Summary
Ekstremite lamellae morfolojisi, bileşimi ve aralığıanalizi volkanizma ve metamorfizma ile ilgili jeolojik süreçleri anlamak için gerekli bilgileri sağlayabilir. Bu lamellanın karakterizasyonu için APT'nin yeni bir uygulamasını savuruyoruz ve bu yaklaşımı elektron mikroskobu ve FIB tabanlı nanotomografinin geleneksel kullanımıyla karşılaştırıyoruz.
Abstract
Element difüzyon hızları ve sıcaklık/basınç, bir dizi temel volkanik ve metamorfik prosesleri kontrol eder. Bu tür süreçler genellikle ev sahibi mineral evrelerinden emzilen lamellae kaydedilir. Bu nedenle, ekstremite lamellae'nin oryantasyonu, büyüklüğü, morfolojisi, bileşimi ve aralığının analizi yerbilimde aktif bir araştırma alanıdır. Bu lamellae'nin konvansiyonel çalışması elektron mikroskobu (SEM) ve iletim elektron mikroskobu (TEM) taramalı ve daha yakın zamanda odaklanmış iyon ışını (FIB) tabanlı nanotomografi ile, ancak sınırlı kimyasal bilgi ile gerçekleştirilmiştir. Burada, aktif Soufrière Hills Volcano (Montserrat, İngiliz Batı Hint Adaları) patlak kül mevduat volkanik titanomagnetit ilmenite eksensasyon lamellae nanoölçekli analizi için atom prob tomografisi (APT) kullanımını keşfetmek. APT interlamellar aralıkların (14-29 ± 2 nm) hassas hesaplanmasına izin verir ve fe ve Ti/O'nun çözülmüş lamellae ile ana kristal arasında değişimi sırasında keskin faz sınırları olmayan pürüzsüz difüzyon profillerini ortaya çıkarır. Sonuçlarımız, bu yeni yaklaşımın, ekstrüzyon hızlarını ve lav kubbe sarızası modelini yapmak için gerekli lav kubbesi sıcaklıklarını tahmin etmek için bir araç sağlayacak olan lamele bileşiminin nano ölçekli ölçümlerine ve interlamellar aralıklara izin verdiğini göstermektedir. volkanik tehlike azaltma çabalarında önemli bir rol oynamaktadır.
Introduction
Kimyasal mineraloji çalışmaları, minerallerin kristalizasyon sırasında ve sonrasında jeolojik süreçleri aktif olarak kaydettiğinden, yüzyılı aşkın bir süredir Yer Bilimleri alanında önemli bir bilgi kaynağı olmuştur. Volkanizma ve metamorfizma sırasında sıcaklık değişimleri gibi bu süreçlerin fizyo-kimyasal koşulları, mineral çekirdekleşme ve büyüme sırasında kimyasal zoonasyon, striations ve lamellae şeklinde kaydedilir. Ekstremite lamellae formu bir faz katı durumda iki ayrı aşamaya ayrılır. Oryantasyon analizi, boyutu, morfolojisi, ve bu tür ekstremite lamellae aralığı volkanizma ve metamorfizma 1 sırasında sıcaklık ve basınç değişiklikleri anlamak için gerekli bilgileri sağlayabilir1,2,3 ve cevher mineral yataklarının oluşumu4.
Geleneksel olarak, ekstremite lamellae çalışma basit tarama elektron görüntüleme5tarafından mikrografların gözlem ile yapılmıştır. Daha yakın zamanda, bu nanoölçekli düzeyde ayrıntılı gözlemler sağlayan enerji filtreli iletim elektron mikroskobu (TEM) kullanımı ile yerini almıştır1,2,3. Bununla birlikte, her iki durumda da gözlemler iki boyutlu (2D) olarak yapılır ve bu yapılar bu ekstremite lamellae ile temsil edilen üç boyutlu (3D) yapılar için tam olarak yeterli değildir. Nanotomografi6 mineral tanecikleri içinde nanoölçekli özelliklerin 3D gözlem için yeni bir teknik olarak ortaya çıkmaktadır, ancak bu özelliklerin bileşimi hakkında yeterli bilgi yoktur. Bu yaklaşımlara alternatif olarak atom prob tomografisi (APT) kullanımı, malzemelerin karakterizasyonu için var olan en yüksek mekansal çözünürlük analitik tekniği temsil eden7. Tekniğin gücü, nanoölçekli özelliklerin 3Boyutlu yeniden rekonstrüksiyonunun atomik ölçektekimyasal bileşimi ile milyonda neredeyse yarı-milyon analitikhassasiyeti7 ile birleştirilmesi olasılığında yatsın. Jeolojik örneklerin analizi için APT önceki uygulamaları mükemmelsonuçlar8 ,9,10,11, özellikle elementin kimyasal karakterizasyonu sağlamıştır difüzyon ve konsantrasyonları9,12,13. Ancak, bu uygulama ekstremite lamellae çalışma için kullanılmamıştır, bazı mineraller metamorfik ve igneous kayalarda barındırılan bol. Burada, ekstremite lamellae boyutu ve bileşimi nin analizi için APT kullanımını ve sınırlamalarını ve volkanik titanomanyetit kristallerinde interlamellar aralıkları araştırıyoruz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Mineral tanelerinin kaynak kullanımı, seçimi ve hazırlanması
NOT: Örnekler Montserrat Volkan Gözlemevi'nde kataloglanan koleksiyondan elde edilmiş ve 5 Ekim 2009 tarihinde Soufrière Hills Volcano'da meydana gelen güçlü bir kül havalandırma bölümünden kaynaklanan düşen tortulardan elde edilmiştir; Bu üç gün14bir ders boyunca 13 benzer olaylardan biriydi. Bu kül havalandırma 9 Ekim'de başlayan lav kubbe büyüme (faz 5) yeni bir aşama öncesinde. Bu örnek önceki analiz yoğun kubbe kaya parçaları, camsı parçacıklar ve kazara litik14bir arada olduğunu gösterdi.
- 10 cm çapında cam Petri kabına 1 g volkanik kül örneği dökün.
- Küçük (3 cm x 3 cm) bir kağıt tabakasını 10 G mıknatısın etrafına sarın.
- Manyetit açısından zengin taneleri kül numunesinden 100 μm ile 500 m çapında çekmek için kağıt sarılı mıknatıs kullanın ve 32 μm (5 φ), 8 cm çapında paslanmaz çelik elek yerleştirin.
- Daha küçük, yapışan kül parçacıklarını (elekten geçecek) çıkarmak için bir sıkma şişesi kullanarak 20-30 s'lik deiyonize suda durulayın ve 24 saat boyunca hava kurulayın.
- İkincil elektron mikroskobuna (SEM) uygun numune yuvalarına temiz ve kuru kül partikülleri yapıştırın. 15-20 kV hızlanma geriliminde ve 10 mm çalışma mesafesinde daha fazla analiz için 5-10 en iyi adayı seçmek için ikincil elektron modunda görüntü. Seçilen taneler ağırlıklı olarak olmalıdır (>%50) manyetit (Şekil 1a,b).
- Bant temizlemek için seçilen kül taneleri, dahili vakum gres ile kaplanmış olan bir inç çapında içi boş kalıp (metal, plastik veya kauçuk) ile surround ve kalıp doldurmak için epoksi reçine dökün (2 cm3). Epoksi belirli epoksi talimatlarına göre tedavi izin verin.
- Epoksi iyileştikten sonra, kalıptan çıkarın ve alttan bant soyun. Kül taneleri kısmen maruz kalmalıdır.
- Lehçe epoksi döküm kül taneleri beş farklı kum boyutları (400, 800, 1200, 1500 ve 2000 kum) SiC taşlama kağıdı kullanarak.
- En yüksek (400) en düşük (2000) en az 10 dakika için bir şekil sekiz hareket, her kum boyutu ile lehçe örnek. Kum boyutları arasında, 10 dakika deiyonize su bir banyoda örnek sonicate.
- Parlatma kumu mevcut olmadığından ve numune yüzeyinin çizilmediğinden emin olmak için numuneyi mikroskop altında kontrol edin. Çizikler varsa, sonicating ve bir sonraki kum boyutuna geçmeden önce önceki kum boyutu ile parlatma prosedürü tekrarlayın.
- Epoksi kedi kül tanelerini 1,0 μm'lik alümina parlatma süspansiyonları ve daha sonra parlatma bezleri üzerinde 0,3 m ile parlata.
- En az 10 dakika boyunca bir şekil sekiz hareket her süspansiyon ile örnek Lehçe. Süspansiyon boyutları arasında, 10 dakika deiyonize su banyosunda örnek sonicate.
- Süspansiyonun mevcut olmadığından ve numune yüzeyinin çizilmediğinden emin olmak için numuneyi mikroskop altında kontrol edin. Çizikler varsa, sonicating ve bir sonraki süspansiyon boyutuna geçmeden önce önceki süspansiyon ile parlatma prosedürü tekrarlayın. Parlatma işleminin sonunda epoksi yüzey pürüzsüz olmalı ve kül taneleri düz ve iyi pozlanmış olmalıdır.
- Mevcut bir püskürtme kaplama cihazı kullanarak numune yüzeyini ~10 nm kalınlığında karbon iletken bir kat ile kaplayın.
- Daha önce olduğu gibi, 15-20 kV hızlanma geriliminde ve 10 mm'lik çalışma mesafesi ile kül tanelerinin geri dağılmış elektrongörüntülerini elde edin. çalışmalar5.
Şekil 1: Soufrière Hills yanardağı havalandırma bölüm manyetit açısından zengin kül taneleri örneği. (a, b): Manyetit tanelerinde hem tepkili hem de tepkisiz dokuların geri dağılmış elektron görüntüleri (BSE). (c) Potansiyel ilmezit bileşiminin ekspes lamellae (açık gri tornalar; kırmızı oklar) varlığını gösteren cilalı manyetit taneBSE görüntü. (d) Atom prob tomografisi (APT) analizi için hazırlanan cilalı manyetit tanesinin ikincil elektron görüntüsü, tahıl yüzeyi boyunca dağılmış bazı ekstremite lamellalarının (kesikli kırmızı çizgiler) yerini ve kama çıkarma (mavi ok). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
2. Atom prob tomografisi (APT) numune hazırlama
- APT örnekleri, FIB tabanlı kaldırma protokolü16 (Şekil 2)kullanan eksüzyon lamellae(Şekil 1d)varlığını ortaya çıkaran bir malzeme kamasından hazırlanacaktır. FIB çalışmadan önce, fışkırtma, elektron şarjını ve numune sürüklenmelerini önlemek için numune yüzeyini 15 nm Cu tabakası ile kaplar.
- Çift ışın taramalı elektron mikroskobunda (FIB-SEM) odaklanmış bir iyon ışını kullanarak, 30'da galyum (Ga+) iyon ışını kullanarak 1,5 m x 20 m'lik bir bölge üzerinde lamellae içeren parlatılmış faiz bölümüne platin (Pt) (3 μm kalınlıkta) bir dikdörtgen yatırın kV ve 7 pA.
NOT: Bu platin tabaka iyon ışını hasarına karşı ilgi bölgesi (ROI) korumak için yatırılır. - Iyon ışını (30 kV, 1 nA) kullanarak Pt dikdörtgeninin üç tarafının altında üç malzeme dilimi değirmeni. Bkz. Şekil 1d ve Şekil 2.
- Gaz enjeksiyon sistemi (GIS) takın ve son kenarı serbest kesmeden önce GIS-yatırılan Pt kullanarak yerinde nano-manipülatör kama kaynak(Şekil 2a).
- Ga+ iyon ışını (5 kV ve 240 pA) kullanarak, kamadan on 1-2 μm genişliğinde parçalar kesip sırayla pt ile bir mikrotip dizi kuponunun Si mesajlarının üstlerine yapıştırın(Şekil 2b–d).
- Giderek daha küçük iç ve dış çaplarda anüler frezeleme desenleri kullanarak her numune ucunu şekillendirin ve keskinleştirin(Şekil 3). Başlangıçta, APT için gerekli numune geometrisi üretmek için 30 kV frezeleme gerçekleştirmek (Şekil 3, sol panel).
- Ga+ implantasyonunu azaltmak ve tutarlı bir uç-uç şekli elde etmek için 5 kV'luk hızlanan bir gerilimde son frezelemeyi gerçekleştirin(Şekil 3, sağ panel).
- SEM'nin ölçüm araçlarını şama uygulayarak, uçların üst kısmındaki çapın 50-65 nm, uçların sap açısının ise 25° ile 38° arasında değiştiğinden emin olun.
NOT: Daha önce, geleneksel kaldırma protokolü16açıklayan daha fazla bilgi yayınlanmıştır.
Şekil 2: APT analizi için FIB-SEM numune hazırlama protokolü örneği. (a) Kama (W) nanomanipülatör (Nm) ile kaldırma-çıkarma çıkarma. (b) Bakır bir klipsüzerine monte edilen silikon direklerin mikro kupon dizisinin yanal görünümü. (c) Kama bölümleri montajı için nanomanipülor gösteren silikon direklerin mikro-kupon dizi üst görünümü. (d)Koruyucu platin kapağın (Ptc) bir kısmını gösteren kama parçası (Ptc), platin (Ptw) ile kaynak tan sonra silikon direğe monte edilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: APT analizi için hazırlanan ipuçlarıörneği. (Sol) Keskinleştirmenin ilk aşamasından sonra uç görüntüsü. (Sağ) Uç yarıçapı (67,17 nm) ve sap açısını (26°) gösteren düşük kV temizliğinden sonra aynı ucun görüntüsü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
3. APT veri toplama
- Piko saniyeli 355 nm UV lazer ile donatılmış yerel bir elektrot atom probu (LEAP) ile analiz yapın. Tablo 1'dekibelirli LEAP çalışma parametrelerine bakın.
NOT: Analizler, Alabama Üniversitesi'ndeki Merkezi Analitik Tesisi'nde (CAF) bulunan piko saniyeli 355 nm UV lazer ile donatılmış bir LEAP ile gerçekleştirilmiştir. - Mikro kuponu, si direklerine kaynaklanmış keskinleştirilmiş uçlarla bir numune diskine monte edin ve LEAP'in içine yerleştirilmesi için bir atlıkarıncaya yükleyin.
- Atlıkarıncayı LEAP'in tampon odasına yerleştirin.
- Lazer başını açın ve bir lazer kalibrasyon gerçekleştirin.
- Analiz odasında 6 x 10-11 Torr'da veya altında vakum elde ettikten sonra, disk örneğini ana analiz odasına yerleştirin. Bu kullanım için bir transfer çubuğu; bu otomatik adımlar ve manuel ekleme bir dizi ile çalıştırılır.
- Analizden önce, mikro kuponu yerel elektrotla hizalamak için numune diskini hareket ettirerek ucu seçin ve ipucu numarasını belirtmek için veritabanını güncelleyin.
NOT: Altı ipucundan dördü başarılı bir şekilde analiz edildi (analiz sırasında iki kırık) ve 160-280 nm kalınlığındaki manyetit tabakasının çıkarılmasına karşılık gelen 26 ila 92 milyon toplam tespit iyonarasında değişen miktarda elde edilen veri ile sonuçlandı (bkz. tablo 1'debelirli LEAP çalışma parametreleri ).
| Numune | 207 | 217 | 218 | 219 |
| Örnek Açıklama | SHV Manyetit | SHV Manyetit | SHV Manyetit | SHV Manyetit |
| Enstrüman Modeli | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS |
| Enstrüman Ayarları | ||||
| Lazer Dalga Boyu | 355 nm | 355 nm | 355 nm | 355 nm |
| Lazer Nabız Hızı | 60 pJ | 30 pJ | 30 pJ | 30 pJ |
| Lazer Darbe Enerjisi | 500 kHz | 500 kHz | 500 kHz | 500 kHz |
| Buharlaşma Kontrolü | Algılama Oranı | Algılama Oranı | Algılama Oranı | Algılama Oranı |
| Hedef Tespit Oranı (%) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| Nominal Uçuş Yolu (mm) | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Sıcaklık (K) | 50 | 50 | 50 | 50 |
| Basınç (Torr) | 5.7x10-11 | 6.0x10-11 | 6.1x10-11 | 6.1x10-11 |
| ToF ofset, to (ns) | 279.94 | 279.94 | 279.94 | 279.94 |
| Veri Analizi | ||||
| Yazılım | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 |
| Toplam İyonlar: | 26,189,967 | 92,045,430 | 40,013,656 | 40,016,543 |
| Tek | 15,941,806 | 55,999,564 | 24,312,784 | 23,965,867 |
| Birden çok | 9,985,564 | 35,294,528 | 15,331,670 | 15,716,119 |
| Kısmi | 262,597 | 751,338 | 369,202 | 334,557 |
| Yeniden Yapılandırılan İyonlar: | 25,173,742 | 89,915,256 | 38,415,309 | 39,120,141 |
| Değişmekteydi | 16,053,253 | 61,820,803 | 25,859,574 | 26,598,745 |
| Aralıksız | 9,120,489 | 28,094,453 | 12,555,735 | 12,521,396 |
| Arka plan (ppm/nsec) | 12 | 12 | 12 | 12 |
| Rekonstrüksiyonu | ||||
| Son ipucu durumu | Kırık | Kırık | Kırık | Kırık |
| Ön/Post-analiz Görüntüleme | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. |
| Yarıçap Evrim Modeli | "voltaj" | "voltaj" | "voltaj" | "voltaj" |
| Vharfi; Vfinal | 2205 V; 6413 V | 2361 V; 7083 V | 2198 V; 6154 V | 2356 V; 6902 V |
Tablo 1. Atom prob tomografi veri toplama ayarları ve çalışma özeti.
4. APT veri işleme
- İşleme yazılımındaki veri kümesini açın (Malzemeler Tablosu'nabakın) ve veri analizi için aşağıdaki adımları gerçekleştirin.
- Bilgi kurulumlarını gözden geçirin.
- Voltaj geçmişi çizimini temel alan iyon sıra aralığını seçin. İlgi çekici dedektör bölgesini (YG) seçin.
- Uçuş süresi (TOF) düzeltmesi yapın. TOF düzeltmesi için oksijen ve demire karşılık gelen zirveleri kullanın.
- Ana zirvelerin tanımlanması ile kütle kalibrasyonu gerçekleştirin.
- Belirli kitlelere atamaları için iyonların değişen gerçekleştirin.
- Uç profilinin yeniden yapılandırını gerçekleştirin.
- Verileri iki ana biçimde gösterin: 1) kütle-yük durumu oranı (Da) kimyasal spektrum (Şekil 4); ve 2) Uç örneklerinin 3Boyutlu rekonstrüksiyonları (Şekil 5).
- Tepe aralıklarını görünür tepenin tamamı olarak tanımlayın veya her kütleden yüke durum oranı spektrumu için büyük termal kuyruklar varken el ile ayarlayın (Şekil 4). Bu zirveler tek elementleri veya moleküler türleri temsil eder ve zirvelerin ayrışması her uç veya özellik için genel kimyasal bileşimi (yani kümeler ve ekstremite lamellae) her ucun içinde sağlar(Tablo 2).
- Analiz edilmiş derinliğin bir fonksiyonu olarak yeniden yapılandırılan yarıçapı belirlemek için "voltaj" uç profili yöntemi17'yi kullanarak üç boyutlu (3D) uç rekonstrüksiyonları gerçekleştirin(Şekil 5 ve Film 1).
- Interlamellar aralık ölçümleri yapmak için ekstremite lamellalarının izosurfacelerinin yeniden oluşturulması(Şekil 5) ve proxigrams17,18 kullanarak konak mineral-lamella kimyasal ilişkisini kurmak (Şekil 6 ).
- Görüntü analiz yazılımı ile interlamellar aralıkları ölçün.
Şekil 4: Temsili bir APT kütleden şarj spektrumuna örnek. Tek elementlere (örneğin, oksijen (O) veya demir (Fe)) veya moleküllere (örneğin, FeO) karşılık gelen zirvelerin tanımlanmasıörneklerini gösteren tek tek aralıklı tepelerle analiz edilen manyetit kristalinin spektrumu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Numune | 207 | 217 | 218 | 219 | ||||||||
| Öğe | Atom sayısı | Atom % | 1s hata | Atom sayısı | Atom % | 1s hata | Atom sayısı | Atom % | 1s hata | Atom sayısı | Atom % | 1s hata |
| 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 |
| Toplam | 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 | ||||||||
Tablo 2. Analiz edilen tüm numuneler için atom prob tomografisi toplu bileşim verileri.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Soufrière Hills Volcano (SHV) patlamasının çeşitli aşamalarından birçok titanomagnetit kristalleri gibi, burada analiz edilen kristal ekslüasyon lamellae <10 μm kalınlığında, ikincil SEM görüntüleri görünür içerir (Şekil 1d), hangi ayrı bölgeleri Ti-zengin manyetit, oksidasyon bir C2 aşaması gösteren18. SEM görüntülerine dayanarak, bu lamellae ler arasındaki boşluk 2 ile 6 μm(n = 15) arasında değişmektedir. 207, 217, 218 ve 219 olarak adlandırılan dört titanomanyetit numune ucu bu tek kristalden başarıyla çıkarılmış ve APT tarafından analiz edilmiştir(Şekil 5). Örneklerden ikisi (207 ve 218) boyunca hem Fe hem de Ti homojen konsantrasyonları(Şekil 5a)göstererek lalanın kesişmediğini göstermiştir. Diğer iki örnek (217 ve 219) Fe, O ve Ti(Şekil 5b-e)değişken konsantrasyonları olan bölgeleri gösterdi. Bu özellikler birbirine paraleldir ve trellis ilmenite18'ingöstergesi olan konik sonlandırmalara sahiptir. Örnek 219, kesişmiş lamellanın 217 numunesinden daha büyük bir oranını içerir. APT verilerinin 3Boyutlu rekonstrüksiyonları(Şekil 5c-e, Film 1) interlamellar aralığının (λ) kesin bir ölçümüne izin verir ve numune 219(n = 30) ve numune 217 için 14 nm ortalama 29 nm uzunluk ölçekleri sağlar ( n = 15), her ikisi için de 2 nm 1s değeri ne kadar dır. Bu ölçümlere ek olarak, APT, proxigramların analizi yoluyla yüksek uzamsal çözünürlükte (nano ölçekli) bu lamellae arasında kimyasal bilgilerin çıkarılmasına izin verir ve lamella ile konak minerali arasındaki kesişme noktası olarak 0 noktasını alır ( Şekil 6). Bu bölgeler üzerinden proxigram difüzyon profilleri pürüzsüzdür. Kristaldeki Ti'nin atomik konsantrasyonları, numune 217'de %17 ve numune 219'da %16,5(Şekil 6),titanomanyetit olduğunu ve SHV püskürtülmüş ürünlerin önceki petroolojik analizleri ile tutarlı olduğunu doğrulamaktadır18. Bu proxigrams da lamellae bileşimi ilmenite eşleştiğini teyit (Şekil 6).
Şekil 5: 3Boyutlu atomik rekonstrüksiyonlar örneği (nm'deki z değerleri) analiz edilen manyetit uçları. (a) O, Fe ve Ti homojen konsantrasyonlarını gösteren örnek 218. (b) Örnek 219, Fe'de tükenmiş ve O ve Ti (daha açık alanlar) zenginleştirilmiş bölgeleri gösteren. (c)Örnek 219'un elemental izokonsantrasyon yüzeyleri, Fe <'nin intralamellar konsantrasyonlarını gösterir; mavide %30.0, Sarıda %25.0 ve Mor'da O <%51.5. (d) Panel c aynı alanın görünümü, ancak ölçülen lamellar boşluk (l) ortaya çıkarmak için 90 ° döndürülür. (e) Örnek 217, sol alt (intralamellar konsantrasyonları: Fe < 19.0%, Ti > 33.0%, O < 49.0%) ekskunma lamellae nispeten daha küçük bir kısmını gösteren. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Apt verilerinin 217 ve 219 numunelerinde O, Fe ve Ti'nin atomik konsantrasyonlarını gösteren proxigramları sırasıyla. X ekseninde sıfır (kesikli dikey çizgi) mesafesi, soldaki titanomanyetit ile sağdaki ilmenite lamellae arasındaki sınırı temsil eder. Bu sınır boyunca Ti konsantrasyonları sırasıyla %17,0'den %44,0'a ve 217 ve 219 numunelerinde %16,5'ten %42,5'e yükselmiştir. Fe içeriği 217 ve 219 numunelerinde sırasıyla %37,7'den %0,8'e ve %38,5'ten %0,6'ya düşebilmiştir. O konsantrasyonları sırasıyla %40,0'dan %50,2'ye ve 217 ve 219 numunelerinde %38,8'den %50,6'ya yükselmiştir. Ti ve O lamellae doğru diffüz (sağda) ve Fe uzak lamellae (solda) difüzyon olduğunu. Tüm ölçümlerde hata < 2 atomik %. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Film 1. Örnek 219'un 3D elemental izokonsantrasyon rekonstrüksiyonu, Fe <'nin intralamellar konsantrasyonlarını gösterir; mavide %30.0, sarıda %25.0 ve O <%51.5 mor ve boylamsal (z) ekseni boyunca 360° döndürülür. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
3B APT veri rekonstrüksiyonları, analiz edilen kristaldeki interlamellar aralığın, geleneksel SEM görüntülerinden ölçülenden üç sıra daha yüksek bir çözünürlükte hassas bir şekilde ölçülmesine olanak sağlar. Bu, kimyadaki atomik değişimlerin, optik olarak gözlemlenebilir minerolojik değişikliklerden daha küçük üç büyüklük sırası nın uzamsal bir ölçüde meydana geldiğini gösterir. Ayrıca, ölçülen interlamellar mesafeler (29 nm ve 14 nm), oksieksçözelti için uzunluk ölçeği ile tutarlı dır, ayrı bir fazın çekirdekleşme ve büyümesi için bunun aksine, ikincisi uzunluk ölçekler üzerinde oluşur büyüklük 19 bir sıra ,20. Burada incelenen titanomanyetitin oksieksçözeltisi, karıştırma olayları nedeniyle magmanın oda içinde ısıtılmasından ya da havalandırmadaki kanal ve yerdeğiştirme sırasında atmosferik maruziyetin neden olduğu oksidasyondan kaynaklanmış olabilir. Bu çalışmada kullanılan titanomanyetit kristali çapı 10 μm veya daha az olan çok sayıda lamellae görüntüler, tüm 0.06 mm2 kristal kısmi ekstrüzyon için yeterli zaman gösteren. Bu gözlem, örneğin kül havalandırma kökeni ile birlikte, lamel vente de yerleştirilmesi sonrasında lav kubbesinin oksidasyonu oluşan olduğunu göstermektedir.
Şekil 7: APT ipuçlarıek ekstremite lamellae yakalamak için farklı olanakları şematik gösterimi ve lamellar boşlukölçme için etkileri (λ). Bu daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın rakam.
Interlamellar aralığının bu ölçümleri analiz edilen dört ipucundan sadece ikisinde mümkündür ve bu örnekleme sapakları hataya neden olabilir. Kristallerin sadece nano ölçekli hacimlerini analiz ettiğimizde, her uç lamellanın dağılımının kısmi temsilini yakalayabilir ve bu da interlamellar aralıkların hatalı bir şekilde hesaplanmasına yol açabilir (λ)(Şekil 7). Bununla birlikte, yeterli ipuçlarının analizi ve APT'nin 3D tomografi yetenekleri ile yaklaşımımız, çeşitli volkanik ve metamorfik süreçleri anlamak için temel olabilecek λ'yı tam olarak ölçmek için yeni bir yöntem sunmaktadır. Örneğin, manyetit kristallerinde Fe-Ti difüzyon analizi Soufrière Hills Volcano19magma karıştırma olayları ve değişiklikleri karakterize etmek için kullanılmıştır. Difüzyon zaman ölçeği sınırlandırılabilirse Fe ve Ti interdiffüzyon hızı interlamellar aralığın doğru ölçümlerinden modellenebilir. Önceki çalışmalarda igneous intrusions soğutma oranları çıkarmak için ekspertiz lamellae kullandık21,22, ve APT kullanarak yeni bir yaklaşım potansiyel eleman interdiffusion kısıtlamak ve hesaplamaları geliştirmek için kullanılabilir aktif volkanik sistemlerde magma ve lav kubbe sıcaklıkları23,24. APT, nano ölçekte 3B yapıların hassas ölçümünün yanı sıra, aynı mekansal çözünürlük için atomik ölçekte kimyasal bilgi sağlar. Bu da titanomanyetitten ilmenite geçişin kademeli ve pürüzsüz olduğunu göstermeyle sonuçlanmıştır (Şekil 6). Bu, kimyasal bilgi olmadan mikroskopi gözlemleri (SEM ve TEM) dayalı, exsolving lamellae ve konak faz arasında keskin ve farklı temaslar düşündüren önceki çalışmaların aksine. Sonuç olarak, sadece APT eklenmesi doğru bu faz geçişlerinin jeokimyasal özelliklerini sağlayabilir.
Atom prob tomografisi (APT) hala jeolojik uygulamalar için ortaya çıkan bir tekniktir25, ancak bizim vaka çalışması ekstremite lamellae çalışması için bu yaklaşımın uygulanmasının yararlılığını göstermektedir, igneous barındırılan mineraller oldukça yaygın ve metamorfik kayaçlar. Özellikle volkanik süreçleri anlamak için, gelecekteki çalışmalar lav kubbeleri boyunca eksüzyon lamellae ile birden fazla örnek inceleyebilirsiniz (ya kül havalandırma bölüm veya kubbe çökmesi olayları türetilmiştir) daha iyi varyasyonları kısıtlamak için hesaplanan difüzyon oranları ile püskürtme atakları sırasında sıcaklık.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma, EAR-1560779 ve EAR-1647012 hibeleri, Araştırma ve Ekonomik Kalkınma Başkan Yardımcısı Ofisi, Sanat ve Bilim Ler Koleji ve Jeoloji Bilimleri Bölümü aracılığıyla Ulusal Bilim Vakfı'nın (NSF) finansmanı ile desteklenmiştir. Yazarlar da Chiara Cappelli, Rich Martens ve Johnny Goodwin teknik yardım ve Montserrat Volkan Gözlemevi kül örnekleri sağlamak için kabul.
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).
