Waiting
Login processing...

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

Environment

Atom sond tomografi analys av Exlösta mineral faser

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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. anskaffning, urval och beredning av mineraliska korn

Anm.: prover erhölls från den katalogiserade samlingen vid Montserrat Volcano Observatory (MVO) och härstammar från fallande insättningar som härrör från en kraftig Ask avluftning episod vid Soufrière Hills Volcano som inträffade den 5 oktober, 2009; Detta var en av 13 liknande händelser under en kurs av tre dagar14. Denna aska avluftning föregick en ny fas av lava dome tillväxt (fas 5) som inleddes den 9 oktober. Tidigare analys av detta prov visade att det är en kombination av täta Dome rock fragment, glasartad partiklar, och oavsiktliga lithics14.

  1. Häll 1 g vulkanisk Ask prov i en 10 cm diameter glas petriskål.
  2. Linda en liten (3 cm x 3 cm) ark av vägning papper runt en 10 G magnet.
  3. Använd en pappersförpackad magnet för att dra magnetit-rika korn mellan 100 μm och 500 μm i diameter från Ask provet och placera i en 32 μm (5 φ), 8 cm diameter rostfrittstål sikt.
  4. Skölj i avjoniserat vatten för 20 – 30 s med en klämma flaska för att ta bort mindre, vidhålla aska partiklar (som kommer att passera genom sikten), och lufttorka för 24 h.
  5. Fäst rena och torra Ask partiklar för att ta prov på fästen som lämpar sig för sekundär elektronmikroskop (SEM). Bild i sekundärt elektron läge vid en 15 – 20 kV accelererande spänning och vid ett arbetsavstånd på 10 mm för att välja de 5 – 10 bästa kandidaterna för vidare analys. Utvalda korn bör huvudsakligen (> 50%) magnetit (figur 1a, b).
  6. Fästa utvalda aska korn att rensa tejp, surround med en tum diameter ihåliga mögel (metall, plast, eller gummi) som har internt belagd med vakuum fett, och häll i epoxiharts för att fylla formen (2 cm3). Låt epoxin härda enligt de specifika epoxiinstruktionerna.
  7. När epoxin har härdat, ta bort från mögel och skala tejp från botten. Aska korn bör vara delvis exponerade.
  8. Polera epoxigjuten aska korn med SiC slippapper av fem olika kornstorlekar (400, 800, 1200, 1500 och 2000 grit).
    1. Polera provet med varje kornstorlek, från högsta (400) till lägsta (2000) i en siffra åtta rörelse i minst 10 min. Mellan kornstorlekar, Sonikera provet i ett bad av avjoniserat vatten i 10 min.
    2. Kontrollera provet under ett mikroskop för att säkerställa att polering grus inte är närvarande, och provet ytan är fri från repor. Om repor är närvarande, upprepa polering förfarande med föregående kornstorlek innan sonikering och flytta till nästa kornstorlek.
  9. Polera epoxin-katt aska korn med aluminiumoxid polering suspensioner av 1,0 μm och sedan 0,3 μm på poler trasor.
    1. Polera provet med varje suspension i en siffra åtta rörelse i minst 10 min. Mellan upphängnings storlekarna, Sonikera provet i ett bad med avjoniserat vatten i 10 min.
    2. Kontrollera provet under ett mikroskop för att säkerställa att suspensionen inte är närvarande och prov ytan är fri från repor. Om repor är närvarande, upprepa polering förfarande med föregående fjädring innan sonikering och flytta till nästa fjädring storlek. I slutet av polering förfarandet bör epoxin ytan vara slät och aska korn bör vara platt och väl exponerade.
  10. Täck provet ytan med en ledande skikt ~ 10 nm tjockt kol med hjälp av en tillgänglig spotta beläggning enhet.
  11. Erhålla bakåtspridda elektron bilder av Ask kornen med elektronmikroskopet vid en 15 – 20 kV accelererande spänning och ett arbetsavstånd på 10 mm för att bestämma placeringen av exsolution lamellerna i magnetit (figur 1c), som utfördes under tidigare studier5.

Figure 1
Figur 1: exempel på magnetit-rika aska korn från avluftning episoder på Soufrière Hills vulkanen. (a, b): BAKÅTUTSPRIDDA elektron bilder (BSE) av både reagerade och oreagerade texturer i magnetit korn. c) BSE-bild av ett polerat magnetitkorn som visar förekomst av exsolution lamellerna (ljusgråa Laths, röda pilar) av potentiell ilmenit sammansättning. (d) sekundär elektron bild av ett polerat magnetiumsäd berett för atom sond tomografi (apt) analys, som visar placeringen av vissa exsolution lamellerna (streckade röda linjer), som fördelas längs hela korn ytan, och placeringen av Kil extrahering (blå pil). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

2. atom sond tomografi (APT) provberedning

  1. APT-prover kommer att förberedas från en kil av material som avslöjar närvaron av exsolution lamellerna (figur 1d) som använder ett FIB-baserat lyft protokoll16 (figur 2). Före FIB arbete, spotta Coat provet ytan med 15 Nm skikt av cu för att undvika elektron laddning och prov drivande.
  2. Med hjälp av en fokuserad jonstråle i en dual beam Scanningelektronmikroskop (FIB-SEM), deponera en rektangel av platina (PT) (3 μm i tjocklek) på den polerade delen av intresse som innehåller lamellerna över en 1,5 μm x 20 μm region med en gallium (ga+) jonstråle vid 30 kV och 7 pA.
    Obs: detta platina lager deponeras för att skydda regionen av intresse (ROI) från jonstråle skador.
  3. Fräs tre kilar av material under tre sidor av PT-rektangeln med hjälp av jonstrålen (30 kV, 1 nA). Se figur 1d och figur 2.
  4. Sätt i gas insprutningssystemet (GIS) och svetsa kilen till en in situ nano-manipulator med GIS-insatt PT innan du klipper den slutliga kanten fri (figur 2A).
  5. Med hjälp av ga+ Ion beam (5 kV och 240 PA), skär tio 1-2 μm breda segment från Kil och sekventiellt fästa dem med PT till toppar si inlägg av en mikrotip array kupong (figur 2b-d).
  6. Forma och slipa varje prov spets med hjälp av ringformiga fräs mönster av allt mindre inre och yttre diametrar (figur 3). Börja med att utföra fräsningen vid 30 kV för att producera den prov geometri som behövs för APT (figur 3, vänster panel).
  7. Utför den slutliga fräsningen med en accelererande spänning på 5 kV för att reducera ga+ implantation och få en konsekvent spets-till-spets-form (figur 3, höger panel).
  8. Genom att använda mätverktyg SEM till figuren, se till att diametern på toppen av spetsarna varierar 50-65 nm, medan skaft vinkeln av spetsarna varierar från 25 ° till 38 °.
    Obs: Ytterligare detaljer har tidigare publicerats, beskriver konventionella Lift-out protokoll16.

Figure 2
Figur 2: exempel på FIB-SEM-prov berednings protokoll för apt-analys. a) kil (W) utsug med nanomanipulatorn (Nm). blateral visning av mikrokupongmatrisen med kisel stolpar monterade på en koppar klämma. (c) vy över mikrokupongs utbudet av kisel stolpar som visar nanomanipulatorn för montering av kil sektionerna. (d) Kilfragment (S), som visar en del av den skyddande Platinum Cap (PTC), monterad på en kisel stolpe efter svetsning med platina (PTW). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: exempel på tips som förberetts för apt-analys. (Vänster) Bild av spets efter den första etappen av skärpning. (Höger) Bild av samma spets efter låg kV rengöring, vilket indikerar spets radie (67,17 nm) och skaft vinkeln (26 °). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

3. APT-dataförvärv

  1. Utför analys med en lokal elektrod Atom sond (LEAP) utrustad med en Pico-sekund 355 nm UV-laser. Se specifika LEAP kör parametrar i tabell 1.
    Obs: analyserna utfördes med ett språng utrustat med en Pico-Second 355 nm UV-laser, inrymt i den centrala analytiska anläggningen (CAF) vid University of Alabama.
  2. Montera mikro-kupongen med vässade tips, svetsade till si inlägg, i ett preparat Puck och lasta i en karusell för placering inne i SPRÅNGET.
  3. Infoga karusellen inuti buffertavdelningen i SPRÅNGET.
  4. Vrid laserhuvudet och utför en laserkalibrering.
  5. Efter att ha uppnått vakuum i analys kammaren vid eller under 6 x 10-11 torr, sätt in pucken preparatet i huvud analys kammaren. För detta Använd en överförings stång; Detta drivs med en serie automatiska steg och manuell insättning.
  6. Före analys väljer du spetsen genom att flytta preparat pucken för att justera mikrokupongen med den lokala elektroden och uppdatera databasen för att indikera tips numret.
    Obs: fyra av sex tips analyserades framgångsrikt (två brutna under analysen) och resulterade i en varierande mängd förvärvade data från 26 till 92 000 000 totalt upptäckta joner, vilket motsvarade avlägsnandet av ett 160 – 280 nm-tjockt skikt av magnetit (se specifika LEAP Running-parametrarna i tabell 1).
Exemplar 207 217 218 219
Exempel på Beskrivning SHV magnetit SHV magnetit SHV magnetit SHV magnetit
Instrument modell LEAP 5000 XS LEAP 5000 XS LEAP 5000 XS LEAP 5000 XS
Instrument inställningar
Laser våglängd 355 nm 355 nm 355 nm 355 nm
Laser pulsfrekvens 60 pJ 30 pJ 30 pJ 30 pJ
Laser pulsenergi 500 kHz 500 kHz 500 kHz 500 kHz
Avdunstning kontroll Detekterings hastighet Detekterings hastighet Detekterings hastighet Detekterings hastighet
Mål detekterings frekvens (%) 0,5 0,5 0,5 0,5
Nominell flyg bana (mm) 100 100 100 100
Temperatur (K) 50 50 50 50
Tryck (torr) 5.7 X10-11 6.0 X10-11 6.1 X10-11 6.1 X10-11
ToF-offset, to (NS) 279,94 279,94 279,94 279,94
Data analys
Programvara IVAS 3.6.12 IVAS 3.6.12 IVAS 3.6.12 IVAS 3.6.12
Totalt joner: 26 189 967 92 045 430 40 013 656 40 016 543
Enda 15 941 806 55 999 564 24 312 784 23 965 867
Flera 9 985 564 35 294 528 15 331 670 15 716 119
Partiell 262 597 751 338 369 202 334 557
Rekonstruerade joner: 25 173 742 89 915 256 38 415 309 39 120 141
Varierade 16 053 253 61 820 803 25 859 574 26 598 745
Ovarierade 9 120 489 28 094 453 12 555 735 12 521 396
Bakgrund (ppm/NSEC) 12 12 12 12
Återuppbyggnad
Sista Tip-tillståndet Brutna Brutna Brutna Brutna
För-/efter-analysavbildning SEM/n.a. SEM/n.a. SEM/n.a. SEM/n.a.
Modell för RADIUS-evolution spänning spänning spänning spänning
Vinitial; VFinal 2205 V; 6413 V 2361 V; 7083 V 2198 V; 6154 V 2356 V; 6902 V

Tabell 1. Atom sond tomografi inställningar för datainsamling och kör Sammanfattning.

4. APT-behandling av data

  1. Öppna datauppsättningen i bearbetnings programmet (se tabellen med material) och utför följande steg för att analysera uppgifter.
    1. Granska informations inställningarna.
    2. Välj jonsekvensintervall baserat på spänningen historia Plot. Välj detektor regionen av intresse (ROI).
    3. Utför en tid-för-flygning (TOF) korrigering. Använd toppar som motsvarar syre och järn för TOF-korrigeringen.
    4. Utför Mass kalibrering med identifieringen av huvudtopparna.
    5. Utföra olika joner för sina uppdrag till specifika massor.
    6. Utför rekonstruktionen av spets profilen.
  2. Visa data i de två huvud formaten: 1) kemisk spektra (da) för massa-till-laddning (bild 4). och 2) 3D-rekonstruktioner av spets preparat (figur 5).
  3. Definiera Peak Ranges som hela synlig topp, eller justera manuellt när stora termiska svansar finns, för varje massa-till-laddning State ratio spektrum (figur 4). Dessa toppar representerar enstaka element eller molekylära arter, och nedbrytningen av toppar ger den övergripande kemiska sammansättningen för varje spets eller funktion (dvs. kluster och exsolution lamellerna) inuti varje spets (tabell 2).
  4. Utför tre-dimensionella (3D) spets rekonstruktioner med hjälp av "spännings" spets profilmetod17 för att bestämma den rekonstruerade radien som en funktion av analyserad djup (figur 5 och film 1).
  5. Rekonstruera isoytor av exsolution lamellerna för att utföra interlamellära avståndsmätningar (figur 5) och upprätta det kemiska förhållandet mellan värden och mineral lamellerna med hjälp av proxigrams17,18 (figur 6 ).
  6. Mät interlamellar mellanrum med bildanalysprogram.

Figure 4
Figur 4: exempel på ett representativt apt-spektrum för Mass laddning. Spektrum för den analyserade magnetitkristallen med individuell varierade toppar som visar exempel på identifiering av toppar som motsvarar enskilda element (t. ex. syre (O) eller järn (FE)) eller molekyler (t. ex. FeO). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Exemplar 207 217 218 219
Element Atom-antal Atom 1s fel Atom-antal Atom 1s fel Atom-antal Atom 1s fel Atom-antal Atom 1s fel
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
Totala 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

Tabell 2. Atom sond tomografi bulk kompositions data för alla analyserade prover.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Liksom många titanomagnetite kristaller från olika stadier av Soufrière Hills Volcano (SHV) utbrott, den kristall analyseras här innehåller exsolution lamellerna < 10 μm i tjocklek, synlig i sekundära SEM bilder (figur 1d), som separata zoner av TI-Rich magnetit, indikerar en C2 skede av oxidation18. Baserat på SEM-bilder varierar avståndet mellan dessa lamellerna från 2 till 6 μm (n = 15). Fyra titanomagnetite preparat tips, refererade som 207, 217, 218 och 219, extraherades framgångsrikt från denna enda kristall och analyserades av APT (figur 5). Två av exemplaren (207 och 218) uppvisade homogena koncentrationer av både FE och TI hela (figur 5a), vilket indikerar att lamellerna inte var intersekerade. De andra två exemplaren (217 och 219) visade zoner med varierande koncentrationer i FE, O och TI (Figur 5b-e). Dessa funktioner är parallella med varandra och har koniska avslutningar, indikativt för spaljé ilmenit18. Preparat 219 innehåller en större andel av den intersekerade lamellerna än preparat 217. 3D-rekonstruktioner av APT-data (figur 5c-e, film 1) möjliggör en noggrann mätning av interlamellaravståndet (λ) och ger längdskalor som i genomsnitt 29 Nm för preparat 219 (n = 30) och 14 Nm för prov 217 ( n = 15), med ett 1s-värde på 2 nm för båda. Utöver dessa mätningar tillåter APT extraktion av kemisk information över dessa lameller vid hög rumslig upplösning (nanoskala) genom analys av proxigrams, med punkt 0 som skärningspunkten mellan lamellerna och värd mineralet ( Figur 6). Proxigram diffusion profiler genom dessa zoner är släta. Atomkoncentrationer av ti i kristallen, 17% i preparat 217 och 16,5% i preparat 219 (figur 6), bekräftar att det är en titanomagnetit och överensstämmer med tidigare petrologiska analyser av SHV-eruptiva produkter18. Dessa proxigrams bekräftar också att sammansättningen av lamellerna överensstämmer med ilmenit (figur 6).

Figure 5
Figur 5: exempel på 3D atomiska rekonstruktioner av magnetit tips analyseras (z värden i nm). a) prov 218, som uppvisar homogena koncentrationer av O, Fe och ti. b) exemplar 219, som visar regioner som är uttömda i FE och anrikade i O och TI (ljusare områden). c) elementär isokoncentrationsytor av preparat 219, som visar intralamellar koncentrationer av Fe < 30,0% i blått, Ti > 25,0% i gult och O < 51,5% i lila. (d) syn på samma område i panel c, men roteras 90 ° för att avslöja det uppmätta lamellaravståndet (l). e) prov 217, som visar en relativt mindre del av exsolution lamellerna i det nedre vänstra (intralamellar koncentrationer: Fe < 19,0%, Ti > 33,0%, O < 49,0%). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: PROXIGRAM av apt-data som visar atomära koncentrationer av O, Fe och Ti i proverna 217 respektive 219. Ett avstånd på noll på x-axeln (streckad vertikal linje) representerar gränsen mellan titanomagnetite till vänster och ilmenit lamellerna till höger. Över denna gräns ökar ti-koncentrationerna från 17,0% till 44,0% och från 16,5% till 42,5% i prover 217 respektive 219. FE-innehåll minskar från 37,7% till 0,8% och från 38,5% till 0,6% i prover 217 respektive 219. O koncentrationerna ökar från 40,0% till 50,2% och från 38,8% till 50,6% i prover 217 respektive 219. TI och O diffus mot lamellerna (till höger) och FE sprids bort från lamellerna (till vänster). Fel i alla mätningar är < 2 Atom%. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Film 1.3D Elemental isoconcentration rekonstruktion av preparatet 219, visar intralamellar koncentrationer av Fe < 30,0% i blått, Ti > 25,0% i gult, och O < 51,5% i lila, och roteras 360 ° längs den längsgående (z) axeln. Vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 nukleation och tillväxt av en separat fas, där den sistnämnda sker över längdskalor en storleksordning större19 ,20. Oxyexsolution av den titanomagnetit som undersökts här kan ha resulterat från antingen upphettning av Magma i kammaren på grund av minglande händelser, eller oxidation orsakad av atmosfärisk exponering under uppstigning genom ledningen och emplaceringen vid ventilen. Den titanomagnetit kristall som används i denna studie visar många lamellerna på order av 10 μm eller mindre i diameter, vilket indikerar tillräcklig tid för partiell exsolution av hela 0,06 mm2 kristall. Denna observation, i kombination med askan-ventilering ursprunget av provet, tyder på att lamellerna bildades från oxidation av lava kupolen efter placering vid ventilen.

Figure 7
Figur 7: schematisk representation av olika möjligheter för att fånga exsolution lamellerna i apt tips, och konsekvenserna för att mäta lamellaravstånd (λ). vänligen klicka här för att se en större version av denna figuren.

Dessa mätningar av det interlamellar mellanrum var endast möjligheten i två av de fyra spetsar analyserade, och denna provtagning bias kunde framkalla fel. Eftersom vi bara analyserar nanoskalig volym av kristallerna, kan varje spets fånga partiell representation av lamellerna, vilket kan leda till en felaktig beräkning av interlamellaravståndet (λ) (figur 7). Ändå, med analysen av tillräckliga tips och 3D-tomografi kapacitet APT, vår metod ger en ny metod för att exakt mäta λ, som kan vara grundläggande för att förstå en mängd olika magmatiska och metamorfa processer. Till exempel har analys av FE-ti diffusion i magnetit kristaller använts för att karakterisera Magma mingel händelser och förändringar i Magma temperatur på Soufrière Hills Volcano19. Den interdiffusions hastighet av FE och TI kan modelleras från noggranna mätningar av interlamellar avstånd om tidsskalan för diffusion kan begränsas. Tidigare studier har utnyttjat exsolution lamellerna att härleda kylhastigheter i magmatiska intrång21,22, och den nya metoden att använda apt kan potentiellt utnyttjas för att begränsa element korrespondenskurs och förbättra beräkningar av Magma och lava kupoltemperaturer i aktivvulkaniska system23,24. Förutom den exakta mätningen av 3D-strukturer i nanoskala ger APT kemisk information på Atom skalan för samma rumsliga upplösning. Detta har resulterat i en demonstration av att övergången från titanomagnetit till ilmenit är gradvis och smidig (figur 6). Detta är i motsats till tidigare studier som tyder på skarpa och distinkta kontakter mellan de exlösa lamellerna och värd fasen, baserat på mikroskopi observationer (SEM och TEM) utan den kemiska informationen. Därför kan endast tillägg av APT exakt ge de geokemiska egenskaperna hos dessa fasövergångar.

Atom sond tomografi (APT) är fortfarande en framväxande teknik för geologiska tillämpningar25, men vår fallstudie visar nyttan av att tillämpa denna metod för studiet av exsolution lamellerna, ganska vanligt i mineraler värd i magmatiska och Metamorfa bergarter. I synnerhet för att förstå vulkaniska processer, kan framtida studier undersöka flera prover med exsolution lamellerna i hela lava kupoler (härrör från antingen aska avluftning episoder eller Dome kollaps händelser) för att bättre begränsa variationer i temperatur under eruptiva episoder med beräknad diffusions frekvens.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

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.

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

Miljövetenskap Atom sond tomografi APT vulkanisk aska titanomagnetit ilmenite exsolution lamellae FIB-SEM Lift-out LEAP
Atom sond tomografi analys av Exlösta mineral faser
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