Mineralogía óptica

La mineralogía óptica es el estudio de los minerales y las rocas mediante la medición de sus propiedades ópticas. Por lo general, las muestras de rocas y minerales se preparan como secciones delgadas o montajes de grano para su estudio en el laboratorio con un microscopio petrográfico. La mineralogía óptica se utiliza para identificar la composición mineralógica de los materiales geológicos con el fin de ayudar a revelar su origen y evolución.

Algunas de las propiedades y técnicas utilizadas incluyen:

• Índice de referencia
• Birefringence
• Gráfico de color Michel-Lévy Interference
• Pleochroism
• Ángulo de extinción
• Patrón de interferencia conoscópica (figura de interferencia)
• Prueba de línea de Becke
• Socorro óptico
• Signo de elongación (Longitud rápida vs. lenta)
• Placa de onda

William Nicol, cuyo nombre se asocia con la creación del prisma de Nicol, es probablemente el primero en preparar láminas delgadas de sustancias minerales, y sus métodos fueron aplicados por Henry Thronton Maire Witham (1831) al estudio de las petrificaciones de las plantas. Este método, de gran importancia en petrología, no se utilizó inmediatamente para la investigación sistemática de las rocas, y no fue hasta 1858 que Henry Clifton Sorby señaló su valor. Mientras tanto, el estudio óptico de secciones de cristales había sido avanzado por Sir David Brewster y otros físicos y mineralogistas y sólo faltaba aplicar sus métodos a los minerales visibles en secciones de rocas.

Una sección de roca debe tener un espesor de aproximadamente una milésima de pulgada (30 micrómetros) y es relativamente fácil de hacer. Se puede tomar una astilla delgada de la roca, de aproximadamente un centímetro; debe ser lo más fresca posible y libre de grietas obvias. Al pulirla en una placa de acero cepillado o hierro fundido con un poco de carborundo fino, pronto se vuelve plana por un lado y luego se transfiere a una hoja de vidrio y se alisa con el esmeril de grano más fino hasta que se eliminan todas las asperezas y las picaduras y la superficie es un plano uniforme. Luego, la astilla de roca se lava y se coloca en una placa de cobre o hierro que se calienta con una lámpara de alcohol o de gas. También se calienta una placa de vidrio microscópica con una gota de bálsamo de Canadá natural viscoso en su superficie. Los ingredientes más volátiles del bálsamo se disipan con el calor y, una vez logrado, la roca lisa, seca y caliente se presiona firmemente para que entre en contacto con la placa de vidrio, de modo que la película de bálsamo que se interpone sea lo más fina posible y libre de burbujas de aire. Se deja enfriar la preparación y se vuelve a moler la piedra como antes, primero con carborundo y, cuando se vuelve transparente, con esmeril fino hasta obtener el espesor deseado. Luego se limpia, se vuelve a calentar con una pequeña cantidad adicional de bálsamo y se cubre con un cubreobjetos. El trabajo de moler la primera superficie se puede evitar cortando una rodaja lisa con un disco de hierro armado con polvo de diamante triturado. Una segunda aplicación de la cortadora después de que la primera cara se haya alisado y pegado al vidrio dejará, en manos expertas, una sección de roca tan fina que será transparente. De esta manera, la preparación de una sección puede requerir solo veinte minutos.

El microscopio empleado es generalmente uno que está provisto de una platina giratoria debajo de la cual hay un polarizador, mientras que sobre el objetivo u ocular se monta un analizador; alternativamente, la platina puede ser fija, y los prismas de polarización y análisis pueden ser capaces de girar simultáneamente por medio de ruedas dentadas y una biela. Si se desea luz ordinaria y no luz polarizada, ambos prismas pueden retirarse del eje del instrumento; si solo se inserta el polarizador, la luz transmitida es polarizada en plano; con ambos prismas en posición, la lámina se observa en luz polarizada cruzada, también conocida como "nicoles cruzados". Una sección microscópica de roca a la luz ordinaria, si se utiliza un aumento adecuado (por ejemplo, alrededor de 30x), se ve que consta de granos o cristales que varían en color, tamaño y forma.

Algunos minerales son incoloros y transparentes (cuarzo, calcita, feldespato, moscovita, etc.), mientras que otros son amarillos o marrones (rutilo, turmalina, biotita), verdes (diópsido, hornblenda, clorita), azules (glaucofano). Muchos minerales pueden presentar una variedad de colores, en la misma roca o en rocas diferentes, o incluso múltiples colores en un solo espécimen mineral, lo que se denomina zonación de color. Por ejemplo, el mineral turmalina puede tener zonas concéntricas de color que van desde marrón, amarillo, rosa, azul, verde, violeta o gris, hasta incoloro. Cada mineral tiene uno o más tintes, los más comunes.

Las formas de los cristales determinan de manera general los contornos de las secciones de los mismos presentadas en las diapositivas. Si el mineral tiene una o más exfoliaciones buenas, se indicarán mediante conjuntos de planos orientados de manera similar llamados planos de exfoliación.

La orientación de los planos de clivaje está determinada por la estructura cristalina de un mineral y se forman preferentemente a través de planos a lo largo de los cuales se encuentran los enlaces más débiles, por lo que la orientación de los planos de clivaje se puede utilizar en mineralogía óptica para identificar minerales.

La información sobre el índice de refracción de un mineral se puede observar haciendo comparaciones con los materiales circundantes. Estos pueden ser otros minerales o el medio en el que está montado un grano. Cuanto mayor sea la diferencia en el relieve óptico, mayor será la diferencia en el índice de refracción entre los medios. El material con un índice de refracción más bajo y, por lo tanto, un relieve más bajo parecerá hundirse en la diapositiva o el soporte, mientras que un material con un índice de refracción más alto tendrá un relieve más alto y parecerá sobresalir. La prueba de la línea de Becke también se puede utilizar para comparar el índice de refracción de dos medios.

Se obtiene más información insertando el polarizador inferior y girando la sección. La luz vibra en un solo plano y, al pasar a través de los cristales de doble refracción en la placa, se descompone, en términos generales, en rayos que vibran en ángulos rectos entre sí. En muchos minerales coloreados, como la biotita, la hornblenda, la turmalina y la clorita, estos dos rayos tienen colores diferentes y, cuando se gira una sección que contiene cualquiera de estos minerales, el cambio de color suele ser claramente perceptible. Esta propiedad, conocida como "pleocroísmo", es de gran valor para la determinación de la composición mineral.

El pleocroísmo suele ser especialmente intenso en pequeñas manchas que rodean diminutos envoltorios de otros minerales, como el circón y la epidota. Se conocen como "halos pleocroicos".

Algunos minerales se descomponen fácilmente y se vuelven turbios y semitransparentes (por ejemplo, el feldespato); otros permanecen siempre perfectamente frescos y claros (por ejemplo, el cuarzo), mientras que otros producen productos secundarios característicos (como la clorita verde después de la biotita). Las inclusiones en los cristales (tanto sólidos como fluidos) son de gran interés; un mineral puede encerrar a otro, o puede contener espacios ocupados por vidrio, por fluidos o por gases.

La estructura de la roca -la relación de sus componentes entre sí- suele indicarse claramente, ya sea fragmentada o masiva; la presencia de materia vítrea en contraposición a una condición completamente cristalina u "holocristalina"; la naturaleza y el origen de los fragmentos orgánicos; la formación de bandas, foliación o laminación; la estructura pómez o porosa de muchas lavas. Estos y muchos otros caracteres, aunque a menudo no son visibles en las muestras de roca tomadas a mano, se hacen evidentes mediante el examen de una sección microscópica. Se pueden aplicar varios métodos de observación detallada, como la medición del tamaño de los elementos de la roca con la ayuda de micrómetros, sus proporciones relativas mediante una placa de vidrio rayada en cuadrados pequeños, los ángulos entre las hendiduras o caras vistos en sección mediante el uso de la platina graduada giratoria y la estimación del índice de refracción del mineral mediante comparación con los de diferentes medios de montaje.

Si el analizador se coloca en una posición que lo cruza con respecto al polarizador, el campo de visión será oscuro en los lugares donde no haya minerales o donde la luz pase a través de sustancias isótropas como vidrio, líquidos y cristales cúbicos. Todos los demás cuerpos cristalinos, al ser doblemente refractantes, aparecerán brillantes en alguna posición a medida que se gira la platina. La única excepción a esta regla la proporcionan las secciones que son perpendiculares a los ejes ópticos de los cristales birrefringentes, que permanecen oscuras o casi oscuras durante toda una rotación, cuya investigación es frecuentemente importante.

Las secciones minerales de doble refracción aparecerán en todos los casos negras en ciertas posiciones a medida que se gira la platina. Se dice que se "extinguen" cuando esto sucede. El ángulo entre estas y cualquier clivaje se puede medir girando la platina y registrando estas posiciones. Estos ángulos son característicos del sistema al que pertenece el mineral y, a menudo, de la especie mineral en sí (véase Cristalografía). Para facilitar la medición de los ángulos de extinción, se han ideado varios tipos de oculares, algunos con una placa de calcita estereoscópica, otros con dos o cuatro placas de cuarzo cementadas entre sí. A menudo se ha descubierto que estos proporcionan resultados más precisos que los que se obtienen observando solo la posición en la que la sección mineral está más completamente oscura entre nicoles cruzados.

Las secciones minerales cuando no están apagadas no sólo son brillantes, sino que están coloreadas, y los colores que muestran dependen de varios factores, el más importante de los cuales es la fuerza de la doble refracción. Si todas las secciones tienen el mismo espesor, como es casi cierto en el caso de las láminas bien hechas, los minerales con la doble refracción más fuerte producen los colores de polarización más altos. El orden en que se disponen los colores se expresa en lo que se conoce como la escala de Newton, siendo el más bajo el gris oscuro, luego el gris, el blanco, el amarillo, el naranja, el rojo, el violeta, el azul, etc. La diferencia entre los índices de refracción del rayo ordinario y el extraordinario en el cuarzo es de 0,009, y en una sección de roca de aproximadamente 1/500 de pulgada de espesor, este mineral da colores de polarización gris y blanco; la nefelina con una doble refracción más débil da gris oscuro; la augita, por otro lado, dará rojo y azul, mientras que la calcita con la doble refracción más fuerte aparecerá rosada o blanca verdosa. Sin embargo, no todas las secciones de un mismo mineral tendrán el mismo color: las secciones perpendiculares a un eje óptico serán casi negras y, en general, cuanto más se acerque una sección a esta dirección, más bajos serán sus colores de polarización. Tomando el promedio, o el color más alto dado por cualquier mineral, se puede estimar el valor relativo de su doble refracción o, si se conoce con precisión el espesor de la sección, se puede determinar la diferencia entre los dos índices de refracción. Si las láminas son gruesas, los colores serán en general más altos que en las láminas delgadas.

A menudo es importante averiguar cuál de los dos ejes de elasticidad (o trazas de vibración) en la sección es el de mayor elasticidad (o menor índice de refracción). La cuña de cuarzo o la placa de selenita permiten esto. Supongamos que una sección de mineral de doble refracción está colocada de manera que está "extinguida"; si ahora se gira 45 grados, se iluminará brillantemente. Si la cuña de cuarzo se pasa a través de ella de modo que el eje largo de la cuña sea paralelo al eje de elasticidad en la sección, los colores de polarización subirán o bajarán. Si suben, los ejes de mayor elasticidad en los dos minerales son paralelos; si se hunden, el eje de mayor elasticidad en uno es paralelo al de menor elasticidad en el otro. En este último caso, al empujar la cuña lo suficiente, se obtendrá una oscuridad total o compensación. Las cuñas de selenita, las placas de selenita, las cuñas de mica y las placas de mica también se utilizan para este propósito. Una cuña de cuarzo también se puede calibrar determinando la cantidad de doble refracción en todas las partes de su longitud. Si ahora se utiliza para producir compensación o extinción completa en cualquier sección mineral de doble refracción, podemos determinar cuál es la fuerza de la doble refracción de la sección porque es obviamente igual y opuesta a la de una parte conocida de la cuña de cuarzo.

Un perfeccionamiento adicional de los métodos microscópicos consiste en el uso de luz polarizada fuertemente convergente (métodos conoscópicos). Esto se obtiene mediante un condensador acromático de ángulo amplio sobre el polarizador y un objetivo microscópico de alta potencia. Las secciones más útiles son las que son perpendiculares a un eje óptico y, en consecuencia, permanecen oscuras al girar. Si pertenecen a cristales uniaxiales, muestran una cruz oscura o luz convergente entre nicoles cruzados, cuyas barras permanecen paralelas a los alambres en el campo del ocular. Las secciones perpendiculares a un eje óptico de un mineral biaxial en las mismas condiciones muestran una barra oscura que, al girar, se curva hasta adoptar una forma hiperbólica. Si la sección es perpendicular a una "bisectriz" (véase Cristalografía), se ve una cruz negra que, al girar, se abre para formar dos hipérbolas, cuyos vértices están vueltos uno hacia el otro. Los ejes ópticos emergen en los vértices de las hipérbolas y pueden estar rodeados de anillos coloreados, aunque debido a la delgadez de los minerales en las secciones de roca, estos sólo se ven cuando la doble refracción del mineral es fuerte. La distancia entre los ejes, tal como se ve en el campo del microscopio, depende en parte del ángulo axial del cristal y en parte de la apertura numérica del objetivo. Si se mide por medio de un micrómetro de ocular, el ángulo axial óptico del mineral se puede encontrar mediante un cálculo simple. La cuña de cuarzo, la placa de mica de un cuarto o la placa de selenita permiten determinar el carácter positivo o negativo del cristal por los cambios en el color o la forma de las figuras observadas en el campo. Estas operaciones son similares a las que emplea el mineralogista en el examen de placas cortadas de cristales.

Aunque hoy en día las rocas se estudian principalmente en secciones microscópicas, la investigación de polvos finos de roca triturada, que fue la primera rama de la petrología microscópica que recibió atención, todavía se utiliza activamente. Los métodos ópticos modernos son fácilmente aplicables a fragmentos minerales transparentes de cualquier tipo. Los minerales se determinan casi tan fácilmente en polvo como en sección, pero con las rocas ocurre lo contrario, como la estructura o la relación de los componentes entre sí. Este es un elemento de gran importancia en el estudio de la historia y la clasificación de las rocas, y se destruye casi por completo al molerlas hasta convertirlas en polvo.

• Atlas de vídeo de minerales en la sección delgada
• Name that Mineral Datatable for comparing observable properties of minerals in thin sections, under transmitted or reflected light.