परमाणु जांच टॉमोग्राफी विश्लेषण के निकाले गए खनिज चरणों
Summary
आकारिकी, संरचना, और exsolution पटलिका की रिक्ति का विश्लेषण ज्वालामुखी और कायांतरण से संबंधित भूवैज्ञानिक प्रक्रियाओं को समझने के लिए आवश्यक जानकारी प्रदान कर सकते हैं। हम ऐसे पटलकी विशेषता के लिए एपीटी का एक उपन्यास अनुप्रयोग प्रस्तुत करते हैं और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और एफआईबी आधारित नैनोटोमोग्राफी के पारंपरिक उपयोग के लिए इस दृष्टिकोण की तुलना करते हैं।
Abstract
तत्व विसरण दर और ताप/दाब मूल ज्वालामुखी और कायांतरित प्रक्रियाओं की एक श्रेणी को नियंत्रित करते हैं। ऐसी प्रक्रियाओं को अक्सर मेजबान खनिज चरणों से निकाला गया पटलमें दर्ज किया जाता है। इस प्रकार, अभिविन्यास, आकार, आकारिकी, संरचना और exsolution पटलिका की रिक्ति का विश्लेषण भू विज्ञान में सक्रिय अनुसंधान का एक क्षेत्र है. इन पटले का पारंपरिक अध्ययन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) और संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) स्कैनिंग द्वारा आयोजित किया गया है, और अधिक हाल ही में ध्यान केंद्रित आयन बीम (एफआईबी) आधारित नैनोटोमोग्राफी के साथ, अभी तक सीमित रासायनिक जानकारी के साथ। यहाँ, हम सक्रिय सोफ़री हिल्स ज्वालामुखी (मॉन्टसेराट, ब्रिटिश वेस्ट इंडीज) से निकली राख जमा से आग्नेय टाइटनोमैग्नेटाइट में ilmenite exsolution lamellae के नैनोस्केल विश्लेषण के लिए परमाणु जांच टोमोग्राफी (एपीटी) के उपयोग का पता लगाने। एपीटी इंटरलैमेलर स्पेसिंग्स (14-29 डिग्री 2 एनएम) की सटीक गणना की अनुमति देता है और एक्सोलेड लेमेली और मेजबान क्रिस्टल के बीच फे और टी/ओ के आदान-प्रदान के दौरान कोई तेज चरण सीमाओं के साथ चिकनी प्रसार प्रोफाइल का पता चलता है। हमारे परिणामों का सुझाव है कि इस उपन्यास दृष्टिकोण पटलीय संरचना और interlamellar रिक्ति है कि एक साधन प्रदान कर सकते हैं के नैनोस्केल माप की अनुमति देता है लावा गुंबद तापमान मॉडल बाहर निकालना दरों और लावा गुंबद विफलता के लिए आवश्यक अनुमान लगाने के लिए, जिनमें से दोनों ज्वालामुखी संकट शमन प्रयासों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं.
Introduction
रासायनिक खनिज विज्ञान का अध्ययन एक सदी से अधिक के लिए पृथ्वी विज्ञान के क्षेत्र के भीतर जानकारी का एक प्रमुख स्रोत रहा है, के रूप में खनिज सक्रिय रूप से उनके क्रिस्टलीकरण के दौरान और बाद में भूवैज्ञानिक प्रक्रियाओं रिकॉर्ड. इन प्रक्रियाओं की भौतिक-रासायनिक स्थितियाँ, जैसे ज्वालामुखी और कायांतरण के दौरान तापमान में परिवर्तन, खनिज नाभिकन के दौरान दर्ज की जाती हैं और रासायनिक जोशन, स् ट्रिशन और लैमेली के रूप में वृद्धि होती है। जब एक प्रावस्था ठोस अवस्था में दो अलग-अलग चरणों में मिश्रित हो जाती है तो समाधान पटली रूप। अभिविन्यास, आकार, आकारिकी, और इस तरह के समाधान पटल के अंतराल का विश्लेषण ज्वालामुखी और कायांतरण1,2,3 के दौरान तापमान और दबाव परिवर्तन को समझने के लिए आवश्यक जानकारी प्रदान कर सकते हैं और अयस्क खनिज निक्षेपों का निर्माण4.
परंपरागत रूप से, एक्सल्यूशन लेमेली का अध्ययन सरल स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन इमेजिंग5द्वारा माइक्रोग्राफ के अवलोकन के साथ किया गया था। हाल ही में, इसे ऊर्जा-फिल्टर्ड ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) के उपयोग द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है जो नैनोस्केल स्तर1,2,3पर विस्तृत अवलोकन प्रदान करता है। फिर भी, दोनों ही मामलों में, टिप्पणियों दो आयामों में बना रहे हैं (2 डी), जो पूरी तरह से तीन आयामी (3 डी) संरचनाओं इन समाधान पटलिका द्वारा प्रतिनिधित्व के लिए पर्याप्त नहीं है. Nanotomography6 खनिज अनाज के अंदर नैनोस्केल सुविधाओं के 3 डी अवलोकन के लिए एक नई तकनीक के रूप में उभर रहा है, फिर भी इन सुविधाओं की संरचना के बारे में अपर्याप्त जानकारी है। इन दृष्टिकोणों का एक विकल्प परमाणु जांच टोमोग्राफी (एपीटी) का उपयोग है, जो सामग्री7की विशेषता के लिए अस्तित्व में उच्चतम स्थानिक संकल्प विश्लेषणात्मक तकनीक का प्रतिनिधित्व करता है। इस तकनीक की ताकत नैनोस्केल विशेषताओं के 3 डी पुनर्निर्माण को परमाणु पैमाने पर उनकी रासायनिक संरचना के साथ एक लगभग भाग प्रति मिलियन विश्लेषणात्मक संवेदनशीलता7के साथ संयोजित करने की संभावना में निहित है। भूवैज्ञानिक नमूनों के विश्लेषण के लिए एपीटी के पिछले अनुप्रयोगों ने उत्कृष्ट परिणाम प्रदान किएहैं 8,9,10,11, विशेष रूप से तत्व के रासायनिक लक्षण में विसरण और सांद्रता9,12,13. फिर भी, इस आवेदन exsolution पटल के अध्ययन के लिए इस्तेमाल नहीं किया गया है, कुछ खनिजों में प्रचुर मात्रा में कायांतरित और आग्नेय चट्टानों में होस्ट किया. यहाँ, हम एपीटी के उपयोग का पता लगाने, और इसकी सीमाओं, आकार और exsolution पटल के संरचना के विश्लेषण के लिए, और ज्वालामुखी titanomagnetite क्रिस्टल में interlamellar रिक्ति.
Protocol
Representative Results
Discussion
3 डी एपीटी डेटा पुनर्निर्माण पारंपरिक SEM छवियों से मापा उन लोगों की तुलना में अधिक परिमाण के एक संकल्प तीन आदेश पर विश्लेषण क्रिस्टल में interlamellar रिक्ति का एक सटीक माप की अनुमति देते हैं. यह इंगित करता है कि ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम के अनुदान के माध्यम से राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (एनएसएफ) से धन द्वारा समर्थित किया गया था EAR-1560779 और EAR-1647012, अनुसंधान और आर्थिक विकास के लिए उपाध्यक्ष के कार्यालय, कला और विज्ञान के कॉलेज, और भूवैज्ञानिक विज्ञान विभाग. लेखक भी तकनीकी सहायता के लिए Chiara Cappelli, रिच मार्टेन्स और जॉनी गुडविन और राख के नमूने प्रदान करने के लिए Montserrat ज्वालामुखी वेधशाला स्वीकार करते हैं.
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).
