Analys av morfologi, sammansättning och avstånd av exsolution lamellerna kan ge viktig information för att förstå geologiska processer relaterade till vulkanism och metamorfos. Vi presenterar en ny tillämpning av APT för karakterisering av sådana lamellerna och jämföra denna metod för konventionell användning av elektronmikroskopi och FIB-baserade nanotomografi.
Element diffusion priser och temperatur/tryckkontroll en rad grundläggande vulkaniska och metamorfa processer. Sådana processer registreras ofta i lamellerna som löses ut från värd mineral faser. Således är analysen av orientering, storlek, morfologi, sammansättning och avstånd av exsolution lamellerna ett område med aktiv forskning inom geovetenskaperna. Den konventionella studien av dessa lameller har utförts av scanning elektronmikroskopi (SEM) och transmissionselektronmikroskopi (TEM), och på senare tid med fokuserad jonstråle (FIB)-baserad nanotomografi, men med begränsad kemisk information. Här utforskar vi användningen av Atom sond tomografi (apt) för nanoskalanalys av ilmenit exsolution lamellerna i magmatiska titanomagnetit från aska insättningar som utbröt från den aktiva Soufrière Hills vulkanen (Montserrat, British West Indies). APT tillåter exakt beräkning av interlamellära distanserna (14 – 29 ± 2 nm) och avslöjar släta diffusions profiler utan skarpa fas gränser under utbytet av FE och TI/O mellan de lösta lamellerna och värd kristallen. Våra resultat tyder på att denna nya strategi tillåter nanoskala mätningar av lamellerna sammansättning och interlamellar avstånd som kan ge ett sätt att uppskatta Lava Dome temperaturer som krävs för att modellera extrudering priser och lava kupol misslyckande, som båda spela en nyckelroll i de vulkaniska riskreducerande insatserna.
Studiet av kemisk mineralogi har varit en viktig informationskälla inom geovetenskaperna i mer än ett århundrade, eftersom mineraler aktivt registrerar geologiska processer under och efter deras kristallisation. Physio-Chemical villkorar av dessa bearbetar, liksom temperaturändringar under Volcanism och metamorphism, registreras under Mineralisk kärnbildning och tillväxt i form av kemisk zonation, striationer och lamellae, bland annat. Exsolution lamellerna bildas när en fas unmixes i två separata faser i solid state. Analysen av orientering, storlek, morfologi och avstånd hos sådana exsolution lamellerna kan ge viktig information för att förstå temperatur och tryckförändringar under vulkanism och metamorfos1,2,3 och bildandet av malmmineral fyndigheter4.
Traditionellt genomfördes studiet av exsolution lamellerna med observation av mikrografer genom enkel scanning Electron Imaging5. På senare tid har detta ersatts av användning av energifiltrerat transmissionselektronmikroskopi (TEM) som ger detaljerade observationer på nanoskalan1,2,3. Ändå, i båda fallen, observationerna görs i två dimensioner (2D), som inte är fullt tillräcklig för tredimensionella (3D) strukturer som representeras av dessa exsolution lamellae. Nanotomography6 växer fram som en ny teknik för 3D observation av nanoskala funktioner inuti mineraler korn, men det finns otillräcklig information om sammansättningen av dessa funktioner. Ett alternativ till dessa metoder är användningen av Atom sond tomografi (APT), som representerar den högsta rumsliga upplösningen analytisk teknik i existens för karakterisering av material7. Styrkan i tekniken ligger i möjligheten att kombinera en 3D-rekonstruktion av nanoskala funktioner med sin kemiska sammansättning på Atom skalan med en nära del-per-miljon Analytisk känslighet7. Tidigare tillämpningar av apt till analys av geologiska prover har gett utmärkta resultat8,9,10,11, särskilt i kemisk karakterisering av element Diffusion och koncentrationer9,12,13. Ändå har denna ansökan inte använts för studiet av exsolution lamellae, rikligt förekommande i vissa mineraler som finns i metamorfa och Magmatiska bergarter. Här utforskar vi användningen av APT, och dess begränsningar, för analys av storlek och sammansättning av exsolution lamellae, och interlamellar avstånd i vulkaniska titanomagnetite kristaller.
3D APT data rekonstruktioner möjliggöra en exakt mätning av interlamellar avstånd i den analyserade kristall i en upplösning tre storleksordningar högre än de som mäts från konventionella SEM bilder. Detta indikerar att Atom-variationer i kemi uppstår över en rumslig grad tre beställer av storlek som är mindre än optiskt observerbara mineralogiska ändringar. Dessutom är de uppmätta interlamellardistanserna (29 nm och 14 nm) förenliga med längd skalan för oxyexsolution i motsats till den för nukleatio…
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av finansiering från National Science Foundation (NSF) genom bidrag EAR-1560779 och EAR-1647012, kontoret för VP för forskning och ekonomisk utveckling, College of Arts and Sciences, och Institutionen för geologiska vetenskaper. Författarna erkänner också Chiara Cappelli, Rich Martens och Johnny Goodwin för teknisk assistans och Montserrat Volcano Observatory för att tillhandahålla Ask proverna.
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 |