Analyse tomographie de la sonde atomique des phases minérales exrésolues
Summary
L’analyse de la morphologie, de la composition et de l’espacement des lamelles exsolution peut fournir des informations essentielles pour comprendre les processus géologiques liés au volcanisme et au métamorphisme. Nous présentons une nouvelle application de l’APT pour la caractérisation de ces lamelles et comparons cette approche à l’utilisation conventionnelle de la microscopie électronique et de la nanotomographie basée sur la FIB.
Abstract
Les taux de diffusion des éléments et la température/pression contrôlent une gamme de processus volcaniques et métamorphiques fondamentaux. Ces processus sont souvent enregistrés dans des lamelles exrésolues des phases minérales hôtes. Ainsi, l’analyse de l’orientation, de la taille, de la morphologie, de la composition et de l’espacement des lamelles exsolution est un domaine de recherche active dans les géosciences. L’étude conventionnelle de ces lamelles a été menée par microscopie électronique de balayage (SEM) et microscopie électronique de transmission (TEM), et plus récemment avec la nanotomographie focalisée de faisceau d’ion (FIB), pourtant avec l’information chimique limitée. Ici, nous explorons l’utilisation de la tomographie de sonde atomique (APT) pour l’analyse nanométrique des lamelles d’exsolution d’ilméite dans la titanomagnetite ignée des dépôts de cendres éclatés du volcan actif de collines de Soufrière (Montserrat, Indes occidentales britanniques). APT permet le calcul précis des espacements interlamellar (14-29 à 2 nm) et révèle des profils de diffusion fluides sans limites de phase nettes lors de l’échange de Fe et Ti/O entre les lamelles exrésolues et le cristal hôte. Nos résultats suggèrent que cette nouvelle approche permet des mesures à l’échelle nanométrique de la composition des lamelles et de l’espacement interlamellaire qui peuvent fournir un moyen d’estimer les températures du dôme de lave nécessaires pour modéliser les taux d’extrusion et la défaillance du dôme de lave, deux jouer un rôle clé dans les efforts d’atténuation des risques volcaniques.
Introduction
L’étude de la minéralogie chimique est une source majeure d’information dans le domaine des sciences de la Terre depuis plus d’un siècle, car les minéraux enregistrent activement les processus géologiques pendant et après leur cristallisation. Les conditions physiochimiques de ces processus, telles que les changements de température pendant le volcanisme et le métamorphisme, sont enregistrées pendant la nucléation et la croissance minérales sous forme de zonation chimique, de stries, et de lamelles, entre autres. Les lamelles exsolution se forment lorsqu’une phase se mélange en deux phases distinctes à l’état solide. L’analyse de l’orientation, de la taille, de la morphologie et de l’espacement de ces lamelles exsolution peut fournir des informations essentielles pour comprendre les changements de température et de pression pendant le volcanisme et le métamorphisme1,2,3 et la formation de gisements minéraux de minerai4.
Traditionnellement, l’étude des lamelles exsolution a été menée avec l’observation de micrographes par l’imagerie électronique à balayage simple5. Plus récemment, cela a été remplacé par l’utilisation de la microscopie électronique à transmission filtrée par l’énergie (TEM) fournissant des observations détaillées au niveau nanométrique1,2,3. Néanmoins, dans les deux cas, les observations sont faites en deux dimensions (2D), ce qui n’est pas tout à fait adéquat pour les structures tridimensionnelles (3D) représentées par ces lamelles exsolution. La nanotomographie6 est en train d’émerger comme une nouvelle technique pour l’observation 3D des caractéristiques nanométriques à l’intérieur des grains minéraux, mais il n’y a pas suffisamment d’informations sur la composition de ces caractéristiques. Une alternative à ces approches est l’utilisation de la tomographie de sonde atomique (APT), représentant la technique analytique de résolution spatiale la plus élevée en existence pour la caractérisation des matériaux7. La force de la technique réside dans la possibilité de combiner une reconstruction 3D de caractéristiques nanométriques avec leur composition chimique à l’échelle atomique avec une sensibilité analytique près de la partie par million7. Les applications précédentes de l’APT à l’analyse d’échantillons géologiques ont fourni d’excellents résultats8,9,10,11, en particulier dans la caractérisation chimique de l’élément diffusion et concentrations9,12,13. Pourtant, cette application n’a pas été utilisée pour l’étude des lamelles exsolution, abondantes dans certains minéraux hébergés dans des roches métamorphiques et ignées. Ici, nous explorons l’utilisation de l’APT, et ses limites, pour l’analyse de la taille et la composition des lamelles exsolution, et l’espacement interlamellar dans les cristaux volcaniques de titanomagnetite.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les reconstructions de données APT 3D permettent une mesure précise de l’espacement interlamellar dans le cristal analysé à une résolution trois ordres de grandeur plus élevé que ceux mesurés à partir d’images SEM conventionnelles. Cela indique que les variations atomiques de la chimie se produisent sur une étendue spatiale trois ordres de grandeur plus petits que les changements minéralogiques optiquement observables. En outre, les distances interlamellar mesurées (29 nm et 14 nm) sont compatibles avec l’éc…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le financement de la National Science Foundation (NSF) par le biais de subventions EAR-1560779 et EAR-1647012, du Bureau du vice-président pour la recherche et le développement économique, du Collège des arts et des sciences et du Département des sciences géologiques. Les auteurs reconnaissent également Chiara Cappelli, Rich Martens et Johnny Goodwin pour l’assistance technique et l’Observatoire du volcan de Montserrat pour avoir fourni les échantillons de cendres.
Materials
| InTouchScope Secondary Electron Microscope (SEM) | JEOL | JSM-6010PLUS/LA | |
| Focus Ion Beam (FIB) Secondary Electron Microscope (SEM) | TESCAN | LYRA XMU | |
| Local Electrode Atom Probe (LEAP) | CAMECA | 5000 XS | |
| Integrated Visualization and Analysis Software (IVAS, version 3.6.12). | processing software |
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