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Thermoluminescence and ESR study of shocked minerals K. Noritake, K. Ninagawa, T. Usami, S. Toyoda (Okayama University of Science)

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1 Thermoluminescence and ESR study of shocked minerals K. Noritake, K. Ninagawa, T. Usami, S. Toyoda (Okayama University of Science)

2 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).

3 I Sample II 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

4 Quartz Minas Geras, Brazil Oligoclase Aichi Japan sample 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

5 II Instrument 1. Two stage light-gas gun JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency ) gun powder piston compression cylinder He gas projectile shot cylinder Velocity measure sample holder sample shock a magnify figure

6 Sample holder Sample holder made of brass. height 5mmФ6mm Polycarbonate projectile Silver Screw bolt Copper fastener sample or powder sample 5mm 6mm φ 20mm 10cm solid sample Sample holder shock Picture is SUS holder.

7 Shock experiments Sample typeSample sourceProjectile velocity ( km/s ) QuartzMinas Geras, Brazil 2.85 AlbiteMinas Geras, Brazil 4.15 Niigata, Japan 4.21 Siga, Japan 4.18 OligoclaseAichi, Japan 3.50

8 2. gamma-ray irradiation Kyoto University Research Reactor Institute (KURRI) 60 Co gamma-ray Dose 10KGy Kumatoricho, Izuminangun, Osaka,Japan

9 3. TL spectra MONTOR TV distributor video camera Photon counting board PC ADC RAM USB HDD PAL Memory 1Memory 2 memory3 Memory 4

10 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

11 Thermolminescence spectra of Quartz (Minas Gerais, Brazil) shocked, 2.85km/s 10kGy unshocked 10kGy TLglow curve spectra III Result 1. Quartz spectra TLglow curve

12 Thermolminescence (TL) glow carve

13 ESRspectra : 10kGy unstable type of E 1 ’ center Ge center Qz (Minas Gerais, Brzil) ESR spectra : 10kGy

14 unshockedshocked 4.21km/s 2-1 Albite (Minas Gerais, Brazil) Thermolminescence spectra 2. Albite

15 2-1 Albite (Minas Gerais, Brazil) ESR spectra : 10kGy unknown

16 unshocked shocked 4.18km/s 2-2 Albite (Siga, Japan) Thermolminescence spectra

17 2-2 Albite (Siga, Japan) ESR spectra : 10kGy

18 unshockedshocked 4.15km/s 2-3 Albite (Niigata, Japan) Thermolminescence spectra

19 2-3 Albite (Niigata, Japan) ESR spectra : 10kGy

20 00 3. Oligoclase Oligoclase (Aichi, Japan) Thermolminescence spectra

21 ESR spectra : 10kGy Oligoclase (Aichi, Japan) ESR spectra : 10kGy

22 Ries crater ESR spectra : 10kGy IV Application to Ries crater

23

24 For all of the three albites, TL spectra increase around 500nm 300 ℃, and the new ESR signal (g= unknown) produced by the shock.

25 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.

26 Ries crater ESR spectra : 10kGy 25~35GPa 35~40GPa unknow E1’ center Ge center

27 Projectile velocitysample pressure v=4.0km/s GPa v=3.5km/s GPa v=3.0km/s GPa

28 (例) 波長 (nm) 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 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

29 Minas Albite (induced) ⑥ Minas Albite 3.64km/s ③ Minas Albite 3.71km/s No.7 Minas Albite 4.21km/s Minas Albite unshock Wavelength(nm) TL intensity(arb. unit) Temperature( o C) TL intensity(arb. unit) TL intensity(arb. units) Wavelength(nm) Temperature( o C) TL intensity(arb. unit) TL intensity(arb. units) 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 intensity(arb. units) Wavelength(nm) Temperature( o C) 500nm 400nm, 550nm 100 ℃から 200 ℃ 200 ℃から 300 ℃ 300 ℃から 400 ℃ 300 ℃付近

30 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 intensity(arb. unit) Temperature( o C) TL intensity(arb. unit) Temperature( o C) Wavelength(nm) TL intensity(arb. unit) Temperature( o C) Wavelength(nm) TL intensity(arb. unit) 400nm, 550nm 300 ℃付近 450nm 100 ℃から 200 ℃ 300 ℃から 400 ℃

31 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) Temperature( o C) Wavelength(nm) Temperature( o C) Wavelength(nm) TL intensity(arb. unit) Temperature( o C) TL intensity(arb. unit) Wavelength(nm) TL intensity(arb. unit) 300 ℃付近 450nm

32 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/s Minas Quartz unshock 100 ℃付近 250 ℃付近 (400nm-500nm) 250 ℃付近( 400nm-500nm )

33 まとめ Albite 1. 同じ Albite でも産地のより unshock が異な る ℃付近( nm )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

34 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 ℃の発光強度が強くなる まとめ Quartz

35 ESR 測定 結果

36 2007年2月 阪大実験

37 2008年3月 理大実験 ↑ g=2.0044

38 2008年3月 理大実験 ↑ g=2.0044

39 2008年3月 理大実験 ↑ g=2.0044

40 quartz (powder) SiO2 coesite SiO2 521 464 Raman 測定

41

42 521

43 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 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

44

45 unshock oligoclase k-011 induced 画像 shocked oligoclase k-008 induced 画像

46 shocked calcite k-015 induced 画像 unshock calcite k-016 induced 画像

47 試料ホルダー 20mm22.5mm25mm 10c m (試料台の厚さ) SUS 飛翔体 20mm 22.5mm 25mm 10 mm 7.5mm 5mm

48 Sample Albite Minas Geras, Brazil 滋賀県田上山 新潟県糸魚川市 Quartz Minas Geras, Brazil

49 衝撃実験装置(二段式軽ガス 銃) JAXA 本部(現宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部 ) 火薬 ピストン 圧縮管 ヘリウムガス 飛翔体 発射筒 速度測定器 試料ホルダー 衝撃 試料

50 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

51 Experimental procedure 1.Shock experiments were carried out by two stage light gas gun in JAXA kGy gamma rays irradiation was carried out by 60 Co in KURRI. 3. Their thermoluminescence (TL) spectra were measured by TL readout system in Okayama Univ. of Science. 4. ESR spectra were measured by JEOL X-band ESR spectrometer in Okayama Univ. of Science.

52 Shock experiments Experimental day Sample typeSample sourceProjectile velocity ( km/s ) 2 nd Aug. 2007AlbiteMinas Geras, Brazil 4.15 Niigata, Japan 4.21 Siga, Japan th Dec. 2007QuartzMinas Geras, Brazil 2.85 OligoclaseAichi, Japan 3.50


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