Summary
تحليل الشكل والتكوين والتباعد من الحل الأمثل يمكن ان يوفر معلومات أساسيه لفهم العمليات الجيولوجية المتعلقة بالبراكين والمتحولة. نحن نقدم تطبيقا جديدا من APT لتوصيف هذه صفاحات ومقارنه هذا النهج للاستخدام التقليدي للمجهر الكترون والاتصالات النانويه المستندة إلى الاكذوبه.
Abstract
معدلات انتشار العنصر والتحكم في درجه الحرارة/الضغط مجموعه من العمليات البركانية الاساسيه والمتحولة. وغالبا ما تسجل هذه العمليات في صفاحات exsolved من المراحل المعدنية المضيفة. التالي ، فان تحليل التوجه والحجم والشكل والتكوين والتباعد بين صفاحات الحل هو مجال البحوث النشطة في علوم الجيولوجيا. وقد أجريت الدراسة التقليدية لهذه صفاحات عن طريق مسح المجهر الكترون (SEM) وانتقال المجهر الكترون (TEM) ، ومؤخرا مع تركيز الشعاع الأيوني (الاكذوبه) المستندة إلى الأنابيب النانويه ، ومع ذلك مع المعلومات الكيميائية محدوده. هنا ، نستكشف استخدام التصوير المقطعي لمسبار الذرة (APT) لتحليل النانو من المحلول البركاني الذي تم التوصل اليه في تيروماغنيتيت المتطايرة من رواسب الرماد التي اندلعت من بركان سوفريير هيلز النشط (مونتسيرات ، جزر الهند الغربية البريطانية). يسمح APT الحساب الدقيق لفواصل بينيه (14 – 29 ± 2 نانومتر) ويكشف عن ملامح الانتشار السلس مع عدم وجود حدود المرحلة حاده خلال تبادل Fe و Ti/O بين صفاحات exsolved والكريستال المضيف. نتائجنا تشير إلى ان هذا النهج الجديد يسمح قياسات النانو من التركيب صفاحات والتباعد interlamellar التي قد توفر وسيله لتقدير درجات الحرارة قبة الحمم اللازمة لمعدلات البثق نموذج وفشل قبة الحمم البركانية ، وكلاهما تلعب دورا رئيسيا في جهود التخفيف من مخاطر البراكين.
Introduction
وقد كانت دراسة علم المعادن الكيميائية مصدرا رئيسيا للمعلومات في مجال علوم الأرض لأكثر من قرن ، حيث سجلت المعادن بنشاط العمليات الجيولوجية اثناء وبعد تبلورها. يتم تسجيل الظروف الفيزيائية-الكيميائية لهذه العمليات ، مثل التغيرات في درجات الحرارة اثناء البراكين والمتحولة ، خلال النواة المعدنية والنمو في شكل zonation الكيميائية ، والمخططات ، و lamellae ، من بين أمور أخرى. شكل الحل الأمثل عندما أونميكسيس مرحله إلى مرحلتين منفصلتين في الحالة الصلبة. تحليل التوجه ، والحجم ، والتشكل ، والتباعد من هذه صفاحات exsolution يمكن ان توفر المعلومات الاساسيه لفهم التغيرات في درجه الحرارة والضغط اثناء البراكين والمتحولة1،2،3 وتشكيل الرواسب المعدنية الخام4.
تقليديا ، أجريت دراسة صفاحات exsolution مع مراقبه ميكروغراف عن طريق التصوير الكترون المسح الضوئي بسيطه5. في الاونه الاخيره ، وقد تم استبدال هذا من خلال استخدام الطاقة المصفاة المجهر الكترون الإرسال (تيم) توفير ملاحظات مفصله في المستوي النانو1،2،3. ومع ذلك ، في كلتا الحالتين ، يتم اجراء الملاحظات في بعدين (2D) ، والتي ليست كافيه تماما لثلاثه هياكل الابعاد (3D) التي تمثلها هذه lamellae exsolution. الأنابيب النانويه6 الناشئة كتقنية جديده للمراقبة 3d من ميزات النانو داخل الحبوب المعدنية ، ومع ذلك لا توجد معلومات كافيه حول تكوين هذه الميزات. وهناك بديل لهذه النهج هو استخدام التصوير المقطعي لمسبار الذرة (APT) ، الذي يمثل اعلي تقنيه تحليليه لتحليل الحيز المكاني في الوجود لتوصيف المواد7. تكمن قوه هذه التقنية في امكانيه الجمع بين أعاده بناء ثلاثية الابعاد لميزات النانو مع تركيبتها الكيميائية علي المقياس الذري مع الحساسية التحليلية القريبة من جزء لكل مليون7. وقد وفرت التطبيقات السابقة الخاصة بتحليل العينات الجيولوجية نتائجممتازة8و9و10و11، ولا سيما في التوصيف الكيميائي للعنصر نشر وتركيزات9,12,13. حتى الآن ، لم يتم استخدام هذا التطبيق لدراسة lamellae exsolution ، وفيرة في بعض المعادن التي استضافتها في الصخور المتحولة والشيطانية. هنا ، نستكشف استخدام APT ، وحدودها ، لتحليل حجم وتكوين lamellae الحل ، والتباعد بين السطور في بلورات تيروماغنيتيت البركانية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. مصادر ، واختيار ، واعداد الحبوب المعدنية
ملاحظه: تم الحصول علي عينات من المجموعة المفهرسة في مرصد بركان مونتسيرات (MVO) والمستمدة من الرواسب المتساقطة الناشئة عن حلقه التهوية القوية في بركان سوفريير هيلز التي وقعت في 5 تشرين الأول/أكتوبر 2009 ؛ هذا كان واحده من 13 حادثات مماثله علي مسلك من ثلاثه أيام14. وقد سبقت هذه التنفيس الرماد مرحله جديده من نمو قبة الحمم البركانية (المرحلة 5) التي بدات في 9 تشرين الأول/أكتوبر. واظهر التحليل السابق لهذه العينة انه مزيج من شظايا الصخور الصخرية الكثيفة ، والجسيمات الزجاجية ، والحجرية العرضية14.
- صب 1 غرام من عينه الرماد البركاني في صحن بيتري الزجاج قطرها 10 سم.
- التفاف ورقه صغيره (3 سم × 3 سم) من الورق وزنها حول 10 G المغناطيس.
- استخدام مغناطيس ملفوفه بالورق لسحب الحبوب الغنية المغنتيت بين 100 μm و 500 μm في قطر من عينه الرماد ومكان في 32 μm (5 φ) ، 8 سم قطرها الفولاذ المقاوم للصدا غربال.
- يشطف في الماء منزوع الأيونات لمده 20 – 30 ثانيه باستخدام زجاجه ضغط لأزاله جزيئات الرماد الصغيرة الملتصقة (التي ستمر عبر المنخل) ، والهواء الجاف لمده 24 ساعة.
- Affix جزيئات الرماد النظيفة والجافة لعينه يتصاعد مناسبه لمجهر الكترون الثانوي (SEM). الصورة في وضع الكترون الثانوي في 15-20 kV تسريع الجهد وعلي مسافة العمل من 10 ملم لتحديد 5-10 أفضل المرشحين لمزيد من التحليل. يجب ان تكون الحبوب المختارة في الغالب (> 50 ٪) المغنتيت (الشكل 1 ا، ب).
- Affix اختيار الحبوب الرماد لمسح الشريط ، تحيط مع واحد بوصه قطرها جوفاء العفن (المعادن والبلاستيك ، أو المطاط) التي تم المغلفة داخليا مع فراغ الشحوم ، وتصب في الراتنج الايبوكسي لملء العفن (2 سم3). السماح الايبوكسي لعلاج وفقا لتعليمات الايبوكسي محدده.
- مره واحده وقد شفي الايبوكسي ، وأزاله من العفن وقشر الشريط من القاع. يجب ان تكون الحبوب الرماد مكشوفة جزئيا.
- البولندية الحبوب الرماد الايبوكسي الزهر باستخدام ورقه طحن سيك من خمسه احجام حصى مختلفه (400 ، 800 ، 1200 ، 1500 و 2000 حصى).
- البولندية العينة مع كل حجم حصى ، من اعلي (400) إلى ادني (2000) في الرقم ثمانيه الحركة لمده 10 دقيقه علي الأقل. بين احجام الحصى ، والعينة في حمام من الماء منزوع الأيونات لمده 10 دقيقه.
- تحقق من العينة تحت المجهر للتاكد من ان حصى تلميع ليست موجودة ، وسطح العينة خاليه من الخدوش. إذا كانت الخدوش موجودة ، كرر اجراء التلميع مع حجم الحصى السابقة قبل سونينج والانتقال إلى حجم حصى المقبل.
- البولندية الحبوب الرماد الايبوكسي القط مع المعلقات تلميع الالومينا من 1.0 μm ومن ثم 0.3 μm علي تلميع الملابس.
- البولندية العينة مع كل تعليق في الرقم ثمانيه الحركة لمده 10 دقيقه علي الأقل. بين احجام التعليق ، والعينة في حمام من الماء منزوع الأيونات لمده 10 دقيقه.
- افحص العينة تحت المجهر للتاكد من ان التعليق غير موجود وان سطح العينة خالي من الخدوش. إذا كانت الخدوش موجودة ، كرر اجراء التلميع مع التعليق السابق قبل سونينج والانتقال إلى حجم التعليق التالي. في نهاية عمليه التلميع ، يجب ان يكون سطح الايبوكسي علي نحو سلس والحبوب الرماد ينبغي ان تكون مسطحه ومكشوفة جيدا.
- معطف سطح العينة مع طبقه اجراء من ~ 10 نانومتر الكربون سميكه باستخدام جهاز طلاء بصق المتاحة.
- الحصول علي صور الكترون المتناثرة من الحبوب الرماد مع المجهر الكترون في 15-20 kV تسريع الجهد ومسافة العمل من 10 ملم لتحديد موقع صفاحات الحل فيالمغنتيت (الشكل 1c) ، كما أجريت في السابق دراسات5.
الشكل 1: مثال للحبوب الرماد الغنية بالمغناطيسية من نوبات التنفيس في بركان سوفريير هيلز. (ا، ب): صور الكترونات المتناثرة (بورصة الجنون) من كل من رد فعل والقوام غير المتفاعلة في الحبوب المغنتيت. (ج) صوره مرض جنون البقر من الحبوب المصقولة التي تظهر وجود المحلول المموه (الرمادي الفاتح ؛ السهام الحمراء) من التكوين المحتمل للمينايت. (د) الصورة الكترونيه الثانوية للحبوب المصقولة التي أعدت لتحليل التصوير المقطعي الذري (APT) ، والتي تبين موقع بعض صفاحات الطارد (خطوط حمراء متقطعه) ، والتي يتم توزيعها علي طول سطح الحبوب ، وموقع اسفين استخراج (السهم الأزرق). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
2. ذره مسبار التصوير المقطعي (APT) اعداد عينه
- سيتم اعداد عينات APT من اسفين من المواد التي تكشف عن وجود الحل الأمثل (الشكل 1d) الذي يستخدم بروتوكول الرفع المستند إلى المعلومات المؤسسية16 (الشكل 2). قبل العمل المؤسسي ، معطف بصق سطح العينة مع طبقه 15 نانومتر من النحاس لتجنب شحن الكترون والانجراف العينة.
- باستخدام شعاع الأيون مركزه في مجهر المسح الضوئي ثنائي الشعاع (الاكذوبه-SEM) ، وإيداع مستطيل من البلاتين (Pt) (3 μm في سمك) علي القسم المصقول من الفائدة التي تحتوي علي صفاحات علي 1.5 μm x 20 μm المنطقة باستخدام الغاليوم (Ga +) شعاع أيون في 30 كيلو فولت و 7 باسكال.
ملاحظه: يتم إيداع هذه الطبقة البلاتين لحماية المنطقة من الفائدة (ROI) من الضرر شعاع الأيون. - مطحنه ثلاثه أسافين من المواد أدناه ثلاثه جوانب من المستطيل Pt باستخدام شعاع أيون (30 kV ، 1 nA). انظر الشكل 1 دال والشكل 2.
- ادخل نظام حقن الغاز (GIS) وقم بلحام الوتد في الموضع الموضعي لجهاز النانو باستخدام ال GIS المودع قبل قطع الحافة النهائية مجانا (الشكل 2 ا).
- باستخدام شعاعGa + أيون (5 kV و 240 pA) ، وقطع 10 1-2 ميكرون شرائح واسعه من اسفين والتوالي لقب لهم مع Pt إلى قمم Si المشاركات من القسيمة صفيف ميكروتيب (الشكل 2b-d).
- شكل وشحذ كل غيض عينه باستخدام أنماط الطحن الحلقي من أقطار أصغر بشكل متزايد الداخلية والخارجية (الشكل 3). في البداية ، وأداء الطحن في 30 كيلو فولت لإنتاج الهندسة عينه اللازمة لل APT (الشكل 3، لوحه اليسار).
- أداء الطحن النهائي في الجهد المتسارع من 5 كيلو فولت من أجل الحد منGa + غرس والحصول علي شكل متسقة غيض إلى طرف (الشكل 3، لوحه الحق).
- من خلال تطبيق أدوات قياس SEM لهذا الرقم ، وضمان ان القطر في الأعلى من النصائح يتراوح 50-65 نانومتر ، في حين ان زاوية عرقوب من نصائح تتراوح من 25 درجه إلى 38 درجه مئوية.
ملاحظه: تم نشر المزيد من التفاصيل في السابق ، واصفا بروتوكول الرفع التقليدي16.
الشكل 2: مثال لبروتوكول اعداد العينات المؤسسية لتحليل APT. (a) الاسفين (W) الاستخراج الخروج مع نانمانيباتور (نيوتن متر). (ب) العرض الجانبي لمجموعه القسائم الصغيرة لوظائف السليكون المثبتة علي مشبك نحاسي. (ج) عرض اعلي من مجموعه الصغيرة القسيمة من الوظائف السيليكون التي تظهر نانومانيباتور لتركيب المقاطع اسفين. (د) قطعه اسفين (S) ، تظهر جزءا من الغطاء البلاتيني الواقي (الشركة الخاصة بالشركة) ، المثبتة علي وظيفة السليكون بعد اللحام بالبلاتين (ptw). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: مثال علي النصائح المعدة لتحليل APT. (يسار) صوره من تلميح بعد المرحلة الاولي من شحذ. (يمين) صوره من نفس الطرف بعد تنظيف منخفضه kV ، مشيرا إلى نصف قطرها غيض (67.17 نانومتر) وزاوية عرقوب (26 درجه). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
3. الحصول علي بيانات APT
- اجراء التحليل مع مسبار ذره الكهربائية المحلية (قفزه) مجهزه بليزر بيكو الثانية 355 nm الاشعه فوق البنفسجية. راجع معلمات تشغيل قفزه محدده في الجدول 1.
ملاحظه: أجريت التحاليل مع قفزه مجهزه بليزر بيكو الثاني 355 nm الاشعه فوق البنفسجية ، والتي تقع في مرفق التحليل المركزي (CAF) في جامعه الاباما. - جبل القسيمة الصغيرة مع النصائح شحذ ، ملحومه إلى المشاركات Si ، في عينه عفريت وتحميل في دائري لوضع داخل قفزه.
- ادراج دائري داخل الغرفة العازلة من قفزه.
- أدر راس الليزر وقم باجراء معايره الليزر.
- بعد تحقيق فراغ في غرفه التحليل في أو تحت 6 x 10-11 torr ، ادراج عينه عفريت في غرفه التحليل الرئيسية. لهذا استخدام قضيب نقل ؛ يتم تشغيل هذا مع سلسله من الخطوات التلقائية والادراج اليدوي.
- قبل التحليل ، حدد الطرف عن طريق تحريك قرص العينة لمحاذاة الكوبون الصغير مع القطب المحلي وتحديث قاعده البيانات للاشاره إلى رقم التلميح.
ملاحظه: تم تحليل أربعه من أصل سته نصائح بنجاح (اثنين من كسر اثناء التحليل) وأسفرت عن كميه متغيرة من البيانات المكتسبة تتراوح بين 26 إلى 92,000,000 الكشف عن مجموع الأيونات ، والتي تتطابق مع أزاله طبقه 160-280 نانومتر سميكه من المغنتيت (انظر محدده المعلمات تشغيل قفزه في الجدول 1).
| عينه | 207 | 217 | 218 | 219 |
| وصف العينة | SHV ماجنيتيت | SHV ماجنيتيت | SHV ماجنيتيت | SHV ماجنيتيت |
| نموذج الصك | قفزه 5000 XS | قفزه 5000 XS | قفزه 5000 XS | قفزه 5000 XS |
| إعدادات الاداهات | ||||
| الليزر الطول الموجي | 355 نيوتن متر | 355 نيوتن متر | 355 نيوتن متر | 355 نيوتن متر |
| نبض الليزر معدل | 60 pJ | 30 pJ | 30 pJ | 30 pJ |
| الليزر نبض الطاقة | 500 كيلو هرتز | 500 كيلو هرتز | 500 كيلو هرتز | 500 كيلو هرتز |
| التحكم في التبخر | معدل الكشف | معدل الكشف | معدل الكشف | معدل الكشف |
| معدل الكشف عن الهدف (%) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| مسار الطيران الاسمي (مم) | 100 | 100 | 100 | 100 |
| درجه الحرارة (K) | 50 | 50 | 50 | 50 |
| الضغط (Torr) | 5.7 x10-11 | 6.0 x10-11 | 6.1 [x10-11 ] | 6.1 [x10-11 ] |
| أزاحه الأوفست ، to (ns) | 279.94 | 279.94 | 279.94 | 279.94 |
| تحليل البيانات | ||||
| البرمجيات | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 |
| مجموع الأيونات: | 26,189,967 | 92,045,430 | 40,013,656 | 40,016,543 |
| واحد | 15,941,806 | 55,999,564 | 24,312,784 | 23,965,867 |
| متعدده | 9,985,564 | 35,294,528 | 15,331,670 | 15,716,119 |
| الجزئي | 262,597 | 751,338 | 369,202 | 334,557 |
| الأيونات المعاد بناؤها: | 25,173,742 | 89,915,256 | 38,415,309 | 39,120,141 |
| تراوحت | 16,053,253 | 61,820,803 | 25,859,574 | 26,598,745 |
| غير التراوح | 9,120,489 | 28,094,453 | 12,555,735 | 12,521,396 |
| الخلفية (ppm/nsec) | 12 | 12 | 12 | 12 |
| اعاده الاعمار | ||||
| حاله الطرف النهائي | كسر | كسر | كسر | كسر |
| التصوير قبل/بعد التحليل | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. |
| شعاع تطور النموذج | جهد | جهد | جهد | جهد |
| Vالاولي؛ Vالنهائي | 2205 الخامسة ؛ 6413 الخامس | 2361 الخامسة ؛ 7083 الخامس | 2198 الخامسة ؛ 6154 الخامس | 2356 الخامسة ؛ 6902 الخامس |
الجدول 1 اتوم مسبار التصوير المقطعي إعدادات الحصول علي البيانات وملخص التشغيل.
4. تجهيز بيانات APT
- افتح مجموعه البيانات في برنامج المعالجة (راجع جدول المواد) وقم بتنفيذ الخطوات التالية لتحليل البيانات.
- راجع اعداد المعلومات.
- حدد نطاق تسلسل الأيونات استنادا إلى مؤامرة تاريخ الجهد. حدد منطقه الكاشف التي تهمك (ROI).
- قم باجراء تصحيح وقت الرحلة. استخدم القمم المقابلة للأكسجين والحديد للتصحيح.
- اجراء المعايرة الشاملة مع تحديد القمم الرئيسية.
- تنفيذ تتراوح من الأيونات لتعييناتهم إلى الجماهير محدده.
- اجراء أعاده بناء الشخصية غيض.
- إظهار البيانات في التنسيقين الرئيسيين: 1) الطيف الكيميائي لنسبه الدولة الشاملة للشحن (دا) (الشكل 4) ؛ و 2) أعاده البناء 3D من العينات غيض (الشكل 5).
- تحديد نطاقات الذروة كذروة مرئية بأكملها ، أو الضبط يدويا عند وجود ذيول حراريه كبيره ، لكل طيف نسبه الكتلة إلى الشحن (الشكل 4). هذه القمم تمثل عناصر واحده أو الأنواع الجزيئية ، وتحلل القمم يوفر التركيب الكيميائي الشامل لكل غيض أو ميزه (اي التكتلات و lamellae الحل) داخل كل طرف (الجدول 2).
- اجراء عمليات أعاده بناء الأطراف ثلاثية الابعاد (3D) باستخدام الشكل الجانبي لطرف "الجهد الكهربي"17 لتحديد نصف القطر المعاد بناؤه كداله لعمق التحليل (الشكل 5 والفيلم 1).
- أعاده بناء الخطوط الفاصلة للاميلاي لاجراء قياسات التباعد بين المواد البينية (الشكل 5) وإنشاء العلاقة الكيميائية المعدنية لاميلا المضيف باستخدام proxigrams17،18 (الشكل 6 ).
- قياس الفواصل interlamellar مع برنامج تحليل الصور.
الشكل 4: مثال علي الطيف التمثيلي الشامل للشحن. الطيف لل تحليل المغنتيت الكريستال مع الفردية تراوحت قمم تبين أمثله علي تحديد قمم المقابلة للعناصر واحده (علي سبيل المثال ، الأكسجين (O) أو الحديد (Fe)) أو جزيئات (علي سبيل المثال ، FeO). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
| عينه | 207 | 217 | 218 | 219 | ||||||||
| عنصر | عدد الذرة | الطاقة ذريه | 1s خطا | عدد الذرة | الطاقة ذريه | 1s خطا | عدد الذرة | الطاقة ذريه | 1s خطا | عدد الذرة | الطاقة ذريه | 1s خطا |
| يا | 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 |
| مليون | 15954 | 0.068 | 0.0005 | 72884 | 0.081 | 0.0003 | 28166 | 0.075 | 0.0004 | 31450 | 0.080 | 0.0005 |
| ملغ | 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 |
| سي | 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 |
| تي | 4360052 | 18.558 | 0.0097 | 16478946 | 18.296 | 0.0049 | 6920481 | 18.434 | 0.0076 | 7645849 | 19.442 | 0.0077 |
| ح | 10657 | 0.045 | 0.0004 | 30522 | 0.034 | 0.0002 | 12899 | 0.034 | 0.0003 | 14478 | 0.037 | 0.0003 |
| مجموع | 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 | ||||||||
الجدول 2 اتوم مسبار التصوير المقطعي معظم البيانات التركيبية لجميع العينات تحليلها.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
مثل العديد من بلورات تيروماغنيتيت من مراحل مختلفه من بركان سوفريير هيلز (SHV) ثوران ، الكريستال تحليلها هنا يحتوي علي الحل الأمثل < 10 μm في سماكه ، مرئية في الصور SEM الثانوية (الشكل 1d) ، والتي تفصل بين مناطق تي الغنية المغنتيت ، مشيرا إلى مرحله C2 من الاكسده18. استنادا إلى الصور SEM ، التباعد بين هذه صفاحات يتراوح بين 2 إلى 6 μm (n = 15). وقد تم استخراج أربعه من النصائح الخاصة بعينات التيتيروماغنيتيت ، المشار اليها باسم 207 ، 217 ، 218 ، 219 ، بنجاح من هذه البلورة المفردة وتم تحليلها من قبل APT (الشكل 5). وأظهرت اثنتان من العينات (207 و 218) تركيزات متجانسة لكل من Fe و Ti طوال الوقت (الشكل 5 ا) ، مما يشير إلى ان لاميلاي لم تتقاطع. وأظهرت العينتين الأخريين (217 و 219) مناطق ذات تركيزات متغيرة في Fe و O و Ti (الشكل 5b-e). هذه الميزات موازيه لبعضها البعض ولها الإنهاءات مدبب ، ويدل علي تريليس تركيز المنيت18. عينه 219 يحتوي علي نسبه أكبر من لاميلاي تقاطع من عينه 217. أعاده بناء 3D للبيانات APT (الشكل 5c-e، الفيلم 1) تسمح قياس دقيق للمسافة بين السطور (λ) وتوفير جداول الطول التي متوسط 29 نانومتر للعينه 219 (n = 30) و 14 نانومتر للعينه 217 ( ن = 15) ، مع قيمه 1s من 2 نانومتر لكلاهما. بالاضافه إلى هذه القياسات ، تسمح APT استخراج المعلومات الكيميائية عبر هذه صفاحات في الدقة المكانية عاليه (النانو) من خلال تحليل proxigrams ، مع نقطه 0 كتقاطع بين لاميلا والمعادن المضيف ( الشكل 6). ملامح انتشار proxigram من خلال هذه المناطق علي نحو سلس. التركيزات الذرية من Ti في الكريستال ، و 17 ٪ في عينه 217 و 16.5 ٪ في عينه 219 (الشكل 6) ، وتاكيد انه هو تيروماغنيتيت وتتسق مع تحليلات البترولوجيك السابقة من منتجات shv بركاني18. هذه proxigrams أيضا تاكيد ان تكوين صفاحات يطابق ان من تركيز المنيت (الشكل 6).
الشكل 5: مثال لأعاده الإنشاءات الذرية ثلاثية الابعاد لنصائح المغنتيت المحللة (القيم z في نانومتر). (ا) العينة 218 ، التي تظهر تركيزات متجانسة من O و Fe و Ti. (ب) نموذج 219 ، عرض المناطق المستنفدة في الحديد والمخصب في O و Ti (المناطق الأخف). (ج) السطوح الايزوسوفيه العنصرية للعينه 219 ، والتي تبين تركيزات الحديد داخل ال< 30.0% باللون الأزرق ، Ti > 25.0% باللون الأصفر ، و O < 51.5% باللون البنفسجي. (د) عرض للمنطقة نفسها في اللوحة c ، ولكن استدارة 90 درجه للكشف عن التباعد لاميلار المقاسه (ل). (ه) العينة 217 ، التي تبين جزءا أصغر نسبيا من المحلول المموه في اليسار السفلي (التركيزات داخل النطاق: Fe < 19.0 في المائة ، Ti > 33.0 في المائة ، O < 49.0 في المائة). يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: proxigrams من بيانات APT التي تظهر تركيزات ذريه من O و Fe و Ti في العينات 217 و 219 ، علي التوالي. يمثل مسافة الصفر علي المحور س (خط عمودي متقطع) الحدود بين تيروماغنيتيت علي اليسار واللامية التي علي اليمين. وعبر هذه الحدود ، تزيد تركيزات Ti من 17.0 في المائة إلى 44.0 في المائة ومن 16.5 في المائة إلى 42.5 في المائة في العينات 217 و 219 علي التوالي. [ف] ينخفض [كنتنتس] من 37.7% إلى 0.8% ومن 38.5% إلى 0.6% في عينات 217 و 219, علي التوالي. وتزيد التركيزات من 40.0 في المائة إلى 50.2 في المائة ومن 38.8 في المائة إلى 50.6 في المائة في العينات 217 و 219 علي التوالي. Ti و O منتشرة نحو صفاحات (إلى اليمين) ويتم نشر Fe بعيدا عن صفاحات (إلى اليسار). الخطا في جميع القياسات < 2% الذرية. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الفيلم 1. أعاده بناء التركيز العنصري ثلاثي الابعاد للعينه 219 ، والتي تظهر تركيزات في الداخل من الحديد < 30.0% باللون الأزرق ، Ti > 25.0% باللون الأصفر ، و O < 51.5% باللون الأرجواني ، واستدارة 360 درجه علي طول المحور الطولي (z). الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
تسمح أعاده بناء بيانات APT ثلاثية الابعاد بقياس دقيق للمسافة البينية في البلورة المحللة بدقه ثلاثه أوامر بالحجم اعلي من تلك التي تقاس من صور SEM التقليدية. وهذا يشير إلى ان الاختلافات الذرية في الكيمياء تحدث علي مدي مكاني ثلاثه أوامر من حجم أصغر من التغيرات المعدنية القابلة للملاحظة بصريا. أيضا, ال يقاس [اينترلاميلار] ابعاد (29 [نم] و 14 [نم]), متسقة مع الطول مقياس ل [اوكاكسسكايشن] [فس تو] ان ل [نوولايشن] وحاله نمو من طور منفصلة, المتاخره من اي يحدث علي طول مقياس أمر الحجم أكثر19 ،20. الأكسجين المحلول الذي تم فحصه هنا قد يكون ناجما عن تسخين الحمم البركانية داخل الغرفة بسبب اختلاط الاحداث ، أو الاكسده الناجمة عن التعرض الجوي اثناء الصعود عبر القناة والتمركز عند التنفيس. الكريستال تيروماغنيتيت المستخدمة في هذه الدراسة يعرض العديد من صفاحات علي الترتيب من 10 μm أو اقل في القطر ، مما يشير إلى الوقت الكافي للحصول علي exsolution جزئي من كامل 0.06 مم2 الكريستال. وتشير تلك الملاحظة ، بالاقتران مع أصل العينة الخالي من التنفيس ، إلى ان الصفيحة قد شكلت من أكسده قبة الحمم البركانية بعد تمركزها عند فتحه التهوية.
الشكل 7: التمثيل التخطيطي للإمكانيات المختلفة للتقاط صفاحات exsolution في نصائح APT ، والآثار المترتبة علي قياس التباعد لاميلار (λ). الرجاء النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
وكانت هذه القياسات من التباعد بين اللاميلار ممكنة فقط في اثنين من النصائح الاربعه تحليلها وهذا التحيز أخذ العينات يمكن ان يسبب الخطا. كما نقوم فقط بتحليل كميات النانو من البلورات ، يمكن لكل طرف التقاط التمثيل الجزئي لتوزيع lamellae ، مما قد يؤدي إلى حساب خاطئ من تباعد interlamellar (λ) (الشكل 7). ومع ذلك ، مع تحليل النصائح الكافية وقدرات التصوير المقطعي 3D من APT ، ونهجنا يوفر طريقه جديده لقياس بدقه λ ، والتي يمكن ان تكون أساسيه لفهم مجموعه متنوعة من العمليات المسخ والمتحولة. علي سبيل المثال ، تم استخدام تحليل النشر Fe-Ti في بلورات المغنتيت لتوصيف الظواهر المنصهرة الاختلاط والتغيرات في درجه حرارة الحمم في بركان سوفريير هيلز19. ويمكن ان يكون المعدل البيني لل Fe و Ti علي غرار القياسات الدقيقة للمسافة بين المسافات البينية إذا أمكن تقييد مقياس الانتشار. وقد استخدمت الدراسات السابقة صفاحات لاستنتاج معدلات التبريد في الاقتحامات الهائلة21،22، والنهج الجديد لاستخدام APT يمكن ان تستخدم لتقييد التفاعل بين العناصر وتحسين الحسابات من الحمم البركانية ودرجات الحرارة قبة في النظم البركان النشط23,24. والي جانب القياس الدقيق للهياكل ثلاثية الابعاد في النانو ، توفر APT معلومات كيميائية علي المقياس الذري لنفس الاستبانة المكانية. وقد ادي ذلك إلى البرهنة علي ان الانتقال من التيتيروماغنيتيت إلى المينايت تدريجي وسلس (الشكل 6). وهذا علي النقيض من الدراسات السابقة مما يوحي بوجود اتصالات حاده ومتميزة بين صفاحات exsolving والمرحلة المضيفة ، استنادا إلى ملاحظات المجهر (SEM و TEM) دون المعلومات الكيميائية. التالي ، فقط أضافه APT يمكن ان توفر بدقه الخصائص الكيميائية الجيولوجية لهذه المرحلة التحولات.
ذره مسبار التصوير المقطعي (APT) لا تزال تقنيه الناشئة للتطبيقات الجيولوجية25، ومع ذلك لدينا دراسة الحالة يدل علي فائده تطبيق هذا النهج لدراسة lamellae الحل ، شائعه جدا في المعادن استضافت في صخور و الصخور المتحولة. وعلي وجه الخصوص لفهم العمليات البركانية ، يمكن للدراسات المستقبلية فحص عينات متعددة مع صفاحات exsolution في جميع انحاء القباب الحمم (المستمدة من اما حلقات التنفيس الرماد أو الاحداث انهيار القبه) من أجل تحسين تقييد الاختلافات في درجه الحرارة خلال الحلقات البركانية مع معدلات انتشار محسوبة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدي المؤلفين ما يفصحون عنه.
Acknowledgments
وقد دعم هذا العمل بتمويل من المؤسسة الوطنية للعلوم من خلال منح الاذن-1560779 والاذن-1647012 ، ومكتب نائب الرئيس للبحوث والتنمية الاقتصادية ، وكليه الآداب والعلوم ، وقسم العلوم الجيولوجية. ويعترف المؤلفون أيضا بكل من كيارا كابيلي ، وريتش مارتنز ، وجوني غودوين للحصول علي المساعدة التقنية ومرصد مونتسيرات للبراكين لتقديم عينات الرماد.
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. 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. , 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).
