MIKROSKOPIE 1

Unterlagen zur Lehrveranstaltung 620.108

Stand: SS 2006

Zusammengestellt von

ao.Univ.Prof. Dr. J.G. Raith

LV 620.108 Mikroskopie 1

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DURCHLICHTMIKROSKOPIE

Ziele der Lehrveranstaltung

• Bestimmen der wichtigsten gesteinsbildenden Minerale im Durchlichtmikroskop• Beschreibung und Dokumentation von Gefüge- und Texturbeziehungen im Mikrobereich• Erlernen der Methodik des Mikroskopierens• Vertiefen der Kenntnisse in Mineraloptik

Das Mikroskopieren ist eine der wichtigsten Arbeitsmethoden der Geowissenschaften und Siewerden die in diesem Kurs vermittelten Grundkenntnisse noch in vielen anderenLehrveranstaltungen und wahrscheinlich auch nachher in ihrem Beruf brauchen!

Das PolarisationsmikroskopIn der Mineralogie verwendete Durchlichtmikroskope zeichnen sich dadurch aus, daß mitihnen nicht nur Präparate (z.B. Mineralkörner eines Dünnschliffes) unter starkerVergrößerung betrachtet werden können. Durch die Verwendung von polarisiertem Licht undder Möglichkeit Minerale unter gekreuzten Polarisatoren zu studieren, eröffnen sich vieleMöglichkeiten verschiedene optische Eigenschaften von Mineralen zu bestimmen. DieseEigenschaften erlauben oft eine eindeutige Mineraldiagnose mit relativ einfachen Mitteln.Wesentliche Information zum Gefüge von Gesteinen ist oft nur mikroskopisch zu erhalten(z.B. feinkörnige Vulkanite).Bei der Durchlichtmikroskopie wird üblicherweise mit "weißem", linear polarisiertem Lichtgearbeitet, das mit Hilfe von Polarisationsfiltern erzeugt wird.

Frischen Sie Ihre Kenntnisse in Physik auf!Schlagworte:

• Wellentheorie des Lichtes nach der Theorie von Maxwell; Licht alselektromagnetische Welle

• sichtbare Wellenlänge des Lichtes: weißes Licht (395-760 nm),• monochromates Licht: bestimmte Wellenlänge (z.B. blau 450 nm, grün 550 nm, rot

700 nm)• normales Licht, linear polarisiertes, zirkular und elliptisch polarisiertes Licht

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Lichttheorien

A. Wellentheorie

C. Huygens (1629-1695): Begründer der Wellenlehre; Huygenssches PrinzipJ. Maxwell (1831-1879): Theorie des Lichts als elektromagnetische Welle

B. TEILCHENTHEORIE

I. Newton (1643-1727): Begründer der Korpuskular- oder TeilchentheorieM. Planck (1858-1947): Quantentheorie

Ad. A.

• Elektromagnetische Welle besteht aus zwei senkrecht aufeinander schwingendenSinuswellenzügen. Der Ausschlag (= Amplitude) entspricht der elektrischen bzw.magnetischen Feldstärke

• Die beiden Wellen schwingen in Phase• Gewöhnlich wird nur die elektrische Komponente betrachtet.

Bezeichnungen:• Wellenlänge λ = kürzester Abstand von zwei Punkten im gleichen

Schwingungszustand• Schwingungsdauer T = Zeit in der eine Schwingung ausgeführt wird• Frequenz ν = Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit; Anzahl pro s = Hertz (Hz)• Wellengeschwindigkeit; abhängig vom Medium! ; im Vakuum c = 2.998 * 108 ms-1

c/λ = ν = 1/T

Wellentheorie ist besonders geeignet zur Erklärung von• Interferenz• Polarisation

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Abb. 1.1. Wellentheorie des Lichts

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Einige Bemerkungen zum Mikroskopieren

Vor dem Beginn des eigentlichen Mikroskopierens sollten Sie die Bestandteile einesMikroskops kennen.

Übung: Benennen Sie die wichtigsten Teile des Durchlichtmikroskops (Olympus BX40) inAbb. 1.3. Prägen Sie sich die Namen der wichtigsten Bestandteile ein!

1. Nachdem Sie die Lichtquelle des Mikroskops eingeschaltet haben, prüfen Sie, ob dieKondensor-Hilfslinse und die Bertrand-Amici Linse ausgeklappt sind. Diese werden nur beimkonoskopischen Strahlengang ("Achsenbild") verwendet.2. Öffnen Sie die Kondensor-Aperturblende.3. Klappen Sie den Analysa tor aus. Bei eingeklapptem Analysator (gekreuztePolarisationsfilter) bleibt das Gesichtsfeld, wenn sie kein Präparat auf dem Objekttisch liegenhaben, dunkel! Dann sind die Pol. Filter exakt 90° gekreuzt.4. Nachdem Sie einen Dünnschliff auf dem Objekttisch postiert haben – mit der richtigenSeite, also mit dem Deckglas nach oben! – überprüfen Sie, ob die Objektive zentriert sind.Falls erforderlich zentrieren sie diese bzw. den Objekttisch, nachdem ein Betreuer Siediesbezüglich eingewiesen hat. Dies ist vor allem bei den Objektiven mit stärkererVergrößerung nötig (z.B. Erstellung eines Achsenbild). Zum Wechsel der Objektive nicht amObjektivrevolver-Ring drehen (Gefahr des Dezentrierens!)

Das mikroskopische Präparat - Der DünnschliffDie meisten gesteinsbildenden Minerale sind bei einer Dicke von <30µm durchsichtig undkönnen im Durchlicht untersucht werden (=Durchlichtmikroskopie). Solche die es nicht sind,wie z.B. viele Erze, werden als opak bezeichnet. Sie können nicht im Durchlicht, sondern nurim Auflicht untersucht werden (=Auflichtmikroskopie).Das Präparat wird auf einen Glasträger (Standardgröße 4.5 x 2,7 cm) aufgeklebt (mitZweikomponentenkleber, Kanadabalsam, Araldit etc.), durch Schleifen (diverse Schleifmittel,wie Korund, Diamant) auf eine Dicke von ca. 25-30 µm gebracht und schließlich mit einemsehr dünnen Glasplättchen (Deckglas) abgedeckt. Die praktische Herstellung einesDünnschliffes erlernen Sie in den Geowissenschaftlichen Arbeitsmethoden.

Abb. 1.2. Schema eines Dünnschliffs

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Das Olympus BX40 Polarisationsmikroskop

Abb. 1.3. Olympus BX 40 Polarisationsmikroskop

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Welche Eigenschaften bzw. Parameter können zur Bestimmung verwendetwerden?

Morphologische Angaben1) Umgrenzung von Kornschnitten2) Proportionen von Kornschnitten und Raumgestalt3) Zwillinge4) Spaltbarkeit5) Zonarstrukturen, Einschlüsse

Optische Parameter

1) Höhe der Lichtbrechung (Brechungsindices, Relief)2) Eigenfarbe, Pleochroismus3) Optische Isotropie bzw. Anisotropie4) Interferenzfarben und Doppelbrechung5) Lage und Bezeichnung der Schwingungsrichtungen6) Optischer Charakter (einachsig - zweiachsig, positiv - negativ)7) Achsenwinkel8) Dispersion der Achsen und der Lagen

Beziehungen zwischen optischen und morphologischen Eigenschaften1) Auslöschungsschiefe2) Lage der optischen Achsen und Achsenebene3) Zonencharakter

Nur Mut! Wir besprechen diese Begriffe während der nächsten Kurse. Am Ende des

Praktikums werden Sie wissen, was sie bedeuten und wie Sie Beobachtungen dazu

systematisch machen und dokumentieren!

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Durchsichtige - undurchsichtige (= opake) Minerale

Undurchsichtige = opake Minerale: sind auch bei geringer Dicke im Dünnschliff

undurchsichtig

Untersuchung mittels Auflichtmikroskopie, Erzmikroskopie

Durchsichtige Minerale: im Dünschliff durchsichtig

Untersuchung mittels Durchlichtmikroskopie

1. optisch isotrope Kristalle

2. optisch anisotrope Kristalle

Erkennen von Isotropie - AnisotropieIn Abhängigkeit von der Gitterstruktur eines Minerals liegt bei vielen Kristallen eineRichtungsabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes vor (optischeAnisotropie! ). Es lassen sich zwei normal aufeinander schwingende Teilstahlenunterscheiden, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortpflanzen. Ein schnellerer(=mit niedrigere Lichtbrechung nα´), und ein langsamerer (=höherere Lichtbrechung nγ´).Isotrope Medien (z.B. Gläser, kubische Minerale wie etwa Granat) zeigen keinerichtungsabhängige Ausbreitung des Lichtes.

Diagnose: Bei gekreuzten Polarisationsfiltern bleiben isotrope Kristalle dunkel.Anisotrope zeigen 4x Dunkel- und 4x maximale Aufhellungsstellung! Dunkelstellung bei0, 90, 270, 360°, Hellstellung bei 45, 135, 225, 315°.

Strahlengang im MikroskopDas Köhler’sche Beleuchtungsverfahren ermöglicht die Betrachtung des Minerals unter zweiverschiedenen Gesichtspunkten.

Orthoskopische Abbildung: ermöglicht vor allem die Strukturanalyse des Dünnschliffs.

Konoskopische Abbildung: ermöglicht die Analyse der Lichtwellen in verschiedenen

Richtungen des einzelnen Minerals; v.a. Achsenbilder und Bestimmung des optischen

Charakters.

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BEOBACHTUNGEN MIT EINFACH LINEAR POLARISIERTEMLICHT

A. Morphologische Eigenschaften

Umgrenzungen von Kornschnitten

Zur Beschreibung, inwieweit kristallographische Flächen an einem Mineralkorn ausgebildetsind, werden die Begriffe idiomorph, hypidiomorph und xenomorph verwendet (Abb. 1.4.).

idiomorph (euhedral): alle beobachtbaren Grenzflächen sind gerade Flächenhypidiomorph (subhedral): nur ein Teil der Grenzflächen ist schön ausgebildetxenomorph (anhedral): keine ausgebildeten Grenzflächen erkennbar

Abb. 1.4. Kornumrisse bei Schnitt durch a ein idiomorph, b ein hydpidiomorph und c ein xenomorphausgebildetes Mineralkorn

Kornschnitte und RaumgestaltDie räumliche Ausbildung eines Minerals ergibt sich aus den Proportionen der verschiedenenKorndurchschnitte einer Mineralart.

1. Isometrische (äquidimensionale) Ausbildung: Flächenausdehnung nach allen Richtungenannähernd gleich; z.B. alle kubischen Kristalle.

2. Anisometrische (nicht äquidimensionale) Ausbildung: Flächenausdehnungrichtungsabhängig verschieden; z.B. lang gestreckte, prismatische Kristalle; nichtkubischeKristalle.

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Abb. 1.5. Schnittlagen durch Kristalle verschiedener Kristallsysteme (aus Puhan, 1994)

Mit etwas Erfahrung kann aus mehreren Schnittlagen eines Minerals auf das Kristallsystemgeschlossen werden. Man beachte, daß im Mikroskop immer ein zweidimensionales Bildbeobachtet wird, während sich ein Kristallsystem auf ein dreidimensionalen Körper(eigentlich dessen Achsenkreuz etc.) bezieht. Daher immer mehrere Schnittlagen einerMineralart, aber auch andere Kriterien, wie die Auslöschungsschiefe, in Betracht ziehen!

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B. Spaltbarkeit

Spaltbarkeit ist die gitterbedingte "Neigung" von Mineralen sich bei mechanischerEinwirkung entlang bestimmter kristallographischer Flächen aufzuspalten. Es entsteht meisteine Schar paralleler Spaltrisse. Ein Mineral kann Spaltbarkeit nach einer Richtung bzw.nach mehreren Richtungen zeigen. Die Qualität der Spaltbarkeit kann folgendermaßenbeschrieben werden:

sehr vollkommen (vv)vollkommen (v)gut (g)deutlich (d)schlecht (schl)

Bei mehreren vorhandenen Spaltrichtungen kann auch der Winkel den die Spaltflächeneinschließen gemessen und angegeben werden. Dieser Winkel ist z.T. diagnostisch fürbestimmte Mineralgruppen (z.B. Unterscheidung von Amphibolen - Pyroxenen!).

Abb. 1.6. Erklärung der Spaltbarkeit an Pyroxenen und Amphibolen

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C. Lichtbrechung

Lichtbrechung in optisch isotropen MedienDas Brechungsgesetz nach Snellius (1615)Bitte Bezeichnungen in der Skizze vervollständigen!

Abb. 1.7. Huygensches Konstruktionsprinzip des Brechungsgesetzes beim Übergang zwischen zweiisotropen Medien

Relief und ChagrinEine erste Abschätzung der Lichtbrechung erfolgt auch über die Beobachtung des Relief sbzw. des Chagrins. Ein farbloses Mineral tritt in seinem Erscheinungsbild umso stärker ausder Umgebung anderer Mineralkörner hervor, je mehr sich sein Brechungsindex (n) vonjenem der Umgebungsminerale unterscheidet. Minerale mit wesentlich höherem n tretenscheinbar positiv, solche mit niedrigerem n negativ hervor. Dies wird als positives bzw.negatives Relief bezeichnet.

Chagrin beschreibt eine beobachtbare "unregelmäßige" Internstruktur an Mineralkörnern mithoher Lichtbrechung, die umso deutlicher wird je höher n ist. Sie kommt durch diffuseReflexion, Beugung etc. an Unebenheiten der Schliffober- und -unterseite (feine Ausbrüche,Risse) zustande. Ein Mineral das durch hohes Relief und Chagrin gekennzeichnet ist, wärez.B. Granat.

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Becke LichtlineBeim praktischen Mikroskopieren reicht zumeist die Bestimmung der relativenLichtbrechungsunterschiede zweier aneinander angrenzender Minerale aus. Die einfachsteMethode die relative Lichtbrechungsunterschiede zu bestimmen ist mittels der Becke-Lichtlinie.Vorgangsweise zur Bestimmung der Becke-Lichtlinie- Wählen Sie einen geeigneten Kornkontakt aus- Prüfen Sie, ob der Analysator ausgeklappt ist- Wählen Sie eine mittlere Vergrößerung (z.B. Objektiv 20 od. 25)- Fokussieren Sie das zu untersuchende Korn- Schließen Sie die Aperturblende an der Kondensoreinheit (das Relief des Kornes wird

dadurch noch deutlicher hervorgehoben)- Defokussieren und fokussieren Sie das Korn mehrfach durch rasches Drehen am

Feintrieb. Sie sollten dabei eine zarte wandernde Lichtlinie an der Korngrenze sehen.- Wenn sie den Abstand zwischen Tisch und Objektiv vergrößern, indem sie den Tisch

senken, wandert diese Linie in das Korn mit der höheren Lichtbrechung!

Abb. 1. 8. Lage der Becke Linie bei etwas angehobener Fokussierebene des Mikroskopobjektivs. Dasobere Korn ist höher lichtbrechend als die Umgebung. Die Lichtlinie liegt am inneren Rand des Korns.Beim unteren Korn liegt die Lichtlinie außen und zeigt, daß die Umgebung höher lichtbrechend ist

ImmersionsmethodenDie genaue Bestimmung der Größe des/der Brechungsindizes erfolgt indirekt durchEinbettungs- (Immersions-) methoden. Hierzu wird die Brechung der Umgebung des Körpersim Vergleich mit Flüssigkeiten genau bekannter Lichtbrechung durch sukzessives Angleichenermittelt. Die Lichtbrechung der Flüssigkeit wird schließlich mit Refraktometern (Jelley- oderAbbe-Refraktometer) bestimmt.

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D. Eigenfarbe und Pleochroismus

Im Durchlichtmikroskop können nur Minerale, die bei einer Dicke von ca. 20-30 µmdurchsichtig sind, untersucht werden. Dies sind z.B. die meisten Silikate, Karbonate.Minerale, die auch bei so geringer Dicke undurchsichtig sind, werden als opake Mineralebezeichnet. Dies sind sehr häufig Erzminerale (Sulfide, viele Oxide), aber auch Graphit undandere feste organische Verbindungen („kohlige Substanz“). Opake Phasen können nur imAuflichtmikroskop näher bestimmt werden.

Bei durchsichtigen Mineralen sind bei einfach polarisiertem Licht (//N) farblose vonMineralen mit Eigenfarbe zu unterscheiden. Eigenfarbe ist eine Folge von Absorptionbestimmter Wellenlängen des Lichts in einem Kristallgitter.

Isotrope (kubische)Kristalle:Keine Richtungsabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. der Absorption vonLichtwellen im Gitter. Immer farblos oder nur eine Farbe beobachtbar; keine Änderung!

Anisotrope (nicht kubische) Kristalle:Richtungsabhängige Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtwellen bzw. derAbsorption im Gitter. Daher unterschiedliche Eigenfarbe in verschiedenen Richtungenbeobachtbar = Pleochroismus. Erkennbar beim Drehen des Tisches am Mikroskop bei //N.

Dichroismus: zweifarbig; alle Wirtelkristalle (tetragonal, hexagonal, trigonal.)Trichroismus: dreifärbig; alle niedrig symmetrischen Kristalle (rhombisch, monoklin,triklin)

Für die praktische Arbeit ist es wesentlich die Farbe des Pleochroismus einerSchwingungsrichtung zuzuordnen (siehe Praktikum 2).

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Empfohlene Literatur zum Nachlesen und Nachschlagen

Deer W. A., Howie R. A. and Zussmann J. (1992): An introduction to the rock-formingminerals. Hong Kong (Longman). 2 nd edition, 696 p.

Gribble C. D. and Hall A.J. (1992) A practical introduction to optical mineralogy. London,(Chapman & Hall), 249 p.

Müller G. und Raith M. (1973): Methoden der Dünnschliffmikroskopie. ClausthalerTektonische Hefte, 14, 131 p.

MacKenzie W. S. und Guilford C. (1980): Atlas gesteinsbildender Minerale in Dünnschliffen.Stuttgart (Enke), 97 p.

Nesse, W.D. (1991): Introduction to Optical Mineralogy. 2nd edition. Oxford Press,335 p.

Pichler H. und Schmitt-Riegraf C. (1987). Gesteinsbildende Minerale im Dünnschliff.Stuttgart (Enke), 230 p.

Puhan D. (1994). Anleitung zur Dünnschliffmikroskopie. Stuttgart (Enke), 172 p.

Tröger W. (1982): Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale. Teil 1 und 2.Stuttgart (Schweitzerbart)