thermoluminescence and esr study of shocked minerals k. noritake, k. ninagawa, t. usami, s. toyoda...
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Thermoluminescence and ESR study of shocked minerals
K. Noritake, K. Ninagawa, T. Usami, S. Toyoda(Okayama University of Science)
Objective
We investigated the change by the shock metamorphism in the lattice defects in quartz, albite and oligoclase by thermoluminescence (TL) and electron spin resonance (ESR).
I SampleII Instrument 1. Two stage light-gas gun 2. Gamma-ray irradiation 3. TL spectra 4. ESR
III Result 1. Quartz 2. Albite (2-1 Minas, 2-2 Siga, 2-3 Niigata) 3. Oligoclase
IV Application to Ries crater
AlbiteAlbite
Minas Geras, BrazilMinas Geras, Brazil
Niigata JapanNiigata Japan
Siga JapanSiga Japan
QuartzQuartz
Minas Geras, BrazilMinas Geras, Brazil
OligoclaseOligoclase
Aichi JapanAichi Japan
samplesample
We used a quartz from Minas Brazil, three albite from Minas Brazil, Niigata Japan and Siga Japan, and a oligoclace from Aichi Japan as samples.
I Sample
Shock experiments
Sample type Sample source Projectile velocity ( km/s )
Quartz Minas Geras, Brazil
2.85
Albite Minas Geras, Brazil
4.15
Niigata, Japan 4.21
Siga, Japan 4.18
Oligoclase Aichi, Japan 3.50
4. ESR (electron spin resonance)
JEOL X-band ESR spectrometer・ JES-PX2300・ room temperature
Condition・ microwave intensity 1mW ・ modulation amplitude 100kHz, ・ sweeping 10mT/30sec ・ time constant 0.03sec
in Okayama Univ. of Science
Thermolminescence spectra ofQuartz (Minas Gerais, Brazil)
shocked, 2.85km/s10kGy
unshocked10kGy
TLglow curve
spectra
III Result 1. Quartz
spectra
TLglow curve
TL Glow Curves of Quartz (Minas Gerais)
0
5
10
15
20
25
0 100 200 300 400 500Temperature (oC)
TL
Int
ensi
ty (
coun
ts)
unshocked 400-500 nm
shocked 400-500 nm
Thermolminescence (TL) glow carve
ESRspectra : 10kGy
Qz, Minas Gerais, Brazil
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
330.5 331.5 332.5 333.5 334.5 335.5 336.5 337.5 338.5 339.5 340.5
Magnetic Field (mT)
ES
R S
igna
l Int
ensi
ty (
a.u.
)
unshock
shock 2.85km/s
g=2.001
g=1.997
unstable type of E1’ center
Ge center
Qz (Minas Gerais, Brzil) ESR spectra : 10kGy
Albite, Minas Gerais, Brazil
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
330.5 331.5 332.5 333.5 334.5 335.5 336.5 337.5 338.5 339.5 340.5
Magnetic Field (mT)
ES
R S
igna
l Int
ensi
ty (
a.u.
)
unshock
shock 4.15km/s
g=2.0031
2-1 Albite (Minas Gerais, Brazil) ESR spectra : 10kGy
unknown
Albite, Siga, Japan
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
330.5 331.5 332.5 333.5 334.5 335.5 336.5 337.5 338.5 339.5 340.5
Magnetic Field (mT)
ES
R S
igna
l Int
ensi
ty (
a.u.
)
unshock
shock 4.18km/s
g = 2.0031
2-2 Albite (Siga, Japan) ESR spectra : 10kGy
Albite, Niigata, Japan
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
330.5 331.5 332.5 333.5 334.5 335.5 336.5 337.5 338.5 339.5 340.5
Magnetic Field (mT)
ES
R S
igna
l Int
ensi
ty (
a.u.
)
unshock
shock 4.21km/s
g = 2.0031
2-3 Albite (Niigata, Japan) ESR spectra : 10kGy
ESR spectra: 10kGy
Oligoclase
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
330.5 331.5 332.5 333.5 334.5 335.5 336.5 337.5 338.5 339.5 340.5
Magnetic Field (mT)
ES
R S
igna
l Int
ensi
ty (
a.u.
)
unshock
shock 3.50km/s
g=2.011
Oligoclase (Aichi, Japan) ESR spectra : 10kGy
Ries craterESR spectra : 10kGy
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
330.5 331.5 332.5 333.5 334.5 335.5 336.5 337.5 338.5 339.5 340.5
Magnetic Field (mT)
ES
R S
igna
l Int
ensi
ty (
a.u.
)
Ries crater4, ~10GPa (MONOMICT GRAVITIC BRECCIA)
Ries crater2 STAGEⅢ , 25-35GPa (SEELBRONN SUEVITE)
Ries crater3 STAGE Ⅳ, 35-40GPa (AUMUHLE)
Ge center g=1.997E1' center g=2.001
unknow g=2.011
IV Application to Ries crater
For all of the three albites, TL spectra increase around 500nm 300℃, and the new ESR signal (g=2.0031 unknown) produced by the shock.
Results
The changes in lattice defects in the minerals by shock Metamorphism.
I think that I can apply this result to minerals in Crater. It is thought that it is possible to use it also to discover Crater.
Ries
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
330.5 331.5 332.5 333.5 334.5 335.5 336.5 337.5 338.5 339.5 340.5
Magnetic Field (mT)
ES
R S
igna
l Int
ensi
ty (
a.u.
)
Rise crater2 STAGEⅢ (SEELBRONN SUEVITE)
Rise crater3 STAGE Ⅳ(AUMUHLE)
Rise crater4,~10GPa(MONOMICT GRAVITIC BRECCIA)
g=1.997g=2.001
g=2.011
Ries craterESR spectra : 10kGy
25~35GPa
35~40GPa
unknow
E1’ centerGe center
Projectile velocity sample pressure
v=4.0km/s 60.1-102.0GPa
v=3.5km/s 49.1-83.8GPa
v=3.0km/s 39.6-66.9GPa
(例)波長 (nm)
発光強
度
擬似カラー(図 3に対応)
0℃ から 420℃
350℃ から 700℃
発光が強い
発光が弱い1 枚目
60 枚目
1 3
2
発光強度
温度 ( )℃
解析時に変更可能
黒: 350nm から 400nm
青: 400nm から 500nm
緑: 500nm から 600nm
シアン: 600nm から700nm
波長領域別のグロー曲線
温度領域別の TL スペクトル
解析時に変更可能
黒: 100℃ から 200℃
青: 200℃ から 300℃
緑: 300℃ から 400℃
TL スペクトル画像説明
Minas Albite (induced)
⑥Minas Albite 3.64km/s
③Minas Albite 3.71km/s No.7 Minas Albite 4.21km/s
Minas Albite unshock
Wavelength(nm)
TL
inte
nsi
ty(a
rb. u
nit)
TL intensity(arb. unit)
Temperature(o C)
TL intensity(arb. unit)
TL
inte
nsi
ty(a
rb. u
nit
s)
Wavelength(nm)
Temperature(o C)
TL intensity(arb. unit)
TL
inte
nsi
ty(a
rb. u
nit
s)
Wavelength(nm)
Temperature(o C)
TL スペクトル
黒: 100℃ から 200℃
青: 200℃ から 300℃
緑: 300℃ から 400℃
グロー曲線
黒: 350nm から 400nm
青: 400nm から 500nm
緑: 500nm から 600nm
シアン: 600nm から700nm
TL intensity(arb. unit)
TL
inte
nsi
ty(a
rb. u
nit
s)
Wavelength(nm)
Temperature(o C)
500nm500nm
500nm500nm
400nm, 550nm
100℃ から 200℃
200℃ から 300℃
300℃ から 400℃
300℃ から 400℃
300℃ から 400℃
300℃ から 400℃
300℃ 付近
300℃ 付近
300℃ 付近
300℃ 付近
滋賀 Albite(induced)
No.9 滋賀 Albite 4.18km/s
④ 滋賀 Albite 3.64km/s
滋賀 Albite unshock
TL スペクトル
黒: 100℃ から 200℃
青: 200℃ から 300℃
緑: 300℃ から 400℃
グロー曲線
黒: 350nm から 400nm
青: 400nm から 500nm
緑: 500nm から 600nm
シアン: 600nm から700nm
Wavelength(nm)
TL
inte
nsi
ty(a
rb. u
nit)
TL intensity(arb. unit)
Temperature(o C)
TL intensity(arb. unit)
Temperature(o C)
Wavelength(nm)
TL
inte
nsi
ty(a
rb. u
nit)
TL intensity(arb. unit)
Temperature(o C)
Wavelength(nm)
TL
inte
nsi
ty(a
rb. u
nit)
400nm, 550nm
300℃ 付近
300℃ 付近 300℃ 付近
450nm
100℃ から 200℃300℃ から 400℃
300℃ から 400℃300℃ から 400℃
新潟 Albite (induced)
② 新潟 Albite 3.64km/s No.8 新潟 Albite 4.15km/s
新潟 Albite unshock
グロー曲線
黒: 350nm から 400nm
青: 400nm から 500nm
緑: 500nm から 600nm
シアン: 600nm から700nm
TL スペクトル
黒: 100℃ から 200℃
青: 200℃ から 300℃
緑: 300℃ から 400℃
TL intensity(arb. unit)
TL
inte
nsi
ty(a
rb. u
nit)
Temperature(o C)
Wavelength(nm)
Temperature(o C)
Wavelength(nm)
TL intensity(arb. unit)
TL
inte
nsi
ty(a
rb. u
nit)
Temperature(o C)
TL intensity(arb. unit)
Wavelength(nm)
TL
inte
nsi
ty(a
rb. u
nit)
300℃ 付近
300℃ 付近300℃ 付近
450nm
Minas Quartz (induced)TL スペクトル
黒: 0℃ から 100℃
青: 100℃ から 200℃
緑: 200℃ から 300℃
シアン: 300℃ から400℃
グロー曲線
黒: 350nm から 400nm
青: 400nm から 500nm
緑: 500nm から 600nm
シアン: 600nm から700nm
Minas Quartz 2.85km/sMinas Quartz unshock
100℃ 付近 100℃ 付近
250℃ 付近 (400nm-500nm)
250℃ 付近( 400nm-500nm )
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperature(℃)
TL
Int
ensi
ty(c
ps)
350-400nm
400-500nm
500-600nm
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000
21000
24000
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperature(℃)
TL
Int
ensi
ty(c
ps)
350-400nm
400-500nm
500-600nm
071005 070802実験 衝撃実験
まとめ Albite
1. 同じ Albite でも産地のより unshock が異なる
2. 300℃ 付近( 400-600nm )に捕獲中心が形成
3. 捕獲中心は衝撃の度合で増加するMinas Albite unshock
Minas Albite shocked
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperature(℃)
TL
Int
ensi
ty(c
ps)
337-400nm
400-500nm
500-600nm
600-700nm
Quartz unshock 縦切り k-012 n,i γ線:10kGy
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Temperature(℃)
TL
Int
ensi
ty(c
ps)
337-400nm
400-500nm
500-600nm
600-700nm
Minas Quartz unshock
Minas Quartz shocked
1. Minas Quartz は 200℃ から 300℃ のグロー曲線が弱くなる
2. 100℃ の発光強度が強くなる
まとめ Quartz
Albite, Minas Gerais, Brazil
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
330.5 331.5 332.5 333.5 334.5 335.5 336.5 337.5 338.5 339.5 340.5
Magnetic Field (mT)
ES
R S
igna
l Int
ensi
ty (
a.u.
)
Unshocked Albite 10mT
Shocked Albite 10mT
Room Temperature↑ g=2.0044
↓ g=2.0003
2007年2月 阪大実験
Albite, Minas Gerais, Brazil
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
330.5 331.5 332.5 333.5 334.5 335.5 336.5 337.5 338.5 339.5 340.5
Magnetic Field (mT)
ES
R S
igna
l Int
ensi
ty (
a.u.
)
Minas-shock-0802-5mW
Minas-unshock-0802-1mW
2008年3月 理大実験
↑ g=2.0044
Albite, 滋賀県田神山
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
330.5 331.5 332.5 333.5 334.5 335.5 336.5 337.5 338.5 339.5 340.5
Magnetic Field (mT)
ESR
Sig
nal I
nten
sity
(a.
u.)
siga-shock-0802-1mW
siga-unshock-0802-1mW
2008年3月 理大実験
↑ g=2.0044
Albite, 新潟県糸魚川市
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
330.5 331.5 332.5 333.5 334.5 335.5 336.5 337.5 338.5 339.5 340.5
Magnetic Field (mT)
ESR
Sig
nal I
nten
sity
(a.
u.)
Niigata-shock-0802-1mW
Niigata-unshock-0802-1mW
2008年3月 理大実験
↑ g=2.0044
Minas Unshock Qz
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
150 350 550 750 950 1150 1350
Raman shift (cm-1)
Intensity
Minas Shock Qz
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
150 350 550 750 950 1150 1350
Raman shift (cm-1)
Intensity
521
1 . TL スペクトル測定では二種類の鉱物は衝撃により新たな格子欠陥が生成されることが明らかになった。
2 . ESR 測定ではAlbite は衝撃を受けると 2.0044 という g 値がでてくることがわかった。
3 . Raman 測定ではQuartz が一部高圧鉱物である Coesite に変化していた?
考察
試料ホルダー
20mm20mm 22.5mm22.5mm 25mm25mm
10cm
(試料台の厚さ)
SUS
飛翔体飛翔体
20mm20mm
22.5mm22.5mm
25mm25mm
1010 mmmm
7.5mm7.5mm
5mm5mm
Sample
AlbiteAlbite
Minas Geras, BrazilMinas Geras, Brazil
滋賀県田上山滋賀県田上山
新潟県糸魚川市新潟県糸魚川市
QuartzQuartz
Minas Geras, BrazilMinas Geras, Brazil
X-ray 装置• X 線と γ 線は発生機構が違う• X 線は原子核外、 γ 線は原子核内で発生する• X 線と γ 線は物理的性質を同じくするもの
20 号館2階 X 線照射室
24V 電源30KeV 高圧電源
最大出力 50KeV 1mA
X-ray 装置線源
Experimental procedure
1. Shock experiments were carried out by two stage light gas gun in JAXA.
2. 10kGy gamma rays irradiation was carried out by 60Co in KURRI.3. Their thermoluminescence (TL) spectra were measured by TL readou
t system in Okayama Univ. of Science.4. ESR spectra were measured by JEOL X-band ESR spectrometer in O
kayama Univ. of Science.
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