L08　光性礦物學（二）

這講在回答：加上上偏光鏡（正交偏光）之後，礦物為什麼會變黑（消光）或出現顏色（干涉色）？干涉色由什麼決定、怎麼用它鑑定礦物或檢查薄片厚度？最後怎麼把開放偏光和正交偏光的觀察合起來，認出十一種常見造岩礦物？

考前 30 秒

1. 正交偏光看四件事：雙晶、環帶、消光、干涉色。
2. 非等向性礦物把光拆成兩道振動方向互相垂直、速度不同的光；轉一圈消光 4 次（振動方向和偏光鏡平行時）。等向性礦物、不透明礦物、玻璃全消光。
3. 消光三型：平行（解理 ∥ 十字絲）、對稱（十字絲平分兩組解理）、斜（夾消光角）。
4. 雙折射率 = 最大 − 最小折射率（方解石 1.66 − 1.49 = 0.17）。沿光軸入射不發生雙折射。
5. 一軸晶（六方、正方）一個光軸；二軸晶（斜方、單斜、三斜）兩個光軸；等軸晶系等向性。一軸晶 ε > ω 正光性（石英）、ε < ω 負光性（方解石）。
6. 光程差 Δ = 厚度 d × 雙折射率；干涉色只由 Δ 決定，每 ~550 nm 一階。干涉色受光性方位、薄片厚度、雙折射率影響。
7. 標準 30 μm 薄片：石英（0.009）一階灰白；若石英一階黃 → 太厚（~0.04 mm）。

先認識的名詞

這一講的邏輯地圖

★ = 考試重點。

1. 雙晶與環帶

課堂把觀察整理成兩組：開放偏光看 Form（自／半自／他形）、Color、Pleochroism（有／無）、Relief（高／中／低）、Cleavage（無／幾組）；正交偏光看 Twinning（有／無）、Zoning（有／無）、Extinction（平行／斜）、Interference color（高／中／低）。

雙晶：兩個或以上同種晶體依一定規律（但不平行）連生在一起。在薄片中，同一顆礦物的不同部分消光位置不同或干涉色不同，所以看起來一塊亮一塊暗。常見於斜長石（聚片雙晶，黑白條紋）、正長石（簡單雙晶）、角閃石、輝石。微斜長石有聚片雙晶加上交叉的格子雙晶。

環帶：晶體不同的生長區域有不同成分，環帶描出晶體生長時的外形。只會出現在固溶體礦物中：在不同溫度（或壓力）下結晶出的成分不同，或結晶時化學不平衡。所以環帶可以推晶體的生長過程。

2. 消光 ★

全消光：等向性礦物（如石榴子石）、不透明的金屬礦物（如鈦鐵氧化物）、非晶質的玻璃，在正交偏光下一直是黑的，怎麼轉都一樣（「旋轉白搭」）。

非等向性礦物：每轉 90° 消光一次，轉一圈消光 4 次（振動方向平行上、下偏光鏡各兩次）。

為什麼？非等向性礦物把南北向的偏振光拆成兩道振動方向互相垂直的光。當這兩個振動方向剛好一個南北、一個東西時，南北向的入射光完全走「南北那一道」，出來仍是南北向，到上偏光鏡（只收東西向）就被擋掉 → 黑。其他角度時，兩道光都有東西向的分量 → 有光。亮度 ∝ sin²2θ（θ 是振動方向和偏光鏡的夾角），所以每 90° 一次全黑、45° 時最亮。

消光角的量法：先把解理（或晶體長邊）對齊十字絲的一個方向，再轉動載物台直到消光，轉過的角度就是消光角。

斜方輝石（Opx）平行消光、單斜輝石（Cpx）斜消光：這是區分兩種輝石最重要的特徵（快速分類表的最後一步）。

3. 雙折射與光率體 ★

光進入非等向性礦物時，會產生兩個不同的折射率（兩道光）。透過方解石看字會看到兩個影像，就是雙折射。最大和最小折射率的差叫雙折射率：方解石 1.66 − 1.49 = 0.17（非常大，所以閃突起和雙影都很明顯）。

光軸：光沿著某個方向進入晶體時，不會發生雙折射，這個方向就是光軸。依光軸的數目，非等向性晶體分兩類：

一軸晶的兩道光：

• 振動方向垂直光軸（c 軸）的光，折射率不隨方向改變，叫正常光（o 光），折射率 ω（No）。
• 振動方向含有光軸分量的光，折射率隨方向改變，叫異常光（e 光）；振動方向平行光軸時是 ε（Ne）。

光率體：從晶體中心沿每個振動方向畫一段線，長度等於那個方向的折射率，端點連起來的立體就是光率體。推導（投影片 p.19–20）：

• 光從沿光軸的 A 點入射：所有可能的振動方向都垂直光軸，折射率都是 ω，集合起來是一個半徑 ω 的圓。
• 光從垂直光軸的 B 點入射：分成振動垂直光軸的 o 光（ω）和振動平行光軸的 e 光（ε），這兩個半徑構成一個橢圓。
• 把所有方向的圓和橢圓組合起來，得到一個旋轉橢球，以光軸為旋轉軸。

• ε > ω：沿光軸拉長（以長軸為旋轉軸）→ 正光性，例：石英。
• ε < ω：沿光軸壓扁（以短軸為旋轉軸）→ 負光性，例：方解石（ε = 1.49 < ω = 1.66）。

二軸晶有兩個光軸，光率體是三個軸都不相等的橢球（細節在期末範圍）。

4. 干涉色 ★

干涉色怎麼來（投影片 p.24）：下偏光鏡的光 → 進入石英 → 分成 o 光和 e 光：

• (a)(b) 偏光鏡的方向剛好和 o 光或 e 光的振動方向一致 → 只有一道光，到上偏光鏡被擋 → 消光。
• (c)(d)(e) 其他方向 → 兩道光以不同速度穿過晶體，出來時一道落後另一道；到上偏光鏡時兩道光的東西向分量干涉 → 干涉色。

落後的距離叫光程差：

$\Delta = d \times (n_1 - n_2)$

d 是薄片厚度（約 0.03 mm = 30 000 nm），n₁ − n₂ 是這個方向上的雙折射。光程差讓某些波長互相抵消、某些加強，白光扣掉被抵消的顏色，就是干涉色。干涉色依光程差分階：一階（0–550 nm）、二階（550–1100 nm）、三階……

所以干涉色受三個因素影響：① 光性方位（切面方向，沿光軸切時雙折射為 0，看起來是黑的）、② 薄片厚度、③ 雙折射率。

先預測：標準厚度下，石英（0.009）、普通輝石（0.025）、方解石（0.17）的光程差各是多少？各落在哪一階？

【例題 ★ 完整解】（投影片 p.29–30） (1) 石英的雙折射率 0.009。某薄片中石英呈一階黃白，薄片多厚？ (2) 標準薄片中某礦物最高干涉色是二階綠（Δ ≈ 720 nm），雙折射率多少？

解： (1) 一階黃白約 Δ ≈ 360 nm（投影片的讀圖結果）。d = Δ ／ δ = 360 ／ 0.009 = 40 000 nm = 0.04 mm，比標準厚。如果看到的是一階灰白，表示已經磨到標準的 0.03 mm（Δ = 30 000 × 0.009 = 270 nm）。 (2) δ = Δ ／ d = 720 ／ 30 000 = 0.024，接近普通輝石（0.025）。

【換你算】標準薄片中，黑雲母（δ ≈ 0.05）的最高光程差？（答案：30 000 × 0.05 = 1500 nm，三階。課堂把黑雲母寫成「干涉色中」，因為黑雲母本身的顏色會遮掩干涉色，而且常見切面不在最大雙折射方向。）

易錯：同一種礦物在同一張薄片中，不同顆粒的干涉色可以不同，因為切面方向（光性方位）不同。鑑定時要找最高的干涉色。

例子（投影片 p.26）：玄武岩柱狀節理的薄片中，斜長石（0.012）是灰白，單斜輝石（0.025）是黃、紅、藍。

5. 合起來認礦物 ★

常見礦物光性表

造岩礦物光性快速分類表

課堂的分類表（僅供參考，要配合其他特徵）：

文字版：

• 浮影低 →
  • 干涉色低 → 有解理：聚片雙晶 → 斜長石；表面像蝕變過（混濁）→ 正長石；無解理、表面乾淨 → 石英
  • 干涉色中／高 → 解理 1 組 → 白雲母；2 組 → 方解石
• 浮影中／高 →
  • 有多色性 → 褐色 → 黑雲母；綠色 → 角閃石
  • 無多色性 → 有解理：斜消光 → 普通輝石（Cpx）；平行消光 → 紫蘇輝石（Opx）；無解理 → 橄欖石

容易混淆

章末綜合題

1. 解釋為什麼正交偏光下，石英轉到某些角度會全黑、某些角度最亮。最亮的角度是幾度？
2. 一張薄片中的石英呈現一階黃，算出薄片厚度。這張薄片中的斜長石會變成什麼干涉色？
3. 正交偏光下一顆礦物轉一圈都是黑的，開放偏光下浮影高、無解理、淡粉紅色。是什麼？為什麼它全消光？
4. 用快速分類表的邏輯，說明如何在一張花崗岩薄片中分出石英、正長石、斜長石、黑雲母、白雲母。
5. 方解石的雙折射率 0.17，標準薄片的光程差是多少？為什麼它的干涉色看起來像「粉白色」而不是鮮豔的顏色？