Polarizační mikroskopie je jedna z mnoha optických metod studie minerálů a hornin. Měl jsem tu možnost osobně si polarizační mikroskop vyzkoušet a naučit se v něm poznávat některé základní minerály. A protože mne tato metoda začala velmi zajímat, rozhodl jsem se, že v průběhu kurzu budu některé minerály přes mikroskop fotografovat a později o nich zde, na webu, něco napíšu. Ačkoliv jsem fotografoval mobilem, vznikly velice pěkné, zajímavé a poučné fotografie.

 

Než ale začnete číst jednotlivé články v této rubrice, přečtěte si prosím něco o tom, jaké termíny se v polarizační mikroskopii používají - protože bez nich nemá příliš cenu další články v této rubrice číst. Nejde o nic složitého a vše jsem se pokusil ilustrovat pomocí doprovodných fotografií. A nezapomeňte, že po kliknutí na snímky si je můžete prohlédnout ve větších detailech a ve většině případů se vám navíc, po najetí ukazatele myši na snímek, objeví jména či typické znaky některých minerálů.

Co je důležité vědět, než začnete číst ?

Co to je výbrus, dvojlom a co v mikroskopu vlastně vidíme ?

V polarizačním mikrokopu studujeme horniny a jejich jednotlivé složky - minerály pomocí procházejícího světla, které se po dopadu na krystaly láme na dva paprsky (tzv. dvojlom). Ne všechny minerály jsou toho schopny (např. izotropní minerály), ale mnoho minerálů takto skutečně reaguje a konkrétní případ, jak k dvojlomu dochází, pak může být klíč ke konkrétní identifikaci minerálu.

 

V polarizačních mikroskopech můžeme pozorovat oba typy paprsků zvlášť - paprsky řádné (v režimu PPL) a mimořádné (v XPL). Abychom mohli sledovat obě dvě situace, jsou do konstrukce mikroskopu zabudovány dva polarizátory, které propouštějí světlo v dané rovině kmitu podle toho, v jaké poloze jsou vůči sobě právě orientovány. Pozorujeme ve dvou režimech - v linárně polarizované světle (PPL = plane polarized light) a se zkříženými polarizátory (XPL - obě tyto zkratky si prosím zapamatujte). Mezi oba polarizátory umisťujeme vzorek horniny tenký zhruba jen 0,03 mm -  tzv. výbrus.

 

Polarizační mikroskop lze také chápat jako detektor dvojlomu, neboť látky, které dvojlom nevykazují, ve zkřížených polarizátorech neuvidíme.

Co to je pozorování v XPL a PPL ? Jak se od sebe liší ?

V polarizačních mikroskopech můžeme pozorovat dva typy paprsků - paprsky řádné a mimořádné. Abychom mohli sledovat obě dvě situace, jsou do konstrukce mikroskopu zabudovány dva polarizátory, které propouštějí světlo v dané rovině kmitu podle toho, v jaké poloze jsou vůči sobě právě orientovány. Pozorujeme ve dvou situacích - v linárně polarizované světle (PPL) a se zkříženými polarizátory (XPL). V PPL pozorujeme skutečnou barvu minerálu, zatímco v XPL barvy interferenční. Snímky pořízené v režimu XPL jsou často výrazně barevnější a snaží se upoutat naši pozornost. V PPL však ve skutečnosti uvidíme často mnohem víc.

 

Olivine (30 µm thin section, PPL)Olivine (30 µm thin section, XPL)

V lineárně polarizovaném světle (PPL) a po zkřížení (XPL) pozorujeme různé vlastnosti minerálů. Snažíme se ve výbruse najít takové krystaly, na kterých můžeme něco typického najít a to ideálně ve větším měřítku. Více pozorování si pak v hlavě porovnáme a uvažujeme, o který minerál se asi jedná. Zároveň je dobré pamatovat na to, jaké minerály vedle sebe nacházíme. Na druhou stranu se však snažíme být skeptičtí ke všem jednoduchým poučkám (křemen a olivín se spolu obvykle "nekamarádí", ale nevylučují se!)

 

Quartz filled cavity near olivine in ultrabasic magmatite (30 µm thin section, XPL)

Co to je stupeň omezení krystalů a tvar krystalů ?

Stupeň omezení nám může leccos napovědět. Některé minerály mají typicky omezený tvar, což je dáno zejména jejich chemickou odolností a krystalizační silou, která se dá zjednodušeně popsat jako schopnost minerálu dosáhnout svého ideálního tvaru v omezeném prostoru. Závisí také na krystalizační síle minerálů v okolí. Větší a dokonalejší krystaly obvykle rostly déle, než krystaly malé a kostrovité. Důležitá je ale i zmíněná chemická odolnost. Minerály, které nejsou příliš chemicky stabilní, většinou nedosahují dokonalého omezení krystalových ploch a jsou často "nahlodány" různými roztoky .

 


Rozlišujeme 3 stupeně omezení krystalů (výrazy v závorce v dalších článcích nejsou a jsou zde spíše pro úplnost)

1) Krystal má dokonale omezené krystalové plochy (euhedrální / automorfní)

Pyroxene twinning (30 µm thin section, PPL)

 

 

 

 

2) Krystal má částečně omezené plochy (subhedrální / hypautomorfní)

Garnet (30 µm thin section, PPL)

 

 

3) Krystal má zcela nepravidelný tvar bez krystalových ploch (anhedrální / xenomorfní)

 

Olivine (30 µm thin section, PPL)

 

 

 

 

S tím souvisí i tvar krystalů. Mají spíše tvar čtverce, obdélníku, zcela nepravidelný a nebo jiný tvar ? Důležitý je také pojem izomorfní typický pro minerály ze skupiny granátu. Izomorfní krystaly jsou takové, které se snaží dosáhnout dokonalého trojrozměrného geometrického prvku - koule.

Co to je barva a pleochroismus ?

Jakou barvu má minerál ? (nikdy si nepleťte termín "barvy" a "interferenční barvy".. které pozorujeme v XPL). Barvu jako takovou sledujeme výhradně v režimu PPL. Pro některé amfiboly je např. typická světle zelená barva.


Amphibole crystals (30 µm thin section, PPL)


 

 

V mineralogii bychom měli také rozlišovat pojmy barva a zbarvení. Barva je jedna typická vlastnost pro daný minerál např. zelená barva malachitu. Zbarvení je dáno spíše nedokonalostmi v krystalu daného minerálu (různé defekty v krystalové mřížce, inkluze jiných minerálů..). To však není v polarizační mikroskopii tolik důležité.

Všímáme si také, zda minerál při otáčení stolku se vzorkem mění v mikroskopu barvy - turmalíny se například vyznačují velmi výraznou barvoměnou (= pleochroismus) a to je v tomto případě dobrý poznávací znak.

Co to je štěpnost a úhel mezi plochami štěpnosti ?

Štěpnost je dalším důležitým znakem minerálů. Jedná se o zákonité plochy dané povahou krystalické mřížky, podél nichž se daný minerál snadno láme. Zpravidla posuzujeme, zda je štěpnost dobrá, dokonalá nebo např. zcela chybí. Pro některé minerály (např. fylosilikáty) je typická dokonalá štěpnost, kdy se sloupcovité krystaly snadno lámou podle ploch kolmých na osu c ("výšku" krystalu). Tato štěpnost se označuje jako bazální. Můžeme si to jednoduše představit jako libovolný krystal tvaru hranolu, který má plochy štěpnosti vodorovně s plochou podstavy.

 

Muscovite (30 µm thin section, XPL)

 

 

 

 

Důležitější však může být (zejména u inosilikátů) sledovat, jaké úhly vůči sobě plochy štěpnosti svírají. U pyroxenů je to zhruba 90°, zatímco u amfibolů téměř 60° a 120°. Jde o vůbec nejdůležitější poznávací znak inosilikátů. Štěpnost můžeme sledovat v PPL i v XPL, ale v PPL bývá zpravidla lépe patrná.

 

Amphibole crystals (30 µm thin section, PPL)

Co jsou to (anomální) interferenční barvy a zhášení ?

Při pozorování se zkříženými polarizátory sledujeme zejména interferenční barvy. Interferenční barvy jsou výsledkem skládáním jednotlivých svazků světla, které vycházejí z krystalu minerálu, a které nebyly pohlceny polarizátory.

 

Dle Newtonova schématu dělíme interferenční barvy na několik řádů, případně na nízké, střední a vysoké. Nejzářivější interferenční barvy (jaké vykazuje např. muskovit) označujeme jako interferenční barvy prvního řádu (nízké). Následují interferenční barvy druhého a třetího řádu, které označujeme jako střední. Od druhého řádu se barvy pravidelně opakují a jeví se v mikroskopu stále slabší a slabší. Karbonáty, které se vyznačují velmi vysokým dvojlomem, mají interferenční barvy až sedmého řádu (!) a v mikroskopu jsou tyto barvy velmi slabé. 

 

Muscovite (30 µm thin section, XPL)Carbonate (30 µm thin section, XPL)

 

V některých případech interferenční barvy minerálů neodpovídají Newtonovu schématu. Jedná se o tzv. anomální interferenční barvy, za kterými stojí další jev - disperze světla. Tyto anomální barvy na Newtonovu schématu buď vůbec nejsou (příklad některých chloritů..) nebo jsou vůči schématu posunuty (některé chlority, epidot..). Interferenční barvy se také mění v závislosti na tloušťce výbrusu. Podle interferenčních barev křemene lze jednoduše odhadnout tloušťku výbrusu.

 

Při otáčení stolku se vzorkem se interferenční barvy postupně zhasínají a zase rosvěcují - za jednu otáčku by k tomuto mělo dojít vždy čtyřikrát. Může se tedy stát, že v režimu XPL budou některé minerály černé - otáčením vzorku by se měly projevit interferenční barvy. Pokud se interferenční barvy neprojeví, jedná se o izotropní minerál (typicky kubické minerály, např. granáty). Pokud se interferenční barvy s otáčením vzorku nemění, mohou být krystaly ve výbruse orientovány osou c ("podstavou") k pozorovateli.

 

Garnet (30 µm thin section, parallel polarizers)Garnet (30 µm thin section, parallel polarizers)

Polarizační mikroskop nám často nabízí pohledy, které se zdají neuvěřitelné.. jako například zde. Jedná se o dva snímky pořízené 1) v linárně polarizovaném světle a 2) se zkříženými polarizátory. Zatímco na prvním snímku je jasně vidět pravidelně ohraničené zrno granátu, na druhém snímku bychom jej nebyli schopni vůbec najít. Hledáme je tedy v lineárně polarizovaném světle a pokud nám po zkřžení zhasnou, můžeme si být téměř jisti, že jsou to právě granáty.

Jaké jsou další poznávací znaky minerálů ?

Mnoho minerálů má ve výbruse svou specifickou podobu. Je to například lamelování plagioklasu, mřížkovitá podoba mikroklinu nebo pleochroické dvůrky v okolí inkluzí zirkonu v biotitu. Některé minerály v PPL a XPL ani příliš nemění svou podobu, což v kombinaci s typickým tvarem krystalu může být dobrý znak, od kterého se můžete odrazit dál. Každý minerál se vyznačují jinými, charakteristickými znaky či kombinací těchto znaků. Spíše než učit se, jaké optické vlastnosti má který minerál je jednodušší dokázat podle dvou až tří znaků rozlišit, o který minerál se může jednat. V případě plagioklasu nám k bezpečné identifikaci stačí jediný znak.

 

 

 

Plagioclase crystals (30 µm thin section, XPL)

Typické lamelování plagioklasu

K čemu je polarizační mikroskopie dobrá ?

Díky polarizační mikroskopii můžeme vcelku snadno identifikovat minerály v hornině a tak i horninu samotnou. Můžeme ale také usuzovat, jaké vztahy mezi sebou jednotlivé minerály mají.. a co víc, můžeme se dozvědět více i o procesech, které se v hornině od doby jejího vzniku odehrály. Polarizační mikroskopie je jedna z nejdůležitějších metod poznávání minerálů a hornin.

 

 

Zircon in biotite (30 µm thin section, XPL)

V magmatických horninách lze často nalézt miniaturní krystaly zirkonu, které jsou velmi odolné a velmi užitečné k datování hornin. V krystalové mřížce Zr2SiO4 totiž tu a tam obsadí místo zirkonia známý prvek uran, který se se známým poločasem rozpadu postupně přeměňuje na atomy olova. Porovnáním množství uranu a olova v zirkonech pak snadno zjistíme stáří zirkonu - a tím i dobu krystalizace horniny. V současné době jde o nejdůvěryhodnější zdroj informací o absolutním stáří hornin.

V této rubrice jsem všechny minerály seřadil podle toho, jak často se s nimi v horninách můžeme setkat - jde ve většině případů o důležité horninotvorné minerály nebo o takové minerály, které jsou pro některé horniny typické. Články na sebe také často navazují v rámci podobných optických vlastností nebo jiných podobností. Nejprve se budeme bavit o živcích, křemeni a slídách, později o olivínech a serpentinizaci, pyroxenech a amfibolech a na řadu přijdou i další méně známé minerály. Rubrika je pak zakončena minerály akcesorickými, které se mohou vyskytovat jen ve stopovém mnoství, ale mohou pro nás být velmi důležité.

 

Polarizační mikroskopie může mnoho lidí zaujmout i díky tomu, že nám ukazuje často velice krásný pohled na něco, co by nám naše smyslové orgány samotné nikdy nebyly schopny zprostředkovat. Mnohé horninotvorné minerály se pod zkříženými polarizátory jeví jako něco, co snad ani nemůže být z našeho světa. Zvláštní optický fenomén zvaný interference světla (kterou znáte např. v podobě náběhových barev olejových skvrn, duhových barev na povrchu mýdlové bubliny nebo typicky nafialových až nazelenalých odstínů oblačné irizace) si zde s minerály skutečně pohrává a interpretuje nám je do takových barev, že někdy ani nevěříme vlastním očím. Máme před sebou plátno, prostému oku skryto, toho největšího umělce ze všech - přírody.

 

 

Quartz & muscovite (30 µm thin section, XPL)

Krystaly muskovitu se ve zkřížených polarizátorech doslova rozzáří interferenčními barvami a to nejrůznějšími barevnými odstíny. Hotové umělecké dílo.

 

 

I díky krásným, interferenčním barvám mne polarizační mikroskopie na začátku velmi zaujala. Něco tak krásného na dosah ruky, přesto pouhým okem nedosažitelného.. až se to skoro jeví jen jako nějaká iluze, pouhý sen, něco naprosto mimo realitu, něco z jiné dimenze.. zkrátka něco, co jen tak nikde neuvidíte. Interference světla je vskutku kouzelná záležitost, která vykresluje každý minerál trochu jinak, ale jen na ni se při identifikaci minerálů spoléhat nemůžeme. Zásadní roli zde hraje také štěpnost, tvar a omezení krystalu, barva a další charakteristické znaky pro daný minerál. Na všechny důležité identifikační znaky budu v článcích o jednotlivých minerálech upozorňovat. Nezapomeňte, že po kliknutí na snímky si je budete moci prohlédnout ve větších detailech a ve většině případů se vám navíc, po najetí ukazatele myši na snímek, ukážou jména či typické znaky některých minerálů.

 

Quartz filled cavity near olivine (30 µm thin section, crossed polarizers)

Nalevo vidíme krystalický křemen. Vpravo jsou přítomny olivíny s výraznými interferenčími barvami. Existuje poučka: olivín by se neměl vyskytovat v jedné hornině společně s křemenem. Je pravdivá.. olivín v kontaktu s křemenem společně rekrystalizují na nový minerál z řady ortopyroxenů. Jak se tedy mohly oba tyto minerály, které od sebe dělí sotva pár milimetrů, společně objevit v jedné hornině ? I na takové otázky budeme hledat odpovědi..

 

 

Za hlavní cíle této rubriky považuji to, aby vám, čtenářům, nabídla náhled do fascinujícího světa minerálů a hornin. Pokud se geologii chcete věnovat, měla by vám tato rubrika být nápomocna v poznávání některých důležitých minerálů ve výbruse a v pochopení, jakým způsobem se na minerály ve výbruse snažíme dívat a zejména jaké identifikační znaky mohou být v některých situacích zásadní.

 

Měli bychom se cítit trochu jako detektivové, kteří se snaží skrze několik stop na místě činu hledat nějakou spojitost, příběh a ukázat na podezřelé osoby. Každý minerál je trochu jiný - podobně, jako má každý z nás jiné otisky prstů. Také minerály mají své charakterové rysy. Uvidíte, že některé minerály jsou ve skutečnosti sériovými vrahy a budeme se s nimi setkávat často v mnoha typech hornin. Pak už je zcela jistě bezpečně poznáme - jejich příběh se však bude vždy maličko lišit.

INFO K RUBRICE: Předpokládám, že v létě 2017 bude tato rubrika o polarizační mikroskopii rozdělena na dvě části. V první části najdete všechny články, které jsou nyní v této rubrice dostupné (část zaměřena na identifikaci minerálů + další, zatím nepublikované minerály) a v části druhé se zaměříme na mikroskopii hornin.