Summary
L'analyse de la morphologie, de la composition et de l'espacement des lamelles exsolution peut fournir des informations essentielles pour comprendre les processus géologiques liés au volcanisme et au métamorphisme. Nous présentons une nouvelle application de l'APT pour la caractérisation de ces lamelles et comparons cette approche à l'utilisation conventionnelle de la microscopie électronique et de la nanotomographie basée sur la FIB.
Abstract
Les taux de diffusion des éléments et la température/pression contrôlent une gamme de processus volcaniques et métamorphiques fondamentaux. Ces processus sont souvent enregistrés dans des lamelles exrésolues des phases minérales hôtes. Ainsi, l'analyse de l'orientation, de la taille, de la morphologie, de la composition et de l'espacement des lamelles exsolution est un domaine de recherche active dans les géosciences. L'étude conventionnelle de ces lamelles a été menée par microscopie électronique de balayage (SEM) et microscopie électronique de transmission (TEM), et plus récemment avec la nanotomographie focalisée de faisceau d'ion (FIB), pourtant avec l'information chimique limitée. Ici, nous explorons l'utilisation de la tomographie de sonde atomique (APT) pour l'analyse nanométrique des lamelles d'exsolution d'ilméite dans la titanomagnetite ignée des dépôts de cendres éclatés du volcan actif de collines de Soufrière (Montserrat, Indes occidentales britanniques). APT permet le calcul précis des espacements interlamellar (14-29 à 2 nm) et révèle des profils de diffusion fluides sans limites de phase nettes lors de l'échange de Fe et Ti/O entre les lamelles exrésolues et le cristal hôte. Nos résultats suggèrent que cette nouvelle approche permet des mesures à l'échelle nanométrique de la composition des lamelles et de l'espacement interlamellaire qui peuvent fournir un moyen d'estimer les températures du dôme de lave nécessaires pour modéliser les taux d'extrusion et la défaillance du dôme de lave, deux jouer un rôle clé dans les efforts d'atténuation des risques volcaniques.
Introduction
L'étude de la minéralogie chimique est une source majeure d'information dans le domaine des sciences de la Terre depuis plus d'un siècle, car les minéraux enregistrent activement les processus géologiques pendant et après leur cristallisation. Les conditions physiochimiques de ces processus, telles que les changements de température pendant le volcanisme et le métamorphisme, sont enregistrées pendant la nucléation et la croissance minérales sous forme de zonation chimique, de stries, et de lamelles, entre autres. Les lamelles exsolution se forment lorsqu'une phase se mélange en deux phases distinctes à l'état solide. L'analyse de l'orientation, de la taille, de la morphologie et de l'espacement de ces lamelles exsolution peut fournir des informations essentielles pour comprendre les changements de température et de pression pendant le volcanisme et le métamorphisme1,2,3 et la formation de gisements minéraux de minerai4.
Traditionnellement, l'étude des lamelles exsolution a été menée avec l'observation de micrographes par l'imagerie électronique à balayage simple5. Plus récemment, cela a été remplacé par l'utilisation de la microscopie électronique à transmission filtrée par l'énergie (TEM) fournissant des observations détaillées au niveau nanométrique1,2,3. Néanmoins, dans les deux cas, les observations sont faites en deux dimensions (2D), ce qui n'est pas tout à fait adéquat pour les structures tridimensionnelles (3D) représentées par ces lamelles exsolution. La nanotomographie6 est en train d'émerger comme une nouvelle technique pour l'observation 3D des caractéristiques nanométriques à l'intérieur des grains minéraux, mais il n'y a pas suffisamment d'informations sur la composition de ces caractéristiques. Une alternative à ces approches est l'utilisation de la tomographie de sonde atomique (APT), représentant la technique analytique de résolution spatiale la plus élevée en existence pour la caractérisation des matériaux7. La force de la technique réside dans la possibilité de combiner une reconstruction 3D de caractéristiques nanométriques avec leur composition chimique à l'échelle atomique avec une sensibilité analytique près de la partie par million7. Les applications précédentes de l'APT à l'analyse d'échantillons géologiques ont fourni d'excellents résultats8,9,10,11, en particulier dans la caractérisation chimique de l'élément diffusion et concentrations9,12,13. Pourtant, cette application n'a pas été utilisée pour l'étude des lamelles exsolution, abondantes dans certains minéraux hébergés dans des roches métamorphiques et ignées. Ici, nous explorons l'utilisation de l'APT, et ses limites, pour l'analyse de la taille et la composition des lamelles exsolution, et l'espacement interlamellar dans les cristaux volcaniques de titanomagnetite.
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Protocol
1. Sourcing, sélection et préparation des grains minéraux
REMARQUE : Des échantillons ont été prélevés sur la collection cataloguée à l'Observatoire du volcan Montserrat (MVO) et provenant de dépôts en baisse provenant d'un épisode vigoureux d'évacuation des cendres au volcan soufrière Hills survenu le 5 octobre 2009; ce fut l'un des 13 événements similaires au cours d'un cours de trois jours14. Cette ventilation des cendres a précédé une nouvelle phase de croissance du dôme de lave (phase 5) qui a débuté le 9 octobre. L'analyse précédente de cet échantillon a montré qu'il s'agissait d'une combinaison de fragments denses de roche de dôme, de particules vitreuses et de lithiques accidentelles14.
- Verser 1 g d'échantillon de cendres volcaniques dans un plat Petri en verre de 10 cm de diamètre.
- Envelopper une petite feuille de papier de pesage de 3 cm x 3 cm autour d'un aimant de 10 G.
- Utilisez un aimant enveloppé de papier pour extraire les grains riches en magnétite entre 100 et 500 m de diamètre de l'échantillon de cendres et placez-les dans un tamis en acier inoxydable de 32 m (5 po), de 8 cm de diamètre.
- Rincer à l'eau déionisée pendant 20 à 30 s à l'aide d'une bouteille de compression pour éliminer les particules de cendres plus petites et adhérantes (qui passeront à travers le tamis), et sécher à l'air pendant 24 h.
- Affix particules de cendres propres et sèches à l'échantillon des montures appropriées pour le microscope électronique secondaire (SEM). Image en mode électron secondaire à une tension d'accélération de 15 à 20 kV et à une distance de travail de 10 mm pour sélectionner les 5 à 10 meilleurs candidats pour une analyse plus approfondie. Les grains sélectionnés devraient être principalement (à l'ino. 50 %) magnétite (Figure 1a,b).
- Affix a choisi des grains de cendres pour effacer le ruban adhésif, entourer de moule creux d'un pouce de diamètre (métal, plastique ou caoutchouc) qui a été enduit à l'intérieur de graisse sous vide, et verser de la résine époxy pour remplir le moule (2 cm3). Laisser l'époxy guérir selon les instructions époxy spécifiques.
- Une fois l'époxy durci, retirer du moule et peler le ruban adhésif du fond. Les grains de frêne doivent être partiellement exposés.
- Polonais les grains de cendres époxy-cast à l'aide de papier de broyage SiC de cinq différentes tailles de gravier (400, 800, 1200, 1500 et 2000 grain).
- Polonais l'échantillon avec chaque taille de gravier, du plus haut (400) au plus bas (2000) dans un mouvement de chiffre huit pour au moins 10 min. Entre les tailles de gravier, sonicate l'échantillon dans un bain d'eau déionisée pendant 10 min.
- Vérifiez l'échantillon au microscope pour vous assurer que le grain de polissage n'est pas présent et que la surface de l'échantillon est exempte d'égratignures. Si des rayures sont présentes, répétez la procédure de polissage avec la taille de gravier précédente avant de sonicating et de passer à la taille de gravier suivante.
- Polissez les grains de cendres époxy-cat avec des suspensions de polissage d'alumine de 1,0 m, puis 0,3 m sur des chiffons de polissage.
- Polonais l'échantillon avec chaque suspension dans un mouvement figure huit pendant au moins 10 min. Entre les tailles de suspension, sonicate l'échantillon dans un bain d'eau déionisée pendant 10 min.
- Vérifiez l'échantillon au microscope pour vous assurer que la suspension n'est pas présente et que la surface de l'échantillon est exempte d'égratignures. Si des égratignures sont présentes, répétez la procédure de polissage avec la suspension précédente avant de sonicating et de passer à la taille de suspension suivante. À la fin de la procédure de polissage, la surface époxy doit être lisse et les grains de cendres doivent être plats et bien exposés.
- Enrober la surface de l'échantillon d'une couche conductrice de carbone de 10 nm d'épaisseur à l'aide d'un dispositif de revêtement de pulvérisation disponible.
- Obtenir des images d'électrons rétrodiffusées des grains de cendres avec le microscope électronique à une tension d'accélération de 15 à 20 kV et une distance de travail de 10 mm pour déterminer l'emplacement des lamelles exsolution dans la magnétite (figure 1c), tel qu'il a été réalisé dans le précédent études5.
Figure 1 : Exemple de grains de cendres riches en magnétite provenant d'épisodes d'évacuation au volcan des collines de la Soufrière. (a, b) : Images d'électrons rétrodiffusés (ESB) des textures réagies et non réagies dans les grains de magnétite. (c) Image de l'ESB d'un grain de magnétite poli montrant la présence de lamelles exsolution (laths gris clair; flèches rouges) de la composition potentielle d'ilméite. d) Image électronique secondaire d'un grain de magnétite poli préparé pour l'analyse de tomographie de la sonde atomique (APT), montrant l'emplacement de certaines lamelles exsolution (lignes rouges pointillées), qui sont distribuées tout au long de la surface du grain, et l'emplacement de la extraction de coin (flèche bleue). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
2. Tomographie de l'échantillon de la sonde atomique (APT)
- Des échantillons APT seront préparés à partir d'un coin de matériau qui révèle la présence de lamelles exsolution (figure 1d) utilisant un protocole de levage basé sur la FIB16 (Figure 2). Avant le travail fib, pulvériser enrober la surface de l'échantillon avec 15 nm couche de Cu pour éviter la charge des électrons et la dérive de l'échantillon.
- À l'aide d'un faisceau d'ions focalisés dans un microscope électronique à double faisceau (FIB-SEM), déposez un rectangle de platine (Pt) (3 m d'épaisseur) sur la section polie d'intérêt contenant les lamelles sur une région de 1,5 m x 20 m à l'aide d'un faisceau d'ions de gallium(Ga)à 30 kV et 7 pA.
REMARQUE : Cette couche de platine est déposée pour protéger la région d'intérêt (ROI) contre les dommages causés par le faisceau ionique. - Moudre trois coins de matériau sous trois côtés du rectangle Pt à l'aide du faisceau ionique (30 kV, 1 nA). Voir Figure 1d et Figure 2.
- Insérez le système d'injection de gaz (SIG) et soudez le coin à un nanomanipulateur in situ à l'aide de Pt déposé par SIG avant de couper le bord final libre (Figure 2a).
- À l'aide du faisceaud'ions Ga (5 kV et 240 pA), coupez dix segments de 1 à 2 m de large du coin et les apposez séquentiellement avec du Pt jusqu'aux sommets des poteaux Si d'un coupon de tableau de micropointe(figure 2bàd).
- Façonner et aiguiser chaque pointe de spécimen à l'aide de motifs de fraisage annulaires de diamètres intérieurs et externes de plus en plus petits (figure 3). Initialement, effectuer le fraisage à 30 kV pour produire la géométrie du spécimen nécessaire pour APT (Figure 3, panneau gauche).
- Effectuer le fraisage final à une tension d'accélération de 5 kV afin de réduire l'implantation de Gaet d'obtenir une forme cohérente de pointe à pointe(figure 3, panneau droit).
- En appliquant les outils de mesure de la SEM à la figure, assurez-vous que le diamètre en haut des extrémités varie de 50 à 65 nm, tandis que l'angle de tige des pointes varie de 25 à 38 degrés.
REMARQUE : D'autres détails ont déjà été publiés, décrivant le protocole conventionnel de levage16.
Figure 2 : Exemple de protocole de préparation de l'échantillon FIB-SEM pour l'analyse APT. (a) Extraction de levage de wedge (W) avec le nanomanipulateur (Nm). ( b) Vue latérale du tableau micro-coupon des poteaux de silicium montés sur un clip en cuivre. (c) Vue supérieure du tableau micro-coupon de poteaux de silicium montrant le nanomanipulateur pour le montage des sections de coin. (d) Fragment de coin (S), montrant une partie du bouchon de platine protecteur (Ptc), monté sur un poteau de silicium après soudure avec du platine (Ptw). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3 : Exemple de conseils préparés pour l'analyse apt. (À gauche) Image de pointe après la première étape de l'affûtage. (Droite) Image de la même pointe après un faible nettoyage kV, indiquant le rayon de pointe (67,17 nm) et l'angle de tige (26 degrés). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
3. Acquisition de données APT
- Effectuez l'analyse avec une sonde d'atome d'électrode locale (LEAP) équipée d'un laser UV de 355 nm pico-seconde. Voir les paramètres de fonctionnement spécifiques de LEAP dans le tableau 1.
REMARQUE : Des analyses ont été effectuées avec un LEAP équipé d'un laser UV de 355 nm de pico-seconde, logé dans le Centre d'analyse (CAF) de l'Université de l'Alabama. - Montez le micro-coupon avec les pointes aiguisées, soudées aux poteaux Si, dans une rondelle de spécimen et chargez dans un carrousel pour le placement à l'intérieur du LEAP.
- Insérez le carrousel à l'intérieur de la chambre tampon du LEAP.
- Allumez la tête laser et effectuez un étalonnage laser.
- Après avoir atteint le vide dans la chambre d'analyse à ou en dessous de 6 x 10-11 Torr, insérez le spécimen de rondelle dans la chambre d'analyse principale. Pour cette utilisation, une tige de transfert; ceci est actionné avec une série d'étapes automatiques et d'insertion manuelle.
- Avant l'analyse, sélectionnez la pointe en déplaçant la rondelle du spécimen pour aligner le micro-coupon avec l'électrode locale et mettez à jour la base de données pour indiquer le numéro de pointe.
REMARQUE : Quatre bouts sur six ont été analysés avec succès (deux fracturés pendant l'analyse) et ont eu comme conséquence une quantité variable de données acquises s'étendant de 26 à 92 millions d'ions détectés totaux, qui ont correspondi à l'enlèvement d'une couche de magnétite de 160-280 nm-épaisseur (voir paramètres de fonctionnement LEAP spécifiques dans le tableau 1).
| spécimen | 207 | 217 | 218 | 219 |
| Description de l'échantillon | Magnetite SHV | Magnetite SHV | Magnetite SHV | Magnetite SHV |
| Modèle d'instrument | LEAP 5000 XS LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS LEAP 5000 XS |
| Paramètres de l'instrument | ||||
| Longueur d'onde laser | 355 nm | 355 nm | 355 nm | 355 nm |
| Taux d'impulsion laser | 60 pJ | 30 pJ | 30 pJ | 30 pJ |
| Énergie d'impulsion de laser | 500 kHz | 500 kHz | 500 kHz | 500 kHz |
| Contrôle de l'évaporation | Taux de détection | Taux de détection | Taux de détection | Taux de détection |
| Taux de détection des cibles (%) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| Voie de vol nominale (mm) | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Température (K) | 50 | 50 | 50 | 50 |
| Pression (Torr) | 5,7x10-11 | 6,0x10-11 | 6,1x10-11 | 6,1x10-11 |
| ToF offset, to (ns) | 279.94 | 279.94 | 279.94 | 279.94 |
| Analyse des données | ||||
| logiciel | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 |
| Ions totaux: | 26,189,967 | 92,045,430 | 40,013,656 | 40,016,543 |
| seul | 15,941,806 | 55,999,564 | 24,312,784 | 23,965,867 |
| multiple | 9,985,564 | 35,294,528 | 15,331,670 | 15,716,119 |
| qui aime bien | 262,597 | 751,338 | 369,202 | 334,557 |
| Ions reconstruits : | 25,173,742 | 89,915,256 | 38,415,309 | 39,120,141 |
| Variait | 16,053,253 | 61,820,803 | 25,859,574 | 26,598,745 |
| Sans distance | 9,120,489 | 28,094,453 | 12,555,735 | 12,521,396 |
| Contexte (ppm/nsec) | 12 | 12 | 12 | 12 |
| reconstruction | ||||
| État de pointe final | Fracturé | Fracturé | Fracturé | Fracturé |
| Imagerie pré-/post-analyse | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. |
| Modèle d'évolution de rayon | "tension" | "tension" | "tension" | "tension" |
| Vinitiale; Vfinale | 2205 V; 6413 V | 2361 V; 7083 V | 2198 V; 6154 V | 2356 V; 6902 V |
Tableau 1. Paramètres d'acquisition de données de tomographie de sonde atomique et résumé d'exécution.
4. Traitement des données APT
- Ouvrez le jeu de données dans le logiciel de traitement (voir le Tableau des matériaux) et effectuez les étapes suivantes pour l'analyse des données.
- Examinez la configuration de l'information.
- Sélectionnez la plage de séquences ioniques en fonction de l'historique de tension. Sélectionnez la région d'intérêt du détecteur (ROI).
- Effectuer la correction de l'heure de vol (TOF). Utilisez des pics correspondant à l'oxygène et au fer pour la correction du TOF.
- Effectuer l'étalonnage de masse avec l'identification des pics principaux.
- Effectuer la gamme des ions pour leurs affectations à des masses spécifiques.
- Effectuer la reconstruction du profil de pointe.
- Afficher les données dans les deux formats principaux : 1) spectres chimiques de ratio état de masse à charge (Da) (figure 4); et 2) reconstructions 3D de spécimens de pointe(figure 5).
- Définir les plages de pointe comme l'ensemble du pic visible, ou ajuster manuellement lorsque de grandes queues thermiques sont présentes, pour chaque spectre de ratio état de masse-charge (Figure 4). Ces pics représentent des éléments uniques ou des espèces moléculaires, et la décomposition des pics fournit la composition chimique globale de chaque pointe ou entité (c.-à-d. des grappes et des lamelles exsolution) à l'intérieur de chaque pointe (tableau 2).
- Effectuer des reconstructions tridimensionnelles (3D) à l'aide de la méthode de profil de pointe « tension »17 pour déterminer le rayon reconstruit en fonction de la profondeur analysée(figure 5 et film 1).
- Reconstruire les isosurfaces des lamelles exsolution pour effectuer des mesures d'espacement interlamellar (figure 5) et établir la relation chimique hôte minéral-lamella à l'aide de proxys17,18 (Figure 6 ).
- Mesurez les espacements interlamellar à l'égard d'un logiciel d'analyse d'images.
Figure 4 : Exemple d'un spectre de masse à charge APT représentatif. Spectre pour le cristal de magnétite analysé avec des pics individuels à distance montrant des exemples d'identification de pics correspondant à des éléments uniques (p. ex. oxygène (O) ou fer (Fe)) ou molécules (p. ex. FeO). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
| spécimen | 207 | 217 | 218 | 219 | ||||||||
| élément | Nombre d'atomes | Pourcentage atomique | 1s erreur | Nombre d'atomes | Pourcentage atomique | 1s erreur | Nombre d'atomes | Pourcentage atomique | 1s erreur | Nombre d'atomes | Pourcentage atomique | 1s erreur |
| ô | 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 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 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 Ti | 4360052 | 18.558 | 0.0097 | 16478946 | 18.296 | 0.0049 | 6920481 | 18.434 | 0.0076 | 7645849 | 19.442 | 0.0077 |
| H (en) | 10657 | 0.045 | 0.0004 | 30522 | 0.034 | 0.0002 | 12899 | 0.034 | 0.0003 | 14478 | 0.037 | 0.0003 |
| total | 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 | ||||||||
Tableau 2. Données de composition en vrac de tomographie de sonde atomique pour tous les spécimens analysés.
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Representative Results
Comme beaucoup de cristaux de titanomagnetite provenant de divers stades de l'éruption du volcan Soufrière Hills (SHV), le cristal analysé ici contient des lamelles exsolution s'ily;10 m d'épaisseur, visibles dans les images secondaires seM (Figure 1d), qui séparent les zones de Magnétite ti-riche, indiquant un stade C2 de l'oxydation18. Sur la base des images SEM, l'espacement entre ces lamelles varie de 2 à 6 m(n 15). Quatre bouts de spécimende de titanomagnetite, appelés 207, 217, 218 et 219, ont été extraits avec succès de ce cristal unique et analysés par APT (Figure 5). Deux des spécimens (207 et 218) ont montré des concentrations homogènes de Fe et de Ti tout au long (figure 5a), indiquant que les lamelles n'ont pas été croisées. Les deux autres spécimens (217 et 219) présentaient des zones à concentrations variables dans Fe, O et Ti(figure 5b-e). Ces caractéristiques sont parallèles les unes aux autres et ont des terminaisons effilées, indicatif de treillis ilmenite18. Le spécimen 219 contient une plus grande proportion de lamelles croisées que le spécimen 217. Les reconstructions 3D des données DE l'APT(figure 5c-e, Film 1) permettent une mesure précise de l'espacement interlamellar () et fournissent des échelles de longueur qui sont en moyenne de 29 nm pour les spécimens 219 (n - 30) et 14 nm pour le spécimen 217 ( n 15), avec une valeur de 1s de 2 nm pour les deux. En plus de ces mesures, APT permet l'extraction d'informations chimiques à travers ces lamelles à haute résolution spatiale (nanoéchelle) par l'analyse des proxys, en prenant le point 0 comme intersection entre la lamelle et le minéral hôte ( Figure 6). Les profils de diffusion de Proxigram à travers ces zones sont lisses. Les concentrations atomiques de Ti dans le cristal, 17% dans le spécimen 217 et 16,5% dans le spécimen 219 (Figure 6), confirment qu'il s'agit d'une titanomagnétite et sont compatibles avec les analyses pétrologiques précédentes des produits éruptifs SHV18. Ces proxys confirment également que la composition des lamelles correspond à celle de l'ilménite (figure 6).
Figure 5 : Exemple de reconstructions atomiques 3D de pointes de magnétite analysées (valeurs z en nm). (a) Specimen 218, montrant des concentrations homogènes de O, Fe et Ti. (b) Specimen 219, affichant des régions appauvries en Fe et enrichies en O et Ti (zones plus légères). (c) Surfaces d'isoconcentration élémentaires du spécimen 219, montrant des concentrations intralamellar de Fe lt; 30,0% en bleu, Ti et 25,0% en jaune, et O lt; 51,5% en violet. d) Vue de la même zone dans le panneau c, mais tournée à 90 degrés pour révéler l'espacement lamellar mesuré (l). (e) Specimen 217, montrant une partie relativement plus petite des lamelles exsolution dans le bas gauche (concentrations intralamellar: Fe lt; 19,0%, Ti 'gt; 33.0%, O 'lt; 49.0%). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 6 : Proxigrammes de données APT montrant des concentrations atomiques d'O, Fe et Ti dans les spécimens 217 et 219, respectivement. Une distance de zéro sur l'axe x (ligne verticale en pointillé) représente la frontière entre la titanomagnetite à gauche et les lamelles ilméites à droite. De l'autre côté de cette frontière, les concentrations de Ti augmentent de 17,0 % à 44,0 % et de 16,5 % à 42,5 % chez les spécimens 217 et 219, respectivement. Le contenu en Fe passe de 37,7 % à 0,8 % et de 38,5 % à 0,6 % chez les spécimens 217 et 219, respectivement. Les concentrations d'O augmentent de 40,0 % à 50,2 % et de 38,8 % à 50,6 % chez les spécimens 217 et 219, respectivement. Ti et O diffusent vers les lamelles (à droite) et Fe s'éloigne des lamelles (à gauche). Erreur dans toutes les mesures est lt; 2 atomiques. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Film 1. reconstruction d'isoconcentration élémentaire 3D du spécimen 219, montrant des concentrations intralamellar de Fe lt; 30,0% en bleu, Ti 'gt; 25.0% en jaune, et O 'lt; 51.5% en pourpre, et a tourné 360 'le long de l'axe longitudinal (z). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
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Discussion
Les reconstructions de données APT 3D permettent une mesure précise de l'espacement interlamellar dans le cristal analysé à une résolution trois ordres de grandeur plus élevé que ceux mesurés à partir d'images SEM conventionnelles. Cela indique que les variations atomiques de la chimie se produisent sur une étendue spatiale trois ordres de grandeur plus petits que les changements minéralogiques optiquement observables. En outre, les distances interlamellar mesurées (29 nm et 14 nm) sont compatibles avec l'échelle de longueur pour l'oxyexsolution par opposition à celle pour la nucléation et la croissance d'une phase distincte, dont cette dernière se produit sur des échelles de longueur un ordre de grandeur supérieur19 ,20. Oxyexsolution de la titanomagnetite examinée ici peut avoir résulté soit du chauffage du magma dans la chambre en raison d'événements de mélange, ou de l'oxydation induite par l'exposition atmosphérique pendant l'ascension par le conduit et l'emplacement à l'évent. Le cristal de titanomagnetite utilisé dans cette étude présente de nombreuses lamelles de l'ordre de 10 m ou moins de diamètre, ce qui indique suffisamment de temps pour l'exsolution partielle de l'ensemble du cristal de 0,06 mm2. Cette observation, en conjonction avec l'origine de l'évacuation des cendres de l'échantillon, suggère que les lamelles ont été formées à partir de l'oxydation du dôme de lave après l'emplacement à l'évent.
Figure 7 : Représentation schématique des différentes possibilités de capturer les lamelles exsolution dans les conseils APT, et les implications pour mesurer l'espacement lamellar (). S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce figure.
Ces mesures de l'espacement interlamellar n'étaient possibles que dans deux des quatre conseils analysés et ce biais d'échantillonnage pouvait induire une erreur. Comme nous n'analysons que les volumes à l'échelle nanométrique des cristaux, chaque pointe pourrait capturer une représentation partielle de la distribution des lamelles, ce qui pourrait conduire à un calcul erroné de l'espacement interlamellaire()( Figure 7 ). Néanmoins, avec l'analyse de conseils suffisants et les capacités de tomographie 3D de l'APT, notre approche fournit une nouvelle méthode pour mesurer précisément , qui peut être fondamentale pour comprendre une variété de processus ignés et métamorphiques. Par exemple, l'analyse de la diffusion de Fe-Ti dans les cristaux de magnétite a été utilisée pour caractériser les événements de mélange de magma et les changements de température du magma au volcan19des collines de la Soufrière. Le taux d'interdiffusion de Fe et de Ti pourrait être modélisé à partir de mesures précises de l'espacement interlamellar si l'échelle de temps de diffusion peut être limitée. Des études antérieures ont utilisé des lamelles exsolution pour déduire les taux de refroidissement dans les intrusions igigneuses21,22, et la nouvelle approche de l'utilisation de l'APT peut potentiellement être utilisée pour limiter l'interdiffusion des éléments et améliorer les calculs des températures du dôme de magma et de lave dans les systèmes volcaniques actifs23,24. Outre la mesure précise des structures 3D à l'échelle nanométrique, APT fournit des informations chimiques à l'échelle atomique pour la même résolution spatiale. Il en est résulté la démonstration que la transition de la titanomagnétite à l'ilmétine est graduelle et douce (figure 6). Ceci contraste avec les études précédentes suggérant des contacts pointus et distincts entre les lamelles exsolving et la phase hôte, basées sur des observations de microscopie (SEM et TEM) sans l'information chimique. Par conséquent, seul l'ajout d'APT peut fournir avec précision les caractéristiques géochimiques de ces transitions de phase.
La tomographie de sonde atomique (APT) est encore une technique émergente pour des applications géologiques25,pourtant notre étude de cas démontre l'utilité d'appliquer cette approche pour l'étude des lamelles d'exsolution, tout à fait commune dans les minerais hébergés dans les ignés et roches métamorphiques. En particulier pour comprendre les processus volcaniques, les études futures peuvent examiner plusieurs échantillons avec des lamelles exsolution dans les dômes de lave (dérivé des épisodes d'évent de cendres ou des événements d'effondrement de dôme) afin de mieux limiter les variations dans pendant les épisodes éruptifs avec des taux de diffusion calculés.
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Disclosures
Les auteurs n'ont rien à révéler.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par le financement de la National Science Foundation (NSF) par le biais de subventions EAR-1560779 et EAR-1647012, du Bureau du vice-président pour la recherche et le développement économique, du Collège des arts et des sciences et du Département des sciences géologiques. Les auteurs reconnaissent également Chiara Cappelli, Rich Martens et Johnny Goodwin pour l'assistance technique et l'Observatoire du volcan de Montserrat pour avoir fourni les échantillons de cendres.
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).
