物の屈折率に関する情報は、周囲の物質と比較することで観察できます。周囲の物質は、他の鉱物や、粒子がマウントされている媒体である可能性があります。光学的レリーフの差が大きいほど、媒体間の屈折率の差が大きくなります。屈折率が低く、レリーフが低い物質はスライドやマウントに沈み込むように見えますが、屈折率が高い物質はレリーフが高く、飛び出しているように見えます。ベッケ線テストを使用して、2 つの媒体の屈折率を比較することもできます。[3]
多色性
下部偏光子を挿入し、切片を回転させることにより、さらに詳しい情報が得られます。光は 1 つの平面でのみ振動し、スライド内の二重屈折結晶を通過する際に、一般的に言えば、互いに直角に振動する光線に分割されます。黒雲母、角閃石、電気石、緑泥石などの多くの有色鉱物では、これらの 2 つの光線は異なる色を持ち、これらの鉱物のいずれかを含む切片を回転させると、色の変化がはっきりとわかることがよくあります。この特性は「多色性」と呼ばれ、鉱物の組成を決定する際に非常に役立ちます。
多色性は、ジルコンや緑簾石などの他の鉱物の微細な周囲を囲む小さな斑点で特に顕著になることが多い。これらは「多色性ハロー」として知られている。[4]
改造製品
鉱物の中には、すぐに分解して濁って半透明になるもの（長石など）もあれば、常に完全に新鮮で透明なもの（石英など）もあれば、特徴的な二次生成物（黒雲母の後に緑色の緑泥石など）を生み出すものもある。結晶（固体と液体の両方）の包有物は非常に興味深いもので、ある鉱物が別の鉱物を包み込んでいたり、ガラス、液体、またはガスで占められた空間を含んでいたりすることがある。[2]
微細構造
岩石の構造、つまり岩石の成分同士の関係は、通常、明確に示されます。岩石が断片化しているか塊状であるか、完全に結晶質または「完全結晶質」の状態とは対照的にガラス質物質が存在するか、有機質の断片の性質と起源、縞状、葉状構造、または層状構造、多くの溶岩の軽石質または多孔質構造などです。これらおよび他の多くの特徴は、岩石の手持ち標本では見えないことが多いですが、顕微鏡の断面を検査することで明らかになります。マイクロメーターを使用して岩石の要素のサイズを測定したり、小さな正方形の目盛りが付いたガラス板を使用してそれらの相対的な比率を測定したり、回転目盛り付きステージを使用して断面で見られる劈開または面の角度を測定したり、さまざまなマウント媒体と比較して鉱物の屈折率を推定したりするなど、さまざまな詳細な観察方法が適用できます。[2]
複屈折
検光子を偏光子に対して交差する位置に挿入すると、鉱物が存在しない場所や、光がガラス、液体、立方晶などの等方性物質を通過する場所では視野が暗くなります。その他の結晶体は二重屈折をするため、ステージを回転させると、ある位置では明るく見えます。この規則の唯一の例外は、複屈折結晶の光軸に垂直な部分で、これは 1 回転中暗いかほぼ暗いままであり、その調査が頻繁に重要になります。[2]
絶滅
二重屈折鉱物の切片は、ステージを回転させると、特定の位置で必ず黒く見える。この現象は「消滅」すると言われる。ステージを回転させてこれらの位置を記録することで、これらの切片と劈開部の間の角度を測定できる。これらの角度は鉱物が属するシステムの特性であり、鉱物種自体の特性であることが多い (結晶学を参照)。消滅角の測定を容易にするために、さまざまなタイプの接眼レンズが考案されており、立体方解石プレートを備えたものや、2 枚または 4 枚の石英プレートを接着したものなどがある。これらの接眼レンズは、交差ニコル間で鉱物切片が最も完全に暗い位置のみを観察するよりも、より正確な結果をもたらすことがよくある。
鉱物の切片は、消灯していないときは明るいだけでなく、色がついており、その色はいくつかの要因によって決まりますが、最も重要なのは複屈折の強さです。すべての切片の厚さが同じであれば (よくできたスライドではほぼそうですが)、複屈折が最も強い鉱物は、最も強い偏光色を示します。色の並び順は、ニュートンのスケールと呼ばれるもので表され、最も低いのは濃い灰色で、次に灰色、白、黄色、オレンジ、赤、紫、青、という順になります。石英の常光線と異常光線の屈折率の差は 0.009 で、厚さ約 1/500 インチの岩石切片では、この鉱物は灰色と白の偏光色を示します。複屈折が弱いネフェリンは濃い灰色を示します。一方、輝石は赤と青を示し、複屈折が強い方解石はピンクがかった色または緑がかった白を示します。ただし、同じ鉱物のすべての断面が同じ色になるわけではありません。光軸に垂直な断面はほぼ黒になり、一般的に、断面がこの方向に近づくほど、偏光色は低くなります。平均、または鉱物によって得られる最も高い色を取ることで、その複屈折の相対値を推定できます。または、断面の厚さが正確にわかっていれば、2 つの屈折率の差を確かめることができます。スライドが厚い場合、色は薄いスライドよりも全体的に高くなります。
セクション内の 2 つの弾性軸 (または振動トレース) のうち、弾性が高い (または屈折率が低い) 軸を見つけることが重要になることがよくあります。石英くさびまたは亜セレン酸塩プレートを使用すると、これが可能になります。二重屈折鉱物セクションが「消灯」するように配置されているとします。ここで 45 度回転させると、明るく照らされます。くさびの長軸がセクション内の弾性軸と平行になるように石英くさびを通過させると、偏光の色は上昇または下降します。上昇すると、2 つの鉱物の弾性が高い軸が平行になります。沈むと、一方の弾性が高い軸がもう一方の弾性が低い軸と平行になります。後者の場合、くさびを十分に押し込むと、完全な暗闇または補正が行われます。この目的には、亜セレン酸塩くさび、亜セレン酸塩プレート、雲母くさび、雲母プレートも使用されます。石英くさびは、その長さのすべての部分で複屈折の量を測定することによっても較正できます。複屈折鉱物セクションで補正または完全な消光を行うために石英くさびを使用する場合、セクションの複屈折の強度が石英くさびの既知の部分の強度と明らかに等しく反対であるため、セクションの複屈折の強度を確かめることができます。
顕微鏡法をさらに改良したものに、強く収束する偏光を使用する方法 (コノスコープ法) があります。これは、偏光子の上にある広角の無色コンデンサーと、高倍率の顕微鏡対物レンズによって得られます。最も有用なのは、光軸に垂直で、回転しても暗いままの断面です。単軸結晶に属する場合、交差ニコル間に暗い十字または収束光が見られ、そのバーは接眼レンズの視野内のワイヤーと平行のままです。同じ条件下で二軸鉱物の光軸に垂直な断面には、回転すると双曲形に曲がる暗いバーが見られます。断面が「二等分線」に垂直である場合 (結晶学を参照)、黒い十字が見られ、回転すると開いて 2 つの双曲線を形成し、その頂点は互いの方向を向きます。光学軸は双曲線の頂点に現れ、色のついたリングに囲まれていることもあるが、岩石片中の鉱物が薄いため、これらのリングは鉱物の複屈折が強い場合にのみ見える。顕微鏡の視野で見える光学軸間の距離は、結晶の軸角度と対物レンズの開口数によって決まる。接眼レンズミクロメーターで測定すれば、鉱物の光学軸角度は簡単な計算でわかる。石英くさび、四分の一雲母板、亜セレン板は、視野で観察される図形の色や形の変化から結晶の正負の特性を判定する。これらの操作は、鉱物学者が結晶から切り出した板を検査する際に行う操作に似ている。[2]
岩石粉末の検査
岩石は現在では主に顕微鏡的断面で研究されているが、微細な岩石粉砕粉末の研究は、顕微鏡的岩石学で最初に注目された分野であり、今でも積極的に行われている。現代の光学的方法は、あらゆる種類の透明な鉱物片に容易に適用できる。鉱物は粉末でも断面でもほとんど同じように簡単に判定できるが、岩石の場合は構造や成分間の関係が異なっている。これは岩石の歴史と分類の研究において非常に重要な要素であり、岩石を粉砕して粉末にするとほぼ完全に破壊される。[2]
参考文献
- ^ ネルソン、スティーブン A.「干渉現象、補償、および光学的兆候」。EENS 2110：鉱物学。チューレーン大学。 2017年3月24日閲覧。
- ^ abcdefgh 前述の文の 1 つ以上には、現在パブリック ドメインとなっている出版物のテキストが組み込まれています: Flett, John Smith (1911)。「Petrology」。Chisholm , Hugh (ed.)著。Encyclopædia Britannica。第 21 巻 (第 11 版)。Cambridge University Press。pp. 324–325。
- ^ ネッセ、ウィリアム・D. (2013).光学鉱物学入門（第4版）. ニューヨーク：オックスフォード大学出版局. ISBN 978-0-19-984627-6. OCLC 828794681.
- ^ 前述の文の 1 つ以上には、現在パブリック ドメインとなっている出版物のテキストが組み込まれています: Flett, John Smith (1911)。「Petrology」。Chisholm, Hugh (ed.)著。Encyclopædia Britannica。第 21 巻 (第 11 版)。Cambridge University Press。pp. 324–325。
外部リンク
- 薄片鉱物のビデオアトラス
- 透過光または反射光の下で、薄片内の鉱物の観察可能な特性を比較するための鉱物データテーブルに名前を付けます。