Summary
Анализ морфологии, состава и интервалов exsolution lamellae может предоставить необходимую информацию для понимания геологических процессов, связанных с вулканизмом и метаморфизмом. Мы представляем новое применение APT для характеристики таких ламелл и сравниваем этот подход с обычным использованием электронной микроскопии и нанотомографии на основе FIB.
Abstract
Скорость диффузии элементов и температура/давление контролируют ряд фундаментальных вулканических и метаморфических процессов. Такие процессы часто регистрируются в ламеллах, выведенных из фаз полезных ископаемых. Таким образом, анализ ориентации, размера, морфологии, состава и интервалов с выведения ламелл является областью активных исследований в области геонаук. Традиционное исследование этих ламелл было проведено путем сканирования электронной микроскопии (SEM) и передачи электронной микроскопии (TEM), а в последнее время с целенаправленной ионной пучковой (FIB) нанотомографии, но с ограниченной химической информацией. Здесь мы исследуем использование томографии атомного зонда (APT) для наномасштабного анализа ламеллы илменита в воспламеняемом титаноммагнетите из отложений пепла, извергаемых из активного вулкана Суфриер-Хиллз (Монтсеррат, Британская Вест-Индия). APT позволяет точно рассчитать межламеллярные интервалы (14-29 и 2 нм) и показывает гладкие профили диффузии без резких фазовых границ во время обмена Fe и Ti/O между exsolved lamellae и кристаллом хозяина. Наши результаты показывают, что этот новый подход позволяет наномасштабные измерения состава ламеллы и межламеллярного интервала, которые могут обеспечить средства для оценки температуры лавового купола, необходимых для моделирования темпов экструзии и отказа лавового купола, оба из которых играют ключевую роль в усилиях по смягчению последствий вулканической опасности.
Introduction
Изучение химической минералогии является основным источником информации в области наук о Земле на протяжении более века, так как минералы активно фиксируют геологические процессы во время и после их кристаллизации. Физиохимические условия этих процессов, такие как перепады температуры во время вулканизма и метаморфизма, регистрируются во время минеральных нуклеаций и роста в виде химической зонации, размывок и ламелл, среди других. Вырастворите ламеллы форму, когда фаза unmixes в две отдельные фазы в твердом состоянии. Анализ ориентации, размера, морфологии и интервалов такого излминистра ламеллы может предоставить необходимую информацию для понимания изменений температуры и давления во время вулканизма и метаморфизма1,2,3 и формирование месторождений руды4.
Традиционно, изучение exsolution lamellae было дирижировано с наблюдением микрографов просто сканированием изображений электрона5. В последнее время это было заменено использованием энергии фильтрованных передачи электронной микроскопии (TEM) предоставления подробных наблюдений на наноуровне уровне1,2,3. Тем не менее, в обоих случаях, замечания сделаны в двух измерениях (2D), который не в полной мере адекватны для трехмерных (3D) структур, представленных этими ламеллами exsolutione. Нанотомография6 становится новой методикой 3D-наблюдения наномасштабных особенностей внутри минерального зерна, однако информации о составе этих особенностей недостаточно. Альтернативой этим подходам является использование томографа атома (APT), представляющего собой наивысшее пространственное разрешение аналитической техники, существующей для характеристики материалов7. Сила техники заключается в возможности сочетания 3D-реконструкции наномасштабных объектов с их химическим составом в атомном масштабе с почти частичной аналитической чувствительностью7. Предыдущие применения APT к анализу геологических образцов дали отличные результаты8,9,10,11, в частности, в химической характеристике элемента диффузии и концентраций9,12,13. Тем не менее, это приложение не было использовано для изучения exsolution ламеллы, в изобилии в некоторых минералов, размещенных в метаморфических и воспламенялых пород. Здесь мы исследуем использование APT, и его ограничения, для анализа размера и состава высасывания ламеллы, и межламеллярного интервала в вулканических кристаллах титаномерита.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Поиск, отбор и подготовка минеральных зерен
ПРИМЕЧАНИЕ: Образцы были получены из каталогизированной коллекции в обсерватории вулкана Монтсеррат (MVO) и получены из падающих отложений, происходящих из энергичного эпизода вентиляции пепла на вулкане Суфриер-Хиллз, который произошел 5 октября 2009 года; это был один из 13 подобных событий в течение трех дней14. Этому выбросу пепла предшествовал новый этап роста лавовых куполов (фаза 5), начавшаяся 9 октября. Предыдущий анализ этого образца показал, что это сочетание плотных фрагментов купола, стеклянных частиц и случайных литик14.
- Налейте 1 г образца вулканического пепла в стеклянную чашку Петри диаметром 10 см.
- Оберните небольшой (3 см х 3 см) лист весовой бумаги вокруг 10 G магнита.
- Используйте бумажный магнит, чтобы вытащить богатые магнезитом зерна от 100 мкм до 500 мкм в диаметре от образца золы и поместить в 32 мкм (5), 8 см диаметром нержавеющей стали сито.
- Промыть в деионизированной воде в течение 20-30 с с помощью бутылки выжать, чтобы удалить меньше, придерживаясь частиц пепла (который будет проходить через сито), и воздух сухой в течение 24 ч.
- Прикрепить чистые и сухие частицы золы для образца креплений, пригодных для вторичного электронного микроскопа (SEM). Изображение во вторичном режиме электрона при ускоренном напряжении 15-20 кВ и на рабочем расстоянии 10 мм для выбора 5-10 лучших кандидатов для дальнейшего анализа. Выбранные зерна должны быть преимущественно (No gt;50%) магнетит(рисунок 1a,b).
- Affix выбрали зерна золы, чтобы очистить ленту, окружают с одного дюйма диаметром полой плесени (металл, пластик или резина), которая была внутренне покрыта вакуумной жиром, и влить эпоксидной смолы, чтобы заполнить плесень (2 см3). Разрешить эпоксидной для лечения в соответствии с конкретными инструкциями эпоксидной.
- Как только эпоксидка вылечила, снимите с плесени и снизьте ленту снизу. Золы зерна должны быть частично подвержены.
- Польский эпоксидно-литых золы зерна с использованием SiC шлифовальной бумаги пяти различных размеров песка (400, 800, 1200, 1500 и 2000 песка).
- Польский выборки с каждым размером песка, от самого высокого (400) до самого низкого (2000) в цифре восемь движения, по крайней мере 10 минут. Между размерами песка, sonicate образец в ванне деионизированной воды в течение 10 минут.
- Проверьте образец под микроскопом, чтобы убедиться, что полировка песка не присутствует, и поверхность образца свободна от царапин. Если царапины присутствуют, повторите процедуру полировки с предыдущим размером песка, прежде чем sonicating и переход к следующему размеру песка.
- Польский эпоксидно-кошачьи золы зерна с глинозема полировки суспензии 1,0 мкм, а затем 0,3 мкм на полировки ткани.
- Польский образец с каждой подвеской на рисунке восемь движения, по крайней мере 10 минут. В промежутке между размерами подвески, sonicate образец в ванне деионизированной воды в течение 10 минут.
- Проверьте образец под микроскопом, чтобы убедиться, что подвеска не присутствует и поверхность образца не имеет царапин. Если царапины присутствуют, повторите процедуру полировки с предыдущей подвеской, прежде чем сотонить и перейти к следующему размеру подвески. В конце процедуры полировки эпоксидная поверхность должна быть гладкой, а зерна золы должны быть плоскими и хорошо открытыми.
- Пальто образца поверхности с проводящей шерсть 10 нм толщиной углерода с помощью доступного устройства покрытия распыления.
- Получить backscattered электрон изображения золы зерна с электронным микроскопом на 15-20 кВ ускорение напряжения и рабочее расстояние 10 мм, чтобы определить расположение выведения ламеллы в магнетите (Рисунок 1c), как это проводилось в предыдущем исследования5.
Рисунок 1: Пример богатых магнетитом золы из вентиляционных эпизодов на вулкане Суфриер-Хиллз. (a, b): Backscattered электронные изображения (BSE) как реагируют и не реагирует текстуры в магнетитовых зерен. (c)BSE изображение полированного магнетитового зерна, показывающего наличие ламелы exsolution (светло-серые лапасти; красные стрелки) потенциального состава ильменита. (d)Вторичное электронное изображение полированного магнетита зерна, подготовленного для анализа томографии атомного зонда (APT), показывающего расположение некоторых ламелл ы (разбитых красных линий), которые распределены по всей поверхности зерна, и расположение извлечение клина (синяя стрелка). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
2. Подготовка проб атомного зонда (APT)
- Образцы APT будут подготовлены из клина материала, который показывает наличие ламелы exsolution(рисунок 1d)с использованием FIB на основе протокола подъема16 (Рисунок 2). Перед работой FIB, распыление пальто поверхности образца с 15 нм слой Cu, чтобы избежать зарядки электронов и образца дрейфующих.
- Используя сфокусированный ионный луч в двойном луче сканирующем электронном микроскопе (FIB-SEM), отдепозитивайте прямоугольник платины (Pt) (3 мкм толщиной) на полированном разделе интереса, содержащего ламеллы в течение 1,5 мкм х 20 мкм области с помощью галлия (Ga)ионный луч на 30 кВ и 7.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот платиновый слой откладывается для защиты области интересов (ROI) от повреждения ионного луча. - Мельница три клинья материала ниже трех сторон прямоугольника Pt с помощью ионного луча (30 кВ, 1 н.А.). Смотрите Рисунок 1d и Рисунок 2.
- Вставьте систему впрыска газа (ГИС) и сварить клин к нано-манипулятору situ с помощью ГИС-депозитированный Pt перед резки окончательный край бесплатно (Рисунок 2a).
- Используяионный луч Ga q (5 кВ и 240 pA), вырежьте десять сегментов шириной 1-2 мкм от клина и последовательно прикрепите их с Pt к вершинам Si должностей купона микротипа массива(Рисунок 2b-d).
- Форма и заточить каждый образец отзыв с помощью кольцеобразных фрезерных узоров все меньше внутреннего и внешнего диаметров(рисунок 3). Первоначально, выполнить фрезерования на 30 кВ для получения геометрии образца, необходимых для APT(рисунок 3,леваяпанель ) .
- Выполните окончательное фрезерование при ускоренном напряжении 5 кВ, чтобы уменьшить имплантацию Гаи получить последовательную форму наконечника к кончику(рисунок 3, правая панель).
- Применяя измерительные инструменты SEM к рисунку, убедитесь, что диаметр в верхней части кончиков колеблется 50-65 нм, в то время как угол хвостовика наконечников колеблется от 25 "до 38".
ПРИМЕЧАНИЕ: Более подробная информация была ранее опубликована, описывая обычный протокол подъема16.
Рисунок 2: Пример протокола подготовки образцов FIB-SEM для анализа APT. (a)Клин (W) подъемная извлечения с наноманипулятором (Nm). (b)Боковой вид массива микро-купона кремниевых столбов, установленных на медном зажиме. (c)Вид сверху массива микро-купона кремниевых столбов, показывающий наноманипулятор для монтажа клина разделов. (d)Фрагмент клина (S), показывающий часть защитной платиновой крышки (Ptc), установленной на кремниевом столбе после сварки с платиной (Ptw). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Пример советов, подготовленных для анализа APT. (Слева) Изображение наконечника после первого этапа заточки. (Справа) Изображение того же наконечника после низкой очистки кВ, указывая радиус кончика (67,17 нм) и угол хвостовика (26 "). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
3. Приобретение данных APT
- Выполняйте анализ с помощью локального атомного зонда электрода (LEAP), оснащенного пико-секундным 355-нм ультрафиолетовым лазером. Посмотреть конкретные параметры работы LEAP в таблице 1.
ПРИМЕЧАНИЕ: Анализы были выполнены с LEAP оснащен пико-второй 355 нм УФ-лазер, размещенный в Центральном аналитическом центре (CAF) в Университете штата Алабама. - Смонтировать микро-купон с заточенными кончиками, приваренным к столбам Si, в шайбу образца и загрузите в карусель для размещения внутри LEAP.
- Вставьте карусель в буферную камеру LEAP.
- Включите лазерную головку и выполните лазерную калибровку.
- После достижения вакуума в камере анализа на уровне или ниже 6 х 10-11 Торр, вставьте образец шайбы в основную камеру анализа. Для этого используют переносной стержень; это управляется с серией автоматических шагов и ручной вставки.
- Перед анализом выберите наконечник, переместив образец шайбы, чтобы выровнять микро-купон с местным электродом и обновите базу данных, чтобы указать номер наконечника.
ПРИМЕЧАНИЕ: Четыре из шести советов были успешно проанализированы (два сломанных в ходе анализа) и привели к переменной сумме полученных данных в диапазоне от 26 до 92 миллионов всего обнаруженных ионов, что соответствовало удалению 160-280 нм толщиной слоя магнетита (см. конкретные параметры работы LEAP в таблице 1).
| Образец | 207 | 217 | 218 | 219 |
| Описание образца | SHV Магнетит | SHV Магнетит | SHV Магнетит | SHV Магнетит |
| Модель инструмента | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS |
| Настройки приборов | ||||
| Длина лазерной волны | 355 нм | 355 нм | 355 нм | 355 нм |
| Скорость лазерного импульса | 60 pJ | 30 pJ | 30 pJ | 30 pJ |
| Лазерная импульсная энергия | 500 кГц | 500 кГц | 500 кГц | 500 кГц |
| Контроль испарения | Коэффициент обнаружения | Коэффициент обнаружения | Коэффициент обнаружения | Коэффициент обнаружения |
| Коэффициент обнаружения целевых целей (%) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| Номинальный путь полета (мм) | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Температура (K) | 50 | 50 | 50 | 50 |
| Давление (Торр) | 5.7x10-11 | 6.0x10-11 | 6.1x10-11 | 6.1x10-11 |
| ToF смещение, to (ns) | 279.94 | 279.94 | 279.94 | 279.94 |
| Анализ данных | ||||
| Программного обеспечения | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 |
| Всего ионов: | 26,189,967 | 92,045,430 | 40,013,656 | 40,016,543 |
| Одного | 15,941,806 | 55,999,564 | 24,312,784 | 23,965,867 |
| Несколько | 9,985,564 | 35,294,528 | 15,331,670 | 15,716,119 |
| Частичное | 262,597 | 751,338 | 369,202 | 334,557 |
| Реконструированные ионы: | 25,173,742 | 89,915,256 | 38,415,309 | 39,120,141 |
| Колебалась | 16,053,253 | 61,820,803 | 25,859,574 | 26,598,745 |
| Без диапазона | 9,120,489 | 28,094,453 | 12,555,735 | 12,521,396 |
| Фон (ppm/nsec) | 12 | 12 | 12 | 12 |
| Реконструкции | ||||
| Окончательное состояние наконечника | Перелом | Перелом | Перелом | Перелом |
| Пред-/Пост-анализ изображения | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. |
| Модель эволюции радиуса | "напряжение" | "напряжение" | "напряжение" | "напряжение" |
| Vначальный; Vфинал | 2205 V; 6413 V | 2361 V; 7083 V | 2198 V; 6154 V | 2356 V; 6902 V |
Таблица 1. Настройки получения данных зонда Atom и резюме.
4. Обработка данных APT
- Откройте набор данных в программном обеспечении для обработки данных (см. таблицу материалов)и выполните следующие шаги для анализа данных.
- Просмотрите настройку информации.
- Выберите диапазон последовательности ионов на основе сюжета истории напряжения. Выберите область детектора, представляющий интерес (ROI).
- Выполните коррекцию времени полета (TOF). Используйте пики, соответствующие кислороду и железу, для коррекции ТоС.
- Выполните массовую калибровку с определением основных пиков.
- Выполните диапазон ионов для их назначений в определенные массы.
- Выполните реконструкцию профиля наконечника.
- Отобрага данных в двух основных форматах: 1) соотношение состояния масски к зарядке (Da) химических спектров(рисунок 4); и 2) 3D-реконструкция образцов наконечников(рисунок 5).
- Определите пиковые диапазоны в качестве всего видимого пика, или отрегулируйте вручную, когда присутствуют большие тепловые хвосты, для каждого спектра соотношения состояния массы к заряду(рисунок 4). Эти пики представляют собой отдельные элементы или молекулярные виды, и разложение пиков обеспечивает общий химический состав для каждого кончика или объекта (т.е. кластеров и высылала ламеллы) внутри каждого кончика (таблица 2).
- Выполните трехмерные (3D) рекомовки, используя метод профиля наконечника "напряжения"17 для определения реконструированного радиуса в зависимости от проанализированной глубины(рисунок 5 и фильм 1).
- Реконструкция изоповерхностей изыолета ламеллы для проведения измерений межламеллярного интервала(рисунок 5)и установить ухозяинам минерально-ламелла химических отношений с использованием проксиграмм17,18 (Рисунок 6 ).
- Измерьте межламеллярные интервалы с помощью программного обеспечения для анализа изображений.
Рисунок 4: Пример репрезентативного спектра масс-заряда APT. Спектр для проанализированного магнетита с отдельными диапазонными пиками показывает примеры идентификации пиков, соответствующих отдельным элементам (например, кислороду (O) или железу (Fe)) или молекулам (например, FeO). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
| Образец | 207 | 217 | 218 | 219 | ||||||||
| Элемент | Количество атомов | Атомный % | Ошибка 1s | Количество атомов | Атомный % | Ошибка 1s | Количество атомов | Атомный % | Ошибка 1s | Количество атомов | Атомный % | Ошибка 1s |
| O | 9459276 | 40.263 | 0.0155 | 36679256 | 40.724 | 0.0080 | 15396155 | 41.010 | 0.0124 | 16212281 | 41.224 | 0.0122 |
| Фе | 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 |
| Мг | 123755 | 0.527 | 0.0015 | 486732 | 0.540 | 0.0008 | 203596 | 0.542 | 0.0012 | 234231 | 0.596 | 0.0012 |
| Аль | 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 |
| Общая | 23493611 | 100.00 | 0.04 | 90067097 | 100.00 | 0.02 | 37542563 | 100.00 | 0.04 | 39327140 | 100.00 | 0.03 |
| Фе-ТиЗО | 98.94 | 98.93 | 98.95 | 98.82 | ||||||||
| Fe/Ti | 2.16 | 2.18 | 2.14 | 1.96 | ||||||||
Таблица 2. Атом зонд томографии объемных композиционных данных для всех проанализированных образцов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Как и многие титаномагнетиткристаллов из различных стадий вулкана Суфриер-Хиллз (SHV) извержения, кристалл анализируется здесь содержит высвобожда ламеллы lt;10 мкм в толщине, видимые во вторичных SEM изображений (Рисунок 1d), которые отдельные зоны Ti-богатый магнетит, указывающий на стадию окисления C218. Основываясь на изображениях SEM, расстояние между этими ламеллами колеблется от 2 до 6 мкм(п. 15). Четыре титаномагнетита образца советы, именуемые 207, 217, 218 и 219, были успешно извлечены из этого одного кристалла и проанализированы APT(Рисунок 5). Два образца (207 и 218) показали однородные концентрации как Fe, так и Ti во всем(рисунок 5a), что указывает на то, что ламелла не пересекалась. Два других образца (217 и 219) показали зоны с переменной концентрацией в Fe, O и Ti(рисунок 5b-e). Эти особенности параллельны друг другу и имеют конические прекращения, что свидетельствует о шпалеры ilmenite18. Specimen 219 содержит большую долю пересекаемого ламеллы, чем образец 217. 3D-реконструкции данных APT(рисунок 5c-e, Movie 1) позволяют точно измерить межламеллярный интервал (я) и обеспечивают длинную шкалу, которая в среднем 29 нм для образца 219(n no 30) и 14 нм для образца 217 ( n No 15), с значением 1s 2 нм для обоих. В дополнение к этим измерениям, APT позволяет экстракции химической информации через эти ламеллы при высоком пространственном разрешении (наномасштаб) через анализ проксиграмм, принимая точку 0 как пересечение между ламеллой и принимающей минерала ( Рисунок 6). Профили диффузии проксиграммы через эти зоны гладкие. Атомные концентрации Ti в кристалле, 17% в образце 217 и 16,5% в образце 219 (Рисунок 6), подтверждают, что это титаномерит и согласуются с предыдущими петрологическими анализами продуктов SHV извержения18. Эти проксиграммы также подтверждают, что состав ламелл совпадает с составом ильменита(рисунок 6).
Рисунок 5: Пример 3D атомных реконструкций магнетитовых наконечников проанализированы (z значения в нм). (a ) Specimen 218, показывающий однородные концентрации O, Fe и Ti. (b)Specimen 219, отображающие области, истощенные в Fe и обогащенные в O и Ti (более легкие области). (c)Элементарные изоконцентрационные поверхности образца 219, показывающие внутриламельлярные концентрации Fe lt; 30.0% в голубом, Ti йgt; 25.0% в желтом цвете, и O zlt; 51.5% в фиолетовом цвете. (d)Вид той же области в панели c, но вращается 90 ", чтобы выявить измеренный ламеллярный интервал (л). (e) Specimen 217, показывая относительно меньшую часть ламеллы exsolution e в нижнем левом (интраламеллярные концентрации: Fe lt; 19.0%, Ti sgt; 33.0%, O zlt; 49.0%). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6: Проксиграммы данных APT, показывающие атомную концентрацию O, Fe и Ti в образцах 217 и 219, соответственно. Расстояние в ноль на оси х-оси (пунктирной вертикальной линии) представляет собой границу между титаноммагнетитом слева и ilmenite lamellae справа. Через эту границу концентрации Ti увеличиваются с 17,0% до 44,0% и с 16,5% до 42,5% в образцах 217 и 219 соответственно. Содержание Fe снизилось с 37,7% до 0,8% и с 38,5% до 0,6% в образцах 217 и 219 соответственно. Концентрации O увеличиваются с 40,0% до 50,2% и с 38,8% до 50,6% в образцах 217 и 219 соответственно. Ti и O рассеивается в сторону ламеллы (справа) и Fe рассеивается от ламеллы (слева). Ошибка во всех измерениях составляет 2 атомных%. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Фильм 1. 3D элементарной изоконцентрации реконструкции образца 219, показывая внутриламельлярные концентрации Fe lt; 30,0% в синем, Ti йgt; 25,0% в желтом, и O lt; 51,5% в фиолетовом, и вращается 360 "вдоль продольной (z) оси. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
3D APT реконструкции данных позволяют точное измерение межламеллярного интервала в анализируемом кристалле в разрешении на три порядка выше, чем те, которые измеряются из обычных изображений SEM. Это указывает на то, что атомные колебания в химии происходят на пространственном уровне на три порядка меньше оптически наблюдаемых минералогических изменений. Кроме того, измеренные межламеллярные расстояния (29 нм и 14 нм) согласуются с шкалой длины оксиксраствора, в отличие от шкалы нуклеации и роста отдельной фазы, последняя из которых происходит по чешуек длины на порядок больше19 ,20. Oxyexsolution титаномагнетита рассмотрены здесь, возможно, в результате либо нагрева магмы в камере из-за смешения событий, или окисления, вызванного атмосферным воздействием во время восхождения через канал и установки в вентиляционном отверстии. Титаномагнетит кристалл, используемый в этом исследовании отображает многочисленные ламеллы на порядок 10 мкм или менее в диаметре, что свидетельствует о достаточном времени для частичного исправления всего 0,06 мм2 кристалла. Это наблюдение, в сочетании с пепельно-вентиляционным происхождением образца, позволяет предположить, что ламелла образовалась в результате окисления лавового купола после установки в вентиляционном отверстии.
Рисунок 7: Схематическое представление различных возможностей для захвата ламеллы exsolution в APT советы, и последствия для измерения ламеллярного интервала (Я). фигура.
Эти измерения межламеллярного интервала были возможны только в двух из четырех проанализированных советов, и эта смещение выборки может вызвать ошибку. Поскольку мы анализируем только наноразмерные объемы кристаллов, каждый наконечник может захватить частичное представление распределения ламелл, что потенциально приводит к ошибочному расчету межламеллярного интервала (я) (Рисунок 7). Тем не менее, с анализом достаточных советов и возможностей 3D томографии APT, наш подход предоставляет новый метод точного измерения, который может быть основополагающим для понимания различных воспламеняемых и метаморфических процессов. Например, анализ диффузии Fe-Ti в кристаллах магнетита был использован для характеристики магмы смешения событий и изменений температуры магмы на вулкане Суфриер-Хиллз19. Скорость интердиффузии Fe и Ti может быть смоделирована из точных измерений интервала между межламеллярными, если можно ограничить сроки распространения. Предыдущие исследования использовали ламеллы exsolution для вывода темпов охлаждения в воспламеняющихвторжения21,22, и новый подход к использованию APT потенциально может быть использован для ограничения элемента interdiffusion и улучшить расчеты температуры магмы и лавовых куполов в активных вулканических системах23,24. Помимо точного измерения 3D-структур на наноуровне, APT предоставляет химическую информацию в атомном масштабе для того же пространственного разрешения. Это привело к демонстрации того, что переход от титаноммагнетита к ильмениту является постепенным и гладким(рисунок 6). Это в отличие от предыдущих исследований, предполагающих острые и четкие контакты между лежачим ламеллой и фазой хозяина, основанными на микроскопических наблюдениях (SEM и TEM) без химической информации. Следовательно, только добавление APT может точно обеспечить геохимические характеристики этих фазовых переходов.
Атом зонд томографии (APT) по-прежнему является новой техникой для геологических приложений25, но наш пример демонстрирует полезность применения этого подхода для изучения высылала ламеллы, довольно часто в минералах, хозяемых в igneous и метаморфических пород. В частности для понимать вулканические процессы, будущие изучения могут рассмотреть множественные образцы с lamellae exsolution через куполы лавы (выведенные от или эпизодов вентиляции золы или случаев сброса купола) для того чтобы более лучше ограничить изменения в температура во время извержения эпизодов с рассчитанными темпами диффузии.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана финансированием из Национального научного фонда (NSF) через гранты EAR-1560779 и EAR-1647012, Управление вице-президента по исследованиям и экономическому развитию, Колледж искусств и наук, и Департамент геологических наук. Авторы также признают Кьяра Каппелли, Рич Мартенс и Джонни Гудвин за техническую помощь и Монтсеррат вулканической обсерватории для предоставления образцов пепла.
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 |
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.
- 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.
- Gault, B., Moody, M. M., Cairney, J. M., Ringer, S. P.
- 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).
- 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).
- 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).
