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Atomsonde Tomographie Analyse von exsolved Mineral Phasen

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

Summary

Die Analyse der Morphologie, Zusammensetzung und des Abstands von Exsolution-Lamellen kann wichtige Informationen liefern, um geologische Prozesse im Zusammenhang mit Vulkanismus und Metamorphismus zu verstehen. Wir präsentieren eine neuartige Anwendung von APT zur Charakterisierung solcher Lamellen und vergleichen diesen Ansatz mit dem konventionellen Einsatz von Elektronenmikroskopie und FIB-basierter Nanotomographie.

Abstract

Elementdiffusionsraten und Temperatur/Druck steuern eine Reihe grundlegender vulkanischer und metamorpher Prozesse. Solche Prozesse werden oft in Lamellen aufgezeichnet, die aus Wirtsmineralphasen gelöst werden. So ist die Analyse von Orientierung, Größe, Morphologie, Zusammensetzung und Abstand von Exsolution Lamellen ein Bereich der aktiven Forschung in den Geowissenschaften. Die konventionelle Untersuchung dieser Lamellen wurde durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und in jüngerer Zeit mit fokussierter Ionstrahl-Basierter Nanotomographie (FIB) durchgeführt, jedoch mit begrenzten chemischen Informationen. Hier untersuchen wir den Einsatz von Atomsondentomographie (APT) für die nanoskalige Analyse von Ilmenit-Exsolution Lamellen in igneous Titanomagnetit aus Ascheablagerungen, die aus dem aktiven Vulkan Soufriére Hills (Montserrat, British West Indies) ausgebrochen sind. APT ermöglicht die präzise Berechnung von Interlamellarabständen (14–29 x 2 nm) und zeigt glatte Diffusionsprofile ohne scharfe Phasengrenzen beim Austausch von Fe und Ti/O zwischen der gelösten Lamellen und dem Wirtskristall. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieser neuartige Ansatz nanoskalige Messungen der Lamellenzusammensetzung und des Interlamellenabstandes ermöglicht, die eine Möglichkeit bieten können, die Lavakuppeltemperaturen abzuschätzen, die erforderlich sind, um Extrusionsraten und Lavakuppelversagen zu modellieren, die beide eine Schlüsselrolle bei den Bemühungen zur Eindämmung vulkanischer Gefahren spielen.

Introduction

Die Erforschung der chemischen Mineralogie ist seit mehr als einem Jahrhundert eine wichtige Informationsquelle im Bereich der Geowissenschaften, da Mineralien geologische Prozesse während und nach ihrer Kristallisation aktiv aufzeichnen. Physiochemische Bedingungen dieser Prozesse, wie Temperaturänderungen während Vulkanismus und Metamorphismus, werden während der mineralischen Keimbildung und des Wachstums unter anderem in Form von chemischer Zonation, Stupsen und Lamellen aufgezeichnet. Exsolution Lamellenbildung, wenn sich eine Phase im Festkörper in zwei getrennte Phasen entmischt. Die Analyse der Ausrichtung, Größe, Morphologie und des Abstands solcher Exsolutionlamellen kann wesentliche Informationen liefern, um Temperatur- und Druckänderungen während Vulkanismus und Metamorphismus zu verstehen1,2,3 und die Bildung von Erzmineralvorkommen4.

Traditionell wurde die Untersuchung der Exsolution Lamellen mit der Beobachtung von Mikrographen durch einfache Rasterelektronen-Bildgebung5durchgeführt. In jüngerer Zeit wurde dies durch den Einsatz der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ersetzt, die detaillierte Beobachtungen auf der Nanoebene1,2,3. In beiden Fällen werden die Beobachtungen jedoch in zwei Dimensionen (2D) erfolgen, die für dreidimensionale (3D) Strukturen, die durch diese Exsolution-Lamellen dargestellt werden, nicht vollständig geeignet sind. Nanotomographie6 entwickelt sich als eine neue Technik für die 3D-Beobachtung von nanoskaligen Merkmalen in Mineralienkörnern, aber es gibt nicht genügend Informationen über die Zusammensetzung dieser Merkmale. Eine Alternative zu diesen Ansätzen ist die Verwendung der Atomsondentomographie (APT), die die höchste räumliche Auflösung analytische Technik darstellt, die es für die Charakterisierung von Materialien7gibt. Die Stärke der Technik liegt in der Möglichkeit, eine 3D-Rekonstruktion von nanoskaligen Merkmalen mit ihrer chemischen Zusammensetzung im atomaren Maßstab mit einer analytischen Empfindlichkeit von fast einer Million zu kombinieren7. Frühere Anwendungen von APT zur Analyse von geologischen Proben haben hervorragende Ergebnisse erbracht8,9,10,11, insbesondere in der chemischen Charakterisierung von Elementen Diffusion und Konzentrationen9,12,13. Dennoch wurde diese Anwendung nicht für die Untersuchung von Exsolution Lamellen verwendet, reichlich in einigen Mineralien in metamorphen und igneous Gestein gehostet. Hier untersuchen wir die Verwendung von APT und seine Grenzen für die Analyse der Größe und Zusammensetzung von Exsolution Lamellen und Interlamellenabständen in vulkanischen Titanomagnetitkristallen.

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Protocol

1. Beschaffung, Selektion und Zubereitung von Mineralkörnern

ANMERKUNG: Proben wurden aus der katalogisierten Sammlung des Vulkanobservatoriums Montserrat (MVO) gewonnen und stammen aus herabfallenden Ablagerungen, die aus einer kräftigen Ascheentlüftungsepisode am Vulkan Soufriére Hills stammen, die sich am 5. Oktober 2009 ereignete; dies war eine von 13 ähnlichen Veranstaltungen über einen Lauf von drei Tagen14. Diese Ascheentlüftung ging einer neuen Phase des Lavakuppelwachstums (Phase 5) voraus, die am 9. Oktober begann. Frühere Analysen dieser Probe zeigten, dass es sich um eine Kombination aus dichten Kuppelgesteinsfragmenten, glasigen Teilchen und zufälliger Lithik14handelte.

  1. Gießen Sie 1 g vulkanische Ascheprobe in eine Glaspetrischale mit einem Durchmesser von 10 cm.
  2. Wickeln Sie ein kleines (3 cm x 3 cm) Blatt Wägepapier um einen 10 G Magneten.
  3. Verwenden Sie einen papierumwickelten Magneten, um magnetitreiche Körner zwischen 100 m und 500 m Durchmesser aus der Ascheprobe zu ziehen und in ein 32-mm-( 5-zoll-) Edelstahlsieb mit einem Durchmesser von 8 cm zu legen.
  4. Spülen Sie in entionisiertem Wasser für 20-30 s mit einer Squeeze-Flasche kleinere, anhaftende Aschepartikel (die durch das Sieb passieren) und lufttrocken für 24 h.
  5. Befestigen Sie saubere und trockene Aschepartikel an Probenhalterungen, die für das Sekundärelektronenmikroskop (SEM) geeignet sind. Bild im sekundären Elektronenmodus mit einer Beschleunigungsspannung von 15–20 kV und bei einem Arbeitsabstand von 10 mm, um die 5–10 besten Kandidaten für die weitere Analyse auszuwählen. Ausgewählte Körner sollten überwiegend (>50%) Magnetit (Abbildung 1a,b).
  6. Befestigen Sie ausgewählte Aschekörner, um Klebeband zu entfernen, umgeben Sie mit einem Zoll Durchmesser Hohlform (Metall, Kunststoff oder Gummi), die intern mit Vakuumfett beschichtet wurde, und gießen Sie in Epoxidharz, um die Form zu füllen (2 cm3). Epoxid gemäß den spezifischen Epoxidanweisungen aushärten lassen.
  7. Sobald Epoxid ausgehärtet ist, entfernen Sie von der Form und schälen Klebeband von unten. Eschenkörner sollten teilweise freigelegt werden.
  8. Polieren Sie die Epoxid-gegossenen Aschekörner mit SiC-Schleifpapier in fünf verschiedenen Körnungsgrößen (400, 800, 1200, 1500 und 2000 Körnung).
    1. Polieren Sie die Probe mit jeder Körnungsgröße, von der höchsten (400) bis zur niedrigsten (2000) in einer Figur acht Bewegung für mindestens 10 min. Zwischen den Körnungsgrößen die Probe in einem Bad mit entionisiertem Wasser für 10 min beschallen.
    2. Überprüfen Sie die Probe unter dem Mikroskop, um sicherzustellen, dass der Polierkorn nicht vorhanden ist und die Probenoberfläche frei von Kratzern ist. Wenn Kratzer vorhanden sind, wiederholen Sie das Polierverfahren mit der vorherigen Körnungsgröße, bevor Sie beschallen und auf die nächste Körnungsgröße wechseln.
  9. Polieren Sie die Epoxid-Katzen-Aschekörner mit Aluminiumoxid-Poliersuspensionen von 1,0 m und dann 0,3 m auf Poliertüchern.
    1. Polieren Sie die Probe mit jeder Suspension in einer Figur acht Bewegung für mindestens 10 min. Zwischen den Aufhängungsgrößen die Probe in einem Bad mit entionisiertem Wasser für 10 min beschallen.
    2. Überprüfen Sie die Probe unter dem Mikroskop, um sicherzustellen, dass die Suspension nicht vorhanden ist und die Probenoberfläche frei von Kratzern ist. Wenn Kratzer vorhanden sind, wiederholen Sie das Polierverfahren mit der vorherigen Suspension, bevor Sie beschallt und auf die nächste Aufhängungsgröße wechseln. Am Ende des Poliervorgangs sollte die Epoxidoberfläche glatt und die Aschekörner flach und gut belichtet sein.
  10. Beschichten Sie die Probenoberfläche mit einer leitenden Schicht von 10 nm dickem Kohlenstoff mit einem verfügbaren Sputterbeschichtungsgerät.
  11. Erhalten Sie rückgestreute Elektronenbilder der Aschekörner mit dem Elektronenmikroskop bei einer Beschleunigungsspannung von 15–20 kV und einem Arbeitsabstand von 10 mm, um die Position der Exsolutionlamellen im Magnetit zu bestimmen (Abbildung 1c), wie in früheren Studien5.

Figure 1
Abbildung 1: Beispiel für magnetitreiche Aschekörner aus Entlüftungsepisoden am Vulkan Soufriére Hills. (a, b): Zurückgestreute Elektronenbilder (BSE) von sowohl reagierenden als auch unreagierten Texturen in Magnetitkörnern. (c) BSE-Bild eines polierten Magnetitkorns, das das Vorhandensein von Exsolution-Lamellen (hellgraue Latten; rote Pfeile) potenzieller Ilmenitzusammensetzung zeigt. (d) Sekundäres Elektronenbild eines polierten Magnetitkorns, das für die Analyse der Atomsondentomographie (APT) vorbereitet wurde und die Lage einiger Exsolutionlamellen (gestrichelte rote Linien) zeigt, die entlang der Kornoberfläche verteilt sind, und die Lage der Keilextraktion (blauer Pfeil). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Atomsondentomographie (APT) Probenvorbereitung

  1. APT-Proben werden aus einem Materialkeil hergestellt, der das Vorhandensein von Exsolution-Lamellen zeigt (Abbildung 1d) mit einem FIB-basierten Aushubprotokoll16 (Abbildung 2). Vor der FIB-Arbeit beschichten Sie die Probenoberfläche mit einer 15 nm-Schicht Von Cu, um Elektronenaufladung und Probendrift zu vermeiden.
  2. Mit einem fokussierten Ionenstrahl in einem Dual-Strahl-Rasterelektronenmikroskop (FIB-SEM) wird ein Rechteck aus Platin (Pt) (3 m Dicke) auf den polierten Abschnitt von Interesse gelegt, der die Lamellen über einen Bereich von 1,5 x 20 m mit einem Gallium (Ga+) Ionenstrahl bei 30 kV und 7 pA.
    HINWEIS: Diese Platinschicht wird abgelagert, um die Interessenregion (ROI) vor Ionenstrahlschäden zu schützen.
  3. Fräsen Sie drei Keile aus Material unter drei Seiten des Pt-Rechtecks mit dem Ionenstrahl (30 kV, 1 nA). Siehe Abbildung 1d und Abbildung 2.
  4. Setzen Sie das Gaseinspritzsystem (GIS) ein und schweißen Sie den Keil mit GIS-abgelagertem Pt an einen In-situ-Nanomanipulator, bevor Sie die endgültige Kante frei schneiden (Abbildung 2a).
  5. Mit dem Ga+ Ionenstrahl (5 kV und 240 pA) zehn 1–2 m breite Segmente vom Keil schneiden und sequenziell mit Pt an den Spitzen der Si-Pfosten eines Microtip-Array-Coupons befestigen (Abbildung 2b–d).
  6. Gestalten und schärfen Sie jede Probenspitze mit ringförmigen Fräsmustern mit immer kleinerem Innen- und Außendurchmesser (Abbildung 3). Führen Sie zunächst das Fräsen mit 30 kV durch, um die für APT erforderliche Probengeometrie zu erzeugen (Abbildung 3, linkesprop).
  7. Führen Sie das endgefräste Fräsen mit einer Beschleunigungsspannung von 5 kV durch, um die Ga+ Implantation zu reduzieren und eine konsistente Spitzenform zu erhalten(Abbildung 3, rechtes Panel).
  8. Achten Sie durch das Aufbringen der Messwerkzeuge des SEM auf die Figur, dass der Durchmesser an der Spitze 50–65 nm beträgt, während der Schaftwinkel der Spitzen zwischen 25° und 38° liegt.
    HINWEIS: Weitere Details wurden bereits veröffentlicht, die das herkömmliche Aufhebungsprotokoll16beschreiben.

Figure 2
Abbildung 2: Beispiel für das FIB-SEM-Probenvorbereitungsprotokoll für die APT-Analyse. (a) Keil (W) Lift-Out-Extraktion mit dem Nanomanipulator (Nm). (b) Seitenansicht des Mikro-Coupon-Arrays von Siliziumpfosten, die auf einem Kupferclip montiert sind. (c) Die Ansicht des Mikro-Coupon-Arrays von Siliziumpfosten, die den Nanomanipulator zur Montage der Keilabschnitte zeigen. (d) Keilfragment (S), zeigt einen Teil der schützenden Platinkappe (Ptc), montiert auf einem Siliziumpfosten nach dem Schweißen mit Platin (Ptw). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Beispiel für Tipps, die für die APT-Analyse vorbereitet wurden. (Links) Bild der Spitze nach der ersten Stufe des Schärfens. (Rechts) Bild der gleichen Spitze nach niedriger kV-Reinigung, die den Spitzenradius (67,17 nm) und den Schaftwinkel (26°) anzeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

3. APT-Datenerfassung

  1. Führen Sie die Analyse mit einer lokalen Elektrodenatomsonde (LEAP) durch, die mit einem 355 nm UV-Laser pico-sekunden ausgestattet ist. Siehe spezifische LEAP-Laufparameter in Tabelle 1.
    HINWEIS: Die Analysen wurden mit einem LEAP durchgeführt, der mit einem 355 nm UV-Laser in einer Pico-Sekunde ausgestattet war, der in der Central Analytical Facility (CAF) der University of Alabama untergebracht ist.
  2. Montieren Sie den Mikro-Coupon mit den geschärften Spitzen, die an die Si-Pfosten geschweißt sind, in einem Musterpuck und laden Sie in ein Karussell für die Platzierung innerhalb des LEAP.
  3. Setzen Sie das Karussell in die Pufferkammer des LEAP ein.
  4. Schalten Sie den Laserkopf ein und führen Sie eine Laserkalibrierung durch.
  5. Nach dem Erreichen des Vakuums in der Analysekammer bei oder unter 6 x 10-11 Torr, legen Sie die Puckprobe in die Hauptanalysekammer ein. Verwenden Sie dazu eine Transferstange; Dies wird mit einer Reihe von automatischen Schritten und manuellem Einsetzen betrieben.
  6. Wählen Sie vor der Analyse die Spitze aus, indem Sie den Probenpuck bewegen, um den Mikro-Coupon mit der lokalen Elektrode auszurichten, und aktualisieren Sie die Datenbank, um die Tippnummer anzugeben.
    ANMERKUNG: Vier von sechs Spitzen wurden erfolgreich analysiert (zwei bei der Analyse gebrochen) und führten zu einer variablen Menge erfasster Daten im Bereich von 26 bis 92 Millionen insgesamt erfassten Ionen, was der Entfernung einer 160–280 nm dicken Magnetitschicht entsprach (siehe spezifische LEAP-Laufparameter in Tabelle 1).
exemplar 207 217 218 219
Beispielbeschreibung SHV-Magnetit SHV-Magnetit SHV-Magnetit SHV-Magnetit
Instrumentenmodell LEAP 5000 XS LEAP 5000 XS LEAP 5000 XS LEAP 5000 XS
Instrumenteneinstellungen
Laser-Wellenlänge 355 nm 355 nm 355 nm 355 nm
Laserpulsrate 60 pJ 30 pJ 30 pJ 30 pJ
Laserpulsenergie 500 kHz 500 kHz 500 kHz 500 kHz
Verdampfungskontrolle Erkennungsrate Erkennungsrate Erkennungsrate Erkennungsrate
Zielerkennungsrate (%) 0.5 0.5 0.5 0.5
Nominaler Flugweg (mm) 100 100 100 100
Temperatur (K) 50 50 50 50
Druck (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
Datenanalyse
software IVAS 3.6.12 IVAS 3.6.12 IVAS 3.6.12 IVAS 3.6.12
Gesamt Ionen: 26,189,967 92,045,430 40,013,656 40,016,543
einzeln 15,941,806 55,999,564 24,312,784 23,965,867
mehrfach 9,985,564 35,294,528 15,331,670 15,716,119
vorliebe haben 262,597 751,338 369,202 334,557
Rekonstruierte Ionen: 25,173,742 89,915,256 38,415,309 39,120,141
Reichten 16,053,253 61,820,803 25,859,574 26,598,745
Unranged 9,120,489 28,094,453 12,555,735 12,521,396
Hintergrund (ppm/nsec) 12 12 12 12
Wiederaufbau
Letzter Tippzustand Gebrochenen Gebrochenen Gebrochenen Gebrochenen
Vor-/Nachanalyse Imaging SEM/n.a. SEM/n.a. SEM/n.a. SEM/n.a.
Radius Evolution-Modell "Spannung" "Spannung" "Spannung" "Spannung"
Vinitial; V-Finale 2205 V; 6413 V 2361 V; 7083 V 2198 V; 6154 V 2356 V; 6902 V

Tabelle 1. Einstellungen für die Datenerfassung von Atom-Sondentomographieunden und Ausführungszusammenfassung.

4. APT-Datenverarbeitung

  1. Öffnen Sie das Dataset in der Verarbeitungssoftware (siehe Tabelle der Materialien), und führen Sie die folgenden Schritte für die Datenanalyse aus.
    1. Überprüfen Sie die Informationseinrichtung.
    2. Wählen Sie den Ionensequenzbereich basierend auf dem Spannungsverlaufsdiagramm aus. Wählen Sie den Detektorbereich von Interesse (ROI).
    3. Führen Sie eine TOF-Korrektur (Time-of-Flight) durch. Verwenden Sie Spitzen, die Sauerstoff und Eisen für die TOF-Korrektur entsprechen.
    4. Führen Sie eine Massenkalibrierung mit der Identifizierung der Hauptspitzen durch.
    5. Führen Sie die Anordnung der Ionen für ihre Zuordnungen zu bestimmten Massen aus.
    6. Führen Sie die Rekonstruktion des Spitzenprofils durch.
  2. Zeigen Sie die Daten in die beiden Hauptformate an: 1) Massen-zu-Ladungszustandsverhältnis (Da) chemische Spektren (Abbildung 4); und 2) 3D-Rekonstruktionen von Spitzenproben (Abbildung 5).
  3. Definieren Sie Spitzenbereiche als den gesamten sichtbaren Peak, oder passen Sie sie manuell an, wenn große thermische Schwänze vorhanden sind, für jedes Massen-zu-Lade-Zustandsverhältnisspektrum (Abbildung 4). Diese Spitzen stellen einzelne Elemente oder molekulare Arten dar, und die Zersetzung von Spitzen liefert die gesamte chemische Zusammensetzung für jede Spitze oder jedes Merkmal (d. h. Cluster und Exsolution Lamellen) innerhalb jeder Spitze (Tabelle 2).
  4. Führen Sie dreidimensionale (3D) Spitzenrekonstruktionen mit der "Spannungs"-Spitzenprofilmethode17 durch, um den rekonstruierten Radius als Funktion der analysierten Tiefe zu bestimmen (Abbildung 5 und Film 1).
  5. Rekonstruieren Sie Isooberflächen von Exsolutionlamellen, um Interlamellenabstandmessungen durchzuführen (Abbildung 5) und etablieren Sie die mineralisch-lamellachemische Beziehung des Wirts mit Proxigrammen17,18 (Abbildung 6 ).
  6. Messen Sie interlamellar-Abstände mit Bildanalysesoftware.

Figure 4
Abbildung 4: Beispiel für ein repräsentatives APT-Massen-zu-Lade-Spektrum. Spektrum für den analysierten Magnetitkristall mit einzelnen Fernspitzen zeigt Beispiele für die Identifizierung von Spitzen, die einzelnen Elementen (z. B. Sauerstoff (O) oder Eisen (Fe)) oder Molekülen (z.B. FeO) entsprechen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

exemplar 207 217 218 219
grundbestandteil Atomanzahl Atomare % 1s Fehler Atomanzahl Atomare % 1s Fehler Atomanzahl Atomare % 1s Fehler Atomanzahl Atomare % 1s Fehler
O 9459276 40.263 0.0155 36679256 40.724 0.0080 15396155 41.010 0.0124 16212281 41.224 0.0122
Fe 9424298 40.114 0.0155 35948593 39.913 0.0079 14829905 39.502 0.0121 15006853 38.159 0.0116
Mn 15954 0.068 0.0005 72884 0.081 0.0003 28166 0.075 0.0004 31450 0.080 0.0005
mg 123755 0.527 0.0015 486732 0.540 0.0008 203596 0.542 0.0012 234231 0.596 0.0012
Al 85598 0.364 0.0013 329602 0.366 0.0006 134637 0.359 0.0010 154779 0.394 0.0010
Si 13855 0.059 0.0005 39307 0.044 0.0002 16278 0.043 0.0003 25750 0.065 0.0004
Na 166 0.001 0.0001 1254 0.001 0.0000 447 0.001 0.0001 1468 0.004 0.0001
Ti 4360052 18.558 0.0097 16478946 18.296 0.0049 6920481 18.434 0.0076 7645849 19.442 0.0077
h 10657 0.045 0.0004 30522 0.034 0.0002 12899 0.034 0.0003 14478 0.037 0.0003
gesamt 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

Tabelle 2. Atomsonde Tomographie Bulk Zusammensetzungsdaten für alle analysierten Proben.

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Representative Results

Wie viele Titanomagnetitkristalle aus verschiedenen Stadien des Vulkans Soufriére Hills Volcano (SHV) enthält der hier analysierte Kristall Exsolution Lamellen <10 m Dicke, sichtbar in sekundären SEM-Bildern (Abbildung 1d), die Zonen von Ti-reicher Magnetit, der ein C2-Oxidationsstadium18anzeigt. Basierend auf den SEM-Bildern reicht der Abstand zwischen diesen Lamellen zwischen 2 und 6 m(n = 15). Vier Titanomagnetit-Probenspitzen, 207, 217, 218 und 219, wurden erfolgreich aus diesem Einzelkristall extrahiert und von APT analysiert (Abbildung 5). Zwei der Proben (207 und 218) zeigten durchweg homogene Konzentrationen von Fe und Ti (Abbildung 5a), was darauf hindeutet, dass Lamellen nicht durchschnitten wurden. Die beiden anderen Proben (217 und 219) zeigten Zonen mit variablen Konzentrationen in Fe, O und Ti (Abbildung 5b-e). Diese Merkmale sind parallel zueinander und haben verjüngte Anschlüsse, was auf Gitter ilmenite 18hinweist. Probe 219 enthält einen größeren Anteil der geschnittenen Lamellen als Probe 217. 3D-Rekonstruktionen derAPT-Daten(Abbildung 5c-e , Film 1) ermöglichen eine präzise Messung des Interlamellarabstandes () und liefern Längenskalen, die für Probe 219 (n = 30) und 14 nm für Probe 217 ( n = 15), mit einem 1s-Wert von 2 nm für beide. Zusätzlich zu diesen Messungen ermöglicht APT die Extraktion chemischer Informationen über diese Lamellen mit hoher räumlicher Auflösung (Nanoskala) durch die Analyse von Proxigrammen, wobei der Punkt 0 als Schnittpunkt zwischen der Lamellen und dem Wirtsmineral ( Abbildung 6). Proxigrammdiffusionsprofile durch diese Zonen sind glatt. Atomkonzentrationen von Ti im Kristall, 17% in Probe 217 und 16,5% in Probe 219 (Abbildung 6), bestätigen, dass es sich um einen Titanomagnetit handelt und mit früheren petrologischen Analysen von SHV-Eruptivprodukten im Einklang stehen18. Diese Proxigramme bestätigen auch, dass die Zusammensetzung von Lamellen mit der von Ilmenit übereinstimmt (Abbildung 6).

Figure 5
Abbildung 5: Beispiel für analysierte 3D-Atomrekonstruktionen von Magnetitspitzen (z-Werte in nm). (a) Exemplar 218, das homogene Konzentrationen von O, Fe und Ti zeigt. (b) Exemplar 219, das in Fe erschöpfte und in O und Ti (leichtere Gebiete) angereicherte Regionen anzeigt. (c) Elementare Isokonzentrationsoberflächen der Probe 219, die intralamellare Konzentrationen von Fe < 30,0% in blau, Ti > 25,0% in Gelb und O < 51,5% in Violett zeigen. (d) Ansicht des gleichen Bereichs in Panel c, aber um 90° gedreht, um den gemessenen Lamellenabstand (l) anzuzeigen. (e) Probe 217, die einen relativ kleineren Anteil der Exsolution Lamellen unten links zeigt (Intralamellenkonzentrationen: Fe < 19,0%, Ti > 33,0%, O < 49,0%). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: Proxigramme der APT-Daten, die atomare Konzentrationen von O, Fe und Ti in den Proben 217 bzw. 219 zeigen. Ein Abstand von Null auf der x-Achse (gestrichelte vertikale Linie) stellt die Grenze zwischen dem Titanomagnetit auf der linken Seite und der Ilmenit-Lamellen auf der rechten Seite dar. Über diese Grenze hinweg steigen die Ti-Konzentrationen von 17,0 % auf 44,0 % und in den Proben 217 bzw. 219 von 16,5 % auf 42,5 %. Der Fe-Gehalt verringert sich von 37,7 % auf 0,8 % und in den Proben 217 bzw. 219 von 38,5 % auf 0,6 %. O-Konzentrationen steigen von 40,0 % auf 50,2 % und in den Proben 217 bzw. 219 von 38,8 % auf 50,6 %. Ti und O diffundieren in Richtung der Lamellen (nach rechts) und Fe diffundiert weg von der Lamellen (nach links). Fehler in allen Messungen ist < 2 atomare %. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Film 1. 3D-Elementar-Isokonzentrationsrekonstruktion der Probe 219, die intralamellen Konzentrationen von Fe < 30,0% in blau, Ti > 25,0% in Gelb und O < 51,5% in Violett zeigt und um 360° entlang der Längsachse (z) gedreht wird. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

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Discussion

3D APT Datenrekonstruktionen ermöglichen eine präzise Messung des Interlamellarabstandes im analysierten Kristall in einer Auflösung von drei Größenordnungen, die höher ist als die, die aus herkömmlichen SEM-Bildern gemessen werden. Dies deutet darauf hin, dass atomare Schwankungen in der Chemie über eine räumliche Ausdehnung auftreten, die drei Größenordnungen kleiner sind als optisch beobachtbare mineralogische Veränderungen. Auch die gemessenen Interlamellenabstände (29 nm und 14 nm) stimmen mit der Längenskala für die Oxyexsolution im Gegensatz zu der für die Keimbildung und das Wachstum einer separaten Phase über, von denen letztere über Längenskalen in einer Größenordnung größer 19 erfolgt. ,20. Die Oxyexlösung des hier untersuchten Titanomagnetites kann entweder durch Erhitzung des Magmas in der Kammer aufgrund von Mischereignissen oder durch Oxidation verursacht wurde, die durch atmosphärische Exposition während des Aufstiegs durch den Kanal und die Platzierung an der Entlüftung induziert wird. Der in dieser Studie verwendete Titanomagnetitkristall zeigt zahlreiche Lamellen in der Größenordnung von 10 m oder weniger im Durchmesser, was auf genügend Zeit für eine teilielle Exsolution des gesamten 0,06 mm2 Kristalls hindeutet. Diese Beobachtung in Verbindung mit dem ascheentlüftenden Ursprung der Probe legt nahe, dass die Lamellen durch Oxidation der Lavakuppel nach der Verlegung an der Entlüftung gebildet wurden.

Figure 7
Abbildung 7: Schematische Darstellung verschiedener Möglichkeiten zur Erfassung von Exsolution-Lamellen in APT-Spitzen und die Auswirkungen auf die Messung des Lamellenabstandes (. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figur.

Diese Messungen des Interlamellarabstandes waren nur in zwei der vier analysierten Spitzen möglich und diese Abtastverzerrung konnte zu Fehlern führen. Da wir nur nanoskalige Volumen der Kristalle analysieren, könnte jede Spitze eine partielle Darstellung der Verteilung von Lamellen erfassen, was möglicherweise zu einer fehlerhaften Berechnung des Interlamellarabstandes () führt (Abbildung 7). Dennoch bietet unser Ansatz mit der Analyse ausreichender Spitzen und den 3D-Tomographie-Fähigkeiten von APT eine neuartige Methode zur präzisen Messung, die grundlegend sein kann, um eine Vielzahl von igneous und metamorphen Prozessen zu verstehen. Zum Beispiel wurde die Analyse der Fe-Ti-Diffusion in Magnetitkristallen verwendet, um Magma-Mischereignisse und Veränderungen der Magmatemperatur am Vulkan Soufriére Hills19zu charakterisieren. Die Interdiffusionsrate von Fe und Ti könnte anhand genauer Messungen des Interlamellarabstandes modelliert werden, wenn die Diffusionszeit begrenzt werden kann. Frühere Studien haben Exsolution Lamellen verwendet, um Abkühlraten in igneous Intrusions21,22abzuleiten, und der neuartige Ansatz der Verwendung von APT kann potenziell verwendet werden, um Element-Interdiffusion zu beschränken und Berechnungen zu verbessern von Magma- und Lavakuppeltemperaturen in aktiven vulkanischen Systemen23,24. Neben der präzisen Messung von 3D-Strukturen im Nanomaßstab liefert APT chemische Informationen im atomaren Maßstab für die gleiche räumliche Auflösung. Dies hat gezeigt, dass der Übergang von Titanomagnetit zu Ilmenit allmählich und glatt ist (Abbildung 6). Dies steht im Gegensatz zu früheren Studien, die scharfe und deutliche Kontakte zwischen der auslösenden Lamellen- und der Wirtsphase auf der Grundlage von Mikroskopiebeobachtungen (SEM und TEM) ohne chemische Informationen nahelegen. Folglich kann nur die Zugabe von APT die geochemischen Eigenschaften dieser Phasenübergänge genau liefern.

Atomsondentomographie (APT) ist immer noch eine neue Technik für geologische Anwendungen25, aber unsere Fallstudie zeigt, wie nützlich es ist, diesen Ansatz für die Untersuchung von Exsolution Lamellen anzuwenden, die in Mineralien, die in entzündlichen und metamorphe Gesteine. Insbesondere zum Verständnis vulkanischer Prozesse können zukünftige Studien mehrere Proben mit Exsolutionlamellen in Lavakuppeln (abgeleitet aus Ascheentlüftungsepisoden oder Kuppelkollapsereignissen) untersuchen, um Variationen in Lavakuppeln besser einzuschränken. Temperatur während eruptiver Episoden mit berechneten Diffusionsraten.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde durch Fördermittel der National Science Foundation (NSF) durch die Stipendien EAR-1560779 und EAR-1647012, das Office of the VP for Research and Economic Development, das College of Arts and Sciences und das Department of Geological Sciences unterstützt. Die Autoren würdigen auch Chiara Cappelli, Rich Martens und Johnny Goodwin für technische Hilfe und das Montserrat Volcano Observatory für die Bereitstellung der Ascheproben.

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

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Umweltwissenschaften Ausgabe 152 Atomsondentomographie APT Vulkanasche Titanomagnetit Ilmenit Exsolution Lamellen FIB-SEM-Lift-out LEAP
Atomsonde Tomographie Analyse von exsolved Mineral Phasen
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Genareau, K., Perez-Huerta, A.,… More

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

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