Thermal Transformation of Chrysotile Studied by High Resolution Electron Microscopy

Abstract

Thermal transformation of chrysotile from Uruaçu District, state of Goiás, Brazil, heated in dry conditions at temperatures from 600°C to 1300°C was studied by high resolution electron microscopy and selected area electron diffraction (SAD). Up to 600°C, no morphological or SAD pattern changes were observed. At 600°C, the fibrils were still crystalline with the characteristics of the clinochrysotile. In addition, a new fringe system of 10–15 Å spacings appeared sporadically parallel to the 7.3 Å fringes of chrysotile. Areas of these extra fringes seem to constitute favorable sites for the nucleation of forsterite. At 650°C, forsterite nuclei appeared inside the nearly amorphous fibrils in the shape of patches consisting of flaky crystallites. At 700°C the chrysotile structure had disappeared; the new spots present in the SAD pattern were indexed as those of forsterite. Between 800–900°C the crystallinity of the patches was clearly demonstrated. From the lattice images in the patches, topotactic relations between chrysotile and forsterite were analyzed. At 1000°C very tiny grains of enstatite were formed mixed with forsterite grains. The SAD pattern is complex due to the coexistence of forsterite, enstatite, and silica-rich amorphous areas. From 1100°C to 1300°C the tridimensional growth of enstatite was promoted. The present results support the topotactic relations between chrysotile and forsterite found by X-ray analysis although differences up to several degrees may exist when these phases are observed microscopically. Evidence suggesting a topotactic growth between forsterite and enstatite was also obtained.

Резюме

С помощью электронной микроскопии высокой разрешающей способности и электронной дифракции выбранной зоны (ДВЗ) изучалось термальное превращение хризотила из района Ураку, штат Гойас, Бразилия, нагреваемого в сухом виде до температур от 600°С до 1300°С. При нагревании до 600°С не наблюдалось ни морфологических изменений, ни измененний картины ДВЗ. При 600°С фибриллы оставались кристаллическими с характеристиками клинохризотила. Кроме того, появилась новая система полос с промежутками 10–15 Å, спорадически параллельная 7,3 Å полосам хризотила. Зоны этих дополнительных полос по-видимому являются благоприятными местами для образования центров кристаллизации форстерита. При 650°С центры кристаллизации форстерита появились внутри почти аморфных фибрил в форме включений, состоящих из чешуйчатых кристаллитов. При 700°С исчезла хризотиловая структура; новые пятна, появившиеся на картине ДВЗ были определены как пятна форстерита. Между 800°С и 900°С отчетливо была видна кристалличность этих пятен. По изображениям решеток в пятнах анализировались топотактические отношения между хризотилом и форстеритом. При 1000°С сформировались очень маленькие зерна энстатита, смешанные с зернами форстерита. Картина ДВЗ сложная из-за сосуществования форстерита, энстатита и богатых кремнеземом аморфных зон. От 1100°С до 1300°С происходил трехмерный рост энстатита. Полученные результаты подтверждают топотактические отношения между хризотилом и форстеритом, которые были обнаружены рентгеноструктурным анализом, хотя различия до нескольких градусов могут существовать, когда фазы наблюдаются под микроскопом. Получены также доказательства топотактических отношений между форстеритом и энстатитом при их развитии.

Resümee

Thermische Transformationen von Chrysotil vom Urauçu Distrikt, Staat von Goiás, Brasilien, erhitzt unter trockenen Bedingungen bei Temperaturen von 600°C bis 1300°C, wurde mittels Elektronenmikroskopie mit hohem Auflösungsvermögen und Elektronenbeugung ausgewählter Flächen (SAD) untersucht. Bis 600°C wurden keine Unterschiede in Morphologie oder SAD Bildern gesehen. Bei 600°C waren die Fäserchen immer noch kristallen mit den Eigenschaften des Klinochrysotil. Außerdem erschien sporadisch, parallel zu den 7,3 Å Rändern von Chrysotil, ein neues Randsystem mit Netzabständen von 10–15 Å. Die Flächen dieser extra Ränder scheinen günstige Plätze für die Kembildung von Forsterit zu ergeben. Bei 650°C erschienen Forsteritkeme in den fast amorphen Fasern als Flecken, die aus schuppigen Kristallen bestehen. Bei 700°C war die Chrysotilstruktur verschwunden; die neuen Flecken in den SAD Bildern wurden als Forsterit katalogisiert. Zwischen 800–900°C wurde die Kristallinität der Flecken deutlich demonstriert. Aus den Gitterabbildungen in den Flecken wurden topotaktische Verwandtschaften zwischen Chrysotil und Forsterit analysiert. Bei 1000°C wurden sehr kleine Körner von Enstatit gemischt mit Forsteritkömchen geformt. Das SAD Muster ist wegen der Koexistenz von Forsterit, Enstatit und silika-reichen, amorphen Flächen komplex. Von 1100°C bis 1300°C wurde das dreidimensionale Wachstum von Enstatit gefördert. Die vorliegenden Resultate unterstützen die topotaktischen Verwandtschaften zwischen Chrysotil und Forsterit, welche durch Röntgenanalyse gefunden wurden, obwohl etliche Grade Unterschiede existieren können, wenn die Phasen mikroskopisch untersucht werden. Beweise, welche ein topotaktisches Wachstum zwischen Forsterit und Enstatit vorschlagen, wurde auch erhalten.

Résumé

La transformation thermale de chrysotile du District d'Urauçu, état de Goiás, Brézil, chaufée sous des conditions sèches, de 600°C à 1300°C, a été étudiée par microscopie électronique à haute résolution et par diffraction électronique de régions sélectionnées (SAD). Aucun changement morphologique ou de clichés SAD n'a été observé jusqu’à 600°C. A 600°C, les fibrilles étaient encore cristallines avec les caractéristiques de clinochrysotile. De plus, un nouveau système de franges d'espacements 10–15 Å a apparu sporadiquement, parallèle aux franges 7,3 Å de chrysotile. Les régions de ces franges nouvelles semblent constituer des sites favorables pour la nucléation de forstérite. A 650°C, des nuclei de forstérite apparaissent à l'intérieur des fibrilles quasi amorphes en la forme de plaques constituées de cristallites floconneuses. A 700°C la structure de chrysotile avait disparu, les nouvelles tâches présentes dans le cliché SAD étaient classées comme étant celles de forstérite. Entre 800–900°C, la cristallinité des plaques était clairement démontrée. Des relations topotactiques entre la chrysotile et la forstérite ont été analysées à partir des images du réseau cristallin dans les plaques. A 1000°C, de très petits grains d'enstatite ont été formés, mélangés avec les grains de forstérite. Le cliché SAD est complexe à cause de la coexistence de forstérite, d'enstatite et de régions amorphes riches en silice. De 1100°C à 1300°C, la croissance en 3 dimensions d'enstatite a été promue. A présent, les résultats soutiennent les relations topotactiques entre la chrysotile et la forstérite trouvées par analyse aux rayons-X, quoique des différences jusqu’à plusieurs degrés peuvent exister lorsque les phases sont observées au microscope. Certaines preuves suggérant une croissance topotactique entre la forstérite et l'enstatite ont aussi été obtenues.