Pestrý svět minerálů a hornin

V dnešní době máme možnost pozorovat přírodu z mnoha úhlů i vzdáleností. Díky dalekohledům na oběžných drahách pronikáme až do dalekých koutů vesmíru. Při rozhledu z vysoké hory můžeme obdivovat pohoří, sopky, kaňony či mohutné skalní útvary.

Pokud se díváme zblízka na horniny, všimneme si, že každá má trochu jinou barvu, jinou strukturu a že v ní jsou krystalky různých barev, velikostí i tvarů. Ale co kdybychom se chtěli podívat ještě blíž? Dá se nahlédnout až do nitra horniny, kde minerály vytvářejí krystaly v měřítku mikrometrů? A mohli bychom zde rozeznat jednotlivé nerosty? Na pomoc nám přichází polarizační mikroskopie.

Polarizace: barvy odhalují tajemství

Se světlem se setkáváme každý den. Ve vědě je ovšem nutné jeho paprsky upravovat a přizpůsobovat tak, aby nám byly nápomocny v situacích, kdy běžné světlo nic nezmůže. Pokud dokážeme měnit směr a délku světelných vln nebo je dokonce rozdělovat a zase skládat dohromady, odhalí nám to nové skutečnosti, které při běžném pozorování zůstávají skryty. V geologii a mineralogii využíváme pro mikroskopické studium minerálů či hornin polarizovaného světla.

Pojďme si alespoň zjednodušeně popsat cestu světla od jeho zdroje skrze aparát takzvaného polarizačního mikroskopu až k našim očím. Jak říká kvantová teorie, světlo se chová jako proud částic nebo jako vlnění. My teď budeme brát světlo jako vlnění. Když prostorem letí běžné (nepolarizované) světlo, kmitá ve všech možných rovinách kolmých na směr šíření.

Můžeme to přirovnat k dělání vln na nataženém provazu. Pokud budeme jedním koncem provazu máchat ledabyle, budou se na druhý konec šířit vlny kmitající v různých směrech. Takto se mikroskopem šíří nepolarizované světlo ze žárovky. Následně však jeho paprsky projdou polarizátorem. V něm se světlo mění na polarizované, které kmitá pouze v jedné rovině. V analogii s provazem to vypadá stejně, jako kdybychom rukou hýbali nahoru a dolů. Na provaze se pak budou tvořit vlny ležící v jediné (svislé) rovině.

Nastává chvíle, kdy polarizované světlo prochází přes vzorek. Než ale dáme horninu pod mikroskop, musíme ji nejdřív upravit. Z horniny se zhotoví tenké průhledné plátky o síle 30 mikrometrů, kterým se říká výbrusy. Ty se nalepí na sklíčko a vše je připraveno k pozorování.

Po vniknutí světla do horniny dochází k dvojlomu: paprsek procházející zrnem minerálu se rozdělí na dva paprsky kmitající ve dvou na sobě kolmých rovinách. Mění se také směr a rychlost šíření paprsků. To si můžeme připodobnit k pokusu s klackem částečně ponořeným do vody. Když se na něj díváme, jeví se nám jako zlomený.

Jak moc se klacek (nebo světelný paprsek) „ohne“, je určeno indexem lomu – což je poměr mezi rychlostí světla ve vakuu a rychlostí světla v daném prostředí. Čím vyšší je index lomu, tím vyšší má příslušný minerál optickou hustotu. Díky rozdílům v ní můžeme na výbrusu horniny pozorovat hranice jednotlivých zrn. Zrna s větší optickou hustotou jsou výraznější a tvoří v mikroskopu reliéf vystouplý nad ostatními.

Od černobílé po všechny barvy spektra

Pravá zábava však nastává, když použijeme takzvané analyzátory. První z nich sestrojil roku 1828 skotský geolog William Nicol, proto se jim říká „nikoly“. Po opuštění výbrusu horniny jsou paprsky vzniklé dvojlomem fázově posunuty – zjednodušeně řečeno, vrcholy jejich vln se nekryjí. Nikol nám oba tyto paprsky opět složí. Díky vzájemnému sčítání a odečítání světelného vlnění o různých vlnových délkách vzniknou složením charakteristické barvy, jež jsou unikátní pro každý minerál.

Světelný paprsek nakonec přes soustavu čoček v okulárech dorazí do oka a nám se naskytne pohled na záplavu různobarevných zrníček, která živě připomíná hru s kaleidoskopem. Můžeme pozorovat šedobílé křemeny a živce, zelené pyroxeny, hnědé či modré amfiboly, červené spinely nebo žluté epidoty. Rozličná barevnost minerálů v polarizačním mikroskopu je jejich nejzákladnějším rozpoznávacím znakem.

Mikroskopické vulkány a kolize kontinentů

Největším přínosem polarizační mikroskopie pro geologii je fakt, že procesy a události, které vidíme v mikroměřítku, jsou přesnou analogií toho, co pozorujeme v přírodě pouhým okem. S polarizačním mikroskopem od sebe dokážeme rozlišit horniny usazené, vyvřelé a přeměněné. Podle povahy a vytříděnosti materiálu jsme schopni určit, zdali se pískovce či vápence usazovaly v moři, nebo v jezeře. Díky orientaci minerálních zrn můžeme zjistit směr a rychlost toku lávy. Z poměru světlých a tmavých minerálů se zase dá určit, jaký typ sopky se na daném místě nacházel.

Můžeme sledovat, jak se v hlubinách Země vytvářely horniny z roztaveného magmatu a určovat, které minerály vyrostly jako první a které měly největší sílu růstu. Jsme schopni pozorovat proměny nerostů při metamorfóze, tedy přeměně hornin. Na základě barevnosti minerálu amfibolu, jež závisí na jeho složení, umíme například odhadnout, za jakých teplot a tlaků se hornina vyvíjela. Pokud zpozorujeme stopy po tavení minerálů, víme, že hornina byla vystavena extrémně vysokým teplotám.

Přírodovědci dnes využívají různé supermoderní technologie. Přesto je polarizační mikroskopie stále nedílnou součástí geologického výzkumu a užitečným pomocníkem při studiu vzniku i vývoje hornin a minerálů.