Mineralogía óptica

Es la rama de la ciencia que estudia las propiedades ópticas de los minerales, las cuales son analizadas por medio de las láminas delgadas, con la ayuda del microscopio polarizante.

 

Preparación de secciones delgadas

Para que una roca o mineral pueda ser estudiada por medio de un microscopio polarizado, se necesitan dos cosas importantes: la primera es un tamaño adecuado de la muestra y la segunda es la condición de transparencia, para que la luz viaje a través de la misma. Después que ya se completó el estudio, ésta debe de ser almacenada y etiquetada adecuadamente para su futura recuperación.

 

Secciones Delgadas (SGM-CM)

 

Algunas propiedades ópticas de los minerales dependen de la preparación de las secciones delgadas, por lo que se debe seguir un procedimiento específico. Es importante comentar que es un método destructivo, en el sentido de que una buena parte de la muestra se pierde durante la preparación y aunque es imposible eliminar la pérdida se debe intentar reducir. Esto es crucial cuando las rocas provienen de la luna, meteoritos o rocas que no pueden ser recolectadas fácilmente.

 

El primer paso en la fabricación de una sección delgada incluye la preparación de una esquirla mineral, con una superficie lisa, apta para ser colocada sobre un portaobjetos. Una esquirla ideal tiene unos 2cm² y 3mm de espesor. Se debe escoger una porción que sea representativa, por lo que un estudio físico en el laboratorio, la limpieza y el lavado de la muestra de mano son necesarios antes de decidir la porción que será marcada. En este aspecto las notas de campo son una buena ayuda.

 

Para cortar las esquirlas se pueden utilizar varios tipos de sierras, aunque generalmente es un disco metálico, el cual puede ser alimentado de abrasivo en partículas sueltas o puede estar embebido de él en su borde exterior. Los materiales abrasivos pueden ser carborundo o polvo diamante.

 

 Los cristales minerales son orientados y cortados según ángulos determinados, con objeto de acentuar ciertas propiedades ópticas. También se marca la posición de la muestra rocosa, respecto al afloramiento en que fue tomada, para relacionar la orientación de los cristales individuales en una sección delgada con la masa rocosa de que proviene la muestra. Cuando una esquirla está lista, se pule por un lado una superficie plana.

 

Pulimiento de una esquirla (SGM-CEO)

 

La superficie de fondo, plana pero no pulimentada, es lavada, secada y montada sobre un cristal portaobjetos empleando como cementador bálsamo de Canadá o Lakeside 70. El bálsamo debe ser cocido a 160º durante dos minutos, aproximadamente, hasta obtener un botón sólido y tenaz; la esquirla debe ser calentada también a 120º antes de su montura.

 

Montaje sobre el cristal portaobjetos (SGM)

 

El bálsamo no debe ser cocido de más porque puede llegar a ser demasiado quebradizo y hasta volverse castaño. Cuando el bálsamo está aún líquido y caliente se coloca la esquirla sobre un portaobjetos, que ha sido previamente untado con bálsamo de Canadá cocido. Una vez calentado el conjunto, queda la esquirla firmemente cementada al cristal portaobjetos; finalmente, la ligadura debe ser una capa continua del bálsamo sin burbujas de aire.

 

Se debe producir una lámina delgada uniforme de 0.03 mm a partir de una esquirla de algunos centímetros de grosor. En general, esto puede realizarse utilizando dos caminos: en el primer método, la esquirla es pulida en etapas sucesivas con carborundo y esmeril sobre una pulidora, de un modo similar al empleado para producir una superficie especular en la esquirla; en el segundo método, se corta la esquirla en una sierra cuidadosamente ajustada a 0.06 mm, aproximadamente, y luego se termina en una pulidora.

 

El lado descubierto de la esquirla montada es pulimentado por rotación sobre carborundo medio, fino y alundo. Este último se emplea cuando la esquirla ha sido reducida a un espesor de unos 0.1mm. La muestra puede apoyarse sobre una pulidora estriada rotativa o acabarse a mano sobre una placa de cristal bruñido. Para el pulido final se utiliza alundo fino o pasta esmeril y generalmente se emplea agua para hacer la pasta, pero los materiales solubles exigen el uso de keroseno o gricol. La última etapa requiere una considerable destreza manual ya que la lámina delgada debe conservar un espesor uniforme durante todo el desgaste y éste debe continuar hasta obtener un grueso de unos 0.03mm (30µm). El espesor de la lámina debe controlarse, durante esta última etapa, por la observación microscópica de los colores de interferencia, que dan algunos minerales conocidos que contenga la sección, cuando se la cubre con una película de agua. Generalmente está presente el cuarzo; en este caso, los colores de interferencia deben ser casi totalmente planos o grises. Algunos prefieren grandes secciones en las que el espesor puede ser de 0.04mm. Una sección delgada, correctamente realizada, muestra un notable grado de transparencia.

 

Cuando la sección ha sido pulida hasta su espesor adecuado se lava y se seca. Posteriormente, se unta la superficie de la lámina con bálsamo fresco y se calienta y cubre con un cristal cubreobjetos (cuyo espesor es de 0.17mm o menor). A continuación se enfría la preparación y se diluye con xylol el exceso de bálsamo que rodea el borde del cubreobjetos, siguiéndole finalmente un lavado con keroseno. La sección delgada queda así protegida y lista para su utilización.

 

 

 

Sección vertical de una lámina de roca preparada. (Tomado de Kerr, P. Mineralogía Óptica. 1965. Pág.7)	Sección delgada lista para su uso (SGM-CM)

 

 

Luz Polarizada

Las propiedades ópticas de los minerales se explican mejor en términos de la teoría electromagnética de la luz. De acuerdo a esta teoría, la luz puede ser discutida en términos de longitudes de onda y las vibraciones perpendiculares de la dirección de la propagación. Mientras la luz abarca una serie de longitudes de onda de 390 nm (violeta) a 770 nm (rojo) y pueden separarse en sus colores componentes por el conocido prisma triangular. Las vibraciones de la luz ordinaria son consideradas que toman lugar en todas direcciones  perpendiculares a la dirección de la propagación. La luz polarizada vibra en una sola dirección perpendicular a la propagación de la dirección.

La luz polarizada es producida por el polarizador y el analizador, ambos de los cuales en los microscopios modernos consisten en una lámina de plástico (polaroid) la cual absorbe toda la luz excepto la que vibra en una dirección. Los cristales naturales de turmalina también absorben la luz que vibra en todo menos en una dirección  y pueden ser utilizados como polarizantes simples. En los microscopios antiguos emplean una combinación de prismas de calcita para producir la  luz polarizada, conocido como prisma de Nicol.

 

Índice de refracción ( n )

Un rayo de luz por lo general se inclina cuando pasa de una sustancia a otra, el fenómeno es conocido como refracción. El índice de refracción  n de un material se expresa por la relación entre velocidad de la luz en aire (V) y su velocidad en el medio más denso (v),  es decir n= V/v  (el índice de refracción del aire se toma como 1). Esto quiere decir que el índice de refracción es igual al inverso de la velocidad  n= 1/v . La relación precisa entre  la relación de los senos de los ángulos de incidencia y de refracción de la luz viene dada por la ley de Snell, la cual establece  que para los dos mismos medios la relación seno i y seno r es constante.

 

Se puede mostrar simplemente que el índice de refracción de una sustancia es igual a la relación entre la velocidad de la luz en el aire y en la sustancia. En otras palabras, el alto índice de refracción de una sustancia, y el bajo de la luz es el paso a través de él.
El índice de refracción de los minerales comunes  es de 1.43 a 3.22.

Los minerales isotrópicos pueden dar un solo valor del índice de refracción. Los minerales anisotrópicos, sin embargo, presentan el fenómeno de doble refracción.

 

Doble refracción

Si un pequeño clivaje romboidal de una calcita ópticamente clara  se coloca sobre un pequeño punto dos imágenes de ese punto se ven. Las dos imágenes representan los dos rayos polarizados separados producidos por la calcita anisotrópica. El hecho de que dos imágenes se puedan ver, demuestra que cada rayo representa un índice de refracción diferente (y también una diferente velocidad de la luz). Este fenómeno es conocido como doble refracción, y es característico de todos los minerales anisotrópicos. Aunque el índice de refracción de la calcita muy fuerte. Para los minerales anisotrópicos este índice varia continuamente dependiendo de la dirección de la vibración  de la luz dentro del cristal.

 

Minerales Isotrópicos y anisotrópicos

Todas las sustancias transparentes pueden dividirse en dos grupos: isótropos  y anisótropos. Todos los minerales excepto aquellos que pertenecen al sistema cubico son anisotrópicos (aunque algunos minerales anisotrópicos pueden en la práctica parecen ser isotrópicos.

Los minerales cúbicos no polarizan la luz que pasa a través de ellos y no varían direccionalmente en su efecto sobre la luz. Los minerales cúbicos son por lo tanto llamados isotrópicos. El vidrio y las sustancias amorfas son llamadas también isotrópicas. En estas substancias la luz se mueve en todas direcciones con la misma velocidad,  y cada sustancia isótropa tiene un solo índice de refracción.

La isotropía refleja directamente el alto grado de regularidad en la estructura atómica de los minerales cúbicos. En las sustancias anisotrópicas, que comprenden todos los cristales, excepto los del sistema isométrico, la velocidad de la luz varía con la dirección cristalográfica y por lo tanto existe un intervalo de índices de refracción.

 

Microscopio polarizante

El microscopio polarizante se emplea para examinar los minerales transparentes. Éste se diferencia del usado por los biólogos, patólogos y otros científicos, en que está equipado con una platina giratoria y diversos aparatos que permiten el estudio de objetos en luz polarizada. Es empleado para:

- Examinar tanto granos minerales, fragmentos y pequeños cristales, como secciones delgadas de minerales, rocas y otros cristales.

- Determinar las propiedades ópticas de los cristales individuales o agregados.

- Interpretar las texturas y relaciones varias de las sustancias naturales o artificiales, tal como aparecen en las secciones delgadas.

 

El sistema de lentes del microscopio polarizante es muy parecido al sistema de lentes de los microscopios compuestos corrientes, pero contiene varias modificaciones que incrementan su utilidad en el trabajo con los minerales. Las características más distintivas son los dispositivos polarizante y analizador, situados respectivamente debajo y encima de la platina; así como la platina rotativa, los lentes Amici-Nertrand y varios accesorios tales como la lámina de mica, la lámina de yeso, la cuña de cuarzo y el compensador.

Para el estudio de los minerales en el microscopio polarizante se utiliza, indistintamente, luz polarizada plana y luz con los planos de polarización cruzados. Para el examen entre planos cruzados, por ejemplo, se intercalan en el eje óptico placas polarizantes.

 

Diferentes modelos de Microscopios Petrográficos (SGM)

 

Propiedades ópticas de los minerales

Los minerales ópticamente pueden dividirse en tres grupos:

Isotrópicos: Los minerales amorfos y la mayoría de los minerales isométricos. Uniaxiales: Minerales tetragonales y hexagonales. Biaxiales: Minerales ortorrómbicos, monoclínicos y triclínicos.

 

Como la simetría de los minerales disminuye, los minerales ópticamente más complejos y se caracterizan un número creciente de constantes ópticas medibles. Por lo tanto teóricamente es fácil identificar minerales biaxiales que los isotrópicos. Porque la red tiene algunas características ópticas que lo diferencia unos de otros. Sin embargo, en la práctica los minerales uniaxiales generalmente son los más fáciles, siendo de complejidad intermedia, y en menor número que los biaxiales.

Para todos los grupos de minerales se observan las siguientes propiedades y/o características:

Forma, contorno Tamaño Clivaje, fractura Maclas, zoneamiento Inclusiones, intercrecimientos, alteraciones

 

Para los minerales opacos las siguientes propiedades y/o características pueden ser observadas:

Transparencia de bordes delgados a lo largo de fracturas. Color y lustre en luz reflejada. Estrías superficiales o amolduras sobre secciones delgadas de minerales opacos.

 

Propiedades adicionales para minerales isotrópicos que pueden indicarse son:

Color Índice de refracción (n)

 

Para minerales uniaxiales:

Color y pleocroísmo Índice de refracción y birrefringencia Signo óptico (+) o (-) Carácter de elongación o dirección de clivaje

 

Para minerales biaxiales:

Color y pleocroísmo. Índices de refracción (α β γ ) y birrefringencia. Tamaño de 2V y dispersión de ejes ópticos. Orientación (relación de direcciones ópticas, (α β γ ) a las direcciones cristalográficas, a, b, c. Carácter óptico o signo, (+) o (-). Tipo de extinción y tamaño de ángulos de extinción (excepto en minerales ortorrómbicos). Carácter de elongación y clivaje, posición del plano óptico.

 

En las secciones delgadas en donde no es posible determinar el índice de refracción, los índices son comparados con el índice del bálsamo de Canadá (n = ca.1.54). Si es inferior, puede decirse que el relieve es negativo, y si es superior es positivo.

 

 

Para saber más:

http://edafologia.ugr.es/optmine/intro/microsc.htm https://www.ehu.eus/mineralogiaoptica/propiedades-opticas.html
https://www.ehu.eus/mineralogiaoptica/inosilicatos.html
http://www.ugr.es/~velilla/atlas_mineral.html