Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU
แร#วิทยา Mineralogy ดร. วิมลทิพย, สิงห,เถื่อน สาขาวิชาเทคโนโลยีธรณี คณะเทคโนโลยีมหาวิทยาลัยขอนแก9น พ.ศ. ๒๕๖๗
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU แร9วิทยา (Mineralogy) พิมพ$ครั้งที่ 4 เรียบเรียงและออกแบบโดย ผู;ช=วยศาสตราจารย$ ดร. วิมลทิพย$ สิงห$เถื่อน สงวนลิขสิทธิ์ ข"อมูลทางบรรณานุกรมของหอสมุดแห4งชาติ วิมลทิพย$สิงห$เถื่อน แร=วิทยา (Mineralogy).— พิมพ$ครั้งที่ 4.— ขอนแก=น : สาขาวิชา เทคโนโลยีธรณี คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยขอนแก=น, 2567. 265 หน;า. 1. แร=วิทยา. I. ชื่อเรื่อง. 549 ISBN 978-616-438-786-7 จัดพิมพ;โดย สาขาวิชาเทคโนโลยีธรณี คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยขอนแก=น 123 หมู= 16 ถนนมิตรภาพ ตำบลในเมือง อำเภอเมืองขอนแก=น จังหวัดขอนแก=น 40002
คำนำ ตำราเล=มนี้ ผู;เขียนใช;ความรู;และประสบการณ$ที่ได;สอนจริงในช=วงการทำงานเปnนอาจารย$ปoแรก ณ สาขาวิชาเทคโนโลยีธรณีคณะเทคโนโลยีมหาวิทยาลัยขอนแก=น โดยเริ่มเรียบเรียงและปรับปรุงมาตั้งแต=ปo การศึกษา 2563 เพื่อให;มีเนื้อหาครบถ;วนและกระชับมากยิ่งขึ้น พร;อมการจัดเรียงหัวข;อให;สอดคล;องกับ จุดประสงค$การเรียนรู;ของกระบวนวิชาวิทยาแร= (Mineralogy) รหัสประจำวิชา TE-042-102 เปnนรายวิชา บังคับพื้นฐานทางธรณีวิทยาของหลักสูตรวิทยาศาสตรบัณฑิต ระดับปริญญาตรี ปo 2561 สาขาวิชา เทคโนโลยีธรณี คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยขอนแก=น โดยมีน้ำหนักภาคบรรยาย 3 หน=วยกิต และ ปฏิบัติการ 1 หน=วยกิต รวมทั้งสิ้น 4 หน=วยกิต รายวิชานี้มีเนื้อหาครอบคลุมนิยามของแร= สมบัติของแร=ทั้ง ทางกายภาพ ทางเคมีและทางแสง มีการเชื่อมโยงความรู;พื้นฐานทางผลึกศาสตร$ให;สัมพันธ$กับทฤษฎีสมบัติ ทางแสงเพื่อบ=งชี้การศึกษาศิลาวรรณนาของแร=และหินประเภทต=างต=าง อีกทั้งยังมีการอธิบายเชิงลึกในมิติ ของการจำแนกกลุ=มแร=ซิลิเกต ซึ่งเปnนแร=ประกอบหินที่สำคัญและมีปริมาณมากที่สุดบนผิวโลก รวมทั้งแร= เศรษฐกิจและแร=อื่นที่เกี่ยวข;องทั้งลักษณะทางกายภาพ เคมี และการศึกษาภายใต;กล;องจุลทรรศน$แบบแสง โพลาไรซ$ การศึกษาวิทยาแร=ภายใต;กล;องจุลทรรศน$นับเปnนการศึกษาขั้นพื้นฐานเชิงลึกที่สามารถบอกลักษณะ การเกิด รูปร=างผลึก ลำดับการตกผลึก คุณสมบัติทางแสง นิสัยของแร= ความสัมพันธ$ของเพื่อนแร= และยัง สามารถบ=งชี้ชนิดแร=อย=างจำเพาะได;ดี อีกทั้งยังเปnนส=วนหนึ่งที่ทำให;การศึกษาศิลาวรรณนาและศิลาวิทยา สมบูรณ$มากยิ่งขึ้น ภาคบรรยายและปฏิบัติการของวิชาวิทยาแร=จะมีเนื้อหาสอดคล;องไปในทางเดียวกันเพื่อให;เกิด ประโยชน$สูงสุดในการเรียนการสอน และเพื่อให;นักศึกษาสามารถจำแนกแร=และอธิบายการเกิดแร=ได;อย=างมี ประสิทธิภาพ
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU กิตติกรรมประกาศ ผู;เขียนขอขอบคุณสาขาวิชาเทคโนโลยีธรณีคณะเทคโนโลยีมหาวิทยาลัยขอนแก=น ที่ให;การ สนับสนุนอุปกรณ$และเครื่องมือปฏิบัติการจนทำให;ผู;เขียนมีข;อมูลและภาพประกอบในตำราเล=มนี้ได;อย=าง ครบถ;วน รวมทั้งโอกาสในการเปnนผู;สอนวิชาวิทยาแร=อย=างสมบูรณ$แบบ ขอขอบพระคุณและแสดงความเคารพ ผู;ช=วยศาสตราจารย$ ดร. บูรพา แพจุ;ย อาจารย$ของผู;เขียนที่ ได;ประสิทธิประสาทวิชาวิทยาแร= ผลึกศาสตร$ และธรณีเคมี อีกทั้งคำแนะนำในเรื่องยากจนผู;เขียนเข;าใจได; ง=ายถึงแก=นแท; ตลอดจนการสอนการเขียน การใช;ภาษาไทย และหลักวิธีการสอนในระดับอุดมศึกษา จนทำ ให;ผู;เขียนมีความรู;มากพอที่จะสามารถเขียนตำราเล=มนี้ได;สมบูรณ$ ขอขอบคุณนักวิชาการและนักธรณีวิทยา ทุกท=านที่ได;นำเสนอผลงานที่ผู;เขียนสามารถนำมาใช;อ;างอิงในตำราเล=มนี้ได; ขอขอบพระคุณคุณพ=อคุณแม=และพี่ชาย สมาชิกในครอบครัวของข;าพเจ;าที่ให;กำลังใจและแรง กระตุ;นเพื่อให;ผู;เขียนทำงานได;อย=างมีประสิทธิภาพ ก=อเกิดประโยชน$ต=อนักศึกษาและส=วนรวม สุดท;ายผู;เขียนขอบคุณนักศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาเทคโนโลยีธรณี คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยขอนแก=น รุ=นที่ 42 43 44 45 และ 46 ที่มีส=วนทำให;ผู;เขียนบรรลุวัตถุประสงค$ในการสอนและมี กำลังใจมากพอจนสามารถเรียบเรียงตำราเล=มนี้ได;เสร็จสมบูรณ$ มีนาคม 2566
สารบัญ หนOา บทที่1 ลักษณะทางกายภาพของแร9 1.1 บทนำ 3 1.2 นิยามแร= 3 1.3 ลักษณะทางกายภาพของแร= 5 1.4 ผลึกศาสตร$ 8 คำถามท;ายบทที่ 1 11 บทที่2 ธรณีเคมีของแร9 2.1 การตกผลึกของแร= 15 2.2 การจัดจำแนกแร= 18 2.3 แร=ซิลิเกต 20 คำถามท;ายบทที่ 2 25 บทที่3 บทนำคุณสมบัติทางแสง 3.1 กล;องจุลทรรศน$แบบแสงโพลาไรซ$ 29 3.2 การเตรียมตัวอย=างสำหรับการศึกษาศิลาวรรณนา 32 3.3 แสงและคุณสมบัติทางแสง 32 คำถามท;ายบทที่ 3 36 บทที่4 คุณสมบัติทางแสงของผลึกไอโซทรอป`ก 4.1 การจัดกลุ=มแร=ตามคุณสมบัติทางแสง 40 4.2 เส;นเบกคี 41 4.3 รีลีฟ 42 4.4 สีของแร=ภายใต;กล;องจุลทรรศน$แบบแสงโพลาไรซ$ 43 4.5 ลักษณะผลึกแร=ภายใต;กล;องจุลทรรศน$แบบแสงโพลาไรซ$ 43 คำถามท;ายบทที่ 4 44 บทที่5 คุณสมบัติทางแสงของผลึกแอนไอโซทรอป`ก 5.1 ค=าดัชนีหักเหของแร=แอนไอโซทรอป~ก 47 5.2 สีแทรกสอด 50 5.3 แผนภูมิมิเชล-ลีวี 53 5.4 สีแทรกสอดผิดปกติ 54 5.5 สีและการเปลี่ยนสี 54 5.6 ตำแหน=งมืดและมุมมืด 56
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU สารบัญ (ต3อ) หนOา 5.7 การแฝด 56 5.8 สัญลักษณ$ตามแนวยาวของผลึก 58 5.9 ปฏิกิริยาทางแสงเมื่อโฟกัสที่ระยะอนันต$ 59 5.10 เครื่องแสดงลักษณะทางแสง 66 คำถามท;ายบทที่ 5 69 บทที่6 แร9นีโซซิลิเกต 6.1 กลุ=มโอลิวีน 76 6.2 กลุ=มการ$เนต 77 6.3 กลุ=มอะลูมิโนซิลิเกต 79 6.4 สตอโรไลต$ 83 6.5 ไททาไนต$ 83 6.6 โทแพซ 84 6.7 เซอร$คอน 86 คำถามท;ายบทที่ 6 87 บทที่7 แร9โซโรซิลิเกต 7.1 กลุ=มเอพิโดต 91 7.2 พัมเพลลีไอต$ 94 คำถามท;ายบทที่ 7 95 บทที่8 แร9ไซโคลซิลิเกต 8.1 เบริล 98 8.2 คอร$เดียไรต$ 99 8.3 ทัวร$มาลีน 100 คำถามท;ายบทที่ 8 102 บทที่9 แร9ไอโนซิลิเกต 9.1 กลุ=มไพรอกซีน 106 9.2 โซเดียมไพรอกซีน 110 9.3 ไพรอกซีนอยด$ 113 9.4 แอมฟ~โบล 114 คำถามท;ายบทที่ 9 120
สารบัญ (ต3อ) หนOา บทที่10 แร9ฟ`ลโลซิลิเกต 10.1 กลุ=มเซอร$เพนทีน 124 10.2 กลุ=มแร=ดิน 125 10.3 กลุ=มไมกา 128 10.4 กลุ=มคลอไรต$ 130 คำถามท;ายบทที่ 10 131 บทที่11 แร9เทคโทซิลิเกต 11.1 กลุ=มโพแทสเซียมเฟลด$สปาร$ 136 11.2 กลุ=มแร=แพลจิโอเคลส 138 11.3 กลุ=มซิลิกา 140 11.4 กลุ=มแร=เฟลด$สปาทอยด$ 143 11.5 กลุ=มซีโอไลต$ 145 11.6 กลุ=มสแคโพไลต$ 145 คำถามท;ายบทที่ 11 146 บทที่12 แร9ประกอบหินที่ไม9ใช9ซิลิเกต 12.1 คาร$บอเนต 149 12.2 ออกไซด$ 153 12.3 ซัลไฟด$ 155 12.4 ซัลเฟต 157 12.5 ฟอสเฟต 158 คำถามท;ายบทที่ 12 159
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU สารบัญ (ต3อ) หนOา ปฏิบัติการที่ 1 คุณสมบัติทางกายภาพของแร=ประกอบหิน 163 ปฏิบัติการที่ 2 ธรณีเคมีของแร=ประเภทสารละลายของแข็ง 167 ปฏิบัติการที่ 3 ส=วนประกอบและหน;าที่ของกล;องจุลทรรศน$แบบแสงโพลาไรซ$ 171 ปฏิบัติการที่ 4 การเตรียมตัวอย=างแผ=นหินบาง 175 ปฏิบัติการที่ 5 การวัดขนาดและนับปริมาตรภายใต;กล;องจุลทรรศน$แบบแสงโพลาไรซ$ 177 ปฏิบัติการที่ 6 การศึกษาแร=ภายใต;กล;องจุลทรรศน$แบบแสงธรรมดา 182 ปฏิบัติการที่ 7 การศึกษาแร=ภายใต;กล;องจุลทรรศน$แบบแสงโพลาไรซ$ 185 ปฏิบัติการที่ 8 การศึกษาสีแทรกสอดและภาพแทรกสอด 189 ปฏิบัติการที่ 9 การศึกษาศิลาวรรณนาแร=นีโซซิลิเกต 195 ปฏิบัติการที่ 10 การศึกษาศิลาวรรณนาแร=ไซโคลซิลิเกตและโซโรซิลิเกต 201 ปฏิบัติการที่ 11 การศึกษาศิลาวรรณนาแร=ไอโนซิลิเกตชนิดสายเดี่ยว 207 ปฏิบัติการที่ 12 การศึกษาศิลาวรรณนาแร=ไอโนซิลิเกตชนิดสายคู= 213 ปฏิบัติการที่ 13 การศึกษาศิลาวรรณนาแร=ฟ~ลโลซิลิเกต 217 ปฏิบัติการที่ 14 การศึกษาศิลาวรรณนาแร=เทคโทซิลิเกต 223 ปฏิบัติการที่ 15 การศึกษาศิลาวรรณนาแร=ประกอบหินที่ไม=ใช=ซิลิเกต 227 สารบรรณ ตัวอย=างแผ=นหินบางในห;องปฏิบัติการ 233
บทที่ 1 ลักษณะทางกายภาพของแร6 Chapter 1 Physical Properties of Minerals
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU
c Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU บทที่ 1 ลักษณะทางกายภาพของแร6 1.1 บทนำ (Introduction) สสารทางธรณีวิทยาคือสสารทางกายภาพทุกชนิดที่เปnนองค$ประกอบทั้งหมดของโลก ทั้งบนผิวโลก และใต;ผิวโลก โดยที่สสารเหล=านี้เกิดแบบอนินทรีย$ตามธรรมชาติ มีทั้งของแข็ง ของเหลว และแกÄส (รูปที่ 1.1) ของแข็งที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติได;แก= หิน แร= และของแข็งอัญรูป ส=วนของเหลว ได;แก= หินหนืด น้ำมันดิบ และน้ำบาดาล หมวดของแกÄสประกอบด;วยแกÄสธรรมชาติ แกÄสจากภูเขาไฟระเบิด หรือน้ำพุร;อน รูปที่1.1 หินงอกและหินย,อยในถ้ำหินปูน (ซ,าย) น้ำพุร,อนสันกำแพง (ขวา) จังหวัดเชียงใหมD 1.2 นิยามแร4 (Mineral Definition) แร=คือของแข็งอนินทรีย$เนื้อเดียวที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและมีการจัดเรียงตัวของโครงสร;างภายใน โดยมีส=วนประกอบทางเคมีที่แน=นอนหรือเปลี่ยนแปลงได;ในวงจำกัด (Dyar and Gunter, 2008) เรียง ตัวอย=างเปnนระเบียบโดยพันธะเคมีแบบใดแบบหนึ่ง เช=น ควอตซ$ เพชร แกรไฟต$ เปnนต;น ส=วนของแข็งอัญรูป ไม=มีการจัดเรียงตัวของส=วนประกอบ เช=น แก;วภูเขาไฟ อำพัน เปnนต;น ของแข็งที่มีการจัดเรียงตัวของ ส=วนประกอบทางเคมีบ;าง แต=ไม=ต=อเนื่องเรียกว=าของแข็งคล;ายแร= (mineraloids) เช=น โอปอล$ 1.2.1 แร4เปaนของแข็งเนื้อเดียว o ของแข็งเปnนสสารที่ไม=สามารถเปลี่ยนรูปได; เนื่องจากส=วนประกอบระดับอนุภาคมีพลังงานจลน$ต่ำ และมีแรงดึงดูดระหว=างโมเลกุลหรืออิออนสูง อนุภาคอยู=ชิดติดกัน อัดกันแน=น จึงโดยทั่วไปจะมี ความหนาแน=นมากกว=าของเหลว o ของแข็งที่มีการจัดเรียงตัวของอนุภาคภายในเรียกว=าผลึก เช=น ผลึกแร=ควอตซ$ o ของแข็งที่ไม=มีการจัดเรียงตัวของอนุภาคภายในเรียกว=าสารอัญรูป (amorphous) เช=น แก;วภูเขา ไฟ อาทิ ออบสิเดียน (obsidian) o แร=เปnนของแข็งเนื้อเดียวที่ไม=มีความแตกต=างกันของคุณสมบัติในทุกส=วนและไม=สามารถแบ=งแยก ออกไปเปnนของแข็งอื่นอีกได; 3
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU 1.2.2 แร4เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ o แร=เกิดขึ้นโดยกระบวนการทางเคมีตามธรรมชาติ เช=น การเกิดของแร=ประกอบหินต=าง ๆ อาทิ หินแกรนิตมีแร=ควอตซ$และแร=เฟลด$สปาร$ หินปูนมีแร=แคลไซต$ เกลือหินมีแร=เฮไลต$ หรือแร=ทาง เศรษฐกิจอื่น เช=น สายแร=ทองคำ สายแร=ตะกั่วในรูปแร=กาลีนา “ผลึกที่มนุษยKสร,างขึ้นในห,องปฏิบัติการไมDจัดเปPนแรD” 1.2.3 แร4เปaนสารอนินทรีย; o แร=เปnนของแข็งที่เปnนสารอนินทรีย$ (inorganic solid) ส=วนประกอบทางเคมี ไม=มีสารอินทรีย$ (organic matter) o สารอินทรีย$เปnนธาตุที่เปnนส=วนประกอบหลักของสิ่งมีชีวิต (C-H-O-N) เปnนสารชีวโมเลกุล เปnนสาร ในตระกูลคาร$โบไฮเดรต ไขมัน โปรตีน วิตามิน และกรดนิวคลิอิก ซึ่งเมื่อวิเคราะห$แล;วจะพบว=า สารอินทรีย$นั้นมีอะตอมคาร$บอนจับคู=กับอะตอมไฮโดรเจน “ดังนั้นถDานหินจึงไมDจัดเปPนแรDเพราะเปPนของแข็งเกิดตามธรรมชาติที่มี C-H เปPนสDวนประกอบหลัก” 1.2.4 แร4มีส4วนประกอบทางเคมีคงที่ o แร=ประกอบด;วยส=วนประกอบทางเคมี อาจเปnนธาตุเดี่ยว หรือโมเลกุล o คุณสมบัติของแร=จะเหมือนเดิม ก็ต=อเมื่อส=วนประกอบทางเคมีเหมือนเดิม เช=น แร=แคลไซต$ ต;องมี ส=วนประกอบทางเคมีเปnน CaCO3 (รูปที่ 1.2) o ส=วนประกอบทางเคมีในแร=อาจมีการเปลี่ยนแปลงได;บ;างอย=างจำกัด เนื่องจากการแทนของธาตุที่มี คุณสมบัติทางเคมีใกล;เคียงกัน “แคลไซตK (CaCO3) แยกสDวนประกอบเปPน Ca2+ กับ (CO3) 2- ในตำแหนDงของ Ca2+ อาจแทนที่ด,วย Fe2+ หรือ Mg2+ ได,บ,าง ในปริมาณน,อย ๆ กรณีนี้ อาจเขียนสูตรเคมีแรDได,เปPน (Ca,Fe)CO3” รูปที่1.2 โครงสร,างของอะตอมภายในแรDแคลไซตKและผลึกของแรDแคลไซตKที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ (ดัดแปลง จาก www.en.wikipedia.org/wiki/Carbonate) 4
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU 1.2.5 แร4มีการจัดเรียงตัวของส4วนประกอบทางเคมี o แร=ประกอบด;วยส=วนประกอบทางเคมี และส=วนประกอบทางเคมีเหล=านั้นต;องจัดเรียงตัวอย=างเปnน ระเบียบ o การจัดเรียงตัวอย=างเปnนระเบียบ คือการมีแบบแผนระยะห=างของธาตุ หรือโมเลกุลเดียวกัน เหมือนเดิมในทุกทิศทาง หรือมีการซ้ำของสิ่งที่เหมือนกันทุกระยะทางเดิม เรียกของแข็งแบบนี้ว=า ผลึก ถ;าไม=มีแบบแผนการเรียงตัวเปnนของแข็งแบบอัญรูป “แรDสามารถเกิดได,จากหลายกระบวนการทางธรณีวิทยา ไมDวDาจะเปPนแรDที่เปPนของแข็งเกิดตามธรรมชาติ แรD ประกอบหิน (rock-forming minerals) สินแรD (ore) สายแรD (veins) แรDแปรเปลี่ยน (alteration) หรือการ ควบแนDนจากไอแกvส (volatile)” 1.3 ลักษณะทางกายภาพของแร4 (Physical Properties) คุณสมบัติทางกายภาพเปnนคุณสมบัติที่เปnนคุณสมบัติเบื้องต;นในการตรวจสอบแร= โดยเฉพาะแร= สามัญ ซึ่งคุณสมบัติทางกายภาพเหล=านี้เปnนคุณสมบัติที่ตรวจสอบได;ด;วยสัมผัสต=าง ๆ ของมนุษย$ เช=น การ มองเห็น การจับถือ หรืออาจเปnนคุณสมบัติที่ใช;เครื่องมือเบื้องต;นในการตรวจสอบ โดยลักษณะทางกายภาพ ของแร=ประกอบด;วย 18 ลักษณะ ได;แก= สี สีผง การเล=นสี ประกาย ความโปร=งและสมบัติอื่น ๆ ที่มีต=อแสง ความแข็ง รูปร=างลักษณะผลึก ลายเส;น แนวแยก แนวแตก การแตก สัมผัส กลิ่น รส ปฏิกิริยาต=อแม=เหล็ก และสมบัติทางไฟฟìา ความแกร=ง ความถ=วงจำเพาะ และการหลอม (Dyar and Gunter, 2008) o สี (color) เปnนคุณสมบัติการดูดกลืน และการสะท;อนแสงของแร= การดูสีที่แท;จริง ต;องทุบดูเนื้อ สด จะดี สีตามรังสีหลัก ม=วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง (สีรุ;ง) แร=บางชนิดมีหลายสี เนื่องจากมีธาตุเข;าแทนที่ในโครงสร;างผลึกได;หลายธาตุ (impurity) o สีผง (streak) ทำให;ตัวอย=างเปnนผง ด;วยการขีดบนกระเบื้อง แร=ที่มีพันธะไอออนิก และโควา เลนต$ จะมีสีผงจาง ส=วนแร=ที่มีพันธะโลหะสีผงจะเข;ม o การเล4นสี (play of color) แร=มีสีเปลี่ยนไปเมื่อทิศทางแสงตกกระทบเปลี่ยน หมุนผลึกไป มาแล;วสีเปลี่ยน พบในแร=เฟลด$สปาร$ แลบราดอไลต$ (labradorescence) โอลิโกเคลส และโอ ปอล$ (opalescence) o ประกาย (luster) ความวาวจากการสะท;อนแสง เหมือนโลหะ เหมือนเพชร เหมือนแก;ว เหมือน ยางสน เหมือนมุก เหมือนน้ำมัน เหมือนไหม (เปnนเส;น) เหมือนดิน (ด;าน) o ความโปร4ง (diaphaneity) และสมบัติอื่นที่มีต=อแสง 5
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU - ความโปร=งจากการผ=านได;ของแสง ได;แก= โปร=งใส (transparent) เช=น เพชร โทแพซ โปร=ง แสง (translucent) เช=น ควอตซ$ ทึบแสง (opaque) เช=น แร=โลหะ - การเรืองแสง (luminescence) เปnนคุณสมบัติของบางแร= ที่ถูกกระตุ;นด;วยคลื่น แม=เหล็กไฟฟìา อิเล็กตรอนถูกกระตุ;นพลังงาน ขึ้นไปอยู=ในระดับสูงขึ้น และเมื่อลดระดับลง มา จะคายพลังงานออกในรูปสเปกตรัมของแสงที่มองเห็นได; o ความแข็ง (hardness) ความคงทนต=อการขูดขีดของแร=จากสิ่งที่แข็ง นิยามตามโมห$(Moh’s scale) ซึ่งอธิบายระดับความแข็งไว; 10 ระดับ (Mohs, 1820) ดังรูปที่ 1.3 รูปที่ 1.3 ลำดับแรDในมาตราสDวนความแข็งของโมหKตั้งแตD 1 ถึง 9 เทียบกับวัสดุที่ทราบความแข็ง (ดัดแปลง จาก www.911metallurgist.com/blog/mohs-hardness-test-kit) o รูปร4างลักษณะผลึก (crystal habit) เปnนรูปทรงทั่ว ๆ ไปของผลึกที่เกิดตามธรรมชาติทั้งผลึก เดี่ยว (รูปที่ 1.4) และการเกิดร=วมกันเปnนกลุ=ม รูปที่1.4 รูปรDางลักษณะผลึกของแรD 6
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU o ลายเส"น (striation) แนวลายเส;นบริเวณผิวผลึกเปnนรูปแบบการเจริญเติบโต พบได;ในบางแร= เช=น ไพไรต$ ควอตซ$ เฟลด$สปาร$ ทัวร$มาลีน o แนวแยก (parting) แนวแยกในแร=ชนิดเดียวกันไม=เกิดทุกเม็ดแร= มักเกิดในแนวการแฝดหรือแนว ที่โครงสร;างของผลึกแร=ที่ไม=แข็งแรง เวลาเอาค;อนทุบแร=มันจะไม=แตกเหมือนแนวแตก o แนวแตก (cleavage) เปnนผลมาจากโครงสร;าง แร=จะแตกให;หน;าเรียบ และแตกต=างกันไปในแต= ละแร= แต=แร=เดิมจะแตกเหมือนเดิมทุกครั้ง การแตกในแต=ละแร=จะเห็นได;ง=ายหรืออาจไม=เห็นเปnน คุณสมบัติของแต=ละแร= เช=น แร=ไบโอไทต$มีแนวแตก 1 ทิศทาง แร=เฟลด$สปาร$มีแนวแตก 2 ทิศทาง แบบตั้งฉาก แร=ไพรอกซีนมีแนวแตก 2 ทิศทางทำมุม 87 และ 93 องศา แร=เฮไลต$มีแนวแตก 3 ทิศทางแบบตั้งฉาก แร=แคลไซต$มีแนวแตก 3 ทิศทางแบบไม=ตั้งฉากกัน เปnนต;น o การแตก (fracture) เปnนลักษณะการหลุดของเนื้อแร=เมื่อมีแรงมากระทำ เช=น โดนทุบ รอยของ การแตกอาจจะแตกต=างกันไปในแต=ละแร= เช=น การแตกเรียบ หรือไม=เรียบ การแตกขรุขระ การ แตกแบบฝาหอย การแตกเปnนเสี้ยน หรือการแตกร=วน o สัมผัส (touch) ผิวแร=ที่แตกต=างกันจะทำให;การคลำแร=เกิดความรู;สึกแตกต=างกันได; แร=บางชนิด ลื่น บางชนิดสาก บางชนิดเรียบ บางชนิดดูดน้ำ เมื่อสัมผัสด;วยลิ้นจะติดลิ้น o กลิ่น (smell) ถึงแม;ว=าแร=ส=วนใหญ=จะไม=มีกลิ่น แต=แร=บางชนิดก็มีกลิ่น และก็สามารถนำมาช=วย บอกชนิดแร=ได; เช=น กลิ่นโคลนและกลิ่นยางมะตอยของแร=ดิน กลิ่นไข=เน=าของแร=กลุ=มซัลไฟด$ กลิ่น ฉุนของแร=อาร$เซนิก เปnนต;น o รส (flavor) เช=นเดียวกับการสัมผัสและการดม เมื่อชิมแร=หรือเมื่อแร=ถูกน้ำลายมันจะให;รสได;เช=น รสเปรี้ยวของแร=โซเดียมซัลเฟต รสฝาดของแร=ไฮดรอกไซด$ของอัลคาไลน$เอิร$ท รสเฝñóอนเหมือน สารส;มของแร=อะลูไนต$รสขมของแร=เอปซอมไมต$ รสเค็มเหมือนเกลือของแร=เฮไลต$ เปnนต;น o ปฏิกิริยาต4อแม4เหล็ก (magnetism and electrical properties) เช=น แร=แมกนีไทต$ดูด แม=เหล็ก แร=โครไมต$ดูดแม=เหล็กอย=างอ=อน แร=เซอร$คอนผลักแม=เหล็ก (ไม=แรง) แร=โลหะจำพวกเงิน ทอง และทองแดงเปnนตัวนำไฟฟìา แร=แอสเบสทอสเปnนฉนวนไฟฟฟìา o ความแกร4ง (ductility and malleability) เปnนความทนทานต=อแรงที่มากระทำ ได;แก=แรงทุบ บด บีบ ดึง ดัน ซึ่งแร=มีความแกร=งต=างกัน เช=น เพชรมีลักษณะเปราะทุบแล;วแตก แร=ยิปซั่มมี ลักษณะอ=อนสามารถตัดได;ด;วยมีด ทองและเงินสามารถแผ=เปnนแผ=นได;เมื่อทุบด;วยค;อน ทองแดง ยืดเปnนเส;นลวดได; แร=ไมกาสามารถโค;งงอได; เปnนต;น o ความถ4วงจำเพาะ (specific gravity) คืออัตราส=วนระหว=างน้ำหนักต=อปริมาตรของแร= การหา ความถ=วงจำเพาะนั้นสามารถหาได;หลายวิธี แต=ในการตรวจสอบแร=ขั้นต;นนี้ ความถ=วงจำเพาะคือ 7
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU การคะเนดูน้ำหนักของแร= เมื่อเปรียบเทียบกับขนาด ซึ่งเปnนความรู;สึกว=าแร=นี้หนักหรือเบา เช=น แร= แบไรต$ที่มีความถ=วงจำเพาะสูง สัมผัสแล;วรู;สึกหนัก o การหลอมละลาย (melting) คือความสามารถในการทนความร;อน เมื่อแร=ได;รับความร;อนจะ หลอมที่อุณหภูมิใด อุณหภูมิหนึ่ง ที่ไม=เท=ากันในแต=ละแร= เช=น โอลิวีน 1,800 องศาเซลเซียส ควอตซ$1,650 องศาเซลเซียส เปnนต;น (Bowen, 1928) 1.4 ผลึกศาสตร;(Crystallography) การจัดเรียงตัวของส=วนประกอบทางเคมีเปnนโครงสร;างในผลึกมีการเรียงซ้ำของสิ่งที่เหมือนกัน สิ่ง เดียวหรือเปnนชุด (อะตอม หรือชุดของโมเลกุล) โดยการอธิบายรูปแบบการจัดเรียงตัวจะเรียกสิ่งที่เหมือนกัน นั้นว=า โมทีฟ (motif) ซึ่งสามารถทำให;ง=ายด;วยการเปลี่ยนโมทีฟเปnนจุด (point) ซึ่งจุดจะแทนสิ่งที่เหมือนกัน ในผลึก เรียงตัวซ้ำกันในสามมิติ กว;าง ยาว สูง และระยะทางระหว=างจุดของแต=ละชนิดผลึกจะต;องต=างกัน ถ;าลากเส;นต=อระหว=างจุดจะได;ตาราง (lattice) o มองสองมิติ (plane lattice) ตารางจะตัดกันที่จุด และจะมีช=องที่เล็กที่สุดระหว=างจุด 4 จุด เปnน ตัวแทนของรูปร=างช=องตาราง เรียกหน=วยเซลล$ (unit cell) o ความแตกต=างของตารางการจัดเรียง ขึ้นอยู=กับระยะทางระหว=างจุดในแนว กย (a,b) และมุม ระหว=างแนวเส;นทั้งสอง (g) ของช=องตาราง o มองสามมิติ ตารางจะตัดกัน แนว กยส ตามตำแหน=งของจุด (space lattice) และจะมีช=องที่เล็ก ที่สุดระหว=างจุด 8 จุด เปnนตัวแทนรูปร=างกล=องในตาราง (unit cell) o ความแตกต=างของตารางการจัดเรียง ขึ้นอยู=กับระยะทางระหว=างจุดในแนว กยส (a,b,c) และมุม ระหว=างแนวเส;นทั้งสาม (g, a, b) ของหน=วยเซลล$ การแสดงหน=วยเซลล$แบบ 3 มิติเปnนตารางการเรียงตัวของจุด โดยกล=องตารางแบบพื้นฐานมีจุด 8 จุดอยู=ที่มุมและมีจุดที่ไม=ได;อยู=ที่มุม แต=เปnนจุดที่อยู=ในกล=องดังรูปที่ 1.5 (Ashcroft, 1976) 1) จุดอยู=กลางกล=อง (body center unit cell, I) 2) จุดอยู=กลางฝาบนและฝาล=าง (base center unit cell, C) 3) จุดอยู=กลางหน;าทุกหน;า (face center unit cell, F) รูปที่ 1.5 หนDวยเซลลKแบบ 3 มิติ (ดัดแปลงจาก www.opentextbc.ca/chemistry/chapter/10-6- lattice-structures-in-crystalline-solids) 8
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU การเรียงตัวของจุดในสามมิติมีรูปแบบของตาราง 7 รูปแบบ และมีแบบของกล=องแยกในแต=ละแบบ รวมแล;ว รูปแบบการจัดเรียงตัวของจุด สามารถเปnนไปได;ในทางคณิตศาสตร$ 14 แบบ หรือที่เรียกว=า 14 Bravais lattice (Bravais, 1850) โครงสร;างภายในของผลึก แนวที่จุดเรียงตัวกันตามขอบ unit cell ที่เรียงตัวกัน สะท;อนออกมาที่ รูปผลึกที่ตามองเห็น จึงแบ=งผลึกออกเปnน 6 ระบบ (รูปที่ 1.6 และ 1.7) ตามรูปทรงที่สะท;อนมาจาก โครงสร;าง จำแนกด;วยความต=างกันของแกนผลึก ซึ่งเปnนแกนอ;างอิงผ=านจุดศูนย$กลางผลึก ปกติมี 3 แกน a, b, c วางตัวขนานกับแนวแลตทิสและมีสัดส=วนระหว=างแกนสัดส=วน a, b, c ในแลตทิส (Brown et al., 1978) 1.4.1 ระบบสามแกนเท=า (Isometric system) มีแกนผลึก a = b = c; a1, a2, a3และ ทั้ง 3 แกนตั้ง ฉากกัน (g = a = b = 90o ) ผลึกที่เกิดในระบบนี้มีรูปผลึกพื้นฐานเปnนรูปทรง ลูกบาศก$ ทรง แปดหน;า ทรงสิบสองหน;า เช=น การ$เน็ต ไพไรต$ 1.4.2 ระบบสองแกนราบ (Tetragonal system) มีแกนผลึก a = b ¹ c; c, a1, a2 และ ทั้ง 3 แกน ตั้งฉากกัน (g = a = b = 90o ) ผลึกที่เกิดในระบบนี้มีรูปผลึกพื้นฐานเปnนรูปปริซึม/ป~รามิด/ป~ รามิดคู= ฐานสี่เหลี่ยมจัตุรัส เช=น เซอร$คอน 1.4.3 ระบบสามแกนต=าง (Orthorhombic system) มีแกนผลึก a ¹ b ¹ c และ ทั้ง 3 แกนตั้งฉาก กัน (g = a = b = 90o ) ผลึกที่เกิดในระบบนี้มีรูปผลึกพื้นฐานเปnนรูปปริซึม/ป~รามิด/ป~รามิด คู= ฐานสี่เหลี่ยมขนมเปoยกปูน เช=น โอลิวีน โทแพซ แอนไฮไดร$ต 1.4.4 หนึ่งแกนเอียง (Monoclinic system) มีแกนผลึก a ¹ b ¹ c และแกน a ไม=ตั้งฉากกับ c (g=a= 90 o ¹ b) ผลึกที่เกิดในระบบนี้มีรูปผลึกพื้นฐานเปnนรูปปริซึม ฐานสี่เหลี่ยมขนมเปoยก ปูน เช=น ไพรอกซีน ออร$โทเคลส ไมกา 1.4.5 ระบบสามแกนเอียง (Triclinic system) มีแกนผลึก a ¹ b ¹ c และทั้ง 3 แกนไม=ตั้งฉากกัน (g ¹ a ¹ b ¹ 90o ) ผลึกที่เกิดในระบบนี้ ได;แก= แพลจิโอเคลส ไมโครไคลน$ ไซยาไนต$ 1.4.6 ระบบสามแกนราบ (Hexagonal system) มีแกนผลึก 4 แกน a1 = a2 = a3 ¹ c และ แกนใน แนวราบทำมุมกัน 120o และ b = 90o ผลึกที่เกิดในระบบนี้มีรูปผลึกพื้นฐานเปnนรูปปริซึม/ป~ รามิด/ป~รามิดคู= ฐานหกเหลี่ยมหรือสามเหลี่ยมด;านเท=า เช=น ควอตซ$ แคลไซต$ ทัวร$มาลีน และ เบริล รูปผลึกสมบูรณ$ที่มองเห็นหน;าเหลี่ยมของผลึก จะประกอบด;วยหน;าเรียบของผลึกที่มีรูปร=างแบบ ต=าง ๆ โดยหน;าผลึกที่มีรูปร=างเหมือนกันจะเปnนหน;าผลึกชุดเดียวกัน และประกอบกันเปnนรูปทรงเรขาคณิต ซึ่งจะใช;สำหรับเรียกชื่อรูปทรงผลึก หรืออาจจะเรียกตามจำนวนหน;า เช=น ปรึซึมหน;าตัดสี่เหลี่ยมขนมเปoยก ปูน (rhombic prism) ป~รามิดฐานหกเหลี่ยม (Hexagonal pyramid) ป~รามิดคู=ฐานสามเหลี่ยม (trigonal dipyramid) รูปทรงแปดหน;า (octahedron) เปnนต;น หน;าผลึกชุดเดียวกันประกอบกันแล;วอาจมีรูปร=างเปnนแบบทรงป~ด (closed form) หรือไม=ป~ด (open form) เช=น ป~รามิดคู=เปnนทรงป~ด ป~รามิดเปnนทรงเป~ด 9
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU รูปที่ 1.6 ลักษณะเฉพาะและแกนสมมาตรของแตDละระบบผลึกศาสตรKทั้ง 6 ระบบ รูปที่ 1.7 รูปแบบการเรียงแลตทิส ลักษณะเฉพาะ และตัวอย=างแร=ของทั้ง 6 ระบบผลึกศาสตร$ (ดัดแปลงจาก McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Physics. (2002). Retrieved August 1 2020 from www.encyclopedia2.thefreedictionary.com) 10
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU ผลึกแร=แต=ละชนิดจะมีรูปร=างหน;าผลึกและรูปทรงผลึกเหมือนเดิม แต=ขนาดอาจจะเล็กใหญ=แตกต=าง กัน มุมระหว=างหน;าผลึกคู=ใด ๆ ของแร=เดิมจะมีค=าเท=าเดิมเสมอ หน;าผลึกคือจุดสุดท;ายของการเจริญเติบโตของผลึก สิ่งที่เราเห็น หน;าผลึกเปnนจุด ที่เรียงตัวกัน การ วางตัวของหน;าผลึกต=อแกนผลึก จึงสามารถนำมาหาอัตราส=วนแกนผลึก a:b:c ได; “ปÇจจุบันการใช,รังสีเอกซKสะท,อนระนาบโครงสร,างในผลึก สามารถจำแนกชนิดผลึกได,” คำถามท(ายบท 1. จงบอกความสำคัญของวิชาวิทยาแร=ต=อการเรียนเทคโนโลยีธรณี 2. จงใช;ทฤษฎีนิยามแร=พิจารณาว=าอำพัน หยก และโอปอล$ ใช=แร=หรือไม= เพราะเหตุใด 3. จงอธิบายคุณสมบัติทางกายภาพของแร=ที่สำคัญและสามารถจำแนกได;ง=ายที่สุด 5 คุณสมบัติพร;อม ทั้งยกตัวอย=างประกอบ 4. แร= A มีคุณสมบัติดูดติดแม=เหล็กได;อย=างชัดเจน แร= B เปnนแร=อโลหะที่มีความถ=วงจำเพาะสูงเปnน พิเศษ แร= A และ B คือแร=ชนิดใด ตามลำดับ 5. จงอธิบายว=าวิทยาแร=ใช;หลักเกณฑ$ใดในการจำแนกความแข็งของแร= และเราจะเปรียบเทียบความ แข็งของแร=ที่ใช;เล็บขูดไม=เข;าแต=ใช;มีดขีดเข;าได;อย=างไร 6. ข;อใดไม=ใช=เหตุผลที่ทำให;ควอตซ$ (quartz) มีอยู=บนพื้นผิวโลกมากกว=าเฟลด$สปาร$ (feldspars) 7. จากภาพ ข;อใดเรียงลำดับรูปแบบผลึก A B C ถูกต;องที่สุด A B C
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU บทที่ 2 ธรณีเคมีของแร6 Chapter 2 Mineral Geochemistry
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU บทที่ 2 ธรณีเคมีของแร6 2.1 การตกผลึกของแร4 (Mineral Crystallization) กระบวนการเกิดพันธะเคมีและขยายตัวอย=างต=อเนื่องทางด;านข;างเรียกว=าการตกผลึก ผลึกสามารถ มีขนาดโตขึ้นเรื่อย ๆ ในสภาวะที่เหมาะสม ผลึกที่เจริญเติบโตแล;วอาจเห็นหน;าเหลี่ยมผลึกชัดเจนเต็มผลึก (euhedral) ผลึกอาจเจริญเติบโตโดยไม=เห็นหน;าเหลี่ยมผลึก (anhedral) และผลึกที่โตขึ้นมาแล;วอาจเห็น หน;าเหลี่ยมผลึกเปnนบางหน;า (subhedral) ดังแสดงในรูปที่ 2.1ก ผลึกแร=บางชนิดมีการเกิดผลึกอื่นฝ§งอยู=ในตัวหรือเกิดปรากฏอยู=ร=วมกัน (inclusion) ดังแสดงในรูปที่ 2.1ข ซึ่งสามารถพิจารณาความสัมพันธ$ได;หลายแบบ ผลึกเปnนของแข็งดังนั้นผลึกที่อยู=ข;างในคือผลึกที่เกิด ก=อนผลึกข;างนอก แต=ในบางกรณีผลึกคู=นี้อาจเกิดพร;อมกัน ถ;าผลึกข;างในเจริญเติบโตช;ากว=าผลึกที่ครอบอยู= ในบางครั้งผลึกที่อยู=ข;างในเกิดทีหลังเนื่องจากการแปรเปลี่ยนของแร=เดิม (alteration) หรือแร=ที่อยู=ด;านนอก (overgrowth หรือ corona/reaction rim) อาจเกิดทีหลังจากการทำปฏิกิริยาบริเวณขอบนอกของผลึกที่ เกิดขึ้นก=อน (corona/reaction rim) ก) ข) รูปที่ 2.1 (ก) ภาพรูปผลึกที่เห็นเหลี่ยมหน,าผลึกแบบเต็มรูป ไมDเห็นหน,าเหลี่ยมผลึก หรือเห็นเปPนบางหน,า (ข) ภาพจำลองผลึกแรD 2 ชนิด (A และ B) ที่เกิดรDวมกัน 2.1.1 ธาตุและอะตอม ธาตุเปnนสารบริสุทธิ์ที่ไม=สามารถแยกออกได;อีก มีองค$ประกอบพื้นฐานเปnนอะตอม มีจำนวน 118 ธาตุ ตามตารางธาตุที่จัดหมวดหมู=ของธาตุที่มีคุณลักษณะเดียวกันไว;ด;วยกัน ธาตุต=างชนิดสามารถรวมตัวกัน ผูกพันด;วยพันธะเคมีกลายเปnนสารประกอบ อะตอมมีนิวเคลียสเปnนโปรตอน (ประจุบวก) กับนิวตรอน (กลาง) และมีอิเล็กตรอน (ประจุลบ) โคจรรอบนิวเคลียสเปnนชั้น ๆ มีหลายชั้น อิเล็กตรอนวงนอกสุดเรียกเวเลนซ$อิเล็กตรอน (valence electron) โดยทั่วไปอะตอมจะมีความเปnนกลางทางไฟฟìา แต=หากอะตอมสูญเสียหรือได;รับอิเล็กตรอนจะไม= เปnนกลางทางไฟฟìาจะกลายเปnนไอออน 15
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU ไอออนบวก (cation) สูญเสียอิเล็กตรอน >>> ธาตุโลหะ (metal) ไอออนลบ (anion) ได;รับอิเล็กตรอน >>> ธาตุอโลหะ (non-metal) แร=มีส=วนประกอบทางเคมีที่อาจเปnนธาตุเดียวหรือสารประกอบ การอยู=ร=วมกันต;องมีการจัดเรียงตัว ของส=วนประกอบเหล=านั้นอย=างเปnนระเบียบในระดับของอะตอม อิออน หรือโมเลกุล แร=ส=วนใหญ=เปnน สารประกอบและมีส=วนประกอบเปnนไอออนบวก (cation) สร;างพันธะเคมีกับไอออนลบ (anion) ใน โครงสร;างผลึก (Hook and Hall, 2010) การเรียงตัวของโครงสร;างภายในผลึกแร=จะเรียงตัวสลับกันระหว=างไอออนบวก และไอออนลบ เมื่อ พิจารณาเฉพาะจุดในโครงสร;างผลึก ไอออนบวกมีขนาดเล็กกว=าไอออนลบ จึงเสมือนว=าไอออนบวกถูกล;อม ด;วยไอออนลบจำนวนหนึ่ง จำนวนไอออนลบที่ล;อมรอบไอออนบวก (C.N., coordination number) ขึ้นอยู= กับรัศมีของไอออนบวก (Rx) ต=อรัศมีของไอออนลบ (RO) นั้น (RX:RO) จำนวนของไอออนลบที่ล;อมรอบ ไอออนลบทำให;กลุ=มไอออนบวก-ไอออนลบมีรูปร=างแตกต=างกันไป รูปที่ 2.2 รูปรDางของกลุDม ไอออนบวก-ไอออนลบ ที่มีขนาดของรัศมีแตกตDางกัน ในสัดสDวนตDาง ๆ (ดัดแปลง จาก www.chegg.com/homework-help/questions-and-answers/table-122 - coordinationnumbers-geometries-various-cation-anion-radius-ratios-rclra-cn-rc-r-q26551057) การพิจารณาโครงสร;างแบบนี้ทำให;ไอออนบวกตำแหน=งต=าง ๆ สามารถแทนที่ได;ด;วยไอออนบวก อื่นที่มีขนาดเท=ากัน และสามารถสร;างพันธะเคมีได;คล;ายกัน (substitution) ดังนั้นผลึกจึงมีส=วนประกอบ ทางเคมีที่เปลี่ยนแปลงได; แต=เปnนไปอย=างจำกัด แร=ที่มีการแทนที่ของธาตุได;และคงอยู=ตลอดไปเรียกว=าเกิดการแทนที่อย=างสมบูรณ$ (complete solid solution) ถ;าแทนที่ได;บางช=วงอุณหภูมิจะเปnนการแทนที่ไม=สมบูรณ$ (incomplete solid solution) การแทนที่กันทางเคมีในผลึกแร=มี 4 แบบ ได;แก= o แทนแบบง=าย (simple substitution) เปnนไอออนบวกใดใดที่สามารถแทนที่กันได;ในโครงสร;าง ผลึก เช=น แร=โอลิวีน (Mg,Fe)2SiO4 >>> Mg <-> Fe 16
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU o แทนแบบเปnนคู= (coupled substitution) เปnนการแทนที่แบบที่ต;องไอออนบวกมาเปnนคู= เพื่อให;สมดุลกับประจุไฟฟìา เช=น แพลจิโอเคลส (Ca,Na)(Al1-2Si2-3O8) >>> Ca2+ + Al3+ <- > Na+ + Si4+ o แทนแล;วทำให;เกิดช=องว=าง (omission substitution) เปnนการแทนที่กันของไอออนบวกที่ ประจุไม=เท=ากัน ทำให;ใช;จำนวนไอออนที่มาแทนไม=เท=ากัน แล;วทำให;ตำแหน=งไอออนบวก ใน โครงสร;างเกิดช=องว=าง เช=น แร=พิโรไทต$ 3Fe2+ <-> 2Fe3+ + o แทนในช=องว=าง (interstitial substitution) แร=บางชนิดมีช=องว=างในโครงสร;าง สามารถมี ไอออนบวกเข;ามาบรรจุในช=องว=างนั้นได; แร=ในกลุ=มไซโคลซิลิเกต ที่มีโครงสร;างคล;ายท=อกลวง จะมีไอออนบวกประจุ +1 เข;ามาอยู=ได; แต=ต;องไอออนบวกอื่นเข;ามาสมดุลประจุไฟฟìา เช=น + Si4+= K+ + Al3+ “แรDที่มีโครงสร,างเอื้อตDอการแทนที่ของธาตุตDางชนิดกัน เมื่อเกิดการแทนที่ของธาตุในโครงสร,างผลึกแรDจะทำ ให,เกิดเปPนแถบของสDวนประกอบทางเคมีที่ตDางกัน (chemical zoning) เปPนผลมาจากสภาวะในการตกผลึก ตDางกัน (Nesse, 2000) ทำให,ในแตDละสDวนของผลึกมีสมบัติทางเคมี กายภาพ และแสงแตกตDางกัน” 2.1.2 พันธะเคมี พันธะเคมีเปnนสภาวะของส=วนประกอบทางเคมีที่มาอยู=ด;วยกันในผลึก เปnนแรงดึงดูด ผูกพัน ยึด เหนี่ยว เอาไว;พันธะนี้ในผลึกแร=จะทำให;ส=วนประกอบทางเคมีอยู=ด;วยกัน ถ;าจะให;แยกออกจากกันจำเปnนต;อง ใช;พลังงานสลายพันธะ พันธะเคมีมีหลายแบบขึ้นอยู=กับธาตุที่มาอยู=ด;วยกัน ความแตกต=างขึ้นอยู=กับการทำ หน;าที่ของอิเล็กตรอน ได;แก= o พันธะไอออนิก (ionic bond) เปnนการยึดเหนี่ยวกันระหว=างธาตุที่เปลี่ยนเปnนไอออนบวก (cation) และไอออนลบ (anion) ธาตุโลหะจำหน=ายอิเล็กตรอนให;ธาตุอโลหะ ทำให;เกิดแรงดึงดูดทางไฟฟìา ตัวอยDางแรD: หมู=แร=เฮไลด$ (halide) เช=น เฮไลต$ (halite: NaCl), ซิลไวต$ (sylvite: KCl) และ ฟลูออไรต$ (Fluorite: CaF2) คุณลักษณะ: ความแข็งและความหนาแน=นปานกลาง เปราะ สมมาตรสูง จุดหลอมเหลวปานกลางสูง นำความร;อน-ไฟฟìาไม=ดีมาก ละลายน้ำหรือตัวทำละลายที่มีขั้วได;ดี o พันธะโควาเลนต$ (covalent bond) เปnนการยึดเหนี่ยวกันระหว=างธาตุที่ไม=ให;อิเล็กตรอน ใช; อิเล็กตรอนวงนอกร=วมกัน เหมือนกัน CO2 ตัวอยDางแรD: เพชร-แกรไฟต$ (diamond-graphite: C) สฟาเลอไรต$ (sphalerite: ZnS) คุณลักษณะ: แข็งมาก แต=เปราะ มีสมมาตรต่ำ จุดหลอมเหลว/เดือดสูง นำความร;อน-ไฟฟìาไม=ดี มาก ไม=ละลายน้ำหรือตัวทำละลายที่มีขั้ว “ผลึกแรDมักมีพันธะผสม” 17
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU o พันธะโลหะ (metallic bond) เปnนการยึดเหนี่ยวกันระหว=างธาตุที่ให;อิเล็กตรอน อะตอมมีสภาวะ ไฟฟìาเปnนบวก อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปได;เรื่อย ๆ ในผลึก ตัวอยDางแรD: แร=โลหะ ธาตุเดียวในธรรมชาติ เช=น ทองคำ ทองแดง แพลตินัม คุณลักษณะ: เนื้อผลึกเหนียว ดึงเปnนเส;นได; นำไฟฟìา-ความร;อนได;ดี o แรงยึดเหนี่ยวอย=างอ=อน หรือ แรงแวนเดอร$วาลส$ (Van der Waals force) ระหว=างอะตอม โมเลกุล ที่มีสภาวะทางไฟฟìาเปnนบวก ไม=เท=ากันในอะตอม หรือโมเลกุล เกิดแรงดึงดูดจากขั้วไฟฟìา นั้น เปnนแรงอย=างอ=อน เมื่อเทียบกับแรงทางพันธะเคมีอื่น สามารถดึงให;ส=วนประกอบทางเคมีอยู= ด;วยกันได; ตัวอยDางแรD: แกรไฟต$ แร=ดิน (clay minerals) แร=ไมกา และแร=ทัลก$ คุณลักษณะ: ความแข็งต่ำ ลอกเปnนแผ=นได;ง=าย 2.2 การจัดจำแนกแร4 (Mineral Classification) แร=มีการจัดแบ=งออกเปnนกลุ=มหลายรูปแบบ เช=นการแบ=งตามคุณสมบัติทางเคมี การแบ=งตามการใช; งาน การแบ=งตามกำเนิด หรือการแบ=งตามความถ=วงจำเพาะ การแบ=งอย=างเปnนระบบจะเปnนการแบ=งตามส=วนประกอบทางเคมี โดยการจัดแบ=งกลุ=มแร=ตาม ส=วนประกอบทางเคมีตามไอออนลบ หรือกลุ=มของไอออนลบได; 12 หมู=แร= (class) ดังนี้ 1) ธาตุเดี่ยว (natives) ประกอบด;วยธาตุเดียวที่เปnนได;ทั้งกลุ=มธาตุโลหะ (Au, Ag, Cu, Pt, Pd และ Fe) กึ่งโลหะ (As, Sb, Bi, Se, และ Te) และอโลหะ (S และ C) 2) ซัลไฟด; (sulfides; (S2- ) รวมถึงซัลฟØอาร$เซไนด$ (sulfarsenides, AsS4- ) อาร$เซไนด$ (arsenides, As2- ) และเทลลูไรด$ (tellurides, Te2- ) รวมกับไอออนบวกกลุ=มธาตุโลหะ ธาตุกึ่ง โลหะ เช=น อาร$เซนิก ในกลุ=มนี้ทำหน;าที่เปnนไอออนลบแทนที่ซัลเฟอร$ เช=น ไพไรต$ คาร$โคไพ ไรต$ กาลีนา บอร$ไนต$ สฟาเลอไรต$ สติบไนต$ 3) ซัลโฟซอลต; (sulfosalts; AmBnSp) เปnนกลุ=มแร=ซัลไฟด$ซับซ;อน ที่ประกอบด;วยธาตุโลหะ และกึ่งโลหะ เปnนไอออนบวก (A และ B ตามลำดับ ) สร;างพันธะเคมีกับซัลเฟอร$ ที่ทำหน;าที่ เปnนไอออนลบ ต=างจากแร=กลุ=มซัลไฟด$ที่มีธาตุกลุ=มกึ่งโลหะทำหน;าที่แทนซัลเฟอร$ในโครงสร;าง ผลึก เช=น คาบอลไตต$ 4) ออกไซด; (oxides) แยกออกเปnน 2 กลุ=มย=อย กลุ=มออกไซด$ (O2- ) แบบง=าย (1 cat-ion) และ แบบซ้ำซ;อน (metals) เช=น ฮีมาไทต$ แมกนีไทต$ คอรันดัม และไฮดรอกไซด$ (hydroxides; OH- , H2O) เช=น บอกไซต$ ลิโมไนต$ 5) เฮไลด; (halides; Cl- , Br- , F- และ I - ) เปnนกลุ=มแร=ที่มีธาตุฮาโลเจนที่มีประจุ -1 และมีความ เปnนขั้วอย=างรุนแรงสร;างพันธะเคมีแบบไอออนิกกับธาตุกลุ=มอัลคาไลน$ เช=น ฟลูออไรต$ เฮไรต$ 6) คาร;บอเนต (carbonates (CO3) 2- ) เปnนแร=กลุ=มที่มีกลุ=มไอออนลบเปnนคาร$บอนจับกับ ออกซิเจน 3 อะตอม ในรูปแบบ 3-โคออร$ดิเนชัน เปnนทรงสามเหลี่ยม C เปnนไอออนบวกประจุ 18
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU +4 ทำให;ออกซิเจนใช;ประจุสร;างพันธะไปเฉลี่ย 1+1/3 ทำให;ความเปnนขั้วแข็งแรง ที่เหลือจึง ไปสร;างพันธะกับไอออนบวกอื่น ทำให;พันธะไม=แข็งแรงมาก เช=น แคลไซต$ ซิเดอไรต$ แมกนีไซต$ อซูไรต$ มาลาไคต$ 7) ไนเตรต (nitrates (NO3) - ) เปnนกลุ=มแร=ที่มีกลุ=มไอออนลบเปnนไนโตรเจนจับกับออกซิเจน 3 อะตอม ในรูปแบบ 3-โคออร$ดิเนชัน เปnนทรงสามเหลี่ยม มีลักษณะของพันธะคล;ายแร=กลุ=ม คาร$บอเนต แต= N มีประจุ +5 ทำให;ออกซิเจนใช;ประจุสำหรับการสร;างพันธะเปnน 1+2/3 ที่ เหลือจึงไปสร;างพันธะกับไอออนบวกตัวอื่น ทำให;ความเปnนขั้วชัดเจน พันธะไม=แข็งแรงมาก และมีโครงสร;างผลึกคล;ายแร=ในกลุ=มคาร$บอเนต 8) บอเรต (borates (BO3) 3- ) เปnนกลุ=มแร=ที่มีไอออนลบเปnนโบรอนจับกับออกซิเจน 3 อะตอม ในรูปแบบ 3-โคออร$ดิเนชัน เปnนทรงสามเหลี่ยม ของ B3+ ออกซิเจนจะเหลือประจุสำหรับการ สร;างพันธะกับไอออนบวกอื่นเต็ม 1 และทำให;มีการแชร$ออกซิเจนเชื่อมต=อกันในแต=ละ BO3 เปnนโพลิเมอร$ที่ใหญ=ขึ้น ทั้งแบบสาย และแบบแผ=น และมีน้ำ (H2O) อยู=ร=วมในโครงสร;างผลึก แร= ทำให;โครงสร;างมีลักษณะคล;ายซิลิเกต 9) ฟอสเฟต ((PO4) 3- ) อาร;เซเนต ((AsO4) 3- )และ วานาเดต ((VO4) 3- ) เปnนกลุ=มแร=ที่มีกลุ=ม ไอออนลบเปnนฟอสฟอรัส อาร$เซนิก หรือ วานาเดต จับออกซิเจน 4 อะตอม ในรูปของ 4-โค ออร$ดิเนชัน เปnนรูปร=างแบบทรงสี่หน;า แคทไอออนมีประจุ +5 ทำให;ได;ประจุรวมเปnน -3 และ ออกซิเจนใช;ประจุสำหรับการสร;างพันธะไป 1 + 1/4 ที่เหลือไปสร;างพันธะกับไอออนบวกอื่น เช=น อะพาไทต$ 10) ซัลเฟต (sulfates (SO4) 2- ) เปnนกลุ=มแร=ที่มีซัลเฟอร$กับออกซิเจน 4 อะตอม S ที่มีอิเล็กตรอน วงนอก 6 เปnนไอออนลบในกลุ=มแร=ซัลไฟด$ที่เปลี่ยนกลับมาเปnนไอออนบวกขนาดเล็ก เมื่ออยู=กับ ออกซิเจนในโครงสร;างผลึกอิออน S จะจับกับออกซิเจน 4 อะตอม ในรูปของ 4-โคออร$ดิเนชัน เปnนรูปร=างแบบทรงสี่หน;า และทำให;ประจุรวมเปnน -2 ออกซิเจนใช;ประจุสร;างพันธะไป 1+1/2 ที่เหลือไปสร;างพันธะกับ SO4 - เททระฮีดรอน จะอยู=แบบเดี่ยวในโครงสร;างผลึก เช=น ยิปซั่ม แอนไฮไดรต$ แบไรต$ 11) ทังเสตต (tungstates (WO4) 2 ) และ โมลิบดีเนต (molybdenate (MO4)) เปnนกลุ=มแร=ที่มี กลุ=มไอออนลบเปnนทังสเตนที่จับกับออกซิเจน 4 อะตอม W และ M มีรัศมีไอออนที่ใหญ= แม;จะ เกิดร=วมกับออกซิเจน 4 ตัว แต=ไม=เกิดทรงสี่เหลี่ยมและมีรูปทรงแบนเปnนแบบสี่เหลี่ยมจัตุรัส มี การแทนที่กันของ W และ M ไม=พบแร=กลุ=มนี้เกิดแบบแร=ปฐมภูมิ เช=น โมลิบดีไนต$ วุลเฟรมไมต$ ชีไลต$ 12) ซิลิเกต (silicates (SiO4) 4- ) เปnนกลุ=มแร=ที่มีกลุ=มไอออนลบเปnนซิลิกอนที่จับกับออกซิเจน 4 อะตอม ในรูปของ 4-โคออร$ดิเนชัน เปnนรูปร=างแบบทรงสี่หน;า และทำให;ประจุรวมเปnน -4 ออกซิเจนใช;ประจุสร;างพันธะเต็ม 1 เหลืออีกหนึ่ง ที่ใช;ในการสร;างพันธะกับไอออนบวกตัวอื่น ทำให;พันธะที่เหลือของออกซิเจนกับแคทไอออนตัวอื่นมีความแข็งแรงมาก 19
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU 2.3 แร4ซิลิเกต (Silicates) หมวดแร=ซิลิเกต (silicate class) คือ หมวดแร=ที่มี แร=ซิลิกา (SiO4) เปnนองค$ประกอบหลัก ซึ่งถือเปnน หมวดแร=ประกอบหินที่มีความสำคัญ เนื่องจากประมาณ 95% ของแร=ที่มีอยู=ในโลกเปnนแร=ซิลิกา (Dyar and Gunter, 2008) แร=กลุ=มซิลิเกตเปnนแร=ที่มีส=วนประกอบเปnนกลุ=มไอออนลบแบบทรงสี่หน;าของ Si-O4 สร;าง พันธะร=วมกับไอออนบวกตัวอื่น ไอออนบวกตัวหลัก (major elements) ในกลุ=มแร=ซิลิเกตประกอบด;วย Si4+ Ti4+ Al3+ Fe3+ Fe2+ Mn2+ Mg2+ Ca2+ Na+ K+ Ba2+ และ Rb+ ไอออนบวกจะมีไอออนลบเปnนออกซิเจน จำนวนไอออนลบที่ล;อมไอออนบวก (coordination number, C.N.) ขึ้นอยู=กับรัศมีของไอออนบวกและ ออกซิเจน ดังตารางที่ 2.1 โดยแร=ซิลิกาเกิดจากธาตุซิลิกอนจำนวน 1 ตัว และธาตุออกซิเจนจำนวน 4 ตัว รวมตัวกันในรูปแบบสามเหลี่ยมของซิลิกอนไอออนลบ ที่มีประจุรวมของในแต=ละสามเหลี่ยมเปnน -4 หรือ แบบทรงสี่หน;า (รูปที่ 2.3) ซึ่งสามเหลี่ยมของซิลิกอนไอออนลบจะเปnนพื้นฐานในการเชื่อมต=อกับธาตุไอออน อื่น เช=น เหล็ก แมกนีเซียม โพแทสเซียม เปnนต;น เพื่อก=อตัวเปnนแร=ซิลิกาที่มีลักษณะเฉพาะแตกต=างกันไป ตารางที่ 2.1 จำนวนและรูปรDางของออกซิเจนที่สร,างพันธะกับไอออนบวก ไอออนบวก รัศมีไอออน (Ǻ) Rx:Ro จำนวนออกซิเจน รวมกลุ=ม รูปทรง Si4+ 0.42 0.300 4 ทรงสี่หน;า Al3+ 0.51 0.364 4 ทรงสี่หน;า Al3+ 0.51 0.364 6 ทรงแปดหน;า Fe3+ 0.64 0.457 6 ทรงแปดหน;า Mg2+ 0.66 0.471 6 ทรงแปดหน;า Ti4+ 0.68 0.486 6 ทรงแปดหน;า Fe2+ 0.74 0.529 6 ทรงแปดหน;า Mn2+ 0.80 0.571 6 ทรงแปดหน;า Na+ 0.97 0.693 8 ลูกบาศก$ Ca2+ 0.99 0.707 8 ลูกบาศก$ K+ 1.33 0..950 8-12 ลูกบาศก$-ทรงหกเหลี่ยม Ba2+ 1.34 0.957 8-12 ลูกบาศก$-ทรงหกเหลี่ยม Rb+ 1.47 1.050 8-12 ลูกบาศก$-ทรงหกเหลี่ยม 20
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU รูปที่ 2.3 การจับตัวกันของธาตุซิลิกอนและออกซิเจนเปPนแรDซิลิกาที่มีลักษณะแบบทรงสี่หน,า (ดัดแปลงจาก www.geologylearn.blogspot.com/2016/02/mineral-classication.html) โดยนักวิทยาศาสตร$จำแนกหมวดแร=ซิลิเกตออกเปnน 6 กลุ=มแร= (mineral group) ตามรูปแบบการ เชื่อมต=อกันของทรงสี่หน;า Si-O4 ที่มีการใช;ออกซิเจนร=วมกัน ดังแสดงในรูปที่ 2.4 o นีโซซิลิเกต (nesosilicates) มี Si-O4 ที่แยกกันอยู= ไม=ได;มีการใช;ออกซิเจนร=วมกัน อัตราส=วน ของ Si:O เปnน 1:4 ทำให;ประจุรวมมีค=าเปnน 4- เช=น โอลิวีน รูปที่ 2.4 รูปแบบการจับตัวกันของแรDซิลิกาที่ใช,จำแนกหมวดหมูDแรDซิลิเกต (ดัดแปลงจาก www.geologylearn.blogspot.com/2016/02/mineral-classication.html) o โซโรซิลิเกต (sorosilicates) มีคู=ของ Si-O4 ที่ใช;ออกซิเจนร=วมกัน 1 ตัว ทำให;มีรูปร=างเปnนคู=และ มีอัตราส=วนของ Si:O เปnน 2:7 มีประจุรวมเปnน 6- แร=ในกลุ=มนี้ เช=น เอพิโดต o ไซโคลซิลิเกต (cyclosilicates) มี Si-O4 ที่ใช;ออกซิเจนร=วมกัน 2 ตัวที่ฐานและต=อกันเปnน โครงสร;างหลักรูปร=างวงกลม มีอัตราส=วนของ Si:O เปnน 1:3 ประจุรวมเปnน 12- เช=น ทัวร$มาลีน 21
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU o ไอโนซิลิเกต (inosilicates) มี Si-O4 ที่ใช;ออกซิเจนร=วมกัน 2-3 ตัวที่ฐาน และจับตัวต=อกันเปnน สาย ทำให;โครงสร;างหลักมีสายของ Si-O4 มีสองแบบคือ 1) แบบสายเดี่ยว (single chain) ใช; ออกซิเจนร=วมกัน 2 ตัว และมีอัตราส=วนของ Si:O เปnน 1:3 ประจุรวมเปnน 4- เช=น ไพรอกซีน และ 2) แบบสายคู= (double chain) ใช;ออกซิเจนร=วมกันเชื่อมระหว=างสาย เกิดเปnนสาย Si-O4 ติดกันสองสาย เช=น แอมฟ~โบพล และมีอัตราส=วนของ Si:O เปnน 4:11 ประจุรวมเปnน -6 o ฟ~ลโลซิลิเกต (phyllosilicates) มี Si-O4 ที่ใช;ออกซิเจนร=วมกัน 3 ตัวที่ฐาน และจับตัวต=อกัน เปnนแผ=น เหลือออกซิเจนที่ไม=ได;ใช;ร=วมกันอยู=ที่ยอด 1 ตัว ทำให;โครงสร;างหลักเปnนแผ=นของ SiO4และมีอัตราส=วนของ Si:O เปnน 2:5 ประจุรวมเปnน 6- เช=น ไมกา (ไบโอไทต$ และมัสโคไวต$) และกลุ=มแร=ดิน o เทคโทซิลิเกต (tectosilicates) มี Si-O4 ที่ใช;ออกซิเจนร=วมกันทั้ง 4 ตัว และจับตัวต=อกันอย=าง ต=อเนื่อง อัตราส=วนของ Si:O เปnน 1:2 เช=น ควอตซ$ และถ;า Si4+ ใน Si-O4 ถูกแทนที่ในบาง ตำแหน=งอย=างสม่ำเสมอ โดย Al3+ จะมีประจุบวกลดลง 1 ประจุ และถ;าแทนที่ 2 ตำแหน=งใน 1 หน=วยเซลล$ จะทำให;ต;องมีไอออนบวกประจุ 1+ (Na, K) หรือ 2+ (Ca) เข;ามาอยู=ในโครงสร;าง ด;วย เช=น กลุ=มเฟลด$สปาร$ เฟลด$สปาทอยด$ แร=มีส=วนประกอบทางเคมีที่ชัดเจนทั้งชนิดและปริมาณสัดส=วน หรือเปลี่ยนแปลงได;แบบจำกัด จาก การแทนที่ของธาตุในสภาวะไอออน ที่มีขนาดของไอออนและคุณสมบัติทางไฟฟìาใกล;เคียงกัน ในโครงสร;าง ผลึก สัดส=วนเทียบเปnนอัตราส=วนอะตอม (atomic ratio) เปnนตามในสูตรเคมี ตัวอย=างเช=น ฟอร$สเตอไรต$ (Mg2SiO4) ประกอบด;วย 2 Mg, 1 Si และ 4 O แคลไซต$ (CaCO3) ประกอบด;วย 1 Ca, 1 C และ 3 O ส4วนประกอบที่เปaนน้ำหนักธาตุ ธาตุที่อยู=ในแร= คิดเปnนสัดส=วนร;อยละโดยน้ำหนัก (weight %) จากการเปรียบเทียบมวลอะตอมของ ธาตุที่อยู=ในแร=กับมวลโมเลกุลของแร= เช=น ฟอร$สเตอไรต$ (Mg2SiO4) ประกอบด;วย Mg (หนัก 24.305), Si (หนัก 28.085) และ O (หนัก 15.999) ดังนั้นจึงมีมวลโมเลกุล 140.69 เปรียบเทียบสัดส=วนอะตอมโดยน้ำหนักเปnนร;อยละของ Mg, Si และ O ได;เปnน 34.55, 19.96 และ 45.49 ร;อยละโดยน้ำหนัก ตามลำดับ แคลไซต$ (CaCO3) ประกอบด;วย Ca (หนัก 40.078), C (หนัก 12.011) และ O (หนัก 15.999) ดังนั้นจึงมีมวลโมเลกุล 100.09 เปรียบเทียบสัดส=วนอะตอมโดยน้ำหนักเปnนร;อยละของ Ca, C และ O ได; เปnน 40.04, 12.00 และ 47.95 ร;อยละโดยน้ำหนัก ตามลำดับ 22
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU ส4วนประกอบที่เปaนสารประกอบออกไซด; ธาตุในแร=สามารถเทียบกับออกซิเจนที่อยู=ในสูตรแร= และคิดเปnนสัดส=วนของสารประกอบออกไซด$ ของ ส=วนประกอบเปnนร;อยละโดยน้ำหนักของสารประกอบออกไซด$ เทียบโดยน้ำหนักของสารประกอบ ออกไซด$กับมวลโมเลกุลของแร= เช=น ฟอร$สเตอไรต$ (Mg2SiO4) ประกอบด;วย 2MgO และ 1SiO2 คิดเปnนสัดส=วนของสารประกอบ ออกไซด$ MgO และ SiO2 ได; 57.3 และ 42.7 ร;อยละโดยน้ำหนัก ตามลำดับ แคลไซต$ (CaCO3) ประกอบด;วย 1 CaO และ 1 CO2 คิดเปnนสัดส=วนของสารประกอบออกไซด$ CaO และ CO2 ได;เปnน 56.03 และ 43.97 ร;อยละโดยน้ำหนัก ตามลำดับ “แรDจึงมีสDวนประกอบเปPนสารประกอบออกไซดKโดยน้ำหนัก อยูDในกรอบที่ควรจะเปPนของแรDนั้น” แร=ที่มีการแทนที่กันอย=างสมบูรณ$ของไอออนบวกในโครงสร;างผลึก (complete solid-solution) จะมีส=วนประกอบผสมกันของไอออนที่มาแทนที่กัน ถ;ามีเฉพาะส=วนประกอบตัวใดตัวหนึ่งจะเปnนประกอบ สุดท;าย (End-member) แร=ที่มีการแทนที่กันของไอออนในส=วนประกอบทางเคมี จะมีชื่อเรียกแยกย=อยตาม สัดส=วนของ End-member แร4โอลิวีน (olivine) มีการแทนที่กันของ Mg-Fe ในโครงสร;าง ได;เปnน (Mg,Fe)2SiO4 จะมี Endmember เปnนฟอร$สเตอไรต$ (Mg2SiO4) และฟายาไลต$ (Fe2SiO4) โอลิวีนจึงมีส=วนประกอบทางเคมีเปnน สัดส=วนต=าง ๆ ของฟอร$สเตอไรต$ต=อฟายาไลต$ Olivine: forsterite (Fo)-content: fayalite (Fa)-content Þ Fo-content: Fa-content Fo-content = Fo/(Fo+Fa) * 100 Fo-content = Mg/(Mg+Fe) * 100 ตัวอยDางเชDน โอลิวีนที่มีส=วนประกอบเปnน Mg1.5Fe0.5SiO4 จะมี 1.5 Mg2SiO4 : 0.5 Fe2SiO4 Fo-content = 1.5/(1.5+0.5) * 100 = 75 โอลิวีนนี้จะมี Fo-content = 75 เขียนได;เปnน Fo75 ออร;โธไพรอกซีน (orthopyroxene, opx) มีการแทนที่กันของ Mg-Fe ในโครงสร;าง มี ส=วนประกอบรวมเปnน (Mg,Fe)2Si2O6 มี End-member เปnนเอนสตาไทต$ (Mg2Si2O6) และเฟอร$โรซิไลต$ (Fe2Si2O6) ออร$โธไพรอกซีนจะมีส=วนประกอบทางเคมีเปnนสัดส=วนของเอนสตาไทต$ต=อเฟอร$โรซิไลต$ opx: enstatite (En)-content: ferrosilite (Fs)-content Þ En-content: Fs-content En-content = En/(En+Fs) * 100 En-content = Mg/(Mg+Fe) * 100 23
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU ตัวอยDางเชDน ออร$โธไพรอกซีนที่มีส=วนประกอบเปnน Mg1.25Fe0.75Si2O6 จะมี 1.25 Mg2Si2O6 : 0.75 Fe2Si2O6 En-content = 1.25/ (1.25+0.75) * 100 = 62.5 ออร$โธไพรอกซีนนี้จะมี En-content = 62.5 เขียนได;เปnน En62.5 ไคลโนไพรอกซีน (clinopyroxene, cpx) มีการแทนที่กันของ Ca-Mg-Fe ในโครงสร;าง มี ส=วนประกอบรวมเปnน (Ca,Mg,Fe)2Si2O6 มี End-member เปnนเอนสตาไทต$ (Mg2Si2O6) เฟอร$โรซิไลต$ (Fe2Si2O6) และ วอลลาสโตไนต$ (Ca2Si2O6) ไคลไพรอกซีนจะมีส=วนประกอบทางเคมีเปnนสัดส=วนของเอนส ตาไทต$ต=อเฟอร$โรซิไลต$ต=อวอลลาสโตไนต$ cpx: enstatite (En)-content: ferrosilite (Fs)-content wollastonite (Wo-content) Þ En-content: Fs-content: Wo-contnet En-content = En/(En+Fs+Wo) * 100 = Mg/(Mg+Fe+Ca) * 100 Fs-content = Fs/(En+Fs+Wo) * 100 = Fe/(Mg+Fe+Ca) * 100 Wo-content = Wo/(En+Fs+Wo) * 100 = Ca/(Mg+Fe+Ca) * 100 ตัวอยDางเชDน ไคลโนไพรอกซีนที่มีส=วนประกอบเปnน CaMg0.25Fe0.75Si2O6 จะมี 0.25 Mg2Si2O6 : 0.75 Fe2Si2O6 : 1 Ca2Si2O6 En-content = Mg/(Mg+Fe+Ca) * 100 = 0.25/(0.25+0.75+1) * 100 = 12.5 = En12.5 Fs-content = Fs/(Mg+Fe+Ca) * 100 = 0.75/(0.25+0.75+1) * 100 = 37.5 = Fs37.5 Wo-content = Ca/(Mg+Fe+Ca) * 100 = 1/(0.25+0.75+1) * 100 = 50 = Wo50 ไคลโนไพรอกซีนนี้จะมีส=วนประกอบตาม End-member เปnน En12.5 Fs37.5Wo50 ไคลโนไพรอกซีนแบ=งตามส=วนประกอบทางเคมีได;เปnนชื่อแร=ย=อยต=าง ๆ เปnนพิกจีโอไนต$ ออร$ไจต$ ได ออปไซด$-เฮดเดนเบอร$ไจต$ แพลจิโอเคลส Ca2Al2Si2O8-NaAlSi3O8 แร=แพลจิโอเคลส (plagioclase) มีการแทนที่กันของ Ca-Na ในโครงสร;าง ได;เปnน (Ca,Na)Al2-1Si2- 3O8 มี End-member เปnนอะนอร$ไทต$ (CaAl2Si2O8) และแอลไบต$ (NaAlSi3O8) แพลจิโอเคลสจึงมี ส=วนประกอบทางเคมีเปnนสัดส=วนต=าง ๆ ของอะนอร$ไทต$ต=อแอลไบต$ Plagioclase: anorthite (An)-content: Albite (Ab)-content Þ An-content: Ab-content 24
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU An-content = An/(An+Ab) * 100 An-content = Ca/(Ca+Na) * 100 ตัวอยDางเชDน แพลจิโอเคลสที่มีส=วนประกอบเปnน Ca0.65Na0.35Al1.65Si2.35O4 จะมี 0.65 CaAl2Si2O8 : 0.35 NaAlSi3O8 An-content = 0.65/ (0.65+0.35) * 100 = 65 แพลจิโอเคลสจะมี An-content = 65 เขียนได;เปnน An65 แพลจิโอเคลส แบ=งตามส=วนประกอบ An-content ออกได;เปnน 6 ชนิด อะนอร$ไทต$ An-content 90-100 ไบทาวไนต$ An-content 70-90 แลบราโดไลต$ An-content 50-70 แอนดีซีน An-content 30-50 โอลิโกเคลส An-content 10-30 แอลไบต$ An-content 0-10 คำถามท(ายบท 1. จงอธิบายการเกิดของแร=จากการปรากฏของผลึกสป~เนลที่สมบูรณ$อยู=ในผลึกโอลิวีน 2. เพชรกับแกรไฟต$มีส=วนประกอบทางเคมีเหมือนกัน แต=เพราะเหตุใดจึงมีความแข็งแรงแตกต=างกัน โดยสิ้นเชิง 3. แร=แมกนีต$ แร=ฮีมาไทต$ และแร=ไพไรต$ถูกจัดเปnนกลุ=มแร=ออกไซด$เดียวกันหรือไม= เพราะเหตุใด 4. จงเปรียบเทียบความเหมือนและความแตกต=างของ calcite กับ aragonite 5. จงแสดงสูตรเคมีของโอลิวีนที่มี Fo-content = 45 6. จงแสดงสูตรเคมีของออร$โธไพรอกซีนที่มี En-content = 80 7. จงแสดงสูตรเคมีของไคลโนไพรอกซีนที่มีสัดส=วน En-Fs-Wo เท=ากับ 15:35:50 8. จงแสดงสูตรเคมีของแพลจิโอเคลสที่มี Ab-content = 20 พร;อมทั้งระบุประเภทของแร=แพลจิโอ เคลสที่กำหนดให; 25
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU บทที่ 3 บทนำคุณสมบัติทางแสง Chapter 3 Optical Properties of Minerals
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU บทที่ 3 บทนำคุณสมบัติทางแสง 3.1 กล"องจุลทรรศน;แบบแสงโพลาไรซ;(Polarized Light Microscope) ผลึกและวัตถุอัญรูปสามารถแสดงคุณสมบัติทางแสงที่แตกต=างกันให;เห็นได; โดยใช;แสงส=องผ=านแร= และสังเกตผ=านกล;องจุลทรรศน$โพลาไรซิง โดยทั่วไปจะมีอยู= 3 แบบ ได;แก= แบบตาเดียวหรือเลนส$ตาเพียง หนึ่งอัน (monocular) แบบสองตาหรือเลนส$ตาสองอัน (binocular) และแบบสามตาหรือเลนส$ตาสามอัน (Trinocular) สำหรับต=อพ=วงกับอุปกรณ$ฉายภาพอื่นด;านบน (รูปที่ 3.1) รูปที่ 3.1 กล,องจุลทรรศนKแสงโพลาไรซKแบบสามตาและแบบจำลองการบังคับการสั่นสะเทือนของคลื่นแสง จากแหลDงกำเนิดด,วยแผDนโพลารอยดKภายในกล,องจุลทรรศนK (ดัดแปลงจาก www.microscopyu.com/techniques/polarized-light/polarized-light-microscopy) กล;องนี้ศึกษาตัวอย=างที่แสงส=องผ=านได;นั้น จึงเรียกอีกชื่อหนึ่งว=ากล;องแบบแสงส=องผ=าน (transmitted light microscope) หลักการทำงานของกล;องนี้มีคุณสมบัติต=างจากกล;องจุลทรรศน$ทั่วไป เพราะมีอุปกรณ$ในการบังคับให;แสงเปnนแสงแบบโพลาไรซ$ (polarized light) จำนวน 2 แผ=น อุปกรณ$ ดังกล=าวเรียกว=าแผ=นโพลารอยด$ (polaroid) แผ=นแรกอยู=ก=อนที่แสงจะผ=านเข;าไปในแร= ส=วนอีกแผ=นหนึ่งจะ อยู=หลังจากที่แสงผ=านแร=ขึ้นมาแล;ว โดยทำหน;าที่บังแสงให;เปnนแสงโพลาไรซ$ ซึ่งมีการสั่นสะเทือนตั้งฉากกับ ทิศทางที่แสงเคลื่อนที่ไปเพียง 1 ทิศทาง (รูปที่ 3.1) ส=วนประกอบและหน;าที่การทำงานของกล;องจุลทรรศน$ โพลาไรซิงมีดังนี้ ส=วนฐานที่เปnนที่ตั้งของกล;องเปnนส=วนสำคัญที่สุด ซึ่งเปnนส=วนที่ให;แสงในการศึกษา หลอดไฟฟìาฮาโล เจน (halogen lamp) เปnนแหล=งกำเนิดแสงแสงที่ผลิตได;เปnนแสงเหลือง หลอดติดอยู=ที่ฐานส=วนหลังของ กล;อง แล;วปล=อยแสงผ=านกระจก สะท;อนเข;าสู=เส;นทางเดินแสงตามศูนย$กลางกล;อง ที่ฐานมีปุ³มปรับความ 29
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU สว=างของหลอดไฟในระดับต=าง ๆ (รูปที่ 3.2) เนื่องจากแสงที่ออกมาจากหลอดไฟเปnนแสงเหลือง ความ ต;องการแสงในการศึกษาเปnนแสงขาว จึงมีฟ~ลเตอร$ที่ปรับให;แสงเปnนแสงขาวป~ดอยู=ที่ช=องแสงออก (blue sky filter) กล;องบางรุ=นอาจมีแผ=นกรองแสงที่กำหนดชนิดสีแสงได;ตามความต;องการหรืออาจเปnนฟ~ลเตอร$สีอื่น และบริเวณปล=องที่ปล=อยแสงออกจะมีไดอะแฟรม (diaphragm) ซึ่งเปnนรูรับแสงที่สามารถหรี่แสงลงได; รูปที่ 3.2 แผนผังสDวนประกอบของกล,องจุลทรรศนKแบบโพลาไรซิง (ดัดแปลงจาก Oldenbourg and Shribak, 2010 ) โพลาไรเซอร; (polarizer) เปnนอุปกรณ$ชิ้นแรกที่แสงเดินทางผ=านวางอยู=ที่ฐานกล;อง ทำหน;าที่ บังคับให;แสงสั่นสะเทือนทิศทางเดียว ทิศทางการสั่นสะเทือนของคลื่นแสงมักถูกกำหนดให;อยู=ในแนว ตะวันออก-ตะวันตก ซึ่งตั้งฉากกับทิศทางการบังคับแสงของแผ=นโพลารอยด$แผ=นบน การติดตั้งเปnนแบบหมุน เปลี่ยนทิศทางได; การตรวจสอบทิศทางการวางตัวว=าตั้งฉากกับโพลารอยด$แผ=นบน ทำได;โดยการเสียบแอ นาไลเซอร$โดยไม=มีวัตถุคั่นกลาง แล;วจะปรากฏเปnนความมืดนั่นคือแสงจะไม=สามารถผ=านออกมาได; ไดอะแฟรม (aperture diaphragm) เปnนรูรับแสงที่สามารถหรี่แสงก=อนที่จะเข;าสู=ตัวอย=างที่ ศึกษา ในบางกรณีการศึกษาต;องการความคมชัดของขอบภาพก็จำเปnนจะต;องหรี่แสงลง เลนส;รวมแสง (condenser lens) ทำหน;าที่ปรับความเข;มของแสงที่ผ=านมาจากแหล=งกำเนิดให;มี ความเข;มมากขึ้น และปรับทิศทางเดินของแสงให;เปnนเส;นตรงที่ขนานกันให;มากที่สุด เพื่อทำการศึกษาวัตถุ แบบโฟกัสที่วัตถุ (orthoscopic viewing) การศึกษาในขั้นตอนนี้เมื่อปรับโฟกัสจะเห็นภาพของวัตถุที่ศึกษา เลนส;รวมแสงชิ้นที่ 2 (auxiliary condenser lens) สามารถปรับเข;าหรือออกจากทางเดินของ แสงได; เลนส$นี้ทำหน;าที่รวมแสงให;เข;มและปรับให;ทางเดินของแสงก=อนเข;าสู=วัตถุเปnนรูปกรวย อุปกรณ$ส=วน ใช;สำหรับการศึกษาวัตถุแบบโฟกัสที่ระยะอนันต$ (conoscopic viewing) การศึกษาขั้นตอนนี้จะมองไม=เห็น วัตถุ แต=จะเห็นปฏิกิริยาของแสงที่ผ=านวัตถุขึ้นมา แท4นวางวัตถุ(stage) เปnนแผ=นโลหะรูปวงกลมที่มีรูตรงกลางติดตั้งแบบหมุนได;เพื่อให;แสงผ=านขึ้น มาถึงวัตถุที่ศึกษาได; มีขีดบอกองศารอบวงกลม 360o และมีเวอร$เนีย (vernier) สำหรับวัดมุมที่หมุนไป อีก ทั้งยังมีปุ³มล็อคเพื่อไม=ให;หมุน แท=นวางวัตถุนี้จะวางอยู=ใต;เลนส$วัตถุ การปรับโฟกัสของภาพใช;การเคลื่อนที่ขึ้น 30
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU ลงของวัตถุ โดยใช;ปุ³มที่แขนของกล;อง สำหรับปรับการเคลื่อนที่ขึ้นลง ซึ่งมีทั้งปุ³มปรับหยาบ (coarse focus adjust knob) และปุ³มปรับละเอียด (fine focus adjust knob) แท=นวางวัตถุจะมีรูสำหรับติดตั้งอุปกรณ$ใน การจับวัตถุ (clip) หรืออุปกรณ$ศึกษาอื่น อาทิเช=น เครื่องนับเม็ดแร=อัตโนมัติ (automatic counting machine) เลนส;วัตถุ(objective lens) มีรูปร=างเปnนทรงกระบอกติดอยู=ที่แท=นจับเลนส$ ทำหน;าที่รับภาพที่ แสงส=องผ=านวัตถุมาและขยายภาพที่ได;รับ เลนส$วัตถุมีกำลังขยายหลายขนาด ได;แก= o กำลังขยายต่ำ (low power, 4x-5x) มีสีคาดสีแดง o กำลังขยายปานกลาง (medium power, 10x-20x) มีสีคาดสีเหลืองและเขียว o กำลังขยายสูง (high power, 40x) มีสีคาดสีฟìา o กำลังขยายสูงมาก (very high power, 100x) มีสีคาดสีขาว เลนส$วัตถุกำลังขยายยิ่งสูงจะยิ่งเคลื่อนเข;าใกล;ตัวอย=างเมื่อปรับโฟกัส เลนส$กำลังขยายสูงมากต;อง ให;ตัวกลางระหว=างตัวอย=างและเลนส$เปnนน้ำมัน ดังปรากฎเปnนตัวหนังสือที่กระบอกเลนส$ว=า oil เมื่อใช;งาน เลนส$วัตถุจะต;องให;ศูนย$กลางเลนส$ตรงกลับศูนย$กลางกล;อง (centering) กระบอกเลนส$ที่ติดอยู=กับแท=นจับ เลนส$อาจเอียงออกจากศูนย$กลางกล;อง จึงมีเครื่องมือแก;ให;ศูนย$กลางเลนส$กลับมาตรงกับศูนย$กลางกล;อง โดยใช;ไขควง (screw) หมุนที่ช=องปรับศูนย$กลาง บริเวณแท=นจับเลนส$ร=วมกับการหมุนแท=นวางวัตถุ อุปกรณ;เพิ่มหรือหน4วงความเร็วคลื่นแสง (accessory plate) ติดตั้งอยู=ด;านบนของเลนส$วัตถุ ทำ มาจากแผ=นแร= ติดอยู=บนแผ=นที่สอดเข;าทางเดินของแสงได; (slot) แร=ที่นำมาติดตั้งมี 3 แบบ แร=มัสโคไวต$ (mica plate) แร=ยิปซัม (gypsum plate) หรือแร=ควอตซ$ (quartz wedge) อุปกรณ$นี้ทำหน;าที่ปรับ คุณสมบัติของแสง ทำให;เกิดการเปลี่ยนแปลงก=อนที่จะเดินทางถึงแอนาไลเซอร$ อุปกรณ$นี้เปnนอุปกรณ$ ทางเลือก สามารถสอดเข;าทางเดินของแสง หรือไม=ใช;ก็ได; แอนาไลเซอร;(analyzer) เปnนแผ=นโพลารอยด$แผ=นบน เปnนอุปกรณ$ที่สอดหรือถอดออกจาก ทางเดินแสงได; ทำหน;าที่กรองแสงที่ผ=านวัตถุที่ศึกษาขึ้นมา จะมีแสงบางคลื่นแสงผ=านแอนาไลเซอร$ขึ้นมาได; บางคลื่นแสงผ=านมาไม=ได; ทำให;ผู;ศึกษาเห็นสีของแร=ที่ศึกษาได; แสงสีที่ปรากฎให;เห็นหลังจากผ=านแอนาไล เซอร$ขึ้นมาเรียกว=าสีแทรกสอด เบอร;ทรานด;เลนส; (bertrand lens) เปnนเลนส$ที่ทำให;แสงไม=โฟกัสที่วัตถุ ไปโฟกัสที่ระยะอนันต$ (conoscopic viewing) ติดตั้งด;านบนของแอนาไลเซอร$ ก=อนที่แสงจะเข;าสู=สายตาผู;ศึกษา การศึกษาโดยใช; เบอร$ทรานด$เลนส$ ใช;ร=วมกับการใส=เลนส$รวมแสงและใช;เลนส$วัตถุกำลังขยายสูง สัญลักษณ$ของเบอร$ทรานด$ เลนส$ใช;อักษร B เลนส;ตา (eyes pieces) ในกล;องป§จจุบัน มีสองข;าง เปnนแบบสเตอริโอ กระบอกเลนส$ตา 2 กระบอกสามารถปรับให;แคบ-ห=างได; ตามระยะห=างของตาผู;ศึกษา ในเลนส$ตาข;างขวามีกากบาทเส;นผม 31
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU (cross hair) และไมโครสเกล (micro scale) เลนส$ตาสามารถปรับระยะชัดได;ในระยะจำกัด เพื่อปรับให;เข;า กับสายตาผู;มองที่สั้นยาวไม=เท=ากัน ในตา 2 ข;าง วิธีการใช;งานคือปรับเลนส$ตาให;สายตาข;างขวามองเห็น กากบาทเส;นผมชัดเจน ก=อนปรับโฟกัสให;เห็นภาพที่ศึกษา หลังจากนั้นปรับที่เลนส$ตาข;างซ;ายให;มองเห็น ภาพคมชัด การใช;งานเลนส$ตาอาจมีคราบไขมันติดอยู=ที่เลนส$ ทำให;การเห็นภาพไม=ชัดเจน ควรทำความ สะอาดเลนส$ตาด;วยกระดาษเช็ดเลนส$ก=อนการใช;ทุกครั้ง 3.2 การเตรียมตัวอย4างสำหรับการศึกษาศิลาวรรณนา (Thin Section Preparation) ตัวอย=างสำหรับการศึกษาภายใต;กล;องจุลทรรศน$แบบโพลาไรซิงเปnนตัวอย=างแผ=นสไลด$ ซึ่งมีอยู= หลายขนาด โดยแผ=นสไลด$ในห;องปฏิบัติการเปnนแบบยาว การเตรียมตัวอย=างมี 2 แบบ แบบผงตัวอย=าง (grain mount) และตัวอย=างแผ=นหินบาง (thin section) สไลด$แบบผงตัวอย=างทำได;ด;วยการตำหรือบดตัวอย=าง ซึ่งอาจเปnนของแข็งชนิดเดียวหรือหลายแล;ว ร=อนให;มีขนาดประมาณ 100-120 เมช นำผงตัวอย=างที่จะศึกษาโรยลงบนแผ=นกระจก ใส=ตัวกลาง (medium) แบบชั่วคราวหรือถาวร แล;วป~ดด;วยกระจกป~ดสไลด$เพื่อนำไปศึกษาภายใต;กล=องจุลทรรศน$แบบ โพลาไรซ$แผ=นหินบางมาตรฐาน (standard thin section) เปnนการเตรียมตัวอย=างสไลด$โดยการขัดหินที่มี ขนาดเท=าสไลด$ให;เรียบด;วยเครื่องขัดที่มีใบขัดขนาดต=าง ๆ หรือผงขัดที่ทำมาจากซิลิกอนคาร$ไบด$ (silicon carbide) เบอร$ต=าง ๆ (ขนาดของเม็ดผงขัด) นำหินที่ขัดเรียบมาติดกับกระจกด;วยกาวที่มีค=าดัชนีหักเห 1.54 (รูปที่ 3.3) นำเอาแผ=นกระจกที่มีหินติดอยู=มาตัดหินออกด;วยเครื่องตัดแผ=นหินบาง (thin section cut off machine) และทำให;บางลงด;วยเครื่องฝนแผ=นหินบาง (thin section grinding machine) หลังจากนั้นนำ ด;านที่เปnนหินไปขัดต=อด;วยผงขัดเบอร$ต=าง ๆ จนเรียบและเนื้อหินบาง 0.03 มิลลิเมตร เมื่อตัวอย=างที่เตรียม ไว;แห;งสนิทให;ป~ดกระจกป~ดสไลด$ด;วยกาวและทิ้งไว;จนกาวแห;ง หลังจากนั้นทำความสะอาดแผ=นหินบาง โดย การขูดกาวที่ติดกระจกสไลด$ออกด;วยแผ=นมีดบางและเช็ดแผ=นสไลด$ด;วยอะซีโตนหรือแอลกอฮอล$ รูปที่3.3 แสดงการนำหินขัดเรียบมาติดบนแผDนกระจกสไลดKด,วยกาวที่ทราบคDาดัชนีหักเห 3.3 แสงและคุณสมบัติทางแสง (Light and Light Properties) 3.3.1 สเปกตรัมของแสง (Spectrum) สเปกตรัมในการแผ=รังสีของแม=เหล็กไฟฟìาเมื่อพิจารณาในรูปของคลื่น เรียงจากความยาวคลื่นสั้นไป ยาว ประกอบด;วย รังสีคอสมิกส$ (cosmic rays) รังสีแกรมมา (gamma rays) รังสีเอกซ$ (X-rays) รังสีเหนือ ม=วง (ultraviolet rays) แสงขาว (visible light) อินฟราเรด (infrared) คลื่นสั้น (microwaves) คลื่นวิทยุ 32
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU (radio waves) และคลื่นยาว (long electric waves) ดังแสดงในรูปที่ 3.4 การศึกษาวิทยาแร=ภายใต;กล;อง จุลทรรศน$จะศึกษาโดยอาศัยคุณสมบัติและทฤษฎีของแสงขาว รูปที่ 3.4 ชDวงความยาวและความถี่คลื่นแตDละประเภทในสเปกตรัมการแผDรังสีของแมDเหล็กไฟฟéา (ดัดแปลง จาก www.miniphysics.com) 3.3.2 แสงขาว (White Light) แสงขาวหรือแสงที่ตามนุษย$มองเห็นได; เปnนคลื่นแสงที่มีความยาวคลื่นอยู=ในช=วงประมาณ 400 ถึง 700 นาโนเมตร (nm) แสงขาวประกอบด;วยแสงสีที่แตกต=างกัน ซึ่งสามารถเรียงจากความยาวคลื่นสั้นไปยาว ได;คือม=วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง ถ;าแสงมีความยาวคลื่นค=าเดียวเรียกว=าแสงสีเดียว (monochromatic light) ถ;ามีความยาวคลื่นหลายคลื่นแสงเรียกว=าแสงหลายสี (polychromatic light) ถ;า คลื่นแสงสีทุกสีเดินทางเข;าสู=สายตาพร;อมกันทั้งหมด (Buser and Imbert, 1992; Laufer, 1996; Pal and Pal, 2001) การรบกวนกันของคลื่นแสงจะทำให;เรามองไม=เห็นสี (ใส) ตาเราจะมองเห็นสีเหล=านี้เมื่อคลื่นแสง บางคลื่นแสง หรือแสงขาวบางส=วนเข;าสู=สายตา เช=น สีของรุ;งกินน้ำ โดยอาจมีการผสมเฟสของคลื่นทำให;สี อ=อน สีแก= หรือสีเปลี่ยนไปจากเจ็ดสีหลัก ถ;าคลื่นแสงมาครบแต=อุปกรณ$รับภาพในตาเสีย จะเห็นสีไม=เหมือน ที่คนทั่วไปเห็น เรียกว=าตาบอดสี 3.3.3 คลื่นแสง (Light Wave) แสงในคุณสมบัติของความเปnนคลื่นตามขวาง มีลักษณะเปnนคลื่นแม=เหล็กไฟฟìา มีคุณสมบัติเปnน เวกเตอร$ มีขนาดและทิศทาง ขนาดของเวกเตอร$ยังคงมีอยู=เมื่อวัดในทิศทางอื่น เมื่อวัดทำมุมกับทิศทางของ เวกเตอร$ คลื่นแสงที่เคลื่อนที่ไปข;างหน;า เปnนแนวรังสี (ray) ประกอบด;วยลูกคลื่นที่มีความยาวคลื่น (l) และ แอมปลิจูด (A) เมื่อเคลื่อนที่ไปจะมีหน;าคลื่น (wave front) และ แนวตั้งฉากกับหน;าคลื่น (wave normal) ในวัตถุแบบไอโซทรอป~ก (รูปที่ 3.5) คลื่นแสงมีคุณสมบัติเปnนเวกเตอร$แบบหนึ่ง ดังนั้นค=าความเข;มแสงจะมี ขนาดที่ลดลงเมื่อวัดในทิศทางที่บิดออกไปจากแนวการสั่นสะเทือนของคลื่นแสง 33
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU รูปที่ 3.5 สDวนประกอบของคลื่นแสงและปฏิกิริยาแสงในวัตถุไอโซทรอปèกและแอนไอโซทรอปèก (ดัดแปลง จาก www.brocku.ca/earthsciences/people/gfinn/optical/wavefron.htm) การเคลื่อนที่ของคลื่น เปPนไปตามกฎการเคลื่อนที่ทางฟèสิกสK การเดินทางของแสงในรูปแบบของคลื่น มีการเคลื่อนที่และมีความเร็ว เมื่อวัดระยะทางที่คลื่นเคลื่อนที่ไปได,เทียบกับเวลา จะได,ความเร็วคลื่น (v = s/t) ระยะทางสามารถบอกเปPนจำนวนลูกคลื่น (n) คูณความยาวคลื่น (s = nl) จำนวนลูกคลื่นตDอเวลาที่คลื่นเคลื่อนที่ไปได, เรียกวDาความถี่ (f), (f = n/t) ดังนั้นความเร็วของคลื่นจึงสัมพันธKกับความถี่และความยาวคลื่น (v = fl) 3.3.4 ค4าดัชนีหักเห (Refractive Index, n) คลื่นแสงที่เคลื่อนที่มามีความเร็ว ไม=เท=ากันเมื่อผ=านตัวกลางต=างกัน แสงที่เดินทางไปในสุญญากาศ (vacuum) เปnนบริเวณที่ไม=มีสสารใด (Vv) จะมีความเร็ว 3 x 108 m/s เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ=านตัวกลางอื่นที่มี สสาร (matter) จะมีความเร็วลดลง (Vm) และถ;าแสงเคลื่อนที่ผ=านตัวกลางแล;วมีความเร็วต=างกัน (Gibbs, 1997) การเปรียบเทียบค=าความเร็วของแสงในตัวกลางใด ๆ กับความเร็วแสงในสุญญากาศ จะได;เปnนค=าดัชนี หักเห (refractive index, n) nm = Vv/Vm จากความสัมพันธ$ วัตถุจะมีค=าดัชนีหักเหมากกว=า 1 เสมอ แร=ส=วนใหญ=มีค=าดัชนีหักเหระหว=าง 1.5-2 และแร=ที่มีการจัดเรียงโครงสร;างต=างกันจะมีค=าดัชนีหักเหในแต=ละทิศทางต=างกัน ค=าดัชนีหักเหของวัตถุแต=ละ ชนิดขึ้นอยู=กับโครงสร;าง ถ;าวัตถุชนิดเดิมมีโครงสร;างเปลี่ยนแปลง สัมพันธ$กับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป ค=า ดัชนีหักเหก็เปลี่ยนแปลงไปด;วย ถ;าอุณหภูมิสูงขึ้น วัตถุขยายตัว ความเร็วแสงจะเพิ่มขึ้น ค=าดัชนีหักเห แปรผกผันกับความเร็วแสง ดังนั้นค=าดัชนีหักเหจึงแปรผกผันกับอุณหภูมิด;วย nm µ 1/T ซึ่งวัตถุทั่วไปมีการ กำหนดค=าดัชนีหักเหที่ 25 o c และเมื่อมีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง จะกำหนดค=าการเปลี่ยนแปลงของค=าดัชนีหัก เหต=ออุณหภูมิที่เปลี่ยนไป เรียกว=าค=าสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ (temperature coefficient, .../ o c) 34
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU 3.3.5 การหักเห และการสะท"อน (refraction and reflection) การเดินทางของคลื่นแสงผ=านตัวกลางที่ต=างกันจะมีความเร็วแตกต=างกัน (Vm) และทิศทางรังสีแสง จะเกิดการหักเหในกรณีที่แสงเดินทางผ=านตัวกลางสองชนิด แล;วทิศทางรังสีมีมุมตกกระทบไม=ขนานกับเส;น ปกติ (normal line) ความสัมพันธ$ของมุมตกกระทบ (q1) กับมุมหักเห (q2) ที่วัดจากแนวเส;นปกติ ความสัมพันธ$กันตาม Snell's law (Sabra, 1981) Sin q1 / Sin q2 = n2 / n1 มุมตกกระทบที่ทำให;การหักเหของรังสีแสงไปตามแนวสัมผัสของตัวกลางทั้งสองชนิด เรียกว=ามุม วิกฤติ (critical angle) ดังแสดงในรูปที่ 3.6 3.3.6 การกระจายของแสง (Dispersion) ความเร็วของคลื่นแสงที่มีความยาวคลื่นต=างกัน ที่ผ=านไปในวัตถุต=าง ๆ จะมีความเร็วต=างกัน วัตถุ ชนิดเดียวจึงมีค=า n สำหรับแสงสีต=าง ๆ ต=างกัน แสงหลายสีที่ผ=านเข;าสู=วัตถุจึงมีการหัก รูปที่ 3.6 ความสัมพันธKของมุมตกกระทบกับมุมหักเหที่วัดจากแนวเส,นปกติตาม Snell's law เห (q2) ไม=เท=ากัน เรียกการแยกสีออกจากกันนี้ว=าการกระจาย (dispersion) เช=น ปรากฏการณ$รุ;งกินน้ำ หรือแสงขาวที่ผ=านปริซึมหน;าตัดสามเหลี่ยมด;านเท=า (triangular prism) แสงขาวมีความยาวของคลื่นสีม=วงสั้นกว=าความยาวของคลื่นสีแดง แสงสีม=วงจึงมีความเร็วต่ำกว=า แสงสีแดงในตัวกลางเดียวกัน จาก n µ 1/v และ (v = fl) ดังนั้น n µ 1/l เปรียบเทียบได;ว=าแสงสีม=วงมี ค=า n สูงกว=าแสงสีแดงในวัตถุเดียวกัน ดังนั้นเมื่อแสงขาวตกกระทบกับปริซึมหน;าตัดสามเหลี่ยมแสงสีม=วงจึง หักเหมากกว=าแสงสีแดง (รูปที่ 3.7) 35
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU รูปที่ 3.7 ปรากฏการณKแสงขาวที่ผDานปริซึมหน,าตัดสามเหลี่ยมด,านเทDา (triangular prism) คำถามท(ายบท 1. จงอธิบายลักษณะและความสำคัญของแผ=นโพลารอยด$ในกล;องจุลทรรศน$ทรรศน$แบบแสงโพลาไรซ$ ที่ใช;ศึกษาวิทยาแร= 2. ขณะที่เราทำแผ=นหินบางแล;วมีการขัดหินตัวอย=างด;านที่ต;องติดกับกระจกไม=เรียบพอ จะส=งผล อย=างไร 3. เพราะเหตุใดการขัดหินจึงต;องเริ่มใช;ผงขัดเรียงจาก 200 400 600 1,000 เมช ตามลำดับ 4. เมื่อเกิดรุ;งกินน้ำตามธรรมชาติเราจะเห็นสีใดอยู=ด;านล=างสุด จงอธิบายโดยใช;หลักการของแสง 5. การที่เราเห็นการ$เน็ตเปnนสีแดงสดนั้นเกิดจากคุณสมบัติทางแสงชนิดใด จงอธิบายพร;อมเหตุผล ประกอบที่ชัดเจน 36
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU บทที่ 4 คุณสมบัติทางแสงของผลึกไอโซทรอป=ก Chapter 4 Optical Properties of Isotropic Crystal
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU บทที่ 4 คุณสมบัติทางแสงของผลึกไอโซทรอปQก 4.1 การจัดกลุ4มแร4ตามคุณสมบัติทางแสง (Optical Grouping) แนวโพลารอยด$ที่แสงขาวผ=านผลึกมาในแต=ละแนว มีโครงสร;างไม=เหมือนกัน คลื่นแสงขาวอาจไม=ได; ผ=านผลึกมาทุกช=วงคลื่นแสง อาจการดูดกลืนแสงบางช=วงคลื่นแสง ทำให;เราเห็นแสงสีที่เหลือผ=านผลึกมา ทำ ให;ผลึกมีสีต=าง ๆ ได;โครงสร;างผลึกแร=มีความแตกต=างกันใน 2 กลุ=ม กลุ=มไอโซทรอป~กและแอนไอโซทรอป~ก ซึ่งแบ=งเปnนผลึกแกนแสงเดี่ยวและผลึกแกนแสงคู= (รูปที่ 4.1) รูปที่ 4.1 ตัวอยDางการจัดกลุDมแรDตามคุณสมบัติทางแสงกลุDมไอโซทรอปèกและกลุDมแอนไอโซทรอปèก ทั้งแบบ ผลึกแกนแสงเดี่ยวและผลึกแกนแสงคูD กลุ=มไอโซทรอป~ก (isotropic) เปnนวัตถุของแข็งแบบไม=มีโครสร;างหรือเปnนวัตถุที่มีโครงสร;าง เหมือนกันทุกประการ วัตถุเหล=านี้ได;แก= สารอัญรูป เช=น แก;วภูเขาไฟ หรือแร=ที่ตกผลึกในระบบไอโซเมทริก เช=น การ$เน็ต (garnet) ฟลูออไรต$ (fluorite) สป~เนล (spinel) เพชร (diamond) โซดาไลต$ (sodalite) เปnน ต;น ไม=มีความแตกต=างของโครงสร;าง แสงที่ผ=านผลึกมาจะผ=านโครงสร;างแบบเดียวกัน ถ;ามีการดูดกลืนแสง จะเหมือนกันทุกทิศทาง นั่นคือแร=ในระบบสามแกนเท=า (Isometric system) เช=น การ$เน็ต สป~เนล การมีโครงสร;างภายในเหมือนกันทุกทิศๆทาง หรือไม=มีโครงสร;าง ทำให;มีปฏิกิริยาต=อแสงเหมือนกัน ในทุกทิศทางที่แสงเดินทางผ=านผลึก และมีคุณสมบัติไม=ทำให;แสงเปลี่ยนแปลง ถ;าแสงแบบโพลาไรซ$จาก กล;องเดินทางผ=านตัวอย=างแบบไอโซทรอป~ก จะยังคงเปnนแสงแบบโพลาไรซ$เหมือนเดิม เมื่อแสงเดินทางผ=าน ตัวอย=างออกมา และถ;าใส=แอนาไลเซอร$แสงจะไม=ผ=านขึ้นมา ทำให;เรามองเห็นตัวอย=างมืด 39
Mineralogy by Dr. Vimoltip Singtuen | Department of Geotechnology, KKU กลุ=มแอนไอโซทรอป~ก (anisotropic) เปnนผลึกที่ตกผลึกในระบบนอกจากไอโซเมทริก เปnนผลึกที่มี การจัดเรียงตัวโครงสร;างภายในต=างกัน มีทั้งต=างกัน 2 ทิศทาง (ผลึกระบบเทระโกนอล และระบบเฮกซะ โกนอล) และ 3 ทิศทาง (ผลึกระบบออร$โทรอมบิก ระบบโมโนคลินิก และระบบไทรคลินิก) o ผลึกแกนแสงเดี่ยว (uniaxial) มีแกนแสงหนึ่งแกน แต=มีโครงสร;างต=างกัน 2 ทิศทาง การดูดกลืน แสง อาจมีความแตกต=างกันได; 2 ทิศทาง เช=น เซอร$คอน ในระบบสองแกนราบ (Tetragonal system) และ ควอตซ$ ในระบบสามแกนราบ (Hexagonal system) o ผลึกแกนแสงคู= (biaxial) มีแกนแสงสองแกน แต=มีโครงสร;างต=างกัน 3 ทิศทาง การดูดกลืนแสง อาจมีความแตกต=างกันได; 3 ทิศทาง เช=น โอลิวีน ในระบบสามแกนต=าง (Orthorhombic system) ไบโอไทต$ ออร$โทเคลส ในระบบหนึ่งแกนเอียง (Monoclinic system) ไมโครไคลน$ แพลจิโอเคลส ในระบบสามแกนเอียง (Triclinic system) 4.2 เส"นเบกคี(Becke Line) การหักเหของแสงมารวมตัวกันบริเวณขอบของวัตถุ จะทำความเข;มของแสงเพิ่มขึ้น และเกิดขึ้นรอบ วัตถุ วงแสงรอบขอบวัตถุนี้เรียกว=าเส;นเบกคี (becke line) จะเห็นได;เมื่อวัตถุมีค=า n ต=างจากตัวกลาง โดยวง แสงจะหักเหไปทางวัตถุที่มีค=า n มากกว=า (รูปที่ 4.2) การเกิดวงแสงเส;นเบกคีเกิดได;สองแบบ กรณีที่ 1 ค=า n ของตัวกลางมากกว=าของวัตถุ (nm > ns) และกรณีที่ 2 ค=า n ของวัตถุตัวมากกว=าของตัวกลาง (ns > nm) รูปที่ 4.2 ลักษณะการหักเหของแสงในผลึกที่มีคDา n แตกตDางกัน กรณีที่ 1 ค=า n ของตัวกลางมากกว=าของวัตถุ เมื่อพิจารณาตัวอย=างแผ=นสไลด$ของผงตัวอย=าง และ เม็ดวัตถุที่แช=อยู=ในตัวกลางเปnนวัตถุรูปเลนส$ หรือวัตถุที่มีส=วนขอบบางกว=าส=วนกลาง พิจารณาแสงเปnนเส;น รังสี เมื่อแสงที่เดินทางจากด;านล=าง ผ=านตัวกลางแล;วผ=านเข;าวัตถุ จะมีการหักเหออกจากเส;นปกติ และเมื่อ แสงเดินทางต=อออกจากวัตถุกลับเข;าสู=ตัวกลาง แสงจะหักเหเข;าเส;นปกติ เมื่อมองภาพด;านข;าง จะเห็นว=ารังสี แสงที่เดินทางมีการหักเหออกบานออกจากวัตถุ ทำให;แสงไปเพิ่มความเข;มให;มากขึ้นบริเวณขอบนอก และ เมื่อมองภาพจากด;านบนก็จะเห็นการรวมตัวของแสงรอบเม็ดตัวอย=าง เกิดเปnนวงแสงเส;นเบกคีที่เกิดจากรังสี แสงที่ออกจากวัตถุในรูปกรวยบาน กรณีนี้ถ;าเคลื่อนที่แผ=นสไลด$ลง (down stage) จะทำให;วงแสงที่เห็น ขยายตัวออก (move out) จะเห็นวงแสงจะเคลื่อนที่จากด;านเม็ดวัตถุออกไปหาตัวกลาง 40