偏光显微镜下的岩石世界

一、岩石野外观察与采集工作  

  想要进一步了解地球的形成和演化,就必须实地去接触地球,也就是到野外去观察及收集一切有关的地质资料,称为野外工作(Field work)。在地球表面所看到的固体是岩石和土壤,构成这两种物质的基本颗粒都具有一定的化学和物理性质,这就是矿物,换句话说岩石和土壤都是矿物的集合体。  

  常见的岩石有火成岩、变质岩和沉积岩等三大类(图1~3),是组成地壳的主要物质,在野外主要依据岩理(Texture)和矿物种类来鉴定岩石。其中岩理表示矿物颗粒间的关系:包括大小、形状及排列方式,可以指示岩石形成时的自然环境与可能成因。所以在野外实地观察纪录后,将需深入了解的岩石标本进行采样(注意必须是未经风化的新鲜岩石),带回实验室中利用各种仪器进行分析与研究,其中一种方法是将样本制作成岩石薄片(thin section),然后放在偏光显微镜下观察其形态、构造及矿物组成等性质,并可利用矿物的光学特性来帮助矿物类别的鉴定。

二、实验室薄片制作  

  岩石为了要在偏光显微镜下观察,首先必须够「薄」,薄到光线可以穿透标本,一般的标准薄片厚度为 30 μm,相当于0.003公分。由于光线透过矿物时的速度因种类的不同而异,因此,我们可以利用矿物本身的光学特性,作为矿物鉴定的一项重要依据。实验室制作薄片除了靠灵巧的双手外,还需要依赖精密的仪器作辅助,才能达到既快又好的效果。以下就介绍实验室制作薄片的几个步骤:  
  1. 切割:将野外所采集的岩石标本,先选取新鲜未风化部分,再用钻石锯片切成符合玻片的适当大小。由于钻石是目前硬度最高的物质,为了切出各种硬度不同的岩样标本,实验室中锯片和研磨用磨盘均镀上钻石。  
  2. 磨平:把切好的岩样标本与要胶着的玻片,分别以#600~#1000的碳化硅粉末(Silicon carbide powder)研磨,使岩样切面成为光滑之平面。检查切面是否平整光滑,可将岩样面向光源,观察其反射是否良好来判断。  
  3. 上胶:将处理完成的岩样以环氧基树脂(Epoxy)粘着于毛玻璃上,注意上胶前需将接触面以酒精清洁,且在上胶时岩样与玻璃之间不能有气泡产生,以免影响切片时的粘着强度。上胶后置于固定平台(Bonding jig)上,并以50℃低温烘烤约6~8小时,以便固结、硬化。  
  4. 切片:待胶硬化后将标本置于薄片切割机(Petro-thin)上切割并磨成100~150μm的厚度,因为切割机转速过快,所以无法切磨成太薄的标本。  
  5. 研磨:以测微器定出标本厚度,再把100~150μm厚之岩样标本利用真空原理固定在真空吸盘上,然后直接在薄片研磨盘(Lapping plate)上研磨至标准厚度30μm。  
  6. 拋光:标本若要做微探成分分析,则需将薄片分别用0.3~0.05μm的铝粉拋光液进行拋光。由于岩石具刚性,所以上述制作过程是将标本先固定在玻片上再切薄,此与生物切片先切薄后,再固定于玻片上的程序刚好相反。

三、偏光显微镜下的观察  

  我们都知道要观察物质的细微结构必须透过显微镜,一般的显微镜构造较简单,在镜台下利用反射镜凝聚光线并反射到观察物内,再以不同放大倍率的目镜和物镜经对焦后便可清晰观察标本。但偏光显微镜就复杂多了,在其镜台下有一偏光镜(polarizer)和一个聚光镜(condenser),镜台以上的镜筒里还有一个上偏光镜(analyzer)。简单来说由于光波的震动方向与其前进方向垂直,利用偏光镜可使普通光线变成单一震动方向的光线,就是所谓的偏光。利用偏光透过岩石薄片就可以观察到矿物内部细微结构,并藉由矿物的各种光学特性,作为鉴定矿物所属种类的重要依据。  在偏光显微镜下可观察到矿物的晶形或集合体(如粒状、针状、放射状、板状、纤维状....)、解理的发达与否、单偏光下矿物的颜色和多色性(旋转镜台所产生的颜色变化)、折射率的大小,以及对某组解理的消光角和单光轴、双光轴等干涉像等特性。透过显微镜不仅可以看到岩石的细微构造,在偏光镜下的矿物(特别是交叉偏光)犹如另一个彩色世界,瑰丽多变,是一般人不容易接触的领域,图4~11即是在偏光显微镜下各种不同种类的岩石薄片,也许在惊艳之余,下次出去野外时,就能对自然大地多一分亲切的了解与关怀。 

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