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Optical Mineralogy WS 2007/2008

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Presentation on theme: "Optical Mineralogy WS 2007/2008"— Presentation transcript:

1 Optical Mineralogy WS 2007/2008
Der erste Teil des Kurses „Polarisationsmikroskopie“ befasst sich mit Kristalloptik, d.h. den im Polarisationsmikroskop sichtbaren Wechselwirkungen zwischen Licht und Mineralen. Zum Verständnis der optischen Eigenschaften der Minerale ist die Kenntnis einiger Grundlegender Gesetze und Phänomene der Optik erforderlich, die für den Zweck der Kristalloptik stark vereinfacht werden.

2 Last week…. Length fast and length slow Twinning Zoning Exsolution
Undulose extinction How the diagrams in Tröger relate to the optical properties of minerals Zwischen Kristallstruktur und der Lichtausbreitung in Mineralen besteht ein enger Zusammenhang. Während in kubischen ineralen die atomaren Bindungen in allen Raumrichtungen etwa gleich sind und nur ein Brechungsindex n zur Beschreibung der Lichtausbreitung benötigt wird, sind in den trigonalen, hexagonalen und tetragonalen Kristallen die Bindungen lediglich in allen Richtungen senkrecht zur optischen Achse gleich, in allen anderen Richtungen dagegen verschieden. Zur Beschreibung des Lichtverhaltens werden daher zwei Brechungsindizes no und ne in zwei verschiednen Raumrichtungen benötigt. Zu den optisch zweiachsigen Mineralen gehören die orthorhombischen, die monoklinen und die triklinen Minerale, die eine noch niedrigere Symmetrie besitzen als die optisch einachsigen Minerale. Zur Beschreibung der Lichtausbreitung in optisch zweiachsigen Mineralen sind daher drei Brechungsindizes in allen drei Raumrichtungen erforderlich. Die Indikatrix der zweiachsigen Minerale ist ein dreiachsiges Ellipsoid mit den Halbachsen X, Y, Z und den Brechungsindizes nα < nβ < nγ (auch mit nx, ny, nz bezeichnet). Die maximale Doppelbrechung eines optisch zweiachsigen Minerals ist also immer ng – na. Licht, das in ein zweiachsiges Mineral eintritt, wird ebenso wie bei einachsigen Mineralen in zwei senkrecht zueinander schwingende Wellen zerlegt, wobei sich Licht mit der einen Schwingungsrichtung schneller fortpflanzt als mit der anderen. Man spricht hier von der „schnellen“ und der „langsamen“ Welle. In den beiden Wellen müssen jedoch die in alle drei Raumrichtungen unterschiedlichen Brechungsindizes eingehen. Der Index der langsamen Welle ist ng‘, wobei ng > ng‘ > nb. Der Index der schnellen Welle ist na‘, wobei na < na‘ < nb.

3 Optical character LENGTH SLOW LENGTH FAST
Long dimension of mineral is parallel to the slow ray (n , nZ) = LENGTH SLOW Long dimension of mineral is perpendicular to the slow ray (n , nZ) = LENGTH FAST sillimanite Beziehung von optischem Charakter, Morphologie und Charakter der Hauptzone Charakter der HZ und optischer Charakter stimmen bei einachsigen, prismatischen Kristallen überein, wohingegen sie bei einachsigen, tafeligen Kristallen unterschiedliche Vorzeichen haben. Im Falle zweiachsiger Kristalle beachte man: Bei positiven Kristallen mit ng parallel oder kleinem Winkel zur HZ sind sie gleich (z.B. Andalusit). Bei negativen Kristallen mit ng parallel oder kleinem Winkel zur HZ und positiven Kristallen mit na parallel oder kleinem Winkel zur HZ sind sie verschieden (z.B. Amphibole). Wechselnden Charakter der Hauptzone in Abhängigkeit von der Schnittlage zeigen alle zweiachsigen Kristalle, in denen nb in der Hauptzone schwingt. Die HZ ist positiv, wenn na-nb in der Schnittebene liegt und negativ, wenn in dieser ng-nb liegt (z.B. Olivin). zoisite

4 Conoscopic light Divergent light through the condensor
 Light cone (±30°) Objective lens N-S Analysator What do we see? nw ne Various slices through the indicatrix  INTERFERENCE FIGURE Mineral Im Gegensatz zur Orthoskopie wird bei der Konoskopie das Objekt mit divergentstrahligem Licht durchleuchtet, also nicht mehr von einer senkrechten Wellennormalen durchstrahlt, sondern von einem Lichtkegel. Um eine möglichst große Öffnung des Lichtkegels zu erreichen, wird der Kondensor so weit wie möglich nach oben gefahren, die Aperturblende vollständig geöffnet und eine zusätzliche Linse, die Kondensorklapplinse, in den Strahlengang geklappt. Zur Beobachtung sind nur Objektive mit großer numerischer Apertur, d.h. großer Vergrößerung, geeignet. Jeder Lichtstrahl des Lichtkegels, der einen Kristall im Dünnschliff durchstrahlt, wird in zwei senkrecht zueinander polarisierte Wellen aufgespalten; der Gangunterschied zwischen beiden Wellen ist dabei nicht wie in der Orthoskopie konstant, sondern ändert sich mit der Richtung der Durchstrahlung, wobei sich sowohl die Doppelbrechung als auch die Strecke durch den Kristall ändert (schräge Duchstrahlung = längerer Weg). Nur im Zentrum des Kegels wird der Kristall senkrecht durchstrahlt. Condensor Polariser W E

5 Conoscopic ray paths Retardation () is NOT constant!
n dependent on angle  Different interference colours Für die anisotropen Minerale ergeben die verschieden geneigten konoskopischen Lichtbündel, bei gekreuzten Polarisatoren zur Interferenz gebracht, charakteristische Interferenz- oder Achsenbilder. Die Achsenbilder sind keine reellen Bilder der Minerale selbst, sondern definiert angeordnete Interferenzeffekte, die durch das optische Verhalten der Minerale erzeugt werden. Diese Interferenzbilder können durch die Amici-Bertrand-Linse und die Okulare vergrößert betrachtet oder bei Fehlen dieser Linse durch Herausnehmen eines Okulars im Tubus direkt beobachtet werden. Im Gegensatz zur orthoskopischen Betrachtung ist es also bei der konoskopischen Betrachtung möglich, das optische Verhalten eines Mineralkorns in verschiedenen Richtungen (alle Richtungen innerhalb des abbildenden Lichtkegels) gleichzeitig zu studieren. Da sich in isotropen Mineralen Licht in allen Richtungen homogen ausbreitet, ist die konoskopische Betrachtung für diese nicht relevant. Bei gekreuzten Polarisatoren entsteht in der Brennebene des Objektivs ein Muster, das die optischen Verhältnisse im durchstrahlten Kristallraum widerspiegelt und Rückschlüsse auf die Lage der Indikatrix im angeschnittenen Kristall zulässt. Die Schwingungsrichtungen in jedem Bildpunkt können als Kreuz dargestellt werden, dessen Achsenlängen proportional zum Brechungsindex sind.

6 Uniaxial interference figure
Colour rings showing interference colours = ISOCHROMES Crossing lines that remain in extinction = ISOGYRES Intersection of isogyres = MELATOPE = the OPTIC AXIS (c) Sectors between the isogyres = QUADRANTS Interference colours increase with distance from the melatope (c-axis) Fig. 7-14 O E II I In jede Richtung pflanzen sich zwei senkrecht zueinander schwingende Wellen fort, deren Geschwindigkeit, Gangunterschied und Schwingungsrichtungen bei bestimmten Wellen gleich, bei anderen dagegen verschieden sind. Daher zeigt das konoskopische Bild Kurven gleichen Gangunterschieds und somit gleicher Interferenzfarbe (= Isochromaten) und schwarze, unscharf begrenzte Balken oder Hyperbeln, Isogyren genannt, die Stellen gleichzeitiger Auslöschung darstellen. Die Isochromaten zeigen nach außen hin zunehmende Interferenzfarben. Die Anzahl der Isochromaten, die in einem Präparat zu sehen ist, hängt von der Doppelbrechung, der Präparatdicke und der Apertur des Objektivs ab. Je größere oder höhere Werte diese drei Parameter annehmen, desto mehr Isochromaten sind sichtbar. Die Isogyren kennzeichnen jene Bereiche, in denen die Schwingungsrichtung der Wellen parallel zu den Polarisatoren liegt. Die Form der Isogyren und Isochromaten ist abhängig von der Symmetrie und Schnittlage des Minerals. Da Wellengeschwindigkeit, Gangunterschied und Schwingungsrichtung richtungsabhängig sind, ändert sich beim Drehen des Mikroskoptischs auch das Interferenzbild, es sei denn, es liegt ein Schnitt senkrecht zur optischen Achse eines einachsigen Kristalls vor. Einachsige Kristalle zeigen, wenn sie senkrecht zur optischen Achse geschnitten sind, ein schwarzes Kreuz (Isogyrenkreuz), dessen breitere, antidrome Enden leicht verwaschen sind. Das Auftreten des schwarzen Kreuzes kennzeichnet bei einachsigen Kristallen einen Kreisschnitt der Indikatrix, der im orthoskopischen Strahlengang dunkel erscheint (Unterscheidungsmerkmal zu isotropen Mineralen!). Der Schnitt-punkt der schmalen (= homodromen) Teile der Isogyren stellt den Ausstichpunkt der optischen Achse dar (= Melatop). Die durch das Kreuz entstehenden vier Quadranten oder Sektoren (I-IV) werden durch Isochromaten unterteilt. III IV

7 Measuring the optical character (+)
(+) Mineral with gypsum plate: NE & SW: ne’ || ng  Addition NW & SE: no || ng  Subtraction Isochromes in I. and III. quadrants are higher by one order Isochromes in II. and IV. quadrants are lower by one order Isogyres  red-violet (1º red) Close to the isogyre (G ≈ 100 nm) 2° blue (650 nm) in NE & SW ( ) 1° yellow (450 nm) in NW & SE ( ) no ne’ ne’ no Sub Add Add Sub ne’ ne’ no no (+) Mineral: ne' > no ne slow ray ng Ob ein einachsiges Mineral optisch positiv oder negativ ist, hängt davon ab, welche Schwingungsrichtung im Mineral die schnellere ist. Pflanzt sich die ordentliche Richtung schneller fort, ist also der Brechungsindex no der kleinere (ne > no), so ist das Mineral optisch positiv. Ist ne < no, ist das Mineral optisch negativ. Da im Achsenbild die Schwingungsrichtungen bekannt sind, kann der optische Charakter durch Einschieben des Gipsplättchens bestimmt werden. Im 45°-Winkel zu den Isogyren stimmen die Schwingungsrichtungen im Mineral mit denen des Gipsplättchens überein. In den jeweils diagonal gegenüberliegenden Quadranten des Achsenbilds stimmen zusätzlich die Orientierung der no- und ne-Schwingungsrichtungen überein. In den diagonal gegenüberliegenden Quadranten sind daher beim Einschieben des Gipsplättchens dieselben Effekte zu beobachten. Verschieben sich nach Einbringen das Gipsplättchens die Interferenzfarben im I. und III. Quadranten (NE & SW) zu Farben höherer Ordnung, kann daraus geschlossen werden, dass ne der größere Brechungsindex ist, da der Gangunterschied durch das Gipsplättchen erhöht wird (ng‘ des Minerals || ng des Gipsplättchens). Das Mineral ist optisch positiv. Da im II. und IV. Quadranten (NW & SE) die Schwingungsrichtungen im Mineral gegenüber dem I. und III. Quadranten um 90° gedreht sind, wird hier der Gangunterschied vermindert.

8 Measuring the optical character (-)
(-) Mineral with gypsum plate: NE & SW: ne’ || ng  Subtraction NW & SE: no || ng  Addition Isochromes in I. and III. quadrants are lower by one order Isochromes in II. and IV. quadrants are higher by one order Isogyres  red-violet (1º red) Close to the isogyre (G ≈ 100 nm) 1° yellow (450 nm) in NE & SW ( ) 2° blue (650 nm) in NW & SE ( ) no ne’ ne’ no Add Sub Sub Add ne’ ne’ no no (+) Mineral: ne' < no ne fast ray ng Werden dagegen die Interferenzfarben bei Einschieben des Gipsplättchens im I. und III. Quadranten (NE & SW) zu Farben niedrigerer Ordnung verschoben, kann daraus geschlossen werden, dass no der größere Brechungsindex ist, da der Gangunterschied durch das Gipsplättchen vermindert wird (na‘ des Minerals || ng des Gipsplättchens). Das Mineral ist optisch negativ. Im II. und IV. Quadranten (NW & SE) verschieben sich die Interferenzfarben entsprechend zu höheren Ordnungen.

9 Uniaxial Optic Axial Figures (OAF)
without gypsum plate: same for (+) and (-) (+) with gypsum plate blue in I. quadrant (-) with gypsm plate yellow in I. quadrant Bei einachsigen Kristallen benötigt man Schnitte ungefähr ^ zur optischen Achse (erkennbar an möglichst niedriger Doppelbrechung – im Idealfall schwarz). Im konoskopischen Strahlengang sollte man dann ein schwarzes Isogyrenkreuz beobachten, das beim Drehen des Mikroskoptisches mehr oder weniger stark wandert, je nachdem, wie hoch die Fehlorientierung der Schnittlage von der Senkrechten zur optischen Achse ist. Schiebt man das Gipsplättchen in den Strahlengang, dann beobachtet man im Fall von einachsig positiven Mineralen Farbaddition in den Quadranten I (oben-rechts) und III (unten-links), erkennbar an einem Blau in diesen Quadranten nahe dem Ausstichpunkt der optischen Achse (Melatop), und Farbsubtraktion in den Quadranten II (oben-links) und IV (unten-rechts), erkennbar an einem Rot in diesen Quadranten nahe dem Melatop. Bei einachsig negativen Kristallen wird Farbaddition (Blau) in den Quadranten II und IV, Farbsubtraktion (Rot) in den Quadranten I und III beobachtet.

10 OAF with uncentred melatope (Z)
Ist der Mineralschnitt nicht senkrecht zur optischen Achse, sondern leicht geneigt, ist das Melatop sichtbar, liegt jedoch nicht im Mittelpunkt des Interferenzbilds (obere Reihe). Beim Rotieren des Tischs kreist das Melatop. Die Isogyren behalten ihre N-S- und E-W-Orientierung bei. In einer solchen Schnittlage kann der optische Charakter eines Minerals bestimmt werden, da die Quadranten identifiziert werden können. Schwieriger wird dies, wenn das Mineral in einem größeren Winkel zur optischen Achse angeschnitten ist und das Melatop außerhalb des betrachteten Ausschnitt liegt (untere Reihe). Auch in diesem Fall behalten die Isogyren ihre N-S- und E-W-Orientierung bei, die Identifizierung der Quadranten ist jedoch schwierig. Zusätzlich zweigen optisch zweiachsige Minerale in bestimmten Schnittlagen ähnliche Interferenzbilder. Schnitte parallel zur optischen Achse zeigen ein breites Isogyrenkreuz (da fast im gesamten Blickfeld beide Schwingungsrichtungen parallel zu den Polarisatoren verlaufen), welches sich aber bei geringer Drehung des Objekttisches teilt und aus dem Blickfeld verschwindet („flash figure“). Orthoskopisch sind diese Schnitte durch maximale Interferenzfarben zu erkennen. Konoskopische Bilder optisch einachsiger Kristalle bei unterschiedlicher Schnittlage; Isochromaten sind in Grautönen dargestellt. In der oberen Reihe sind Schnittlagen fast senkrecht zur optischen Achse skizziert, in der unteren Reihe deutlich schräger zur optischen Achse, so dass das Isogyrenkreuz außerhalb des Gesichtsfeldes liegt.

11 Change to high-powered objective and focus
How do we get an OAF? In XN, find a grain that remains in extinction through 360º - centre it Change to high-powered objective and focus Make sure grain stays in field of view Maximise light (open diaphragm, remove sub-stage lens) Remove left ocular You should see an interference figure - draw it Insert gypsum plate and note optic sign Ist der Mineralschnitt nicht senkrecht zur optischen Achse, sondern leicht geneigt, ist das Melatop sichtbar, liegt jedoch nicht im Mittelpunkt des Interferenzbilds (obere Reihe). Beim Rotieren des Tischs kreist das Melatop. Die Isogyren behalten ihre N-S- und E-W-Orientierung bei. In einer solchen Schnittlage kann der optische Charakter eines Minerals bestimmt werden, da die Quadranten identifiziert werden können. Schwieriger wird dies, wenn das Mineral in einem größeren Winkel zur optischen Achse angeschnitten ist und das Melatop außerhalb des betrachteten Ausschnitt liegt (untere Reihe). Auch in diesem Fall behalten die Isogyren ihre N-S- und E-W-Orientierung bei, die Identifizierung der Quadranten ist jedoch schwierig. Zusätzlich zweigen optisch zweiachsige Minerale in bestimmten Schnittlagen ähnliche Interferenzbilder. Schnitte parallel zur optischen Achse zeigen ein breites Isogyrenkreuz (da fast im gesamten Blickfeld beide Schwingungsrichtungen parallel zu den Polarisatoren verlaufen), welches sich aber bei geringer Drehung des Objekttisches teilt und aus dem Blickfeld verschwindet („flash figure“). Orthoskopisch sind diese Schnitte durch maximale Interferenzfarben zu erkennen.


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