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2.7 : Propriétés sous lumière polarisée croisée - Géosciences

2.7 : Propriétés sous lumière polarisée croisée - Géosciences


Dans cette section, nous explorons les propriétés qui peuvent être observées pour les minéraux sous lumière polarisée croisée, lorsque le polariseur inférieur et l'analyseur (polariseur supérieur) sont insérés dans le microscope à lumière polarisante.

Objectifs d'apprentissage

Dans cette section, les étudiants apprendront à :

  • Distinguer les minéraux anisotropes et isotropes.
  • Déterminer les couleurs d'interférence, la biréfringence et le retard d'un grain minéral.
  • Évaluez si un minéral a une extinction parallèle ou inclinée pour aider à identifier le minéral.
  • Observez et enregistrez d'autres propriétés minérales en lumière polarisée croisée, telles que le jumelage, le zonage et les caractéristiques de texture.

Cette vidéo donne un aperçu de certaines des propriétés importantes des minéraux en lumière polarisée croisée. Ces propriétés, ainsi que quelques autres, sont explorées plus en détail dans les sections ci-dessous.

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Figure 2.7.1. Explications des minéraux isotropes versus anisotropes, des couleurs d'interférence, de la biréfringence et du retard. Vidéos Earth Optics, CC-BY.

Enquête guidée

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Minéraux isotropes vs anisotropes

Isotrope les minéraux ont des structures cristallines qui ont la même structure dans toutes les directions. Ils appartiennent au isométrique système cristallin. Tous les autres minéraux sont anisotrope, ce qui signifie que leurs structures cristallines varient avec la direction. Ce sont des minéraux appartenant aux systèmes cristallins hexagonal, tétragonal, orthorhombique, monoclinique et triclinique. (Voir Section 2.8 Figures d'interférence et symétrie cristalline pour une carte des systèmes cristallins). Le tableau ci-dessous résume les caractéristiques des minéraux opaques, isotropes et anisotropes.

Type minéralCaractéristiques en lumière polarisée planeCaractéristiques en lumière polarisée croisée
OpaqueLe minéral apparaît sombreLe minéral semble sombre même lorsqu'il est tourné
IsotropeLa lumière traverse le minéralLe minéral semble sombre même lorsqu'il est tourné
AnisotropeLa lumière traverse le minéralLe minéral présente des couleurs d'interférence et s'assombrit (éteint) tous les 90 degrés

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Enquête guidée

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Couleurs d'interférence, biréfringence et retardement

La couleur d'un minéral sous une lumière polarisée croisée est appelée sa couleur d'interférence. Les couleurs d'interférence classées par couleurs de premier, deuxième, troisième et quatrième ordre sont affichées dans Figure 2.7.3.

Graphique 2.7.3. Le nuancier des interférences Michel-Levy. Microscopie ZEISS d'Allemagne, CC-BY-SA. commons.wikimedia.org/wiki/F...257606712).jpg

La figure 2.7.3 est le nuancier des interférences Michel-Levy. Pour mieux visualiser le texte et les étiquettes sur l'image en taille réelle, cliquez sur ce lien vers le fichier original sur Wikipedia. Ce diagramme affiche les couleurs d'interférence dans le graphique, avec descriptions verbales de couleurs de premier, deuxième et troisième ordre sous l'axe des x. L'axe des y sur le côté gauche du diagramme est l'épaisseur du minéral (ou de la section mince) en micromètres.

La propriété physique appelée biréfringencem, ou nγ – nα) est tracé le long de lignes diagonales à travers le diagramme. La valeur de biréfringence pour chaque ligne diagonale est indiquée en haut et à droite du diagramme. Les minéraux sont répertoriés en haut et à droite du diagramme à côté de leur valeur de biréfringence.

La tranche de roche sur une section épaisse standard est d'environ 30 micromètres d'épaisseur. Pour déterminer la biréfringence, procédez comme suit :

  1. Déterminer la couleur d'interférence (maximum) du minéral. Il peut être nécessaire de regarder plusieurs grains d'un même minéral, car ils seront souvent orientés différemment à l'intérieur de la lame mince. Si vous n'êtes pas sûr de la couleur d'interférence, il peut être utile de regarder les bords du grain minéral, qui peuvent montrer des bandes de couleur d'interférence qui peuvent aider à affiner la couleur.
  2. Localisez la couleur d'interférence sur la carte de Michel-Levy et trouvez l'endroit où elle coupe la ligne horizontale sur 30 micromètres.
  3. À partir de ce point, suivez la ligne diagonale vers le haut du graphique pour déterminer la valeur de biréfringence et pour voir les minéraux avec cette biréfringence.

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Extinction inclinée et parallèle

Si un minéral a un clivage, déterminer s'il a une extinction parallèle ou inclinée peut être utile pour le distinguer des minéraux similaires. Sous lumière polarisée croisée, un minéral aux extinction parallèle s'éteindra (sombre) lorsque la direction du clivage est parallèle aux directions nord-sud et est-ouest lors de la rotation de la scène. Un minéral avec extinction inclinée s'éteindra avec le clivage à un angle par rapport à ces directions lorsque la scène est tournée. Le réticule sur l'oculaire doit être utilisé comme guide pour cette mesure.

Graphique 2.7.5. Une comparaison d'extinction parallèle et inclinée.

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Graphique 2.7.6. Un exemple de détermination de l'extinction inclinée ou parallèle. Grossissement total 40x.

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Autres textures sous lumière polarisée croisée

Il existe de nombreuses autres textures et caractéristiques qui peuvent être révélées sous une lumière polarisée croisée qui ne sont pas visibles ou non évidentes sous une lumière polarisée plane. Ceux-ci peuvent inclure jumelage (Graphique 2.7.7), zonage en raison des changements de composition au cours de la croissance cristalline (Graphique 2.7.8), extinction ondulatoire (Graphique 2.7.9) ou d'autres textures de déformation, et lamelles d'exsolution (Graphique 2.7.10) dans lequel un minéral se sépare en deux minéraux, produisant un effet rayé.

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Graphique 2.7.8. Zonage oscillatoire dans les cristaux de plagioclase, grossissement total 100x. le mont. Dacite de Jefferson, Oregon.

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Graphique 2.7.9. Quartz présentant une extinction ondulatoire sous lumière polarisée croisée grossissement total 100x. Cranberry Gneiss, près de Galax, en Virginie.

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2.7 : Propriétés sous lumière polarisée croisée - Géosciences

L'arrangement PPL du microscope pétrologique est avec l'analyseur en position "out". Les propriétés optiques qui peuvent être vues sous cet arrangement sont les suivantes,

1. Couleur optique
C'est la couleur du minéral vue au microscope. Souvent, la couleur optique est différente de la couleur physique du minéral.
par exemple. Feldspath - Incolore, Quartz - Incolore, Biotite - Marron, Hornblende - Vert/Jaune, Grenat d'Alamandine - Rose pâle

2. Pléochroïsme
Le changement de couleur optique ou d'intensité de couleur lorsqu'il est observé sous l'arrangement PPL lors de la rotation de la platine du microscope est connu sous le nom de pléochroïsme. Cela se produit lorsque l'absorption de la lumière varie avec la direction d'observation.
par exemple. Feldspath, Quartz - Pas de pléochroïsme Biotite - Fortement pléocroïde (jaune à brun foncé) Hypersthène - Fortement pléochroïde (rose à vert) Hornblende - Modérément pléochroïde (jaune à vert) Grenat - Faiblement pléochroïde (rose pâle à rose)

3. Soulagement
L'effet du grain minéral se détachant par rapport aux minéraux ou au milieu environnant lorsqu'il est considéré sous l'arrangement PPL est connu sous le nom de Relief. Le relief dépend de la différence entre l'indice de réfraction du minéral et celui du milieu environnant. Si l'indice de réfraction est élevé par rapport au milieu environnant, le relief l'est aussi. Le soulagement est classé comme élevé, modéré et faible.

4. Scintillement
Le changement de relief observé lorsque la platine du microscope est tournée est connu sous le nom de scintillement. La raison en est la variation de l'indice de réfraction du minéral avec la direction observée. Seuls certains minéraux présentent un scintillement.
par exemple. calcite

5. Clivage
Les plans le long desquels un minéral a tendance à se fendre (plans de faiblesse relative) sont appelés plans de clivage. Ces plans peuvent être observés sous forme de lignes droites au microscope. Les angles de clivage aident à identifier les minéraux.
par exemple. Hornblende - Ensembles de clivage à 120 degrés. Biotite - clivages parallèles Pyroxène - ensembles de clivage à 90 degrés

6. Forme
La forme du cristal aide également dans le processus d'identification.
par exemple. Silimanite acciculaire (en forme d'aiguille) Grains arrondis de grenat.


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La lumière polarisée est une technique d'amélioration du contraste qui améliore la qualité de l'image obtenue avec des matériaux biréfringents par rapport à d'autres techniques telles que l'éclairage en fond noir et en fond clair, le contraste interférentiel différentiel, le contraste de phase, le contraste de modulation Hoffman et la fluorescence. Les microscopes à lumière polarisée ont un degré élevé de sensibilité et peuvent être utilisés pour des études quantitatives et qualitatives ciblées sur une large gamme de spécimens anisotropes. La microscopie polarisante qualitative est très populaire en pratique, avec de nombreux volumes consacrés au sujet. En revanche, les aspects quantitatifs de la microscopie à lumière polarisée, qui est principalement utilisée en cristallographie, représentent un sujet beaucoup plus difficile qui est généralement réservé aux géologues, minéralogistes et chimistes. Cependant, les progrès constants réalisés au cours des dernières années ont permis aux biologistes d'étudier le caractère biréfringent de nombreux assemblages subcellulaires anisotropes.

Figure 1 - Configuration du microscope à lumière polarisée

Le microscope à lumière polarisée est conçu pour observer et photographier des spécimens visibles principalement en raison de leur caractère optiquement anisotrope. Pour accomplir cette tâche, le microscope doit être équipé à la fois d'un polariseur, positionné dans le trajet lumineux quelque part avant l'échantillon, et un analyseur (un deuxième polariseur voir Figure 1), placé dans le chemin optique entre l'ouverture arrière de l'objectif et les tubes d'observation ou le port de la caméra. Le contraste de l'image résulte de l'interaction de la lumière polarisée dans un plan avec un biréfringent (ou à double réfraction) pour produire deux composantes d'onde individuelles qui sont chacune polarisées dans des plans mutuellement perpendiculaires. Les vitesses de ces composants, que l'on appelle les ordinaire et le extraordinaire fronts d'onde (Figure 1), sont différents et varient avec la direction de propagation à travers l'échantillon. Après avoir quitté l'échantillon, les composants lumineux deviennent déphasés, mais se recombinent avec des interférences constructives et destructives lorsqu'ils traversent l'analyseur. Ces notions sont décrites dans Figure 1 pour le champ de front d'onde généré par un échantillon biréfringent hypothétique. De plus, les composants optiques et mécaniques critiques d'un microscope à lumière polarisée moderne sont illustrés sur la figure.

La microscopie à lumière polarisée est capable de fournir des informations sur la couleur d'absorption et les limites du chemin optique entre les minéraux d'indices de réfraction différents, d'une manière similaire à l'éclairage en fond clair, mais la technique peut également faire la distinction entre les substances isotropes et anisotropes. De plus, la technique d'amélioration du contraste exploite les propriétés optiques spécifiques à l'anisotropie et révèle des informations détaillées concernant la structure et la composition des matériaux qui sont inestimables à des fins d'identification et de diagnostic.

Les matériaux isotropes, qui comprennent une variété de gaz, de liquides, de verres non contraints et de cristaux cubiques, présentent les mêmes propriétés optiques lorsqu'ils sont sondés dans toutes les directions. Ces matériaux n'ont qu'un seul indice de réfraction et aucune restriction sur la direction de vibration de la lumière qui les traverse. En revanche, les matériaux anisotropes, qui comprennent 90 pour cent de toutes les substances solides, ont des propriétés optiques qui varient avec l'orientation de la lumière incidente avec les axes cristallographiques. Ils démontrent une gamme d'indices de réfraction dépendant à la fois de la direction de propagation de la lumière à travers la substance et des coordonnées du plan vibrationnel. Plus important encore, les matériaux anisotropes agissent comme des séparateurs de faisceau et divisent les rayons lumineux en deux composantes orthogonales (comme illustré dans Figure 1). La technique de microscopie polarisante exploite l'interférence des rayons lumineux divisés, car ils sont réunis le long du même chemin optique pour extraire des informations sur les matériaux anisotropes.

Tutoriel interactif - Cristaux biréfringents en lumière polarisée

Découvrez comment les cristaux anisotropes biréfringents interagissent avec la lumière polarisée dans un microscope optique lorsque la platine circulaire est tournée à 360 degrés.

La microscopie à lumière polarisée est peut-être mieux connue pour ses applications dans les sciences géologiques, qui se concentrent principalement sur l'étude des minéraux dans les lames minces des roches. Cependant, une grande variété d'autres matériaux peuvent être facilement examinés en lumière polarisée, y compris les minéraux naturels et industriels, les composites de ciment, les céramiques, les fibres minérales, les polymères, l'amidon, le bois, l'urée et une multitude de macromolécules biologiques et d'assemblages structuraux. La technique peut être utilisée à la fois qualitativement et quantitativement avec succès et constitue un outil exceptionnel pour les sciences des matériaux, la géologie, la chimie, la biologie, la métallurgie et même la médecine.

Figure 2 - Modèles d'interférence conoscopiques

Bien qu'une compréhension des techniques analytiques de la microscopie polarisée puisse être peut-être plus exigeante que d'autres formes de microscopie, elle vaut la peine d'être poursuivie, simplement pour les informations améliorées qui peuvent être obtenues sur l'imagerie en fond clair. Une connaissance des principes de base sous-jacents à la microscopie à lumière polarisée est également essentielle pour l'interprétation efficace du contraste interférentiel différentiel (CID).

Propriétés de base de la lumière polarisée

Le modèle ondulatoire de la lumière décrit les ondes lumineuses vibrant perpendiculairement à la direction de propagation, toutes les directions de vibration étant également probables. C'est ce qu'on appelle la lumière blanche "commune" ou "non polarisée". En lumière à polarisation plane, il n'y a qu'une seule direction de vibration (Figure 1). Le système œil-cerveau humain n'a aucune sensibilité aux directions de vibration de la lumière, et la lumière polarisée dans le plan ne peut être détectée que par un effet d'intensité ou de couleur, par exemple, par un éblouissement réduit lors du port de lunettes de soleil polarisées.

La lumière polarisée est le plus souvent produite par absorption de lumière ayant un ensemble de directions de vibration spécifiques dans un milieu dichroïque. Certains minéraux naturels, tels que la tourmaline, possèdent cette propriété, mais les films synthétiques inventés par le Dr Edwin H. Land en 1932 ont rapidement dépassé tous les autres matériaux en tant que support de choix pour la production de lumière à polarisation plane. De minuscules cristallites de sulfate d'iodoquinine, orientés dans la même direction, sont noyés dans un film polymère transparent pour empêcher la migration et la réorientation des cristaux. Des feuilles développées au sol contenant des films polarisants qui ont été commercialisées sous le nom commercial de Polaroïd®, qui est devenu le terme générique accepté pour ces feuilles. Tout appareil capable de sélectionner la lumière polarisée dans le plan à partir de la lumière blanche naturelle (non polarisée) est désormais appelé un polaire ou alors polariseur, un nom introduit pour la première fois en 1948 par A. F. Hallimond. Aujourd'hui, les polariseurs sont largement utilisés dans les écrans à cristaux liquides (LCD), lunettes de soleil, photographie, microscopie et à une multitude de fins scientifiques et médicales.

Il y a deux filtres polarisants dans un microscope polarisant - appelés polariseur et analyseur (voir Figure 1). Le polariseur est positionné sous la platine de l'échantillon, généralement avec son azimut de vibration fixé dans la direction de gauche à droite ou est-ouest, bien que la plupart de ces éléments puissent être tournés sur 360 degrés. L'analyseur, généralement aligné avec une direction de vibration orientée nord-sud, mais encore une fois rotatif sur certains microscopes, est placé au-dessus des objectifs et peut être déplacé dans et hors du chemin lumineux selon les besoins. Lorsque l'analyseur et le polariseur sont tous deux insérés dans le chemin optique, leurs azimuts de vibration sont positionnés à angle droit l'un par rapport à l'autre. Dans cette configuration, le polariseur et l'analyseur sont dits croisés, aucune lumière ne traversant le système et un champ de vision sombre présent dans les oculaires.

Pour la microscopie polarisée en lumière incidente, le polariseur est positionné dans l'illuminateur vertical et l'analyseur est placé au-dessus du demi-miroir. La plupart des polariseurs rotatifs sont gradués pour indiquer l'angle de rotation de l'azimut de transmission, tandis que les analyseurs sont généralement fixés en position (bien que les modèles avancés puissent être tournés à 90 ou 360 degrés). Le polariseur et l'analyseur sont les composants essentiels du microscope polarisant, mais d'autres caractéristiques souhaitables incluent :

  • Stage spécialisé - Une platine de spécimen rotative circulaire à 360 degrés pour faciliter les études d'orientation avec centrage des objectifs et une platine avec l'axe optique du microscope pour faire coïncider le centre de rotation avec le centre du champ de vision. De nombreuses platines conçues pour la microscopie à lumière polarisée contiennent également une échelle de vernier afin que l'angle de rotation puisse être mesuré avec une précision de 0,1 degré. Pour les études avancées d'images conoscopiques, une platine universelle ayant plusieurs axes de rotation peut également être utilisée pour permettre l'observation de l'échantillon dans n'importe quelle direction.
  • Objectifs sans contrainte - Les contraintes introduites dans le verre d'un objectif lors de l'assemblage peuvent produire des effets optiques parasites sous lumière polarisée, un facteur qui pourrait compromettre les performances. Les objectifs conçus pour l'observation en lumière polarisée se distinguent des objectifs ordinaires par l'inscription P, Bon de commande, ou alors Pol sur le canon. Les performances d'un objectif sont limitées par plusieurs facteurs, notamment les revêtements antireflet utilisés sur les surfaces des lentilles et les propriétés de réfraction dues à l'angle de la lumière incidente sur la lentille frontale. De plus, une contrainte de lentille peut être introduite au niveau de la jonction de ciment entre les éléments d'un groupe de lentilles ou d'un seul ou d'un groupe de lentilles qui ont été montées trop serrées dans la monture.
  • Tour de nez centralisé - Parce que la position de l'axe optique de l'objectif varie d'un assemblage à l'autre, de nombreux microscopes à lumière polarisée sont équipés d'une tourelle nasale spécialisée qui contient un mécanisme de centrage pour les objectifs individuels. Cela permet à chaque objectif d'être centré par rapport à la platine et à l'axe optique du microscope de sorte que les caractéristiques de l'échantillon restent au centre du champ de vision lorsque la platine est tournée sur 360 degrés.
  • Condenseur sans contrainte - Les condensateurs conçus pour la microscopie en lumière polarisée ont plusieurs caractéristiques en commun, notamment l'utilisation de lentilles sans contrainte. Certains condenseurs sont équipés d'un réceptacle pour le polariseur ou ont l'élément polarisant monté directement dans le condenseur, sous le diaphragme d'ouverture. De nombreux condensateurs à lumière polarisée ont une lentille supérieure qui peut être retirée (un objectif oscillant condenseur) du trajet optique pour générer des fronts d'onde d'éclairage presque parallèles pour des observations à faible grossissement et biréfringence.
  • Oculaires - Les oculaires des microscopes à lumière polarisée sont équipés d'un réticule en croix (ou graticule) pour marquer le centre du champ de vision. Souvent, le réticule à fils croisés est remplacé par un réticule de photomicrographie qui aide à focaliser l'échantillon et à composer des images avec un ensemble de cadres délimitant la zone du champ de vision à capturer soit numériquement, soit sur un film. L'orientation de l'oculaire par rapport au polariseur et à l'analyseur est garantie par une tige pointue qui coulisse dans le manchon du tube d'observation.
  • Bertrand Lens - Une lentille spécialisée montée dans un tube intermédiaire ou à l'intérieur des tubes d'observation, une lentille de Bertrand projette un motif d'interférence formé au plan focal arrière de l'objectif en foyer au plan image du microscope. L'objectif est conçu pour permettre un examen facile du plan focal arrière de l'objectif, pour permettre un réglage précis du diaphragme d'ouverture d'éclairage et pour visualiser des figures d'interférence, similaires à celles présentées dans Figure 2. Notez qu'en Figure 2(a) et 2(b), les diagrammes d'interférence représentent ceux observés avec un cristal uniaxial en lumière polarisée, tandis que le diagramme en Figure 2(c) est typique d'un cristal uniaxial avec une plaque de retard du premier ordre insérée dans la voie optique.
  • Plaques de compensation et de ralentissement - De nombreux microscopes à lumière polarisée contiennent une fente pour permettre l'insertion de compensateurs et/ou de plaques de retard entre les polariseurs croisés, qui sont utilisés pour améliorer les différences de chemin optique dans l'échantillon. Dans la plupart des conceptions de microscopes modernes, cette fente est placée soit dans l'embout du microscope, soit dans un tube intermédiaire placé entre le corps et les tubes de l'oculaire. Des plaques de compensation insérées dans la fente sont alors situées entre l'échantillon et l'analyseur.

La microscopie à lumière polarisée peut être utilisée à la fois avec réflexion (incident ou épi) et la lumière transmise. La lumière réfléchie est utile pour l'étude des matériaux opaques tels que les céramiques, les oxydes et sulfures minéraux, les métaux, les alliages, les composites et les plaquettes de silicium (voir figure 3). Les techniques de lumière réfléchie nécessitent un ensemble dédié d'objectifs qui n'ont pas été corrigés pour la visualisation à travers le verre de couverture, et ceux pour le travail de polarisation doivent également être sans contrainte.

Figure 3 - Microscopie à lumière polarisée réfléchie

Illustré dans figure 3 est une série de photomicrographies en lumière polarisée réfléchie d'échantillons typiques imagés à l'aide de cette technique. Sur la gauche (Figure 3(a)) est une image numérique révélant les caractéristiques de surface d'un circuit intégré à microprocesseur. Les éléments biréfringents employés dans la fabrication du circuit sont clairement visibles sur l'image, qui affiche une partie de l'unité arithmétique et logique de la puce. La surface tachée d'un cristal supraconducteur céramique (base de bismuth) est présentée en Figure 3(b), qui montre des zones cristallines biréfringentes avec des couleurs d'interférence entrecoupées de joints de grains. Des films minces métalliques sont également visibles avec une lumière polarisée réfléchie. Figure 3(c) illustre des cloques qui forment des imperfections dans un film mince de cuivre par ailleurs confluent (environ 0,1 micron d'épaisseur) pris en sandwich sur un substrat de nickel/chlorure de sodium pour former un assemblage de super-réseaux métalliques.

Une préparation minutieuse des échantillons est essentielle pour obtenir de bons résultats en microscopie à lumière polarisée. La méthode choisie dépendra du type de matériau étudié. Dans les applications géologiques, l'épaisseur standard des lames minces de roche est de 25 à 30 micromètres. Les échantillons peuvent être broyés avec des meules imprégnées de diamant, puis finis à la main à la bonne épaisseur en utilisant des poudres abrasives de granulométrie progressivement décroissante. L'échantillon final doit avoir un couvercle en verre cimenté avec un adhésif optiquement transparent. Des matériaux plus mous peuvent être préparés d'une manière similaire aux échantillons biologiques à l'aide d'un microtome. Des tranches d'un à 40 micromètres d'épaisseur sont utilisées pour les observations en lumière transmise. Ceux-ci doivent être sans tension et exempts de toute trace de couteau. Les échantillons biologiques et autres échantillons mous sont montés entre la lame et le couvercle en verre à l'aide d'un milieu de montage dont la composition dépendra de la nature chimique et physique de l'échantillon. Ceci est particulièrement important dans l'étude des polymères synthétiques où certains milieux peuvent réagir chimiquement avec le matériau étudié et provoquer des changements structurels dégradants (artefacts).

Manifestations de la lumière polarisée en microscopie optique

Différents niveaux d'information peuvent être obtenus en lumière polarisée plane (analyseur retiré du chemin optique) ou avec des polariseurs croisés (analyseur inséré dans le chemin optique). Les observations en lumière polarisée dans le plan révèlent des détails de la relief optique de l'échantillon, qui se manifeste par la visibilité des limites, et augmente avec l'indice de réfraction. Les différences dans les indices de réfraction de l'adhésif de montage et de l'échantillon déterminent l'étendue de la diffusion de la lumière lorsqu'elle émerge de la surface inégale de l'échantillon. Les matériaux à fort relief, qui semblent se détacher de l'image, ont des indices de réfraction sensiblement différents du support de montage. La réfractométrie par immersion est utilisée pour mesurer des substances ayant des indices de réfraction inconnus par comparaison avec des huiles d'indice de réfraction connu.

Les examens de matériaux transparents ou translucides en lumière à polarisation plane seront similaires à ceux observés en lumière naturelle jusqu'à ce que l'échantillon soit tourné autour de l'axe optique du microscope. Ensuite, les observateurs peuvent voir des changements dans la luminosité et/ou la couleur du matériau examiné. Ce pléochroïsme (terme utilisé pour décrire la variation de la couleur d'absorption avec la direction de vibration de la lumière) dépend de l'orientation du matériau dans le trajet lumineux et est une caractéristique des matériaux anisotropes uniquement. Un exemple de matériau présentant un pléochroïsme est la crocidolite, plus communément appelée amiante bleu. L'effet pléochroïque aide à l'identification d'une grande variété de matériaux.

Figure 4 - Nuancier d'interférences de biréfringence Michel-Levy

Les couleurs de polarisation résultent de l'interférence des deux composantes de la lumière séparées par l'échantillon anisotrope et peuvent être considérées comme de la lumière blanche moins les couleurs qui interfèrent de manière destructive. Figure 2 illustre des images conoscopiques de cristaux uniaxiaux observés au plan focal arrière de l'objectif. Les motifs d'interférence sont formés par des rayons lumineux se déplaçant le long de différents axes du cristal observé. Cristaux uniaxiaux (Figure 2) afficher une figure d'interférence constituée de deux barres noires qui se croisent (appelées isogires) qui forment un motif en forme de croix de Malte. Lorsqu'ils sont éclairés par une lumière blanche (polarisée), les spécimens biréfringents produisent des distributions circulaires de couleurs d'interférence (Figure 2), avec les cercles intérieurs, appelés isochromes, constituée de couleurs d'ordre de plus en plus bas (voir le nuancier d'interférence Michel-Levy, Figure 4). Un centre commun à la fois pour la croix noire et les isochromes est appelé le mélatope, qui désigne l'origine des rayons lumineux se déplaçant le long de l'axe optique du cristal. Les cristaux biaxiaux présentent deux mélatopes (non illustrés) et un motif beaucoup plus complexe d'anneaux d'interférence.

Les deux composantes orthogonales de la lumière (ondes ordinaires et extraordinaires) se déplacent à des vitesses différentes à travers l'échantillon et subissent des indices de réfraction différents, un phénomène connu sous le nom de biréfringence. Une mesure quantitative de la biréfringence est la différence numérique entre les indices de réfraction du front d'onde. Le faisceau le plus rapide émerge d'abord de l'échantillon avec une différence de chemin optique (OPD), qui peut être considérée comme une "marge gagnante" par rapport à la plus lente. L'analyseur ne recombine que les composantes des deux faisceaux se déplaçant dans la même direction et vibrant dans le même plan. Le polariseur assure que les deux faisceaux ont la même amplitude au moment de la recombinaison pour un contraste maximum.

Tutoriel interactif - Rotation du polariseur et biréfringence de l'échantillon

Découvrez comment la biréfringence de l'échantillon est affectée par l'angle du polariseur lorsqu'elle est observée au microscope à lumière polarisée.

Une interférence constructive et destructive de la lumière traversant l'analyseur se produit entre les composants orthogonaux, en fonction de la différence de chemin optique de l'échantillon et de la longueur d'onde de la lumière, qui peut être déterminée à partir de l'ordre des couleurs de polarisation. Cet effet repose sur les propriétés de l'échantillon, y compris la différence d'épaisseur entre l'indice de réfraction et la biréfringence des deux faisceaux mutuellement perpendiculaires, qui a une valeur maximale dépendant de l'échantillon et de la direction de propagation de la lumière à travers l'échantillon. Les différences de chemin optique peuvent être utilisées pour extraire des informations d'"inclinaison" précieuses de l'échantillon.

A l'information de couleur de polarisation se superpose une composante d'intensité. Comme l'échantillon est tourné par rapport aux polariseurs, l'intensité des couleurs de polarisation varie cycliquement, de zéro (extinction Figure 5(d)) jusqu'à une luminosité maximale à 45 degrés (Figure 5(a), puis redescend à zéro après une rotation de 90 degrés. C'est pourquoi une platine rotative et un centrage sont fournis dans un microscope à lumière polarisée, qui sont des éléments essentiels pour déterminer les aspects quantitatifs de l'échantillon. Le centrage de l'objectif et de la platine garantit que le centre de rotation de la platine coïncide avec le centre du champ de vision afin de maintenir l'échantillon au centre exact lors de la rotation.

Figure 5 - Ellipsoïde d'indice de réfraction

Chaque fois que l'échantillon est en extinction, les directions de vibration autorisées de la lumière qui la traverse sont parallèles à celles du polariseur ou de l'analyseur. Ce fait peut être lié aux caractéristiques géométriques de l'échantillon, telles que la longueur des fibres, la direction d'extrusion du film et les facettes cristallines. En éclairage polarisé croisé, les matériaux isotropes peuvent être facilement distingués des matériaux anisotropes car ils restent en permanence en extinction (restent sombres) lorsque la scène est tournée à 360 degrés.

Pour aider à l'identification des fronts d'onde rapides et lents, ou pour améliorer le contraste lorsque les couleurs de polarisation sont d'ordre faible (comme le gris foncé), des plaques de retard ou des compensateurs accessoires peuvent être insérés dans le chemin optique. Ceux-ci provoqueront des changements de couleur dans l'échantillon, qui peuvent être interprétés à l'aide d'un nuancier de polarisation (Michel-Lévy graphique voir Figure 4). Ces graphiques illustrent les couleurs de polarisation fournies par les différences de chemin optique de 0 à 1800-3100 nanomètres ainsi que les valeurs de biréfringence et d'épaisseur. La lame d'onde produit sa propre différence de chemin optique, qui est ajoutée ou soustraite de celle de l'échantillon. Lorsque la lumière traverse d'abord l'échantillon, puis la plaque accessoire, les différences de chemin optique de la plaque d'onde et de l'échantillon sont soit additionnées, soit soustraites l'une de l'autre de la manière dont les « marges gagnantes » de deux courses exécutées successivement sont calculées. . Ils sont ajoutés lorsque les directions de vibration lente de l'éprouvette et de la plaque de retardement sont parallèles, et soustraits lorsque la direction de vibration rapide de l'éprouvette coïncide avec la direction de vibration lente de la plaque accessoire. Si les directions lente et rapide sont connues pour la plaque de retard (elles sont généralement marquées sur la monture des plaques disponibles dans le commerce), alors celles de l'échantillon peuvent être déduites. Ces directions étant caractéristiques des différents milieux, elles méritent d'être déterminées et sont indispensables pour les études d'orientation et de contraintes.

Applications de la microscopie à lumière polarisée

Les points forts de la microscopie polarisante peuvent être mieux illustrés en examinant des études de cas particulières et leurs images associées. All of the images illustrated in this section were recorded with a microscope equipped with polarizing accessories, a research grade instrument designed for analytical investigations. As described above, polarized light microscopy is utilized in a broad range of disciplines, including medicine, biology, geology, materials science, and the food industry. The specimens that are readily examined between crossed polarizers originate from a variety of natural and synthetic sources and include gout crystals, amyloid, muscle tissue, teeth, minerals, solid crystals, liquid crystals, fibers, fats, glasses, ceramics, metals, alloys, among others.

Identification of Gout Crystals

One of the most common medical applications for polarized light microscopy is the identification of gout crystals (monosodium urate) with a first order retardation plate. This practice is so common that many microscope manufacturers offer a gout kit attachment for their laboratory brightfield microscopes that can be purchased by physicians. Gout is an acute, recurrent disease caused by precipitation of urate crystals and characterized by painful inflammation of the joints, primarily in the feet and hands. In practice, several drops of fresh synovial fluid are sandwiched between a microscope slide and cover glass and sealed with nail polish to prevent drying. After the specimen has been prepared, it is examined between crossed polarizers with a first order retardation plate inserted into the optical path.

Figure 6 - Interference Colors in Gout and Pseudo-Gout Crystals

Monosodium urate crystals grow in elongated prisms that have a negative optical sign of birefringence, which generates a yellow (subtraction) interference color when the long axis of the crystal is oriented parallel to the slow axis of the first order retardation plate (Figure 6(a)). Rotating the crystals through 90 degrees changes the interference color to blue (addition color Figure 6(b)). In contrast, pseudo-gout pyrophosphate crystals, which have similar elongated growth characteristics, exhibit a blue interference color (Figure 6(c)) when oriented parallel to the slow axis of the retardation plate and a yellow color (Figure 6(d)) when perpendicular. The sign of birefringence can be employed to differentiate between gout crystals and those consisting of pyrophosphate. Gout can also be identified with polarized light microscopy in thin sections of human tissue prepared from the extremities. Polarized light is also useful in the medical field to identify amyloid, a protein created by metabolic deficiencies and subsequently deposited in several organs (spleen, liver, kidneys, brain), but not observed in normal tissues.

The strengths of polarizing microscopy can best be illustrated by examining particular case studies and their associated images. All images illustrated in this section were recorded with a Nikon Eclipse E600 microscope equipped with polarizing accessories, a research grade microscope designed for analytical investigations.

Identification of Asbestos Fibers

Asbestos is a generic name for a group of naturally occurring mineral fibers, which have been widely used as insulating materials, brake pads, and to reinforce concrete. These materials can be harmful to the health when inhaled and it is important that their presence in the environment be easily identified. Specimens are commonly screened using scanning electron microscopy and x-ray microanalysis, but polarizing microscopy provides a quicker and easier alternative that can be utilized to distinguish between asbestos and other fibers and between the major types asbestos, including chrysotile, crocidolite, and amosite. From a health care point of view, it is believed that the amphibole asbestos derivatives (crocidolite and amosite) are more harmful than the serpentine, chrysotile.

Plane-polarized light provides information about gross fiber morphology, color, pleochroism, and refractive index. Glass fibers and others that are isotropic will be unaffected by rotation under plane-polarized light while asbestos fibers will display some pleochroism. Chrysotile asbestos fibrils may appear crinkled, like permed or damaged hair, under plane-polarized light, whereas crocidolite and amosite asbestos are straight or slightly curved. Chrysotile has a refractive index of about 1.550, while that of amosite is 1.692, and crocidolite has the highest, with a value of 1.695. Note that the refractive index value of the amphibole asbestos products is much higher than chrysotile.

Figure 7 - Chrysotile Asbestos Fibers in Polarized Light

With the use of crossed polarizers it is possible to deduce the permitted vibration direction of the light as it passes through the specimen, and with the first order retardation plate, a determination of the slow and fast vibration directions (Figure 7) can be ascertained. Under crossed polarizers, chrysotile displays pale interference colors, which are basically restricted to low order whites (Figure 7(a)). When a first order retardation plate is added (retardation value of one wavelength, or 530-560 nanometers), the colors of the fiber are transformed. If the fiber is aligned Northwest-Southeast, the retardation plate is additive (white arrow in Figure 7(b)) and produces primarily yellow subtractive interference colors in the fiber. When the fiber is aligned Northeast-Southwest (Figure 7(c)), the plate is additive to produce a higher order blue tint to the fiber with no yellow hues. From this evidence it is possible to deduce that the slow vibration direction of the retardation plate (denoted by the white arrows in Figures 7(b) and 7(c)) is parallel with the long axis of the fiber. Amosite is similar in this respect.

Crocidolite displays blue colors, pleochroism, and murky brown polarization colors. The fast vibration for this fiber is parallel with the long axis. In summary, identification of the three asbestos fiber types depends on shape, refractive indices, pleochroism, birefringence, and fast and slow vibration directions.

Uncovering the History of Rock Formation

Phyllite - As well as providing information on component minerals, an examination of geological thin sections using polarizing microscopy can reveal a great deal about how the rock was formed. Phyllite, a metamorphic rock, clearly shows the alignment of crystals under the effects of heat and stress. Small-scale folds are visible in the plane-polarized image (Figure 8(a)) and more clearly defined under crossed polarizers (Figure 8(b)) with and without the first order retardation plate. The crossed polarizers image reveals that there are several minerals present, including quartz in gray and whites and micas in higher order colors. The alignment of the micas is clearly apparent. Addition of the first order retardation plate (Figure 8(c)) improves contrast for clear definition in the image.

Figure 8 - Phyllite Thin Section in Polarized Light

Oolite - Oolite, a light gray rock composed of siliceous oolites cemented in compact silica, is formed in the sea. The mineral's name is derived from its structural similarity to fish roe, better known as caviar. Oolite forms in the sea when sand grains are rolled by gentle currents over beds of calcium carbonate or other minerals. These minerals build up around the sand grains and subsequent cementation transforms the grains into coherent rock. The thin sections show the original quartz nuclei (Figure 9(a-c)) on which the buildup of carbonate mineral occurred.

Figure 9 - Oolite Thin Section in Polarized Light

In plane-polarized light (Figure 9(a)), the quartz is virtually invisible having the same refractive index as the cement, while the carbonate mineral, with a different refractive index, shows high contrast. The crossed polarizer image (Figure 9(b)) reveals quartz grains in grays and whites and the calcium carbonate in the characteristic biscuit colored, high order whites. The groups of quartz grains in some of the cores reveal that these are polycrystalline and are metamorphic quartzite particles. When a first order retardation plate is inserted into the optical path (Figure 9(c)), optical path differences become apparent in the specimen, and contrast is enhanced.

Natural and Synthetic Polymers

During the solidification of polymer melts there may be some organization of the polymer chains, a process that is often dependent upon the annealing conditions. When nucleation occurs, the synthetic polymer chains often arrange themselves tangentially and the solidified regions grow radially. These can be seen in crossed polarized illumination as white regions, termed spherulites, with the distinct black extinction crosses. When these spherulites impinge, their boundaries become polygonal. This can be clearly seen in crossed polarizers but not under plane-polarized light.

Figure 10 - Natural and Synthetic Polymers in Polarized Light

The addition of the first order retardation plate (Figure 10(a)) confirms the tangential arrangement of the polymer chains. The banding occurring in these spherulites indicates slow cooling of the melt allowing the polymer chains to grow out in spirals. This information on thermal history is almost impossible to collect by any other technique. Nucleation in polymer melts can take place as the result of accidental contamination or contact with a nucleating surface and can lead to substantial weakening of the product. Identification of nucleation can be a valuable aid for quality control.

Other polymers may not be birefringent (evidenced by the polycarbonate specimen illustrated in Figure 10(b)), and do not display substantial secondary or tertiary structure. In other cases, both biological and synthetic polymers can undergo a series of lyotropic or thermotropic liquid crystalline phase transitions, which can often be observed and recorded in a polarized light microscope. Figure 10(c) illustrates a birefringent columnar-hexatic liquid crystalline phase exhibited by rod-like DNA molecules at very high aqueous solution concentrations (exceeding 300 milligrams/milliliter).

Nylon Fibers - Observations under plane-polarized light (Figure 11(a)) reveal refractive index differences between a nylon fiber and the mounting medium, and the presence of opacifying titanium dioxide particles. The image under crossed polarizers (Figure 11(b)) reveals second and third order polarization colors and their distribution across the fibers indicate that this is a cylindrical and not a lobate fiber useful in predicting mechanical strength. The use of the quartz wedge (Figure 11(c)) enables the determination of optical path differences for birefringence measurements.

Figure 11 - Nylon Fiber in Polarized Light

In summary, polarizing microscopy provides a vast amount of information about the composition and three-dimensional structure of a variety of samples. Virtually unlimited in its scope, the technique can reveal information about thermal history and the stresses and strains to which a specimen was subjected during formation. Useful in manufacturing and research, polarizing microscopy is a relatively inexpensive and accessible investigative and quality control tool, which can provide information unavailable with any other technique.

Auteurs contributeurs

Philip C. Robinson - Department of Ceramic Technology, Staffordshire Polytechnic, College Road, Stroke-on-Trent, ST4 2DE United Kingdom.

Michael W. Davidson - National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., The Florida State University, Tallahassee, Floride, 32310.

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Min. II (Optical Mineralogy ERSCI 3002)

Objectives: The aim of this coarse is to study the optical properties of the rock forming minerals using the polarized light microscope. This will be of a great help during the study of igenous, metamorphic and sedimentary rocks. The students will gain the basic knowlege needed as well as the capability of data analysis and interpretation through lectures, reports, assignments and training on instrumentations and techniques and will be tought the scientific way of thinking and tackling problems.

Text Book:
Optical Mineralogy: Principles and Practice. Gribble, F., & Hall, A., 1992. UCL Press, 302pp.

Major References: 1- Optical Mineralogy, Kerr, P., 1977. McGraw Hill, 442 pp. 2- Mineral Optics: Principples and Techniques. Phillips, W.R., 1971. W.H. Freeman & Comp.
3- Student Guidebook for the minerals under the Microscope. Nasir, S., 1997. Colored Manual of Minerals under the Microscope.

Educational Facilities:
1- Transparency and slides
2- Computer: A software under the title "MINOPTIC" has been prepared to be used by the students.
3- Video Films: G27/VT: Minerals under the Microscope., P87/F: Polarization of light.
4- Training on thin section preparation: Include identification and reporting
5- Group teaching and lecturing by the students.

Evaluation Strategy:
1- Term Activities: 45 % of the Total and includes:
10% Quizzes, 10% Activities, 25% Laboratory , 2- Mid-Term Examination: 20 % of the Total. 3- Fina Examination: 35 % of the Total

1- Introduction: ( 3 lectures)

- Theories of light: Wave theory, speed of light, Wave motion, Color of light. - Refraction: Snell's law, Index of refraction, Dispersion, Critical angle, Total reflection, Determination of indices of refraction by refractometer, prism and with the microscope

2- The Polarizing Microscope: ( 2 lectures)
General feature, types, optical system, parts, precaution and adjustments, orthoscopy and conoscopy.

3- Mineral Preparations for Microscopic Study: ( 1 lecture)
Types of preparation, Material used, cutting and polishing.

4- Optical Mineralogy in Ordinary light: ( 3 lectures)
Color, Shape, Form, Cleavage, Fracture, Inclusions, Index of refraction.

5- Optical Mineralogy in Plane Polarized light: ( 3 lectures)
Double refraction, Polaroid and Nicol Prism, Pleochroism, Ordinary and Extraordinary rayes, Isotropic and anisotropic minerals, Twinkling.

6- Optical Mineralogy in Crossed-polarized light: ( 3 lectures)
Interference of waves, Extinction, Interference colors, Anomuleous interference colors, Newton's scale of colors, Twinning, Zonning, Accessory plates, elongation, vibration planes.

7- Conoscopic Microscopy: ( 3 lectures)
Indicatrix, Types of interference figures, Uniaxial minerals, Biaxial minerals, Optic sign, 2-V angles, Optical orientation, dispersion of biaxial minerals.

Part Two: Applications and Mineral Descriptions (10 lectures)
8- Silicates: Tecto-silicates: Silica group, Feldspar groups, Feldspathoid Chain-silicates: Pyroxene group, Amphibole group Soro-silicates: Epidote group Ring-Silicates: Tourmaline, Beryl Neso-Silictaes: Olivine group, Garnet group, Al2SiO5-group, stuarolite Sheet-silicates: Mica-group (Muscovite, biotite, talc), chlorite group - Carbonate, Sulfates, Phosphate (apatite), Opaque minerals, spinel, rutile.


Case Studies [ edit | modifier la source]

Tooth powder: A small box of pink tooth cleaning powder in the collection of the Colonial Williamsburg Foundation (1950-593) purportedly contained ground coral. Analysis by another institution in 1989 using NMR, XRF, and XRD determined it contained gypsum. The reddish colorant could not be identified. Recent PLM analysis by CWF found the powder contained gypsum, wheat starch, and an organic red lake pigment. Excerpt of analysis report for tooth powder (1950-593), CWF.


Sequence stratigraphy

Third-order sequence

The Upper Muschelkalk reflects a single 3rd-order transgressive–regressive sequence (Aigner 1985 Aigner and Bachmann 1992) as defined by the Transgressive–Regressive Sequence model of Curray (1964) and Embry (1995) and the hierarchical model of Vail et al. (1991). Depending on the placement of the maximum flooding surface (mfs), discussed below, the Upper Muschelkalk is either symmetrically or asymmetrically divided, with the regressive hemicycle composing up to three quarters of the Upper Muschelkalk (Aigner and Bachmann 1992 Franz et al. 2015). The 3rd-order cycle began with a transgression over Middle Muschelkalk sulphates and is capped by the transgressive deposits of the Lettenkohle. During each hemicycle, lagoonal, shoal and off-ramp environments were developed. However, the transgressive hemicycle deposits were calcitic and crinoid-dominated, whereas the regressive hemicycle deposits were partially dolomitized and composed of ooid and shelly bioclast shoals (Aigner 1985).

Maximum flooding surface (mfs)

Locally, the deepest-water facies correspond to the nodular limestones of LFA 6 at the base of the Swiss Upper Muschelkalk. However, the 3rd-order mfs does not necessarily correspond to the deepest local facies, since it represents the maximum extent of the entire Upper Muschelkalk Sea across the CEB. The maximum extent of the Upper Muschelkalk Sea has been proposed at various intervals of the Upper Muschelkalk. Kozur (1974) proposed a maximum transgression near the centre of the Upper Muschelkalk, which divided the Upper Muschelkalk into two symmetrical hemi-cycles. Aigner (1985) and Schwarz (1985) refined the maximum transgression to two different “Tonhorizonte” (clay layers) that are regionally correlatable across Germany. Aigner and Bachmann (1992) then attributed the mfs to a shale-rich interval in the centre of the Upper Muschelkalk named the “Cycloides-bank”. Franz et al. (2013) recognized that the mfs suggested by the previous authors was not characteristic of observations in northern Germany and western regions of the CEB and attributed the mfs to a zone of maximum carbonate bed thickness at the base of the Upper Muschelkalk. This zone was later refined to the Ceratites sequens/pulcher à philippi/robustus zones (Franz et al. 2015), which would place it well below the mfs horizons proposed by Aigner (1985), Schwarz (1985) and Aigner and Bachmann (1992). Unfortunately, a dearth of Ceratites and conodonts in the Swiss Upper Muschelkalk precludes any accurate biostratigraphy.

Le mfs in Switzerland has been attributed to the Dünnlenberg Bed, which corresponds to a high gamma-ray count, marl-rich interval situated at the base of the Liedertswil Member (Pietsch et al. 2016). Ceratites in the Dünnlenberg Bed include C. compressus, robustus et evolutus (Merki 1961), which would biostratigraphically place it above the mfs of Franz et al. (2015). For the purposes of this study, we accept the mfs of Pietsch et al. (2016) as an approximate position for the Swiss mfs until accurate biostratigraphic analyses can be performed.

Fourth-order sequences

Stacks of up to five 5th-order sequences compose 5–13 m thick 4th-order cycles (Koehrer et al. 2010 Palermo et al. 2010 Warnecke and Aigner 2019). These cycles have been interpreted as representing sedimentation resulting from long-eccentricity (400-kyr) periods (Warnecke and Aigner 2019) and are regionally correlatable based on biostratigraphic constraints, stratigraphic marker beds, lateral facies correlations, changes in regional facies development, the presence of proximal shoreline outcrops/boreholes and through the multitude of previous regional studies in the southern Germanic basin (Koehrer et al. 2010 Palermo et al. 2010 Warnecke and Aigner 2019). In the case of the northern Swiss Upper Muschelkalk, 4th-order cyclicity is likely present but its reliable identification must await the availability of more information. First, more boreholes are needed. The recognition of Upper Muschelkalk 4th-order cyclicity is an iterative process, whereby cycle boundaries are readjusted upon consideration of each new outcrop and borehole (Palermo et al. 2010). Thus, the nine available boreholes may not be sufficient to accurately represent the 4th-order cyclicity of the entire Swiss Upper Muschelkalk. Second, boreholes closer to the shorelines of the Vindelician High are required. The identification and correlation of 4th-order cycles of the German Upper Muschelkalk was possible due to the correlation of facies from open-marine settings to shoreline proximal settings on the Vindelician High and London Brabant coastlines (Koehrer et al. 2010 Palermo et al. 2010 Warnecke and Aigner 2019b). However, this approach is not yet possible in Switzerland, due to the greater distance of Swiss boreholes from the Vindelician High shorelines (Fig. 1). Furthermore, no biostratigraphic framework exists yet for the Swiss Upper Muschelkalk, which could be used to correlate facies and cycles with respect to the widespread biostratigraphy and cyclicity of the German Upper Muschelkalk.

Fifth-order sequences

Small-scale cycles with thicknesses of 0.2–7 m are recognized throughout the German Upper Muschelkalk (Aigner 1985 Braun 2003 Koehrer et al. 2010 Warnecke and Aigner 2019). These units have been interpreted as 5th-order cycles, after the hierarchal classification of Vail et al. (1991), and interpreted to reflect the short (100-kyr) orbital eccentricity period (Aigner et al. 1999 Koehrer et al. 2010). We recognized up to 23 small-scale cycles in the 9 studied boreholes and divided them into four cycle types (Fig. 8). Cycles generally begin with a hemicycle consisting of mudstone facies that grade upwards into higher-energy facies, followed by the next hemicycle that shows facies grading upwards back into low-energy mudstone facies. Most cycles correlate laterally across northern Switzerland, however, “missed beats” (Goldhammer et al. 1990) occur due to difficulty in identifying cyclicity in homogenous mudstones and due to erosion of shallow-water facies during regressive phases (Warnecke and Aigner 2019). This particularly affects the top of the Upper Muschelkalk, where an unknown amount of sediment and cycles are missing due to the erosion associated with the Lettenkohle unconformity (Warnecke and Aigner 2019).

Cyclostratigraphic correlation of borehole data in northern Switzerland. The datum used for correlation is the base of the Keuper. The thick red line corresponds to the maximum flooding surface of the 3rd-order transgressive–regressive sequence of the Upper Muschelkalk, based on the position of the Dünnlenberg bed in Benken after Pietsch et al. (2016). Correlations with Pfaffnau have not been attempted due to the lack of gamma-ray logs, the distance between boreholes and the 53 m of missing drill core

Backshoal–offshoal cycles

These cycles occur during the transgressive 3rd-order hemicycle at the base of the Upper Muschelkalk (Fig. 9). The cycles are asymmetric with the transgressive hemicycle dominating the 2–7 m thickness. In some cases, the regressive hemicycle is not observed. The cycles begin with muddy sediments that transition to crinoid- and gastropod-rich wackestones and packstones (LF12), followed by crinoidal wackestone tempestites and mudstones (LF3). Distal tempestites (LF11) and marls occur in the transgressive hemicycle. These cycles correspond to the crinoidal bank cycles of Aigner (1985).

Thin section and drill core photographs, and facies log of one backshoal–offshoal cycle from the base of the Schlattingen borehole. Thin section images taken from locations marked by the letters adjacent to the sedimentary log

Tempestite cycles

This type of cycle is the most common in the Swiss Upper Muschelkalk and occurs during both hemicycles of the 3rd-order sequence. Tempestite cycles are 2–7 m thick asymmetrical cycles that begin with a thick regressive, shallowing-upwards hemicycle overlain by a thin transgressive hemicycle (Fig. 10). Cycles begin in muddy sediments that pass into a series of coarsening- and thickening-upwards tempestites (LF10). Tempestites at the top of the regressive hemicycle contain large crinoid ossicles, intraclasts and large shell debris. During the transgressive hemicycle, tempestite sheets become thinner and finer upwards until they pass into marl-rich, stylolitic mudstones (LF3). These cycles correspond to the thickening-upward cycles of Aigner (1985).

Thin section and drill core photographs, and facies log of one tempestite cycle from the Schlattingen borehole. Thin section images taken from locations marked by the letters adjacent to the sedimentary log

Laterally, tempestites within tempestite cycles record a number of textural and bioclastic changes. As sequences progress westwards into the basin, tempestites within the same sequence show the following changes: scouring decreases, average bioclast size decreases, Dunham textures become muddier, intraclast abundance and sizes decrease, ooid contents decrease, micritization of molluscs decreases and bed thickness decreases (Fig. 11). These trends are observed in all tempestite cycles. A correlation between shoaling facies in the east and proximal–distal tempestites in the west is observed for tempestites at the top of the Hauptmuschelkalk (Fig. 8).

Photographs and explanatory drawings of tempestites from the same tempestite cycle at three boreholes across Switzerland. The illustrations demonstrate the typical textural evolution of tempestites from east to west during the same regressive hemicycle of each 5th-order tempestite cycle

Foreshoal- and backshoal cycles

These sequences occur in the regressive 3rd-order hemicycle and are

4 m thick symmetrical cycles (Fig. 12). The regressive hemicycle of both cycles begins with mudstones (LF3) passing into proximal tempestites (LF9) and facies that have been characterised as backshoal washover deposits (LF5) in the southern Germanic Basin (Braun 2003 Koehrer et al. 2010 Palermo et al. 2010). Then the deposition of cross-bedded and normally graded shelly and oolitic grainstones (LF6, 9) generally marks the end of the regression. In some cases, oncolitic packstones (LF7) are considered to be the most regressive facies (Fig. 8 Benken and Lindau). During the transgressive phase of the foreshoal–shoal cycle, mud content increases and Dunham textures wane from grainstones to wackestones. In the backshoal–shoal transgressive hemicycles, oolitic packstones–grainstones (LF6) are deposited and depositional energy decreases upwards towards the deposition of wackestone washovers (LF5) and massive mudstones (LF3). This sequence corresponds to the subtidal shoal cycles of Koehrer et al. (2010) and skeletal bank cycles of Aigner (1985), which are interpreted to represent prograding shoals.

Thin section and drill core photographs, and facies log of one foreshoal–shoal cycle from the Schlattingen borehole. Thin section images taken from locations marked by the letters adjacent to the sedimentary log

Backshoal–peritidal cycles

These dolomitized regressive asymmetrical cycles occur only at the top of the Trigonodus Dolomit (Fig. 13). Cycle thickness is usually < 3 m. The lower parts of the cycles begin as muddy, bioturbated, peloidal mudstones–wackestones (LF2, 3), which pass upwards into more strongly bioturbated or massive evaporite-rich peloidal mudstones–packstones (LF2) or laminated dolomites (LF1). Evaporitic textures increase upwards until reaching a chicken-wire or laminated anhydrite bed that marks the top of the regressive hemicycle. Where the transgressive hemicycle is present, sulphate-rich beds transition over cm–dm to massive/bioturbated mudstones and the cycle then repeats. Backshoal cycles are difficult to correlate between boreholes due the erosional potential of subaerially exposed sediments. These cycles correspond to the backshoal–peritidal cycles of Koehrer et al. (2010).

Thin section and drill core photographs, and facies log of one backshoal–peritidal cycle from the top of the Schafisheim borehole. Thin section images taken from locations marked by the letters adjacent to the sedimentary log


Contenu

Description [ edit | modifier la source]

Under thin section, in plane polarized light (PPL), quartz is colorless with low relief and no cleavage.  Its habit is either fairly equant or anhedral if it infills around other minerals as a cement. Under cross polarized light (XPL) quartz displays low interference colors and is usually the defining mineral used to determine if the thin section is at standardized thickness of 30 microns as quartz will only display up to a very pale yellow interference color and no further at that thickness, and it is very common in most rocks so it will likely be available to judge the thickness. Ώ]

Determining provenance [ edit | modifier la source]

In thin section, quartz grain provenance in a sedimentary rock can be estimated.  In crossed polarized light, the quartz grain can go extinct all at once, called monocrystalline quartz, or in waves, called polycrystalline quartz.  The extinction in waves is called undulose extinction and indicates dislocation walls in mineral grains. Dislocation walls are where dislocations, intracrystalline deformation via movement of a dislocation front within a plane, organize themselves into planes of sufficient quantity.  They change the crystallographic orientation across the walls, so for example in quartz, the two sides of the wall will have slightly different extinction angles and thus result in undulose extinction. ΐ] Since undulose extinction requires dislocation walls to have developed, and these occur more easily at higher pressures and temperatures, quartz grains with undulose extinction indicate metamorphic rock provenance for that grain.  Those grains that are monocrystalline quartz are more likely to have been formed by igneous processes.  It should be noted, however, that differing sources suggest the extent to which this proxy for provenance can be used.  Some note the trend for immature sandstones to have less polycrystalline quartz grains compared to mature sandstones, which have grains that have passed through many sedimentary cycles. Α] Quartz grains derived from previous sedimentary sources are determined by looking for authigenic, or grown in place, overgrowths of silica cement over the grain. Β]

Other distinguishing features [ edit | modifier la source]

The above descriptions of quartz in thin section is usually enough to identify it.  Minerals with similar appearance may include plagioclase, although it can be distinguished by the distinctive twinning in crossed polarized light and cleavage in plane polarized light, and cordierite, although it can be distinguished by twinning or inclusions in the grain.  However, for certainty, other distinguishing features of quartz include the fact that it is uniaxial, it has a positive optic sign, length-slow sign of elongation, and zero degree extinction angle. Γ]


Remerciements

The author thanks Shinya Inoué of the Marine Biological Laboratory (Woods Hole, MA) for useful discussions and encouragement. We are grateful to the following our colleagues for providing samples: James LaFountain of State University of New York (Buffalo, NY) for diatoms, Irina Arkhipova of the Marine Biological Laboratory (Woods Hole, MA) for rotifers, Richard Levenson of UC Davis Medical Center (Sacramento, CA) for breast cancer tissue, Photini Sinnis of Johns Hopkins Malaria Research Institute (Baltimore, MD) for malaria samples, Timothy Balmer of Georgia State University Neuroscience Institute (Atlanta, GA, USA) for mouse brain sample, Mindaugas Gecevicius and Martynas Beresna (University of Southampton, UK) for the nano-structured Europe map written in fused silica glass. This publication was made possible by Grant Number R01-GM101701 from the National Institute of General Medical Sciences, National Institutes of Health. Its contents are solely the responsibility of the author and do not necessarily represent the official views of the National Institute of General Medical Sciences or the National Institutes of Health.


Voir la vidéo: MPPCPSI-Bref récapitulatif expérimental-lame quart donde et demi onde- Polarisation 610.