Håndbok 014 Laboratorieundersøkelser

Transkript

1 side 1 av 6 Håndbok 14.4 Løsmasser, fjell og steinmaterialer Klassifisering Mikroskopering med polarisert lys Versjon januar 2005 erstatter versjon juli 1997 Omfang Prinsipp Metoden krever en del forkunnskaper om bruk av utstyr og om mineraler og bergarter. Dessuten er det nødvendig å benytte relevant litteratur om optisk mineralogi og ha kunnskap om preparering av prøve. Metoden benyttes til en bred og mer nøyaktig bestemmelse av mineraler, basert på optiske egenskaper hos disse. Undersøkelsen kan gi opplysninger som er viktige for å kunne si noe om bergarters evne til å motstå deformasjon. Således vil opptreden av ulike mikrostrukturer som bidrar til å svekke deres brukbarhet til vegformål kunne avsløres. Metoden benyttes også ved mikroskopering av betong og asfalt. Definisjoner Nødvendige definisjoner finnes i litteratur som nor-malt må benyttes for undersøkelsen. Referanser Deer, W.A; Howie, R.A. and Zussman, J. (1992): An introduction to the rock forming minerals. 2 nd exerpted student edition. Longman, Burnt Mill Delvigne, J.E. (1998): Atlas of micromorphology of mineral alteration and weathering. Mineralogic association of Canada, Special publication (3) Kerr, Paul F. (1977): Optical Mineralogy, McGraw-Hill MacKenzie, W.S. and Guilford, C. (1980): Atlas of rockforming minerals in thin section. Longman, London NS-EN (1996): Prøvingsmetoder for generelle egenskaper for tilslag Del 3: Prosedyre og terminologi for forenklet petrografisk beskrivelse Phillips, W.R: (1971): Mineral optics. Principles and techniques. Freeman & Company, San Francisco StJohn, D.A.; Poole, A.B. and Sims, I. (1998): Concrete petrography. 1 st edition, Arnold Publishers, London Tröger, W.E. (1988): Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale, Teil 1 Tabellen. 5 neubearbeitete Auflage von Bambauer, H.U.; Taborgzky, F. and Trochim, H.D. E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart Winchell, A.N. and Emmons, R.C. (1964): Microscopic characters of artificial inorganic solid substances, or artificial minerals. 2nd edition, John Wiley & Sons, New York Winchell, A.N. and Winchell, H. (1951): Elements of optical mineralogy. Part II: descriptions of minerals. 4th edition, John Wiley & Sons, New York Figur : Et eksempel på polarisasjonsmikroskop med utskiftbar optikk Utstyr Beskrivelse Polarisasjonsmikroskop med utskiftbar optikk (se figur ), bestående av:

2 side 2 av 6 (1) okular med okulartube (kan også være vertikalt stilt for montering av kamera) (2) Bertrandlinse (3) slisse for innsetting av kvartskile/-blad, gipsblad, glimmerblad m.v. (kompensator) (4) analysatorenhet (øvre Nicol) (5) dreibart objektbord (6) innstillingshjul for skarpinnstilling (7) objektiver med ulik styrke, skiftes ved dreiing av skjeftet (8) kondensorlinseblender (Irisblender) (9) kondensorlinsesystem (10) polarisator (undre Nicol) (11) lysblenderinnsats (12) lyskilde Figur : Tynnslipspreparat (1) objektglass (2) tynnslipsobjekt (3) dekkglass (4) spesiallim med bestemt lysbrytningsindeks Preparering av prøve Preparering av tynnslip utføres hos Region øst. Utenfor Statens vegvesen lages preparater ved universitetenes geologiske institutter, Mineralogisk-geologisk Museum i Oslo, samt ved Norges geologiske undersøkelse i Trond-heim (med flere). Prosedyren går i korthet ut på: - En bergartsprøve blir skåret til på steinsag til en dimensjon (lengde bredde tykkelse) ca. 35 mm 25 mm 5 mm. - Det som skal bli undersiden av preparatet, poleres til en plan glatt flate og monteres med lim til objektglasset som har litt større dimensjon enn prøven, og en tykkelse på ca. 1,5 mm. - Prøven skjæres videre ned til 1-2 mm tykkelse ved hjelp av spesialsag. - Prøvens overside slipes ned og poleres til en tykkelse på ca. 0,03 mm. - Et dekkglass blir deretter montert med den samme type lim som til prøvens underside. Dimensjonen på dekk-glasset skal være den samme som prøven og har normalt en tykkelse på 0,17 mm. Dekkglass kan utelates. - Preparatet merkes med prøvenummer/sted m.v. og bør oppbevares i en dertil egnet eske med lokk. Fremgangsmåte En detaljert fremgangsmåte og beskrivelse av alle funksjoner ved mikroskopet er beskrevet i Kerr (1977). Kun et fåtall av disse er det nødvendig å kjenne til eller benytte seg av for å kunne gjenkjenne de viktigste bergartsdannende mineraler. Innstilling av mikroskopet Normalt fininnstilles mikroskopet i 4 trinn: 1. Okularets trådkors fokuseres inn og innstilles N-S, Ø-V. 2. Bordet sentreres gjennom objektiv/okular-aksen mot trådkorset ved å dreie bordet og fininnstille senteret ved hjelp av justeringsskruer på objektivet eller i bordet. 3. Krysstest øvre og undre Nicol til svingeretningene danner en vinkel på 90. Undre Nicol justeres via en hendel under bordet. (Et mineralkorn i preparatet skal bli svart ved 90 dreiing av bordet.) 4. Finn svingeretningen for polarisator (undre Nicol) med øvre Nicol koblet ut. Dette kan gjøres mot mineralet biotitt. Dette mineralet viser sterkest egenfarge (brunt) parallelt spalteplanet for mineralet, som skal være parallelt trådkorsets ene akse. Kommentar: Ved forsiktig behandling av instrumentet og tilbehøret er det sjelden nødvendig å følge innstillingsprosedyren foran hver undersøkelse. Det kan imidlertid være nødvendig å gjennomføre punkt 2 ved bruk av stor objektivforstørrelse fra tid til annen. Som hovedregel bør man ved dreiing av bord og objektivsokkel bruke begge hender for å hindre usentrering. Mineralbestemmelse For en enkel mineralbestemmelse vil det som oftest være tilstrekkelig å operere med en mikroskopforstørrelse mellom ca. 20 og 200 ganger, unntaksvis større ved spesielle funksjoner. De viktigste egenskaper hos mineraler som vanligvis er enkle å undersøke er: 1. Egenfarge Sees ved dreiing av bordet uten øvre Nicol innkoblet. Egenfargen er sterkere eller svakere alt etter mineralets orientering i preparatet og i forhold til den polariserte lysstrålen (lysets svingeretning). Opptrer fargen med samme styrke ved dreiing av bordet, er mineralet orientert parallelt mineralets optiske akse. Samme mineralkorn vil da normalt opptre svart (utslukket) ved innkobling av øvre Nicol. 2. Spalteriss Kan være karakteristiske for en del mineraler i en, to eller tre retninger og er innbyrdes parallelle. Disse sees lettest ved innkobling av øvre Nicol. 3. Tvillinger Enkelte mineraler (især plagioklasfeltspat) danner svært ofte krystalltvillinger, gjerne orientert speilvendt mot

3 side 3 av 6 hverandre. Med øvre Nicol innkoblet vil tvillinger "slukke ut" ved forskjellig vinkel ved dreiing av bordet. Lamellære tvillinger i feltspat er svært vanlig. 4. Mikrostrukturer Dette kan være egenskaper ved krystallformen mineralet vanligvis opptrer i, videre egenskaper som skyldes mineralets lysbrytning og/eller hardhet i forhold til omgivende korn i preparatet, eller til limstoffet. Perthittstruktur i feltspat er stripet sammenvoksing av to ulike feltspater. 5. Korngrenser, omdanning, forvitring Alle omdanningsprosesser starter langs korngrenser, dernest langs spalteriss. Begynnende forvitring vises ved at en "grøtet" eller "grynet" rand bestående av ørsmå nydannede, ulike mineralkorn opptrer. Er hele korn forvitret, sees ofte bare rester av mineralets opprinnelige strukturer. Annen fysisk påvirkning kan føre til at mineraler helt eller delvis omdannes til et nytt mineral. Delvis omdanning gir mineraler som oftest en sonar oppbygging. 6. Lysbrytning og dobbeltbrytning Disse egenskapene varierer for alle transparente mineraler. Mineraler som krystalliserer i kubisk form (granat, flusspat m.fl.), samt amorfe (ikke krystalline) som glass, viser derimot ikke dobbeltbrytning. Ertsmineraler som metallsulfider er normalt ugjennomsiktige (svarte) i mikroskopet og har følgelig ingen lysbrytning eller dobbeltbryting. Lysbrytningen, betegnet n gjennom mineraler varierer med mineralets orientering i slipet i forhold til lysstrålens svingeretning. For hver eneste mineraltype varierer lysbrytningen innenfor sin egen bestemte grense. Forskjellen mellom laveste og høyeste verdi for n beskriver maksimal dobbelt-brytning betegnet D. I mikroskopet vil dobbeltbryt-ningen vise seg under innkobling av øvre Nicol ved at ulike interferensfarger opptrer. Laveste interferens-farge er grått av 1. orden, dvs. meget lav D. Et interferensfargekart (se Tröger, Kerr eller Winchell) vil vise sammenhengen mellom interferensfarger og D ved ulik slipetykkelse. Ved vanlig sliptykkelse på 0,03 mm vil de fleste mineraler vise interferensfarger av 1. eller 2. orden. Mineraler med høy D som kalkspat, dolomitt og glimmere, viser høyere ordens farger i pastell. Fargekartet viser at for disse mineralene vil svært små variasjoner i sliptykkelse føre til at ulike pastellfarger opptrer innenfor hvert mineralkorn. Mineraler med svært lav D varierer lite i farger (f.eks. feltspat), grått til hvitt av 1. orden, selv ved litt ujevn sliptykkelse. Lysbrytningen gjennom mineralet varierer etter den orienteringen det har i tynnslipet. Dette har sammenheng med mineralets optiske egenskaper. Ulike krystallsystemer viser ulike optiske egenskaper. Lysets svingeretninger vil i visse tilfelle interferere med krystallene i positiv eller neg-ativ retning, alt etter krystallenes optiske akser. Krystallsystem: Kubisk: Ingen opt. akser, isotrop, ingen interferens Tetragonal: 1 optisk akse Heksagonal: 1 optisk akse Trigonal: 1 optisk akse Rombisk: 2 optiske akser Monoklin: 2 optiske akser Triklin: 2 optiske akser Dersom krystallen ligger orientert slik i tynnslipet at en eller begge de optiske akser ligger i plan med slipet, vil den høyeste interferensfarge for mineralet opptre. Er optisk akse (1-akset) eller midtpunkt mellom to akser, såkalt bisektrix orientert parallelt mikroskopets akse vil 1-aksete mineraler være utslukket, 2-aksete viser stabile eller laveste interferensfarge for mineralet ved dreiing av bordet. Dette, sammen med bruk av mikroskopets tilbehør som kvartskile (eller innsatt kvartsblad, glimmerblad eller gipsblad), kan medvirke til bestemmelse av bl.a. lysbrytningsindeksene (n maks ) og (n min ), samt den optisk positive og optisk negative svingeretning gjennom mineralet. Hvorvidt mineralet er optisk positivt eller negativt kan bestemmes ved å innstille største forstørrelse, innsette kondensorlinsen og bertrandlinsen med øvre Nicol innkoblet. For optisk 1-aksete mineraler vil et svart kors opptre i samstilling med okularets trådkors. Ved å skyve inn et av bladene kvarts, glimmer eller gips, alt etter antatt størrelse på D, fremkommer spesielle fargekombinasjoner. Nær korsets senter vil blå farge opptre i øvre høyre kvadrant og i nedre venstre kvadrant for optisk postitive mineraler. For optisk negative mineraler vil gul farge opptre i samme posisjon. For optisk 2-aksete mineraler er det først nødvendig å finne retningen for bisektrix (laveste stabile interferensfarge). Aksebildet som opptrer, er ikke lenger et kors, men består av to isogyrer (parabler). Minste avstand mellom to isogyrer viser planet for de to optiske akser og midtpunktet mellom isogyrene posisjonen for bisektrix. I parablenes krummeste del vil fargen for optisk positivt eller negativt mineral være synlig i samme kvadranter som ovenfor. Er avstanden mellom isogyrene stor, vil en isogyr opptre alene, dersom mineralet i slipet er orientert vinkelrett den ene av de optiske akser. Ved dreiing av bordet vil isogyren i en posisjon vise en parabel og derved gi den samme optiske bestemmelse som omtalt ovenfor. I figur er de hyppigst forekommende mineraler omtalt. De egenskaper som er nevnt, er de viktigste for bestemmelse og gjenkjennelse og til å skille ulike mineraler fra hverandre. De viktigste bergarter de forekommer i, er også nevnt. Det er dessuten verd å merke seg at visse mineraler sjelden eller aldri opptrer i samme

4 side 4 av 6 bergart. Kvarts og olivin er eksempel på to slike mineraler. Navn Egenfarge Spalteriss Tvillinger Hardhet, krystallsystem og struktur Optiske egenskaper og forekomster Feltspater: Plagioklas Mikroklin (An)-ortoklas (Sanidin) Fargeløs - "- - " - 2 retn., 86 - " -, 90 - " -, 90 Lamellær. "Gitter". Søyleaktig (ikke lameller) Lavt relieff kornet eller stenglig, perthittstruktur H = 6. Kan være sonare, omvandlet (serisittisert), grynet. Monoklin eller triklin n-lav, D-lav (interferens 1. orden grå til hvit) opt. -. Plagioklas op-tisk variabel. Magmatiske bergarter, gneis, granitt, gråvakke, arkose, skifer, amfibolitt, i grønnstein ofte omvandlet, pegmatitt Kvarts Fargeløs Ingen Sjelden Lavt relieff kornet H = 7. Trigonal n-lav, D-lav, undulerende ved x Nicol vanlig, lys gul 1. orden. Opt. +. Granitt, kvartsdioritt, gneis, kvartsitt, skifer, pegmatitt. Aldri sammen med olivin Sjiktsilikater (glimmere): Muskovitt Fargeløs til gulhvit markert spalteretning forekommer stenglig, langprismatisk, Relieff variabelt H = 2-2,5. Monoklin n-lav til midlere, D-høy, Interferens av høy orden i nyanser. Opt.-. Granitt, syenitt, gneis, skifer, hornfels, pegmatitt Biotitt Grønnbrun, gulbrun, grågrønn, brun. markert spalteretning forekommer Stenglig, langprismatisk, Relieff variabelt H = 2,5-3 Monoklin n-lav til midlere, D-høy, Interferens av høy orden i nyanser. Opt.-. Granitt, syenitt, gneis, am-fibolitt, dioritt, gabbro, grønnstein, glimmerskifer Kloritt Grønnlig gul, gulbrun, grågrønn markert Forekommer Stenglig, kornet eller stråleformet H = 2. Monoklin n-midlere, D-lav, anomal gråblå vanlig. Opt.variabel ±. Kloritt-skifer, fylitt, glimmerskifer, grønnstein som omv. produkt, kleberstein Epidot (Klinozoisitt) Lys gul til fargeløs god Forekommer Kornet, av og til stenglig. H = 6,5. Monoklin. Høyt relieff n-midl. til høy, D-lav til midlere, gråblå 1. orden er anomal til gulgrønn 2. orden.d-lav er opt. +, D-høyest er opt.-. Grønnstein, hornfels, amfibolitt, gneis og som sekundært dannet mineral i magmatiske bergarter Kalkspat (Cc) og dolomitt (Dol.) Fargeløs 2 retninger ~ 75 Ofte lamellær Begge: Kornet, av og til romboëdrisk, trigonal. Cc: H = 3 Dol. H = 3,5-4 n-meget lav til midlere, d-meget høy. Interfer. av høy orden. Opt.-. (Dolomitt) - marmor, kalkstein, skifer, pegmatitt, sprekkefylling Granat Lys rosa, lys gul, fargeløs Dårlig Ingen Kornet, rundet eller euhedral. Høyt relieff. H = 6,5-7,5. Kubisk. Av og til sonarbygget n-høy, isotrop. Gneis, amfibolitt, glimmerskifer, serpentinitt, pegmatitt, hornfels og "skarn" Figur : De hyppigst forekommende mineraler i norske bergarter (fortsettes neste side)

5 side 5 av 6 (Fortsatt fra forrige side) Navn Egenfarge Spalteriss Tvillinger Hardhet, krystallsystem og struktur Optiske egenskaper og forekomster Olivin (-rekken) Fargeløs til svakt gul Dårlig i 1 retnning Forekommer Kornet. H = 6,5-7 Rombisk Høyt relieff n-midlere til høy, D-middels til høy, interfer. 2. orden rød - 3. orden gul. D- lavest opt.+, D-høyest opt.-. Olivinstein, gabbro, basalt, pegmatitt, aldri sammen med kvarts. Serpentin (-gruppen) Lys grønn, lys gul til fargeløs Ingen Bladig, strålformet, bøyde korn. H = 1-4. Monoklin Lavt relieff n-lav til middels, D-lav, hvit til orange 1. orden. Omvandlet fra olivin i serpentinitt, grønnstein (omv. gabbro), grønnskifer Hornblende (varianter) Lys grønn til brun, blågrønn, gulbrun 2 retninger Lamellære, stengelige Stenglig, langprisma-tisk, kornet. H = 5-6 Som oftest monoklin. Middels relieff n-middels, D-middels til lav, gult 1. orden til grønt 2. orden. som oftest opt.-. Gneis, granitt, dioritt, syenitt, gabbro, amfibolitt, grønnstein glimmerskifer, hornfels m.m. Pyroksen (-varianter) Fargeløs til grønnlig, brunlig med nyanser i blått, gult og grått 2 retninger ~ 90 Tavleformet, lamellære eller søyleform. forekommer. Kornet eller kortprismatisk. H = 5,5-6. Rombisk eller monoklin. Høyt relieff n-middels til høy, D-middels lav til høy, gult 1. orden til grønt 3. orden. Som regel opt. +. Gabbro, basalt, dioritt, hornfels, høymet. gneis Figur : De hyppigst forekommende mineraler i norske bergarter Resultater Registreringer 1. Det kan i en del tilfeller være behov for å undersøke bergarters prosentvise innhold av mineraler. En modal-analyse gir uttrykk for det volummessige mineralinnhold basert på telling av enkeltmineraler i f.eks. tynnslip. Til dette trengs et eget telleapparat som festes til mikroskopets bord, der spesielle stillskruer beveger slipet i to retninger. Ved dreining av skruene til det merkes et knepp, har slipet beveget seg en bestemt lengde enten i Ø-V eller i N-S retning. Ved å notere det mineral som etter hver bevegelse befinner seg i senter av okularets trådkors, kan hele slipet undersøkes (f.eks. ca. 200 punkter) og det prosentvise innhold av mineraler bestemmes. 2. Variasjoner i kornstørrelse opptrer svært ofte i bergarter. Dette kan skyldes differensiert lagdeling, omdanningsprosess og/eller krystallisasjonsrekkefølge i et magma. 3. Variasjoner i kornstørrelse er mest utbredt i skifrige og omdannede bergarter som glimmerskifer, konglomerater, breksjer og ulike gneiser. Magmatisk dannede bergarter er som oftest langt mer massive i denne sammenheng, men kan variere mot grenser til andre bergarter. Det kan følgelig være nødven-dig å undersøke variasjoner i inhomogene og skif-rige bergarter mer grundig med flere preparater enn massive og homogene typer. 4. Omdanning som skyldes forvitringsprosesser, kan være vanlig der mineralinnholdet er lite stabilt. Visse typer mineraler som eksempelvis feltspat, pyroksen og granat kan være helt eller delvis omdannet til eksempelvis epidot, amfibol, kloritt, o.a. til en finkornet "grynet" masse. Denne vil normalt være vanskelig å identifisere. Forvitring av jernholdige ertsmineraler føre ofte til farging langs korn- og bruddgrenser i røde, brune eller gule farger (rust) som skyldes jernhydroksider. 5. De fleste preparater vil inneholde mineraler som av ulike årsaker ikke lar seg identifisere. Spesielle kunnskaper vil ofte være nødvendig for en eventuell gjenkjennelse av mer sjeldne mineraler. Ulike antall mineraler vil nesten alltid opptre i små mengder under betegnelsen aksessorier. Blant

6 side 6 av 6 de mest vanlige er apatitt, titanitt, zirkon, spinell og zoisitt. Rapportering Behovet for egen rapport må vurderes individuelt etter undersøkelsens karakter og omfang. Dersom mikroskoperingen bare har til hensikt å gi svar på en enkel bergartsbestemmelse, er egen rapport unødvendig, eller den inngår som en del i et rapportskjema vedrørende spesifikke mekaniske egenskaper. Omfatter undersøkelsen en rekke preparater der formålet er å beskrive flere bergartstyper eller variasjoner i disse i en større sammenheng, vil beskrivelsene inngå som en del av en større rapport. Alle registreringer av betydning skal listes opp, gjerne skjematisk framstilt og sammenfattes i en konkluderende form med eventuelle andre registreringer i felt eller laboratorium.