To nie dzieło abstrakcjonisty zażywającego pejotl. Gorzej! To codzienność petrografa… Na fotografii jedna z odmian amfibolitu z kopalni w Piławie Górnej widziana za pomocą mikroskopu petrograficznego w świetle podwójnie spolaryzowanym i z użyciem kompensatora ćwierćfalowego…
Życie geologa to nie tylko wypady w teren, młotek, plecak obciążony gruzem, półki ozdobione najwyższej jakości okazami minerałów czy skamieniałości. Są jeszcze kleszcze… A oprócz kleszczy na profesjonalnego geologa czekają dodatkowo długie godziny, a nierzadko dni, żmudnego przygotowywania próbek do badań. A to nie miód. Na szczęście i w laboratorium zdarzają się wspaniałe chwile i wzruszenia, jak choćby wtedy, gdy po uzbrojeniu się w odpowiednie oprzyrządowanie dane nam jest podziwiać skały i minerały w mikroskali. Tak więc tym razem chcielibyśmy zaproponować pewną odmianę na naszym blogu i spojrzeć na pracę geologa “od kuchni”, prezentując jedno z podstawowych narzędzi badawczych – petrograficzny mikroskop polaryzacyjny. A przy tej okazji kilka sudeckich i pozasudeckich skał zaprezentuje się od mniej znanej, ale jakże finezyjnej strony…
Na początek kilka słów o samej metodzie badawczej. Otóż mikroskop polaryzacyjny jest jednym z podstawowych narzędzi, bez którego nie funkcjonowałoby żadne współczesnej laboratorium petrologiczne czy mineralogiczne. W przeciwieństwie do uproszczonego, makroskopowego rozpoznania skał, metoda mikroskopowa daje możliwość jednoznacznej identyfikacji składników mineralnych i dość precyzyjnego określenia ich zawartości w skale. To z kolei ułatwia prawidłowe jej zaklasyfikowanie. Poza tym mikroskop sprawia również, że nawet te z pozoru nieciekawe i niezbyt barwne kamole odsłaniają przed nami swoje piękno, a to już stanowi dodatkową wartość dla obserwatora…
Gnejs amfibolowy z Gór Sowich (okolice Bielawy – osiedla Nowa Bielawa). Zdjęcie wykonane przy skrzyżowanych polaryzatorach. Na ujęciu widoczne są głównie kryształy hornblendy (należącej do grupy amfiboli) – mają niebieskie, niebieskozielone i fioletowawe barwy interferencyjne oraz dobrze widoczne płaszczyzny łupliwości. Jasnobrązowy minerał w lewej części to biotyt.
Mikroskop polaryzacyjny został wprowadzony do geologii w połowie XIX wieku za sprawą wybitnego angielskiego petrografa i metaloznawcy Henry’ego Cliftona Sorby’ego. To właśnie on dał podwaliny mikroskopowego opisu minerałów na podstawie ich cech optycznych w świetle przechodzącym spolaryzowanym. Szacunek dla dzieła żywota jego! Zastosowanie tej techniki było prawdziwym przełomem w naukach o Ziemi. Zaczęto uzyskiwać cenne informacje dotyczące składu mineralnego skał, ich wewnętrznej struktury i relacji przestrzennych między poszczególnymi składnikami. Rzucało to zupełnie nowe światło na genezę skał i przemiany, jakim one w swojej historii ulegały. Do dzisiaj mikroskop polaryzacyjny nie stracił na znaczeniu, mimo powstania bardziej wyrafinowanych urządzeń analitycznych. Podstawy tej metody niewiele się od czasów Sorby’ego zmieniły, choć dzisiejsze mikroskopy ze swoją świetną optyką, apochromatycznymi obiektywami, filtrami, podwyższonym kontrastem obrazu, kamerami cyfrowymi, oprogramowaniem komputerowym tudzież innymi cudami mają się tak do swych dziewiętnastowiecznych antenatów, jak wahadłowiec do latawca.
Petrograficzny mikroskop polaryzacyjny. Współczesne urządzenia standardowo wyposażone są w kamerę cyfrową oraz specjalistyczne oprogramowanie wspomagające pracę geologa.
Obserwacje mikroskopowe skał wymagają przygotowania odpowiednich preparatów, zwanych płytkami cienkimi. I rzeczywiście są one cienkie. Plastry skały nalepione na szkiełka za pomocą żywicy epoksydowej (bezbarwnej i o współczynniku załamania światła zbliżonym do szkła) mają grubość 20-30 mikrometrów, co zapewnia swobodne przenikanie przez preparat światła i prawidłowe rozpoznawanie cech optycznych składników mineralnych. Kontrola grubości preparatu podczas szlifowania jest więc niezwykle ważna. Na szczęście dzisiejsze urządzenia do przygotowywania płytek cienkich są dość precyzyjne, dzięki czemu cały proces nie jest bardzo czasochłonny, ale wymaga staranności. Nieodpowiednia grubość może zafałszować obserwacje, modyfikując niektóre cechy optyczne minerałów. Pamiętać należy także o tym, że często pracuje się na mocno ograniczonej ilości próbek skał. A strata cennego materiału może w badaczu obudzić uśpionego dotąd robaka szaleństwa…
Płytki cienkie ze skał gotowe do obserwacji w świetle przechodzącym spolaryzowanym…
A czym szczególnym wyróżnia się taki mikroskop polaryzacyjny? Czas na szczyptę fizyki. Kto nie czuje się na siłach, może ten akapit odpuścić ;-). Każdy z nas zapewne miał do czynienia, choćby na lekcjach biologii, ze zwykłym mikroskopem optycznym. Mikroskop petrograficzny na pierwszy rzut oka wygląda podobnie, wymaga jednak wykorzystania światła spolaryzowanego, czyli takiego, którego fale drgają w określonym kierunku. Dlatego też w tego typu urządzeniach dodatkowo zamontowano filtry polaryzacyjne. Płaszczyzny polaryzacji w obu filtrach różnią się o 90o. Pierwszy polaryzator zamontowany jest na stałe między źródłem światła a preparatem, a drugi, zwany analizatorem, znajduje się między obiektywem a okularem i w zależności od potrzeb analitycznych możemy go użyć lub nie. Oprócz polaryzatorów większość mikroskopów petrograficznych standardowo ma jeszcze w tzw. płytki pomocnicze (kompensatory), zwyczajowo nazywane gipsówką i ćwierćfalówką, służące do m.in. do określania kierunku drgań światła spolaryzowanego i oznaczania tzw. charakteru optycznego minerału. Generalna zasada działania mikroskopu polaryzacyjnego opiera się na zjawisku dwójłomności, tzn. zdolności niektórych substancji do podwójnego załamania światła.
Czym różnią się obrazy zarejestrowane przy użyciu jednego bądź dwóch polaryzatorów oraz kompensatorów, można zobaczyć na poniższym zestawieniu fotografii tej samej próbki:
Piribolit z Bystrzycy Górnej, Góry Sowie. Ta sama skała w trzech odsłonach: 1) przy jednym polaryzatorze, 2) przy skrzyżowanych polaryzatorach oraz 3) przy skrzyżowanych polaryzatorach i dodatkowo z użyciem płytki kompensującej ćwierćfalowej. W składzie widać pirokseny, granaty i trochę amfiboli.
No dobrze, ale wyjaśnijmy w końcu na jakie to cechy optyczne minerałów zwraca uwagę szczęśliwiec, który ma już gotowe i niezepsute preparaty? Są to takie właściwości jak: barwa własna, pleochroizm (zmiana barwy niektórych kryształów w czasie obrotu stolika mikroskopu), sposób wygaszania światła, relief (wrażenie wypukłości lub wklęsłości minerału względem żywicy). Najbardziej efektowna jest obserwacja skały w świetle podwójnie spolaryzowanym, czyli przy użyciu obu polaryzatorów (mówimy wówczas, że są one skrzyżowane). Skały potrafią wtedy naprawdę zaskoczyć i zachwycić swoim pięknem. W kryształach niektórych minerałów ujawniają się ciekawe systemy zbliźniaczeń bądź charakterystyczna budowa pasowa. Największy zachwyt wzbudzają jednak barwy interferencyjne – jedna z najważniejszych cech diagnostycznych minerałów (chociaż nie wszystkich; cecha ta nie dotyczy tzw. minerałów optycznie izotropowych, np. granatów, oraz nieprzezroczystych, takich jak siarczki czy tlenki żelaza).
Metagabro z Braszowic koło Ząbkowic Śląskich. Obserwacja przy skrzyżowanych polaryzatorach daje możliwość podziwiania feerii barw interferencyjnych amfiboli.
Amfibolity z Gór Sowich to dzieła sztuki. Oczywiście wszystko za sprawą barw interferencyjnych ich głównego składnika – hornblendy
Szczególnie atrakcyjnie prezentują się skały, gdy oprócz obu polaryzatorów dodatkowo zastosujemy wcześniej już wspomniane płytki pomocnicze. Wówczas w minerałach o tzw. niskich barwach interferencyjnych, np. szarych czy białych, dochodzi do podwyższenia tychże barw, które stają się bardziej wyraziste, np. różowe czy niebieskie. Zobrazujmy to jeszcze raz, tym razem na przykładzie gnejsu z Doboszowic koło Kamieńca Ząbkowickiego:
Gnejs z Doboszowic. Górne zdjęcie wykonane przy skrzyżowanych polaryzatorach. Minerały o szarawych barwach interferencyjnych to skalenie i kwarc. Smużyste skupienia tworzą biotyt (brązowy) oraz muskowit (żółto-różowy). Na dolnej fotografii ta sama próbka, ale widziana przy użyciu kompensatora ćwierćfalowego.
Wspomnieliśmy, że stosując skrzyżowane polaryzatory, możemy dostrzec tzw. zbliźniaczenia w minerałach, czyli specyficzny rodzaj zrostów kryształów tego samego minerału. Dobrym przykładem są tu skalenie. W plagioklazach (skaleniach sodowo-wapniowych) spotkamy się ze zbliźniaczeniami wielokrotnymi, ujawniającymi się jako charakterystyczna równoległe pasy. Nierzadko jednak możemy także zetknąć się ze zbliźniaczeniami wielokrotnymi w dwóch kierunkach, czego przykładem jest tzw. kratka mikroklinowa (mikroklin to odmiana skalenia potasowego, popularnego choćby w granitach). Zbliźniaczenia dotyczą jednak również i innych minerałów, np. takich jak augit (minerał z grupy piroksenów, spotykany m.in. w bazaltach). Generalnie można uznać tego typu zrosty za cechę ułatwiającą identyfikację niektórych składników mineralnych w badanych skałach.
Zbliźniaczenie wielokrotne plagioklazu w metagabrze z Braszowic koło Ząbkowic Śl. (skrzyżowane polaryzatory)
Kratka mikroklinowa w skaleniu potasowym z granitu strzegomskiego (skrzyżowane polaryzatory)
Prakryształ augitu o pasowych zbliźniaczeniach, tkwiący w nefelinicie z Janowiczek koło Strzelina (skrzyżowane polaryzatory)
Pozostańmy jeszcze przez chwilę przy budowie wewnętrznej minerałów. Niezwykle fotogenicznym zjawiskiem jest budowa zonalna (pasowa) niektórych kryształów. Oczywiście tę cechę doceniają nie tylko żądni intensywnych bodźców wizualnych geolodzy-esteci. Przede wszystkim bowiem taka złożona, pasowa budowa kryształów danego minerału niesie ze sobą wiele informacji na temat samej skały, np. w jakich warunkach krystalizował stop magmowy lub jak wygląda historia metamorfizmu. Dość istotne jest przy tym, że poszczególne “pasy” w krysztale różnią się nieco składem chemicznym, determinowanym właśnie przez warunki krystalizacji (zawartość interesujących nas pierwiastków bada się jednak już innymi metodami). Najpowszechniejszym przykładem takich minerałów są plagioklazy, ale dotyczy to również niektórych piroksenów, amfiboli, turmalinów i wielu innych.
Kryształy plagioklazu o widocznej budowie zonalnej w ryolicie z okolic Krzeszowic w Małopolsce. Skrzyżowane polaryzatory.
Niezwykle interesujący pod tym względem jest cyrkon – minerał szalenie lubiany przez petrografów i często po prostu dla nich konieczny, zwłaszcza gdy pragną za jego pomocą określić wiek bezwzględny skały. Kształt oraz wewnętrzna budowa kryształów cyrkonu to bardzo istotna podpowiedź co do historii geologicznej danej skały. Cyrkony są minerałami bardzo odpornymi na niszczenie. Mogą w ciągu milionów, a nawet miliardów lat przechodzić z jednej skały do drugiej. Bywa więc i tak, że wewnętrzne jądro takich cyrkonów jest znacznie starsze niż jego bardziej zewnętrzne warstwy, nadbudowane w trakcie długich procesów geologicznych.
Kryształ cyrkonu o budowie pasowej w granicie strzegomskim (skrzyżowane polaryzatory)
Minerały w skałach ulegają różnorodnym wtórnym zmianom, powodującym ich rozpad i krystalizację zupełnie nowych faz. Przeobrażenia takie najczęściej zachodzą wskutek wietrzenia. Często również są następstwem oddziaływania pomagmowych czy hydrotermalnych roztworów migrujących we wcześniej powstałych skałach. Dobrym przykładem będzie tu oliwin – ważne minerały skałotwórcze, będące krzemianami żelaza i magnezu. W Polsce najczęściej spotkamy je w pospolitych bazaltach, gdzie łatwo je dostrzec makroskopowo. Występują w formie zielonych lub zielonobrązowych prakryształów (zdecydowanie większych od składników skrytokrystalicznego tła skalnego) lub jako tzw. bomby oliwinowe. Oliwiny jednak, mówiąc eufemistycznie, nie należą do czołówki najodporniejszych na wietrzenie minerałów. Dość łatwo ulegają przeobrażeniu w bowlingit – zielonkawą mieszaninę minerałów ilastych, takich jak serpentyny, saponit czy chloryt. Nierzadko spotkamy się również z inną formą wietrzeniowego przeobrażenia oliwinu w postaci tzw. iddingsytu, czyli mieszaniny goethytu (wodorotlenku żelaza) i chlorytu, przyjmującej barwę brązową. Oba zjawiska doskonale da się zaobserwować również pod mikroskopem.
Częściowo ziddingsytyzowany (ale łamaniec!) kryształ oliwinu w bazalcie z Męcinki koło Jawora. Iddingsyt jest mieszaniną wodorotlenków żelaza i chlorytu. Na zdjęciu widać go w postaci brązowej obwódki. Skrzyżowane polaryzatory
Napomknęliśmy wyżej o wtórnych przeobrażeniach minerałów pod wpływem roztworów hydrotermalnych. Ciekawym i jednocześnie fotogenicznym przykładem jest zjawisko serycytyzacji, czyli zastąpienia plagioklazu przez serycyt (drobnołuseczkową odmianę muskowitu). Proces taki dość dobrze można udokumentować np. w granitach z okolic Strzegomia.
Granit strzegomski. W centrum plagioklaz z widocznymi zbliźniaczeniami wielokrotnymi częściowo przekształcony w drobnołuseczkowy muskowit (serycyt) o niebiesko-żółto-różowych barwach interferencyjnych. Skrzyżowane polaryzatory
Wspominając o przekształceniach minerałów, nie wolno zapomnieć o najważniejszej przyczynie takich zjawisk, czyli metamorfizmie. To niezwykle istotny z geologicznego punktu widzenia i różnorodny zespół procesów prowadzący do przemiany skał i minerałów pod wpływem ciśnienia i temperatury, zachodzący w głębiach skorupy ziemskiej. Rodzaj i stopień przeobrażeń zależy od składu skał i warunków metamorfizmu. Nie będziemy tu szczegółowo analizować poszczególnych procesów minerałotwórczych. Warto jednak zaznaczyć, że i te metamorficzne przemiany również dobrze dają się prześledzić w płytkach cienkich. Jedna z ciekawszych sytuacji zachodzi wówczas, gdy w skale metamorficznej zachowują się relikty składników mineralnych protolitu, czyli skały pierwotnej. Dobrze ilustrują to dolnośląskie serpentynity z Nasławic koło Sobótki, wywodzące się z różnych odmian perydotytów – ubogich w krzemionkę skał głębinowych, zbudowanych głównie z oliwinów. W wyniku metamorfizmu oliwiny przeszły w minerały grupy serpentynu, przede wszystkim w antygoryt, który utworzył charakterystyczną włóknistą lub siatkową strukturę, znakomicie widoczną za pomocą mikroskopu polaryzacyjnego. W tle skalnym widać jednak często w różnym stopniu zachowane pozostałości pierwotnych minerałów – czyli oliwinów.
Serpentynit z Nasławic o typowej strukturze siatkowej utworzonej przez agregaty antygorytu (minerału z grupy serpentynów). Skrzyżowane polaryzatory.
Serpentynit z Nasławic z reliktami oliwinów o pastelowych barwach interferencyjnych. Skrzyżowane polaryzatory.
O ile w Nasławicach rzeczywiście stopami, które określić można jako perydotyty słabo zserpentynizowane. W obrazie mikroskopowym widać w nich ziarna pierwotnych oliwinów poprzecinane cienkimi żyłkami antygorytu. Naszym zdaniem to jedna z najefektowniej prezentujących się pod mikroskopem polskich skał. Zaiste, działa hipnotyzująco…
Jakże urokliwa skała! Częściowo zserpentynizowany perydotyt z kopalni magnezytu “Grochów” koło Ząbkowic Śląskich. Żyłki o jasnoszarych barwach interferencyjnych to antygoryt. Bardziej kolorowe jestestwa – to oliwiny.
Częściowo zserpentynozowany perydotyt z kopalni magnezytu “Grochów” koło Ząbkowic Śląskich.
Dla porządku zaznaczmy jednak, że zjawisko serpentynizacji nie dotyczy tylko skał oliwinowych. W specyficznych warunkach mogą jej ulec również niektóre skały węglanowe – dolomity oraz dolomityczne wapienie i marmury na kontakcie z bogatymi w krzemionkę skałami magmowymi. Taką sytuację obrazuje poniższa fotografia.
Zserpentynizowany marmur dolomityczny z soczewy tkwiącej wśród granodiorytów w kopalni Łażany II koło Żarowa. Widoczne są relikty minerałów węglanowych (o wielokrotnych zbliźniaczeniach) wśród włókniście wykształconego serpentynu (antygorytu) o szarych barwach interferencyjnych. Skrzyżowane polaryzatory.
Kończąc ten krótki przegląd, wypada jeszcze spojrzeć na przedstawicieli skał osadowych, by Czytelnik nie pozostał w mylnym przekonaniu, że tylko samotwory magmowe i metamorficzne zasługują na zaszczyt badania przez petrografów. Mikroskopowa analiza składu petrograficznego ziaren, sposobu ich ułożenia i stopnia obtoczenia czy też opis fragmentów skamieniałości niosą wiele dużej wagi danych np. o warunkach sedymentacji czy kierunku transportu pierwotnego osadu.
Zlepieńcowaty piaskowiec szarogłazowy z Pogórza Kaczawskiego z ziarnami zbudowanymi z kwarcu, skał krzemionkowych oraz skał metamorficznych (duże wydłużone ziarno zieleńca). Ziarno o różowych barwach interferencyjnych w górnej części zdjęcia to muskowit. Skrzyżowane polaryzatory.
Wapień detrytyczny z obszaru Jury Krakowsko-Częstochowskiej. Widoczne liczne fragmenty muszli, a właściwie kalcytowe ośródki po nich.
Na zakończenie warto dodać, że mikroskop polaryzacyjny ma znacznie szersze zastosowanie, niż może się wydawać na pierwszy rzut oka. Co prawda opis petrograficzny to bardzo ważny obszar użycia mikroskopii polaryzacyjnej, ale jednak musimy niechętnie zejść z pozycji “geologocentrycznej” i podkreślić, że metodę tę stosuje się również w innych dziedzinach wiedzy, choćby takich jak nauki biologiczne i medyczne oraz szeroko pojęte materiałoznawstwo.
A wracając do skał… Matka Ziemia to cwana bestia. Ale jak widać, czasami i naturę można przechytrzyć, np. używając polaryzatorów, żeby odkryć w jej dziełach to, co tak skrzętnie ukrywa przed białkowcami, określającymi się buńczucznie Homo sapiens…
Opal mszysty, Nasławice. Światło spolaryzowane
