La cathodoluminescence comme technique de traçage pour la précipitation du quartz dans des expériences de cisaillement à faible vitesse

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10236 (2023) Citer cet article

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Deux gouges simulées (un quartz pur et un mélange quartz-muscovite) ont été déformées expérimentalement dans un appareil de cisaillement annulaire à une faible vitesse constante dans des conditions hydrothermales favorables aux processus de dissolution-précipitation. L'analyse microstructurale utilisant l'imagerie par cathodoluminescence au microscope électronique à balayage et la spectroscopie de cathodoluminescence combinées à l'analyse chimique ont montré que la dissolution et la précipitation du quartz se sont produites dans les deux expériences. Les matériaux de départ et les conditions de déformation ont été choisis de manière à ce que les microstructures de dissolution-précipitation puissent être identifiées sans ambiguïté à partir de leur signal de cathodoluminescence. Du quartz précipité a été observé sous forme de remplissages de fractures luminescentes bleues et de proliférations avec une teneur accrue en Al par rapport au quartz d'origine. Dans la gouge de quartz pur, la majeure partie de la déformation par cisaillement était localisée sur une surface de glissement parallèle aux limites. Le scellement des fractures dans une zone pulvérisée directement adjacente à la surface de glissement peut avoir contribué à maintenir la déformation localisée. Dans le mélange quartz-muscovite, des signes de précipitation de quartz s'adaptant au cisaillement ont été observés dans les ombres de déformation, mais principalement dans les fractures, allongeant les grains d'origine. La précipitation du quartz dans les fractures implique que l'échelle de longueur du transfert de masse diffusif dans un écoulement frictionnel-visqueux est plus courte que la longueur des domaines de quartz. De plus, la fracturation pourrait jouer un rôle plus important qu’on ne le pense généralement. Nos résultats montrent que la cathodoluminescence, en particulier combinée à l'analyse chimique, est un outil puissant dans les analyses microstructurales de matériaux à quartz déformés expérimentalement et dans la visualisation des précipitations de quartz.

Les interactions fluide-roche, telles que les processus de dissolution et de précipitation, jouent un rôle important dans la déformation et les failles naturelles et expérimentales. Le fluage par dissolution et précipitation (également connu sous le nom de solution sous pression) est largement accepté comme un mécanisme pertinent de déformation et de guérison des défauts dans les conditions de cisaillement dans la nature et dans les expériences1. Habituellement, l'apparition d'une dissolution-précipitation est déduite de signes de dissolution, tels que la présence de troncatures et d'indentations de grains, de joints de grains irréguliers, d'une réduction de la porosité et de fractures cicatrisées qui peuvent parfois être reconnues comme des traces d'inclusions fluides2,3,4, 5. De plus, les grains de quartz automorphes observés lors d'expériences de cisaillement à haute température sur des gouges à quartz ont été interprétés comme une preuve de précipitations5. La présence de matière nouvellement précipitée n'est cependant pas systématiquement démontrée et, dans la plupart des études microstructurales, il est difficile, voire impossible, de distinguer les proliférations et les fractures cicatrisées des grains d'origine. Cependant, savoir où le matériau précipite est très pertinent, car cela fournit des informations sur le rôle des processus de transfert de solution dans la déformation (par exemple, s'accommodant de la déformation ou facilitant seulement le compactage) et sur les échelles de longueur impliquées dans le transfert de masse par diffusion, qui contrôlent l'ensemble. taux de déformation produit par dissolution et précipitation.

La cathodoluminescence (CL) peut révéler des variations subtiles dans la chimie et la structure des minéraux6 et l'imagerie CL et l'analyse hyperspectrale sont un outil puissant dans l'étude du quartz depuis des décennies7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16. Giger et al.17 ont utilisé l'imagerie CL pour montrer que la dissolution et la précipitation du quartz se sont produites lors d'expériences de pressage à chaud : des images SEM-CL en niveaux de gris et une cartographie chimique quantitative ont révélé une teneur en Al légèrement accrue dans les proliférations de quartz dans un échantillon de poudre de quartz pur naturel pressé à chaud pour huit heures à 850 °C sous une pression de confinement de 250 MPa, une pression de fluide interstitiel de 150 MPa et une contrainte différentielle de 90 MPa. Williams et al.18 ont utilisé un système CL à cathode froide sur un microscope pétrographique pour suivre les précipitations de quartz dans les fractures et les proliférations cicatrisées après des expériences de croissance de quartz de longue durée (à 300–450 °C et 150 MPa, avec un fluide interstitiel enrichi en Al contenant silice amorphe). Récemment, divers auteurs ont utilisé le CL pour visualiser le quartz recristallisé dans des roches déformées expérimentalement et naturellement, liant le CL au rééquilibrage des éléments traces (en particulier le Ti) résultant de la présence de fluides intergranulaires lors de la déformation, à basse et à haute température. ,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>