矿物的反射率

第二章矿物的反射率第一节概述一、反射率的基本概念金属矿物的反射率如同透明矿物的折射率一样，是鉴定这些矿物最重要的光学数据。所谓反射率(Reflectance)，系指在矿相显微镜下垂直入射光经矿物光面反射后的反射光强(Ir)与原入射光(Ii)的比率(R)而言，即：R＝irII×100％由Fresnel公式可以推导出透明矿物的反射率公式为：R＝2121)()(nNnN（1）式中R为矿物的折射率，n1为传播光波之介质(如空气、浸油等)的射折率。当介质为空气时，透明矿物的反射率则为：R＝22)1()1(NN（2）对了金属不透明矿物，由于其折射率为复数折射率N′，在第一章第一节中已经谈到N′为N-iK(N系复数部分，K为吸收系数，i为1)，以此代入(1)，则得出不透明矿物的反射率公式：R=221221)()(KnNKnN（3）当介质为空气时，(3)式则为：R=2222)1()1(KNKN（4）(4)为了讨论矿物某些光学常数之间的关系特列表2-l。表2-1某些矿物的光学常数表光学数常数据矿物吸收系数K折射率N空气中反射率（%）（n1=1）浸油中反射率（%）（n1=1.515）富镁铬铁矿0.24192.1614.003.50石墨0.25651.1621.502.055.0023.000.7211.42纯闪锌矿0.02382.3816.644.94铁闪锌矿0.42092.36917.85.94硫汞锑矿0.48813.0034.7011.85硫砷铅矿1.75062.8036.0021.75毒砂2.39991.507549.9138.67红砷镍矿2.5751.677551.0039.57由公式(3)、(4)和表2-1内矿物在空气中的反射率及在浸油中的反射率对比可知，在油浸镜头下矿物的反射率低于在干镜头下矿物的反射率。而且是反射率大的矿物(如表2-1中的红砷镍矿和毒砂)降低得少，反射率小的矿物(如表2-1中的富镁铬铁矿和石墨)降低得多。由(4)式可以制出以下R、K、N关系曲线（图2-1）。由图2-1可以直接由K、N值交会投点，得出反射率R的大致数值。如表2-1中的石墨之较大的主反射率Rg，由Kg为1.162，Ng为2.05在图2-1很快可得出大致为23％。由图2-1还可以得知：1.当矿物的吸收系数甚小时(如K＜0.5)，矿物的反射率R主要取决于折射率N。.在图2-1中这种情况R曲线几乎全为近于直立的线，即K值的大小对R关系不大。如表2-1中K值小于0.5的硫汞锑矿、纯闪锌矿，富镁铬铁矿和石墨(Kp)，其反射率依次为34.70%、16.64％、14％和5％的次序主要由折射率N(这四个矿物的折射率N依次为3.00、2.38、2.16和1.50)的次序所决定。而吸收系数K(这四个矿物的吸收系数K依次为0.4881、0.0238、0.2419和0.2565)的次序对反射率影响不大。2.当矿物的吸收系数甚大时(如K＞2)，矿物的反射率R则主要取决于吸收系数K。在图2-l中此时及曲线多为近于水平的线，即N值大小对R的关系不大。在这种情况下不管N值大小如何，R值一律大于38％。表2-1中红砷镍矿(K为2.575)和毒砂(K为2.399)虽然N值(1.6775和1.5075)明显地小于硫汞锑矿和硫砷铅矿(N为3.0和2.8)，但反射率在40％以上(R为51％和49.91％)，而且显著地大于N值较高的硫汞锑矿和硫砷铅矿(R为34.7％和36％)。3.当矿物的吸收系数介于0.5和2.0之间时，折射率和吸收系数对于反射率差不多同等重要，如图2-1所示，此时R曲线多为具有一定斜率的斜线，故N、K值都对R影响甚大（如表2-1中的硫砷铅矿和石墨高主反射率)。4.单以吸收系数而言，当K值大于l时，R值必大于l6％；K值大于1.5时，R值必大于30%；K值大于2.0时，R值必大于38％；K值大于2.5时，R值必大于46％；K值大于3.0时，R值必大于52％；K值大于3.5时，R值必大于58％。5.单以折射率而言，当N值大于1.5时，R值必大于4％；N值大于2.0时，R值必大于11％；N值大于2.5时，R值必大于18％；N值大于3.0时，R值必大于24％；N值大于3.5时，R值必大于30％；N值大于4.0时，R值必大于35％；N值大于4.5时，R值必太于40%；N值大于5.0时，R值必大于44％；N值大于5.5时，R值必大于48％；N值大于6.0时，R值必大于51%。以上讨论均对白光的反射率而言。事实上，矿物的反射率随入射光的光波长度而变化。如自然金、金银矿和自然银都是在不同波长单色光下测定的反射率数值有较大的变化(表2-2)。国际矿物学协会矿相学委员会(IMA／COM)统一规定以470、546、589和650nm波长表2—2矿物的反射率随入射光波长不同的变化特数据征矿物在不同单色光（波长单位为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金银矿66.369.271.974.576.978.980.680.683.384.385.286.086.787.488.0自然银79.882.384.385.686.987.788.288.889.490.090.490.790.791.291.4的蓝、绿、橙和红色单色光入射光测定的反射率为鉴定矿物的特征波长反射率。由表2-3可以看出，由470和546nm波长测得的R470和R546对于准确鉴定自然金—自然银类质同象系列矿物的合金量具有重要的实用意义。表2－3矿物的反射率随入射光波长不同的变化数特据征矿物含金量(%)R470(%)R546(%)自然金含银自然金含银自然金银金矿银金矿银金矿金银矿自然银100908580706050～036.443.550.956.066.875.181.592.471.877.9－83.188.288.089.494.5二、反射率的形成机理众所周知，光线照射矿物光面即产生透过、吸收、折射、反射等光学现象(见第一章第一节)。但不同的矿物发生的这些光学现象可以有很大的差异，此取决于矿物的化学成分和晶体结构的不同，而很重要的取决于“矿物化学键”的特点。如系离子链，共价键或分子键，则电子是围绕着离子固定在一定的晶格位置上。电子的基态和激发态具有一定的能级，而且大多数能级间的能量差比各种可见光“光子”的能量大，因此绝大部分可见光进入矿物透射，只有很小一部分可见光被吸收且反射光很弱。故这些矿物的反射率很低(一般低于12％)。相反，如系金属键的矿物，电子能量间隔比可见光“光子”能量小得多，同时存在有较多的激发态，其能量差与可见光“光子”能量相当者较多，因而可见光撞击到金属键或部分金属键矿物表面可激发其基态电子到一定的激发态。可见光本身的能量从而被吸收，其中一部分转成热能而被消耗，大部分能量当激发态电子重返基态时再发射出来成为较强的反射光，绝大部分“光子”被反射。因之这些矿物的反射率较高(一般高于40％)。用近代固体物理学中的一种新的理论“能带理论”来解释矿物反射率的形成机理可能更为充分。根据能带理论，如自然金等“导体”矿物的“能带”是重叠的，外部电子可以在整个晶体中自由活动，它吸收各种能量的可见光(不透过)，并在返回时大多数电子的能量仍以光的形式放出强反射光，因而反射率很高(一般高于60％)。而黄铁矿、方铅矿、辰砂、雄黄、纯闪锌矿、纯金刚石等“半导体”矿物的“能带”为被“禁带”隔开的下部“价电子带”(充满电子)和上部“传导带”(未充填电子、全空)所组成。当“禁带”宽度小于可见光的能量时(如黄铁矿、方铅矿)，电子吸收光的能量由“价电子带”跃迁到“传导带”上，返回时放出相当一部分反射光，故显示较高的反射率(40-60％)。当“禁带”宽度中等时（如辰砂、雄黄)，在透过一部分可见光的同时，电子还吸收一部分的能量，也放出一小部分反射光，显示中等的反射率(20-30％)。当“禁带”宽度大于可见光的最大能量值(紫端)时(如纯闪锌矿，纯金刚石)，则可见光大部分透过而不被吸收，导致显示较低的反射率(15-17％)。上述“禁带”的宽度(能隙的大小)，对于硫化物矿物而言，决定于金属和硫的“S轨道”和“P轨道”共价键的混合程度，而它又决定于阳离子和阴离子的电负性的差别。三、反射率的研究意义从前述可知，反射率乃是金属矿物的最重要鉴定特征。它不但对于签定金属矿物的矿物种具有重要意义，而且对于鉴定矿物的“变种”、“异种”以至矿物的“多型”也具有实际价值。闪锌矿、铁闪锌矿、汞闪锌矿等变种可由其反射率的差异(表2-4)加以鉴别；磁黄铁矿的不同异种(六方磁黄铁矿和单斜磁黄铁矿)具有不同的反射率数值(表2-5)。二层型多型辉钼矿(2H-MoS2)的反射率明显地高于三层型多型辉钼矿(3R-MoS2)(表2-6)。另外，有意义的是，反射率对于金属矿物的标型性研究具有实用意义。大家知道，在一定的地质条件和物理—化学条件下形成的金属矿物具有特定的化学成分、晶体结构、物理性质以至形态和包裹体特征。就磁铁矿而言，岩浆成因的磁铁矿在化学成分上以TiO2含量高(系磁铁矿-钛铁晶石固溶体)为特征，热液成因的磁铁矿较富含MgO(系磁铁矿-镁铁矿固溶体)，区域变质磁铁矿则以质地纯净为特点(接近纯磁铁矿)。以上化学成分的特点反映在磁铁矿的反射率方面则具有表2-7所示的特征。总之，准确地测定金属矿物的反射率，乃是矿相学一项基本的、重要的任务。表2-4闪锌矿不同变种的反射率特征数据特征矿物变种在单色光（波长单位为nm）下的反射率R（%）460540580660闪锌矿(含Fe0.28%)铁闪锌矿(含Fe14.28%)汞闪锌矿(含Hg达38%)16.918.619.816.117.518.015.917.117.215.516.917.2表2-5磁黄铁矿不同异种的反射率特征数据特征矿物异种在单色光（波长单位为nm）下的平均反射率R（%）470546589650六方磁黄铁矿α-FenSn+133.636.638.340.6单斜磁黄铁矿β-FenSn+132.337.539.842.2表2-6辉钼矿不同“多型”的反射率特征数据特征矿物“多型”在单色光（波长单位为nm）下的反射率R（%）4605405806602H-MoS2Ro56.246.644.64.50Re＇25.621.420.519.62R-MoS2Ro47.539.537.638.2Re＇19.918.217.818.1表2-7不同成因类型铁矿床中磁铁矿的反射特征数据特征矿床类型在单色光（波长单位为nm）下的反射率R（%）480550580640岩浆矿床磁铁矿热液矿床磁铁矿区域变质矿床磁铁矿16.619.219.217.019.221.117.219.122.016.118.720.5现将常见的几十种金属矿物(包括三种非金属矿物)的四种规定波长之反射率数据列出(表2-8)供参考。表2-8常见金属矿物的反射率特征数据特征矿物在不同单色光（波长单位为nm）下的反射率R（%）470546589850自然银92.294.395.194.8自然金38.577.885.590.0自然铋62.566.768.871.2自然铜52.960.787.094.8毒砂48.7－55.351.9－53.750.9—54.449.5—53.7黄铁矿45.652.053.454.3白铁矿43.1—50.647.4—56.348.3—54.647.8－53.7红砷镍矿38.5—46.848.9—52.954.4－56.959.6－62.4镍黄铁矿40.547.850.042.3辉铋矿39.6—48.938.5—48.838.1—47.937.6—46.6方铅矿46.342.742.241.7黄铜矿31.042.544.745.8紫硫镍矿38.342.344.142.3方黄铜矿30.1—32.237.8—40.340.0—42.442