Оливин в поляризованном свете

Именно таким цветным калейдоскопом представляется исследователям дунит — одна из главных пород верхней мантии Земли, состоящая из оливина с примесью хромита, — в скрещенных николях (двойная поляризация). На врезке в влевом нижнем углу показано, как выглядят зерна оливина в обычном микроскопе.

Это изображение получено с помощью поляризационного микроскопа, впервые сконструированного в 1851–54 гг. сэром Генри Клифтоном Сорби, а в наше время являющегося одним из основных инструментов исследования вещества. Поляризационный микроскоп позволяет количественно определять многие оптические константы вещества, в том числе и силу двулучепреломления различных минералов и синтетических материалов.

Все кристаллы (за исключением минералов кубической сингонии) являются в той или иной степени оптически анизотропными. Например, это выражается в различной скорости световых лучей, идущих по разным направлениям в кристалле, что приводит к возникновению двулучепреломления. Ярким примером может служить кальцит (исландский шпат), в котором двулучепреломление можно наблюдать невооруженным глазом (см. Двойное лучепреломление). Изучая минералы с помощью микроскопа в шлифах (тонких пластинках породы толщиной около 30 мкм) можно увидеть двулучепреломление у большинства минералов и даже измерить его величину.

Все разноцветные зерна на фотографии — минерал оливин. Сам минерал слегка зеленоватый (см. врезку), а в тонкой 30-микронной пластинке вообще выглядел бы бесцветным. Цвета (они называются интерференционными окрасками) у кристаллических веществ появляются за счет очень хитрого приема — двойной поляризации. Перед попаданием в кристалл свет поляризуют в одной плоскости с помощью поляризатора, а после прохождения света по кристаллу его поляризуют еще раз, но уже в перпендикулярной плоскости. Если бы кристалла между поляризаторами не было, то верхний поляризатор полностью бы уничтожал все лучи, поляризованные нижним. В результате, мы бы увидели черноту. Именно так в поляризационном микроскопе выглядят оптически изотропные вещества — стекло, смолы, минералы кубической сингонии.

Но эффект двулучепреломления оптически анизотропных кристаллов заключается в том, что входящий луч в них расщепляется на два, каждый из которых поляризуется кристаллом и проходит по нему с различной скоростью (зависящей от направления). В результате, верхний поляризатор получает одновременно два луча и поляризует их в своей плоскости. Так как эти лучи прошли разный путь, то при сложении волн происходит интерференция и появление окраски. Результирующая окраска зависит от того, насколько отстал один луч от другого, проходя сквозь кристалл. А это, в свою очередь, зависит от силы двулучепреломления, толщины кристалла и ориентировки исследуемого зерна. Различные интерференционные окраски оливина на фотографии обусловлены именно различной ориентацией в породе каждого зерна.

Двулучепреломление измеряется как разница показателей преломления быстрого и медленного лучей. Для толщины пластинки 30 мкм низкое двулучепреломление (< 0,006) будет соответствовать простым серым интерференционным окраскам, умеренное двулучепреломление (0,006–0,020) — относительно простым цветам радуги, при высоком двулучепреломлении (0,020–0,034) окраски кажутся немного неестественными, возникают «оттенки синтетических красок», а при очень высоком (> 0,034) окраски будут казаться перламутровыми.

У оливина на фотографии преобладают высокие и умеренные интерференционные окраски. Кальцит имел бы очень высокие, перламутровые окраски. Рубины, сапфиры, плагиоклазы имеют низкие окраски, а алмазы и гранаты выглядят в поляризационном микроскопе черными, так как имеют кубическую сингонию и не двулучепреломляют свет.

Фото © Павла Плечова, шлиф №35 из учебной шлифотеки кафедры петрологии МГУ.

Павел Плечов