Catodoluminescenza come tecnica di tracciamento per la precipitazione del quarzo in esperimenti di taglio a bassa velocità

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10236 (2023) Citare questo articolo

447 accessi

Dettagli sulle metriche

Due sgorbie simulate (un quarzo puro e una miscela di quarzo-muscovite) sono state deformate sperimentalmente in un apparato di taglio ad anello a una bassa velocità costante in condizioni idrotermali favorevoli ai processi di dissoluzione-precipitazione. L'analisi microstrutturale utilizzando l'imaging di catodoluminescenza al microscopio elettronico a scansione e la spettroscopia di catodoluminescenza combinate con l'analisi chimica hanno mostrato che in entrambi gli esperimenti si sono verificate dissoluzione e precipitazione del quarzo. I materiali di partenza e le condizioni di deformazione sono stati scelti in modo che le microstrutture di dissoluzione-precipitazione potessero essere identificate in modo inequivocabile dal loro segnale di catodoluminescenza. Il quarzo precipitato è stato osservato come riempimenti di fratture luminescenti blu e crescita eccessiva con un contenuto di Al aumentato rispetto al quarzo originale. Nella sgorbia di quarzo puro, la maggior parte della deformazione di taglio era localizzata su una superficie di scorrimento parallela al confine. La sigillatura delle fratture in una zona polverizzata direttamente adiacente alla superficie di scorrimento può aver contribuito a mantenere localizzata la deformazione. Nella miscela quarzo-muscovite, sono state osservate alcune prove di precipitazione del quarzo adatta al taglio nelle ombre delle deformazioni, ma prevalentemente nelle fratture, allungando i grani originali. La precipitazione del quarzo nelle fratture implica che la scala di lunghezza del trasferimento di massa diffusivo nel flusso viscoso per attrito è inferiore alla lunghezza dei domini di quarzo. Inoltre, la fratturazione potrebbe svolgere un ruolo più importante di quanto generalmente ritenuto. I nostri risultati mostrano che la catodoluminescenza, soprattutto combinata con l’analisi chimica, è un potente strumento nelle analisi microstrutturali di materiale contenente quarzo deformato sperimentalmente e nella visualizzazione della precipitazione del quarzo.

Le interazioni fluido-roccia, come i processi di dissoluzione e precipitazione, svolgono un ruolo importante nella deformazione e nella fagliatura sia naturale che sperimentale. Il creep di dissoluzione-precipitazione (noto anche come soluzione di pressione) è ampiamente accettato come un meccanismo rilevante di deformazione e riparazione dei guasti in ambienti di taglio in natura e negli esperimenti1. Di solito il verificarsi di dissoluzione-precipitazione è dedotto da segni di dissoluzione, come la presenza di troncamenti e rientranze dei grani, bordi irregolari dei grani, riduzione della porosità e da fratture guarite che talvolta possono essere riconosciute come tracce di inclusioni fluide2,3,4, 5. Inoltre, i grani di quarzo euedrale osservati negli esperimenti di taglio ad alta temperatura su sgorbie di quarzo sono stati interpretati come prova di precipitazione5. La presenza di materiale appena precipitato, tuttavia, non viene dimostrata di routine e nella maggior parte degli studi microstrutturali è difficile o impossibile distinguere le escrescenze eccessive e le fratture guarite dai grani originali. Tuttavia, sapere dove precipita il materiale è molto importante, poiché ciò fornisce informazioni sul ruolo dei processi di trasferimento della soluzione nella deformazione (ad esempio, che accomodano la deformazione o facilitano solo la compattazione) e sulle scale di lunghezza coinvolte nel trasferimento di massa diffusivo, che controllano la complessiva velocità di deformazione prodotta dalla dissoluzione e dalla precipitazione.

La catodoluminescenza (CL) può rivelare sottili variazioni nella chimica e nella struttura dei minerali6 e sia l'imaging CL che l'analisi iperspettrale sono stati un potente strumento nello studio del quarzo per decenni7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16. Giger et al.17 hanno utilizzato l'imaging CL per dimostrare che la dissoluzione e la precipitazione del quarzo si sono verificate negli esperimenti di pressatura a caldo: immagini SEM-CL in scala di grigi e mappatura chimica quantitativa hanno rivelato un contenuto di Al leggermente aumentato nelle escrescenze di quarzo in un campione di polvere di quarzo puro naturale pressato a caldo per otto ore a 850 °C sotto una pressione di confinamento di 250 MPa, una pressione del fluido interstiziale di 150 MPa e uno stress differenziale di 90 MPa. Williams et al.18 hanno utilizzato un sistema CL a catodo freddo su un microscopio petrografico per tracciare la precipitazione del quarzo in fratture guarite e escrescenze eccessive dopo esperimenti di crescita del quarzo di lunga durata (a 300–450 °C e 150 MPa, con un fluido dei pori arricchito di Al contenente silice amorfa). Recentemente, vari autori hanno utilizzato il CL per visualizzare il quarzo ricristallizzato in rocce deformate sperimentalmente e naturalmente, collegando il CL al riequilibrio degli elementi in tracce (in particolare Ti) risultante dalla presenza di fluidi ai bordi del grano durante la deformazione, sia a basse che ad alte temperature19,20,21 ,22.

)./p> 10° misorientation) in black, Dauphiné twin boundaries (60° rotation around the c-axis) in red, low-angle boundaries (5°–10°) in green and very low-angle boundaries (2°–5°) in yellow. Yellow ellipses show low-angle boundaries that can be recognized as (partially) blue luminescent sealed fractures in the SEM-CL image in c. Greyscale insets show EBSD band contrast (pattern quality) maps of the areas indicated with dashed black boxes. Pattern quality is the same in blue and red luminescent quartz (clearly blue luminescent areas indicated with black arrows, also shown in the CL image in c). Shear direction in c, d, and e is in the viewing direction (perpendicular to the image plane)./p> 10° misorientation) in black, Dauphiné twin boundaries (60° rotation around the c-axis) in red, low-angle boundaries (5°–10°) in green and very low-angle boundaries (2°–5°) in yellow. Grey box shows the location of the CL and BSE images in (a) and (b). (d) Orientation density plot (equal area, lower hemisphere) for the top fine-grained part of the map in (c). (e) Orientation density plot (equal area, lower hemisphere) for the rest of the map in (c). Both top and bottom slow a low MUD (multiples of uniform distribution) of ~ 1.5, indicating no significant difference in crystal preferred orientation between the top (near the slip surface) and the rest of the sample. X1 and Y1 in the pole figures in d and e refer to X1 and Y1 axes of the EBSD map in (c), and are in the sample reference system./p> 10°, indicated by black lines in EBSD maps), while others correspond to low angle boundaries (misorientation < 10°, indicated by green or yellow lines in EBSD maps)./p> 10° are, by definition, indistinguishable from regular grain boundaries in EBSD. Evidence for displacement of fragments is lacking, but would be hard to recognize. The observation that fragments with the same zoning pattern are found close to each other (e.g., Fig. 3c) suggests displacements were small. EBSD measurements show that preferred orientation is very weak either away from the slip surface or in the pulverized zone adjacent to it. The pattern of the c-axis maxima might, at first sight, be interpreted to indicate basal slip (c-axis sub-parallel to slip direction) in the top part, and prism slip (c-axis maxima perpendicular to slip direction) in the rest of the sample. On closer inspection, however, while the c-axes superficially fit the characteristic patterns of basal and prism slip25, the a-axes are not in the right location. Additionally, we do not consider the MUD value of ~ 1.5 in both parts of the sample as very significant and conclude that any potential contribution of crystal plastic deformation mechanisms to shear must have been very minor. CL images show the presence of precipitated quartz in sealed fractures and grain overgrowths, with more precipitated quartz present near the slip surface than in the body of the sample./p>