岩矿鉴定技能培养过程中“对比思维”的运用及其效果

王承洋　刘杰　余中元

[摘 要]岩矿鉴定是地质学及相关专业学生所必须掌握的专业技能之一。透明矿物和不透明矿物的显微鉴定是岩矿鉴定工作的重要组成部分，与该两部分内容相关的课程分别为晶体光学和矿相学。笔者介绍了反光偏光显微镜下不透明矿物鉴定和透射偏光显微镜下透明矿物鉴定的研究对象、基本原理和方法步骤，并围绕着晶体光学和矿相学两门课程的教学内容，系统地总结了在单偏光、正交偏光和锥光系统下透明矿物和不透明矿物鉴定过程中一些重要现象和概念的可对比之处。在晶体光学和矿相学的实际教学过程中，将这些现象以及其出现的原因进行对比，可以有效地加深学生的理解与记忆，极大地提高教学效果。

[关键词]岩矿鉴定；晶体光学；矿相学；对比思维

[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）05-0075-04

岩矿鉴定是地质学及相关专业大学生的必备专业技能之一。在现今的地质学课程体系中，与岩矿鉴定关系最为密切的课程包括结晶学与矿物学、晶体光学、矿相学、岩石学和矿床学等。结晶学与矿物学是岩矿鉴定的先导性、基础性课程，其课程内容主要侧重于矿物晶体的结构特点、分类和肉眼鉴定。而晶体光学和矿相学则主要是运用偏光显微镜来研究矿物的光性特征，进而探讨矿物在微观尺度上的特点，从而实现矿物的显微鉴定。岩石学和矿床学则在某种程度上是上述课程内容的延伸（见图1）。本文围绕着晶体光学和矿相学两门课程的教学内容，系统地总结了利用偏光显微镜对透明矿物和不透明矿物进行鉴定的原理和方法，并列举了透明矿物和不透明矿物显微镜下鉴定过程中一些重要现象和概念的可对比之处（见表1）。

一、研究對象与基本原理

透明矿物和不透明矿物（还有一些过渡类型）是组成自然界常见矿物的两个大类，其本质区别在于其对光波的透射和反射能力。换言之，透明矿物和不透明矿物是基于矿物透明程度的一种分类方案。透明矿物具有较强的透射可见光波的能力和极弱的反射可见光波的能力，而不透明矿物恰好与之相反。

晶体光学是研究可见光通过矿物晶体时，由于光的折射所产生的光学现象及其变化规律的学科，其研究目的为根据矿物晶体的折射现象来鉴定透明矿物的种属及特征。矿相学是利用不同矿物光面在特定波长可见光下所表现出的反射特征及其差异，来实现不（半）透明矿物的识别与鉴定的一门科学。一般而言，金属矿物都具有较强的吸收性和反光能力。因此，绝大多数的金属矿物都属于不透明矿物，而非金属矿物则多数属于透明矿物。从工业利用的角度出发，在金属矿床中，绝大多数的矿石矿物都是金属矿物（或不透明矿物），而脉石矿物一般都是非金属矿物（透明矿物）。也就是说，透明矿物和不透明矿物、非金属矿物和金属矿物、脉石矿物和矿石矿物都是基于不同角度的矿物的分类。但需要指出的是，透明矿物、非金属矿物、脉石矿物之间并不能画等号。同样的，金属矿物、矿石矿物和不透明矿物之间也不完全相同。总的来说，晶体光学研究的主要是透明矿物，其基本的理论基础是光的折射现象和折射定律。而矿相学研究的主要是不透明矿物，其基本的理论基础是光的反射现象和反射定律。

不管是透明矿物还是不透明矿物都可以分为均质体和非均质体两大类。均质体的光学性质在各个方向上相同，主要包括等轴晶系的矿物。非均质体的光学性质在各个方向上不同，包括中级和低级晶族的矿物。晶体光学中透明矿物的鉴定和矿相学中不透明矿物的鉴定均在偏光显微镜下完成，但前者使用的是透射光偏光显微镜，而后者使用的是反射光偏光显微镜。均质矿物在三维空间任何方向上都具有相同的折射率和反射率。而对于非均质矿物，自然光或偏光沿某特定的方向射入非均质体或在非均质矿物表面反射后，将发生双折射或双反射。

透射光偏光显微镜下观察的不是岩石或矿物的手标本，而是厚度约为0.03 mm的切片。薄片具有三层结构：盖玻片、矿物薄片、载玻片，三者之间用折射率约等于1.54的树胶粘连。对于不透明矿物，因需要观察其反射现象，显微镜下观察需要将标本或者样品做成单面抛光的光片，其主要制片流程包括：切割、粗磨、细磨、抛光等。

二、显微镜下的现象（概念）对比

（一）单偏光系统

1.反射率与折射率的分级

晶体光学中透明矿物的折射率分级和矿相学中不透明矿物的反射率分级都是矿物显微鉴定的基础性工作。在观测方法上，折射率与反射率分级并没有相似性，但将这两个概念进行对比，同样有助于理解与记忆。晶体光学中，透明矿物的突起等级与矿物的折射率大小有关。与加拿大树胶反射率相比，透明矿物的突起可以分为六级：负高突起、负低突起、正低突起、正中突起、正高突起、正极高突起。矿相学中，不透明矿物的反射率是通过单偏光下与标准矿物的亮度进行对比来确定的。这四个标准矿物按照反射率高低依次为：黄铁矿、方铅矿、黝铜矿和闪锌矿。相应的，不透明矿物的反射率可以分为Ⅰ～Ⅴ五级。

2.多色性、吸收性与双反射、反射多色性

晶体光学中，单偏光下矿物薄片的颜色是对白光及各单色光波选择性吸收的结果。对于非均质透明矿物而言，其对光波的吸收强度随光波在晶体中振动方向的不同而改变。因此，在单偏光下转动载物台，矿物薄片的颜色和颜色的深浅会发生变化。这种矿物颜色随光波振动方向不同而变化的现象称为多色性，颜色深浅发生变化的现象称为吸收性。同样的，在矿相学中，单偏光下不透明矿物的颜色是矿物光面对光波选择性反射的结果。非均质不透明矿物随光波振动方向的不同，矿物反射光波的能力也不同。因此，单偏光下转动载物台一周时，非均质矿物的颜色和明亮程度会发生改变。这种矿物明亮程度发生变化的现象称为双反射，颜色变化的现象称为反射多色性。可以看出，无论是矿相学中的双反射和反射多色性现象，还是晶体光学中的多色性和吸收性现象，都是由于非均质性矿物的光学性质随光波入射、光波振动方向不同而变化所引起的。矿物的双反（折）射率越大，双反射、多色性和吸收性现象就越明显。

3.亮线与贝克线

对于透明矿物而言，贝克线是在岩石矿物薄片中，在两种折射率不同的物质接触处，一条比较明亮的细线。晶体光学中，贝克线可用于比较同一光片中两种矿物的折射率，具体方法为：将两矿物的接触线置于视域中心，在适当位置开始，若提升镜筒，贝克线将逐渐向折射率较大的方向移动，下降镜筒，贝克线将逐渐向折射率较低的方向移动。

在矿相学中，相邻矿物的相对硬度也可以通过亮线来确定。但需要指出的是，晶体光学中的贝克线虽然表现为亮线，但其与矿相学中亮线的形成机制截然不同。晶体光学中，贝克线的出现是由于相邻矿物的折射率存在差异。矿相中亮线的形成并非是矿物反射率的差异，而是矿物抗磨硬度上有差异。亮线是指在磨制光片时，由于矿石中连生的各种矿物抗磨程度的差异，被磨损程度不同，从而呈现凸凹不平的现象，在两种硬度不同的矿物连接处将形成斜面，并向软矿物一方倾斜，当垂直入射光射至此斜面上时，必向软矿物一侧发生斜反射，此部分向上斜射光线与软矿物平面的垂直反射光重叠时形成的一条线。亮线可用于比较同一光片中的两种矿物的硬度，具体方法为：将两矿物的接触线置于视域中心，在适当位置开始，若提升镜筒，亮线将逐渐向低硬度矿物移动，下降镜筒，亮线将向高硬度矿物移动。

（二）正交偏光系统

无论是透射偏光显微镜，还是反射偏光显微镜，都装有振动方向分别为左右（PP）和前后（AA）方向的两种偏光镜。当两种偏光镜同时出现使用时，整个光路就构成了一个正交偏光系统。

1.消光现象

对于晶体光学中的透明矿物而言，正交偏光下观察均质矿物或非均质矿物垂直光轴的切面时，由于光波透過均质矿物时不发生双折射现象，从下部起偏光镜发出的偏光经过矿物薄片后，振动方向不发生改变，光线无法继续穿过上偏光镜，此时视域内矿物呈现黑暗的现象，即为消光。而对于非均质矿物，当载物台上矿物光率体的椭圆半径与上、下偏光镜斜交时，下偏光镜透出的光穿过矿物薄片后分解为振动方向相互垂直的两组光。穿过矿物薄片的光继续向上传播，总有一部分光会通过上偏光镜，因而在视域内并不消光。转动载物台一周，会出现四次矿物薄片光率体与下偏光镜平行的情况，此时从薄片中发出的光无法穿过上偏光镜。因此，非均质性矿物薄片转动载物台一周会出现四次消光现象。

与晶体光学中透明矿物的观察一致，矿相学中非均质不透明矿物在正交偏光系统中也会出现四次消光现象，而均质矿物或非均质矿物的均质切面会出现全消光现象。不透明矿物光片正交偏光下产生消光现象的原理与晶体光学中非均质不透明矿物的消光现象的原理也具有可对比性。对于均质不透明矿物，光源射出的单偏光照到矿物表面后发生反射，反射光的振动方向不发生变化，无法继续穿过上偏光镜，因而形成全消光现象。而对于非均质不透明矿物，光源发出的单偏光照到矿物表面反射后，振动方向发生改变，光线可以通过上偏光镜，视域内不消光。反射偏光显微镜中，旋转载物台一周，非均质不透明矿物同样会出现四次消光现象。

除此以外，在晶体光学中，偏光显微镜下观察岩石薄片时，若薄片中含不透明矿物，光线不能穿过。因此，无论是在单偏光下还是正交偏光下观察不透明矿物，视域内都是黑的。同样的，在矿相显微镜中观察透明矿物时，因其反射率极低，无论是在单偏光下还是在正交偏光下，视域内都是黑的。

2.干涉色和偏光色

在晶体光学中，非均质矿物在消光位以外的任何位置，其光率体椭圆长、短半径与上、下偏光振动方向斜交，光线经过薄片后发生分解，分解后的频率相同，在同一平面内振动，且具有固定的光程差。也就是说，分解后的光波就具备了发生干涉的条件，就会发生干涉现象。由于白光中不同波长的光线干涉后增强或减弱后混合而成的颜色称为干涉色。干涉色可以作为鉴定矿物的依据，其与矿物的双反射率、入射光波长和薄片厚度有关。

在矿相学中，与干涉色相近的概念为偏光色。非均质不透明矿物在严格正交偏光下处于45°位置时，会发生非均质旋转色散和非均质椭圆色散现象。此时矿物不仅最明亮，而且在白光中显现出一定的颜色，即为偏光色。偏光色同样可以作为某些矿物的主要鉴定依据，如铜蓝的火橙色偏光色、辉钼矿的蓝灰色偏光色、黑钨矿的黄-灰色偏光色。

3 .消光角与非均质视旋角Ar

晶体光学中，非均质透明矿物的任意切面光率体椭圆半径方向与上下偏光镜平行时会出现消光现象。根据解理缝、双晶缝等与目镜中十字丝的关系，非均质矿物的消光类型可分为：平行消光、对称消光和斜消光三种类型。对于斜消光的矿物，测定其特定晶面上的消光角对于矿物的鉴定具有重要的意义。在偏光显微镜下，测定消光角的方法为测定矿物由解理、双晶缝等与目镜的纵十字丝平行位置至矿物消光位时载物台旋转的度数。

矿相学中，对于正交偏光下的非均质矿物而言，入射平面偏光照到矿物表面以后，分解为两组振动方向相互垂直的平面偏光。由于非均质性矿物在不同的方向上的反射率不同，反射后的两组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动方向。换言之，矿物光面的反射光的振动方向相对于入射光就发生了旋转，旋转的角度就称为非均质视旋角。其测定方法为正交偏光下旋转矿物至消光，然后继续旋转载物台45°，此时矿物最亮（偏光色），然后转动分析镜，分析镜转动的度数即为非均质视旋角。

4.延性和旋性

晶体光学中，对于一向或二向延伸型透明矿物，其延长方向与光率体椭圆半径Ng 平行或夹角小于45°时，称为正延性。延长方向与光率体椭圆半径Np平行或夹角小于45°时，称为负延性。

矿相学中，一个可以对比的概念为旋性。非均质矿物反射平面平光或椭圆偏光的旋转方向即为旋性。当反射后的平面或椭圆偏光向矿物的延长方向或解理、晶轴、双晶结合面等结晶要素旋转时称为正旋性；若向垂直晶体延长的方向（或解理、晶轴、双晶结合面等结晶要素）旋转，称为负旋性。

（三）锥光系统（干涉图与偏光图）

锥光系统主要研究矿物在斜照光下的光学性质。在晶体光学中，非均质矿物的光学性质随方向而异，垂直不同方向入射光波的光率体切面不相同，其长短半径在矿片平面的方位不完全相同。这些不同方向入射光波通过矿片后，到达上偏光镜所发生的消光与干涉效应也不完全相同。因此，锥光镜下所观察的应当是锥形偏光束中，各个不同方向的入射光通过矿片后，到达上偏光镜所产生的消光与干涉效应总和。它们构成的特殊的图像，称为干涉图。利用干涉图可以确定轴性、光性符号和切片方向。均质透明矿物在锥光镜下不能形成干涉图。对非均质不透明矿物而言，一轴晶垂直光轴切片的干涉图由一个黑十字和同心圆干涉圈组成。黑十字中心交点即为一轴晶晶轴的出露点。旋转载物台，干涉图不发生变化；一轴晶斜交光轴的切片中，干涉图由中心不在视域中心的黑十字和不完整的干涉色色圈组成。一轴晶平行光轴的切面，光轴与上下偏光镜振动方向之一平行时，出现一个粗大模糊的黑十字。转动载物台，黑十字沿光轴方向迅速退出，即瞬变干涉图或闪图；二轴晶矿物的对称程度比一轴晶低，所以其干涉图比一轴晶复杂。二轴晶透明矿物根据切面方向不同，可以形成五种类型的干涉图，在此不再赘述。

矿相学中，从高倍镜发出的平面偏光锥形束照到矿物光面时，入射面可以与入射偏光的振动面平行、垂直或者斜交。当入射面与入射偏光的振动方向斜交时，会发生偏光振动面的旋转。除此以外，吸收性强的矿物表面的反射光会产生0或π的周相差而形成椭圆偏光。锥光系统下观察均质不透明矿物时，入射平面偏光除中心一束光垂直于矿物光面外，视域内几乎全为斜射光。因此，视域内会出现黑十字形消光带，四象限为明亮部分。这就是锥光系统下，均质不透明矿物的偏光图。上偏光镜从正交位置稍转一定角度后，分解为双曲线形。非均质矿物处于消光位时，偏光图为一黑十字，转动上偏光镜分解成双曲线。从消光位转动载物台至45°位时，黑十字分解为双曲线消光带。转动载物台一周会出现四次黑十字和四次双曲线。

三、结语

无论是透射光偏光显微镜下透明矿物的鉴定，还是反射偏光显微镜下不透明矿物的鉴定，都是一个复杂、系统的过程，与之相关的两门课程晶体光学和矿相学具有很强的抽象性、逻辑性和实践性。在这两门课程教学和学习的过程中，将两本教材中的概念和现象进行对比，可以使难懂的教学内容变得清晰和简单起来，晦涩的概念、现象及其产生的原理也变得易于理解，学生的理论水平和实践操作能力能够得到很大提高，能为以后专业课的学习打下很好的基础。

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[责任编辑：钟 岚]