MIKROSKOPIE 1. Unterlagen zur Lehrveranstaltung

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1 MIKROSKOPIE 1 Unterlagen zur Lehrveranstaltung Stand: SS 2006 Zusammengestellt von ao.univ.prof. Dr. J.G. Raith

2 DURCHLICHTMIKROSKOPIE Ziele der Lehrveranstaltung Bestimmen der wichtigsten gesteinsbildenden Minerale im Durchlichtmikroskop Beschreibung und Dokumentation von Gefüge- und Texturbeziehungen im Mikrobereich Erlernen der Methodik des Mikroskopierens Vertiefen der Kenntnisse in Mineraloptik Das Mikroskopieren ist eine der wichtigsten Arbeitsmethoden der Geowissenschaften und Sie werden die in diesem Kurs vermittelten Grundkenntnisse noch in vielen anderen Lehrveranstaltungen und wahrscheinlich auch nachher in ihrem Beruf brauchen! Das Polarisationsmikroskop In der Mineralogie verwendete Durchlichtmikroskope zeichnen sich dadurch aus, daß mit ihnen nicht nur Präparate (z.b. Mineralkörner eines Dünnschliffes) unter starker Vergrößerung betrachtet werden können. Durch die Verwendung von polarisiertem Licht und der Möglichkeit Minerale unter gekreuzten Polarisatoren zu studieren, eröffnen sich viele Möglichkeiten verschiedene optische Eigenschaften von Mineralen zu bestimmen. Diese Eigenschaften erlauben oft eine eindeutige Mineraldiagnose mit relativ einfachen Mitteln. Wesentliche Information zum Gefüge von Gesteinen ist oft nur mikroskopisch zu erhalten (z.b. feinkörnige Vulkanite). Bei der Durchlichtmikroskopie wird üblicherweise mit "weißem", linear polarisiertem Licht gearbeitet, das mit Hilfe von Polarisationsfiltern erzeugt wird. Frischen Sie Ihre Kenntnisse in Physik auf! Schlagworte: Wellentheorie des Lichtes nach der Theorie von Maxwell; Licht als elektromagnetische Welle sichtbare Wellenlänge des Lichtes: weißes Licht ( nm), monochromates Licht: bestimmte Wellenlänge (z.b. blau 450 nm, grün 550 nm, rot 700 nm) normales Licht, linear polarisiertes, zirkular und elliptisch polarisiertes Licht J.G. Raith 2

3 Lichttheorien A. Wellentheorie C. Huygens ( ): Begründer der Wellenlehre; Huygenssches Prinzip J. Maxwell ( ): Theorie des Lichts als elektromagnetische Welle B. TEILCHENTHEORIE I. Newton ( ): Begründer der Korpuskular- oder Teilchentheorie M. Planck ( ): Quantentheorie Ad. A. Elektromagnetische Welle besteht aus zwei senkrecht aufeinander schwingenden Sinuswellenzügen. Der Ausschlag (= Amplitude) entspricht der elektrischen bzw. magnetischen Feldstärke Die beiden Wellen schwingen in Phase Gewöhnlich wird nur die elektrische Komponente betrachtet. Bezeichnungen: Wellenlänge λ = kürzester Abstand von zwei Punkten im gleichen Schwingungszustand Schwingungsdauer T = Zeit in der eine Schwingung ausgeführt wird Frequenz ν = Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit; Anzahl pro s = Hertz (Hz) Wellengeschwindigkeit; abhängig vom Medium! ; im Vakuum c = * 10 8 ms -1 c/λ = ν = 1/T Wellentheorie ist besonders geeignet zur Erklärung von Interferenz Polarisation J.G. Raith 3

4 Abb Wellentheorie des Lichts J.G. Raith 4

5 Einige Bemerkungen zum Mikroskopieren Vor dem Beginn des eigentlichen Mikroskopierens sollten Sie die Bestandteile eines Mikroskops kennen. Übung: Benennen Sie die wichtigsten Teile des Durchlichtmikroskops (Olympus BX40) in Abb Prägen Sie sich die Namen der wichtigsten Bestandteile ein! 1. Nachdem Sie die Lichtquelle des Mikroskops eingeschaltet haben, prüfen Sie, ob die Kondensor-Hilfslinse und die Bertrand-Amici Linse ausgeklappt sind. Diese werden nur beim konoskopischen Strahlengang ("Achsenbild") verwendet. 2. Öffnen Sie die Kondensor-Aperturblende. 3. Klappen Sie den Analysator aus. Bei eingeklapptem Analysator (gekreuzte Polarisationsfilter) bleibt das Gesichtsfeld, wenn sie kein Präparat auf dem Objekttisch liegen haben, dunkel! Dann sind die Pol. Filter exakt 90 gekreuzt. 4. Nachdem Sie einen Dünnschliff auf dem Objekttisch postiert haben mit der richtigen Seite, also mit dem Deckglas nach oben! überprüfen Sie, ob die Objektive zentriert sind. Falls erforderlich zentrieren sie diese bzw. den Objekttisch, nachdem ein Betreuer Sie diesbezüglich eingewiesen hat. Dies ist vor allem bei den Objektiven mit stärkerer Vergrößerung nötig (z.b. Erstellung eines Achsenbild). Zum Wechsel der Objektive nicht am Objektivrevolver-Ring drehen (Gefahr des Dezentrierens!) Das mikroskopische Präparat - Der Dünnschliff Die meisten gesteinsbildenden Minerale sind bei einer Dicke von <30µm durchsichtig und können im Durchlicht untersucht werden (=Durchlichtmikroskopie). Solche die es nicht sind, wie z.b. viele Erze, werden als opak bezeichnet. Sie können nicht im Durchlicht, sondern nur im Auflicht untersucht werden (=Auflichtmikroskopie). Das Präparat wird auf einen Glasträger (Standardgröße 4.5 x 2,7 cm) aufgeklebt (mit Zweikomponentenkleber, Kanadabalsam, Araldit etc.), durch Schleifen (diverse Schleifmittel, wie Korund, Diamant) auf eine Dicke von ca µm gebracht und schließlich mit einem sehr dünnen Glasplättchen (Deckglas) abgedeckt. Die praktische Herstellung eines Dünnschliffes erlernen Sie in den Geowissenschaftlichen Arbeitsmethoden. Abb Schema eines Dünnschliffs J.G. Raith 5

6 LV Mikroskopie 1 Das Olympus BX40 Polarisationsmikroskop Abb Olympus BX 40 Polarisationsmikroskop J.G. Raith 6

7 Welche Eigenschaften bzw. Parameter können zur Bestimmung verwendet werden? Morphologische Angaben 1) Umgrenzung von Kornschnitten 2) Proportionen von Kornschnitten und Raumgestalt 3) Zwillinge 4) Spaltbarkeit 5) Zonarstrukturen, Einschlüsse Optische Parameter 1) Höhe der Lichtbrechung (Brechungsindices, Relief) 2) Eigenfarbe, Pleochroismus 3) Optische Isotropie bzw. Anisotropie 4) Interferenzfarben und Doppelbrechung 5) Lage und Bezeichnung der Schwingungsrichtungen 6) Optischer Charakter (einachsig - zweiachsig, positiv - negativ) 7) Achsenwinkel 8) Dispersion der Achsen und der Lagen Beziehungen zwischen optischen und morphologischen Eigenschaften 1) Auslöschungsschiefe 2) Lage der optischen Achsen und Achsenebene 3) Zonencharakter Nur Mut! Wir besprechen diese Begriffe während der nächsten Kurse. Am Ende des Praktikums werden Sie wissen, was sie bedeuten und wie Sie Beobachtungen dazu systematisch machen und dokumentieren! J.G. Raith 7

8 Durchsichtige - undurchsichtige (= opake) Minerale Undurchsichtige = opake Minerale: sind auch bei geringer Dicke im Dünnschliff undurchsichtig Untersuchung mittels Auflichtmikroskopie, Erzmikroskopie Durchsichtige Minerale: im Dünschliff durchsichtig Untersuchung mittels Durchlichtmikroskopie 1. optisch isotrope Kristalle 2. optisch anisotrope Kristalle Erkennen von Isotropie - Anisotropie In Abhängigkeit von der Gitterstruktur eines Minerals liegt bei vielen Kristallen eine Richtungsabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes vor (optische Anisotropie!). Es lassen sich zwei normal aufeinander schwingende Teilstahlen unterscheiden, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortpflanzen. Ein schnellerer (=mit niedrigere Lichtbrechung n α ), und ein langsamerer (=höherere Lichtbrechung n γ ). Isotrope Medien (z.b. Gläser, kubische Minerale wie etwa Granat) zeigen keine richtungsabhängige Ausbreitung des Lichtes. Diagnose: Bei gekreuzten Polarisationsfiltern bleiben isotrope Kristalle dunkel. Anisotrope zeigen 4x Dunkel- und 4x maximale Aufhellungsstellung! Dunkelstellung bei 0, 90, 270, 360, Hellstellung bei 45, 135, 225, 315. Strahlengang im Mikroskop Das Köhler sche Beleuchtungsverfahren ermöglicht die Betrachtung des Minerals unter zwei verschiedenen Gesichtspunkten. Orthoskopische Abbildung: ermöglicht vor allem die Strukturanalyse des Dünnschliffs. Konoskopische Abbildung: ermöglicht die Analyse der Lichtwellen in verschiedenen Richtungen des einzelnen Minerals; v.a. Achsenbilder und Bestimmung des optischen Charakters. J.G. Raith 8

9 BEOBACHTUNGEN MIT EINFACH LINEAR POLARISIERTEM LICHT A. Morphologische Eigenschaften Umgrenzungen von Kornschnitten Zur Beschreibung, inwieweit kristallographische Flächen an einem Mineralkorn ausgebildet sind, werden die Begriffe idiomorph, hypidiomorph und xenomorph verwendet (Abb. 1.4.). idiomorph (euhedral): alle beobachtbaren Grenzflächen sind gerade Flächen hypidiomorph (subhedral): nur ein Teil der Grenzflächen ist schön ausgebildet xenomorph (anhedral): keine ausgebildeten Grenzflächen erkennbar Abb Kornumrisse bei Schnitt durch a ein idiomorph, b ein hydpidiomorph und c ein xenomorph ausgebildetes Mineralkorn Kornschnitte und Raumgestalt Die räumliche Ausbildung eines Minerals ergibt sich aus den Proportionen der verschiedenen Korndurchschnitte einer Mineralart. 1. Isometrische (äquidimensionale) Ausbildung: Flächenausdehnung nach allen Richtungen annähernd gleich; z.b. alle kubischen Kristalle. 2. Anisometrische (nicht äquidimensionale) Ausbildung: Flächenausdehnung richtungsabhängig verschieden; z.b. lang gestreckte, prismatische Kristalle; nichtkubische Kristalle. J.G. Raith 9

10 Abb Schnittlagen durch Kristalle verschiedener Kristallsysteme (aus Puhan, 1994) Mit etwas Erfahrung kann aus mehreren Schnittlagen eines Minerals auf das Kristallsystem geschlossen werden. Man beachte, daß im Mikroskop immer ein zweidimensionales Bild beobachtet wird, während sich ein Kristallsystem auf ein dreidimensionalen Körper (eigentlich dessen Achsenkreuz etc.) bezieht. Daher immer mehrere Schnittlagen einer Mineralart, aber auch andere Kriterien, wie die Auslöschungsschiefe, in Betracht ziehen! J.G. Raith 10

11 B. Spaltbarkeit Spaltbarkeit ist die gitterbedingte "Neigung" von Mineralen sich bei mechanischer Einwirkung entlang bestimmter kristallographischer Flächen aufzuspalten. Es entsteht meist eine Schar paralleler Spaltrisse. Ein Mineral kann Spaltbarkeit nach einer Richtung bzw. nach mehreren Richtungen zeigen. Die Qualität der Spaltbarkeit kann folgendermaßen beschrieben werden: sehr vollkommen (vv) vollkommen (v) gut (g) deutlich (d) schlecht (schl) Bei mehreren vorhandenen Spaltrichtungen kann auch der Winkel den die Spaltflächen einschließen gemessen und angegeben werden. Dieser Winkel ist z.t. diagnostisch für bestimmte Mineralgruppen (z.b. Unterscheidung von Amphibolen - Pyroxenen!). Abb Erklärung der Spaltbarkeit an Pyroxenen und Amphibolen J.G. Raith 11

12 C. Lichtbrechung Lichtbrechung in optisch isotropen Medien Das Brechungsgesetz nach Snellius (1615) Bitte Bezeichnungen in der Skizze vervollständigen! Abb Huygensches Konstruktionsprinzip des Brechungsgesetzes beim Übergang zwischen zwei isotropen Medien Relief und Chagrin Eine erste Abschätzung der Lichtbrechung erfolgt auch über die Beobachtung des Relief s bzw. des Chagrins. Ein farbloses Mineral tritt in seinem Erscheinungsbild umso stärker aus der Umgebung anderer Mineralkörner hervor, je mehr sich sein Brechungsindex (n) von jenem der Umgebungsminerale unterscheidet. Minerale mit wesentlich höherem n treten scheinbar positiv, solche mit niedrigerem n negativ hervor. Dies wird als positives bzw. negatives Relief bezeichnet. Chagrin beschreibt eine beobachtbare "unregelmäßige" Internstruktur an Mineralkörnern mit hoher Lichtbrechung, die umso deutlicher wird je höher n ist. Sie kommt durch diffuse Reflexion, Beugung etc. an Unebenheiten der Schliffober- und -unterseite (feine Ausbrüche, Risse) zustande. Ein Mineral das durch hohes Relief und Chagrin gekennzeichnet ist, wäre z.b. Granat. J.G. Raith 12

13 Becke Lichtline Beim praktischen Mikroskopieren reicht zumeist die Bestimmung der relativen Lichtbrechungsunterschiede zweier aneinander angrenzender Minerale aus. Die einfachste Methode die relative Lichtbrechungsunterschiede zu bestimmen ist mittels der Becke- Lichtlinie. Vorgangsweise zur Bestimmung der Becke-Lichtlinie - Wählen Sie einen geeigneten Kornkontakt aus - Prüfen Sie, ob der Analysator ausgeklappt ist - Wählen Sie eine mittlere Vergrößerung (z.b. Objektiv 20 od. 25) - Fokussieren Sie das zu untersuchende Korn - Schließen Sie die Aperturblende an der Kondensoreinheit (das Relief des Kornes wird dadurch noch deutlicher hervorgehoben) - Defokussieren und fokussieren Sie das Korn mehrfach durch rasches Drehen am Feintrieb. Sie sollten dabei eine zarte wandernde Lichtlinie an der Korngrenze sehen. - Wenn sie den Abstand zwischen Tisch und Objektiv vergrößern, indem sie den Tisch senken, wandert diese Linie in das Korn mit der höheren Lichtbrechung! Abb Lage der Becke Linie bei etwas angehobener Fokussierebene des Mikroskopobjektivs. Das obere Korn ist höher lichtbrechend als die Umgebung. Die Lichtlinie liegt am inneren Rand des Korns. Beim unteren Korn liegt die Lichtlinie außen und zeigt, daß die Umgebung höher lichtbrechend ist Immersionsmethoden Die genaue Bestimmung der Größe des/der Brechungsindizes erfolgt indirekt durch Einbettungs- (Immersions-) methoden. Hierzu wird die Brechung der Umgebung des Körpers im Vergleich mit Flüssigkeiten genau bekannter Lichtbrechung durch sukzessives Angleichen ermittelt. Die Lichtbrechung der Flüssigkeit wird schließlich mit Refraktometern (Jelley- oder Abbe-Refraktometer) bestimmt. J.G. Raith 13

14 D. Eigenfarbe und Pleochroismus Im Durchlichtmikroskop können nur Minerale, die bei einer Dicke von ca µm durchsichtig sind, untersucht werden. Dies sind z.b. die meisten Silikate, Karbonate. Minerale, die auch bei so geringer Dicke undurchsichtig sind, werden als opake Minerale bezeichnet. Dies sind sehr häufig Erzminerale (Sulfide, viele Oxide), aber auch Graphit und andere feste organische Verbindungen ( kohlige Substanz ). Opake Phasen können nur im Auflichtmikroskop näher bestimmt werden. Bei durchsichtigen Mineralen sind bei einfach polarisiertem Licht (//N) farblose von Mineralen mit Eigenfarbe zu unterscheiden. Eigenfarbe ist eine Folge von Absorption bestimmter Wellenlängen des Lichts in einem Kristallgitter. Isotrope (kubische)kristalle: Keine Richtungsabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. der Absorption von Lichtwellen im Gitter. Immer farblos oder nur eine Farbe beobachtbar; keine Änderung! Anisotrope (nicht kubische) Kristalle: Richtungsabhängige Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtwellen bzw. der Absorption im Gitter. Daher unterschiedliche Eigenfarbe in verschiedenen Richtungen beobachtbar = Pleochroismus. Erkennbar beim Drehen des Tisches am Mikroskop bei //N. Dichroismus: zweifarbig; alle Wirtelkristalle (tetragonal, hexagonal, trigonal.) Trichroismus: dreifärbig; alle niedrig symmetrischen Kristalle (rhombisch, monoklin, triklin) Für die praktische Arbeit ist es wesentlich die Farbe des Pleochroismus einer Schwingungsrichtung zuzuordnen (siehe Praktikum 2). J.G. Raith 14

15 Empfohlene Literatur zum Nachlesen und Nachschlagen Deer W. A., Howie R. A. and Zussmann J. (1992): An introduction to the rock-forming minerals. Hong Kong (Longman). 2 nd edition, 696 p. Gribble C. D. and Hall A.J. (1992) A practical introduction to optical mineralogy. London, (Chapman & Hall), 249 p. Müller G. und Raith M. (1973): Methoden der Dünnschliffmikroskopie. Clausthaler Tektonische Hefte, 14, 131 p. MacKenzie W. S. und Guilford C. (1980): Atlas gesteinsbildender Minerale in Dünnschliffen. Stuttgart (Enke), 97 p. Nesse, W.D. (1991): Introduction to Optical Mineralogy. 2nd edition. Oxford Press,335 p. Pichler H. und Schmitt-Riegraf C. (1987). Gesteinsbildende Minerale im Dünnschliff. Stuttgart (Enke), 230 p. Puhan D. (1994). Anleitung zur Dünnschliffmikroskopie. Stuttgart (Enke), 172 p. Tröger W. (1982): Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale. Teil 1 und 2. Stuttgart (Schweitzerbart) J.G. Raith 15