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Nov 01, 2023

Catodoluminiscencia como técnica de rastreo para la precipitación de cuarzo en experimentos de cizallamiento a baja velocidad.

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 10236 (2023) Citar este artículo 392 Accesos Detalles de métricas Dos gubias simuladas (un cuarzo puro y una mezcla de cuarzo-moscovita) fueron experimentalmente

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 10236 (2023) Citar este artículo

392 Accesos

Detalles de métricas

Se deformaron experimentalmente dos gubias simuladas (un cuarzo puro y una mezcla de cuarzo y moscovita) en un aparato de corte de anillo a una velocidad baja constante en condiciones hidrotermales favorables para los procesos de disolución-precipitación. El análisis microestructural mediante imágenes de catodoluminiscencia con microscopio electrónico de barrido y espectroscopia de catodoluminiscencia combinada con análisis químico mostró que en ambos experimentos se produjo disolución y precipitación de cuarzo. Los materiales de partida y las condiciones de deformación se eligieron de modo que las microestructuras de disolución-precipitación pudieran identificarse sin ambigüedades a partir de su señal de catodoluminiscencia. El cuarzo precipitado se observó como rellenos de fracturas luminiscentes azules y crecimientos excesivos con un mayor contenido de Al en relación con el cuarzo original. En la ranura de cuarzo puro, la mayor parte de la deformación por corte se localizó en una superficie de deslizamiento paralela a los límites. El sellado de fracturas en una zona pulverizada directamente adyacente a la superficie de deslizamiento puede haber ayudado a mantener la deformación localizada. En la mezcla de cuarzo y moscovita, se observó cierta evidencia de precipitación de cuarzo con capacidad de corte en las sombras de deformación, pero predominantemente en las fracturas, alargando los granos originales. La precipitación de cuarzo en fracturas implica que la escala de longitud de la transferencia de masa por difusión en el flujo viscoso por fricción es más corta que la longitud de los dominios de cuarzo. Además, la fracturación podría desempeñar un papel más importante de lo que generalmente se supone. Nuestros resultados muestran que la catodoluminiscencia, especialmente combinada con el análisis químico, es una herramienta poderosa en los análisis microestructurales de material que contiene cuarzo deformado experimentalmente y en la visualización de la precipitación de cuarzo.

Las interacciones fluido-roca, como los procesos de disolución y precipitación, juegan un papel importante en la deformación y fallas tanto naturales como experimentales. La fluencia por disolución-precipitación (también conocida como solución de presión) es ampliamente aceptada como un mecanismo relevante de deformación y reparación de fallas en entornos de cizallamiento en la naturaleza y en experimentos1. Por lo general, la aparición de disolución-precipitación se infiere de signos de disolución, como la presencia de truncamientos y hendiduras de grano, límites de grano irregulares, reducción de la porosidad y de fracturas curadas que a veces pueden reconocerse como rastros de inclusiones fluidas2,3,4. 5. Además, los granos de cuarzo euhédricos observados en experimentos de cizallamiento a alta temperatura en gubias de cuarzo se han interpretado como evidencia de precipitación5. Sin embargo, la presencia de material recién precipitado no se demuestra de manera rutinaria y en la mayoría de los estudios microestructurales es difícil o imposible distinguir los crecimientos excesivos y las fracturas curadas de los granos originales. Sin embargo, saber dónde precipita el material es muy relevante, ya que esto proporciona información sobre el papel de los procesos de transferencia de solución en la deformación (por ejemplo, acomodar la deformación o sólo facilitar la compactación) y sobre las escalas de longitud involucradas en la transferencia de masa por difusión, que controlan el proceso general. Velocidad de deformación producida por disolución y precipitación.

La catodoluminiscencia (CL) puede revelar variaciones sutiles en la química y la estructura de los minerales6 y tanto las imágenes de CL como el análisis hiperespectral han sido una herramienta poderosa en el estudio del cuarzo durante décadas7,8,9,10,11,12,13,14,15. dieciséis. Giger et al.17 utilizaron imágenes de CL para mostrar que la disolución y precipitación del cuarzo se producían en experimentos de prensado en caliente: las imágenes SEM-CL en escala de grises y el mapeo químico cuantitativo revelaron un contenido de Al ligeramente aumentado en los crecimientos excesivos de cuarzo en una muestra de polvo de cuarzo puro natural prensado en caliente para ocho horas a 850 °C bajo una presión de confinamiento de 250 MPa, una presión de fluido de poro de 150 MPa y una tensión diferencial de 90 MPa. Williams et al.18 utilizaron un sistema CL de cátodo frío en un microscopio petrográfico para rastrear la precipitación de cuarzo en fracturas curadas y crecimientos excesivos después de experimentos de crecimiento de cuarzo de larga duración (a 300–450 °C y 150 MPa, con un fluido de poro enriquecido en Al que contenía sílice amorfa). Recientemente, varios autores utilizaron CL para visualizar cuarzo recristalizado en rocas deformadas experimental y naturalmente, vinculando CL con el reequilibrio de elementos traza (especialmente Ti) resultante de la presencia de fluidos límite de grano durante la deformación, tanto a bajas como a altas temperaturas19,20,21 ,22.

En este estudio, demostramos el uso de CL para revelar la precipitación de cuarzo durante experimentos de corte a baja velocidad en una gubia de cuarzo puro y una gubia mixta de cuarzo y moscovita. Utilizamos materiales de partida cuidadosamente seleccionados y caracterizados para que las microestructuras de disolución-precipitación pudieran identificarse sin ambigüedades a partir de su señal de catodoluminiscencia. Nuestros resultados muestran que tanto las imágenes SEM-CL como los mapas hiperespectrales CL son herramientas efectivas en estudios microestructurales de cuarzo deformado experimentalmente, que resaltan claramente el cuarzo recién precipitado en crecimientos excesivos y fracturas curadas. Además, nuestros resultados indican que la escala de longitud de disolución y precipitación está relacionada con el espaciamiento de las fracturas selladas en los granos de cuarzo relictos.

Para este estudio se consideró material de dos experimentos de corte: una gubia de cuarzo puro (experimento u742) y una mezcla de 80% en peso de cuarzo y 20% en peso de moscovita (experimento u195) que fue descrita previamente por Niemeijer4. El material de partida para u742 fue un monocristal de cuarzo que mostraba una emisión de CL relativamente homogénea (principalmente roja con algunas zonas de crecimiento reveladas por zonas de azul a violeta). Las características iniciales de CL del material de partida permitieron identificar fácilmente cualquier precipitación de cuarzo (con diferente comportamiento de CL debido a la química y/o estructura defectuosa resultante de las condiciones experimentales y la configuración). El cristal se trituró manualmente y se tamizó hasta un tamaño de grano de <63 µm para obtener una ranura simulada para experimentos de cizallamiento. La gubia se compactó a 500 °C y una tensión normal efectiva σneff = 120 MPa durante 56 h antes de comenzar el corte. Una muestra de referencia no se cortó, sino que sólo se compactó a temperatura ambiente durante 30 minutos. El experimento u195 (descrito previamente en Niemeijer4) se realizó en una mezcla de 80% en peso de cuarzo (Sil-co-sil 49, US Silica Company) y 20% en peso de moscovita (monocristales de moscovita de alta pureza, grado V4, suministros SPI, triturados y tamizado en d < 50 µm). El cuarzo de este material tiene granos de diferentes orígenes y por tanto una variedad de colores y microestructuras iniciales de CL.

Los experimentos de cizallamiento se realizaron utilizando un aparato de cizallamiento de anillo hidrotermal descrito previamente, por ejemplo, por Niemeijer et al.3. Se eligieron condiciones adecuadas para que se produjera la disolución y precipitación en cuarzo. El experimento u742 se realizó a una temperatura de T = 500 °C durante la primera parte del experimento, que luego se aumentó a 600 °C porque la muestra mostró un comportamiento de adherencia-deslizamiento; tensión normal efectiva σneff de 120 MPa, presión de fluido Pf de 100 MPa y una velocidad de corte constante v de 0,03 µm/s, con un desplazamiento total del punto de carga de 14,294 mm. Las condiciones experimentales para u195 fueron similares, a una temperatura T de 500 °C, tensión normal efectiva σneff de 120 MPa, presión de fluido Pf de 80 MPa y una velocidad de corte constante v de 0,03 µm/s, con un desplazamiento total de 30,9 mm. Después de los experimentos, se eliminó la tensión de corte, las muestras se enfriaron en aproximadamente 30 minutos y se eliminaron la presión del fluido y la tensión normal. Las tasas de deformación y deformación en masa fueron 12,1 y 2,65e-5 para el experimento de gubia de cuarzo, y 38,3 y 3,72e-5 para el experimento de gubia de cuarzo-moscovita. Después de recuperar muestras del aparato de corte anular, el sentido de corte (de arriba a la izquierda o a la derecha) no está claro, pero los títulos de las figuras indican si la dirección del corte está en el plano de la imagen horizontal o en la dirección de visualización.

Los fragmentos de material experimental se incrustaron en epoxi, luego se molieron y pulieron usando Al2O3 hasta un tamaño de grano de 0,3 µm, después de lo cual se realizó un paso de pulido final usando sílice coloidal (Syton) para eliminar el daño superficial inducido por el pulido mecánico. Debido a los problemas de carga resultantes del pulido diferencial de cuarzo y moscovita, la muestra u195 también se pulió en un pulidor de haz de iones amplio (Fischione Modelo 1061 SEM Mill) durante tres horas con un haz de 2 kV en un ángulo de 1° con 0% de enfoque. Las muestras se recubrieron con una fina capa de carbono para evitar la carga en el microscopio electrónico.

Las imágenes de electrones retrodispersados ​​(BSE), electrones secundarios (SE) y catodoluminiscencia filtrada en color (CL) se registraron utilizando un microscopio electrónico de barrido FEI Helios Nanolab G3 con detector Gatan PanaCL (rango de detección 185–850 nm), incluido el rojo (595–850 nm). , filtros verde (495–575 nm) y azul (185–510 nm). Las imágenes SEM-CL filtradas en rojo, verde y azul se optimizaron en cuanto a brillo y contraste (niveles) utilizando Adobe Photoshop y, en algunos casos, se aplicó un filtro de reducción de ruido. Luego, las imágenes filtradas se combinaron incluyendo cada imagen en escala de grises en los canales rojo, verde y azul, respectivamente, de una nueva imagen en color RGB. Se adquirieron imágenes SEM-CL adicionales en colores falsos en un Zeiss Gemini 450 con el sistema Delmic SPARC Compact CL, combinando tres imágenes filtradas (625–675 nm, 525–575 nm y 425–475 nm) en una imagen RGB utilizando el sistema RGB. Complemento de imagen en el software de control CL (Odemis). La configuración del haz en ambos instrumentos era típicamente de 10 kV y 3,2 a 6,4 nA con un tiempo de permanencia de 10 a 30 µs por píxel.

Los mapas de difracción de electrones retrodispersados ​​(EBSD) se registraron utilizando un microscopio electrónico de barrido FEI Helios Nanolab G3 o Philips XL30 SFEG, ambos con una cámara Nordlys y el software Oxford Aztec 3.4, o un Zeiss Gemini 450 con detector Oxford Symmetry y Aztec 4.4. La configuración del haz para el mapeo EBSD fue de 20 a 30 kV y de 2,5 a 90 nA con un tamaño de paso de 0,3 a 0,5 µm, con una inclinación de la muestra de 70°. El procesamiento de datos de EBSD se realizó en Aztec Crystal 2.0 eliminando primero los picos salvajes, seguido de una extrapolación iterativa (máx. 10 veces) de 8, 7 y 6 vecinos más cercanos. Para trazar figuras polares de una orientación por grano, se eliminaron los gemelos Dauphiné eliminando la pseudosimetría (rotación de 60° alrededor de <0001>).

Los mapas hiperespectrales de CL y los mapas de espectrometría dispersiva de longitud de onda (WDS) cualitativa para Al y Ti se registraron utilizando un microanalizador de sonda electrónica de emisión de campo JEOL JXA-8530F Hyperprobe con un sistema de espectrometría xCLent IV CL (rango de detección 197–975 nm) usando una apertura de 200 µm. Los ajustes del haz fueron de 7 a 15 kV y de 20 a 100 nA con tiempos de permanencia de 20 a 500 ms y tamaños de paso de 0,2 a 0,5 µm. Los espectros CL se analizaron ajustando picos gaussianos a los espectros utilizando Fytik23.

La Figura 1 muestra el coeficiente de fricción (esfuerzo cortante dividido por el esfuerzo normal efectivo, ignorando la cohesión) y la temperatura durante el experimento en función del desplazamiento para el experimento de cuarzo puro (u742). La fricción aumenta casi linealmente hasta que ocurre la falla con una fricción máxima de ~ 0,85, seguida de eventos periódicos de adherencia y deslizamiento con una disminución en los valores de fricción pico y valle, lo que resulta en una caída constante de la fricción de ~ 0,4–0,5. La temperatura se aumentó a 550 °C en un intento de estabilizar el deslizamiento y activar la deformación acomodada por la solución de presión24. El aumento de temperatura dio lugar a deslizamientos ligeramente más pequeños, pero no a un deslizamiento estable, y la temperatura se incrementó aún más hasta 600 °C. Esto resultó en un deslizamiento estable y un considerable debilitamiento de la tensión hasta un nivel de fricción de 0,27. Los pasos posteriores en la tensión normal efectiva (entre ~ 10 y 12 mm de desplazamiento) no afectaron el nivel de fricción, lo que indica una dependencia lineal de la tensión cortante sobre la tensión normal efectiva. La fricción interna, establecida a partir de la pendiente, en esta etapa del experimento fue de 0,28. La evolución del espesor de la capa indica que la compactación tuvo lugar principalmente en la segunda mitad de los experimentos, después de que la temperatura se elevó de 500 a 600 °C.

Datos mecánicos para el experimento de la gubia de cuarzo (u742): desplazamiento frente al coeficiente de fricción y temperatura.

El coeficiente de fricción durante el experimento con la mezcla de cuarzo y moscovita (u195) aumentó a 0,64 al inicio del corte, seguido de un debilitamiento y un deslizamiento estable con un coeficiente de fricción final de 0,32 (ver Niemeijer4 para una descripción más detallada de este experimento).

Los granos en la muestra de referencia de gubia de cuarzo triturada y compactada, pero no cortada (Fig. 2a) muestran la misma emisión de CL homogénea, en su mayoría de rojo a violeta, en imágenes SEM-CL que el cristal sin triturar. Los fragmentos son angulares y se pueden reconocer algunos fragmentos con bandas de crecimiento y zonación (flecha blanca en la Fig. 2a). En u742 (Figs. 2c, d, 3 y 4), cortado a 0,03 µm/s, la porosidad casi ha desaparecido en partes de la muestra, especialmente cerca de la superficie de deslizamiento, y los límites de los granos son irregulares, mostrando hendiduras y crecimientos excesivos. En la mayoría de los granos de la muestra se observan finos bordes luminiscentes azules y crecimientos excesivos (normalmente de 0,5 a 2 µm de ancho). Las fracturas selladas muestran la misma luminiscencia azul y ocurren principalmente en granos más grandes. Este cuarzo luminiscente azul no se observa en el material de partida compactado y no cizallado. En varios granos en u742, los bordes o crecimientos excesivos luminiscentes azules parecen sangrar en granos luminiscentes rojos (flechas blancas en la Fig. 2c). La imagen RGB SEM-CL de color falso en la Fig. 3a muestra la sangría de un grano con una parte luminiscente azulada en un grano con una fina zona de crecimiento (flecha blanca). Un crecimiento excesivo de color azul rosado en el grano zonificado se indica con una flecha negra. Algunas fracturas selladas son más anchas en un lado, lo que sugiere que se abrieron desde esa dirección (p. ej., elipse blanca en la figura 3c).

(a) Imagen RGB SEM-CL en color falso del material de partida de cuarzo triturado y compactado, pero no cortado. La flecha blanca indica un patrón de zonación rojo y violeta presente en el cristal original. (b) Imagen SE correspondiente a la imagen CL en (a). (c) Superposición de imagen RGB SEM-CL de color falso en la imagen SE, que muestra la microestructura en el cuerpo principal de la gubia de cuarzo cortada (u742). La dirección de corte es perpendicular al plano de la imagen. El cuarzo azul parece penetrar en el cuarzo rojo en varios lugares (flechas blancas). Las elipses amarillas muestran fracturas (parcialmente) selladas indicadas como límites de ángulo bajo en el mapa EBSD en (e). (d) Imagen BSE correspondiente a a (que también muestra el contraste de orientación debido a los efectos de canalización de electrones). (e) Superposición del mapa EBSD IPF x en el mapa de contraste de banda, con límites de grano (desorientación > 10°) en negro, límites gemelos Dauphiné (rotación de 60° alrededor del eje c) en rojo, límites de ángulo bajo (5°–10 °) en verde y límites de ángulo muy bajo (2°–5°) en amarillo. Las elipses amarillas muestran límites de ángulo bajo que pueden reconocerse como fracturas selladas (parcialmente) luminiscentes azules en la imagen SEM-CL en c. Los recuadros en escala de grises muestran mapas de contraste de bandas EBSD (calidad de patrón) de las áreas indicadas con cuadros negros discontinuos. La calidad del patrón es la misma en el cuarzo luminiscente azul y rojo (áreas luminiscentes claramente azules indicadas con flechas negras, que también se muestran en la imagen CL en c). La dirección de corte en c, d y e es en la dirección de visión (perpendicular al plano de la imagen).

Microestructura en la gubia de cuarzo cortada (u742). La dirección de corte es horizontal en la imagen (probablemente de arriba a la izquierda), excepto en g y h. (a) Superposición de imagen SEM-CL en color falso sobre la imagen BSE que muestra la sangría de un grano con una parte luminiscente azul en un grano con zonas de crecimiento finas (elipse gris claro). A modo de comparación, la luminiscencia azul procedente del pulido de granos en un poro se indica mediante elipses de color gris oscuro. Las elipses de color gris oscuro y claro también se muestran en la imagen BSE correspondiente en (b), para confirmar la apariencia diferente del cuarzo que muestra variaciones en la emisión de CL y el espacio poroso o el material de pulido remanente (que está presente en los poros y muestra CL azul brillante fuerte). ). (c) Superposición de imagen RGB SEM-CL en color falso sobre la imagen BSE que muestra una fractura (elipse blanca) en un fragmento de cuarzo finamente dividido en zonas, sellado con cuarzo luminiscente de color azul rosado. La fractura es más ancha en la parte inferior derecha, lo que sugiere una apertura desde esa dirección. (d) Imagen BSE correspondiente a c, con elipse blanca en el mismo lugar que en c, para confirmar la presencia de cuarzo en la fractura sellada rosada. (e) Superposición de imagen RGB SEM-CL en color falso sobre la imagen BSE de la zona pulverizada junto a la superficie de deslizamiento. Los fragmentos de cuarzo luminiscente rojo de grano fino están sellados entre sí mediante cuarzo luminiscente azul en fracturas, espacios porosos y bordes de grano. Cerca de la superficie de deslizamiento hay manchas luminiscentes de color rojo a amarillo más brillantes. (f) Imagen BSE correspondiente a la imagen CL en e. El material rico en Ni, inyectado desde la superficie de deslizamiento en la ranura, se reconoce claramente por su alto brillo (oscuro en CL). (g) Superposición de imagen RGB SEM-CL en color falso sobre la imagen SE de la zona pulverizada junto a la superficie de deslizamiento (la dirección de deslizamiento para esta imagen es en la dirección de visualización), que muestra cuarzo luminiscente azul en fracturas y bordes de grano, rojo más brillante a parches luminiscentes amarillos cerca de la superficie de deslizamiento y metal inyectado cerca de la superficie de deslizamiento (oscuro en CL; blanco brillante en SE en h). (h) Imagen SE correspondiente a la imagen CL en (g).

(a) Imagen RGB SEM-CL en color falso y (b) imagen BSE correspondiente. La dirección de corte está en la imagen horizontal (probablemente de arriba a la izquierda). (c) Superposición del mapa EBSD IPF x en el mapa de contraste de banda, con límites de grano (desorientación > 10°) en negro, límites gemelos Dauphiné (rotación de 60° alrededor del eje c) en rojo, límites de ángulo bajo (5°–10 °) en verde y límites de ángulo muy bajo (2°–5°) en amarillo. El cuadro gris muestra la ubicación de las imágenes CL y BSE en (a) y (b). (d) Gráfico de densidad de orientación (área igual, hemisferio inferior) para la parte superior de grano fino del mapa en (c). (e) Gráfico de densidad de orientación (área igual, hemisferio inferior) para el resto del mapa en (c). Tanto la parte superior como la inferior reducen un MUD (múltiplos de distribución uniforme) bajo de ~ 1,5, lo que indica que no hay diferencias significativas en la orientación preferida del cristal entre la parte superior (cerca de la superficie de deslizamiento) y el resto de la muestra. X1 e Y1 en las figuras de polos en d y e se refieren a los ejes X1 e Y1 del mapa EBSD en (c), y están en el sistema de referencia de muestra.

Las imágenes CL y los mapas EBSD (Figs. 2c-e y 4) muestran cambios significativos en la forma del grano después de la deformación, en comparación con el material inicial no cortado que se muestra en la Fig. 2a. Los granos más grandes permanecen de forma angular a subangular, mientras que los granos más pequeños tienen forma redondeada o equiaxial a poligonal. Muchos granos relictos contienen algunos límites de ángulo bajo (desorientación de 2 ° a 10 °), que se corresponden con fracturas (parcialmente) selladas en la imagen CL. Los ejemplos se indican con elipses amarillas en las figuras 2c-e. Las Figuras 2c-e y 4 muestran que se producen granos redondeados a equiaxiales, con poros delimitados por interfaces rectas o suavemente curvadas. Los límites de los granos muestran signos de poros de menor escala a lo largo de los límites (por ejemplo, el límite a la derecha de la elipse gris claro en la Fig. 3a, b).

El contenido de Ti en u742 estuvo por debajo del límite de detección, pero los mapas de Al WDS muestran una variación en la concentración de Al. La Figura 5 muestra una correlación espacial entre la emisión de CL azul (Fig. 5a, d, f) y el aumento del contenido de Al (Fig. 5e). Esto se ilustra con más detalle en el perfil de la Fig. 5h que muestra recuentos normalizados de intensidad total de CL, intensidad de CL de 3,2 eV / 400 nm (azul) y Al.

Mapas de microsonda de la muestra de gubia de cuarzo cortada (u742), que muestran una correlación entre el CL azul y el aumento de la concentración de Al. La dirección de corte es en la dirección de visión. (a) Mapa CL hiperespectral RGB de color falso. Los espectros CL de los puntos 1 a 3 se muestran en las figuras 6a, byd respectivamente, el perfil se muestra en la figura 5h; (b) intensidad total de CL; (c) intensidad de emisión de CL de 1,9 eV (650 nm; rojo); (d) intensidad de emisión de CL de 3,2 eV (390 nm; azul); (e) concentración cualitativa de Al; f) relación de intensidad de emisiones CL de 3,2/1,9 eV; (g) BSE (h) Línea de perfil a través de la fractura sellada azul en 5a (a la izquierda del punto 2) que muestra recuentos normalizados de intensidad total de CL (línea negra), intensidad de CL de 3,2 eV (línea azul) y concentración de Al (línea gris).

La emisión de CL de los bordes azules y las fracturas curadas se caracteriza por una intensidad total más baja (Fig. 5b), una emisión roja más baja (Fig. 5c) y una emisión azul ligeramente más alta con respecto a los granos originales de color rojo a púrpura (Fig. 5d). ,F). El ajuste de picos a los espectros CL (Fig. 6a-c) muestra que tanto para los granos de cuarzo de rojo a violeta como para el cuarzo azul en bordes y fracturas curadas, el pico principal en los espectros de emisión está en el rango rojo alrededor de 1,9 eV (650 nm), con un pico azul amplio y más débil alrededor de 2,7 a 2,8 eV (450 a 460 nm) (que varía entre 2,4 y 2,8 eV, probablemente porque al software le resulta difícil ubicar con precisión un pico tan amplio y relativamente débil). El pico azul es relativamente ligeramente más fuerte en el cuarzo luminiscente azul que en el cuarzo rojo a violeta (consulte los espectros normalizados representados juntos en la Fig. 6c). Además, el mejor ajuste para los espectros de las áreas luminiscentes azules (Fig. 6b) contiene un pequeño pico adicional de 3,1 a 3,2 eV (380 a 390 nm) que no está presente en el mejor ajuste para el cuarzo original de rojo a violeta (Fig. .6a). La relación de emisión de CL azul/rojo, expresada como relación 3,2/1,9 eV, se correlaciona bien visualmente con la concentración relativa de Al (compárese la Fig. 5e, f).

(a) Picos ajustados al espectro CL del cuarzo original luminiscente de rojizo a violeta en el punto 1 de la Fig. 5a. (b) Picos ajustados al espectro CL de cuarzo azul en la fractura sellada en el punto 2 de la Fig. 5a. (c) Comparación directa de los espectros CL del punto 1 y el punto 2 en la Fig. 5a. (d) Picos ajustados a un espectro CL del polvo de pulido (punto 3 en la Fig. 5a), que muestra un fuerte pico de 3,6 eV relacionado con Al2O3 y una contribución más débil del cuarzo también muestreado por el haz de electrones (es decir, 1,9, 1,95 y 2,6 eV). picos también reconocidos en la Fig. 6a, b, e, f). e) Picos ajustados al espectro CL del cuarzo original luminiscente de rojizo a violeta en el punto 1 de la Fig. 8a. (f) Picos ajustados al espectro CL de cuarzo azul en la fractura sellada en el punto 2 de la Fig. 8a. (g) Comparación directa de los espectros CL del punto 1 y el punto 2 en la Fig. 8a. Abreviaturas utilizadas en las leyendas: Altura = intensidad más alta del pico ajustado; FWHM = ancho total a la mitad del máximo; NBOHC = centro del orificio de oxígeno sin puente; STE = excitón autoatrapado.

En un lado de la muestra u742 se reconoce claramente la forma de los dientes del pistón, pero en el otro lado los dientes del pistón no están presentes y se desarrolla una superficie brillante, lo que se interpreta como una superficie de deslizamiento paralela a los límites. En la microscopía de luz reflejada, la superficie del deslizamiento tiene una apariencia oscura, y las imágenes de electrones retrodispersados ​​(BSE) y los análisis de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) muestran la presencia de componentes principalmente metálicos (Ni, S y algunos Fe, Ti, Cr, Co y Al) en la superficie. Algunos de estos, en particular Ni y S, se han inyectado en la muestra a ~ 30 µm de profundidad (material CL-oscuro / SE-brillante en las figuras 3e-h y partes superiores de las figuras 4a, b). Cerca de la superficie de deslizamiento se observa una zona pulverizada de unas pocas decenas de µm de espesor con muchas fracturas selladas y granos finos (Figs. 3e, gy 4a). Hay más cuarzo luminiscente azul presente en la zona pulverizada y más cerca de la superficie de deslizamiento que más profundamente en la muestra. El área de superficie del cuarzo luminiscente azul en imágenes SEM-CL varía entre ~ 2% en el cuerpo de la muestra y ~ 23% en la zona pulverizada directamente adyacente a la superficie de deslizamiento. Además, la porosidad se reduce en esta zona (~ 2% de la superficie de la imagen) en relación con lo más profundo del cuerpo de la muestra (~ 6% de la superficie de la imagen). En algunos granos de cuarzo hay manchas de emisión de CL de color rojo a amarillo más brillante, especialmente cerca de la superficie de deslizamiento. Algunos parches de CL amarillos cubren casi un grano completo (Fig. 3e, gy 4a), pero en algunos casos solo se observan pequeñas áreas cerca de fracturas o puntas de grietas (ver Figs. 2c y 3e). Los espectros de emisión de CL de estas áreas amarillas muestran una mayor intensidad, en particular del pico de 1,9 eV (650 nm).

Los datos de EBSD (mapa de ejemplo mostrado en la Fig. 4) muestran una ligera reducción del tamaño de grano en la zona fracturada cerca de la superficie de deslizamiento con respecto al cuerpo de la muestra (en tres mapas diferentes, el diámetro promedio de grano en la parte superior ~ 20–30 µm varía entre 1,5 y 2,3 µm, frente a 2,3–3,5 µm en el cuerpo de la muestra). La orientación cristalográfica preferida (CPO) es de débil a no significativa (MUD, múltiplos de densidad uniforme, de ~ 1,5) tanto cerca de la superficie de deslizamiento como en el cuerpo de la muestra (Fig. 4d, e). Además, el cuarzo luminiscente azul en los bordes y las fracturas curadas muestra la misma calidad del patrón de difracción que los granos de cuarzo originales (luminiscentes de rojo a violeta) (ver flechas negras en la Fig. 2c-e), lo que indica que el grado de cristalinidad es similar en el original. y cuarzo precipitado. La comparación de imágenes SEM-CL y mapas EBSD de la misma área de muestra (Fig. 2c,e y 4) muestra que algunas fracturas selladas (azul en CL) forman límites de grano (desorientación > 10°, indicada por líneas negras en los mapas EBSD) , mientras que otros corresponden a límites de ángulo bajo (desorientación <10°, indicada por líneas verdes o amarillas en los mapas EBSD).

El cuarzo en la gubia de cuarzo-moscovita (u195) no es tan homogéneo en CL como el material de partida para la gubia de cuarzo puro (u472), y además de los granos de color rojo a violeta, está presente una pequeña cantidad de cuarzo originalmente azul brillante (ver falso -Imágenes SEM-CL en color en la Fig. 7 y compuestas RGB en la Fig. 8a). El cuarzo en las fracturas selladas y los crecimientos excesivos es de color azul oscuro y solo débilmente luminiscente con respecto a los núcleos de granos rojos o azules brillantes (compárese las Fig. 8a-c; la Fig. 8g muestra la imagen BSE correspondiente). En los granos de rojo a violeta, se observa la misma relación que en la gubia de cuarzo puro descrita anteriormente, entre un pico de CL rojo más bajo/azul ligeramente más alto y un aumento de Al. La correlación espacial entre el aumento de la emisión de CL azul (Fig. 8d, f, h) y el aumento de la concentración de Al (Fig. 8e, h) en u195 no es tan fuerte como en la gubia de cuarzo puro y, a veces, se ve oscurecida por la fuerte emisión de originalmente cuarzo azul brillante. El pico de 3,2 eV relacionado con Al no solo está presente en fracturas curadas y crecimientos excesivos, como en la muestra de cuarzo puro, sino también en algunos cuarzos originales (consulte los espectros CL en las figuras 6e, f). Al comparar los espectros del cuarzo luminiscente azul oscuro en una fractura sellada con el cuarzo original rojizo justo al lado, el pico de 3,2 eV ajustado al espectro de la fractura curada es más fuerte que en el espectro del cuarzo original (por ejemplo, espectros CL 1 y 2 en la Fig. 6e,f). Además, existe una correlación visual bastante buena entre la concentración de Al y la relación 3,2/1,9 eV (compárese la Fig. 8e, f).

Efectos de disolución (círculos rojos) y crecimiento excesivo de CL de color azul oscuro, rellenos de poros y fracturas curadas (círculos amarillos) en la gubia mixta de cuarzo y moscovita (u195). La dirección de corte está en la imagen horizontal (probablemente de arriba a la izquierda). Superposiciones RGB SEM-CL de color falso en imágenes BSE (a, c) y las imágenes BSE correspondientes (b, d). (e) Superposición de imagen RGB SEM-CL en color falso sobre la imagen BSE que muestra un crecimiento excesivo luminiscente de color azul oscuro que se incrusta en un grano luminiscente rojo, con una línea roja más brillante en un semicírculo debajo del punto de indentación (círculo blanco). Las mediciones de EBSD (ver el recuadro en el círculo blanco superior derecho, la misma leyenda que las Figs. 2e y 4c) indican que se trata de un límite de gemelo Dauphiné. (f) La imagen BSE de la misma se muestra en e (las áreas blancas brillantes son restos de un recubrimiento de platino anterior).

Mapas de microsonda de la muestra de gubia de cuarzo-moscovita cortada (u195). La dirección de corte está en la imagen horizontal (probablemente de arriba a la izquierda). (a) Mapa CL hiperespectral RGB de color falso; (b) intensidad total de CL; (c) intensidad de emisión de CL de 1,9 eV (650 nm, rojo); (d) intensidad de emisión de CL de 3,2 eV (390 nm, azul); (e) concentración cualitativa de Al; f) relación de intensidad de emisiones CL de 3,2/1,9 eV; (g) EEB (imagen SEM). (h) Línea de perfil a través de la fractura sellada azul en 8a que muestra recuentos normalizados de intensidad total de CL (línea negra), intensidad de CL de 3,2 eV (línea azul) y concentración de Al (línea gris). Tenga en cuenta que la ubicación del perfil se eligió en un grano luminiscente rojo/naranja en lugar de azul/violeta, para ver claramente la variación en la emisión de 3,2 eV con respecto a la intensidad total de CL.

Aunque los granos de cuarzo en u195 todavía son bastante angulares, apenas se observa porosidad y se observan claramente tanto las estructuras de disolución como el cuarzo precipitado (principalmente en fracturas selladas y, a veces, como crecimientos excesivos que llenan el espacio poroso) (Fig. 7a-d). Generalmente, los sobrecrecimientos o bordes de cuarzo luminiscente de color azul oscuro sólo se observan en contactos cuarzo-cuarzo, y no en contactos cuarzo-moscovita. Como se describe en 4, la muestra muestra una zona paralela a los límites de tamaño de grano reducido (aproximadamente la mitad superior de la Fig. 7a). La moscovita (negra en CL) parece estar parcialmente concentrada en bandas delgadas que son más o menos continuas en la escala de las imágenes SEM-CL. Esto encaja con los análisis de Niemeijer4, quien concluyó que en esta muestra se desarrolló al menos parcialmente una foliación moscovita semicontinua. La imagen de la Fig. 7a en resolución completa muestra que las bandas de moscovita son más delgadas y están más espaciadas en la zona de grano fino hacia la parte superior. Entre las bandas de moscovita, los granos de cuarzo aparecen fracturados y resellados con cuarzo luminiscente de color azul oscuro, alargando así los granos originales. Esto es particularmente obvio por los fragmentos de color azul brillante que se destacan claramente en la mayoría de los granos de cuarzo más rojos.

La imagen CL tomada en el cuerpo principal de la muestra (Fig. 7c) muestra orientaciones opuestas de contactos con estructuras de disolución (círculos rojos) y contactos con cuarzo precipitado luminiscente de color azul oscuro (elipses amarillas), con contactos de disolución en un ángulo de ~ 45 °, y la precipitación contacta en un ángulo de ~ 115° con respecto a la superficie superior de la muestra. Sin embargo, estos valores no representan más que una indicación de la estructura en todas las muestras, ya que la geometría de contacto no se estudió sistemáticamente y puede modificarse a medida que avanza la deformación durante el experimento. La Figura 7e, por ejemplo, muestra un grano con un crecimiento excesivo luminiscente de color azul oscuro que se incrusta en otro grano. Debajo del punto de indentación, en el grano indentado rojo, se puede observar una delgada línea luminiscente de color rojo más brillante. Las mediciones de EBSD (insertadas en el círculo superior derecho en la Fig. 7e) confirman que se trata de un límite gemelo Dauphiné, que a menudo se observa como líneas rojas más brillantes en imágenes CL de cuarzo14. La geometría de la aparente hendidura con la línea roja a su alrededor sugiere que se formó un gemelo mecánico Dauphiné como resultado de la tensión en el contacto entre los granos, que se extiende radialmente desde el punto de hendidura. Además, las mediciones de EBSD en otras partes de la muestra confirman que muchos gemelos Dauphiné están presentes en los contactos cuarzo-cuarzo en toda la muestra.

En algunos granos, también se observaron fracturas curadas con luminiscencia roja (p. ej., en la esquina superior derecha de la Fig. 7c). Éstos también se encuentran en el material de partida compactado, pero no cortado.

El material de pulido (Al2O3) muestra una fuerte emisión de CL azul brillante que es claramente visible en imágenes SEM-CL y mapas hiperespectrales de la ranura de cuarzo (u742). Esta emisión azul del material de pulido remanente se distingue fácilmente de la CL azul en cuarzo por el fuerte pico de 3,6 eV en los espectros de CL del polvo de pulido (Fig. 6d). Este pico no está presente en el cuarzo precipitado luminiscente azul. Además, el polvo de pulido generalmente tiene un tono de azul diferente en las imágenes SEM-CL (p. ej., áreas de color azul brillante entre los granos en la parte inferior derecha de la Fig. 2c y en los poros en la Fig. 3a) en comparación con el cuarzo precipitado. Los granos de pulido se destacan claramente en los mapas de composición por su alto contenido de aluminio (puntos negros en la Fig. 5e), y al comparar imágenes CL con SE, el cuarzo luminiscente azul generalmente se distingue fácilmente del polvo de pulido luminiscente azul brillante en poros y grietas (p. ej. , poro superior derecho en la Fig. 3a, by poro derecho en la Fig. 3c, d).

En las dos muestras cortadas experimentalmente descritas en este estudio, se observa una clara diferencia entre la emisión de CL del cuarzo en el material de partida y en el material deformado. Las muestras deformadas contienen cuarzo luminiscente azul en grietas selladas, poros y crecimientos excesivos de granos en los granos de cuarzo luminiscentes originalmente en su mayoría de color rojo a violeta. Este cuarzo luminiscente azul no está presente en las muestras no deformadas. Es probable que (la mayor parte) del cuarzo azul precipitara durante los experimentos, y no por el vertido de sílice disuelta como resultado del enfriamiento al final de los experimentos, por dos razones. En primer lugar, se observaron microestructuras que sólo pueden haberse formado si el cuarzo luminiscente azul ya precipitó durante el experimento y luego se metió en otros granos con una deformación continua. En las Figs. 2c y 3a, las flechas blancas y la elipse gris claro indican respectivamente ubicaciones donde el cuarzo luminiscente azul se incrusta en los granos de cuarzo originales (luminiscentes rojos o zonificados). En la Fig. 7e se observa una gemela Dauphiné, que se extiende radialmente desde el punto donde un cuarzo luminiscente azul oscuro penetra en un grano original luminiscente rojo. En segundo lugar, la precipitación de cuarzo de un fluido saturado a 600 °C hasta temperatura ambiente daría como resultado una reducción de la porosidad de aproximadamente un 0,4 %, mientras que el área de la superficie de la imagen del cuarzo luminiscente azul (precipitado) en la ranura de cuarzo puro (u742) varía entre ~ 2 % en el cuerpo de la muestra hasta ~ 23% en partes de la zona pulverizada adyacente a la superficie de deslizamiento, lo que sugiere que ha precipitado un volumen mucho mayor de cuarzo de lo que sería posible mediante el enfriamiento al final del experimento.

Se observaron precipitaciones de cuarzo rico en Al similares y rellenos de fracturas precipitados durante los experimentos en imágenes CL de muestras de experimentos de compactación17 y experimentos de precipitación18 en cuarzo. Nuestros resultados en materiales con CL inicial conocido muestran que las variaciones en la emisión de CL pueden ser útiles para rastrear la precipitación de cuarzo también en experimentos de deformación por corte. Las fracturas especialmente selladas suelen ser poco o nada visibles en imágenes SE o BSE, mientras que se destacan claramente en imágenes CL, lo que convierte a CL en una excelente herramienta de análisis microestructural que evita la subestimación del papel de la fractura en los experimentos de deformación. Las imágenes SEM-CL escaneadas proporcionan una alta resolución espacial, pero el análisis espectral de CL en combinación con mediciones químicas agrega información útil sobre la posible fuente de emisión de CL.

En la muestra de cuarzo puro (u742), la presencia de límites de ángulo bajo <10° (Fig. 2e y 4c) y fracturas que son más anchas (aperturas) en un lado (Fig. 3c) forman evidencia de pequeñas rotaciones de fragmentos de cuarzo. Falta evidencia de rotaciones más grandes, porque los límites resultantes de rotaciones > 10° son, por definición, indistinguibles de los límites de grano regulares en EBSD. Falta evidencia del desplazamiento de fragmentos, pero sería difícil de reconocer. La observación de que fragmentos con el mismo patrón de zonificación se encuentran cerca unos de otros (por ejemplo, Fig. 3c) sugiere que los desplazamientos fueron pequeños. Las mediciones de EBSD muestran que la orientación preferida es muy débil ya sea lejos de la superficie de deslizamiento o en la zona pulverizada adyacente a ella. El patrón de los máximos del eje c podría, a primera vista, interpretarse como un deslizamiento basal (eje c subparalelo a la dirección de deslizamiento) en la parte superior, y un deslizamiento del prisma (máximos del eje c perpendicular a la dirección de deslizamiento) en la parte superior. el resto de la muestra. Sin embargo, en una inspección más cercana, mientras que los ejes c se ajustan superficialmente a los patrones característicos de deslizamiento basal y prismático25, los ejes a no están en la ubicación correcta. Además, no consideramos que el valor MUD de ~ 1,5 en ambas partes de la muestra sea muy significativo y concluimos que cualquier contribución potencial de los mecanismos de deformación del plástico cristalino al corte debe haber sido muy menor. Las imágenes CL muestran la presencia de cuarzo precipitado en fracturas selladas y crecimientos excesivos de granos, con más cuarzo precipitado cerca de la superficie de deslizamiento que en el cuerpo de la muestra.

El comportamiento mecánico del experimento, con eventos de adherencia-deslizamiento seguidos de un deslizamiento estable con un coeficiente de fricción bajo (Fig. 1) y la presencia de una zona pulverizada junto a la superficie de deslizamiento (Figs. 3e-h y 4a), sugiere localización inicial a lo largo de un corte límite, que generalmente está relacionado con un deslizamiento inestable26. Dado que los stick-slips ocurren desde el inicio del deslizamiento, la reducción del tamaño del grano probablemente no juega un papel importante en la localización inicial. La primera caída de tensión fue de 28,3 MPa y estuvo acompañada de una emisión acústica audible. Se estima que el desplazamiento durante la caída de tensión es de aproximadamente 140 µm, basándose en la rigidez del aparato de 200 MPa/mm. Este es un desplazamiento suficiente para causar un calentamiento por fricción local significativo, lo que lleva a la fusión local27,28. Encontramos una clara inyección de material rico en Ni en la muestra (Fig. 3c, d), lo que indica que algo de fusión del material del pistón (aleación de Ni René-41, con un punto de fusión de T = 1350 °C en ausencia de estrés) debe haber ocurrido. Se producen más deslizamientos con una fricción máxima decreciente pero con caídas de tensión similares o mayores (Fig. 1). Esto indica que la superficie de deslizamiento permanece localizada, lo que podría ser promovido por la reducción del tamaño de grano resultante de la pulverización durante los pulsos de deslizamiento, lo que lleva a una mayor compactación y curación mediante una mayor disolución y precipitación en la zona de grano fino, fortaleciendo así esta zona y fortaleciendo aún más esta zona. favoreciendo la localización en la superficie de deslizamiento. El alisado de la superficie puede resultar de la eliminación de asperezas mediante una mayor disolución y precipitación3, y del llenado de poros e irregularidades con cuarzo de grano fino y material de pistón esparcido (p. ej., Fig. 3e, f), aplanando efectivamente la superficie y causando una disminución. en el pico de fricción. La curación (mediante precipitación de cuarzo) y, por tanto, el fortalecimiento de la zona pulverizada, favoreciendo nuevamente la localización en la superficie de deslizamiento, podría además verse favorecida por la alta densidad de fractura, ya que se ha descubierto que el cuarzo precipita preferentemente en las superficies de fractura en lugar de en los límites de los granos18. La porosidad reducida en esta zona también podría conducir a una localización más fuerte, ya que Giger et al.2,17 argumentaron que por debajo de una porosidad del 7%, los poros pueden desconectarse, lo que resulta en un aumento local de la presión del fluido de los poros y una menor resistencia a la fricción.

En la mezcla de cuarzo-moscovita (u195), la orientación opuesta de los contactos con estructuras de disolución con respecto a los contactos con cuarzo CL azul oscuro (círculos rojos y elipses amarillas respectivamente en la Fig. 7c, d) sugiere que se produjo al menos algo de precipitación de cuarzo. colocar en sombras de deformación, acomodando así parte de la deformación por corte. Esto concuerda con Niemeijer4, quien concluyó que en esta muestra particular parte de la deformación se acomodó en el cuerpo de la muestra de la gubia mediante un flujo viscoso-friccional, un modelo en el que la deformación se acomoda mediante una combinación de deslizamiento friccional (aquí, en la moscovita). ) y fluencia por disolución-precipitación (de los granos de cuarzo)29,30,31. Las imágenes CL proporcionan información adicional: primero, que la precipitación también ocurre en fracturas selladas, por lo que la escala de longitud para la disolución y la precipitación es menor que la longitud de los dominios de cuarzo. Esto implica que la fracturación podría ser más importante en el flujo viscoso por fricción de lo que generalmente se supone. En segundo lugar, como lo discute Niemeijer4, las bandas de cuarzo-moscovita paralelas a la foliación no son continuas y están interrumpidas por indentaciones de cuarzo-cuarzo, que actuarán como asperezas de alta fricción a lo largo de las interfaces de cuarzo-moscovita de baja fricción. Las imágenes CL también muestran muy bien el alargamiento de los granos de cuarzo paralelos a la superficie de deslizamiento, en la zona límite de grano fino (mitad superior de la Fig. 7a). Los granos originales de color azul brillante, ahora fragmentados y sellados entre sí por cuarzo luminiscente de color azul oscuro, podrían usarse como marcadores de tensión en esta zona.

Los mapas de EBSD en ambas muestras muestran algunos límites de ángulo bajo (<10 °), pero están asociados con fracturas selladas en lugar de ser producidas por actividad de dislocación (p. ej., elipses amarillas en las figuras 2c-e). En el cuerpo de u742, la microestructura en EBSD puede parecerse superficialmente a una microestructura núcleo-manto resultante de la recristalización dinámica (Fig. 2e). Sin embargo, las condiciones experimentales y otros resultados microscópicos (imágenes CL, SE y BSE) muestran que se trata obviamente de una microestructura resultante de procesos cataclásticos y de disolución-precipitación. La formación y el movimiento de los gemelos Dauphiné en los contactos de los granos ocurrió en ambas muestras. El hermanamiento Dauphiné no se adapta directamente a la tensión plástica, aunque el hermanamiento puede relajar las tensiones en el contacto, reduciendo así la fuerza impulsora de la disolución. Sin embargo, no existe una relación obvia entre los gemelos Dauphiné y la ubicación del cuarzo luminiscente azul precipitado.

Los mapas de CL de intensidad total muestran una emisión de CL de menor intensidad del cuarzo precipitado azul. En estudios recientes sobre la recristalización de cuarzo deformado, la disminución de la intensidad total de CL se relacionó con un restablecimiento de la concentración de Ti en el cuarzo19,20. También en nuestras muestras observamos una disminución de la intensidad total de CL en el cuarzo precipitado con emisión de CL azul. Sin embargo, un análisis detallado de los espectros de emisión de CL de estas áreas de muestra sugiere que, aunque la intensidad total de CL podría reducirse, la apariencia azul es causada por la combinación de una emisión de CL roja relativamente más baja, más una emisión azul amplia que es ligeramente más fuerte. en el cuarzo recién precipitado que en el material original (consulte la comparación de los espectros CL normalizados del cuarzo luminiscente original y azul en fracturas selladas en la Fig. 6c, g). Una emisión más baja de 1,9 eV (rojo) en el cuarzo luminiscente azul en relación con el cuarzo original sugiere la presencia de menos defectos en el centro del orificio de oxígeno sin puente (NBOHC, ≡Si–O•, un orificio en un orbital de oxígeno) o menos agua ( grupos OH) en el cuarzo azul recién precipitado32. El ajuste de picos a los espectros CL (Fig. 6) sugiere que el aumento de la emisión azul es el resultado de picos de emisión ligeramente más fuertes tanto a ~ 2,7 eV como a ~ 3,2 eV. La emisión de 2,7 eV puede estar relacionada con la incorporación de Ti4+ en la estructura del cristal de cuarzo12, o con un defecto estructural, el excitón autoatrapado (STE) asociado con el centro E'1 (≡Si•, un electrón desapareado en un átomo de Si unido a tres átomos de oxígeno) 32. Si el Ti desempeña un papel en la emisión de CL del cuarzo, el aumento del pico de 2,7 eV implicaría una mayor concentración de Ti en el cuarzo precipitado. Aunque el aumento de temperatura cerca de la superficie de deslizamiento, como lo indica el material fundido del pistón, podría permitir cierta incorporación de Ti durante los experimentos, no se detectaron variaciones significativas en la concentración de Ti entre el cuarzo original (rojo) y el precipitado (azul). No hay ninguna fuente obvia de Ti adicional en la muestra o en la configuración experimental, aparte de los pistones de corte de anillo, que están compuestos de una aleación de metal René-41 que contiene entre 3 y 3,3% de Ti. Por lo tanto, esperamos que la concentración de Ti en el cuarzo precipitado no aumente significativamente y que el pico azul ligeramente más fuerte de 2,7 eV sea causado principalmente por la presencia de defectos estructurales (STE), posiblemente con una contribución menor del Ti derivado de los pistones.

El pico de 3,2 eV puede estar relacionado con la sustitución de Si por Al3+ en la red de cuarzo9,33. La contribución de Al3+ a la emisión de CL azul está respaldada por la correlación espacial observada de CL azul, el aumento de la concentración de Al y el aumento de la relación de 3,2/1,9 eV (Figs. 5a, e, f y 8a, e, f). Lo más probable es que los tubos aislantes de mullita (óxido de aluminio y silicio) utilizados en la configuración experimental sean la principal fuente de Al adicional en el cuarzo recién precipitado, con una posible contribución menor de los pistones de corte de anillo René-41, que contienen entre 1,4 y 1,8 % de Al. .

Nuestros datos no pueden explicar directamente las manchas de color rojo a amarillo más brillantes que están presentes en algunos granos de cuarzo, principalmente cerca de la superficie de deslizamiento, en u742 (Figs. 2c, 3e, gy 4a). La presencia de parches cerca de la superficie de deslizamiento y en las fracturas y puntas de grietas sugiere que el CL amarillo podría estar relacionado con la tensión. Hamers et al.14 demostraron que los límites de los subgranos en el cuarzo, que tienen una alta densidad de dislocaciones, muestran una mayor emisión de CL rojo. Investigaciones futuras que utilicen espectroscopía Raman, EBSD de alta resolución angular o microscopía electrónica de transmisión podrían revelar una relación potencial de los parches CL de color rojo brillante a amarillo con tensión residual, enlaces tensos, daño incipiente (fractura) o incluso una alta densidad de dislocación debido al plástico cristalino local. deformación inducida por el calentamiento de la superficie de deslizamiento.

La espectroscopia de catodoluminiscencia y las imágenes SEM-CL de color falso muestran claramente que la disolución y precipitación del cuarzo tienen lugar en cuarzo y en gubias mixtas de cuarzo y moscovita durante experimentos de cizallamiento a baja velocidad en condiciones hidrotermales. En ambos experimentos se encontró evidencia microestructural de procesos de disolución-precipitación, y el cuarzo luminiscente azul asociado con una mayor concentración de Al precipitó en fracturas selladas y en bordes y crecimientos excesivos. Las indentaciones del cuarzo original y precipitado en otros granos también son evidentes en las imágenes SEM-CL. Los datos mecánicos muestran que en la gubia de cuarzo, un período de eventos de adherencia-deslizamiento fue seguido por un deslizamiento estable con un coeficiente de fricción bajo, ocurriendo un deslizamiento estable sobre una superficie de deslizamiento. El cuarzo cerca de la superficie de deslizamiento se pulverizó durante los pulsos de adherencia y deslizamiento y se curó mediante precipitación de cuarzo entre eventos de adherencia y deslizamiento, o durante el deslizamiento estable en la segunda mitad del experimento. Aunque las microestructuras en la ranura de cuarzo indican que se produjo cierta acomodación de deformación por precipitación de cuarzo en sombras de deformación y especialmente en fracturas selladas (es decir, fluencia por disolución-precipitación), la mayor parte de la deformación se localizó en la superficie de deslizamiento. En la mezcla de cuarzo y moscovita, la deformación probablemente se debió en parte a procesos de fragilidad y disolución-precipitación en una zona límite paralela de tamaño de grano reducido, y en parte a un flujo viscoso por fricción en el cuerpo principal de la muestra, en el que la disolución –La precipitación jugó un papel importante. Las imágenes SEM-CL en el cuerpo de la muestra muestran evidencia de precipitación de cuarzo en sombras de deformación, pero principalmente en fracturas selladas. Esto sugiere que en el flujo viscoso por fricción la fracturación podría ser más importante de lo que generalmente se supone. Nuestros resultados muestran que las imágenes CL y el mapeo hiperespectral, especialmente en combinación con materiales de partida controlados y análisis químicos, son una herramienta poderosa en el análisis microestructural de gubias que contienen cuarzo deformadas experimentalmente.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados en este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Gratier, JP, Dysthe, DK y Renard, F. El papel de la solución de presión en la ductilidad de la corteza superior de la Tierra. Adv. Geofís. 54, 47-179 (2013).

ADS del artículo Google Scholar

Giger, SB, Cox, SF y Tenthorey, E. Localización de deslizamiento y debilitamiento de fallas como consecuencia del fortalecimiento de la hendidura de falla: conocimientos de experimentos de laboratorio. Ciencia del planeta Tierra. Letón. 276, 73–84 (2008).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Niemeijer, AR, Spires, CJ y Peach, CJ Comportamiento friccional de ranuras de fallas de cuarzo simuladas en condiciones hidrotermales: resultados de experimentos de cizalla rotatoria de deformación ultraalta. Tectonofísica 460, 288–303 (2008).

ADS del artículo Google Scholar

Niemeijer, AR Debilitamiento del deslizamiento dependiente de la velocidad por la operación combinada de solución de presión y desarrollo de foliación. Ciencia. Representante 8, 1-10 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Kanagawa, K., Cox, SF y Zhang, S. Efectos de los procesos de disolución-precipitación sobre la resistencia y el comportamiento mecánico de la gubia de cuarzo en condiciones hidrotermales de alta temperatura. J. Geophys. Res. Tierra sólida 105, 11115–11126 (2000).

Artículo de Google Scholar

Götze, J. Aplicación de microscopía y espectroscopía de catodoluminiscencia en geociencias. Microscopía. Microanal. 18, 1270-1284 (2012).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Zinkernagel, U. Catodoluminiscencia del cuarzo y su aplicación a la petrología de arenisca. Contribuir. Sedimento. Geol. 8, 1–69 (1978).

Google Académico

Marshall, DJ Catodoluminiscencia de materiales geológicos (Unwin Hyman, Londres, 1988).

Google Académico

Götze, J., Plötze, M. & Habermann, D. Origen, características espectrales y aplicaciones prácticas de la catodoluminiscencia (CL) del cuarzo: una revisión. Minero. Gasolina. 71, 225–250 (2001).

Artículo de Google Scholar

Müller, A., Wiedenbeck, M., van den Kerkhof, AM, Kronz, A. y Simon, K. Oligoelementos en cuarzo: una microsonda electrónica combinada, espectrometría de masas de iones secundarios, ICP-MS con ablación láser y estudio de catodoluminiscencia . EUR. J.Mineral. 15, 747–763 (2003).

ADS del artículo Google Scholar

van den Kerkhof, AM, Kronz, A., Simon, K. & Scherer, T. Recuperación de cuarzo controlada por fluidos en granulita según lo revelado por catodoluminiscencia y análisis de elementos traza (sector Bamble, Noruega). Contribuir. Minero. Gasolina. 146, 637–652 (2004).

ADS del artículo Google Scholar

Leeman, WP y cols. Un estudio de catodoluminiscencia y zonificación composicional de oligoelementos en cuarzo natural de rocas volcánicas: mapeo del contenido de titanio en cuarzo. Microscopía. Microanal. 18, 1322-1341 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Hamers, MF, Pennock, GM, Herwegh, M. & Drury, MR Distinción de características de deformación plana amorfa y curada en cuarzo impactado utilizando imágenes de catodoluminiscencia con microscopio electrónico de barrido en color compuesto (SEM-CL). Meteorito Planeta Ciencia. 51, 1914-1931 (2016).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Hamers, MF, Pennock, GM y Drury, MR Imágenes por catodoluminiscencia con microscopio electrónico de barrido de límites de subgrano, maclas y características de deformación plana en cuarzo. Física. Química. Minero. 44, 263–275 (2017).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Hayward, KS y cols. Amorfización mecánica, calentamiento repentino y fusión por fricción: cambios dramáticos en las superficies de las fallas durante el primer milisegundo del deslizamiento del terremoto. Geología 44, 1043-1046 (2016).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Barbosa, PF, Lagoeiro, LE & Silva, MAO EBSD y CL estudio de granos de cuarzo deformados en rocas: un ejemplo de estructura de franjas de una deformación a partir de un cuadrilátero de hierro. Microscopía. Microanal. 25, 1–8 (2019).

Artículo de Google Scholar

Giger, SB, Tenthorey, E., Cox, SF y Fitz Gerald, JD Evolución de la permeabilidad en fallas de cuarzo en condiciones hidrotermales. J. Geophys. Res. Tierra sólida 112, 1-17 (2007).

Artículo de Google Scholar

Williams, RT, Farver, JR, Onasch, CM y Winslow, DF Una investigación experimental del papel de las superficies de microfracturas en el control de la tasa de precipitación de cuarzo: aplicaciones a la diagénesis de zonas de fallas. J. Estructura. Geol. 74, 24-30 (2015).

ADS del artículo Google Scholar

Bestmann, M. y col. Influencia de la deformación y los fluidos en el intercambio de Ti en cuarzo natural. J. Geophys. Res. Tierra sólida 126, e2021JB022548 (2021).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Bestmann, M., Pennacchioni, G., Mostefaoui, S., Göken, M. & de Wall, H. Curación instantánea de microfracturas durante el deslizamiento cosísmico: evidencia de la microestructura y Ti en la geoquímica del cuarzo dentro de una falla exhumada que contiene pseudotaquilitos en tonalita. Litos 254–255, 84–93 (2016).

ADS del artículo Google Scholar

Pongrac, P. et al. Propiedades mecánicas y recristalización del cuarzo en presencia de H2O: Combinación de procesos de craqueo, rotación de subgrano y disolución-precipitación. J Struct Geol 160, 104630 (2022).

Artículo de Google Scholar

Nègre, L. et al. Efecto de la presión sobre la deformación de agregados de cuarzo en presencia de H2O. J Struct Geol 148, 104351 (2021).

Artículo de Google Scholar

Wojdyr, M. Fityk: Un programa de ajuste de picos de uso general. J. Aplica. Cristalogr. 43, 1126-1128 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Rutter, EH y Mainprice, DH Sobre la posibilidad de un deslizamiento lento de fallas controlado por un proceso de transferencia de masa por difusión. Gerlands Beitr. Geofísica 88, 154-162 (1979).

Google Académico

Passchier, CW y Trouw, AJ Microtectonics (Springer, 2005).

Google Académico

Beeler, NM, Tullis, TE, Blanpied, ML y Weeks, JD Comportamiento friccional de fallas experimentales de gran desplazamiento. J. Geophys. Res. B: Tierra sólida 101, 8697–8715 (1996).

ADS del artículo Google Scholar

Lockner, DA, Kilgore, BD, Beeler, NM y Moore, DE La transición del deslizamiento por fricción a la fusión por cizallamiento en experimentos de deslizamiento de laboratorio. En: Procesos dinámicos de la zona de falla: evolución de las propiedades de la falla durante la ruptura sísmica, vol. 1 La transición del deslizamiento por fricción a la fusión por cizallamiento en experimentos de deslizamiento de laboratorio. Serie de monografías geofísicas 103–131 (Unión Geofísica Estadounidense (AGU), 2017).

Brantut, N., Passelègue, FX, Deldicque, D., Rouzaud, JN y Schubnel, A. Debilitamiento dinámico y amorfización en serpentinita durante terremotos de laboratorio. Geología 44, 607–610 (2016).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Bos, B. & Spires, CJ Flujo friccional-viscoso de roca fallida que contiene filosilicato: modelo microfísico e implicaciones para los perfiles de resistencia de la corteza terrestre. J. Geophys. Res. 107, 303–327 (2002).

Artículo de Google Scholar

Niemeijer, AR & Spires, CJ Influencia de los filosilicatos en la resistencia a fallas en la transición dúctil frágil. Geol. Soc. Soy. Especificaciones. Publ. 245, 303–327 (2005).

ADS del artículo Google Scholar

den Hartog, SAM & Spires, CJ Un modelo microfísico para la fricción de falla aplicada a megaempujes de subducción. J. Geophys. Res. Tierra sólida 119, 1510-1529 (2014).

ADS del artículo Google Scholar

Stevens Kalceff, MA y Phillips, MR Microcaracterización por catodoluminiscencia de la estructura defectuosa del cuarzo. Física. Rev. B 52, 3122 (1995).

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Stevens-Kalceff, MA Microanálisis de catodoluminiscencia de sílice y cuarzo amorfizado. Minero. Gasolina. 107, 455–469 (2013).

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Esta investigación fue financiada por la subvención inicial SEISMIC del ERC (335915). Agradecemos a Tilly Bouten por el apoyo técnico en las instalaciones de microsonda, que está financiada por el Consejo Holandés de Investigación (NWO) y el Fonds Economische Structuurversterking holandés (FES). También se reconoce al Consejo Holandés de Investigación (NWO) por financiar las instalaciones de tomografía e imágenes multiescala (MINT) EPOS-NL en la Universidad de Utrecht, en las que se adquirieron parte de los datos. El estudio se benefició de interesantes debates con Kathryn Hayward sobre catodoluminiscencia y experimentos de fallas en cuarzo. Se agradece a dos revisores anónimos por sus revisiones exhaustivas y constructivas, y al editor por sus comentarios constructivos y el manejo del artículo.

Departamento de Ciencias de la Tierra, Universidad de Utrecht, Princetonlaan 8a, 3584 CB, Utrecht, Países Bajos

Maartje F. Hamers, André R. Niemeijer y Martyn R. Drury

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MRD, ARN y MFH diseñaron el estudio, interpretaron y discutieron los resultados, ARN diseñó y ejecutó los experimentos, MFH realizó el trabajo de microscopía electrónica y el análisis microestructural y preparó el manuscrito con contribuciones de todos los coautores.

Correspondencia a Maartje F. Hamers.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Hamers, MF, Niemeijer, AR y Drury, MR Catodoluminiscencia como técnica de rastreo para la precipitación de cuarzo en experimentos de cizallamiento a baja velocidad. Representante científico 13, 10236 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37052-w

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Recibido: 19 de julio de 2022

Aceptado: 15 de junio de 2023

Publicado: 23 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37052-w

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