Metode de studiu mineralografice

Metode de studiu mineralografice

1. Particularitati si proprietati diagnostice ale mineralelor

Analiza elementelor metalice este o munca laborioasa si foarte minutioasa. Aceasta analiza necesita o aparatura speciala. Din punct de vedere al tipurilor de proprietati se disting:

- puterea de reflexie si bireflexie;

- culoarea;

1.Proprietati optice  - anizotropia (izotropia);

- reflexe interne.

- proprietati morfologice;

- magnetism;

2. Proprietati neoptice  - duritate;

- atacul diagnostic.

Proprietati optice

Studiul acesta se face la microscop, analiza purtand numele de calcografie. Particularitati:

se foloseste lumina reflectata (iluminatorul dirijeaza lumina prin obiectiv, catre preparatul lustruit care se numeste slif). Sursa de lumina este tot timpul artificiala;

observatiile se fac in mediu uscat (aer) sau in imersie;

in afara de nicolul polarizor (nicolul este un cristal optic care exista in microscop), microscopul calcografic mai are un nicol analizor, folosit la analiza luminii reflectate. Platina (masuta microscopului) este rotativa, adica mobila;

microscopul polarizor mai cuprinde:

sursa de lumina;

obiective si oculare;

dispozitive anexe (microfotometru, celule fotoelectrice, microdurimetru, oculare de comparatie, aparat de fotografiat, masa de integrare etc.).

a. Putere de reflexive (indice - r) si bireflexia (DR)

Puterea de reflexie a unui mineral reprezinta cantitatea de lumina (hn) care poate fi reflectata de suprafata lustruita a unui mineral opac atunci cand se aplica un fascicul perpendicular, de raze luminoase. Prin urmare:

(3)

unde: I_r = intensitatea luminii reflectate;

I_i = intensitatea luminii incidente.

Pentru mineralele izotrope, coeficientul de reflexie se exprima in functie de indicii de refractie (n) si coeficientul de absorbtie a mineralului reflectator (k) si n +1, indicele de refractie a aerului:

(4)

Functie de valoarea maxima si minima a lui n, rezulta valorile minime si maxime ale mineralului. De aici se poate deduce si bireflexia:

DR = R_max 

sau

DR = R₁ - R₂ 

Coeficientul de reflexie este standardizat pentru fiecare mineral prin trei valori, functie de lumina incidenta (verde, orange, rosie) sau sase valori pentru mineralele cu DR foarte mare. Aceste valori pot fi echivalente pentru toate cele trei tipuri de lumina. Exemplu:

ZnS (blenda): (18 %; 18,5 %; 18,5 %).

Ag: (95 - 98 %).

Puterea de reflexive (coeficientul de reflexie) se masoara cu:

celula fotoelectrica (determinare obiectiva);

microfotometru (determinare subiectiva).

Un cercetator poate ajunge la aprecierea coeficientului de reflexie ochiometric, odata cu timpul si experienta. Pentru inceput se recomanda a fi folosita un coeficient de reflexie a carui valoare este calculata si prin urmare, cunoscuta, pentru a putea obisnui ochiul:

Ex.:  Platina: 70 %; Pirotina: 28 %;

Fier: 44 %; Hematit: 25 %;

Pirita: 53 %; Cromit: 14 %;

Galena: 43 %; Cuart: 4 %.

Aceste valori sunt preluate dintr-o serie recomandata de cercetatorul rus Vahromeev (in Vlad S.). Este de remarcat ca in pleiada de minerale metalice existente, sunt minerale care reprezinta "minerale etalon" in ceea ce priveste puterea de reflexie (ex. galena si blenda).

Bireflexia DR) sau pleocroismul de reflexie poate fi remarcata la un numar mic de minerale:

ex. Molibdenit: R = 31 %, adica  culoarea este alba;

R = 12 %, adica culoarea este cenusiu-alba.

Acest mineral este recunoscut ca fiind un mineral puternic pleocroic.

b. Culoarea

Intr-o definitie sintetica si foarte expresiva, culoarea reprezinta expresia calitativa a luminii reflectata de suprafata lustruita a mineralului. Ea este consecinta absorbtiei selective a luminii de catre mineralele opace. Asa cum bine se stie, lumina alba sau policromatica este rezultatul suprapunerii de radiatii luminoase monocromatice din spectrul vizibil, format din ansamblul tuturor culorilor, de la rosu la violet. Mineralele opace au aceasta proprietate de a reflecta si totodata adsorbi preferential, anumite culori din acest spectru. Suprapunerea culorilor neadsorbite duce la obtinerea culorii unui mineral.

Factorii care influenteaza perceperea culorii sunt:

felul luminii folosite;

compozitia chimica a mineralului;

parageneza mineralului;

gradul de lustruire a mineralului.

Exista o pleiada intreaga de culori pentru minerale din acest punct de vedere:

Ag: culoare cenusiu-albicioasa;

Pirita (FeS₂): culoare galbena etalon (galben de pirita);

Blenda (ZnS): culoare cenusie etc..

La fel de distinct, exista minerale etalon pentru culoarea alba si cenusie:

- alb: galena; - albastru: covelina (CuS);

alb-cenusiu: tetraedrit (Cu,Fe,Zn,Ag)₁₂ (Sb,As)₄;

cenusiu: blenda (ZnS); - galben: calcopirita (CuFeS₂);

cenusiu inchis: cuartul (SiO₂); - galben deschis: pirita (FeS₂);

roz bruniu: bornitul (Cu₅FeS₄) etc..

Exista tabele cu toate mineralele unde sunt trecute toate proprietatile acestora, printre care si coloarea. Evident ca ar lua mult spatiu si timp pentru reproducerea acestora. Pentru inceput este bine de retinut culoarea etalon pentru cele cateva minerale prezentate.

c. Izotropia si anizotropia mineralelor

Pentru inceput iata citeva intrebari la care urmeaza sa se dea raspuns:

Cum se defineste puterea (coeficientul) de reflexie ???

Ce lungime de unda este reflectata??? De aici rezulta culoarea.

Ce fenomen optic se petrece cu lumina reflectata??? De aici rezulta izotropia si anizotropia.

Lumina poate fi polarizata elliptic liniar, circular si planar (lumina polarizata). La mineralele opace nu avem de-a face cu extinctie (la rotirea masutei microscopului) pentru ca ne gasim in prezenta unei lumini liniar polarizate. La mineralele izotrope, propietatea (proprietatile) sunt aceleasi cantitativ, pe toata suprafata si in toate directiile mineralului.

R mic slab iluminate;

Minerale izotrope

R mediu mare T slab iluminate;

R mic 4 pozitii apropiate de extinctie;

+ 4 pozitii de slaba iluminare.

Minerale anizotrope R _{m M} 4 pozitii de slaba luminozitate;

+ 4 pozitii de luminozitate.

Sect. A.O. se obtin extinctii complete (adica lumina reflectata este

liniar polarizata - cazuri foarte rare).

unde: R - puterea de reflexie; R_{m M} - putere de reflexie medie spre mare; Sect. A.O. - sectiune preparata perpendicular pe axul optic al mineralului.

Este extrem de importanta notiunea de culoare de anizotropie. Ea se defineste prin diferenta de intensitate dintre culoarea campului in pozitie de vibratie cu cei doi nicoli, in raport cu intensitatea culorii campului la 45 ⁰. De mentionat ca in acest caz nu se apeleaza la definirea culorii, ci la aprecieri calitative ale anizotropiei: foarte buna, buna, slaba. Aceste calificative pot fi exprimate prin diferenta clara si foarte evidenta dintre intensitatile slabe ale luminii si cele extrem de puternice (ex. negru cu alb; cenusiu cu alb; cenusiu cu cenusiu deschis).

In general mineralele anizotrope sunt mineralele care au:

DR < R 

adica bireflexia este mai mica decat puterea (coeficientul) de reflexie. Exemple: covelina, grafitul, stibina, bismutina, pirita. Tot cu doi nicoli in cruce, pornind de la una din fazele cu extinctie sau luminozitate maxima, se poate calcula unghiul de extinctie a mineralelor. Asupra acestui lucru nu vom insista deoarece el este mai degraba apanajul obiectului de mineralogie.

d. Reflexii interne

Aceste reflexii interne apar datorita faptului ca lumina incidenta se descompune in doua parti distincte: lumina reflectata si lumina absorbita. Un exemplu foarte clar in cazul luminii absorbite este cel al absorbtiei pe plane de minima rezistenta a mineraleleor (ex. planele de clivaj, sparturi). Dupa absorbtie, cand mineralele isi aleg anumite lungimi de unda din spectrul luminii, raman o parte care, nefiind dintre cele "alese", sunt reflectate. In fapt, numai undele de lumina absorbite dau aceste reflexii interne. Prin urmare este evident faptul ca, mineralele cu puterea (coeficientul) de reflexie mare au posibilitati foarte mici de a avea reflexii interne. In general:

R < 18 % , asta inseamna ca reflexiile interne sunt foarte evidente;

R > 41 %, adica aceste minerale nu pot avea reflexii interne.

Culoarea reflexiilor interne este proprie unui sector din granulul de mineral care prezinta clivaj sau spartura. Aceasta culoare apare ca niste "stele pe cer". Reflexiile interne pot fi observate la microscop si cu un singur nicol, daca mineralul este iluminat lateral cu sursa de lumina a acestuia. Iata spre exemplificare cateva minerale cu reflexii interne:

hematit: rosie;

malachit: verde;

lazurit: albastra;

realgar: portocaliu etc..

Mineralele transparente pot prezenta "irizatii", care nu sunt acelasi lucru cu reflexiile interne.

2. Proprietati neoptice

Aceste proprietati nu au nici o legatura cu partea optica a microscopului. Cu alte cuvinte, aceste proprietati sunt cuantificate cu anexe care intra in echipamentul unui microscop.

a. Proprietati morfologice

Aceste proprietati reflecta conditiile genetice si caracterele structurale si texturale. Din punct de vedere al aspectului exterior (conturul), acesta poate fi:

contur idiomorf, reprezinta acel contur in care conditiile genetice nu au impiedicat realizarea concordantei dintre structura interna si forma granulului mineral;

contur hipidiomorf, reprezinta acel contur care reflecta partial structura interna a mineralului;

contur xenomorf, adica acel contur in care conditiile genetice au impiedicat realizarea concordantei dintre structura interna si forma granulului mineral. Cu alte cuvinte, aceste minerale au un contur aiurea, fara fete cristalografice.

Pentru scopuri diagnostice se folosesc de regula numai primele doua notiuni. Pentru aceasta trebuiesc cunoscute sistemul de cristalizare al mineralului si clasa de simetrie aferenta.

Exista cazuri cand si conturul xenomorf poate fi folosit la diagnoza. Acest lucru este posibil atunci cand mineralul prezinta clivaj, macle sau structuri zonare. Exemplu:

- cristalele de galena prezinta adesea pe suprafata lor niste goluri triunghiulare. Aceste goluri apar in urma procesului de lustruire, dupa fetele de cub si prin urmare ele sunt asezate pe clivaje.

In cazul maclelor, acestea sunt specifice pentru fiecare mineral in parte si prin urmare intabelate. Va reamintim ca maclele inseamna concresterea a doi sau mai multi indivizi, apartinand aceleiasi specii minerale, dupa legi bine stabilite.

Ex:  P = macle de presiune litostatica;

T = macle care apar in urma unui polimetamorfism;

p = macle polisintetice;

s = macle simple (Karlsbad);

m = macle mimetice;

e = macle cu indivizi egali in dezvoltare;

f = macle fusiforme.

Structurile zonare pot fi puse in evidenta prin atac chimic. Cazul piritei este cel mai elocvent in care se trece de la structuri cubice la structuri pentagonale si din nou la cubice.

Alte forme particulare de crestere ca indicator diagnostic sunt: forme dendritice, forme scheletice, forme rotunjite, etc..

b. Magnetism

Aceasta proprietate caracterizeaza un numar restrans de minerale. Din acest punct de vedere se deosebesc:

minerale puternic magnetice (pirita, fierul nativ, cubanitul);

minerale slab magnetice (melnicovitul, jacobsitul).

Testarea acestor minerale se face in sectiuni lustruite (slifuri), pe granule. Daca granulele sunt > 1mm, pentru diagnosticare se foloseste acul magnetic. Daca granulele sunt < 1mm, pentru diagnosticare se foloseste un micromagnet (de exemplu urechile unui ac magnetizat).

c. Duritate

Aceasta proprietate comporta trei aspecte:

duritate la zgariere;

duritate la slefuire (polizare);

duritate la apasare (penetrare).

Duritatea la zgariere

Cercetatorul rus Betehtin (in Vlad S.), a propus pentru determinarile microscopice, trei ace:

acul de cupru (d < 3): pentru galena, covelina, molibdenit etc.;

acul de otel (3 < d < 6): pentru calcopirita, blenda, pirotina etc.;

acul de diamant ( d > 6 ): pentru pirita, mispichel, marcasita.

Aceasta metoda este buna, dar are un mare dezavantaj si anume strica suprafata lustruita a slifurilor.

Mai tarziu, cercetatorul Mohs (in Vlad S.) a propus scara care ii poarta numele. Conform acestei scari, exista 10 minerale cu duritate intre 1 si Se considera ca unghia unui om are duritatea pana in 3. Tot ce trece de aceasta unitate, nu mai poate fi perceputa de om. Este evident ca si celelalte minerale sunt incluse in aceasta scara care nu este in progresie aritmetica, ci in progresie geometrica. De exemplu, intre duritatea 2 si 3 exista o sumedenie de minerale cu duritatea 2,01; 2,032,1; 2,11, 2,12..2,98; 2,99; 3. Iata mineralele etalon pentru aceste duritati, incepand de la 1 la 10:

1.talc;

2.gips;

3.calcit;

4.florina;

5.apatit;

6.ortoza;

7.cuart;

8.topaz;

9.corindon;

diamant

Prin urmare, mineralul cu duritatea cea mai mica este talcul si cu duritatea cea mai mare este diamantul.

Duritatea la slefuire (polizare)

Determinarea ei se face in aprecieri semicantitative, folosind un efect optic: franja luminoasa determinata de fenomenul de interferenta a luminii. Aceasta este mai degraba o determinare calitativa. Ea se realizeaza astfel: cu obiectivul microscopului, se poate constata la limita dintre doua minerale cu duritati total diferite, o zona intunecata, sau o zona de intensitate luminoasa mai mare, la doua minerale cu duritati apropiate. La ridicarea tubului microscopic, franja se deplaseaza catre mineralul cu duritate mai mica si invers, imaginea devenind usor neclara.

Duritatea la apasare (penetrare)

Aceasta duritate mai este cunoscuta sub numele de duritate Vikers (V_H), dupa numele cercetatorului Hans Vikers (in Vlad S.). Masurarea se face cu ajutorul unei piramide de Cd, care se monteaza la microscop. Ea se calculeaza la cuplurile de minerale care nu se deosebesc optic, pentru a le diferentia si diagnostica. Exemplu:

Clausthalit - Galena;

Eskebornit - Pirotina.

d. Atacul diagnostic

Aceasta metoda determina schimbari de ordin fizic si chimic asupra sectiunii lustruite. Exista in acest sens mai multe tipuri de atac: chimic (cu reactivi), luminos si electrochimic. Cel mai important este insa atacul chimic. Short (in Vlad S.) a realizat o serie standard de reactivi. Iata-i, in ordinea de la cel mai puternic la cel mai slab reactiv:

HNO₃ - 1-1;

HCl - 1-1;

KOH (40 %) + apa regala (3HCl + HNO₃);

FeCl₃ (20 %);

KCN (20 %);

HgCl (5 %).

Un mineral este supus succesiv la toti reactivii, incepand cu cel mai slab. Se priveste la microscop si in timpul si dupa actiunea reactivului. In picatura de reactiv se produc sau nu schimbari (culoare, efervescenta etc.). Acelasi lucru se poate petrece si in mineral (se inegreste, se corodeaza sau nu se produce nimic). Se studiaza apoi mineralul dupa indepartarea picaturii de reactiv (aparitia unui precipitat, corodare sau nimic). Daca se petrece ceva, inseamna ca a existat un atac pozitiv. In caz contrar atacul este negativ. Aceasta metoda are un mare dezavantaj prin faptul ca mineralul supus unui astfel de atac poate fi distrus ai odata cu el sliful din care face parte.

Observatii practice:

Microscopice

reflexia si birefringenta;

culoarea;

izotropia si anizotropia;

reflexii interne.

Macroscopice

Se determina ochiometric sau cu anexele microscopului:

proprietatile morfologice;

magnetismul;

duritatea;

atacul diagnostic.