3.3. Фотометрические исследования

В конце 20-х годов прошлого столетия французский минералог Ж. Орсель, основываясь на научно-технических достижениях в области электротехники, впервые применил специальную установку для количественного измерения отражательной способности рудных минералов в аншлифах с помощью фотоэлемента. Работа Ж. Орселя «Измерение отражательной способности рудных минералов при помощи фотоэлемента» была переведена с французского И.С. Волынским в 1936 году. Метод Ж. Орселя положил начало новому направлению в минераграфии – количественному определению оптических констант рудных минералов и позволяет определять:

• показатель отражения;

• силу двуотражения (отражательный плеохроизм);

• угол вращения плоскости поляризации падающего света.

Первые модели окулярных фотометров, прилагаемых к рудному

микроскопу, были предложены в середине XX века в Англии А.Ф. Халлимондом и И.С. Волынским в России (прибор ОКФ-1) В 1962 году И.С.Волынский написал руководство «Измерение оптических постоянных рудных минералов с помощью фотометрического окуляра ОКФ-1». Это руководство было издано в Москве в 1963 году.

Фотометрические измерения показателя отражения впервые в нашей стране были проведены с помощью фотометрического окуляра ОКФ-1 в 1956 году И.А. Пудовкиной. Для фотометрических исследова­ний были изготовлены фотометрические приборы: ПМТОС, ЯШМА и другие, а в 60–70 годы был налажен серийный заводской выпуск фо­тометрических приборов, но в производственных геологических орга­низациях они широкого применения не нашли.

В конце прошлого века оптической промышленностью в нашей стране были выпущены микроскопы-спектрофотометры, например, универсальный микроскоп спектрофотометр для видимой области МСФ-10, микроскоп-спектрофотометр МСФП-1 и ультрафиолетовые микроскопы-спектрофотометры МСФУ-10, МСФУ Л-311. Кроме того, используются фотометрические приборы, изготовленные зарубежными фирмами «Оптон» и «Лейтц», которые можно монтировать на универ­сальные микроскопы.

Усовершенствование фотометрической аппаратуры для определе­ния оптических свойств рудных минералов позволило количественно определять спектры отражения и поглощения минералов в аншлифах, дисперсию показателей отражения, цвет и цветной оттенок минералов и таким образом диагностировать минералы по оптическим свойствам. При измерениях используются стандартные образцы-эталоны из высокопреломляющих оптических стёкол и металлического кремния. Для диагностики минералов используются спектры отражения, измеренные в интервале частот видимого света от 1,7 до 3,0 эВ. Вместе с тем, боль­шой интерес для диагностики минералов представляют электронные спектры (области собственного поглощения минералов) и колебатель­ные спектры (спектры остаточных лучей), в которых проявлены интен­сивные полосы отражения, индивидуальные для каждого минерала.

Определение интенсивности отражения при помощи микроскопа-спектрофотометра состоит в сравнении потоков излучения от измеряемого объекта и эталонного объекта. Поток излучения от источника света пролит через оптическую систему на столик микроскопа-спектрофотометра, поочередно устанавливают исследуемый аншлиф и объект-эталон. Изменение ведётся при разных длинах световых волн. После отражения от объекта световой поток попадает на фотокатод ФЭУ, где преображается в электрический ток. Измерение показателя отражения изучаемого объекта (R_{λ об.}) производится в соответствие с формулой:

R_{λ oб.} = [b – с] : [а – с] R_{λ эт.},

где R_{λ об.} – показатель отражения эталона (определяется из паспортных данных),

b – отсчёт по шкале регистрирующего прибора, соответственно ин­тенсивности светового потока, отраженного от изучаемого объекта,

а – отсчёт, полученный по шкале прибора от эталонного объекта,

с – отсчёт, соответствующий интенсивности рассеянного света.

При измерениях следует помнить, что чем ближе показатель отражения сравниваемого объекта к показателю отражения эталона, тем меньше ошибка измерений. В качестве эталонов при низком показателе отражения (до 25 %) применяются оптические стёкла марок KB, K8, СТФ. При высоком показателе отражения изучаемого объекта в качестве эталона применяется металлический кремний. В комплекты микроскопов-спектрофотометров, выпущенных фирмой «Оптон», входят эталоны из чёрного стекла, карборунда и двойного карбида вольфрама и титана. На результаты измерений показателя отражения влияет качество полировки исследуемых шлифов. При ухудшенном качестве полировки длинные волны отражаются лучше, чем короткие, поэтому происходит изменение цвета полированной поверхности в сторону большей длины волны. Измерение показателей отражения анизотропных минералов производится в сростках с изотропными минералами-эталонами. Сначала измеряют показатель отражения анизотропного минерала в положе­нии максимального освещения, а затем – в положении минимального освещения (это контролируется максимальным потемнением и просветлением минералов в скрещенных николях). Для слабо анизотропных минералов измеряют средние статистические значения показателей отражения.

На результаты измерений показателя отражения полупрозрачных минералов существенное влияние оказывают множественные нерегу­лярные отражения от внутренних трещин и сколов в минералах, которые называются «внутренними рефлексами». Фотометрические иссле-вания внутренних рефлексов позволяют приближенно оценить ширину запрещенной зоны, являющуюся константой для определённых твёрдых веществ. Для прозрачных минералов ширина запрещенной зоны равна

3 эВ, для полупрозрачных и непрозрачных минералов – ниже и много ниже указанной величины. По мере снижения указанной величины интенсивность внутренних рефлексов падает, изменяется их окраска, и у непрозрачных минералов внутренние рефлексы исчезают.

В справочных пособиях обычно приводятся усреднённые значения показателей отражения, поскольку на результаты измерения показателей отражения кроме диапазона волн и интенсивности падающего света влияет ещё целый ряд факторов, а именно:

• ориентировка направлений лучей поляризованного света,

• качество полировки аншлифов,

• вариации химического состава исследуемых минералов,

• наличие микровключений других минералов,

• неодинаковая чувствительность разных фотометрических установок.

Количественные фотометрические измерения следует контролировать качественными визуальными наблюдениями минералов под микроскопом с учётом их характерных диагностических свойств.

Спектры отражения минералов выражают характер взаимодей­ствия кристаллической структуры минералов и их оптически активных центров с излучением оптического диапазона электромагнитных волн. Оптически активные центры минералов селективно поглощают опти­ческое излучение. Термин «оптически активный центр» объединяет определённые структурные комбинации ионов, а также электронных и дырочных центров и различных координационных комплексов, обра­зованных разновалентными ионами.

Оптические спектры поглощения минералов можно определить с помощью микроскопов-спектрофотометров МСФП-2, МСФ-10, а также применяя американские модели Сагу-14, Сагу-16 и японские приборы фирмы «Хитачи», которые снабжены специальными приспособлениями для работы в широком спектральном диапазоне электромагнитного излучения и позволяют регистрировать ослабление интенсивности внешнего монохроматического излучения различных длин волн (от ультрафиолетового до инфракрасного), пропускаемых через кристалл.