Çözülmüş Mineral Evrelerinin Atom Prob Tomografisi Analizi
Summary
Ekstremite lamellae morfolojisi, bileşimi ve aralığıanalizi volkanizma ve metamorfizma ile ilgili jeolojik süreçleri anlamak için gerekli bilgileri sağlayabilir. Bu lamellanın karakterizasyonu için APT’nin yeni bir uygulamasını savuruyoruz ve bu yaklaşımı elektron mikroskobu ve FIB tabanlı nanotomografinin geleneksel kullanımıyla karşılaştırıyoruz.
Abstract
Element difüzyon hızları ve sıcaklık/basınç, bir dizi temel volkanik ve metamorfik prosesleri kontrol eder. Bu tür süreçler genellikle ev sahibi mineral evrelerinden emzilen lamellae kaydedilir. Bu nedenle, ekstremite lamellae’nin oryantasyonu, büyüklüğü, morfolojisi, bileşimi ve aralığının analizi yerbilimde aktif bir araştırma alanıdır. Bu lamellae’nin konvansiyonel çalışması elektron mikroskobu (SEM) ve iletim elektron mikroskobu (TEM) taramalı ve daha yakın zamanda odaklanmış iyon ışını (FIB) tabanlı nanotomografi ile, ancak sınırlı kimyasal bilgi ile gerçekleştirilmiştir. Burada, aktif Soufrière Hills Volcano (Montserrat, İngiliz Batı Hint Adaları) patlak kül mevduat volkanik titanomagnetit ilmenite eksensasyon lamellae nanoölçekli analizi için atom prob tomografisi (APT) kullanımını keşfetmek. APT interlamellar aralıkların (14-29 ± 2 nm) hassas hesaplanmasına izin verir ve fe ve Ti/O’nun çözülmüş lamellae ile ana kristal arasında değişimi sırasında keskin faz sınırları olmayan pürüzsüz difüzyon profillerini ortaya çıkarır. Sonuçlarımız, bu yeni yaklaşımın, ekstrüzyon hızlarını ve lav kubbe sarızası modelini yapmak için gerekli lav kubbesi sıcaklıklarını tahmin etmek için bir araç sağlayacak olan lamele bileşiminin nano ölçekli ölçümlerine ve interlamellar aralıklara izin verdiğini göstermektedir. volkanik tehlike azaltma çabalarında önemli bir rol oynamaktadır.
Introduction
Kimyasal mineraloji çalışmaları, minerallerin kristalizasyon sırasında ve sonrasında jeolojik süreçleri aktif olarak kaydettiğinden, yüzyılı aşkın bir süredir Yer Bilimleri alanında önemli bir bilgi kaynağı olmuştur. Volkanizma ve metamorfizma sırasında sıcaklık değişimleri gibi bu süreçlerin fizyo-kimyasal koşulları, mineral çekirdekleşme ve büyüme sırasında kimyasal zoonasyon, striations ve lamellae şeklinde kaydedilir. Ekstremite lamellae formu bir faz katı durumda iki ayrı aşamaya ayrılır. Oryantasyon analizi, boyutu, morfolojisi, ve bu tür ekstremite lamellae aralığı volkanizma ve metamorfizma 1 sırasında sıcaklık ve basınç değişiklikleri anlamak için gerekli bilgileri sağlayabilir1,2,3 ve cevher mineral yataklarının oluşumu4.
Geleneksel olarak, ekstremite lamellae çalışma basit tarama elektron görüntüleme5tarafından mikrografların gözlem ile yapılmıştır. Daha yakın zamanda, bu nanoölçekli düzeyde ayrıntılı gözlemler sağlayan enerji filtreli iletim elektron mikroskobu (TEM) kullanımı ile yerini almıştır1,2,3. Bununla birlikte, her iki durumda da gözlemler iki boyutlu (2D) olarak yapılır ve bu yapılar bu ekstremite lamellae ile temsil edilen üç boyutlu (3D) yapılar için tam olarak yeterli değildir. Nanotomografi6 mineral tanecikleri içinde nanoölçekli özelliklerin 3D gözlem için yeni bir teknik olarak ortaya çıkmaktadır, ancak bu özelliklerin bileşimi hakkında yeterli bilgi yoktur. Bu yaklaşımlara alternatif olarak atom prob tomografisi (APT) kullanımı, malzemelerin karakterizasyonu için var olan en yüksek mekansal çözünürlük analitik tekniği temsil eden7. Tekniğin gücü, nanoölçekli özelliklerin 3Boyutlu yeniden rekonstrüksiyonunun atomik ölçektekimyasal bileşimi ile milyonda neredeyse yarı-milyon analitikhassasiyeti7 ile birleştirilmesi olasılığında yatsın. Jeolojik örneklerin analizi için APT önceki uygulamaları mükemmelsonuçlar8 ,9,10,11, özellikle elementin kimyasal karakterizasyonu sağlamıştır difüzyon ve konsantrasyonları9,12,13. Ancak, bu uygulama ekstremite lamellae çalışma için kullanılmamıştır, bazı mineraller metamorfik ve igneous kayalarda barındırılan bol. Burada, ekstremite lamellae boyutu ve bileşimi nin analizi için APT kullanımını ve sınırlamalarını ve volkanik titanomanyetit kristallerinde interlamellar aralıkları araştırıyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
3B APT veri rekonstrüksiyonları, analiz edilen kristaldeki interlamellar aralığın, geleneksel SEM görüntülerinden ölçülenden üç sıra daha yüksek bir çözünürlükte hassas bir şekilde ölçülmesine olanak sağlar. Bu, kimyadaki atomik değişimlerin, optik olarak gözlemlenebilir minerolojik değişikliklerden daha küçük üç büyüklük sırası nın uzamsal bir ölçüde meydana geldiğini gösterir. Ayrıca, ölçülen interlamellar mesafeler (29 nm ve 14 nm), oksieksçözelti için uzunluk ölç…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, EAR-1560779 ve EAR-1647012 hibeleri, Araştırma ve Ekonomik Kalkınma Başkan Yardımcısı Ofisi, Sanat ve Bilim Ler Koleji ve Jeoloji Bilimleri Bölümü aracılığıyla Ulusal Bilim Vakfı’nın (NSF) finansmanı ile desteklenmiştir. Yazarlar da Chiara Cappelli, Rich Martens ve Johnny Goodwin teknik yardım ve Montserrat Volkan Gözlemevi kül örnekleri sağlamak için kabul.
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 |
References
- Kasama, T., Golla-Schindler, U., Putnis, A. High-resolution and energy-filtered TEM of the interface between hematite and ilmenite exsolution lamellae: Relevance to the origin of lamellar magnetism. American Mineralogist. 88, 1190-1196 (2003).
- Hofer, F., Wabichler, P., Grogger, W. Imaging of nanometer-sized precipitates in solids by electron spectroscopic imaging. Ultramicroscopy. 59, 15 (1995).
- Golla, U., Putnis, A. Valence state mapping and quantitative electron spectroscopic imaging of exsolution in titanohematite by energy-filtered TEM. Physics and Chemistry of Minerals. 28, 119-129 (2001).
- Wang, R. C., et al. Cassiterite exsolution with ilmenite lamellae in magnetite from the Huashan metaluminous tin granite in southern China. Mineralogy and Petrology. , 71-84 (2012).
- Robinson, P., Gordon, L., Nord, M. R., Smyth, J. R., Jaffe, H. W. Exsolution lamellae in augite and pigeonite: fossil indicators of lattice parameters at high temperature and pressure. American Mineralogist. 62, 857-873 (1977).
- Austrheim, H., et al. Fragmentation of wall rock garnets during deep crustal earthquakes. Science Advances. 3, (2017).
- Kelly, T. F., Larson, D. J. Atom probe tomography 2012. Annual Review of Materials Research. 42, 1-31 (2012).
- Gordon, L. M., Joester, D. Nanoscale chemical tomography of buried organic-inorganic interfaces in the chiton tooth. Nature. 469, 194-197 (2011).
- Valley, J. W., et al. Hadean age for a post-magma-ocean zircon confirmed by atom-probe tomography. Nature Geoscience. 7, 219-223 (2014).
- Pérez-Huerta, A., Laiginhas, F., Reinhard, D. A., Prosa, T. J., Martens, R. L. Atom probe tomography (APT) of carbonate minerals. Micron. 80, 83-89 (2016).
- Weber, J., et al. Nano-structural features of barite crystals observed by electron microscopy and atom probe tomography. Chemical Geology. , 51-59 (2016).
- Fougerouse, D., et al. Nanoscale gold clusters in arsenopyrite controlled by growth rate not concentration: Evidence from atom probe microscopy. American Mineralogist. 101, 1916-1919 (2016).
- Peterman, E. M., et al. Nanogeochronology of discordant zircon measured by atom probe microscopy of Pb-enriched dislocation loops. Science Advances. 2, (2016).
- Cole, P. D., et al. Ash venting occurring both prior to and during lava extrusion at Soufriere Hills Volcano, Montserrat, from 2005 to 2010. Geological Society, London, Memoirs. 39, 71-92 (2014).
- Thompson, G. B., et al. In situ site-specific specimen preparation for atom probe tomography. Ultramicroscopy. 107, 131-139 (2007).
- Haggerty, S. E. Oxide textures; a mini-atlas. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 25, 129-219 (1991).
- Gault, B., Moody, M. M., Cairney, J. M., Ringer, S. P. Atom Probe Microscopy. Springer Series in Material Sciences. 160, (2012).
- Larson, D. J., Prosa, T. J., Ulfig, R. M., Geiser, B. P., Kelly, T. F. . Local Electrode Atom Probe Tomography: A User’s Guide. , 318 (2013).
- Devine, J. D., Rutherford, M. J., Norton, G. E., Young, S. R. Magma storage region processes inferred from geochemistry of Fe–Ti oxides in andesitic magma, Soufriere Hills Volcano. Journal of Petrology. 44, 1375-1400 (2003).
- Jackson, M., Bowles, J. A. Curie temperatures of titanomagnetite in ignimbrites: Effects of emplacement temperatures, cooling rates, exsolution, and cation ordering. Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 15, 4343-4368 (2014).
- Harrison, R. J., Putnis, A. The magnetic properties and crystal chemistry of oxide spinel solid solutions. Surveys in Geophysics. 19, 461-520 (1998).
- Price, G. D. Microstructures in titanomagnetites as guides to cooling rates of a Swedish intrusion. Geological Magazine. 116, 313-318 (1979).
- Price, G. D. Exsolution in titanomagnetites as an indicator of cooling rates. Mineralogical Magazine. 46, 19-25 (1982).
- Kuhlman, K. R., Martens, R. L., Kelly, T. F., Evans, N. D., Miller, M. K. Fabrication of specimens of metamorphic magnetite crystals for field ion microscopy and atom probe microanalysis. Ultramicroscopy. 89, 169-176 (2001).
- Dégi, J., Abart, R., Török, K., Rhede, D., Petrishcheva, E. Evidence for xenolith–host basalt interaction from chemical patterns in Fe–Ti-oxides from mafic granulite xenoliths of the Bakony–Balaton Volcanic field (W-Hungary). Mineralogy and Petrology. 95, 219-234 (2009).
- Saxey, D. W., Moser, D. E., Piazolo, S., Reddy, S. M., Valley, J. W. Atomic worlds: Current state and future of atom probe tomography in geoscience. Scripta Materialia. 148, 115-121 (2018).
