低速せん断実験における石英析出の追跡技術としてのカソードルミネッセンス

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10236 (2023) この記事を引用

447 アクセス

メトリクスの詳細

2 つの模擬ガウジ (純粋な石英と石英と白雲母の混合物) を、溶解・析出プロセスに適した熱水条件下でリングせん断装置内で一定の低速で実験的に変形させました。走査型電子顕微鏡カソードルミネッセンスイメージングおよびカソードルミネッセンス分光法と化学分析を組み合わせた微細構造分析により、両方の実験で石英の溶解と沈殿が発生したことが示されました。出発材料と変形条件は、カソードルミネッセンス信号から溶解・析出微細構造を明確に識別できるように選択されました。沈殿した石英は、元の石英と比べて Al 含有量が増加し、青い発光フラクチャー充填および過成長として観察されました。純粋な石英ガウジでは、せん断変形の大部分は境界に平行な滑り面に局在していました。滑り面に直接隣接する粉砕ゾーンの亀裂を封止したことが、変形を局所的に保つのに役立っている可能性がある。石英と白雲母の混合物では、ひずみ影で石英の剪断適応沈殿の証拠がいくつか観察されましたが、主に亀裂で、元の粒子が伸びています。亀裂における石英の析出は、摩擦粘性流における拡散物質移動の長さスケールが石英ドメインの長さよりも短いことを意味します。さらに、破壊は一般に想定されているよりも重要な役割を果たす可能性があります。私たちの結果は、特に化学分析と組み合わせたカソードルミネッセンスが、実験的に変形させた石英含有材料の微細構造分析や石英の析出の可視化において強力なツールであることを示しています。

溶解プロセスや析出プロセスなどの流体と岩石の相互作用は、自然現象と実験的な変形と断層の両方において重要な役割を果たします。溶解 - 析出クリープ (圧力溶解としても知られる) は、自然界や実験におけるせん断設定における関連する変形および断層修復メカニズムとして広く受け入れられています 1。通常、溶解 - 析出の発生は、粒子の切断や圧痕、不規則な粒子境界、気孔率の減少などの溶解の兆候、および流体含有物の痕跡として認識されることがある修復された亀裂から推測されます 2、3、4。 5. さらに、石英ガウジの高温せん断実験で観察された正面体石英粒子は、沈殿の証拠として解釈されています5。しかし、新たに沈殿した物質の存在は日常的に証明されるわけではなく、ほとんどの微細構造研究では、元の粒子から過成長や治癒した亀裂を区別することは困難または不可能です。しかし、材料がどこで沈殿するかを知ることは、変形における溶液移動プロセスの役割（例、変形に適応する、または圧縮を促進するだけなど）や、全体の構造を制御する拡散物質移動に関与する長さスケールに関する情報を提供するため、非常に重要です。溶解と沈殿によって生じる変形速度。

カソードルミネッセンス (CL) は、鉱物の化学的性質や構造の微妙な変化を明らかにすることができ6、CL イメージングとハイパースペクトル分析は、何十年にもわたって石英の研究において強力なツールとなってきました7、8、9、10、11、12、13、14、15。 16. Giger ら 17 は、CL イメージングを使用して、ホットプレス実験で石英の溶解と沈殿が発生したことを示しました。グレースケール SEM-CL 画像と定量的化学マッピングにより、ホットプレスされた天然の純粋な石英粉末サンプル中の石英の過剰成長における Al 含有量がわずかに増加していることが明らかになりました。拘束圧力 250 MPa、間隙流体圧力 150 MPa、差応力 90 MPa、850 °C で 8 時間。 Williams ら 18 は、岩石顕微鏡で冷陰極 CL システムを使用し、長時間の石英成長実験 (300 ～ 450 °C および 150 MPa、アモルファスシリカ）。最近、さまざまな著者が CL を使用して実験的および自然に変形した岩石中の再結晶石英を視覚化し、低温と高温の両方での変形中の粒界流体の存在によって生じる微量元素の再平衡 (特に Ti) に CL を関連付けました 19,20,21 、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>