巖礦鑒定技能培養(yǎng)過程中“對比思維”的運(yùn)用及其效果

王承洋　劉杰　余中元

[摘 要]巖礦鑒定是地質(zhì)學(xué)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生所必須掌握的專業(yè)技能之一。透明礦物和不透明礦物的顯微鑒定是巖礦鑒定工作的重要組成部分，與該兩部分內(nèi)容相關(guān)的課程分別為晶體光學(xué)和礦相學(xué)。筆者介紹了反光偏光顯微鏡下不透明礦物鑒定和透射偏光顯微鏡下透明礦物鑒定的研究對象、基本原理和方法步驟，并圍繞著晶體光學(xué)和礦相學(xué)兩門課程的教學(xué)內(nèi)容，系統(tǒng)地總結(jié)了在單偏光、正交偏光和錐光系統(tǒng)下透明礦物和不透明礦物鑒定過程中一些重要現(xiàn)象和概念的可對比之處。在晶體光學(xué)和礦相學(xué)的實(shí)際教學(xué)過程中，將這些現(xiàn)象以及其出現(xiàn)的原因進(jìn)行對比，可以有效地加深學(xué)生的理解與記憶，極大地提高教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]巖礦鑒定；晶體光學(xué)；礦相學(xué)；對比思維

[中圖分類號] G64 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）05-0075-04

巖礦鑒定是地質(zhì)學(xué)及相關(guān)專業(yè)大學(xué)生的必備專業(yè)技能之一。在現(xiàn)今的地質(zhì)學(xué)課程體系中，與巖礦鑒定關(guān)系最為密切的課程包括結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)、晶體光學(xué)、礦相學(xué)、巖石學(xué)和礦床學(xué)等。結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)是巖礦鑒定的先導(dǎo)性、基礎(chǔ)性課程，其課程內(nèi)容主要側(cè)重于礦物晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、分類和肉眼鑒定。而晶體光學(xué)和礦相學(xué)則主要是運(yùn)用偏光顯微鏡來研究礦物的光性特征，進(jìn)而探討礦物在微觀尺度上的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)礦物的顯微鑒定。巖石學(xué)和礦床學(xué)則在某種程度上是上述課程內(nèi)容的延伸（見圖1）。本文圍繞著晶體光學(xué)和礦相學(xué)兩門課程的教學(xué)內(nèi)容，系統(tǒng)地總結(jié)了利用偏光顯微鏡對透明礦物和不透明礦物進(jìn)行鑒定的原理和方法，并列舉了透明礦物和不透明礦物顯微鏡下鑒定過程中一些重要現(xiàn)象和概念的可對比之處（見表1）。

一、研究對象與基本原理

透明礦物和不透明礦物（還有一些過渡類型）是組成自然界常見礦物的兩個(gè)大類，其本質(zhì)區(qū)別在于其對光波的透射和反射能力。換言之，透明礦物和不透明礦物是基于礦物透明程度的一種分類方案。透明礦物具有較強(qiáng)的透射可見光波的能力和極弱的反射可見光波的能力，而不透明礦物恰好與之相反。

晶體光學(xué)是研究可見光通過礦物晶體時(shí)，由于光的折射所產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象及其變化規(guī)律的學(xué)科，其研究目的為根據(jù)礦物晶體的折射現(xiàn)象來鑒定透明礦物的種屬及特征。礦相學(xué)是利用不同礦物光面在特定波長可見光下所表現(xiàn)出的反射特征及其差異，來實(shí)現(xiàn)不（半）透明礦物的識別與鑒定的一門科學(xué)。一般而言，金屬礦物都具有較強(qiáng)的吸收性和反光能力。因此，絕大多數(shù)的金屬礦物都屬于不透明礦物，而非金屬礦物則多數(shù)屬于透明礦物。從工業(yè)利用的角度出發(fā)，在金屬礦床中，絕大多數(shù)的礦石礦物都是金屬礦物（或不透明礦物），而脈石礦物一般都是非金屬礦物（透明礦物）。也就是說，透明礦物和不透明礦物、非金屬礦物和金屬礦物、脈石礦物和礦石礦物都是基于不同角度的礦物的分類。但需要指出的是，透明礦物、非金屬礦物、脈石礦物之間并不能畫等號。同樣的，金屬礦物、礦石礦物和不透明礦物之間也不完全相同?？偟膩碚f，晶體光學(xué)研究的主要是透明礦物，其基本的理論基礎(chǔ)是光的折射現(xiàn)象和折射定律。而礦相學(xué)研究的主要是不透明礦物，其基本的理論基礎(chǔ)是光的反射現(xiàn)象和反射定律。

不管是透明礦物還是不透明礦物都可以分為均質(zhì)體和非均質(zhì)體兩大類。均質(zhì)體的光學(xué)性質(zhì)在各個(gè)方向上相同，主要包括等軸晶系的礦物。非均質(zhì)體的光學(xué)性質(zhì)在各個(gè)方向上不同，包括中級和低級晶族的礦物。晶體光學(xué)中透明礦物的鑒定和礦相學(xué)中不透明礦物的鑒定均在偏光顯微鏡下完成，但前者使用的是透射光偏光顯微鏡，而后者使用的是反射光偏光顯微鏡。均質(zhì)礦物在三維空間任何方向上都具有相同的折射率和反射率。而對于非均質(zhì)礦物，自然光或偏光沿某特定的方向射入非均質(zhì)體或在非均質(zhì)礦物表面反射后，將發(fā)生雙折射或雙反射。

透射光偏光顯微鏡下觀察的不是巖石或礦物的手標(biāo)本，而是厚度約為0.03 mm的切片。薄片具有三層結(jié)構(gòu)：蓋玻片、礦物薄片、載玻片，三者之間用折射率約等于1.54的樹膠粘連。對于不透明礦物，因需要觀察其反射現(xiàn)象，顯微鏡下觀察需要將標(biāo)本或者樣品做成單面拋光的光片，其主要制片流程包括：切割、粗磨、細(xì)磨、拋光等。

二、顯微鏡下的現(xiàn)象（概念）對比

（一）單偏光系統(tǒng)

1.反射率與折射率的分級

晶體光學(xué)中透明礦物的折射率分級和礦相學(xué)中不透明礦物的反射率分級都是礦物顯微鑒定的基礎(chǔ)性工作。在觀測方法上，折射率與反射率分級并沒有相似性，但將這兩個(gè)概念進(jìn)行對比，同樣有助于理解與記憶。晶體光學(xué)中，透明礦物的突起等級與礦物的折射率大小有關(guān)。與加拿大樹膠反射率相比，透明礦物的突起可以分為六級：負(fù)高突起、負(fù)低突起、正低突起、正中突起、正高突起、正極高突起。礦相學(xué)中，不透明礦物的反射率是通過單偏光下與標(biāo)準(zhǔn)礦物的亮度進(jìn)行對比來確定的。這四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)礦物按照反射率高低依次為：黃鐵礦、方鉛礦、黝銅礦和閃鋅礦。相應(yīng)的，不透明礦物的反射率可以分為Ⅰ～Ⅴ五級。

2.多色性、吸收性與雙反射、反射多色性

晶體光學(xué)中，單偏光下礦物薄片的顏色是對白光及各單色光波選擇性吸收的結(jié)果。對于非均質(zhì)透明礦物而言，其對光波的吸收強(qiáng)度隨光波在晶體中振動方向的不同而改變。因此，在單偏光下轉(zhuǎn)動載物臺，礦物薄片的顏色和顏色的深淺會發(fā)生變化。這種礦物顏色隨光波振動方向不同而變化的現(xiàn)象稱為多色性，顏色深淺發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為吸收性。同樣的，在礦相學(xué)中，單偏光下不透明礦物的顏色是礦物光面對光波選擇性反射的結(jié)果。非均質(zhì)不透明礦物隨光波振動方向的不同，礦物反射光波的能力也不同。因此，單偏光下轉(zhuǎn)動載物臺一周時(shí)，非均質(zhì)礦物的顏色和明亮程度會發(fā)生改變。這種礦物明亮程度發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為雙反射，顏色變化的現(xiàn)象稱為反射多色性?？梢钥闯?，無論是礦相學(xué)中的雙反射和反射多色性現(xiàn)象，還是晶體光學(xué)中的多色性和吸收性現(xiàn)象，都是由于非均質(zhì)性礦物的光學(xué)性質(zhì)隨光波入射、光波振動方向不同而變化所引起的。礦物的雙反（折）射率越大，雙反射、多色性和吸收性現(xiàn)象就越明顯。

3.亮線與貝克線

對于透明礦物而言，貝克線是在巖石礦物薄片中，在兩種折射率不同的物質(zhì)接觸處，一條比較明亮的細(xì)線。晶體光學(xué)中，貝克線可用于比較同一光片中兩種礦物的折射率，具體方法為：將兩礦物的接觸線置于視域中心，在適當(dāng)位置開始，若提升鏡筒，貝克線將逐漸向折射率較大的方向移動，下降鏡筒，貝克線將逐漸向折射率較低的方向移動。

在礦相學(xué)中，相鄰礦物的相對硬度也可以通過亮線來確定。但需要指出的是，晶體光學(xué)中的貝克線雖然表現(xiàn)為亮線，但其與礦相學(xué)中亮線的形成機(jī)制截然不同。晶體光學(xué)中，貝克線的出現(xiàn)是由于相鄰礦物的折射率存在差異。礦相中亮線的形成并非是礦物反射率的差異，而是礦物抗磨硬度上有差異。亮線是指在磨制光片時(shí)，由于礦石中連生的各種礦物抗磨程度的差異，被磨損程度不同，從而呈現(xiàn)凸凹不平的現(xiàn)象，在兩種硬度不同的礦物連接處將形成斜面，并向軟礦物一方傾斜，當(dāng)垂直入射光射至此斜面上時(shí)，必向軟礦物一側(cè)發(fā)生斜反射，此部分向上斜射光線與軟礦物平面的垂直反射光重疊時(shí)形成的一條線。亮線可用于比較同一光片中的兩種礦物的硬度，具體方法為：將兩礦物的接觸線置于視域中心，在適當(dāng)位置開始，若提升鏡筒，亮線將逐漸向低硬度礦物移動，下降鏡筒，亮線將向高硬度礦物移動。

（二）正交偏光系統(tǒng)

無論是透射偏光顯微鏡，還是反射偏光顯微鏡，都裝有振動方向分別為左右（PP）和前后（AA）方向的兩種偏光鏡。當(dāng)兩種偏光鏡同時(shí)出現(xiàn)使用時(shí)，整個(gè)光路就構(gòu)成了一個(gè)正交偏光系統(tǒng)。

1.消光現(xiàn)象

對于晶體光學(xué)中的透明礦物而言，正交偏光下觀察均質(zhì)礦物或非均質(zhì)礦物垂直光軸的切面時(shí)，由于光波透過均質(zhì)礦物時(shí)不發(fā)生雙折射現(xiàn)象，從下部起偏光鏡發(fā)出的偏光經(jīng)過礦物薄片后，振動方向不發(fā)生改變，光線無法繼續(xù)穿過上偏光鏡，此時(shí)視域內(nèi)礦物呈現(xiàn)黑暗的現(xiàn)象，即為消光。而對于非均質(zhì)礦物，當(dāng)載物臺上礦物光率體的橢圓半徑與上、下偏光鏡斜交時(shí)，下偏光鏡透出的光穿過礦物薄片后分解為振動方向相互垂直的兩組光。穿過礦物薄片的光繼續(xù)向上傳播，總有一部分光會通過上偏光鏡，因而在視域內(nèi)并不消光。轉(zhuǎn)動載物臺一周，會出現(xiàn)四次礦物薄片光率體與下偏光鏡平行的情況，此時(shí)從薄片中發(fā)出的光無法穿過上偏光鏡。因此，非均質(zhì)性礦物薄片轉(zhuǎn)動載物臺一周會出現(xiàn)四次消光現(xiàn)象。

與晶體光學(xué)中透明礦物的觀察一致，礦相學(xué)中非均質(zhì)不透明礦物在正交偏光系統(tǒng)中也會出現(xiàn)四次消光現(xiàn)象，而均質(zhì)礦物或非均質(zhì)礦物的均質(zhì)切面會出現(xiàn)全消光現(xiàn)象。不透明礦物光片正交偏光下產(chǎn)生消光現(xiàn)象的原理與晶體光學(xué)中非均質(zhì)不透明礦物的消光現(xiàn)象的原理也具有可對比性。對于均質(zhì)不透明礦物，光源射出的單偏光照到礦物表面后發(fā)生反射，反射光的振動方向不發(fā)生變化，無法繼續(xù)穿過上偏光鏡，因而形成全消光現(xiàn)象。而對于非均質(zhì)不透明礦物，光源發(fā)出的單偏光照到礦物表面反射后，振動方向發(fā)生改變，光線可以通過上偏光鏡，視域內(nèi)不消光。反射偏光顯微鏡中，旋轉(zhuǎn)載物臺一周，非均質(zhì)不透明礦物同樣會出現(xiàn)四次消光現(xiàn)象。

除此以外，在晶體光學(xué)中，偏光顯微鏡下觀察巖石薄片時(shí)，若薄片中含不透明礦物，光線不能穿過。因此，無論是在單偏光下還是正交偏光下觀察不透明礦物，視域內(nèi)都是黑的。同樣的，在礦相顯微鏡中觀察透明礦物時(shí)，因其反射率極低，無論是在單偏光下還是在正交偏光下，視域內(nèi)都是黑的。

2.干涉色和偏光色

在晶體光學(xué)中，非均質(zhì)礦物在消光位以外的任何位置，其光率體橢圓長、短半徑與上、下偏光振動方向斜交，光線經(jīng)過薄片后發(fā)生分解，分解后的頻率相同，在同一平面內(nèi)振動，且具有固定的光程差。也就是說，分解后的光波就具備了發(fā)生干涉的條件，就會發(fā)生干涉現(xiàn)象。由于白光中不同波長的光線干涉后增強(qiáng)或減弱后混合而成的顏色稱為干涉色。干涉色可以作為鑒定礦物的依據(jù)，其與礦物的雙反射率、入射光波長和薄片厚度有關(guān)。

在礦相學(xué)中，與干涉色相近的概念為偏光色。非均質(zhì)不透明礦物在嚴(yán)格正交偏光下處于45°位置時(shí)，會發(fā)生非均質(zhì)旋轉(zhuǎn)色散和非均質(zhì)橢圓色散現(xiàn)象。此時(shí)礦物不僅最明亮，而且在白光中顯現(xiàn)出一定的顏色，即為偏光色。偏光色同樣可以作為某些礦物的主要鑒定依據(jù)，如銅藍(lán)的火橙色偏光色、輝鉬礦的藍(lán)灰色偏光色、黑鎢礦的黃-灰色偏光色。

3 .消光角與非均質(zhì)視旋角Ar

晶體光學(xué)中，非均質(zhì)透明礦物的任意切面光率體橢圓半徑方向與上下偏光鏡平行時(shí)會出現(xiàn)消光現(xiàn)象。根據(jù)解理縫、雙晶縫等與目鏡中十字絲的關(guān)系，非均質(zhì)礦物的消光類型可分為：平行消光、對稱消光和斜消光三種類型。對于斜消光的礦物，測定其特定晶面上的消光角對于礦物的鑒定具有重要的意義。在偏光顯微鏡下，測定消光角的方法為測定礦物由解理、雙晶縫等與目鏡的縱十字絲平行位置至礦物消光位時(shí)載物臺旋轉(zhuǎn)的度數(shù)。

礦相學(xué)中，對于正交偏光下的非均質(zhì)礦物而言，入射平面偏光照到礦物表面以后，分解為兩組振動方向相互垂直的平面偏光。由于非均質(zhì)性礦物在不同的方向上的反射率不同，反射后的兩組平面偏光合成后新形成的平面偏光便不同于初始入射光的振動方向。換言之，礦物光面的反射光的振動方向相對于入射光就發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度就稱為非均質(zhì)視旋角。其測定方法為正交偏光下旋轉(zhuǎn)礦物至消光，然后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)載物臺45°，此時(shí)礦物最亮（偏光色），然后轉(zhuǎn)動分析鏡，分析鏡轉(zhuǎn)動的度數(shù)即為非均質(zhì)視旋角。

4.延性和旋性

晶體光學(xué)中，對于一向或二向延伸型透明礦物，其延長方向與光率體橢圓半徑Ng 平行或夾角小于45°時(shí)，稱為正延性。延長方向與光率體橢圓半徑Np平行或夾角小于45°時(shí)，稱為負(fù)延性。

礦相學(xué)中，一個(gè)可以對比的概念為旋性。非均質(zhì)礦物反射平面平光或橢圓偏光的旋轉(zhuǎn)方向即為旋性。當(dāng)反射后的平面或橢圓偏光向礦物的延長方向或解理、晶軸、雙晶結(jié)合面等結(jié)晶要素旋轉(zhuǎn)時(shí)稱為正旋性；若向垂直晶體延長的方向（或解理、晶軸、雙晶結(jié)合面等結(jié)晶要素）旋轉(zhuǎn)，稱為負(fù)旋性。

（三）錐光系統(tǒng)（干涉圖與偏光圖）

錐光系統(tǒng)主要研究礦物在斜照光下的光學(xué)性質(zhì)。在晶體光學(xué)中，非均質(zhì)礦物的光學(xué)性質(zhì)隨方向而異，垂直不同方向入射光波的光率體切面不相同，其長短半徑在礦片平面的方位不完全相同。這些不同方向入射光波通過礦片后，到達(dá)上偏光鏡所發(fā)生的消光與干涉效應(yīng)也不完全相同。因此，錐光鏡下所觀察的應(yīng)當(dāng)是錐形偏光束中，各個(gè)不同方向的入射光通過礦片后，到達(dá)上偏光鏡所產(chǎn)生的消光與干涉效應(yīng)總和。它們構(gòu)成的特殊的圖像，稱為干涉圖。利用干涉圖可以確定軸性、光性符號和切片方向。均質(zhì)透明礦物在錐光鏡下不能形成干涉圖。對非均質(zhì)不透明礦物而言，一軸晶垂直光軸切片的干涉圖由一個(gè)黑十字和同心圓干涉圈組成。黑十字中心交點(diǎn)即為一軸晶晶軸的出露點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)載物臺，干涉圖不發(fā)生變化；一軸晶斜交光軸的切片中，干涉圖由中心不在視域中心的黑十字和不完整的干涉色色圈組成。一軸晶平行光軸的切面，光軸與上下偏光鏡振動方向之一平行時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)粗大模糊的黑十字。轉(zhuǎn)動載物臺，黑十字沿光軸方向迅速退出，即瞬變干涉圖或閃圖；二軸晶礦物的對稱程度比一軸晶低，所以其干涉圖比一軸晶復(fù)雜。二軸晶透明礦物根據(jù)切面方向不同，可以形成五種類型的干涉圖，在此不再贅述。

礦相學(xué)中，從高倍鏡發(fā)出的平面偏光錐形束照到礦物光面時(shí)，入射面可以與入射偏光的振動面平行、垂直或者斜交。當(dāng)入射面與入射偏光的振動方向斜交時(shí)，會發(fā)生偏光振動面的旋轉(zhuǎn)。除此以外，吸收性強(qiáng)的礦物表面的反射光會產(chǎn)生0或π的周相差而形成橢圓偏光。錐光系統(tǒng)下觀察均質(zhì)不透明礦物時(shí)，入射平面偏光除中心一束光垂直于礦物光面外，視域內(nèi)幾乎全為斜射光。因此，視域內(nèi)會出現(xiàn)黑十字形消光帶，四象限為明亮部分。這就是錐光系統(tǒng)下，均質(zhì)不透明礦物的偏光圖。上偏光鏡從正交位置稍轉(zhuǎn)一定角度后，分解為雙曲線形。非均質(zhì)礦物處于消光位時(shí)，偏光圖為一黑十字，轉(zhuǎn)動上偏光鏡分解成雙曲線。從消光位轉(zhuǎn)動載物臺至45°位時(shí)，黑十字分解為雙曲線消光帶。轉(zhuǎn)動載物臺一周會出現(xiàn)四次黑十字和四次雙曲線。

三、結(jié)語

無論是透射光偏光顯微鏡下透明礦物的鑒定，還是反射偏光顯微鏡下不透明礦物的鑒定，都是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)的過程，與之相關(guān)的兩門課程晶體光學(xué)和礦相學(xué)具有很強(qiáng)的抽象性、邏輯性和實(shí)踐性。在這兩門課程教學(xué)和學(xué)習(xí)的過程中，將兩本教材中的概念和現(xiàn)象進(jìn)行對比，可以使難懂的教學(xué)內(nèi)容變得清晰和簡單起來，晦澀的概念、現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原理也變得易于理解，學(xué)生的理論水平和實(shí)踐操作能力能夠得到很大提高，能為以后專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下很好的基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]