Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

האטום בדיקה טומוגרפיה ניתוח של מינרלים Exsolved שלבים

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

Summary

ניתוח המבנה, הקומפוזיציה והריווח של הלופיליות יכולים לספק מידע חיוני כדי להבין תהליכים גיאולוגיים הקשורים לוולקאיזם והתמרה. אנו מציגים יישום הרומן של APT לאפיון של לאמפיליות כאלה ולהשוות גישה זו לשימוש קונבנציונאלי של אלקטרון מיקרוסקופ ו ננוטומוגרפיה מבוססת פרפור.

Abstract

שיעורי דיפוזיה של רכיבים וטמפרטורה/לחץ שולטים במגוון תהליכים וולקניים יסודיים ומותמרים. תהליכים כאלה נרשמים לעתים קרובות בלפיליות משלבים מינרלים מארחים. כך, ניתוח האוריינטציה, גודל, מורפולוגיה, הרכב ומרווח של exsolution לאמפיליות הוא שטח של מחקר פעיל ב גיאומדעים. המחקר המקובל של הלפיליות הללו נערך על ידי סריקת מיקרוסקופ אלקטרוני (SEM) ומיקרוסקופ אלקטרון הילוכים (TEM), ולאחרונה עם קרן יון ממוקדת (פרפור) מבוססי ננוטומוגרפיה מבוססת, עדיין עם מידע כימי מוגבל. כאן, אנו לחקור את השימוש של הטומוגרפיה בדיקה atom (APT) עבור ניתוח ננו-סקאלה של האקסופתרון exmenite לאמיפיליות בטיטאנגנטיט של השקעים מתוך מרבצי אפר פרץ הר הגעש הפעיל Soufrière (מונטסראט, הודו המערבית הבריטית). APT מאפשרת את החישוב המדויק של הרווחים הבינלוניים (14 – 29 ± 2 ננומטר) וחושף פרופילי דיפוזיה חלקים ללא גבולות פאזה חדים במהלך חילופי Fe ו-Ti/O בין לאמיפיליות לבין הגביש המארח. התוצאות שלנו מרמזות כי גישה זו הרומן מתיר מדידות ננו-סולם של הרכב הלאלפיליות ומרווח inter, כי עשוי לספק אמצעים כדי להעריך את הטמפרטורות כיפת הלבה הדרושים שיעורי ההבלטה וכיפת הלבה כשל, שניהם לשחק תפקיד מפתח במאמצים להפחתת סכנה געשית.

Introduction

המחקר של מינרגיה כימית כבר מקור מרכזי של מידע בתוך התחום של מדעי כדור הארץ במשך יותר ממאה, כמו מינרלים באופן פעיל להקליט תהליכים גיאולוגיים במהלך ואחרי התגבשות שלהם. התנאים הפיסיוקליים-כימיים של תהליכים אלה, כגון שינויי טמפרטורה במהלך הגעשיות והתמרה, נרשמים במהלך התגרצות המינרלים והצמיחה בצורה של מחלות כימיות, סטריזים ולאמפיליות, בין היתר. כאשר שלב מבטל מתערבב לשני שלבים נפרדים במצב מוצק. ניתוח האוריינטציה, הגודל, המבנה והריווח של האקלופיליות הללו, יכול לספק מידע חיוני להבנת הטמפרטורה ושינויי הלחץ במהלך הגעשיות והתמרה1,2,3 והיווצרות של מינרלים עפרות מרבצי4.

באופן מסורתי, המחקר של exsolution לאמפיליות נערך עם התבוננות של מיקרוגרפים על ידי סריקה פשוטה הדמיה של אלקטרון5. לאחרונה, זה הוחלף על ידי שימוש באנרגיה מסוננים הילוכים אלקטרונים מיקרוסקופ (TEM) מתן תצפיות מפורטות ברמה ננו1,2,3. עם זאת, בשני המקרים, התצפיות נעשים בשני מימדים (2D), אשר אינו מספיק באופן מלא עבור תלת מימד (3D) מבנים המיוצגים על ידי אלה לאמפיליות. ננוטומוגרפיה6 מתגלה כטכניקה חדשה עבור התבוננות 3d של תכונות ננו בתוך גרגרי מינרלים, אך אין די מידע על הרכב של תכונות אלה. חלופה לגישות אלה היא השימוש בטומוגרפיה של בדיקת atom (APT), המייצגת את הטכניקה האנליטית הגבוהה ביותר לפענוח המרחב הקיים לאפיון חומרים7. החוזק של הטכניקה טמון באפשרות של שילוב שחזור תלת-ממד של תכונות ננו-סקאלה עם ההרכב הכימי שלהם בקנה מידה האטומי עם רגישות לחלק מיליון הקרובה של הקשר האנליטי7. יישומים קודמים של APT לניתוח של דגימות גיאולוגיות סיפקו תוצאות מצוינות8,9,10,11, במיוחד באפיון כימי של אלמנט דיפוזיה וריכוזים9,12,13. עם זאת, יישום זה לא נעשה שימוש לחקר exsolution lamellae, שופע במינרלים מסוימים מתארח בסלעי מטאמורפיים ואבני יסוד. כאן נסקור את השימוש ב-APT, ומגבלותיה, לניתוח הגודל וההרכב של הלופיליות, ומרווח בין-למינלי בגבישים הטיטאני הוולקני.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. לחיזוי, בחירה והכנת גרגרים מינרליים

הערה: התקבלו דגימות מהאוסף המקטלג במצפה הר הגעש של מונטסראט (MVO) ונגזר מפיקדונות נופלים שמקורם בפרק האוויר הנמרץ של האפר בהרי סופריייר הילס שהתרחשה ב-5 באוקטובר 2009; זה היה אחד מתוך 13 אירועים דומים במהלך שלושה ימים14. זה אפר אוורור לפני שלב חדש של גידול כיפת לבה (שלב 5) שהחל ב -9 באוקטובר. הניתוח הקודם של מדגם זה הראה שזה שילוב של שברי סלע כיפה צפופה, חלקיקים מזוגגות, ולית בשוגג14.

  1. יוצקים 1 גרם של דגימת אפר וולקנית לצלחת מזכוכית בקוטר 10 ס"מ.
  2. עוטפים קטן (3 ס"מ x 3 ס מ) גיליון של נייר שקילה סביב מגנט 10 G.
  3. השתמש מגנט עטוף נייר כדי למשוך מגנטיט-דגנים עשירים בין 100 יקרומטר ו 500 יקרומטר בקוטר ממדגם האפר ומקום 32 יקרומטר (5 φ), 8 ס"מ קוטר נירוסטה מסננת.
  4. לשטוף במים מוהים עבור 20 – 30 s באמצעות בקבוק לחיצה כדי להסיר את החלקים הקטנים יותר, שמירה על חלקיקי האפר (אשר יעברו דרך המכתש), והאוויר יבש עבור 24 שעות.
  5. הוספית חלקיקי אפר נקיים ויבשים כדי לדגום טעינות מתאימות למיקרוסקופ אלקטרון משני (SEM). תמונה במצב אלקטרון משני ב 15 – 20 kV האצת מתח במרחק עבודה של 10 מ"מ כדי לבחור את 5-10 המועמדים הטובים ביותר לניתוח נוסף. הדגנים הנבחרים צריכים להיות בעיקר (> 50%) מגנטיט (איור 1a, b).
  6. מוספית בגרגרים אפר שנבחרו כדי לנקות את הקלטת, להקיף עם עובש אחד אינץ ' חלול (מתכת, פלסטיק, או גומי) כי כבר מצופה באופן פנימי עם שומן ואקום, ויוצקים שרף אפוקסי כדי למלא את העובש (2 ס"מ3). אפשרו לאפוקסי להירפא בהתאם להוראות האפוקסי הספציפיות.
  7. לאחר האפוקסי נרפא, להסיר מעובש וסרט לקלף מלמטה. גרגרי האפר צריכים. להיחשף באופן חלקי
  8. פולין גרגרי האפר מיציקת האפוקסי באמצעות שפשוף נייר של חמישה גדלים שונים של חצץ (400, 800, 1200, 1500 ו-2000 חצץ).
    1. להבריק את המדגם עם כל גודל של חצץ, מן הגבוה ביותר (400) לנמוך ביותר (2000) בדמות שמונה התנועה לפחות 10 דקות. בין מידות החצץ, מsonicate המדגם באמבט של מים מפוהים במשך 10 דקות.
    2. בדקו את המדגם שמתחת למיקרוסקופ כדי לוודא שהליטוש אינו נוכח, ומשטח המדגם חופשי משריטות. אם יש שריטות, חזור על הליך הליטוש עם גודל האומץ הקודם לפני sonicating ומעבר לגודל החצץ הבא.
  9. פולנית גרגירי-חתול באפוקסי עם שתלים בליטוש אלומינה של 1.0 יקרומטר ולאחר מכן 0.3 יקרומטר על בגדי הליטוש.
    1. להבריק את המדגם עם כל השעיה בדמות שמונה התנועה לפחות 10 דקות. בין גודל ההשעיה, הsonicate את המדגם באמבט של מים מפוהים במשך 10 דקות.
    2. בדוק את המדגם תחת מיקרוסקופ כדי להבטיח כי ההשעיה אינה נוכחת ואת משטח המדגם הוא ללא שריטות. אם יש שריטות, חזור על הליך הליטוש עם ההשעיה הקודמת לפני sonicating ולעבור לגודל ההשעיה הבא. בסוף תהליך הליטוש, משטח האפוקסי צריך להיות חלק וגרגירי האפר צריכים להיות שטוחים וחשופים היטב.
  10. מעיל משטח לדוגמה עם מעיל מנצח של ~ 10 פחמן עבה ננומטר באמצעות מכשיר ציפוי התיז אטר זמין.
  11. השיגו תמונות אלקטרון מפוזרות של גרגרי האפר עם מיקרוסקופ אלקטרונים ב 15 – 20 kV האצת מתח ומרחק עבודה של 10 מ"מ כדי לקבוע את המיקום של exsolution לאמיפיליות במגנטיט (איור 1c), כפי שנערך בעבר לימודים5.

Figure 1
איור 1: דוגמה של מגנטיט-גרגרי אפר עשירים מפני מפרקים של אוורור בהרי הגעש של הגבעות של Soufrière. (א, ב): תמונות אלקטרון מפוזרות (bse) של שני הצדדים הגיבו ומרקמים שאינם מגיב בגרגרי מגנטיט. (ג) bse תמונה של גרגר מגנטיט מלוטש מראה נוכחות של לאמפיליות (laths אפורים בהירים; חיצים אדומים) של הרכב הפוטנציאל הפוטנציאלי אילמניט. (ד) אלקטרון משני התמונה של גרגר מגנטיט מלוטש מוכן טומוגרפיה בדיקה אטום (APT) ניתוח, המראה את המיקום של כמה לפני השטח (קווים אדומים מקווקווים), אשר מופצים לאורך כל המשטח תבואה, ואת המיקום של חילוץ טריז (חץ כחול). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

2. הכנה לדוגמא של האטום לטומוגרפיה (APT)

  1. דוגמאות APT יהיה מוכן מתוך טריז של חומר החושף את הנוכחות של exsolution ללפיליות (איור 1d) העסקת המעלית מבוסס פרפור פרוטוקול16 (איור 2). לפני העבודה פרפור, מעיל מעיל את משטח המדגם עם 15 שכבת ננומטר של Cu כדי למנוע לטעון אלקטרון ולדגום נסחף.
  2. באמצעות קרן יון ממוקדת קרן כפולה סריקה אלקטרון מיקרוסקופ (פרפור-SEM), הפקדה מלבן של פלטינה (Pt) (3 יקרומטר עובי) על קטע מלוטש של עניין המכיל את לאמפיליות מעל 1.5 יקרומטר x 20 יקרומטר אזור באמצעות גליום (Ga+) יון קרן ב 30 . ו -7 הרשות
    הערה: שכבת פלטינה זו מופקד על מנת להגן על אזור הריבית (ROI) מנזקי קרן יון.
  3. מיל שלוש פרוסות של חומר מתחת לשלושה צדדים של מלבן Pt באמצעות קרן יון (30 kV, 1 nA). ראה איור 1d ואיור 2.
  4. הכנס את מערכת הגז הזרקת (GIS) ו לרתך טריז כדי באתרו ננו-מניפולטור באמצעות GIS הפקיד הופקד לפני חיתוך הקצה הסופי חינם (איור 2a).
  5. באמצעות קרן Ga+ יון (5 kV ו 240 pA), לחתוך 10 1 – 2 יקרומטר מקטעים רחבים מתוך טריז ולהצמיד ברצף אותם עם Pt אל צמרות של הודעות Si של שובר מערך מיקרוטיפ (איור 2b– d).
  6. הצורה ולחדד כל עצה הדגימה באמצעות דפוסי כרסום טבעתי של קטרים קטנים יותר ויותר הפנימיים והחיצוניים (איור 3). בתחילה, לבצע את הטחינה על 30 kV כדי לייצר את הגיאומטריה דגימה הכרחי APT (איור 3, הפאנל השמאלי).
  7. בצע את הטחינה הסופית במתח מואץ של 5 kV כדי להפחית את Ga+ השרשה ולקבל צורה עקבית מקצה-אל-טיפ (איור 3, הלוח הימני).
  8. על ידי החלת כלי מדידה של ה-SEM לדמות, להבטיח את הקוטר בחלק העליון של הטיפים טווחים 50-65 ננומטר, בעוד זווית הלהב של הטיפים נע בין 25 ° עד 38 °.
    הערה: פרטים נוספים פורסמו בעבר, המתארים את פרוטוקול ההמראה המקובל16.

Figure 2
איור 2: דוגמת פרוטוקול הכנת פרפור-SEM לדוגמה עבור ניתוח APT. (a) הוצאת מnanomanipulator מתוך טריז (Nm). (ב) מבט לרוחב של מערך הקופונים מיקרו של הודעות סיליקון רכוב על קליפ נחושת. (ג) התצוגה העליונה של מערך הקופונים מיקרו של הודעות סיליקון מראה את nanomanipulator להרכבת מקטעים טריז. (ד) רסיס טריז (S), המציג חלק של כובע פלטינה מגן (ptc), רכוב על פוסט סיליקון לאחר ריתוך עם פלטינה (ptc). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: דוגמה של טיפים המוכנים לניתוח APT. (משמאל) תמונה של עצה לאחר השלב הראשון של החידוד. (מימין) תמונה של אותו התיאור לאחר מנקה kV נמוכה, המציין את רדיוס הקצה (67.17 ננומטר) ואת זווית הלהב (26 °). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

3. רכישת נתוני APT

  1. לבצע ניתוח עם בדיקה מקומית אטום האלקטרודה (זינוק) מצויד פיקו-השנייה 355 ננומטר לייזר UV. ראה הפרמטרים המפעילים מסוימים של זינוק בטבלה 1.
    הערה: ניתוחים בוצעו עם זינוק מצויד בלייזר-UV 355 ננומטר לייזר, שוכן במתקן האנליטי המרכזי (בית קפה) באוניברסיטת אלבמה.
  2. הר המיקרו קופון עם טיפים מחודדים, מרותך הודעות Si, בתוך מדגם דיסקית ולטעון לתוך קרוסלה למיקום בתוך הזינוק.
  3. הכנס את הקרוסלה בתוך תא החיץ של הקפיצה.
  4. הפעל את ראש הלייזר ובצע כיול לייזר.
  5. לאחר השגת ואקום בחדר ניתוח בתוך או מתחת 6 x 10-11 Torr, הכנס את הדגימה דיסקוס לתוך תא הניתוח הראשי. לשימוש זה מוט העברה; פעולה זו מופעלת באמצעות סדרה של שלבים אוטומטיים והוספה ידנית.
  6. לפני הניתוח, בחר את העצה על-ידי הזזת הדגימה כדי ליישר את הקופון הזעיר עם האלקטרודה המקומית ולעדכן את מסד הנתונים כדי לציין את מספר הטיפ.
    הערה: ארבעה מתוך שישה טיפים נותחו בהצלחה (שתיים שבורות במהלך הניתוח) והביא כמות משתנה של נתונים שנרכשו החל 26 ל 92,000,000 יונים שזוהו סה כ, אשר התכתב עם הסרת 160 – 280 ננומטר שכבה עבה של מגנטיט (ראה צעד מסוים הפעלת פרמטרים מסוימים בטבלה 1).
דגימה 207 217 218 219
תאור המדגם SHV מגנטיט SHV מגנטיט SHV מגנטיט SHV מגנטיט
דגם מכשיר זינוק 5000 XS זינוק 5000 XS זינוק 5000 XS זינוק 5000 XS
הגדרות מכשירים
אורך גל לייזר 355 ננומטר 355 ננומטר 355 ננומטר 355 ננומטר
שיעור דופק לייזר 60 ג'יי פי מיכל שלושים מיכל שלושים מיכל שלושים
אנרגיית דופק בלייזר 500 קילו-הרץ 500 קילו-הרץ 500 קילו-הרץ 500 קילו-הרץ
בקרת אידוי קצב איתור קצב איתור קצב איתור קצב איתור
קצב זיהוי יעד (%) 0.5 0.5 0.5 0.5
נתיב טיסה נומינלית (mm) 100 100 100 100
טמפ ' (K) 50 50 50 50
לחץ (Torr) 9.2 x10-11 6.0 x10-11 6.1 x10-11 6.1 x10-11
תוף היסט, to (ns) 279.94 279.94 279.94 279.94
ניתוח מידע
תוכנה 3.6.12 3.6.12 3.6.12 3.6.12
סה כ יונים: 26,189,967 92,045,430 40,013,656 40,016,543
יחיד 15,941,806 55,999,564 24,312,784 23,965,867
מרובים 9,985,564 35,294,528 15,331,670 15,716,119
חלקי 262,597 751,338 369,202 334,557
יוני שוחזר: 25,173,742 89,915,256 38,415,309 39,120,141
טווח רחוק 16,053,253 61,820,803 25,859,574 26,598,745
ללא טווח רחוק 9,120,489 28,094,453 12,555,735 12,521,396
רקע (ppm/nsec) 12 12 12 12
שחזור
מדינת הטיפ הסופית שבר שבר שבר שבר
הדמיה של ניתוח לפני/הפוסט-b SEM/n.a. SEM/n.a. SEM/n.a. SEM/n.a.
מודל אבולוציה של רדיוס מתח מתח מתח מתח
Vהתחלתי; הגמר V 2205 V; 6413 V 2361 V; 7083 V 2198 V; 6154 V 2356 V; 6902 V

. שולחן 1 אטום בדיקה טומוגרפיה הגדרות רכישת נתונים ולהפעיל סיכום.

4. מעבד נתונים APT

  1. פתח את ערכת הנתונים בתוכנת העיבוד (עיין בטבלת החומרים) ובצע את השלבים הבאים לניתוח נתונים.
    1. סקור את כיוונון המידע.
    2. בחר טווח של רצף יונים על בסיס מזימת היסטוריית המתח. בחר את אזור הגלאי המעניין (ROI).
    3. בצע את התיקון של זמן הטיסה (תוף). השימוש פסגות המתאים חמצן וברזל עבור תיקון תוף.
    4. בצע כיול מסה עם זיהוי של פסגות ראשיות.
    5. לבצע את היקף היונים על המטלות שלהם להמונים ספציפיים.
    6. בצע את השחזור של פרופיל העצה.
  2. הצג את הנתונים לתוך שתי התבניות הראשיות: 1) ספקטרום כימי (Da) המסה לתשלום (איור 4); ו-2) שחזורים תלת-ממדיים של דגימות עצה (איור 5).
  3. הגדר טווחי שיא כשיא גלוי לעין, או התאם ידנית כאשר זנבות תרמיים גדולים קיימים, עבור כל ספקטרום של יחס המצב של מסה-לטעינה (איור 4). פסגות אלה מייצגות אלמנטים בודדים או מינים מולקולריים, והתפרקות הפסגות מספקת את הקומפוזיציה הכימית הכוללת לכל עצה או תכונה (כלומר, אשכולות ומלחיים) בתוך כל עצה (שולחן 2).
  4. בצע שחזורים של הקצה התלת-מימדי (3D) באמצעות שיטת הפרופיל "מתח"17 כדי לקבוע את הרדיוס המשוחזר כפונקציה של עומק מנותח (איור 5 וסרט 1).
  5. בנייה מראש של איזומטר של אקלופיליות לניהול מדידות מרווח בין-למינלי (איור 5) ולהקים את המינרל המנחה-לאמאלה כימית באמצעות proxigrams17,18 (איור 6 ).
  6. מדדי מרווח בין מרחבי עם תוכנת ניתוח תמונה.

Figure 4
איור 4: דוגמה לקשת מתוך מאסה-לטעון. ספקטרום של גביש מגנטיט מנותח עם פסגות נע הפרט מראה דוגמאות של הזיהוי של פסגות המתאימות אלמנטים בודדים (למשל, חמצן (O) או ברזל (Fe) או מולקולות (למשל, פאו). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

דגימה 207 217 218 219
רכיב מספר האטום אטומי 1s שגיאה מספר האטום אטומי 1s שגיאה מספר האטום אטומי 1s שגיאה מספר האטום אטומי 1s שגיאה
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
מ ג 123755 0.527 0.0015 486732 0.540 0.0008 203596 0.542 0.0012 234231 0.596 0.0012
אל 85598 0.364 0.0013 329602 0.366 0.0006 134637 0.359 0.0010 154779 0.394 0.0010
סי 13855 0.059 0.0005 39307 0.044 0.0002 16278 0.043 0.0003 25750 0.065 0.0004
נה 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
כולל 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

. שולחן 2 האטום בדיקת טומוגרפיה מרוכזת בצובר נתונים עבור כל הדגימות שנותחו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

כמו קריסטלים של הטיטנים הרבים משלבים שונים של התפרצות הר הגעש של הגבעות soufrière (SHV), הגביש שנותח כאן מכיל ה< 10 יקרומטר עובי, גלוי בתמונות SEM משניות (איור 1d), אשר אזורים נפרדים של Ti-ריץ מגנטיט, המציין שלב C2 של חמצון18. בהתבסס על התמונות SEM, מרווח בין האלה נע בין 2 אל 6 יקרומטר (n = 15). ארבעה החומצה טיטאני הדגימה טיפים, המכונה 207, 217, 218, ו 219, חולצו בהצלחה מגביש אחד זה ונותח על ידי APT (איור 5). שניים מהדגימות (207 ו-218) הראו ריכוזים הומוגניים של שתי הדוגמאות Fe ו-Ti לאורך (איור 5a), המציינת כי לאמפיליות לא הצטלב. שני הדגימות האחרות (217 ו-219) הראו אזורים עם ריכוזים משתנים ב-Fe, O ו-Ti (איור 5b-e). תכונות אלה מקבילות זה לזה יש הפסקות מחודדות, מעיד על הדליה אילמניט18. מדגם 219 מכיל חלק גדול יותר של המלפיליות המצטלב מאשר הדגימה 217. 3D שחזורים של נתוני APT (איור 5c-e, סרט 1) היתר מדידה מדויקת של המרווח הבין-למינלי (λ) ולספק קשקשים אורך הממוצע 29 ננומטר עבור הדגימה 219 (n = 30) ו 14 ננומטר עבור הדגימה 217 ( n = 15), עם ערך 1s של 2 ננומטר לשניהם. בנוסף מדידות אלה, היתרי APT החילוץ של מידע כימי על פני האלה להאלפיליות ברזולוציה מרחבית גבוהה (ננו-סקאלה) באמצעות ניתוח של proxigrams, לקיחת הנקודה 0 כצומת בין lamella ואת המינרל מארח ( איור 6). הפרופילים של proxigram מדיפוזיה דרך אזורים אלה הם חלקים. ריכוזי האטום של Ti בגביש, 17% בדגם 217 ו 16.5% בדגימה 219 (איור 6), לאשר כי הוא טיטאני, והוא עקבי עם ניתוחים הקודמים של מוצרי SHV eruptive18. הproxigrams האלה גם מאשרים כי הרכב של לאמפיליות מתאים לזה של אילמניט (איור 6).

Figure 5
איור 5: דוגמה של שחזורים אטומיים תלת-ממדיים של טיפים מגנטיט שנותחו (ערכי z ב-nm). (a) דגימה 218, המציגה ריכוזים הומוגניים של O, Fe ו-Ti. (ב) הדגימה 219, הצגת אזורים שהיו מרוקנים פה ומועשרים ב O ו-Ti (אזורים בהירים). (ג) משטחי היסודות היסודיים של הדגימה 219, מראה ריכוזי Intro של Fe < 30.0% בכחול, Ti > 25.0% בצהוב, ו O < 51.5% בסגול. (ד) מבט על אותו אזור בלוח c, אך סובב את 90 ° כדי לחשוף את מרווח הלצ'יני הנמדד (l). (ה) הדגימה 217, מראה חלק קטן יחסית של exsolution לאמפיליות בשמאל התחתון (ריכוזי intrאלר: Fe < 19.0%, Ti > 33.0%, O < 49.0%). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: proxigrams של נתוני APT המציגים ריכוזים אטומיים של O, Fe ו-Ti בדגימות 217 ו 219, בהתאמה. מרחק של אפס על ציר ה-x (קו אנכי מקווקו) מייצג את הגבול שבין הטיטאוגנטי שמשמאל לבין האימניט לאמיפיליות מצד ימין. מעבר לגבול זה, ריכוזי Ti עולים מ-17.0% עד 44.0% ומ16.5% עד 42.5% בדגימות של 217 ו-219, בהתאמה. התוכן של Fe קטן מ-37.7% עד 0.8% ומ38.5% עד 0.6% בדגימות של 217 ו-219, בהתאמה. ריכוז O להגדיל מ 40.0% כדי 50.2% מ 38.8% כדי 50.6% ב-דגימות 217 ו-219, בהתאמה. Ti ו-O מפוזר לעבר הלאלפיליות (מימין) ו-Fe מתפזר הרחק מן הלאלפיליות (משמאל). שגיאה בכל המדידות היא < 2% אטומי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

סרט 1.3D שחזור היסודות isoconcentration של הדגימה 219, מראה ריכוזי intralamellar של Fe < 30.0% בצבע כחול, Ti > 25.0% בצהוב, ו O < 51.5% סגול, וסובבו את ה360 ° לאורך ציר האורך (z). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

שחזורים של נתוני APT תלת-ממדיים מאפשרים מדידה מדויקת של המרווח הבין-למינאני בגביש שנותח ברזולוציה של שלוש הזמנות של סדר גודל גבוה יותר מאלה הנמדדים מתמונות SEM קונבנציונליות. הדבר מצביע על כך שווריאציות האטום בכימיה מתרחשות בהיקף מרחבי של שלוש הזמנות של סדר גודל קטן יותר מאשר שינויים מינרטיות באופן מדעי. כמו כן, המרחקים הבין-למינטיים הנמדדים (29 ננומטר ו -14 ננומטר), עקביים עם קנה המידה האורך של האוקסיאקסון, בניגוד לכך שלנוקלאוציה ולצמיחה של שלב נפרד, האחרון שמתרחש באורך קשקשים מסדר גודל של 19 גדול יותר ,20. מאוקסיקגננט של הטיטאוגנטי שנבדק כאן עשוי להיגרם כתוצאה מחימום המגמה בתוך החדר עקב אירועים מתערבבים, או חמצון הנגרמת על ידי חשיפה אטמוספרית במהלך העליה באמצעות המוליך והמיקום בפתח האוורור. גביש הטיטאוגנטי המשמש במחקר זה מציג מספר רב של לאמיפיליות על סדר 10 יקרומטר או פחות קוטר, המציין זמן מספיק עבור exsolution חלקי של הגביש כולו 0.06 mm2 . התבוננות זו, בשילוב עם מקור האפר של המדגם, עולה כי הלאלפיליות נוצרו מפני חמצון של כיפת הלבה לאחר הצבת בפתח.

Figure 7
איור 7: ייצוג סכמטי של אפשרויות שונות ללכידת exsolution לאמיפיליות בטיפים, וההשלכות למדידת מרווח למצ'יני (λ). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגירסה גדולה יותר של ה . אני מבין

מדידות אלה של המרווח הבין-למינלי היו אפשריות רק בשניים מתוך ארבעת הטיפים שנותחו והטיה זו לדגימה עלולה לגרום לשגיאה. כאשר אנו מנתחים רק כמויות ננו של הקריסטלים, כל עצה יכולה ללכוד ייצוג חלקי של התפלגות הלפיליות, העלולה להוביל לחישוב מוטעה של מרווח בין-למינלי (λ) (איור 7). עם זאת, עם ניתוח של טיפים מספיקים ויכולות הטומוגרפיה 3D של APT, הגישה שלנו מספקת שיטה הרומן למדוד בדיוק λ, אשר יכול להיות בסיסי להבין מגוון של תהליכים היסוד והמטמורפית. לדוגמה, ניתוח הדיפוזיה של Fe-Ti בגבישים מגנטיט שימש לאפיון אירועי עירוב מאגמה ושינויים בטמפרטורת המגמה ב הר געש הילס19. שיעור האינטרדיפוזיה של Fe ו-Ti יכול להיות מעוצב ממדידות מדויקות של הריווח הבין-ממדי אם ציר הזמן של הדיפוזיה יכול להיות מוגבל. מחקרים קודמים יש מנוצל exsolution לאמפיליות כדי להסיק שיעורי קירור בחדירות יסוד21,22, ואת הגישה הרומן של שימוש מתאים יכול להיות מנוצל כדי להגביל את מרכיבי דיפוזיה האלמנט ולשפר את החישובים של מאגמה וטמפרטורות כיפת לבה במערכות געשיות פעיל23,24. מלבד המדידה המדויקת של מבנים תלת-ממדיים בננו-סקאלה, APT מספק מידע כימי בקנה מידה אטומי עבור אותה רזולוציה מרחבית. זה הביא להוכיח כי המעבר מן הטיטאוגנטיט כדי אילמניט הוא הדרגתי וחלק (איור 6). הדבר מנוגד למחקרים קודמים הרומזים על מגעים חדים וברורים בין לאמיפיליות לבין השלב המארח, המבוסס על תצפיות מיקרוסקופית (SEM ו-TEM) ללא המידע הכימי. כתוצאה מכך, רק התוספת של APT יכולה לספק במדויק את המאפיינים הגיאוכימיים של מעברים אלה שלב.

בדיקת Atom טומוגרפיה (APT) היא עדיין טכניקה המתעוררים עבור יישומים גיאולוגיים25, עדיין המחקר שלנו במקרה מדגים את התועלת של יישום גישה זו למחקר של exsolution לאמפיליות, שכיח למדי מינרלים אירח היסוד ו סלעים מותמרים. במיוחד עבור הבנה של תהליכים וולקניים, מחקרים עתידיים יכולים לבחון דגימות מרובות עם לפני כיפות הלבה במהלך הכיפות (נגזר או מפרקים האוויר אפר או התמוטטות כיפה) כדי להגביל טוב יותר וריאציות ב טמפרטורה במהלך eruptive פרקים עם שיעורי דיפוזיה מחושבים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

עבודה זו נתמכת על ידי מימון של הקרן הלאומית למדע (NSF) באמצעות מענקים האוזן-1560779 ו-1647012, המשרד של סמנכ ל מחקר ופיתוח כלכלי, המכללה לאמנויות ומדעים, והמחלקה למדעים גיאולוגיים. המחברים מכירים גם את קיארה קפלי, ריץ ' מרטנס וג גודווין לסיוע טכני ומצפה הכוכבים של הר הגעש של מונטסראט למתן דגימות האפר.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Hofer, F., Wabichler, P., Grogger, W. Imaging of nanometer-sized precipitates in solids by electron spectroscopic imaging. Ultramicroscopy. 59, 15 (1995).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Austrheim, H., et al. Fragmentation of wall rock garnets during deep crustal earthquakes. Science Advances. 3, (2017).
  7. Kelly, T. F., Larson, D. J. Atom probe tomography 2012. Annual Review of Materials Research. 42, 1-31 (2012).
  8. Gordon, L. M., Joester, D. Nanoscale chemical tomography of buried organic-inorganic interfaces in the chiton tooth. Nature. 469, 194-197 (2011).
  9. Valley, J. W., et al. Hadean age for a post-magma-ocean zircon confirmed by atom-probe tomography. Nature Geoscience. 7, 219-223 (2014).
  10. 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).
  11. Weber, J., et al. Nano-structural features of barite crystals observed by electron microscopy and atom probe tomography. Chemical Geology. , 51-59 (2016).
  12. 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).
  13. Peterman, E. M., et al. Nanogeochronology of discordant zircon measured by atom probe microscopy of Pb-enriched dislocation loops. Science Advances. 2, (2016).
  14. 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).
  15. Thompson, G. B., et al. In situ site-specific specimen preparation for atom probe tomography. Ultramicroscopy. 107, 131-139 (2007).
  16. Haggerty, S. E. Oxide textures; a mini-atlas. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 25, 129-219 (1991).
  17. Gault, B., Moody, M. M., Cairney, J. M., Ringer, S. P. Atom Probe Microscopy. Springer Series in Material Sciences. 160, (2012).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Harrison, R. J., Putnis, A. The magnetic properties and crystal chemistry of oxide spinel solid solutions. Surveys in Geophysics. 19, 461-520 (1998).
  22. Price, G. D. Microstructures in titanomagnetites as guides to cooling rates of a Swedish intrusion. Geological Magazine. 116, 313-318 (1979).
  23. Price, G. D. Exsolution in titanomagnetites as an indicator of cooling rates. Mineralogical Magazine. 46, 19-25 (1982).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).

Tags

מדעי הסביבה סוגיה 152 טומוגרפיה ממוחשבת של Atom APT אפר וולקני טיטאנגנטיט אילמניט לאמפיליות פרפור-SEM מתיחת החוצה זינוק
האטום בדיקה טומוגרפיה ניתוח של מינרלים Exsolved שלבים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter