Caracterització de minerals amb el microscopi petrogràfic

L’observació de minerals en el microscopi petrogràfic amb llum transmesa i reflectida és una tècnica fonamental en mineralogia i petrologia ja que permet identificar i caracteritzar un gran nombre de minerals i les seves textures a partir determinar diferents propietats com ara la mida de gra, el percentatge modal, l’hàbit mineral, el clivatge, les textures o les propietats òptiques amb llum polaritzada transmesa o reflectida.

La mida de gra, tot i no ser una propietat òptica, és una propietat bàsica dels minerals que es pot determinar amb el microscopi. En funció de la mida de gra es diferencien minerals de gra molt gros (més de 16 mm), gros (entre 16 i 4mm ), mig (entre 4 i 1 mm), fi (entre 1 i 0.1 mm), molt fi (entre 0.1 i 0.01 mm) i ultra fi (menys de 0.01 mm). En una roca, els grans minerals de gra més fi sovint es diu que defineixen la matriu. Els grans minerals que són relativament més grans reben diferents noms en funció del seu origen com clast (en roques sedimentàries detrítiques), fenocristall (en roques ígnies), o porfiroclast o porfiroblast (en roques metamòrfiques, segons siguin minerals relictes o minerals que sobrecreixen una matriu preexistent, respectivament).

 

A l’esquerra, clastos de quars de color blanc d’un gres del Miocè de Montjuïc. Al centre, fenocristalls de quars d’un pòrfir leucogranític del Montseny. A la dreta, porfiroclastos de quars d’una quarsita del Cambroordovicià d’Andorra (cv de les tres fotografies ≈ 3 x 2,4 mm).

L’abundància d’una fase mineral en el conjunt de la mostra és una altra característica important. En aquest sentit sovint es calcula l’àrea que ocupa el mineral en el conjunt de la superfície de la mostra. Els minerals essencials són aquells que ocupen una àrea de més del 5% i que la seva presència, generalment, és emprada com a criteri de classificació de la roca que els conté. Per contraposició hi ha els minerals accessoris que representen menys del 5% i no són determinants per la classificació de la roca.

 

Plantilla de referència per establir el percentatge modal de minerals de forma aproximada.

En una mostra de roca, la distribució del mineral en el seu conjunt evidentment que també és un fet destacable. Una fase mineral es pot trobar formant cristalls individuals, cristalls disseminats més o menys ben repartits en el conjunt de la mostra, o bé en agregats formant cossos massius o arranjaments de textures diverses.

En microscòpia òptica, la forma dels grans és una altra propietat que ajuda a descriure els minerals i en alguns casos a identificar-los. En funció de les vores dels grans minerals es diferencien els cristalls euèdrics (o idiomorfs) que tenen totes les vores rectes, els subèdrics (o subidiomorfs) que tenen alguna vora recta i els anèdrics (o xenomorfs) que no tenen cap vora recta. Les formes de les seccions dels minerals en làmina prima són un producte del seu hàbit que pot ser  equant, rectangular, prismàtic, tabular, acicular, radial, nodular, globular, esquelètic o lamel·lar, entre altres.

 

Alguns exemples d’hàbits minerals.

Cal tenir present però que un mateix cristall pot donar seccions molt diferents en funció de com s’orienti respecte el pla de tall.

 

Exemple de la secció de cristalls en una làmina prima. A l’esquerra, conjunt de cristalls prismàtics, de base quadrada, de la mateixa mida orientats de diferent forma i situats a diferents alçades respecte un pla de tall, de color blau cel (les parts dels cristalls que se situen pel damunt del pla de tall són de tonalitats granat). A la dreta, de color lila es mostren les seccions dels cristalls. Els models mostren la variabilitat de formes que poden derivar d’un mateix cristall, en aquest cas tetragonal, en funció de la seva posició i orientació a l’espai.

Internament, molts minerals es caracteritzen per fracturar-se seguint una o vàries famílies de plans relacionats amb la seva estructura cristal·lina. Aquestes famílies de fractures s’anomenen clivatge o plans d’exfoliació, i en microscòpia òptica defineixen unes traces característiques que serveixen per a la identificació d’alguns minerals.

 

Secció basal d’hornblenda amb dues famílies de plans d’exfoliació (clivatges) principals fent un angle de 60º.

L’anàlisi de les formes i les textures dels minerals permet deduir la seqüència de cristal·lització de dues o més fases minerals. D’aquesta anàlisi se’n deriven els conceptes de mineral primari, entès com aquell que existia prèviament, i mineral secundari, entès com aquell que deriva de la transformació d’una fase o fases preexistents.

 

Il·lustracions d’algunes textures microscòpiques generals que serveixen de referència per descriure relacions geomètriques entre els grans minerals d’una mostra de roca.

Malgrat que molts minerals en mostra de mà són de color, en làmina prima molts d’ells són incolors o quasi bé incolors. Tot i així en el microscopi, amb llum transmesa, alguns minerals es poden diferenciar pel seu color característic. Aquests colors en els minerals anisòtrops sovint canvien en fer girar la platina. Aquesta propietat òptica, que mostra com varia l’absorció de les diferents longituds d’ona de la llum transmesa en funció de l’orientació del cristall, s’anomena pleocroisme i és molt útil per identificar algunes fases minerals.

 

A la part central de la fotografia de l’esquerra, cristall d’amfíbol de color verd fosc. A la dreta, el mateix cristall d’amfíbol de la imatge anterior rotat uns 90º, amb un color més clar. Aquesta variació del color en funció de l’orientació amb llum transmesa polaritzada plana que presenten alguns minerals, com aquest amfíbol, és fruit del pleocroisme.

Una altra propietat òptica que serveix per identificar moltes fases minerals amb microscòpia de llum transmesa és el relleu. En una imatge microscòpica de llum polaritzada plana el relleu d’un mineral fa referència a la intensitat en què un mineral concret destaca respecte els minerals o materials que l’envolten. És una propietat relacionada amb l’índex de refracció del mineral el qual és el quocient entre la velocitat de la llum en el buit i la velocitat de la llum en el mineral. En termes relatius, els minerals amb un major índex de refracció destaquen perquè tenen un relleu més alt.

 

Seccions rectangulars d’ortopiroxè inclosos dins una plagiòclasi les quals destaquen pel seu elevat relleu. (cv ≈ 2 x 1.6 mm).

En llum transmesa, la incidència d’un raig de llum polaritzada en un cristall comporta la seva refracció dins el cristall. En el cas de cristalls isòtrops, i seccions isòtropes, es forma un únic raig de llum polaritzada mentre que en els anisòtrops, exceptuant les seccions isòtropes, es formen dos rajos de llum polaritzada plana que es transmeten en plans perpendiculars. Aquest fenomen de doble refracció, s’anomena birefringència. Si s’intercala l’analitzador els rajos que emergeixen de la mostra sofreixen una transformació. En el cas de cristalls isòtrops, o seccions isòtropes de cristalls, la llum s’extingeix, en canvi en el cas de seccions anisòtropes de cristalls els dos rajos emergents, són recombinats per l’analitzador donant lloc a una llum de color que varia de forma progressiva quan es gira la platina. Aquests colors s’anomenen colors d’interferència i són el referent molt important per la caracterització de minerals amb llum polaritzada creuada. En làmines primes d’un gruix estàndard de 30 micròmetres, molts minerals anisòtrops es poden identificar comparant els seus colors d’interferència amb la taula de colors Michel-Lévy.

 

Escala de birefringència i colors d’interferència Michel-Lévy per làmines primes de roques i minerals de 0.03 mm de gruix. L’escala de colors ha estat cedida pel professor Dietrich Zawischa de la Universitat de Hannover

 

Agregat de cristalls de moscovita que es caracteritzen per presentar una gama de colors d’interferència molt vius. (cv ≈ 1 x 0,8 mm).

Les propietats òptiques dels minerals que en làmina prima són opacs s’han d’estudiar amb microscòpia de llum reflectida. En aquest cas les propietats que es determinen més habitualment són la reflectància, el color, la birreflectància, el pleocroisme de reflexió i el relleu de polit, amb llum polaritzada plana; i l’anisotropia i les reflexions internes, amb llum polaritzada creuada.

La reflectància, o reflectivitat, fa referència a la quantitat de llum que quan incideix a la superfície polida de la mostra es reflexa. D’aquesta forma es poden identificar fases minerals que reflecteixen la llum amb més o menys intensitat.

En llum reflectida, el color de la majoria de minerals opacs sol ser de tonalitats blanquinoses o grisoses molt dèbils, molts pocs minerals presenten uns colors distintius clars.

En llum polaritzada plana quan es gira la platina la reflectància i/o el color d’alguns minerals opacs varia. El canvi de la reflectivitat s’anomena bireflectància i el canvi de color pleocroisme de reflexió. Aquestes propietats, que estan relacionades amb l’anisotropia de l’estructura cristal·lina, serveixen per identificar algunes minerals.

El relleu de polit, entès com la resistència a l’abrasió d’un mineral particular en el procés de poliment de la mostra, és una propietat que serveix per diferenciar fases minerals amb el microscopi de llum reflectida. En una mostra polida, els minerals més resistents a l’abrasió tendeixen sobresortir i en conseqüència presenten un major relleu que els més tous, els quals es troben relativament més enfonsats.

 

Mineralització vista amb llum reflectida polaritzada plana, composta de minerals opacs de diferents reflectàncies, colors i relleus de polit. Al centre, s’observa un cristall de color gris d’esfalerita amb inclusions de cristalls de calcopirita (de color groc viu); i amb una reflectància significativament inferior que el cristall d’arsenopirita que l’envolta parcialment, de tonalitat rosada. El mineral de color clar que es troba a la meitat superior de la fotografia correspon a galena, el qual destaca per tenir un relleu de polit significativament inferior que l’arsenopirita.

Amb els polaritzadors creuats, es produeix una situació similar que en microscòpia de llum transmesa. En el cas de cristalls isòtrops o seccions isòtropes de minerals opacs la llum s’extingeix, en canvi en el cas de seccions anisòtropes la brillantor i/o el color canvien quan es gira la platina. Aquests canvis, que es coneixen amb el nom genèric d’anisotropia, també són útils per identificar alguns minerals opacs.

La presencià de reflexions internes, és un altre fenomen diagnòstic d’alguns minerals opacs. Aquest fenomen té lloc en minerals d’opacitat intermèdia, es caracteritza per definir zones de llum difusa sovint relacionades amb discontinuïtats, i està associat a la reflexió de la llum que travessa parcialment la superfície del mineral.

 

Agregat de cristalls d’hematites amb reflexions internes de color vermell característiques. (cv ≈ 0.5 x 0.4 mm).

Els angles d’extinció, les macles o zonacions són algunes altres característiques dels minerals, observables amb el microscopi petrogràfic, de llum reflectida o transmesa, que serveixen per identificar-los i caracteritzar-los.

Amb nícols creuats, la posició en que un determinat cristall anisòtrop s’extingeix es coneix amb el nom de posició d’extinció, i l’angle entre aquesta posició i alguna orientació característica del cristall és l’angle d’extinció. Si l’angle és zero es diu que el cristall té extinció recta, mentre que si és diferent a zero es diu que l’extinció és obliqua.

A la natura molts minerals sovint es presenten formant macles que corresponen a dos o més cristalls d’un mateix mineral units a través d’unes superfícies cristal·logràfiques característiques seguint uns patrons geomètrics determinats.

 

Cristalls de calcita amb macles tabulars de diferent gruix, d’un marbre de Gualba. (cv ≈ 1 x 0,8 mm).

Les zonacions fan referència a l’observació de canvis en les característiques òptiques entre el nucli i les vores d’un cristall. Aquests canvis en la majoria dels casos són fruit de variacions composicionals de minerals que formen solucions sòlides.

 

Cristall de plagiòclasi amb zonació composicional, d’una granodiorita de la Cerdanya.

Existeixen altres característiques diagnòstiques de minerals com ara les exsolucions (descomposició d’una solució sòlida en dues fases minerals diferents) o les alteracions (transformació d’una fase mineral primària en una o unes de secundàries), que d’alguna forma representen el testimoni de les condicions físiques i químiques a les que ha estat sotmès un mineral al llarg del temps, des de la seva formació.

 

Cristalls d’olivina, de color verd i blau amb fractures, parcialment alterats per cristalls de serpentina versicolors de gra molt fi. (cv ≈ 1 x 0.8 mm).