Atom probe tomografie analyse van Uitopgeloste minerale fasen
Summary
Analyse van de morfologie, samenstelling en afstand van exsolution lamellen kan essentiële informatie verschaffen om de geologische processen gerelateerd aan vulkanisme en metamorfose te begrijpen. We presenteren een nieuwe toepassing van APT voor de karakterisering van dergelijke lamellen en vergelijken deze benadering met het conventionele gebruik van elektronenmicroscopie en op FIB gebaseerde nano tomografie.
Abstract
Element diffusiesnelheid en temperatuur/druk beheersing een reeks fundamentele vulkanische en metamorfe processen. Dergelijke processen worden vaak geregistreerd in lamellen die uit de minerale fasen van de gastheer worden uitgelossen. Zo is de analyse van de oriëntatie, grootte, morfologie, samenstelling en spatiëring van exsolution lamellen een gebied van actief onderzoek in de Geowetenschappen. De conventionele studie van deze lamellen is uitgevoerd door het scannen van elektronenmicroscopie (SEM) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), en meer recentelijk met gerichte Ion Beam (FIB)-gebaseerde nano tomografie, maar toch met beperkte chemische informatie. Hier onderzoeken we het gebruik van Atom probe computertomografie (APT) voor de nanoschaal analyse van ilmeniet exsolution lamellen in igneeuze titanomagnetiet uit asdeposito’s uit de actieve Soufrière Hills vulkaan (Montserrat, British West Indies). APT maakt de precieze berekening van interlamellaire afstanden (14 – 29 ± 2 nm) mogelijk en onthult gladde diffusie profielen zonder scherpe fase grenzen tijdens de uitwisseling van Fe en Ti/O tussen de uitgeloste lamellen en het gastheer kristal. Onze resultaten suggereren dat deze nieuwe aanpak toelaat nanoschaal metingen van lamellen samenstelling en interlamellar afstand die een middel kunnen bieden om de Lava Dome temperaturen die nodig zijn om te model extrusietarieven en Lava Dome falen te schatten, die beide spelen een sleutelrol in vulkanische risico mitigatie inspanningen.
Introduction
De studie van chemische mineralogie is al meer dan een eeuw een belangrijke bron van informatie binnen het gebied van aardwetenschappen, omdat mineralen tijdens en na hun kristallisatie actief geologische processen opnemen. Fysisch-chemische omstandigheden van deze processen, zoals temperatuurwisselingen tijdens vulkanisme en metamorfose, worden geregistreerd tijdens minerale nucleatie en groei in de vorm van chemische zonatie, striations en Lamellae, onder andere. Exsolution lamellen vormen wanneer een fase in twee afzonderlijke fasen in de vaste toestand ontmengt. De analyse van de oriëntatie, grootte, morfologie en afstand van dergelijke exsolution lamellen kan essentiële informatie verschaffen om de temperatuur-en drukveranderingen te begrijpen tijdens vulkanisme en metamorfose1,2,3 en de vorming van erts minerale afzettingen4.
Traditioneel werd de studie van exsolution lamellen uitgevoerd met de observatie van micro grafieken door Simple Scanning Electron Imaging5. Meer recentelijk, dit is vervangen door het gebruik van energie-gefilterde transmissie elektronenmicroscopie (TEM) verstrekken van gedetailleerde waarnemingen op het niveau van de nanoschaal1,2,3. Niettemin worden in beide gevallen de waarnemingen uitgevoerd in twee dimensies (2D), die niet volledig toereikend zijn voor driedimensionale (3D) structuren die door deze exsolution lamellen worden vertegenwoordigd. Nano tomografie6 is ontstaan als een nieuwe techniek voor de 3D-observatie van nanoschaal functies in mineralen korrels, maar er is onvoldoende informatie over de samenstelling van deze functies. Een alternatief voor deze benaderingen is het gebruik van Atom probe computertomografie (APT), dat de hoogste analytische techniek voor ruimtelijke resolutie vertegenwoordigt die bestaat voor de karakterisering van materialen7. De kracht van de techniek ligt in de mogelijkheid van het combineren van een 3D reconstructie van nanoschaal kenmerken met hun chemische samenstelling op de atoom schaal met een near-per-miljoen analytische gevoeligheid7. Eerdere toepassingen van apt aan de analyse van geologische monsters hebben uitstekende resultaten opgeleverd8,9,10,11, met name in de chemische karakterisering van element diffusie en concentraties9,12,13. Toch is deze applicatie niet gebruikt voor de studie van exsolution Lamellae, overvloedig in sommige mineralen die worden gehost in metamorf en stollingsgesteente. Hier verkennen we het gebruik van APT en zijn beperkingen, voor de analyse van de grootte en samenstelling van exsolution Lamellae en interlamellaire afstand in vulkanische titanomagnetiet-kristallen.
Protocol
Representative Results
Discussion
3D APT-gegevens reconstructies maken een nauwkeurige meting mogelijk van de interlamellaire afstand in het geanalyseerde kristal bij een resolutie van drie ordes van grootte hoger dan die gemeten vanuit conventionele SEM-beelden. Dit geeft aan dat atoom variaties in de chemie zich in een ruimtelijke mate voordoen drie orden van grootte kleiner dan optisch waarneembare mineralogische veranderingen. Ook zijn de gemeten interlamellaire afstanden (29 nm en 14 nm) consistent met de lengte schaal voor oxyexsolution in tegenste…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de financiering van de National Science Foundation (NSF) door middel van subsidies EAR-1560779 en EAR-1647012, het Bureau van de VP voor onderzoek en economische ontwikkeling, het College voor Kunsten en Wetenschappen en het departement geologische wetenschappen. Auteurs erkennen ook Chiara Cappelli, Rich Martens en Johnny Goodwin voor technische assistentie en het Montserrat Volcano Observatory voor het leveren van de asmonsters.
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).
