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

unshocked shocked 4.21km/s

2-1 Albite (Minas Gerais, Brazil) Thermolminescence spectra

2. Albite

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

unshocked shocked4.18km/s

2-2 Albite (Siga, Japan) Thermolminescence spectra

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

unshocked shocked4.15km/s

2-3 Albite (Niigata, Japan) Thermolminescence spectra

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

0 0

3. Oligoclase Oligoclase (Aichi, Japan) Thermolminescence spectra

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

ESR 測定　結果

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

quartz (powder) SiO2

coesite SiO2

５２１

４６４Raman測定

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

080130 unshock oligoclase k-011 induced 画像 080130 shocked oligoclase k-008 induced 　画像

080130 shocked calcite k-015 induced 画像080130 unshock calcite k-016 induced 画像

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

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

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.

Shock experiments

Experimental day

Sample type Sample source Projectile velocity （ km/s ）

2nd Aug. 2007 Albite Minas Geras, Brazil

4.15

Niigata, Japan 4.21

Siga, Japan 　 　 4.18

25th Dec. 2007 Quartz Minas Geras, Brazil

2.85

Oligoclase Aichi, Japan 3.50