Análise de tomografia de sonda solucionado de fases minerais exresolvidas
Summary
A análise da morfologia, composição e espaçamento da exsolução lamellae pode fornecer informações essenciais para entender os processos geológicos relacionados ao vulcanismo e metamorfose. Apresentamos uma nova aplicação do APT para a caracterização de tal lamelae e comparamos essa abordagem ao uso convencional de microscopia eletrônica e nanotomografia baseada em FIB.
Abstract
As taxas de difusão de elementos e a temperatura/pressão controlam uma série de processos vulcânicos e metamórficos fundamentais. Tais processos são frequentemente registrados em lamellae exsolucionados das fases minerais do hospedeiro. Assim, a análise da orientação, tamanho, morfologia, composição e espaçamento da exsolução lamellae é uma área de pesquisa ativa nas geociências. O estudo convencional destes lamellae foi conduzido pela microscopia eletrônica da exploração (SEM) e pela microscopia eletrônica da transmissão (TEM), e mais recentemente com nanotomography baseado feixe focalizado do feixe de íon (FIB), contudo com informação química limitada. Aqui, exploramos o uso de tomografia de sondas atômicas (APT) para a análise em nanoescala da exsolução ilmenita lamellae em titanomagnetita ígnea de depósitos de cinzas eclodiu a partir do ativo Vulcão Soufrière Hills (Montserrat, Índias Ocidentais Britânicas). A PtA permite o cálculo preciso de espaçamentos interlamellares (14-29 ± 2 nm) e revela perfis de difusão suaves sem limites de fase acentuada durante a troca de Fe e Ti/O entre a lamellae exresolvida e o cristal hospedeiro. Nossos resultados sugerem que esta nova abordagem permite medições em nanoescala de composição lamelada e espaçamento interlamellar que podem fornecer um meio para estimar as temperaturas da cúpula de lava necessárias para modelar as taxas de extrusão e falha da cúpula de lava, ambos os quais desempenhar um papel fundamental nos esforços de mitigação de riscos vulcânicos.
Introduction
O estudo da mineralogia química tem sido uma importante fonte de informação dentro do campo das Ciências da Terra há mais de um século, já que os minerais registram ativamente os processos geológicos durante e após sua cristalização. As condições fisioquímicos desses processos, como mudanças de temperatura durante vulcanismo e metamorfose, são registradas durante a nucleação mineral e o crescimento na forma de zonação química, estrias e lamellae, entre outros. A exsolução lamellae se forma quando uma fase se mistura em duas fases separadas no estado sólido. A análise da orientação, tamanho, morfologia e espaçamento de tal exsolução lamellae pode fornecer informações essenciais para entender as mudanças de temperatura e pressão durante o vulcanismo e metamorfose1,2,3 e a formação de depósitos minerais de minério4.
Tradicionalmente, o estudo da exsolução lamellae foi realizado com a observação de micrografias por simples imagens de elétrons de varredura5. Mais recentemente, isso foi substituído pelo uso de microscopia eletrônica de transmissão filtrada por energia (TEM) fornecendo observações detalhadas no nível1,2,3. No entanto, em ambos os casos, as observações são feitas em duas dimensões (2D), que não é totalmente adequada para estruturas tridimensionais (3D) representadas por essas lamellae de exsolução. A nanotomografia6 está emergindo como uma nova técnica para a observação 3D de características em nanoescala dentro de grãos de minerais, mas não há informações suficientes sobre a composição dessas características. Uma alternativa a essas abordagens é o uso da tomografia por sonda atómica (APT), representando a mais alta técnica analítica de resolução espacial existente para a caracterização dos materiais7. A força da técnica reside na possibilidade de combinar uma reconstrução 3D de características em nanoescala com sua composição química na escala atômica com uma sensibilidade analítica quase parcial por milhão7. Aplicações anteriores da APT à análise de amostras geológicas proporcionaram excelentes resultados8,9,10,11,particularmente na caracterização química do elemento difusão e concentrações9,12,13. No entanto, esta aplicação não tem sido utilizada para o estudo da exsolução lamellae, abundante em alguns minerais hospedados em rochas metamórficas e ígneas. Aqui, exploramos o uso do APT, e suas limitações, para a análise do tamanho e composição da exsolução lamellae, e espaçamento interlamellar em cristais de titanomagnetita vulcânica.
Protocol
Representative Results
Discussion
As reconstruções de dados 3D APT permitem uma medição precisa do espaçamento interlamellar no cristal analisado em uma resolução três ordens de magnitude superior às medidas a partir de imagens SEM convencionais. Isso indica que as variações atômicas na química ocorrem em uma extensão espacial três ordens de magnitude menores do que as mudanças mineralógicas opticamente observáveis. Além disso, as distâncias interlamelas medidas (29 nm e 14 nm), são consistentes com a escala de comprimento para oxiex…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado por financiamento da National Science Foundation (NSF) através de subvenções EAR-1560779 e EAR-1647012, o Escritório do VP de Pesquisa e Desenvolvimento Econômico, da Faculdade de Artes e Ciências, e do Departamento de Ciências Geológicas. Os autores também reconhecem Chiara Cappelli, Rich Martens e Johnny Goodwin para assistência técnica e o Observatório do Vulcão de Montserrat para fornecer as amostras de cinzas.
Materials
| 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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