礦物的反射率

1、第二章 礦物的反射率第一節(jié) 概述 一、反射率的基本概念 金屬礦物的反射率如同透明礦物的折射率一樣，是鑒定這些礦物最重要的光學(xué)數(shù)據(jù)。所謂反射率(Reflectance)，系指在礦相顯微鏡下垂直入射光經(jīng)礦物光面反射后的反射光強(qiáng)(Ir)與原入射光(Ii)的比率(R)而言，即： R×100由Fresnel公式可以推導(dǎo)出透明礦物的反射率公式為： R（1）式中R為礦物的折射率，n1為傳播光波之介質(zhì)(如空氣、浸油等)的射折率。當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，透明礦物的反射率則為： R（2）對了金屬不透明礦物，由于其折射率為復(fù)數(shù)折射率N，在第一章第一節(jié)中已經(jīng)談到N為N-iK(N系復(fù)數(shù)部分，K為吸收系數(shù)，i為)，以此

2、代入(1)，則得出不透明礦物的反射率公式： R=（3）當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，(3)式則為： R=（4）(4)為了討論礦物某些光學(xué)常數(shù)之間的關(guān)系特列表2-l。表2-1某些礦物的光學(xué)常數(shù)表光學(xué)數(shù) 常數(shù) 據(jù)礦物吸收系數(shù)K折射率N空氣中反射率（%）（n1=1）浸油中反射率（%）（n1=1.515）富鎂鉻鐵礦0.24192.1614.003.50石墨0.25651.1621.502.055.0023.000.7211.42純閃鋅礦0.02382.3816.644.94鐵閃鋅礦0.42092.36917.85.94硫汞銻礦0.48813.0034.7011.85硫砷鉛礦1.75062.8036.0021.75毒

3、砂2.39991.507549.9138.67紅砷鎳礦2.5751.677551.0039.57由公式(3)、(4)和表2-1內(nèi)礦物在空氣中的反射率及在浸油中的反射率對比可知，在油浸鏡頭下礦物的反射率低于在干鏡頭下礦物的反射率。而且是反射率大的礦物(如表2-1中的紅砷鎳礦和毒砂)降低得少，反射率小的礦物(如表2-1中的富鎂鉻鐵礦和石墨)降低得多。由(4)式可以制出以下R、K、N關(guān)系曲線（圖2-1）。 由圖2-1可以直接由K、N值交會投點(diǎn)，得出反射率R的大致數(shù)值。如表2-1中的石墨之較大的主反射率Rg，由Kg為1.162，Ng為2.05在圖2-1很快可得出大致為23。由圖2-1還可以得知：1.當(dāng)

4、礦物的吸收系數(shù)甚小時(shí)(如K0.5)，礦物的反射率R主要取決于折射率N。.在圖2-1中這種情況R曲線幾乎全為近于直立的線，即K值的大小對R關(guān)系不大。如表2-1中K值小于0.5的硫汞銻礦、純閃鋅礦，富鎂鉻鐵礦和石墨(Kp)，其反射率依次為34.70%、16.64、14和5的次序主要由折射率N(這四個(gè)礦物的折射率N依次為3.00、2.38、2.16和1.50)的次序所決定。而吸收系數(shù)K(這四個(gè)礦物的吸收系數(shù)K依次為0.4881、0.0238、0.2419和0.2565)的次序?qū)Ψ瓷渎视绊懖淮蟆?.當(dāng)?shù)V物的吸收系數(shù)甚大時(shí)(如K2)，礦物的反射率R則主要取決于吸收系數(shù)K。在圖2-l中此時(shí)及曲線多為近于水

5、平的線，即N值大小對R的關(guān)系不大。在這種情況下不管N值大小如何，R值一律大于38。表2-1中紅砷鎳礦(K為2.575)和毒砂(K為2.399)雖然N值(1.6775和1.5075)明顯地小于硫汞銻礦和硫砷鉛礦(N為3.0和2.8)，但反射率在40以上(R為51和49.91)，而且顯著地大于N值較高的硫汞銻礦和硫砷鉛礦(R為34.7和36)。3.當(dāng)?shù)V物的吸收系數(shù)介于0.5和2.0之間時(shí)，折射率和吸收系數(shù)對于反射率差不多同等重要，如圖2-1所示，此時(shí)R曲線多為具有一定斜率的斜線，故N、K值都對R影響甚大（如表2-1中的硫砷鉛礦和石墨高主反射率)。4.單以吸收系數(shù)而言，當(dāng)K值大于l時(shí)，R值必大于l

6、6；K值大于1.5時(shí)，R值必大于30%；K值大于2.0時(shí)，R值必大于38；K值大于2.5時(shí)，R值必大于46；K值大于3.0時(shí)，R值必大于52；K值大于3.5時(shí)，R值必大于58。5.單以折射率而言，當(dāng)N值大于1.5時(shí)，R值必大于4；N值大于2.0時(shí)，R值必大于11；N值大于2.5時(shí)，R值必大于18；N值大于3.0時(shí)，R值必大于24；N值大于3.5時(shí)，R值必大于30；N值大于4.0時(shí)，R值必大于35；N值大于4.5時(shí)，R值必太于40%；N值大于5.0時(shí)，R值必大于44；N值大于5.5時(shí)，R值必大于48；N值大于6.0時(shí)，R值必大于51%。以上討論均對白光的反射率而言。事實(shí)上，礦物的反射率隨入射光的

7、光波長度而變化。如自然金、金銀礦和自然銀都是在不同波長單色光下測定的反射率數(shù)值有較大的變化(表2-2)。國際礦物學(xué)協(xié)會礦相學(xué)委員會(IMACOM)統(tǒng)一規(guī)定以470、546、589和650nm波長 表22 礦物的反射率隨入射光波長不同的變化特?cái)?shù) 據(jù)征礦物在不同單色光（波長單位為nm）下的反射率R（%）420440460480500520540560580600620640660680700自然金34.435.237.042.253.966.573.773.782.684.886.588.189.490.190.6金銀礦66.369.271.974.576.978.980.680.683.384.

8、385.286.086.787.488.0自然銀79.882.384.385.686.987.788.288.889.490.090.490.790.791.291.4的藍(lán)、綠、橙和紅色單色光入射光測定的反射率為鑒定礦物的特征波長反射率。由表2-3可以看出，由470和546nm波長測得的R470和R546對于準(zhǔn)確鑒定自然金自然銀類質(zhì)同象系列礦物的合金量具有重要的實(shí)用意義。表23礦物的反射率隨入射光波長不同的變化 數(shù) 特?fù)?jù)征礦物含金量(%)R470(%)R546(%)自然金含銀自然金含銀自然金銀金礦銀金礦銀金礦金銀礦自然銀100908580706050036.443.550.956.066.87

9、5.181.592.471.877.983.188.288.089.494.5二、反射率的形成機(jī)理 眾所周知，光線照射礦物光面即產(chǎn)生透過、吸收、折射、反射等光學(xué)現(xiàn)象(見第一章第一節(jié))。但不同的礦物發(fā)生的這些光學(xué)現(xiàn)象可以有很大的差異，此取決于礦物的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)的不同，而很重要的取決于“礦物化學(xué)鍵”的特點(diǎn)。如系離子鏈，共價(jià)鍵或分子鍵，則電子是圍繞著離子固定在一定的晶格位置上。電子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)具有一定的能級，而且大多數(shù)能級間的能量差比各種可見光“光子”的能量大，因此絕大部分可見光進(jìn)入礦物透射，只有很小一部分可見光被吸收且反射光很弱。故這些礦物的反射率很低(一般低于12)。相反，如系金屬鍵的礦

10、物，電子能量間隔比可見光“光子”能量小得多，同時(shí)存在有較多的激發(fā)態(tài)，其能量差與可見光“光子”能量相當(dāng)者較多，因而可見光撞擊到金屬鍵或部分金屬鍵礦物表面可激發(fā)其基態(tài)電子到一定的激發(fā)態(tài)?？梢姽獗旧淼哪芰繌亩晃?，其中一部分轉(zhuǎn)成熱能而被消耗，大部分能量當(dāng)激發(fā)態(tài)電子重返基態(tài)時(shí)再發(fā)射出來成為較強(qiáng)的反射光，絕大部分“光子”被反射。因之這些礦物的反射率較高(一般高于40)。用近代固體物理學(xué)中的一種新的理論“能帶理論”來解釋礦物反射率的形成機(jī)理可能更為充分。根據(jù)能帶理論，如自然金等“導(dǎo)體”礦物的“能帶”是重疊的，外部電子可以在整個(gè)晶體中自由活動(dòng)，它吸收各種能量的可見光(不透過)，并在返回時(shí)大多數(shù)電子的能量仍

11、以光的形式放出強(qiáng)反射光，因而反射率很高(一般高于60)。而黃鐵礦、方鉛礦、辰砂、雄黃、純閃鋅礦、純金剛石等“半導(dǎo)體”礦物的“能帶”為被“禁帶”隔開的下部“價(jià)電子帶”(充滿電子)和上部“傳導(dǎo)帶”(未充填電子、全空)所組成。當(dāng)“禁帶”寬度小于可見光的能量時(shí)(如黃鐵礦、方鉛礦)，電子吸收光的能量由“價(jià)電子帶”躍遷到“傳導(dǎo)帶”上，返回時(shí)放出相當(dāng)一部分反射光，故顯示較高的反射率(40-60)。當(dāng)“禁帶”寬度中等時(shí)（如辰砂、雄黃)，在透過一部分可見光的同時(shí)，電子還吸收一部分的能量，也放出一小部分反射光，顯示中等的反射率(20-30)。當(dāng)“禁帶”寬度大于可見光的最大能量值(紫端)時(shí)(如純閃鋅礦，純金剛石)，

12、則可見光大部分透過而不被吸收，導(dǎo)致顯示較低的反射率(15-17)。上述“禁帶”的寬度(能隙的大小)，對于硫化物礦物而言，決定于金屬和硫的“S軌道”和“P軌道”共價(jià)鍵的混合程度，而它又決定于陽離子和陰離子的電負(fù)性的差別。三、反射率的研究意義從前述可知，反射率乃是金屬礦物的最重要鑒定特征。它不但對于簽定金屬礦物的礦物種具有重要意義，而且對于鑒定礦物的“變種”、“異種”以至礦物的“多型”也具有實(shí)際價(jià)值。閃鋅礦、鐵閃鋅礦、汞閃鋅礦等變種可由其反射率的差異(表2-4)加以鑒別；磁黃鐵礦的不同異種(六方磁黃鐵礦和單斜磁黃鐵礦)具有不同的反射率數(shù)值(表2-5)。二層型多型輝鉬礦(2H-MoS2)的反射率明顯

13、地高于三層型多型輝鉬礦(3R-MoS2)(表2-6)。另外，有意義的是，反射率對于金屬礦物的標(biāo)型性研究具有實(shí)用意義。大家知道，在一定的地質(zhì)條件和物理化學(xué)條件下形成的金屬礦物具有特定的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)以至形態(tài)和包裹體特征。就磁鐵礦而言，巖漿成因的磁鐵礦在化學(xué)成分上以TiO2含量高(系磁鐵礦-鈦鐵晶石固溶體)為特征，熱液成因的磁鐵礦較富含MgO(系磁鐵礦-鎂鐵礦固溶體)，區(qū)域變質(zhì)磁鐵礦則以質(zhì)地純凈為特點(diǎn)(接近純磁鐵礦)。以上化學(xué)成分的特點(diǎn)反映在磁鐵礦的反射率方面則具有表2-7所示的特征。總之，準(zhǔn)確地測定金屬礦物的反射率，乃是礦相學(xué)一項(xiàng)基本的、重要的任務(wù)。表2-4閃鋅礦不同變種的反射率特

14、征數(shù)據(jù)特征礦物變種在單色光（波長單位為nm）下的反射率R（%）460540580660閃鋅礦(含F(xiàn)e0.28%)鐵閃鋅礦(含F(xiàn)e14.28%)汞閃鋅礦(含Hg達(dá)38%)16.918.619.816.117.518.015.917.117.215.516.917.2表2-5磁黃鐵礦不同異種的反射率特征數(shù)據(jù)特征礦物異種在單色光（波長單位為nm）下的平均反射率R（%）470546589650六方磁黃鐵礦-FenSn+133.636.638.340.6單斜磁黃鐵礦- FenSn+132.337.539.842.2表2-6輝鉬礦不同“多型”的反射率特征數(shù)據(jù)特征礦物“多型”在單色光（波長單位為nm）下的反

15、射率R（%）4605405806602H-MoS2Ro56.246.644.64.50Re25.621.420.519.62R-MoS2Ro47.539.537.638.2Re19.918.217.818.1表2-7不同成因類型鐵礦床中磁鐵礦的反射特征數(shù)據(jù)特征礦床類型在單色光（波長單位為nm）下的反射率R（%）480550580640巖漿礦床磁鐵礦熱液礦床磁鐵礦區(qū)域變質(zhì)礦床磁鐵礦16.619.219.217.019.221.117.219.122.016.118.720.5現(xiàn)將常見的幾十種金屬礦物(包括三種非金屬礦物)的四種規(guī)定波長之反射率數(shù)據(jù)列出(表2-8)供參考。表2-8常見金屬礦物的反射

16、率特征數(shù)據(jù)特征礦物在不同單色光（波長單位為nm）下的反射率R（%）470546589850自然銀92.294.395.194.8自然金38.577.885.590.0自然鉍62.566.768.871.2自然銅52.960.787.094.8毒砂48.755.351.953.750.954.449.553.7黃鐵礦45.652.053.454.3白鐵礦43.150.647.456.348.354.647.853.7紅砷鎳礦38.546.848.952.954.456.959.662.4鎳黃鐵礦40.547.850.042.3輝鉍礦39.648.938.548.838.147.937.646.6

17、方鉛礦46.342.742.241.7黃銅礦31.042.544.745.8紫硫鎳礦38.342.344.142.3方黃銅礦30.132.237.840.340.042.442.444.4磁黃鐵礦30.835.534.839.936.941.639.5一43.3軟錳礦30.539.929.040.028.139.327.538.1輝銅礦35.536.732.533.430.531.828.730.2黝銅礦31.632.231.830.2螺狀硫銀礦32.534.030.331.329.029.828.320.0鋇硬錳礦28.736.926.436.925.231.224.529.7砷黝銅礦31.

18、530.029.828.8輝鉬礦22.046.919.840.419.238.818.940.0赤鐵礦27.432.626.031.025.329.623.126.3辰砂27.429.925.029.324.528.223.926.6黝(黃)錫礦25.125.727.227.827.127.727.027.4赤銅礦30.931.126.426.624.625.123.023.4硫砷銅礦26.028.825.128.424.628.325.628.2藍(lán)輝銅礦27.223.121.018.3硫錳礦24.422.822.321.9斑銅礦17.820.122.426.0磁鐵礦20.220.020.82

19、0.7鈦鐵礦15.520.515.820.116.420.217.120.4閃鋅礦17.716.616.416.1黑鎢礦15.516.615.016.214.715.914.615.8針鐵礦15.318.114.216.514.315.513.114.8銅藍(lán)13.429.17.223.74.221.25.923.0石墨6.616.16.817.47.018.17.319.3錫石12.012.811.512.411.312.211.212.2方解石4.03.04.06.04.06.04.06.0石英4.54.54.54.5螢石3.03.03.03.0 第二節(jié) 反射率的測定方法 關(guān)于反射率的測定方

20、法，早期采用“光學(xué)法”，現(xiàn)代采用“光電法”。現(xiàn)分別介紹如下：(一) 反射率的光學(xué)測定方法“反射率的光學(xué)測定方法”是應(yīng)用光學(xué)儀器對礦物反光強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的反光強(qiáng)度比較，調(diào)節(jié)儀器并憑借觀察者視覺，判斷找出二者強(qiáng)度相等的儀器指數(shù)以計(jì)算礦物的反射率?！肮怆姺ā笔菓?yīng)用光電原理、利用同一光源使礦物反光強(qiáng)度與另一已知強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)比較找出二者強(qiáng)度的比例以計(jì)算礦物的反射率。 光學(xué)方法中有視測對比法、貝瑞克裂隙光度計(jì)法、視覺測微光度計(jì)法和光度目鏡法等多種。但都是憑借助判斷兩種光強(qiáng)是否相等，受觀察者視覺靈敏度的限制，所得定量測定數(shù)值精度太差，目前光學(xué)法已被淘汰。只是作為半定量或定性測定，視測對比法具有簡單易行的優(yōu)

21、點(diǎn)，目前在日常礦相鑒定生產(chǎn)工作和教學(xué)中具有一定的實(shí)際意義。視測對比法是將欲測礦物與標(biāo)準(zhǔn)礦物兩個(gè)光片毗連鑲接在一起壓平(墊用膠泥)，在礦相顯微鏡同一視域中看到兩種礦物(在視域中成倒像)以比較其光亮程度，較亮者反射率較高，較暗者反射率較低。兩礦物反射率相差較大時(shí)容易判斷誰高誰低，反射率相差較小時(shí)則不易準(zhǔn)確判斷，需要多次訓(xùn)練視覺判斷力，熟練以后才能順利對比。本方法不需要任何專門儀器、操作簡便，熟練后效果較好，故被普遍采用。觀察時(shí)必須使光片清潔。細(xì)粒礦物用高倍接物鏡不能在視域中同時(shí)看到欲測礦物和標(biāo)準(zhǔn)礦物時(shí)，可利用先看一種礦物以人眼視覺保存其亮度的印象（“視覺暫留” )，再與另種礦物的光度對比。顏色顯著

22、不同的礦物可加濾光片觀察以對比其亮度。根據(jù)多年教學(xué)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，采用黃鐵礦、方鉛礦、黝銅礦、閃鋅礦等四種標(biāo)準(zhǔn)礦物對初學(xué)者較為適宜。這樣以欲測礦物與四種標(biāo)準(zhǔn)礦物進(jìn)行視測對比之后可很快測出欲測礦物的反射率范圍。其分為以下五級：、反射率高于黃鐵礦R53；、反射率介于黃鐵礦和方鉛礦之間53R43；、反射率介于方鉛礦和黝銅礦之間43R31；、反射率介于黝銅礦和閃鋅礦之間31R17；、反射率低于閃鋅礦R17。(二)反射率的光電學(xué)測定方法 反射率的光電學(xué)測定方法中有硒光電池法、硅光電池法和光電倍增管法多種。硒光電池的靈敏度不高并易于老化，而且其最嚴(yán)重的缺點(diǎn)是在較弱光線下光強(qiáng)與光電流不成直線關(guān)系，故不能測弱光，

23、也不測定微粒礦物的反射率。硅光電池雖具有不易老化、經(jīng)濟(jì)、耐用的優(yōu)點(diǎn)，但對可見光靈敏度低(特別是對藍(lán)、綠光更低，只對近紅外光靈敏度較高)和不能測微小面積光強(qiáng)，也使其失去了廣泛應(yīng)用的價(jià)值。目前較好的光電受光器件是“光電倍增管“，它具有很高的靈敏度，能測定直徑小至0.5m面積的光強(qiáng)，用途很廣。光電倍增管法的基本原理是利用光電效應(yīng)測量礦物的反射率。光電效應(yīng)為物質(zhì)在光的作用下發(fā)射電子的現(xiàn)象。物質(zhì)釋放出的電子稱為光電子，它在電場中形成的電流稱光電流。根據(jù)光電效應(yīng)的基本定律可知，在單位時(shí)間和單位面積內(nèi)，受光照射的物質(zhì)釋放出的電子數(shù)與入射光的強(qiáng)度成正比，比較欲測礦物與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)所測的光電流強(qiáng)度即可算出欲測礦物的

24、反射率.。如圖2-2、2-3所示，光電倍增管置于礦相顯微鏡頂端，它由陽極、陰極和多個(gè)“二次發(fā)射靶屏極”組成。光線照射陰極發(fā)出光電子，多次落入”二次發(fā)射靶屏”上產(chǎn)生二次電子使光電流放大幾百萬倍。陽極的輸出電流可用靈敏檢流計(jì)測定。質(zhì)量較好的商品儀器西德菜資廠產(chǎn)MPV-1型測微光度計(jì)(圖2-2)可裝在ORTHOPLAN型或ORTHOLUX-BKE型礦相顯微鏡上使用。其基本組成部分：帶有穩(wěn)壓器和干涉濾光器的光源、光電倍增管及其高壓穩(wěn)壓電源、測定光電流的儀表等。更現(xiàn)代化的MPV型測微光度計(jì)(圖2-3)結(jié)構(gòu)緊湊，在測定的同時(shí)可于顯微鏡接目鏡中觀察被測物體影像及控制被測部位的光圈，不用另加MPVI型那樣的側(cè)

25、視接目鏡。還可連接以下自動(dòng)化精密儀器附件：1.連接光柵單色儀；2.掃描測定裝置（包括快速掃描臺和精細(xì)掃描臺)；3.操縱掃描臺及測定過程的程序計(jì)算機(jī)：4.數(shù)據(jù)輸出用數(shù)字直讀式顯示器及記錄器；5.數(shù)據(jù)加工用的臺式電于計(jì)算機(jī)、電傳打字機(jī)等。二十世紀(jì)八十年代又生產(chǎn)出更先備的MPV-型測微光度計(jì)。第三節(jié) 影響反射率測定的因素影響反射率測定精度的因素有： 1.磨光質(zhì)量應(yīng)用光電倍增管測微光度計(jì)測量礦物和標(biāo)樣的反射光強(qiáng)時(shí)要求有高質(zhì)量的磨光(MgO和Al2O3磨料比Cr2O3和C磨料的磨光效果好，50m比250m磨料的效果好)； 2.光片安裝質(zhì)量要求安裝精確水平。在光電倍增管測微光度計(jì)的附件中常有安裝水平的專用裝樣臺，可保證使光片上表面與顯微鏡鏡筒嚴(yán)格垂直(即保持水平)； 3.溫差應(yīng)控制溫差使測定時(shí)溫度變化不超過5；4.準(zhǔn)焦要求精確準(zhǔn)焦，當(dāng)光源波長有較大改變時(shí)要重新準(zhǔn)焦； 5.光源電壓、光電倍增管加速電壓對標(biāo)樣和欲測礦物樣品要求保持一致；6.放大