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Method Article
Die Analyse der Morphologie, Zusammensetzung und des Abstands von Exsolution-Lamellen kann wichtige Informationen liefern, um geologische Prozesse im Zusammenhang mit Vulkanismus und Metamorphismus zu verstehen. Wir präsentieren eine neuartige Anwendung von APT zur Charakterisierung solcher Lamellen und vergleichen diesen Ansatz mit dem konventionellen Einsatz von Elektronenmikroskopie und FIB-basierter Nanotomographie.
Elementdiffusionsraten und Temperatur/Druck steuern eine Reihe grundlegender vulkanischer und metamorpher Prozesse. Solche Prozesse werden oft in Lamellen aufgezeichnet, die aus Wirtsmineralphasen gelöst werden. So ist die Analyse von Orientierung, Größe, Morphologie, Zusammensetzung und Abstand von Exsolution Lamellen ein Bereich der aktiven Forschung in den Geowissenschaften. Die konventionelle Untersuchung dieser Lamellen wurde durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und in jüngerer Zeit mit fokussierter Ionstrahl-Basierter Nanotomographie (FIB) durchgeführt, jedoch mit begrenzten chemischen Informationen. Hier untersuchen wir den Einsatz von Atomsondentomographie (APT) für die nanoskalige Analyse von Ilmenit-Exsolution Lamellen in igneous Titanomagnetit aus Ascheablagerungen, die aus dem aktiven Vulkan Soufriére Hills (Montserrat, British West Indies) ausgebrochen sind. APT ermöglicht die präzise Berechnung von Interlamellarabständen (14–29 x 2 nm) und zeigt glatte Diffusionsprofile ohne scharfe Phasengrenzen beim Austausch von Fe und Ti/O zwischen der gelösten Lamellen und dem Wirtskristall. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieser neuartige Ansatz nanoskalige Messungen der Lamellenzusammensetzung und des Interlamellenabstandes ermöglicht, die eine Möglichkeit bieten können, die Lavakuppeltemperaturen abzuschätzen, die erforderlich sind, um Extrusionsraten und Lavakuppelversagen zu modellieren, die beide eine Schlüsselrolle bei den Bemühungen zur Eindämmung vulkanischer Gefahren spielen.
Die Erforschung der chemischen Mineralogie ist seit mehr als einem Jahrhundert eine wichtige Informationsquelle im Bereich der Geowissenschaften, da Mineralien geologische Prozesse während und nach ihrer Kristallisation aktiv aufzeichnen. Physiochemische Bedingungen dieser Prozesse, wie Temperaturänderungen während Vulkanismus und Metamorphismus, werden während der mineralischen Keimbildung und des Wachstums unter anderem in Form von chemischer Zonation, Stupsen und Lamellen aufgezeichnet. Exsolution Lamellenbildung, wenn sich eine Phase im Festkörper in zwei getrennte Phasen entmischt. Die Analyse der Ausrichtung, Größe, Morphologie und des Abstands solcher Exsolutionlamellen kann wesentliche Informationen liefern, um Temperatur- und Druckänderungen während Vulkanismus und Metamorphismus zu verstehen1,2,3 und die Bildung von Erzmineralvorkommen4.
Traditionell wurde die Untersuchung der Exsolution Lamellen mit der Beobachtung von Mikrographen durch einfache Rasterelektronen-Bildgebung5durchgeführt. In jüngerer Zeit wurde dies durch den Einsatz der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ersetzt, die detaillierte Beobachtungen auf der Nanoebene1,2,3. In beiden Fällen werden die Beobachtungen jedoch in zwei Dimensionen (2D) erfolgen, die für dreidimensionale (3D) Strukturen, die durch diese Exsolution-Lamellen dargestellt werden, nicht vollständig geeignet sind. Nanotomographie6 entwickelt sich als eine neue Technik für die 3D-Beobachtung von nanoskaligen Merkmalen in Mineralienkörnern, aber es gibt nicht genügend Informationen über die Zusammensetzung dieser Merkmale. Eine Alternative zu diesen Ansätzen ist die Verwendung der Atomsondentomographie (APT), die die höchste räumliche Auflösung analytische Technik darstellt, die es für die Charakterisierung von Materialien7gibt. Die Stärke der Technik liegt in der Möglichkeit, eine 3D-Rekonstruktion von nanoskaligen Merkmalen mit ihrer chemischen Zusammensetzung im atomaren Maßstab mit einer analytischen Empfindlichkeit von fast einer Million zu kombinieren7. Frühere Anwendungen von APT zur Analyse von geologischen Proben haben hervorragende Ergebnisse erbracht8,9,10,11, insbesondere in der chemischen Charakterisierung von Elementen Diffusion und Konzentrationen9,12,13. Dennoch wurde diese Anwendung nicht für die Untersuchung von Exsolution Lamellen verwendet, reichlich in einigen Mineralien in metamorphen und igneous Gestein gehostet. Hier untersuchen wir die Verwendung von APT und seine Grenzen für die Analyse der Größe und Zusammensetzung von Exsolution Lamellen und Interlamellenabständen in vulkanischen Titanomagnetitkristallen.
1. Beschaffung, Selektion und Zubereitung von Mineralkörnern
ANMERKUNG: Proben wurden aus der katalogisierten Sammlung des Vulkanobservatoriums Montserrat (MVO) gewonnen und stammen aus herabfallenden Ablagerungen, die aus einer kräftigen Ascheentlüftungsepisode am Vulkan Soufriére Hills stammen, die sich am 5. Oktober 2009 ereignete; dies war eine von 13 ähnlichen Veranstaltungen über einen Lauf von drei Tagen14. Diese Ascheentlüftung ging einer neuen Phase des Lavakuppelwachstums (Phase 5) voraus, die am 9. Oktober begann. Frühere Analysen dieser Probe zeigten, dass es sich um eine Kombination aus dichten Kuppelgesteinsfragmenten, glasigen Teilchen und zufälliger Lithik14handelte.
Abbildung 1: Beispiel für magnetitreiche Aschekörner aus Entlüftungsepisoden am Vulkan Soufriére Hills. (a, b): Zurückgestreute Elektronenbilder (BSE) von sowohl reagierenden als auch unreagierten Texturen in Magnetitkörnern. (c) BSE-Bild eines polierten Magnetitkorns, das das Vorhandensein von Exsolution-Lamellen (hellgraue Latten; rote Pfeile) potenzieller Ilmenitzusammensetzung zeigt. (d) Sekundäres Elektronenbild eines polierten Magnetitkorns, das für die Analyse der Atomsondentomographie (APT) vorbereitet wurde und die Lage einiger Exsolutionlamellen (gestrichelte rote Linien) zeigt, die entlang der Kornoberfläche verteilt sind, und die Lage der Keilextraktion (blauer Pfeil). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
2. Atomsondentomographie (APT) Probenvorbereitung
Abbildung 2: Beispiel für das FIB-SEM-Probenvorbereitungsprotokoll für die APT-Analyse. (a) Keil (W) Lift-Out-Extraktion mit dem Nanomanipulator (Nm). (b) Seitenansicht des Mikro-Coupon-Arrays von Siliziumpfosten, die auf einem Kupferclip montiert sind. (c) Die Ansicht des Mikro-Coupon-Arrays von Siliziumpfosten, die den Nanomanipulator zur Montage der Keilabschnitte zeigen. (d) Keilfragment (S), zeigt einen Teil der schützenden Platinkappe (Ptc), montiert auf einem Siliziumpfosten nach dem Schweißen mit Platin (Ptw). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Beispiel für Tipps, die für die APT-Analyse vorbereitet wurden. (Links) Bild der Spitze nach der ersten Stufe des Schärfens. (Rechts) Bild der gleichen Spitze nach niedriger kV-Reinigung, die den Spitzenradius (67,17 nm) und den Schaftwinkel (26°) anzeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
3. APT-Datenerfassung
exemplar | 207 | 217 | 218 | 219 |
Beispielbeschreibung | SHV-Magnetit | SHV-Magnetit | SHV-Magnetit | SHV-Magnetit |
Instrumentenmodell | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS | LEAP 5000 XS |
Instrumenteneinstellungen | ||||
Laser-Wellenlänge | 355 nm | 355 nm | 355 nm | 355 nm |
Laserpulsrate | 60 pJ | 30 pJ | 30 pJ | 30 pJ |
Laserpulsenergie | 500 kHz | 500 kHz | 500 kHz | 500 kHz |
Verdampfungskontrolle | Erkennungsrate | Erkennungsrate | Erkennungsrate | Erkennungsrate |
Zielerkennungsrate (%) | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
Nominaler Flugweg (mm) | 100 | 100 | 100 | 100 |
Temperatur (K) | 50 | 50 | 50 | 50 |
Druck (Torr) | 5.7x10-11 | 6,0x10-11 | 6.1x10-11 | 6.1x10-11 |
ToF-Offset, to (ns) | 279.94 | 279.94 | 279.94 | 279.94 |
Datenanalyse | ||||
software | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 | IVAS 3.6.12 |
Gesamt Ionen: | 26,189,967 | 92,045,430 | 40,013,656 | 40,016,543 |
einzeln | 15,941,806 | 55,999,564 | 24,312,784 | 23,965,867 |
mehrfach | 9,985,564 | 35,294,528 | 15,331,670 | 15,716,119 |
vorliebe haben | 262,597 | 751,338 | 369,202 | 334,557 |
Rekonstruierte Ionen: | 25,173,742 | 89,915,256 | 38,415,309 | 39,120,141 |
Reichten | 16,053,253 | 61,820,803 | 25,859,574 | 26,598,745 |
Unranged | 9,120,489 | 28,094,453 | 12,555,735 | 12,521,396 |
Hintergrund (ppm/nsec) | 12 | 12 | 12 | 12 |
Wiederaufbau | ||||
Letzter Tippzustand | Gebrochenen | Gebrochenen | Gebrochenen | Gebrochenen |
Vor-/Nachanalyse Imaging | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. | SEM/n.a. |
Radius Evolution-Modell | "Spannung" | "Spannung" | "Spannung" | "Spannung" |
Vinitial; V-Finale | 2205 V; 6413 V | 2361 V; 7083 V | 2198 V; 6154 V | 2356 V; 6902 V |
Tabelle 1. Einstellungen für die Datenerfassung von Atom-Sondentomographieunden und Ausführungszusammenfassung.
4. APT-Datenverarbeitung
Abbildung 4: Beispiel für ein repräsentatives APT-Massen-zu-Lade-Spektrum. Spektrum für den analysierten Magnetitkristall mit einzelnen Fernspitzen zeigt Beispiele für die Identifizierung von Spitzen, die einzelnen Elementen (z. B. Sauerstoff (O) oder Eisen (Fe)) oder Molekülen (z.B. FeO) entsprechen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
exemplar | 207 | 217 | 218 | 219 | ||||||||
grundbestandteil | Atomanzahl | Atomare % | 1s Fehler | Atomanzahl | Atomare % | 1s Fehler | Atomanzahl | Atomare % | 1s Fehler | Atomanzahl | Atomare % | 1s Fehler |
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 |
gesamt | 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 |
Tabelle 2. Atomsonde Tomographie Bulk Zusammensetzungsdaten für alle analysierten Proben.
Wie viele Titanomagnetitkristalle aus verschiedenen Stadien des Vulkans Soufriére Hills Volcano (SHV) enthält der hier analysierte Kristall Exsolution Lamellen <10 m Dicke, sichtbar in sekundären SEM-Bildern (Abbildung 1d), die Zonen von Ti-reicher Magnetit, der ein C2-Oxidationsstadium18anzeigt. Basierend auf den SEM-Bildern reicht der Abstand zwischen diesen Lamellen zwischen 2 und 6 m(n = 15). Vier Titanomagnetit-Probenspitzen, 207, 217, 218 und 219, wu...
3D APT Datenrekonstruktionen ermöglichen eine präzise Messung des Interlamellarabstandes im analysierten Kristall in einer Auflösung von drei Größenordnungen, die höher ist als die, die aus herkömmlichen SEM-Bildern gemessen werden. Dies deutet darauf hin, dass atomare Schwankungen in der Chemie über eine räumliche Ausdehnung auftreten, die drei Größenordnungen kleiner sind als optisch beobachtbare mineralogische Veränderungen. Auch die gemessenen Interlamellenabstände (29 nm und 14 nm) stimmen mit der Läng...
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Diese Arbeit wurde durch Fördermittel der National Science Foundation (NSF) durch die Stipendien EAR-1560779 und EAR-1647012, das Office of the VP for Research and Economic Development, das College of Arts and Sciences und das Department of Geological Sciences unterstützt. Die Autoren würdigen auch Chiara Cappelli, Rich Martens und Johnny Goodwin für technische Hilfe und das Montserrat Volcano Observatory für die Bereitstellung der Ascheproben.
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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