Summary
L'analisi della morfologia, della composizione e della spaziatura delle lamelle di essoluzione può fornire informazioni essenziali per comprendere i processi geologici legati al vulcanismo e al metamorfismo. Vi presentiamo una nuova applicazione di APT per la caratterizzazione di tali lamelle e confrontiamo questo approccio con l'uso convenzionale della microscopia elettronica e della nanotomografia basata su FIB.
Abstract
I tassi di diffusione degli elementi e la temperatura/pressione controllano una serie di processi vulcanici e metamorfici fondamentali. Tali processi sono spesso registrati in lamelle essolate dalle fasi minerali dell'ospite. Così, l'analisi dell'orientamento, delle dimensioni, della morfologia, della composizione e della spaziatura delle lamelle di essoluzione è un'area di ricerca attiva nelle geoscienze. Lo studio convenzionale di queste lamelle è stato condotto mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) e microscopia elettronica a trasmissione (TEM), e più recentemente con nanotomografia a base di fascio ionico focalizzato (FIB), ma con informazioni chimiche limitate. Qui, esploriamo l'uso della tomografia atom probe (APT) per l'analisi su nanoscala della lamella e supposta essuaente in titanomagnetite ignea dai depositi di cenere eruttata dal vulcano attivo Soufrière Hills (Montserrat, Indie Occidentali Britanniche). APT consente il calcolo preciso delle distanze interlamellar (14-29 x 2 nm) e rivela profili di diffusione fluida senza confini di fase taglienti durante lo scambio di Fe e Ti/O tra le lamellae srisolte e il cristallo ospite. I nostri risultati suggeriscono che questo nuovo approccio consente misurazioni su nanoscala della composizione lamellae e della spaziatura interlamellar che possono fornire un mezzo per stimare le temperature della cupola lava necessarie per modellare i tassi di estrusione e il fallimento della cupola lavica, entrambi i quali svolgono un ruolo chiave negli sforzi di mitigazione dei rischi vulcanici.
Introduction
Lo studio della mineralogia chimica è stata una delle principali fonti di informazioni nel campo delle Scienze della Terra per più di un secolo, poiché i minerali registrano attivamente i processi geologici durante e dopo la loro cristallizzazione. Le condizioni fisiochimiche di questi processi, come i cambiamenti di temperatura durante il vulcanismo e il metamorfismo, sono registrate durante la nucleazione minerale e la crescita sotto forma di zonazione chimica, striature e lamelle, tra gli altri. Le lamelle di essoluzione si formano quando una fase si smescola in due fasi separate nello stato solido. L'analisi dell'orientamento, delle dimensioni, della morfologia e della spaziatura di tali lamelle di essoluzione può fornire informazioni essenziali per comprendere i cambiamenti di temperatura e pressione durante il vulcanismo e il metamorfismo1,2,3 e la formazione di giacimenti minerali4.
Tradizionalmente, lo studio delle lamelle di essoluzione è stato condotto con l'osservazione di micrografie mediante semplice imaging elettronico a scansione5. Più recentemente, questo è stato sostituito dall'uso di microscopia elettronica a trasmissione filtrata a energia (TEM) che fornisce osservazioni dettagliate al livello nanoscala1,2,3. Tuttavia, in entrambi i casi, le osservazioni sono fatte in due dimensioni (2D), che non è completamente adeguata per le strutture tridimensionali (3D) rappresentate da queste lamelle di essoluzione. La nanotomografia6 sta emergendo come una nuova tecnica per l'osservazione 3D delle caratteristiche su nanoscala all'interno dei grani minerali, ma non ci sono informazioni sufficienti sulla composizione di queste caratteristiche. Un'alternativa a questi approcci è l'uso della tomografia atomo probe (APT), che rappresenta la più alta tecnica analitica di risoluzione spaziale esistente per la caratterizzazione dei materiali7. La forza della tecnica sta nella possibilità di combinare una ricostruzione 3D delle caratteristiche su nanoscala con la loro composizione chimica su scala atomica con una sensibilità analitica vicina alla parte per milione7. Precedenti applicazioni di APT per l'analisi di campioni geologici hanno fornito ottimi risultati8,9,10,11, in particolare nella caratterizzazione chimica degli elementi diffusione e concentrazioni9,12,13. Eppure, questa applicazione non è stata utilizzata per lo studio di essoluzione lamellae, abbondante in alcuni minerali ospitati in rocce metamorfiche e ignee. Qui, esploriamo l'uso di APT, e dei suoi limiti, per l'analisi delle dimensioni e della composizione delle lamelle esistite e della spaziatura interlamelllar in cristalli di titanomagnetite vulcanici.
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Protocol
1. Approvvigionamento, selezione e preparazione di grani minerali
NOTA: I campioni sono stati ottenuti dalla collezione catalogata presso l'Osservatorio del Vulcano di Montserrat (MVO) e derivati dalla caduta di depositi derivanti da un vigoroso episodio di ventilazione di cenere sul vulcano di Soufrière Hills avvenuta il 5 ottobre 2009; questo è stato uno dei 13 eventi simili nel corso di tre giorni14. Questa ventilazione di cenere ha preceduto una nuova fase di crescita della cupola lavica (fase 5) iniziata il 9 ottobre. L'analisi precedente di questo campione ha mostrato che è una combinazione di frammenti di roccia cupola densa, particelle di vetro, e litic laica accidentale14.
- Versare 1 g di campione di cenere vulcanica in una distesa Petri in vetro di 10 cm di diametro.
- Avvolgere un piccolo foglio (3 cm x 3 cm) di carta di pesatura intorno a un magnete da 10 G.
- Utilizzare un magnete avvolto in carta per estrarre grani ricchi di magnetite tra 100 e 500 m di diametro dal campione di cenere e posizionarli in un setaccio in acciaio inossidabile di 32 m (5 x), di 8 cm di diametro.
- Risciacquare in acqua deionizzata per 20-30 s utilizzando una bottiglia di compressione per rimuovere le particelle di cenere più piccole e aderenti (che passeranno attraverso il setaccio) e asciugare all'aria per 24 ore.
- Fissare particelle di cenere pulite e secche per campionare supporti adatti al microscopio elettronico secondario (SEM). Immagine in modalità elettrone secondario a una tensione di accelerazione di 15-20 kV e ad una distanza di lavoro di 10 mm per selezionare i 5-10 migliori candidati per ulteriori analisi. I grani selezionati devono essere prevalentemente (>50%) magnetite (Figura 1a,b).
- Apporre i grani di cenere selezionati per cancellare il nastro, circondare con uno stampo cavo di diametro di un pollice (metallo, plastica o gomma) che è stato rivestito internamente con grasso sottovuoto, e versare in resina epossidica per riempire lo stampo (2 cm3). Lasciare che la resina epossidica guarisca secondo le istruzioni epossidiche specifiche.
- Una volta che la resina epossidica è guarita, togliere dallo stampo e sbucciare il nastro dal basso. I grani di cenere devono essere parzialmente esposti.
- Lucidare i grani di cenere epossidica utilizzando carta da macinazione SiC di cinque diverse dimensioni di grana (400, 800, 1200, 1500 e 2000 grana).
- Polacco il campione con ogni dimensione di grana, dal più alto (400) al più basso (2000) in una figura otto movimento per almeno 10 min. Tra dimensioni di grana, sonicare il campione in un bagno di acqua deionizzata per 10 min.
- Controllare il campione al microscopio per assicurarsi che la grana di lucidatura non sia presente e che la superficie del campione sia priva di graffi. Se sono presenti graffi, ripetere la procedura di lucidatura con la dimensione della grana precedente prima di sonicare e passare alla dimensione successiva della grana.
- Polacco i grani di cenere epossidio-gatto con sospensioni lucidatura allumina di 1,0 m e poi 0,3 m su panni di lucidatura.
- Polacco il campione con ogni sospensione in una figura otto mozione per almeno 10 min. Tra le dimensioni delle sospensioni, sonicare il campione in un bagno di acqua deionizzata per 10 min.
- Controllare il campione al microscopio per assicurarsi che la sospensione non sia presente e che la superficie del campione sia priva di graffi. Se sono presenti graffi, ripetere la procedura di lucidatura con la sospensione precedente prima di sonicare e passare alla dimensione successiva della sospensione. Alla fine della procedura di lucidatura, la superficie epossidica deve essere liscia e i grani di cenere devono essere piatti e ben esposti.
- Rivestire la superficie del campione con una mano di conduzione di carbonio spesso 10 nm utilizzando un dispositivo di rivestimento sputter disponibile.
- Ottenere immagini elettroniche retrosparse dei grani di cenere con il microscopio elettronico ad una tensione di accelerazione di 15-20 kV e una distanza di lavoro di 10 mm per determinare la posizione delle lamelle di essoluzione nella magnetite (Figura 1c), come condotto nella precedente studi5.
Figura 1: Esempio di grani di cenere ricchi di magnetite da episodi di ventilazione presso il vulcano Soufrière Hills. (a, b): Immagini di elettroni retrossidui (BSE) di texture sia restate che non reagite in grani magnetiti. (c) Immagine bSE di una venatura magnetite lucida che mostra la presenza di lamellae di essoluzione (alti grigi chiari; frecce rosse) di potenziale composizione ilmenita. (d) Immagine elettronale secondaria di una grana magnetite lucida preparata per l'analisi della tomografia atomo sonda (APT), che mostra la posizione di alcune lamelle di essoluzione (linee rosse tratteggiate), che sono distribuite lungo tutta la superficie del grano, e la posizione del estrazione a cuneo (freccia blu). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
2. Preparazione del campione di tomografia a tomografia atomo (APT)
- I campioni APT saranno preparati da un cuneo di materiale che rivela la presenza di lamellae di essoluzione (Figura 1d) che impiegano un protocollo di uscita basato su FIB16 (Figura 2). Prima del lavoro FIB, sputter ricopre la superficie del campione con uno strato di Cu da 15 nm per evitare la carica degli elettroni e la deriva del campione.
- Utilizzando un fascio ionico focalizzato in un microscopio elettronico a scansione a doppio fascio (FIB-SEM), depositare un rettangolo di platino (Pt) (3 m di spessore) sulla sezione lucida di interesse contenente le lamelle su una regione di 1,5 m x 20 m utilizzando un fascio di gallio (Ga)a 30 kV e 7 pA.
NOTA: Questo strato di platino viene depositato per proteggere la regione di interesse (ROI) dai danni alla fascio ionico. - Fresatura di tre cunei di materiale sotto tre lati del rettangolo Pt utilizzando la trave ionico (30 kV, 1 nA). Vedere Figura 1d e Figura 2.
- Inserire il sistema di iniezione di gas (GIS) e saldare il cuneo a un nanomanipo in situ utilizzando Pt depositato gIS prima di tagliare il bordo libero (Figura 2a).
- Utilizzando la trave ionico Ga (5 kV e 240 pA), tagliare dieci segmenti larghi 1-2 m dal cuneo e apporre in sequenza con Pt sulla parte superiore dei posti Si di un coupon di matrice microtip(Figura 2b–d).
- Modellare e affinare ogni punta del campione utilizzando modelli di fresatura anulari di diametri interni ed esterni sempre più piccoli (Figura 3). Inizialmente, eseguire la fresatura a 30 kV per produrre la geometria del provino necessaria per APT (Figura 3, pannello sinistro).
- Eseguire la fresatura finale ad una tensione di accelerazione di 5 kV al fine di ridurre l'impianto di Ga e ottenere una forma coerente punta a punta (Figura 3, pannello destro).
- Applicando gli strumenti di misura del SEM alla figura, assicurarsi che il diametro nella parte superiore delle punte si estende 50-65 nm, mentre l'angolo di gambo delle punte varia da 25 a 38.
NOTA: ulteriori dettagli sono stati pubblicati in precedenza, descrivendo il protocollo di lift-out convenzionale16.
Figura 2: Esempio di protocollo di preparazione del campione FIB-SEM per l'analisi APT. (a) Estrazione di cuneo (W) con il nanomanipore (Nm). (b) Vista laterale della gamma di micro-coupon di pali di silicio montati su una clip di rame. (c) Vista dall'alto della gamma di micro-coupon dei pali di silicio che mostrano il nanomanipoper il montaggio delle sezioni a cuneo. (d) Frammento di cuneo (S), che mostra una porzione del tappo protettivo in platino (Ptc), montato su un palo in silicio dopo la saldatura con platino (Ptw). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Esempio di suggerimenti preparati per l'analisi APT. (Sinistra) Immagine della punta dopo la prima fase di nitidezza. (A destra) Immagine della stessa punta dopo la pulizia bassa del kV, che indica il raggio della punta (67,17 nm) e l'angolo di gambo (26o). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. Acquisizione dati APT
- Eseguire analisi con una sonda atomo di elettrodo locale (LEAP) dotata di un laser UV pico-second 355 nm. Vedere i parametri di esecuzione LEAP specifici nella tabella 1.
NOTA: Le analisi sono state eseguite con un LEAP dotato di un laser UV pico-second a 355 nm, ospitato nel Central Analytical Facility (CAF) dell'Università dell'Alabama. - Montare il micro-coupon con le punte affilate, saldati ai pali Si, in un disco di provino e caricare in un carosello per il posizionamento all'interno del LEAP.
- Inserire il carosello all'interno della camera buffer del LEAP.
- Accendere la testa laser ed eseguire una calibrazione laser.
- Dopo aver ottenuto il vuoto nella camera di analisi a 6 x 10-11 Torr, inserire il campione di puck nella camera di analisi principale. Per questo uso un'asta di trasferimento; questo è azionato con una serie di passaggi automatici e inserimento manuale.
- Prima dell'analisi, selezionare la punta spostando il disco del campione per allineare il micro-coupon con l'elettrodo locale e aggiornare il database per indicare il numero di suggerimento.
NOTA: quattro suggerimenti su sei sono stati analizzati correttamente (due fratturati durante l'analisi) e hanno prodotto una quantità variabile di dati acquisiti che vanno da 26 a 92 milioni di ioni totali rilevati, che corrispondevano alla rimozione di uno strato di magnetite 160-280 nm-thick (vedere parametri di esecuzione LEAP specifici nella tabella 1).
| esemplare | 207 | 217 | 218 | 219 |
| Esempio Descrizione | Magnetite SHV | Magnetite SHV | Magnetite SHV | Magnetite SHV |
| Modello di strumento | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS |
| Impostazioni strumento | ||||
| Lunghezza d'onda laser | 355 nm | 355 nm | 355 nm | 355 nm |
| Frequenza impulsi laser | 60 pJ | 30 pJ | 30 pJ | 30 pJ |
| Energia a impulsi laser | 500 kHz | 500 kHz | 500 kHz | 500 kHz |
| Controllo dell'evaporazione | Velocità di rilevamento | Velocità di rilevamento | Velocità di rilevamento | Velocità di rilevamento |
| Tasso di rilevamento obiettivo (%) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| Percorso di volo nominale (mm) | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Temperatura (K) | 50 | 50 | 50 | 50 |
| Pressione (Torr) | 5,7x10-11 | 6.0x10-11 | 6,1x10-11 | 6,1x10-11 |
| Offset ToF, to (ns) | 279.94 | 279.94 | 279.94 | 279.94 |
| Analisi dei dati | ||||
| software | IVA S3.6.12 | IVA S3.6.12 | IVA S3.6.12 | IVA S3.6.12 |
| Ioni totali: | 26,189,967 | 92,045,430 | 40,013,656 | 40,016,543 |
| celibe | 15,941,806 | 55,999,564 | 24,312,784 | 23,965,867 |
| multiplo | 9,985,564 | 35,294,528 | 15,331,670 | 15,716,119 |
| parziale | 262,597 | 751,338 | 369,202 | 334,557 |
| Ioni ricostruiti: | 25,173,742 | 89,915,256 | 38,415,309 | 39,120,141 |
| Variava | 16,053,253 | 61,820,803 | 25,859,574 | 26,598,745 |
| Non a distanza | 9,120,489 | 28,094,453 | 12,555,735 | 12,521,396 |
| Sfondo (ppm/nsec) | 12 | 12 | 12 | 12 |
| ricostruzione f | ||||
| Stato di suggerimento finale | Fratturato | Fratturato | Fratturato | Fratturato |
| Imaging pre/post-analisi | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. |
| Modello di evoluzione del raggio | "tensione" | "tensione" | "tensione" | "tensione" |
| Viniziale; Finale V | 2205 V; 6413 V | 2361 V; 7083 V | 2198 V; 6154 V | 2356 V; 6902 V |
Tabella 1. Atom probe impostazioni di acquisizione dei dati di tomografia ed eseguire il riepilogo.
4. Trattamento dei dati APT
- Aprire il dataset nel software di elaborazione (vedere la tabella dei materiali) ed eseguire la procedura seguente per l'analisi dei dati.
- Esaminare l'impostazione delle informazioni.
- Selezionare l'intervallo di sequenze ioni in base al grafico della cronologia di tensione. Selezionare l'area di interesse del rivelatore (ROI).
- Eseguire la correzione del tempo di volo (TOF). Utilizzare picchi corrispondenti all'ossigeno e al ferro per la correzione TOF.
- Eseguire la calibrazione di massa con l'identificazione dei picchi principali.
- Eseguire la portata degli ioni per i loro incarichi a masse specifiche.
- Eseguire la ricostruzione del profilo di punta.
- Mostrare i dati nei due formati principali: 1) spettri di stato mass-to-charge (Da) (Figura 4); e 2) ricostruzioni 3D di campioni di punta (Figura 5).
- Definire i picco come l'intero picco visibile o regolare manualmente quando sono presenti code termiche di grandi dimensioni, per ogni spettro di rapporto di stato massa-carica (Figura 4). Questi picchi rappresentano singoli elementi o specie molecolari, e la decomposizione dei picchi fornisce la composizione chimica complessiva per ogni punta o caratteristica (cioè cluster e lamelle esasoluzioni) all'interno di ogni punta (Tabella 2).
- Eseguire ricostruzioni tridimensionali (3D) di punta utilizzando il metodo di profilo della punta"tensione" 17 per determinare il raggio ricostruito in funzione della profondità analizzata (Figura 5 e Film 1).
- Ricostruire le isosuperfici delle lamelle di essoluzione per condurre misurazioni della spaziatura interlamelllare (Figura 5) e stabilire la relazione chimica minerale-lamella ospite utilizzando proxigrammi17,18 ( Figura 6 (Figura 6 ).
- Misura le distanze interlamellar con il software di analisi delle immagini.
Figura 4: Esempio di spettro di massa-carica APT rappresentativo. Spettro per il cristallo magnetite analizzato con picchi a distanza individuale che mostrano esempi di identificazione dei picchi corrispondenti a singoli elementi (ad esempio, ossigeno (O) o ferro (Fe)) o molecole (ad esempio, FeO). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| esemplare | 207 | 217 | 218 | 219 | ||||||||
| elemento | Conteggio Atomo | % atomica | 1s errore | Conteggio Atomo | % atomica | 1s errore | Conteggio Atomo | % atomica | 1s errore | Conteggio Atomo | % atomica | 1s errore |
| 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 |
| si m inv | 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 |
| totale | 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 | ||||||||
Tabella 2. Atom sonda tomografia dati compositivi di massa per tutti i campioni analizzati.
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Representative Results
Come molti cristalli di titanomagnetite provenienti da varie fasi dell'eruzione del vulcano delle colline di Soufrière (SHV), il cristallo analizzato qui contiene lamella essoluzione <10 m di spessore, visibile nelle immagini SECONDARIe SEM(Figura 1d),che separano le zone di Magnetite ricca di ti, che indica uno stadio C2 di ossidazione18. Sulla base delle immagini SEM, la spaziatura tra queste lamellae varia da 2 a 6 m (n - 15). Quattro punte di campioni di titanomagnetite, denominati 207, 217, 218 e 219, sono stati estratti con successo da questo singolo cristallo e analizzati da APT (Figura 5). Due degli esemplari (207 e 218) hanno mostrato concentrazioni omogenee di Fe e Ti in tutto (Figura 5a), indicando che le lamelle non erano intersecate. Gli altri due campioni (217 e 219) mostravano zone con concentrazioni variabili in Fe, O e Ti (Figura 5b-e). Queste caratteristiche sono parallele l'una all'altra e hanno terminazioni commesite, indicative di traliccio ilmenite18. L'esemplare 219 contiene una percentuale maggiore delle lamelle intersecate rispetto all'esemplare 217. Le ricostruzioni 3D dei dati APT (Figura 5c-e, Film 1) permettono una misurazione precisa della spaziatura interlamelllare (sezione) e forniscono scale di lunghezza che mediano 29 nm per l'esemplare 219 (n - 30) e 14 nm per il campione 217 ( n n 15), con un valore 1s di 2 nm per entrambi. Oltre a queste misurazioni, APT consente l'estrazione di informazioni chimiche attraverso queste lamelle ad alta risoluzione spaziale (nanoscala) attraverso l'analisi dei proxigrammi, prendendo il punto 0 come intersezione tra la lamella e il minerale ospite ( Figura 6). I profili di diffusione del proscigramma attraverso queste zone sono lisci. Le concentrazioni atomiche di Ti nel cristallo, il 17% nell'esemplare 217 e il 16,5% nel campione 219 (Figura 6), confermano che si tratta di una titanomagnetite e sono coerenti con le precedenti analisi petrolologiche dei prodotti eruttivi SHV18. Questi proxigrammi confermano anche che la composizione delle lamelle corrisponde a quella della ilmenita (Figura 6).
Figura 5: Esempio di ricostruzioni atomiche 3D di suggerimenti magnetite analizzati (valori z in nm). (a) Esemplare 218, che mostra le concentrazioni omogenee di O, Fe e Ti. (b) Esemplare 219, che mostra le regioni esaurite in Fe e arricchite in O e Ti (aree più leggere). (c) Superfici isoconcentrato elementare del campione 219, che mostrano le concentrazioni intralamellari di Fe < 30,0% in blu, Ti > 25,0% in giallo e O < 51,5% in viola. (d) Vista della stessa area nel pannello c, ma ruotata di 90 gradi per rivelare la spaziatura lamelllare misurata (l). (e) Esemplare 217, che mostra una porzione relativamente più piccola di lamelle eslove in basso a sinistra (concentrazioni intralamellari: Fe < 19,0%, Ti > 33,0%, O < 49,0%). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Procxigrammi di dati APT che mostrano concentrazioni atomiche di O, Fe e Ti negli esemplari 217 e 219, rispettivamente. Una distanza pari a zero sull'asse x (linea verticale tratteggiata) rappresenta il confine tra la titanomagnetite a sinistra e la lamellae ilmenita a destra. Attraverso questo confine, le concentrazioni di Ti aumentano rispettivamente dal 17,0% al 44,0% e dal 16,5% al 42,5% negli esemplari 217 e 219. Il contenuto di Fe diminuisce dal 37,7% allo 0,8% e dal 38,5% allo 0,6% negli esemplari rispettivamente 217 e 219. Le concentrazioni di O aumentano rispettivamente dal 40,0% al 50,2% e dal 38,8% al 50,6% negli esemplari 217 e 219. Ti e O si diffondono verso le lamelle (a destra) e Fe si sta diffondendo lontano dalle lamelle (a sinistra). L'errore in tutte le misurazioni è < 2 atomic %. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Film 1. Ricostruzione dell'isoconcentrazione elementare 3D dell'esemplare 219, che mostra le concentrazioni intralamellari di Fe < 30,0% in blu, Ti > 25,0% in giallo e O < 51,5% in viola, e ruotato di 360 gradi lungo l'asse longitudinale (z). Fare clic qui per scaricare questo file.
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Discussion
Le ricostruzioni di dati APT 3D consentono una misurazione precisa della spaziatura interlamelllar nel cristallo analizzato ad una risoluzione di tre ordini di grandezza superiore a quelli misurati dalle immagini SEM convenzionali. Ciò indica che le variazioni atomiche nella chimica si verificano su un'estensione spaziale tre ordini di grandezza più piccoli dei cambiamenti omonotabili omerico. Inoltre, le distanze interlamelllar misurate (29 nm e 14 nm), sono coerenti con la scala di lunghezza per l'ossidiatore rispetto a quella per la nucleazione e la crescita di una fase separata, quest'ultima delle quali si verifica su lunghezze scala un ordine di grandezza maggiore19 ,20. L'ossisoluzione della titanomagnetite qui esaminata potrebbe essere il risultato del riscaldamento del magma all'interno della camera a causa di eventi di commistione, sia dell'ossidazione indotta dall'esposizione atmosferica durante la risalita attraverso il condotto e la postazione allo sfiato. Il cristallo titanomagnetite utilizzato in questo studio mostra numerose lamelle dell'ordine di 10 m o meno di diametro, indicando un tempo sufficiente per l'essoluzione parziale dell'intero cristallo di 0,06 mm2. Tale osservazione, in combinazione con l'origine di sfogo di cenere del campione, suggerisce che le lamelle si siano formate dall'ossidazione della cupola di lava in seguito alla postazione alla presa d'aria.
Figura 7: Rappresentazione schematica di diverse possibilità per l'acquisizione di lamellae di essoluzione nei suggerimenti APT e le implicazioni per la misurazione della spaziatura lamellare (-. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questo figura.
Queste misurazioni della spaziatura interlamellare erano possibili solo in due dei quattro suggerimenti analizzati e questa distorsione di campionamento poteva indurre errore. Analizzando solo i volumi su nanoscala dei cristalli, ogni punta potrebbe catturare una rappresentazione parziale della distribuzione delle lamelle, portando potenzialmente a un calcolo errato della spaziatura interlamellar (Sezione ) (Figura 7). Tuttavia, con l'analisi di suggerimenti sufficienti e le capacità di tomografia 3D di APT, il nostro approccio fornisce un nuovo metodo per misurare con precisione la z, che può essere fondamentale per comprendere una varietà di processi ignei e metamorfici. Ad esempio, l'analisi della diffusione di Fe-Ti nei cristalli magnetiti è stata utilizzata per caratterizzare gli eventi di commistione del magma e i cambiamenti nella temperatura del magma al vulcano Soufrière Hills19. Il tasso di interdiffusione di Fe e Ti potrebbe essere modellato da misurazioni accurate della spaziatura interlamelllar se la scala cronologica della diffusione può essere limitata. Studi precedenti hanno utilizzato le lamelle di essoluzione per dedurre i tassi di raffreddamento nelle intrusioni ignee21,22, e il nuovo approccio dell'utilizzo di APT può potenzialmente essere utilizzato per limitare l'interdiffusione degli elementi e migliorare i calcoli di temperature di magma e cupola lavica nei sistemi vulcanici attivi23,24. Oltre alla misurazione precisa delle strutture 3D su nanoscala, APT fornisce informazioni chimiche su scala atomica per la stessa risoluzione spaziale. Ciò ha portato a dimostrare che la transizione dalla titanomagnetite alla ilmenite è graduale e agevole (Figura 6). Ciò è in contrasto con gli studi precedenti che suggeriscono contatti taglienti e distinti tra le lamelle di estexazione e la fase ospite, basate su osservazioni di microscopia (SEM e TEM) senza le informazioni chimiche. Di conseguenza, solo l'aggiunta di APT può fornire con precisione le caratteristiche geochimiche di queste transizioni di fase.
La tomografia atomo probe (APT) è ancora una tecnica emergente per le applicazioni geologiche25, ma il nostro caso di studio dimostra l'utilità di applicare questo approccio per lo studio delle lamelle di essoluzione, abbastanza comune nei minerali ospitati in igneous e rocce metamorfiche. In particolare per comprendere i processi vulcanici, studi futuri possono esaminare più campioni con lamelle esistite in tutte le cupole laviche (derivate da episodi di sfiato di cenere o eventi di collasso della cupola) al fine di limitare meglio le variazioni durante gli episodi eruttivi con tassi di diffusione calcolati.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto da finanziamenti dalla National Science Foundation (NSF) attraverso sovvenzioni EAR-1560779 e EAR-1647012, l'Ufficio del VP for Research and Economic Development, il College of Arts and Sciences, e il Dipartimento di Scienze geologiche. Gli autori riconoscono anche Chiara Cappelli, Rich Martens e Johnny Goodwin per assistenza tecnica e l'Osservatorio del vulcano Montserrat per aver fornito i campioni di cenere.
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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