Garnet growth in the Nufenen Pass area (Swiss Alps)

Abstract : Textural division of a mineral in pyramids, with their apices located at the centre of the mineral and their bases corresponding to the mineral faces is called textural sector zoning. Textural sector zoning is observed in many metamorphic minerals like andalousite and garnet. Garnets found in the graphite rich black shales of the Mesozoic cover of the Gotthard Massif display textural sector zoning. The morphology of this sector zoning is not the same in different types of black shales observed in the Nufenen pass area. Garnets in foliated black shales display a well developed sector zoning while garnets found in cm-scale layered black shales display well developed sectors in the direction of the schistosity plane. This sector zoning is always associated with up to 30μm sized birefringent lamellae emanating radial from the sector boundaries. They alternate with isotrope lamellae. The garnet forming reaction was determined using singular value decomposition approach and results compared to thermodynamic calculations. It is of the form chl + mu + cc + cld = bt + fds + ank + gt + czo and is similar in both layered and foliated black shales. The calculated X(O) is close to 0.36 and does not significantly vary during the metamorphic history of the rock. This corresponds to X CO2, X CH4, and X H2O BSE imaging of garnets on oriented-cuts revealed that the orientation of the lamellae found within the sectors is controlled by crystallography. BSE imaging and electron microprobe analysis revealed that these lamellae are calcium rich compared to the isotropic lamellae. The addition of Ca to an almandine rich garnet causes a small distortion of the X site and potentially, ordering. Ordered and disordered garnet might have very similar free energies for this composition. Hence, two garnets with different composition can be precipitated with minor overstepping of the reaction. It is enough that continued nucleation of a new garnet layer slightly prefers the same structure to assure a fiber-like growth of both garnet compositions side by side. This hypothesis is in agreement with the thermodynamic properties of the garnet solid solution described in the literature and could explain the textures observed in garnets with these compositions. To understand the differences in sector zoning morphology, and crystal growth kinetics, crystal size distribution were determined in several samples using 2D spatial analysis of slab surfaces. The same nucleation rate law was chosen for all cases. Different growth rate law for non-layered black shales and layered black shales were used. Garnet in layered black shales grew according to a growth rate law of the form R=kt ½. The transport of nutrient is the limiting factor. Transport will occur preferentially on the schistosity planes. The shapes of the garnets in such rocks are therefore ovoid with the longest axis parallel to the schistosity planes. Sector zoning is less developed with sectors present only parallel to the schistosity planes. Garnet in non-layered blackshales grew according to a growth rate law of the form R=kt. The limiting factor is the attachment at the surface of the garnet. Garnets in these rocks will display a well developed sector zoning in all directions. The growth rate law is thus influenced by the texture of the rock. It favours or hinders the transport of nutrient to the mineral surface. Résumé : La zonation sectorielle texturale consiste en la division d'un cristal en pyramides dont les sommets sont localisés au centre du minéral. La base de ces pyramides correspond aux faces du minéral. Ce type de zonation est fréquemment observé dans les minéraux métamorphiques tels que l'andalousite ou le grenat. Les grenats présents dans les marnes riches en graphites de la couverture Mésozoïque du Massif du Gotthard présent une zonation sectorielle texturale. La morphologie de cette zonation n'est pas la même dans les marnes litées et dans les marnes foliées. Les grenats des marnes foliées montrent des secteurs bien développés dans 3 directions. Les grenats des marnes litées montrent des secteurs développés uniquement dans la direction des plans de schistosité. Cette zonation sectorielle est toujours associée à des lamelles biréfringentes de quelques microns de large qui partent de la limite des secteurs et qui sont perpendiculaires aux faces du grenat. Ces lamelles alternent avec des lamelles isotropes. La réaction de formation du grenat a été déterminée par calcul matriciel et thermodynamique. La réaction est de la forme chl + mu + cc + cld= bt + fds + ank + gt + czo. Elle est similaire dans les roches litées et dans les roches foliées. L'évaluation des conditions fluides montrent que le X(O) est proche de 0.36 et ne change pas de façon significative durant l'histoire métamorphique de la roche. Des images BSE sur des coupes orientées ont révélé que l'orientation de lamelles biréfringentes est contrôlée parla crystallographie. La comparaison des analyses à la microsonde électronique et des images BSE révèle également que les lamelles biréfringentes sont plus riches en calcium que les lamelles isotropes. L'addition de calcium va déformer légèrement le site X et ainsi créer un ordre sur ce site. L'énergie interne d'un grenat ordré et d'un grenat désordonné sont suffisamment proches pour qu'un léger dépassement de l'énergie de la réaction de formation permette la coexistence des 2 types de grenat dans le même minéral. La formation de lamelles est expliquée par le fait qu'un grenat préférera la même structure. Ces observations sont en accord avec la thermodynamique des solutions solides du grenat et permet d'expliquer les structures similaires observées dans des grenats provenant de lithologies différentes. Une étude de la distribution des tailles des grenats et une modélisation de la croissance a permis de mettre en évidence 2 mécanismes de croissance différents suivant la texture de la roche. Dans les 2 cas, la loi de nucléation est la même. Dans les roches litées, la loi de croissance est de forme R=kt½. Le transport des nutriments est le facteur limitant. Ce transport a lieu préférentiellement dans la direction des niveaux de schistosité. Les grenats ont une forme légèrement allongée car la croissance des secteurs est facilitée sur les niveaux de schistosité. La croissance des grenats dans les roches foliées suit une loi de croissance de la forme R=kt. Les seuls facteurs limitant la croissance sont les processus d'attachement à la surface du grenat. La loi de croissance de ces grenats est donc contrainte par la texture de la roche. Cela se marque par des différences dans la morphologie de la zonation sectorielle.

The origin of black colouration in onyx agate from Mali

Natural onyx agate from Mali was investigated in an integrated mineralogical and chemical study to reveal the origin of the unusual black colouration. Detailed studies by polarizing microscopy, scanning electron microscopy and micro-Raman spectroscopy showed that the colour of the dark bands is related to the incorporation of small particles of carbon (low-crystalline graphite) up to 200 nm in size into the cryptocrystalline silica matrix. The dark bands have carbon contents of 1.88 wt.%. The location of the graphite particles is closely related to the primary structural banding in the chalcedony. Cathodoluminescence data shows that the banding is interrupted by small fissures containing secondary hydrothermal quartz. The carbon isotope composition (delta C-13 value of -31.1+/-0.2 parts per thousand) of the carbonaceous material points to an organic precursor. Both the direct hydrothermal formation of graphite from methane under elevated temperature and the graphitization of organic precursors by secondary hydrothermal or metamorphic overprint are possible explanations for the colour of the dark bands. The graphitization of organic precursors results in an intense electron spin resonance line at g(eff) = 2.0026.

Garnet growth in the metasediments of the Zermatt-Saas Fee zone (western alps)

The Zermatt-Saas Fee Zone (ZSZ) in the Western Alps consists of multiple slices of ultramafic, mafic and metasedimentary rocks. They represent the remnants of the Mesozoic Piemonte-Ligurian oceanic basin which was subducted to eclogite facies conditions with peak pressures and temperatures of up to 20-28 kbar and 550-630 °C, followed by a greenschist overprint during exhumation. Previous studies, emphasizing on isotopie geochronology and modeling of REE-behavior in garnets from mafic eclogites, suggest that the ZSZ is buildup of tectonic slices which underwent a protracted diachronous subduction followed by a rapid synchronous exhumation. In this study Rb/Sr geochronology is applied to phengite included in garnets from metasediments of two different slices of the ZSZ to date garnet growth. Inclusion ages for 2 metapelitic samples from the same locality from the first slice are 44.25 ± 0.48 Ma and 43.19 ± 0.32 Ma. Those are about 4 Ma older than the corresponding matrix mica ages of respectively 40.02 ± 0.13 Ma and 39.55 ± 0.25 Ma. The inclusion age for a third calcschist sample, collected from a second slice, is 40.58 ± 0.24 Ma and the matrix age is 39.8 ± 1.5 Ma. The results show that garnet effectively functioned as a shield, preventing a reset of the Rb/Sr isotopie clock in the included phengites to temperatures well above the closure of Sr in mica. The results are consistent with the results of former studies on the ZSZ using both Lu/Hf and Sm/Nd geochronology on mafic eclogites. They confirm that at least parts of the ZSZ underwent close to peak metamorphic HP conditions younger than 43 m.y. ago before being rapidly exhumed about 40 m.y. ago. Fluid infiltration in rocks of the second slice occurred likely close to the peak metamorphic conditions, resulting in rapid growth of garnets. Similar calcschists from the same slice contain two distinct types of porphyroblast garnets with indications of multiple growth pulses and resorption indicated by truncated chemical zoning patterns. In-situ oxygen isotope Sensitive High Resolution Ion Microprobe (SHRIMP) analyses along profiles on central sections of the garnets reveal variations of up to 5 %o in individual garnets. The complex compositional zoning and graphite inclusion patterns as well as the variations in oxygen isotopes correspond to growing under changing fluid composition conditions caused by external infiltrated fluids. The ultramafic and mafic rocks, which were subducted along with the sediments and form the volumetrically most important part of the ZSZ, are the likely source of those mainly aqueous fluids. - La Zone de Zermatt-Saas Fee (ZZS) est constituée de multiples écailles de roches ultramafiques, mafiques et méta-sédimentaires. Cette zone, qui affleure dans les Alpes occidentales, représente les restes du basin océanique Piémontais-Ligurien d'âge mésozoïque. Lors de la subduction de ce basin océanique à l'Eocène, les différentes roches composant le planché océanique ont atteint les conditions du faciès éclogitique avec des pressions et des températures maximales estimées entre 20 - 28 kbar et 550 - 630 °C respectivement, avant de subir une rétrogression au faciès schiste vert pendant l'exhumation. Différentes études antérieures combinant la géochronologie isotopique et la modélisation des mécanismes gouvernant l'incorporation des terres rares dans les grenats des éclogites mafiques, suggèrent que la ZZS ne correspond pas à une seule unité, mais est constituée de différentes écailles tectoniques qui ont subi une subduction prolongée et diachrone suivie d'une exhumation rapide et synchrone. Afin de tester cette hypothèse, j'ai daté, dans cette étude, des phengites incluses dans les grenats des méta-sédiments de deux différentes écailles tectoniques de la ZZS, afin de dater la croissance relative de ces grenats. Pour cela j'ai utilisé la méthode géochronologique basée sur la décroissance du Rb87 en Sr87. J'ai daté trois échantillons de deux différentes écailles. Les premiers deux échantillons proviennent de Triftji, au nord du Breithorn, d'une première écaille dont les méta-sédiments sont caractérisés par des bandes méta-pélitiques à grenat et des calcschistes. Le troisième échantillon a été collectionné au Riffelberg, dans une écaille dont les méta-sédiments sont essentiellement des calcschistes qui sont mélangés avec des roches mafiques et des serpentinites. Ce mélange se trouve au-dessus de la grande masse de serpentinites qui forment le Riffelhorn, le Trockenersteg et le Breithorn, et qui est connu sous le nom de la Zone de mélange de Riffelberg (Bearth, 1953). Les inclusions dans les grenats de deux échantillons méta-pélitiques de la première écaille sont datées à 44.25 ± 0.48 Ma et à 43.19 ± 0.32 Ma. Ces âges sont à peu près 4 Ma plus vieux que les âges obtenus sur les phengites provenant de la matrice de ces mêmes échantillons qui donnent des âges de 40.02 ± 0.13 Ma et 39.55 ± 0.25 Ma respectivement. Les inclusions de phengite dans les grenats appartenant à un calcschiste de la deuxième écaille ont un âge de 40.58 ± 0.24 Ma alors que les phengites de la matrice ont un âge de 39.8 ± 1.5 Ma. Pour expliquer ces différences d'âge entre les phengites incluses dans le grenat et les phengites provenant de la matrice, nous suggérons que la cristallisation de grenat ait permis d'isoler ces phengites et de les préserver de tous rééquilibrage lors de la suite du chemin métamorphique prograde, puis rétrograde. Ceci est particulièrement important pour expliquer l'absence de rééquilibrage des phengites dans des conditions de températures supérieures à la température de fermeture du système Rb/Sr pour les phengites. Les phengites en inclusions n'ayant pas pu être datées individuellement, nous interprétons l'âge de 44 Ma pour les inclusions de phengite comme un âge moyen pour l'incorporation de ces phengites dans le grenat. Ces résultats sont cohérents avec les résultats des études antérieures de la ZZS utilisant les systèmes isotopiques de Sm/Nd et Lu/Hf sur des eclogites mafiques. ils confirment qu'aux moins une partie de la ZZS a subi des conditions de pression et de température maximale il y a moins de 44 à 42 Ma avant d'être rapidement exhumée à des conditions métamorphiques du faciès schiste vert supérieur autour de 40 Ma. Cette étude détaillée des grenats a permis, également, de mettre en évidence le rôle des fluides durant le métamorphisme prograde. En effet, si tous les grenats montrent des puises de croissance et de résorption, on peut distinguer, dans différents calcschists provenant de la deuxième écaille, deux types distincts de porphyroblast de grenat en fonction de la présence ou non d'inclusions de graphite. Nous lions ces puises de croissances/résorptions ainsi que la présence ou l'absence de graphite en inclusion dans les grenats à l'infiltration de fluides dans le système, et ceci durant tous le chemin prograde mais plus particulièrement proche et éventuellement peu après du pic du métamorphisme comme le suggère l'âge de 40 Ma mesuré dans les inclusions de phengites de l'échantillon du Riffelberg. Des analyses in-situ d'isotopes d'oxygène réalisé à l'aide de la SHRIMP (Sensitive High Resolution Ion Microprobe) dans des coupes centrales des grenats indiquent des variations jusqu'à 5 %o au sein même d'un grenat. Les motifs de zonations chimiques et d'inclusions de graphite complexes, ainsi que les variations du δ180 correspondent à une croissance de grenat sous des conditions de fluides changeantes dues aux infiltrations de fluides externes. Nous lions l'origine de ces fluides aqueux aux unités ultramafiques et mafiques qui ont été subductés avec les méta-sédiments ; unités ultramafiques et mafiques qui forment la partie volumétrique la plus importante de la ZZS.

Magnetic and in vitro heating properties of implants formed in situ from injectable formulations and containing superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) embedded in silica microparticles for magnetically induced local hyperthermia

The biological and therapeutic responses to hyperthermia, when it is envisaged as an anti-tumor treatment modality, are complex and variable. Heat delivery plays a critical role and is counteracted by more or less efficient body cooling, which is largely mediated by blood flow. In the case of magnetically mediated modality, the delivery of the magnetic particles, most often superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs), is also critically involved. We focus here on the magnetic characterization of two injectable formulations able to gel in situ and entrap silica microparticles embedding SPIONs. These formulations have previously shown suitable syringeability and intratumoral distribution in vivo. The first formulation is based on alginate, and the second on a poly(ethylene-co-vinyl alcohol) (EVAL). Here we investigated the magnetic properties and heating capacities in an alternating magnetic field (141 kHz, 12 mT) for implants with increasing concentrations of magnetic microparticles. We found that the magnetic properties of the magnetic microparticles were preserved using the formulation and in the wet implant at 37 degrees C, as in vivo. Using two orthogonal methods, a common SLP (20 Wg(-1)) was found after weighting by magnetic microparticle fraction, suggesting that both formulations are able to properly carry the magnetic microparticles in situ while preserving their magnetic properties and heating capacities. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

δ 15N measurement of organic and inorganic substances by EA-IRMS: a speciation-dependent procedure

Little attention has been paid so far to the influence of the chemical nature of the substance when measuring δ 15N by elemental analysis (EA)-isotope ratio mass spectrometry (IRMS). Although the bulk nitrogen isotope analysis of organic material is not to be questioned, literature from different disciplines using IRMS provides hints that the quantitative conversion of nitrate into nitrogen presents difficulties. We observed abnormal series of δ 15N values of laboratory standards and nitrates. These unexpected results were shown to be related to the tailing of the nitrogen peak of nitrate-containing compounds. A series of experiments were set up to investigate the cause of this phenomenon, using ammonium nitrate (NH4NO3) and potassium nitrate (KNO3) samples, two organic laboratory standards as well as the international secondary reference materials IAEA-N1, IAEA-N2-two ammonium sulphates [(NH4)2SO4]-and IAEA-NO-3, a potassium nitrate. In experiment 1, we used graphite and vanadium pentoxide (V2O5) as additives to observe if they could enhance the decomposition (combustion) of nitrates. In experiment 2, we tested another elemental analyser configuration including an additional section of reduced copper in order to see whether or not the tailing could originate from an incomplete reduction process. Finally, we modified several parameters of the method and observed their influence on the peak shape, δ 15N value and nitrogen content in weight percent of nitrogen of the target substances. We found the best results using mere thermal decomposition in helium, under exclusion of any oxygen. We show that the analytical procedure used for organic samples should not be used for nitrates because of their different chemical nature. We present the best performance given one set of sample introduction parameters for the analysis of nitrates, as well as for the ammonium sulphate IAEA-N1 and IAEA-N2 reference materials. We discuss these results considering the thermochemistry of the substances and the analytical technique itself. The results emphasise the difference in chemical nature of inorganic and organic samples, which necessarily involves distinct thermochemistry when analysed by EA-IRMS. Therefore, they should not be processed using the same analytical procedure. This clearly impacts on the way international secondary reference materials should be used for the calibration of organic laboratory standards.

Stability of nanoparticle agglomerates under mechanical stress and its effects on their release into the air

L'exposition professionnelle aux nanomatériaux manufacturés dans l'air présente des risques potentiels pour la santé des travailleurs dans les secteurs de la nanotechnologie. Il est important de comprendre les scénarios de libération des aérosols de nanoparticules dans les processus et les activités associées à l'exposition humaine. Les mécanismes de libération, y compris les taux de libération et les propriétés physico-chimiques des nanoparticules, déterminent leurs comportements de transport ainsi que les effets biologiques néfastes. La distribution de taille des particules d'aérosols est l'un des paramètres les plus importants dans ces processus. La stabilité mécanique d'agglomérats de nanoparticules affecte leurs distributions de tailles. Les potentiels de désagglomération de ces agglomérats déterminent les possibilités de leur déformation sous énergies externes. Cela rend les changements possibles dans leur distribution de taille et de la concentration en nombre qui vont finalement modifier leurs risques d'exposition. Les conditions environnementales, telles que l'humidité relative, peuvent influencer les processus de désagglomération par l'adhérence de condensation capillaire de l'humidité. L'objectif général de cette thèse était d'évaluer les scénarios de libération des nanomatériaux manufacturés des processus et activités sur le lieu de travail. Les sous-objectifs étaient les suivants: 1. Etudier les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans des conditions environnementales variées. 2. Etudier la libération des nano-objets à partir de nanocomposites polymères; 3. Evaluer la libération de nanoparticules sur le lieu de travail dans des situations concrètes. Nous avons comparé différents systèmes de laboratoire qui présentaient différents niveau d'énergie dans l'aérosolisation des poudres. Des nanopoudres de TiO2 avec des hydrophilicités de surface distinctes ont été testées. Un spectromètre à mobilité électrique (SMPS), un spectromètre à mobilité aérodynamique (APS) et un spectromètre optique (OPC) ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de taille des particules. La microscopie électronique à transmission (TEM) a été utilisée pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Les propriétés des aérosols (distribution de taille et concentration en nombre) étaient différentes suivant la méthode employée. Les vitesses des flux d'air d'aérosolisation ont été utilisées pour estimer le niveau d'énergie dans ces systèmes, et il a été montré que les tailles modales des particules étaient inversement proportionnelles à la vitesse appliquée. En général, les particules hydrophiles ont des diamètres plus grands et des nombres inférieurs à ceux des particules hydrophobes. Toutefois, cela dépend aussi des méthodes utilisées. La vitesse de l'air peut donc être un paramètre efficace pour le classement de l'énergie des procédés pour des systèmes d'aérosolisation similaires. Nous avons développé un système laboratoire pour tester les potentiels de désagglomération des nanoparticules dans l'air en utilisant des orifices critiques et un humidificateur. Sa performance a été comparée à un système similaire dans un institut partenaire. Une variété de nanopoudres différentes a été testée. Le niveau d'énergie appliquée et l'humidité ont été modifiés. Le SMPS et l'OPC ont été utilisés pour mesurer la concentration de particules et la distribution de la taille. Un TEM a été utilisé pour l'analyse morphologique d'échantillons de particules dans l'air. Le diamètre moyen des particules a diminué et la concentration en nombre s'est accrue lorsque des énergies externes ont été appliquées. Le nombre de particules inférieures à 100 nm a été augmenté, et celui au-dessus de 350 nm réduits. Les conditions humides ont faits exactement le contraire, en particulier pour les petites particules. En outre, ils ont réduits les effets de la différence de pression due à l'orifice. Les résultats suggèrent que la désagglomération d'agglomérats de nanoparticules dans l'air est possible dans la gamme d'énergie appliquée. Cependant, l'atmosphère humide peut favoriser leur agglomération et améliorer leurs stabilités en réduisant la libération de nanoparticules dans l'environnement. Nous proposons d'utiliser notre système pour le test de routine des potentiels de désagglomération des nanomatériaux manufacturés et de les classer. Un tel classement faciliterait la priorisation de l'exposition et du risque encouru en fonction du niveau d'ENM. Un système de perçage automatique et un système de sciage manuel ont été développés pour étudier la libération de nanoparticules à partir de différents types de nanocomposites. La vitesse de perçage et taille de la mèche ont été modifiées dans les expériences. La distribution de taille des particules et leur concentration en nombre ont été mesurées par un SMPS et un miniature diffusion size classifier (DISCmini). Les distributions de nanoparticules dans les composites et les particules libérées ont été analysés par un TEM et un microscope électronique à balayage (SEM). Les tests de perçage ont libérés un plus grand nombre de particules que le sciage. Des vitesses de perçage plus rapide et les mèches plus grandes ont augmentés la génération de particules. Les charges de nanoparticules manufacturées dans les composites ne modifient pas leurs comportements de libération dans les expériences de perçage. Toutefois, le sciage différencie les niveaux de libération entre les composites et les échantillons blancs. De plus, les vapeurs de polymères ont été générées par la chaleur de sciage. La plupart des particules libérées sont des polymères contenant des nanoparticules ou sur leurs surface. Les résultats ont souligné l'importance du type de processus et paramètres pour déterminer la libération de nanoparticules de composites. Les émissions secondaires telles que les fumées polymères appellent à la nécessité d'évaluations de l'exposition et de risque pour de tels scénarios. Une revue systématique de la littérature sur le sujet de libérations de nanoparticules dans l'air dans les secteurs industriels et laboratoires de recherche a été effectuée. Des stratégies de recherche des informations pertinentes et de stockage ont été développées. Les mécanismes de libération, tels que la taille de particules d'aérosol et de leur concentration en nombre, ont été comparés pour différentes activités. La disponibilité de l'information contextuelle qui est pertinente pour l'estimation de l'exposition humaine a été évaluée. Il a été constaté que les données relatives à l'exposition ne sont pas toujours disponibles dans la littérature actuelle. Les propriétés des aérosols libérés semblent dépendre de la nature des activités. Des procédés à haute énergie ont tendance à générer des plus hauts niveaux de concentrations de particules dans les gammes de plus petite taille. Les résultats peuvent être utiles pour déterminer la priorité des procédés industriels pour l'évaluation les risques associés dans une approche à plusieurs niveaux. Pour l'évaluation de l'exposition, la disponibilité de l'information peut être améliorée par le développement d'une meilleure méthode de communication des données.