Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Atom probe tomografie analyse van Uitopgeloste minerale fasen

Published: October 25, 2019 doi: 10.3791/59863
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Geological Sciences, University of Alabama

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. sourcing, selectie en bereiding van minerale korrels

Let op: monsters werden verkregen uit de gecatalogiseerde collectie van de Montserrat Volcano Observatory (MVO) en afgeleid van vallende afzettingen afkomstig van een krachtige asventing aflevering bij de vulkaan Soufrière Hills die plaatsvond op 5 oktober, 2009; Dit was een van de 13 soortgelijke gebeurtenissen in een loop van drie dagen14. Deze asventilatie ging vooraf aan een nieuwe fase van de lavakoepel groei (fase 5) die begon op 9 oktober. Eerdere analyse van dit monster toonde aan dat het een combinatie was van dichte koepel rotsfragmenten, glazig deeltjes en toevallige lithics14.

  1. Giet 1 g vulkanisch asmonster in een glazen Petri schaal van 10 cm diameter.
  2. Wikkel een klein vel (3 cm x 3 cm) weegpapier rond een 10 G magneet.
  3. Gebruik een papieren magneet om magnetiet rijke korrels te trekken tussen 100 μm en 500 μm in diameter van het asmonster en plaats in een RVS zeef met een diameter van 8 cm (32 μm) (5 φ).
  4. Spoel in gedeïoniseerd water voor 20 – 30 s met behulp van een knijp fles om kleinere, hetelende asdeeltjes (die door de zeef zullen passeren) te verwijderen en lucht drogen voor 24 uur.
  5. Breng schone en droge asdeeltjes aan om houders te samplen die geschikt zijn voor de secundaire elektronen microscoop (SEM). Afbeelding in secundaire Electron-modus bij een versnelde spanning van 15 – 20 kV en op een werkafstand van 10 mm om de 5 – 10 beste kandidaten voor verdere analyse te selecteren. Geselecteerde korrels moeten overwegend (> 50%) magnetiet (Figuur 1a, b).
  6. Breng geselecteerde askorrels op transparante tape, surround met een-inch diameter holle mal (metaal, plastic of rubber) die intern is gecoat met vacuüm vet, en giet in epoxy hars om de mal te vullen (2 cm3). Laat epoxy toe om te genezen volgens de specifieke epoxy instructies.
  7. Zodra epoxy is genezen, verwijderen van schimmel en schil tape van de bodem. Askorrels moeten gedeeltelijk worden blootgesteld.
  8. Poets de epoxy-gegoten as korrels met behulp van SiC slijp papier van vijf verschillende korrelgroottes (400, 800, 1200, 1500 en 2000 Grit).
    1. Poets het monster met elke korrelgrootte, van hoogste (400) naar laagste (2000) in een figuur 8-beweging gedurende ten minste 10 minuten. In tussen Grit maten, sonificeren het monster in een bad van gedeïoniseerd water gedurende 10 minuten.
    2. Controleer het monster onder een microscoop om er zeker van te zijn dat de polijst korrel niet aanwezig is en dat het monster oppervlak vrij is van krassen. Als er krassen aanwezig zijn, herhaalt u de polijst procedure met de vorige korrelgrootte voordat u soniceert en verplaatst naar de volgende Grit grootte.
  9. Polijsten de epoxy-Cat as korrels met aluminiumoxide polijsten suspensies van 1,0 μm en vervolgens 0,3 μm op poetsdoeken.
    1. Poets het monster met elke suspensie in een figuur 8-beweging gedurende ten minste 10 minuten. Tussen de suspensie maten, sonificeren het monster in een bad van gedeïoniseerd water gedurende 10 minuten.
    2. Controleer het monster onder een microscoop om er zeker van te zijn dat de suspensie niet aanwezig is en dat het monster oppervlak vrij is van krassen. Als er krassen aanwezig zijn, herhaalt u de polijst procedure met de vorige suspensie voordat u soniceert en verplaatst u naar de volgende suspensie grootte. Aan het einde van de polijst procedure moet het epoxy oppervlak glad zijn en moeten de askorrels plat en goed belicht zijn.
  10. Mantel het monster oppervlak met een geleidende vacht van ~ 10 nm dikke koolstof met behulp van een beschikbare sputteren coating apparaat.
  11. Verkrijg backverspreide elektronen beelden van de askorrels met de elektronen microscoop bij een versnelde spanning van 15 – 20 kV en een werkafstand van 10 mm om de locatie van exsolution lamellen in de magnetiet (figuur 1c) te bepalen, zoals uitgevoerd in vorige studies5.

Figure 1
Figuur 1: voorbeeld van magnetitische rijke askorrels uit het ontstoppen van afleveringen op de vulkaan Soufrière Hills. (a, b): backverspreide ELEKTRONEN beelden (BSE) van zowel gereageerd als niet-gereageerd texturen in magnetitische korrels. c) het BSE-beeld van een gepolijst magnetisch graan dat de aanwezigheid van een exsolution lamel (lichtgrijze laths; rode pijlen) van mogelijke ilmeniet-samenstelling aantoont. d) secundair elektronen beeld van een gepolijst magnetiet korrel, voorbereid voor de analyse van atoom sonde TOMOGRAFIE (APT), met de locatie van enkele exsolution lamellen (onderbroken rode lijnen), die langs het oppervlak van de korrel worden verdeeld, en de locatie van de wig-extractie (blauwe pijl). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

2. Atom probe computertomografie (APT) monstervoorbereiding

  1. APT-samples worden bereid uit een wig van materiaal dat de aanwezigheid onthult van exsolution lamellen (figuur 1d) met een op FIB gebaseerd Lift-out protocol16 (Figuur 2). Voorafgaand aan FIB werk, sputteren Coat het monster oppervlak met 15 nm laag van Cu om te voorkomen dat elektron laden en monster driften.
  2. Met behulp van een gerichte ionen straal in een dubbele beam scanning elektronen microscoop (FIB-SEM), stort een rechthoek van platina (PT) (3 μm in dikte) op het gepolijste deel van de belangstelling dat de lamellen over een 1,5 μm x 20 μm gebied bevat met behulp van een gallium (ga+) ionen straal op 30 kV en 7 pA.
    Opmerking: deze platina laag wordt afgezet om de regio van belang (ROI) te beschermen tegen ionen straal schade.
  3. Molen drie wiggen materiaal onder drie zijden van de PT rechthoek met behulp van de ionen straal (30 kV, 1 nA). Zie afbeelding 1d en Figuur 2.
  4. Plaats het gasinjectiesysteem (GIS) en las de wig op een in-situ nano-manipulator met behulp van via GIS afgezet PT voordat u de laatste rand vrij maakt (Figuur 2a).
  5. Gebruik de ga+ Ion Beam (5 kV en 240 PA), snijd tien 1 – 2 μm brede segmenten van de wig en bevestig ze opeenvolgend met PT aan de toppen van Si-palen van een microtip array-coupon (Figuur 2b– d).
  6. Vorm en slijp elk monster uiteinde met ringvormige frees patronen van steeds kleinere binnen-en buitendiameters (Figuur 3). Voer in eerste instantie het frezen uit op 30 kV om de monster geometrie te produceren die nodig is voor APT (Figuur 3, linker paneel).
  7. Voer het laatste frezen uit bij een versnelling van 5 kV om de ga+ implantatie te verminderen en een consistente tip-to-tip vorm te verkrijgen (Figuur 3, rechter paneel).
  8. Door de meetinstrumenten van de SEM op de figuur te brengen, moet u ervoor zorgen dat de diameter boven aan de uiteinden 50 – 65 nm is, terwijl de schacht hoek van de uiteinden varieert van 25 ° tot 38 °.
    Opmerking: verdere details zijn eerder gepubliceerd en beschrijven het conventionele Lift-out protocol16.

Figure 2
Figuur 2: voorbeeld van FIB-SEM monsterpreparatie protocol voor apt-analyse. a) afvoer van de wig (W) met de nanomanipulator (nm). b) laterale weergave van de micro-coupon array van silicium posten gemonteerd op een koperen klem. (c) bovenaanzicht van de micro-coupon array van silicium posten die de nanomanipulator voor het monteren van de wig secties tonen. d) wig-fragment (en), met een gedeelte van de beschermende Platinum Cap (PTC), gemonteerd op een silicium post na het lassen met platina (PTW). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: voorbeeld van tips die zijn voorbereid voor apt-analyse. (Links) Afbeelding van Tip na de eerste fase van de verscherping. (Rechts) Beeld van dezelfde Tip na lage kV reiniging, met vermelding van de punt straal (67,17 nm) en de schacht hoek (26 °). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

3. APT Data Acquisition

  1. Voer een analyse uit met een lokale elektrode-atoom sonde (LEAP) uitgerust met een Pico-Second 355 nm UV-laser. Zie specifieke LEAP-actieve parameters in tabel 1.
    Opmerking: analyses werden uitgevoerd met een sprong uitgerust met een Pico-Second 355 nm UV-laser, gehuisvest in de centrale analytische faciliteit (CAF) aan de Universiteit van Alabama.
  2. Monteer de micro-coupon met de geslepen tips, gelast aan de si-palen, in een specimen Puck en laden in een carrousel voor plaatsing in de sprong.
  3. Plaats de carrousel in de buffer kamer van de sprong.
  4. Draai de laserkop aan en voer een laser kalibratie uit.
  5. Na het bereiken van vacuüm in de analyse kamer bij of onder 6 x 10-11 Torr, plaatst u het Puck-specimen in de hoofd analyse kamer. Voor dit gebruik een transfer staaf; Dit wordt bediend met een reeks automatische stappen en handmatige invoeging.
  6. Voor de analyse, selecteer de tip door het verplaatsen van de specimen Puck om de micro-coupon uit te lijnen met de lokale elektrode en de database om het punt nummer aan te geven bijwerken.
    NB: vier van de zes tips werden met succes geanalyseerd (twee gebroken tijdens de analyse) en resulteerden in een variabele hoeveelheid verkregen gegevens variërend van 26 tot 92.000.000 totaal gedetecteerde ionen, die overeenkwamen met de verwijdering van een 160 – 280 nm-dikke laag magnetiet (Zie specifieke LEAP Running parameters in tabel 1).
Specimen 207 217 218 219
Voorbeeld beschrijving SHV magnetite SHV magnetite SHV magnetite SHV magnetite
Instrument model SPRONG 5000 XS SPRONG 5000 XS SPRONG 5000 XS SPRONG 5000 XS
Instrument instellingen
Laser golflengte 355 nm 355 nm 355 nm 355 nm
Laser Pulse Rate 60 pJ 30 pJ 30 pJ 30 pJ
Laser Pulse energie 500 kHz 500 kHz 500 kHz 500 kHz
Verdampings regeling Detectiegraad Detectiegraad Detectiegraad Detectiegraad
Doel Detectiepercentage (%) 0,5 0,5 0,5 0,5
Nominaal vluchtpad (mm) 100 100 100 100
Temperatuur (K) 50 50 50 50
Druk (Torr) 5.7 X10-11 6.0 X10-11 6.1 X10-11 6.1 X10-11
ToF offset, to (NS) 279,94 279,94 279,94 279,94
Data-analyse
Software IVAS 3.6.12 IVAS 3.6.12 IVAS 3.6.12 IVAS 3.6.12
Totaal aantal ionen: 26.189.967 92.045.430 40.013.656 40.016.543
Één 15.941.806 55.999.564 24.312.784 23.965.867
Meerdere 9.985.564 35.294.528 15.331.670 15.716.119
Gedeeltelijke 262.597 751.338 369.202 334.557
Gereconstrueerde ionen: 25.173.742 89.915.256 38.415.309 39.120.141
Varieerden 16.053.253 61.820.803 25.859.574 26.598.745
Onbevarieerde 9.120.489 28.094.453 12.555.735 12.521.396
Achtergrond (ppm/nsec) 12 12 12 12
Wederopbouw
Laatste tip staat Gebroken Gebroken Gebroken Gebroken
Pre-/post-analyse Imaging SEM/n.v.t. SEM/n.v.t. SEM/n.v.t. SEM/n.v.t.
RADIUS evolution model spanning spanning spanning spanning
Vinitieel; VFinal 2205 V; 6413 V 2361 V; 7083 V 2198 V; 6154 V 2356 V; 6902 V

Tabel 1. Atom probe tomografie instellingen voor gegevensverwerving en samenvatting uitvoeren.

4. APT-gegevensverwerking

  1. Open de gegevensset in de verwerkingssoftware (Zie de tabel met materialen) en voer de volgende stappen uit voor gegevensanalyse.
    1. Controleer de informatie-instellingen.
    2. Selecteer Ion sequence Range op basis van de spannings historie plot. Selecteer de detector regio van belang (ROI).
    3. Voer de correctie voor time-of-Flight (TOF) uit. Gebruik pieken die corresponderen met zuurstof en ijzer voor de TOF correctie.
    4. Voer massa kalibratie uit met de identificatie van de belangrijkste pieken.
    5. Voer de uiteenlopende ionen voor hun toewijzingen aan specifieke massa's.
    6. Voer de reconstructie van het tipprofiel uit.
  2. Toon de gegevens in de twee belangrijkste formaten: 1) chemische spectra met massa-oplaadstatus (da) (Figuur 4); en 2) 3D reconstructies van tipspecimens (Figuur 5).
  3. Definieer piek bereiken als de gehele zichtbare piek, of pas handmatig aan wanneer grote thermische staarten aanwezig zijn, voor elk spectrum van massa-to-charge-staat verhoudingen (Figuur 4). Deze pieken vertegenwoordigen enkelvoudige elementen of moleculaire soorten, en de ontleding van pieken biedt de totale chemische samenstelling voor elke tip of functie (d.w.z. clusters en exsolution Lamellae) in elke tip (tabel 2).
  4. Voer driedimensionale (3D) Tip-reconstructies uit met behulp van de "voltage" Tip profiel methode17 om de gereconstrueerde straal te bepalen als een functie van geanalyseerde diepte (Figuur 5 en film 1).
  5. Reconstrueren van isooppervlakken van exsolution lamellen voor het uitvoeren van interlamellaire afstanden (Figuur 5) en tot vaststelling van de chemische relatie van de gastheer Mineral-lamella met proxigrams17,18 (Figuur 6 ).
  6. Meet interlamellaire afstanden met beeldanalyse software.

Figure 4
Figuur 4: voorbeeld van een representatief apt-massa-to-charge-spectrum. Spectrum voor het geanalyseerde magnetiet kristal met individuele afstands pieken met voorbeelden van de identificatie van pieken die corresponderen met afzonderlijke elementen (bijv. zuurstof (O) of ijzer (FE)) of moleculen (bijvoorbeeld FeO). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Specimen 207 217 218 219
Element Aantal atoom Atoom 1s fout Aantal atoom Atoom 1s fout Aantal atoom Atoom 1s fout Aantal atoom Atoom 1s fout
O 9459276 40,263 0,0155 36679256 40,724 0,0080 15396155 41,010 0,0124 16212281 41,224 0,0122
Fe 9424298 40,114 0,0155 35948593 39,913 0,0079 14829905 39,502 0,0121 15006853 38,159 0,0116
Mn 15954 0,068 0,0005 72884 0,081 0,0003 28166 0,075 0,0004 31450 0,080 0,0005
Mg 123755 0,527 0,0015 486732 0,540 0,0008 203596 0,542 0,0012 234231 0,596 0,0012
Al 85598 0,364 0,0013 329602 0,366 0,0006 134637 0,359 0,0010 154779 0,394 0,0010
Si 13855 0,059 0,0005 39307 0,044 0,0002 16278 0,043 0,0003 25750 0,065 0,0004
Na 166 0,001 0,0001 1254 0,001 0,0000 447 0,001 0,0001 1468 0,004 0,0001
Ti 4360052 18,558 0,0097 16478946 18,296 0,0049 6920481 18,434 0,0076 7645849 19,442 0,0077
H 10657 0,045 0,0004 30522 0,034 0,0002 12899 0,034 0,0003 14478 0,037 0,0003
Totale 23493611 100,00 0,04 90067097 100,00 0,02 37542563 100,00 0,04 39327140 100,00 0,03
Fe + Ti + O 98,94 98,93 98,95 98,82
Fe/ti 2,16 2,18 2,14 1,96

Tabel 2. Atom probe tomografie bulk samenstellingsgegevens voor alle geanalyseerde specimens.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Zoals vele titanomagnetitische kristallen uit verschillende stadia van de uitbarsting van de Soufrière Hills vulkaan (SHV), bevat het hier geanalyseerde kristal exsolution lamellen < 10 μm in dikte, zichtbaar in secundaire SEM-beelden (figuur 1d), die afzonderlijke zones van TI-Rich magnetite, wat duidt op een C2-fase van oxidatie18. Op basis van de SEM-beelden varieert de afstand tussen deze lamellen van 2 tot 6 μm (n = 15). Vier titanomagnetitische specimen tips, aangeduid als 207, 217, 218 en 219, werden met succes geëxtraheerd uit dit ene kristal en geanalyseerd door APT (Figuur 5). Twee van de specimens (207 en 218) vertoonden homogene concentraties van zowel Fe als ti in de gehele (figuur 5a), wat erop duidt dat de lamellen niet werden gekruist. De andere twee specimens (217 en 219) toonden zones met variabele concentraties in Fe, O en ti (Figuur 5b-e). Deze functies zijn parallel aan elkaar en hebben taps toelopende terminaties, indicatief van trellis ilmeniet18. Specimen 219 bevat een groter deel van de doorsneden lamellen dan specimen 217. 3D-reconstructies van de APT-gegevens (figuur 5c-e, film 1) maken een nauwkeurige meting van de interlamellaire afstand (λ) mogelijk en bieden lengte schalen die gemiddeld 29 nm voor specimen 219 (n = 30) en 14 nm voor specimen 217 ( n = 15), met een 1S-waarde van 2 nm voor beide. Naast deze metingen maakt apt het mogelijk om chemische informatie over deze lamellen te onttrekken aan een hoge ruimtelijke resolutie (nanoschaal) door middel van de analyse van proxigrams, waarbij het punt 0 wordt gebruikt als de kruising tussen de lamellen en het gastheer mineraal ( Figuur 6). Proxigram diffusie profielen door deze zones zijn soepel. Atoom concentraties van ti in het kristal, 17% in specimen 217 en 16,5% in specimen 219 (Figuur 6), bevestigen dat het een titanomagnetiet is en consistent zijn met eerdere petrologische analyses van SHV eruptieve producten18. Deze proxigrams bevestigen ook dat de samenstelling van lamellen overeenkomt met die van ilmeniet (Figuur 6).

Figure 5
Figuur 5: voorbeeld van 3D atomaire reconstructies van magnetiet tips geanalyseerd (z-waarden in nm). a) specimen 218, met homogene concentraties van O, Fe en ti. b) specimen 219, weergave van in Fe uitgeputte gebieden en verrijkt met O en ti (lichtere gebieden). c) elementaire isoconcentratieoppervlakken van specimen 219, met de intralamellaire concentraties van Fe < 30,0% in blauw, Ti > 25,0% in geel, en O < 51,5% in paars. d) weergave van hetzelfde gebied in paneel c, maar 90 ° gedraaid om de gemeten lamellaire afstand (l) te onthullen. e) specimen 217, met een relatief kleiner deel van de exsolution lamellen linksonder (intralamellaire concentraties: Fe < 19,0%, Ti > 33,0%, O < 49,0%). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: PROXIGRAMS van apt-gegevens die Atoom concentraties van O, Fe en Ti vertonen in respectievelijk specimens 217 en 219. Een afstand van nul op de x-as (onderbroken verticale lijn) staat voor de grens tussen de titanomagnetiet links en de ilmeniet lamellen aan de rechterkant. In deze grens stijgt de TI-concentratie van 17,0% naar 44,0% en van 16,5% tot 42,5% in specimens 217 en 219, respectievelijk. Fe-inhoud daalt van 37,7% naar 0,8% en van 38,5% naar 0,6% in specimens 217 en 219, respectievelijk. O concentraties stijgen van 40,0% tot 50,2% en van 38,8% tot 50,6% in specimens 217 en 219, respectievelijk. TI en O diffuus naar de lamellen (rechts) en FE verspreidt zich weg van de lamellen (naar links). Fout in alle metingen is < 2 atoom%. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Film 1.3D Elemental isoconcentration reconstructie van specimen 219, tonen van intralamellaire concentraties van Fe < 30,0% in blauw, Ti > 25,0% in geel, en O < 51,5% in paars, en gedraaid 360 ° langs de lengteas (z). Klik hier om dit bestand te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 tegenstelling tot die voor nucleatie en groei van een afzonderlijke fase, waarvan de laatste zich over lengte schubben een orde van grootte groter19 ,20. Oxyexsolution van de titanomagnetiet die hier wordt onderzocht kan het gevolg zijn van ofwel verwarmen van het magma in de kamer als gevolg van vermengings gebeurtenissen, of oxidatie veroorzaakt door atmosferische blootstelling tijdens de beklimming door de buis en emplacement bij de vent. Het titanomagnetiet kristal dat in deze studie wordt gebruikt, vertoont talrijke lamellen op de orde van 10 μm of minder in diameter, wat voldoende tijd aangeeft voor gedeeltelijke exoplossing van het gehele 0,06 mm2 kristal. Deze waarneming, in combinatie met de oorsprong van de as-ontluchten van het monster, suggereert dat de lamellen zijn gevormd uit oxidatie van de lavakoepel na plaatsing bij de vent.

Figure 7
Figuur 7: schematische weergave van verschillende mogelijkheden voor het vastleggen van exsolution lamellen in apt-uiteinden en de implicaties voor het meten van de lamellaire afstand (λ). Klik hier om een grotere versie van deze figuur.

Deze metingen van de interlamellaire afstand waren alleen mogelijk in twee van de vier geanalyseerde tips en deze steekproef bias zou een fout kunnen veroorzaken. Omdat we alleen de nanoschaal volumes van de kristallen analyseren, kan elke tip een gedeeltelijke representatie van de verdeling van de lamellen vastleggen, wat mogelijk leidt tot een foutieve berekening van de interlamellaire afstand (λ) (Figuur 7). Niettemin biedt onze aanpak, met de analyse van voldoende tips en de 3D-tomografie mogelijkheden van APT, een nieuwe methode om λ nauwkeurig te meten, wat fundamenteel kan zijn om een verscheidenheid aan stollings-en metamorfe processen te begrijpen. Bijvoorbeeld, analyse van Fe-Ti diffusie in magnetiet kristallen is gebruikt om te karakteriseren magma vermengen gebeurtenissen en veranderingen in magma temperatuur op Soufrière Hills vulkaan19. De interdiffusiesnelheid van Fe en Ti kan worden gemodelleerd van nauwkeurige metingen van de interlamellaire afstand als de tijdschaal van diffusie kan worden beperkt. Eerdere studies hebben gebruik gemaakt van exsolution lamellen voor het afleiden van de koel percentages in igneeuze intrusies21,22, en de nieuwe benadering van het gebruiken van apt kan mogelijk worden gebruikt om element interdiffusie te beperken en berekeningen te verbeteren van magma en Lava Dome temperaturen in actieve vulkanische systemen23,24. Naast de precieze meting van 3D-structuren op nanoschaal, biedt APT chemische informatie op de atoom schaal voor dezelfde ruimtelijke resolutie. Dit heeft ertoe geleid dat de overgang van titanomagnetiet naar ilmeniet geleidelijk en soepel verloopt (Figuur 6). Dit is in tegenstelling tot eerdere studies die wijzen op scherpe en duidelijke contacten tussen de exoplossende lamellen en de hostfase, op basis van microscopie observaties (SEM en TEM) zonder de chemische informatie. Bijgevolg kan alleen de toevoeging van APT nauwkeurig de geochemische eigenschappen van deze faseovergangen bieden.

Atom probe computertomografie (APT) is nog steeds een opkomende techniek voor geologische toepassingen25, maar onze casestudy toont het nut van het toepassen van deze aanpak voor de studie van exsolution Lamellae, heel gebruikelijk in mineralen die worden gehost in stollings en metamorfe rotsen. In het bijzonder voor het begrijpen van vulkanische processen, kunnen toekomstige studies meerdere monsters met exsolution lamellen onderzoeken in lavakoepels (afgeleid van beide asventing-afleveringen of Dome-instortings gebeurtenissen) om betere variaties in temperatuur tijdens eruptieve episoden met berekende diffusie percentages.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

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

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Hofer, F., Wabichler, P., Grogger, W. Imaging of nanometer-sized precipitates in solids by electron spectroscopic imaging. Ultramicroscopy. 59, 15 (1995).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Austrheim, H., et al. Fragmentation of wall rock garnets during deep crustal earthquakes. Science Advances. 3, (2017).
  7. Kelly, T. F., Larson, D. J. Atom probe tomography 2012. Annual Review of Materials Research. 42, 1-31 (2012).
  8. Gordon, L. M., Joester, D. Nanoscale chemical tomography of buried organic-inorganic interfaces in the chiton tooth. Nature. 469, 194-197 (2011).
  9. Valley, J. W., et al. Hadean age for a post-magma-ocean zircon confirmed by atom-probe tomography. Nature Geoscience. 7, 219-223 (2014).
  10. 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).
  11. Weber, J., et al. Nano-structural features of barite crystals observed by electron microscopy and atom probe tomography. Chemical Geology. , 51-59 (2016).
  12. 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).
  13. Peterman, E. M., et al. Nanogeochronology of discordant zircon measured by atom probe microscopy of Pb-enriched dislocation loops. Science Advances. 2, (2016).
  14. 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).
  15. Thompson, G. B., et al. In situ site-specific specimen preparation for atom probe tomography. Ultramicroscopy. 107, 131-139 (2007).
  16. Haggerty, S. E. Oxide textures; a mini-atlas. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 25, 129-219 (1991).
  17. Gault, B., Moody, M. M., Cairney, J. M., Ringer, S. P. Atom Probe Microscopy. Springer Series in Material Sciences. 160, (2012).
  18. Larson, D. J., Prosa, T. J., Ulfig, R. M., Geiser, B. P., Kelly, T. F. Local Electrode Atom Probe Tomography: A User’s Guide. , Springer. New York. 318 (2013).
  19. 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, Montserrat, WI. 1375-1400 (2003).
  20. 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).
  21. Harrison, R. J., Putnis, A. The magnetic properties and crystal chemistry of oxide spinel solid solutions. Surveys in Geophysics. 19, 461-520 (1998).
  22. Price, G. D. Microstructures in titanomagnetites as guides to cooling rates of a Swedish intrusion. Geological Magazine. 116, 313-318 (1979).
  23. Price, G. D. Exsolution in titanomagnetites as an indicator of cooling rates. Mineralogical Magazine. 46, 19-25 (1982).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).

Tags

Milieuwetenschappen uitgave 152 Atom probe tomography APT vulkanische as titanomagnetiet ilmeniet exsolution Lamellae FIB-SEM Lift-out sprong
Atom probe tomografie analyse van Uitopgeloste minerale fasen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Genareau, K., Perez-Huerta, A.,… More

Genareau, K., Perez-Huerta, A., Laiginhas, F. Atom Probe Tomography Analysis of Exsolved Mineral Phases. J. Vis. Exp. (152), e59863, doi:10.3791/59863 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter