La mineralogía óptica es el estudio de minerales y rocas midiendo sus propiedades ópticas . Lo más común es que las muestras de rocas y minerales se preparen como secciones delgadas o montajes de granos para su estudio en el laboratorio con un microscopio petrográfico . La mineralogía óptica se utiliza para identificar la composición mineralógica de materiales geológicos con el fin de ayudar a revelar su origen y evolución.
Algunas de las propiedades y técnicas utilizadas incluyen:
William Nicol , cuyo nombre está asociado con la creación del prisma Nicol , es probablemente el primero en preparar finas láminas de sustancias minerales, y sus métodos fueron aplicados por Henry Thronton Maire Witham (1831) al estudio de las petrificaciones de plantas. Este método, de gran importancia en petrología , no se utilizó inmediatamente para la investigación sistemática de las rocas, y no fue hasta 1858 que Henry Clifton Sorby señaló su valor. Mientras tanto, el estudio óptico de secciones de cristales había sido avanzado por Sir David Brewster y otros físicos y mineralogistas y sólo quedaba aplicar sus métodos a los minerales visibles en secciones de rocas. [2]
Una sección de roca debe tener aproximadamente una milésima de pulgada (30 micrómetros ) de espesor y es relativamente fácil de hacer. Se puede tomar una fina astilla de roca, de aproximadamente 1 centímetro; debe estar lo más fresco posible y libre de grietas evidentes. Moliéndolo sobre una placa de acero cepillado o hierro fundido con un poco de carborundo fino , pronto se alisa por un lado y luego se transfiere a una lámina de vidrio plano y se alisa con el esmeril de grano más fino hasta eliminar todas las asperezas y picaduras. , y la superficie es un plano uniforme. Luego se lava la astilla de roca y se coloca sobre una placa de cobre o hierro que se calienta con una lámpara de gas o de alcohol. En este plato también se calienta una placa de vidrio microscópica con una gota de viscoso bálsamo natural de Canadá en su superficie. Los ingredientes más volátiles del bálsamo son disipados por el calor, y cuando esto se logra, la roca suave, seca y tibia se presiona firmemente para que entre en contacto con la placa de vidrio de modo que la película de bálsamo que interviene sea lo más delgada posible y libre de burbujas de aire. Se deja enfriar la preparación y se vuelve a triturar la astilla de roca como antes, primero con carborundo y, cuando se vuelva transparente, con esmeril fino hasta obtener el espesor deseado. Luego se limpia, se calienta nuevamente con una pequeña cantidad adicional de bálsamo y se cubre con un cubreobjetos. La labor de pulir la primera superficie puede evitarse cortando una rodaja lisa con un disco de hierro armado con polvo de diamante triturado. Una segunda aplicación de la cortadora después de alisar y cementar la primera cara al vidrio dejará, en manos expertas, una sección de roca tan delgada que resultará transparente. De este modo, la preparación de una sección puede requerir sólo veinte minutos. [2]
El microscopio empleado suele ser uno que está provisto de una platina giratoria debajo de la cual hay un polarizador, mientras que encima del objetivo u ocular se monta un analizador; alternativamente, la platina puede ser fija y los prismas de polarización y análisis pueden ser capaces de girar simultáneamente mediante ruedas dentadas y una biela. Si se desea luz ordinaria y no polarizada, ambos prismas pueden retirarse del eje del instrumento; si sólo se inserta el polarizador, la luz transmitida está polarizada en plano; Con ambos prismas en posición, la diapositiva se ve con luz de polarización cruzada, también conocida como " nicoles cruzados ". Una sección microscópica de roca bajo luz normal, si se emplea un aumento adecuado (por ejemplo, alrededor de 30x), se ve formada por granos o cristales que varían en color, tamaño y forma. [2]
Algunos minerales son incoloros y transparentes ( cuarzo , calcita , feldespato , moscovita , etc.), mientras que otros son amarillos o marrones ( rutilo , turmalina , biotita ), verdes ( diópsido , hornblenda , clorita ), azules ( glaucofano ). Muchos minerales pueden presentar una variedad de colores, en la misma o en diferentes rocas, o incluso múltiples colores en un solo espécimen mineral llamado zonación de color. Por ejemplo, el mineral turmalina puede tener zonas concéntricas de color que van desde el marrón, amarillo, rosa, azul, verde, violeta o gris hasta el incoloro. Cada mineral tiene uno o más tintes más comunes.
Las formas de los cristales determinan de forma general los contornos de las secciones de los mismos que se presentan en las diapositivas. Si el mineral tiene una o más escisiones buenas , estarán indicadas por conjuntos de planos orientados de manera similar llamados planos de escisión.
La orientación de los planos de escisión está determinada por la estructura cristalina de un mineral y se forman preferentemente a través de planos a lo largo de los cuales se encuentran los enlaces más débiles, por lo que la orientación de los planos de escisión se puede utilizar en mineralogía óptica para identificar minerales.
La información sobre el índice de refracción de un mineral se puede observar haciendo comparaciones con los materiales circundantes. Podrían ser otros minerales o el medio en el que se monta un grano. Cuanto mayor sea la diferencia en el relieve óptico, mayor será la diferencia en el índice de refracción entre los medios. El material con un índice de refracción más bajo y, por lo tanto, un relieve más bajo parecerá hundirse en la diapositiva o montura, mientras que un material con un índice de refracción más alto tendrá un relieve más alto y parecerá salirse. La prueba de la línea de Becke también se puede utilizar para comparar el índice de refracción de dos medios. [3]
Se obtiene más información insertando el polarizador inferior y girando la sección. La luz vibra en un solo plano y, al pasar a través de cristales doblemente refractantes en el portaobjetos, se descompone, en términos generales, en rayos que vibran formando ángulos rectos entre sí. En muchos minerales coloreados como la biotita , la hornblenda , la turmalina y la clorita , estos dos rayos tienen colores diferentes, y cuando se gira una sección que contiene cualquiera de estos minerales, el cambio de color suele ser claramente perceptible. Esta propiedad, conocida como "pleocroísmo", es de gran valor en la determinación de la composición mineral.
El pleocroísmo suele ser especialmente intenso en pequeñas manchas que rodean diminutos recintos de otros minerales, como el circón y la epidota . Estos se conocen como " halos pleocroicos ". [4]
Algunos minerales se descomponen fácilmente y se vuelven turbios y semitransparentes (por ejemplo, el feldespato); otros permanecen siempre perfectamente frescos y claros (por ejemplo, el cuarzo), mientras que otros producen productos secundarios característicos (como la clorita verde después de la biotita). Las inclusiones en los cristales (tanto sólidas como fluidas ) son de gran interés; un mineral puede encerrar a otro, o contener espacios ocupados por vidrio, por fluidos o por gases. [2]
La estructura de la roca -la relación de sus componentes entre sí- suele estar claramente indicada, ya sea fragmentada o masiva; la presencia de materia vítrea en contraposición a una condición completamente cristalina u "holocristalina"; la naturaleza y origen de los fragmentos orgánicos; bandas, foliación o laminación; la estructura pómez o porosa de muchas lavas. Estos y muchos otros caracteres, aunque a menudo no son visibles en muestras manuales de una roca, se vuelven evidentes mediante el examen de una sección microscópica. Se pueden aplicar varios métodos de observación detallada, como la medición del tamaño de los elementos de la roca con la ayuda de micrómetros, sus proporciones relativas mediante una placa de vidrio reglada en pequeños cuadrados, los ángulos entre hendiduras o caras vistas en sección mediante el uso de la platina graduada giratoria, y la estimación del índice de refracción del mineral en comparación con los de diferentes medios de montaje. [2]
Si el analizador se inserta en una posición cruzada con respecto al polarizador, el campo de visión será oscuro donde no hay minerales o donde la luz atraviesa sustancias isotrópicas como vidrio, líquidos y cristales cúbicos. Todos los demás cuerpos cristalinos, al ser doblemente refractantes, aparecerán brillantes en alguna posición a medida que se gira el escenario. La única excepción a esta regla la constituyen las secciones perpendiculares a los ejes ópticos de los cristales birrefringentes , que permanecen oscuras o casi oscuras durante toda una rotación, cuya investigación suele ser importante. [2]
Las secciones de minerales doblemente refractantes aparecerán en todos los casos de color negro en determinadas posiciones a medida que se gira la platina. Se dice que "se extinguen" cuando esto sucede. El ángulo entre estos y cualquier escote se puede medir girando el escenario y registrando estas posiciones. Estos ángulos son característicos del sistema al que pertenece el mineral y, a menudo, de la propia especie mineral (ver Cristalografía ). Para facilitar la medición de los ángulos de extinción, se han ideado varios tipos de oculares, algunos con una placa estereoscópica de calcita, otros con dos o cuatro placas de cuarzo cementadas entre sí. A menudo se encuentra que estos dan resultados más precisos que los que se obtienen observando sólo la posición en la que la sección mineral está más completamente oscura entre los nicoles cruzados.
Las secciones minerales cuando no se extinguen no sólo son brillantes, sino que también están coloreadas, y los colores que muestran dependen de varios factores, el más importante de los cuales es la fuerza de la doble refracción. Si todas las secciones tienen el mismo espesor, como suele ocurrir con las diapositivas bien hechas, los minerales con doble refracción más fuerte producen los colores de polarización más altos. El orden en el que se ordenan los colores se expresa en lo que se conoce como escala de Newton, siendo el más bajo el gris oscuro, luego el gris, el blanco, el amarillo, el naranja, el rojo, el morado, el azul, etcétera. La diferencia entre los índices de refracción del rayo ordinario y extraordinario en el cuarzo es de 0,009, y en una sección de roca de aproximadamente 1/500 de pulgada de espesor, este mineral da colores de polarización grises y blancos; la nefelina con doble refracción más débil da gris oscuro; La augita, por otro lado, dará rojo y azul, mientras que la calcita con la doble refracción más fuerte aparecerá de color rosado o blanco verdoso. Sin embargo, no todas las secciones del mismo mineral tendrán el mismo color: las secciones perpendiculares a un eje óptico serán casi negras y, en general, cuanto más se acerque una sección a esta dirección, menores serán sus colores de polarización. Tomando el color promedio o más alto dado por cualquier mineral, se puede estimar el valor relativo de su doble refracción, o si se conoce con precisión el espesor de la sección, se puede determinar la diferencia entre los dos índices de refracción. Si las diapositivas son gruesas, los colores serán en general más altos que en las diapositivas delgadas.
A menudo es importante averiguar si de los dos ejes de elasticidad (o trazas de vibración) de la sección es el de mayor elasticidad (o menor índice de refracción). Esto lo permite la cuña de cuarzo o la placa de selenita. Supongamos una sección de mineral doblemente refractante colocada de manera que se "extinga"; Si ahora se gira 45 grados, se iluminará intensamente. Si se pasa la cuña de cuarzo de manera que el eje largo de la cuña sea paralelo al eje de elasticidad en la sección, los colores de polarización aumentarán o disminuirán. Si suben los ejes de mayor elasticidad en los dos minerales son paralelos; si se hunden el eje de mayor elasticidad en uno es paralelo al de menor elasticidad en el otro. En este último caso, empujando la cuña lo suficiente se obtendrá una oscuridad total o una compensación. Para este fin también se utilizan cuñas de selenita, placas de selenita, cuñas de mica y placas de mica. Una cuña de cuarzo también se puede calibrar determinando la cantidad de doble refracción en todas las partes de su longitud. Si ahora se utiliza para producir compensación o extinción completa en cualquier sección de mineral doblemente refractante, podemos determinar cuál es la fuerza de la doble refracción de la sección porque es obviamente igual y opuesta a la de una parte conocida de la cuña de cuarzo.
Un perfeccionamiento adicional de los métodos microscópicos consiste en el uso de luz polarizada fuertemente convergente ( métodos conoscópicos ). Esto se obtiene mediante un condensador acromático de gran ángulo encima del polarizador y un objetivo microscópico de alta potencia. Son más útiles aquellas secciones que son perpendiculares al eje óptico y, en consecuencia, permanecen oscuras al girar. Si pertenecen a cristales uniaxiales muestran una cruz oscura o luz convergente entre nicoles cruzados, cuyas barras quedan paralelas a los hilos en el campo del ocular. Las secciones perpendiculares a un eje óptico de un mineral biaxial en las mismas condiciones muestran una barra oscura que al girar se curva hasta adoptar una forma hiperbólica. Si la sección es perpendicular a una "bisectriz" (ver Cristalografía ), se ve una cruz negra que al girar se abre para formar dos hipérbolas, cuyos ápices están orientados uno hacia el otro. Los ejes ópticos emergen en los ápices de las hipérbolas y pueden estar rodeados de anillos de colores, aunque debido a la delgadez de los minerales en las secciones de roca, estos sólo se ven cuando la doble refracción del mineral es fuerte. La distancia entre los ejes vista en el campo del microscopio depende en parte del ángulo axial del cristal y en parte de la apertura numérica del objetivo. Si se mide con un micrómetro ocular, el ángulo óptico axial del mineral se puede encontrar mediante un simple cálculo. La cuña de cuarzo, la placa de un cuarto de mica o la placa de selenita permiten determinar el carácter positivo o negativo del cristal por los cambios de color o forma de las figuras observadas en el campo. Estas operaciones son similares a las empleadas por el mineralogista en el examen de placas cortadas de cristales. [2]
Aunque hoy en día las rocas se estudian principalmente en secciones microscópicas, todavía se utiliza activamente la investigación de los polvos finos de roca triturada, que fue la primera rama de la petrología microscópica en recibir atención. Los métodos ópticos modernos son fácilmente aplicables a fragmentos minerales transparentes de cualquier tipo. Los minerales se determinan casi tan fácilmente en polvo como en sección, pero en las rocas ocurre lo mismo, como la estructura o la relación de los componentes entre sí. Este es un elemento de gran importancia en el estudio de la historia y clasificación de las rocas, y se destruye casi por completo al molerlas hasta convertirlas en polvo. [2]
