JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

ارتفاع الضغط وارتفاع درجة الحرارة التجارب وصفها هنا تقليد الكوكب عمليات التمايز الداخلية. وتصور العمليات وفهمها بشكل أفضل من خلال التصوير ذات الدقة العالية 3D والتحليل الكيميائي الكمي.

Abstract

A الكواكب الداخلية هو تحت ضغط عال ودرجة حرارة عالية وظروف لديها بنية الطبقات. هناك نوعان من العمليات الهامة التي أدت إلى أن بنية الطبقات، (1) الترشيح من المعدن السائل في مصفوفة سيليكات الصلبة بواسطة الكوكب التمايز، و (2) تبلور النواة الداخلية عن طريق الكوكب اللاحقة التبريد. نحن إجراء الضغط العالي والحرارة العالية تجارب لمحاكاة كلتا العمليتين في المختبر. تشكيل الكواكب الأساسية percolative يعتمد على كفاءة الترشيح ذوبان، والتي تسيطر عليها ثنائي السطح (التبول) زاوية. يتضمن محاكاة الترشيح تسخين العينة تحت ضغط عال إلى درجة حرارة الهدف الذي سبائك الحديد الكبريت المنصهر بينما يبقى هو سيليكات الصلبة، ومن ثم تحديد زاوية ثنائي السطح الحقيقي لتقييم النمط من الهجرة السائل في مصفوفة البلورية التي كتبها التصور 3D. ويتحقق حجم 3D تقديم تشريح العينة المستردة مع شعاع تركز أيون (فيبوناتشي) وتا بواسطةالملك SEM صورة كل شريحة بأداة الأفقية الاكذوبه / SEM. تم تصميم المجموعة الثانية من التجارب لفهم جوهر بلورة وعنصر التوزيع الداخلي بين اللب الخارجي السائل والنواة الداخلية الصلبة من خلال تحديد درجة حرارة انصهار وعنصر التقسيم تحت ضغط عال. وتجرى التجارب ذوبان في الجهاز متعدد سندان تصل إلى 27 جيغا وتمتد إلى ارتفاع الضغط في الخلية الماس سندان مع الليزر التدفئة. قمنا بتطوير تقنيات لاستعادة عينات صغيرة يسخن علية الدقة الاكذوبه الطحن والحصول على صور عالية الدقة للبقعة الليزر الساخنة التي تظهر ذوبان الملمس تحت ضغط عال. من خلال تحليل التراكيب الكيميائية للسائل التعايش ومراحل الصلبة، علينا أن نحدد بدقة منحنى liquidus، وتوفير البيانات اللازمة لفهم عملية تبلور النواة الداخلية.

Introduction

الكواكب الأرضية مثل الأرض والزهرة والمريخ وعطارد والهيئات الكواكب متباينة يتكون من عباءة السيليكات والمعدنية الأساسية. تقترح تشكيل نموذج الكوكب الحديثة أن الكواكب الأرضية تشكلت من اصطدام القمر، إلى المريخ بحجم الأجنة الكوكبية نمت من كم الحجم أو أكبر الكويكبات من خلال التفاعلات الجاذبية 1-2. كانت الكويكبات المحتمل متباينة بالفعل مرة واحدة وصلت إلى سبائك الحديد المعدنية ذوبان في درجات الحرارة بسبب التدفئة من مصادر مثل تسوس المشعة النظائر قصيرة العمر مثل 26 و 60 آل الحديد، والأثر، وإطلاق الطاقة الكامنة 3. من المهم أن نفهم كيف يسيل المعدن السائل من خلال مصفوفة سيليكات خلال التمايز في وقت مبكر.

الكوكب التمايز يمكن المضي قدما من خلال كفاءة فصل السائل السائل أو عن طريق الترشيح من المعدن السائل في مصفوفة سيليكات صلبة، وهذا يتوقفعلى حجم ودرجة الحرارة الداخلية من الهيئات الكواكب. والترشيح من المعدن السائل في مصفوفة سيليكات صلبة من المرجح عملية المهيمنة في التفريق الأولي عندما تكون درجة الحرارة ليست عالية بما يكفي لإذابة الجسم الكوكبي بأكمله. كفاءة الترشيح يعتمد على زاوية ثنائي السطح، والتي تحددها الطاقات بينية من واجهات الصلبة الصلبة والصلبة والسائلة. يمكننا محاكاة هذه العملية في المختبر عن طريق إجراء الضغط العالي والحرارة العالية التجارب على خليط من سبائك الحديد والسيليكات. الدراسات الحديثة 4-7 حققت القدرة ترطيب من سبائك الحديد السائل في مصفوفة سيليكات الصلبة تحت ضغط عال ودرجة الحرارة. استخدموا الطريقة التقليدية لقياس توزيع الترددات النسبية لزوايا ثنائي السطح الظاهر بين المعدن السائل مروي والحبوب سيليكات على مصقول المقاطع العرضية لتحديد زاوية ثنائي السطح صحيح. الطريقة التقليدية غلة UNC كبيرة نسبياertainties في زاوية ثنائي السطح قياس والتحيز الممكن اعتمادا على إحصاءات أخذ العينات. هنا نقدم تقنية التصوير الجديدة لتصور توزيع المعدن السائل في مصفوفة سيليكات في ثلاثة أبعاد (3D) من خلال مزيج من الاكذوبه الطحن وعالية الدقة الحقل الانبعاثات SEM التصوير. توفر تقنية التصوير الجديدة التحديد الدقيق لزاوية ثنائي السطح وقياس كمي لحجم جزء والتواصل بين الطور السائل.

تشكلت نواة الأرض في وقت قصير نسبيا (<100 مليون سنة) 8، ويفترض في حالة سائلة في تاريخها في وقت مبكر. يكون المريخ وعطارد أيضا النوى السائل على أساس تشوه المد والجزر الشمسية من مساح المريخ العالمي بيانات تتبع الإذاعة 9 وأنماط الرادار رقطة مرتبطة دوران الكواكب 10، على التوالي. نماذج تطور الحرارية والضغط العالي التجارب ذوبان المواد الأساسية على مواصلة دعم نواة المريخ السائل11-12. توفير البيانات رسول المركبة الفضائية مؤخرا أدلة إضافية للنواة السائل من الزئبق 13. حتى القمر صغيرة من المرجح أن له نواة السائل صغيرة على أساس إعادة تحليل التسجيلات الزلزالية الأخيرة من Appollo القمر 14. النوى الكوكبية السائل تتسق مع تراكم الطاقة العالية في مرحلة مبكرة من تشكيل كوكب الأرض. قد يؤدي التبريد اللاحقة لتشكيل النواة الداخلية الصلبة لبعض الكواكب. وقد كشفت البيانات السيزمية أن الأرض تتكون من اللب الخارجي السائل والنواة الداخلية الصلبة. تشكيل النواة الداخلية آثار هامة بالنسبة لديناميات الأساسية مدفوعا convections الحرارية والتركيبية وتوليد المجال المغناطيسي لكوكب الأرض.

يتم التحكم تصلب النواة الداخلية من درجة حرارة انصهار المواد الأساسية وتطور الحرارية من جوهر. تشكيل نواة من الكواكب الأرضية المشتركة مسارات تراكم مماثلة ويعتبر التركيب الكيميائي للالنوى لبه يهيمن عليها الحديد مع حوالي 10٪ الوزن العناصر الخفيفة مثل (S) الكبريت، والسيليكون (سي)، والأكسجين (O) والكربون (C)، والهيدروجين (H) 15. فمن الضروري أن يكون على معرفة العلاقات ذوبان في النظم ذات الصلة الأساسية، مثل الحديد فاس، الحديد C، الحديد فيو، الحديد FEH، والحديد FeSiat الضغط العالي، من أجل فهم تركيبة النوى الكوكبية. في هذه الدراسة، ونحن سوف تثبت التجارب التي أجريت في جهاز متعدد سندان وخلية الماس سندان، ومحاكاة ظروف النوى الكوكبية. توفير تجارب المعلومات المتعلقة بتسلسل بلورة وعنصر التقسيم بين المعادن الصلبة والسائلة، مما يؤدي إلى فهم أفضل لمتطلبات بلورة النواة الداخلية وتوزيع العناصر الخفيفة بين النواة الداخلية البلورية السائلة والأساسية بها. لتوسيع العلاقات ذوبان إلى ضغوط عالية جدا، ونحن قد وضعت تقنيات جديدة لتحليل عينات مروي تعافى من الليزر يسخن الماس وتجارب الخلايا nvil. مع الدقة الاكذوبه طحن بقعة الليزر التدفئة، علينا أن نحدد ذوبان باستخدام معايير التبريد الملمس تصويرها مع ارتفاع القرار ووزارة شؤون المرأة والتحليل الكيميائي الكمي مع كاشف الانجراف السيليكون في submicron القرار المكانية.

نحن هنا الخطوط العريضة مجموعتين من التجارب لتقليد تشكيل الكواكب الأساسية عن طريق الترشيح من معدني تذوب في مصفوفة سيليكات خلال تراكم المبكر وتبلور النواة الداخلية عن طريق التبريد اللاحقة. ويهدف محاكاة لفهم اثنين من العمليات الهامة خلال تطور الكواكب الأساسية.

Protocol

1. إعداد المواد ابتداء وعينة الدوائر

  1. إعداد نوعين من المواد الأولية، (1) خليط من الزبرجد الزيتوني سيليكات الطبيعية والمعدنية مسحوق الحديد مع 10٪ بالوزن الكبريت (معدن / نسب سيليكات تتراوح 4-30٪ بالوزن) لمحاكاة الترشيح من سبائك الحديد السائل في مصفوفة سيليكات الصلبة خلال تشكيل النواة الأولى لهيئة الكواكب الصغيرة، و (2) خليط متجانس من الارض ناعما الحديد النقي وكبريتيد الحديد لتحديد الكواكب تبلور النواة الداخلية.
  2. طحن المواد الأولية إلى مسحوق مختلطة غرامة بموجب الإيثانول في هاون العقيق لمدة ساعة واحدة وتجفف في 100 درجة مئوية.
  3. تحميل المواد بدءا في أهداب الشوق متكلس أو آل 2 O 3 كبسولة (عادة 1.5 ملم وقطرها 1.5 في الطول)، ثم وضعه في التجمع خلية الضغط العالي لتجارب متعددة السندان.
  4. تحميل خليط الحديد فاس في غرفة عينة صغيرة (عادة 100 ميكرون في القطر و 25 & #181، م في سمك) في حفر طوقا الرنيوم preindented للتجارب الليزر التدفئة في الخلية الماس سندان. ساندويتش خليط الحديد فاس بين طبقات كلوريد الصوديوم التي تكون بمثابة العوازل الحرارية.

2. ارتفاع الضغط وارتفاع درجة الحرارة التجارب في جهاز متعدد السندان

  1. تتكون الجمعية خلية الضغط العالي متعددة سندان المجسم الثماني أهداب الشوق كوسيلة ضغط، كم ZrO 2 كما عازل حراري، والرنيوم أسطواني أو سخان الجرافيت. الكبسولة عينة تناسبها داخل المدفأة. يتم إدراج الحرارية نوع-C في حجرة العينة لتحديد درجة حرارة العينة.
  2. وضع التجمع الضغط العالي في جهاز الضغط العالي متعددة لسندان الضغط.
  3. يتكون الجهاز متعدد سندان من 1،500 طن الهيدروليكية الصحافة وحدة الضغط الذي يحتوي على حلقة التثبيت مع ستة أسافين دفع القابلة للإزالة تشكيل تجويف مكعب في وسط 15. تجويف مكعب ساعةouses ثمانية مكعبات كربيد التنغستن مع زوايا مبتورة. مكعبات اقتطاع، والتي تتلاقى على تجميع الخلايا المجسم الثماني، وفصلها عن بعضها البعض بواسطة جوانات للانضغاط. الكبش الهيدروليكية ينقل القوة بشكل فعال على تجميع عينة قبل مرحلتين التكوين السندان. الشكل 1 يوضح الإجراء التجريبي للتجربة متعددة السندان.
  4. الضغط على عينة لضغط المستهدف بين 2-27 برنامج العمل العالمي في درجة حرارة الغرفة على أساس الإصلاح نقطة الضغط المعايرة منحنى 16، ومن ثم تسخينها إلى درجات حرارة تصل إلى 2،300 التجريبية ° C بواسطة المقاومة الكهربائية للتدفئة؛ الحفاظ على التجربة في درجة حرارة ثابتة لمدة التجربة، وإيقاف الطاقة لإرواء العينة إلى درجة حرارة الغرفة في نهاية التجربة.
  5. الافراج عن الضغط ببطء عن طريق فتح صمام الزيت الهيدروليكي واسترداد تهمة التجريبية.

3. تجارب الليزر التدفئة فيالماس سندان الخليوي

  1. يتم إنشاء الضغط في خلية الماس سندان بين اثنين من جودة الأحجار الكريمة واحدة من الكريستال الماس السنادين (حوالي 0.25 قيراط لكل منهما). نستخدم خلية الماس سندان متماثل لدفع سندنات العكس المنحازة تماما مع نظام مكبس الاسطوانة. الخلية هي قادرة على توليد ضغوط المقابلة لظروف الضغط من صميم الأرض 17. ويتحقق ارتفاع درجة الحرارة عن طريق التسخين ليزر في الخلية الماس سندان. ونحن نستخدم نظام في المصدر فوتون المتقدمة (APS)، والتي تقوم على تقنية الليزر التدفئة الوجهين ويتكون من اثنين من ألياف الليزر والبصريات لتسخين العينة من كلا الجانبين، ونظامان spectroradiometric لقياس درجة حرارة على كلا الجانبين 18. تم تصميم نظام لتوليد بقعة كبيرة التدفئة (25 ميكرون في القطر)، والتقليل من التدرجات درجة حرارة العينة على حد سواء شعاعيا ومحوريا في الخلية الماس سندان، وتحقيق أقصى قدر من الاستقرار التدفئة. يبين الشكل 2 التخطيطيق من التكوين التجريبية للتجربة الليزر التدفئة في الخلية الماس سندان مع صورة للبقعة الليزر التدفئة.
  2. محاذاة سندنات الماس مع 300 ميكرون culets وpreindent طوقا الرنيوم إلى سمك 30 ميكرون من سمك الأولية من 250 ميكرون.
  3. حفر حفرة في طوقا preindented التي يبلغ قطرها 120 ميكرون في المركز، وتحميل العينة في حفرة.
  4. الضغط على العينة المستهدفة لضغط في درجة حرارة الغرفة، ثم تسخين العينة عن طريق زيادة قوة الليزر في حين أخذ قياسات درجات الحرارة في الموقع والأشعة السينية قياسات حيود في منشأة السنكروترون.
  5. إيقاف قوة الليزر لإرواء العينة عندما يتم الكشف عن ذوبان جزئي عن تغيير في الإشعاع الحراري ومن نمط حيود.
  6. استرداد العينة ساخنة لتوصيف خارج الموقع.

4. استعادة عينة وتحليل

  1. موالاتحاد الوطني للعمال العينة متعددة سندان استرجاع في راتنجات الايبوكسي وتلميع سطحه باستخدام مجموعة من الماس ومسحوق حصى من 150 ميكرون إلى 0.25 ميكرون.
  2. الكربون معطف سطح العينة وتحميله في حجرة العينة صك الأفقية زايس الأعنة الاكذوبه / SEM (الشكل 3A) للتحليل.
  3. محاذاة العينة إلى نقطة تتزامن من الاكذوبه ووزارة شؤون المرأة على مسافة العمل من 5 مم (الشكل 3B)، ثم premill العينة لفضح حجم 15 × 20 × 20 ميكرون 3 (الشكل 3C).
  4. التقاط صور SEM في الفترة الفاصلة من 25 نانومتر باستخدام شريحة وظيفة العرض على صك زايس الأعنة الاكذوبه / SEM (تلقائيا تسجيل سلسلة من الصور بعد ايون شعاع الطحن مع دقة وضوح الصورة النموذجية من حوالي 35 نانومتر).
  5. إدخال ملفات بيانات الصورة إلى برنامج إعادة بناء التصور والصور 3D لتصور توزيع تذوب والاتصال في العينة مروي (الشكل 3D).

النتائج

قمنا بإجراء سلسلة من التجارب باستخدام خليط من سان كارلوس الزبرجد الزيتوني والحديد فاس سبيكة معدنية مع مختلف نسب المعادن السيليكات، والمواد الأولية. محتوى S من هذا المعدن هو 10٪ الوزن S. هنا نعرض بعض النتائج ممثل من التجارب الضغط العالي أجريت في 6 برنامج العمل العالمي و1...

Discussion

راسخة التقنيات لتجارب متعددة السندان، وتوليد الضغط ودرجة الحرارة مستقرة لفترة طويلة من وقت التشغيل وإنتاج حجم العينة كبير نسبيا. بل هو أداة قوية لمحاكاة العمليات الداخلية من الكواكب، وخاصة بالنسبة للتجارب، مثل ذوبان الترشيح، والتي تتطلب بعض حجم العينة. الحد هو أقص?...

Disclosures

أعلن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgements

وأيد هذا العمل من قبل وكالة ناسا منحة NNX11AC68G ومؤسسة كارنيجي في واشنطن. أشكر تشانغ تشي لمساعدته في جمع البيانات. وأود أيضا أن أشكر عنات شاهار وفاليري Hillgren للمشاركات مفيدة من هذه المخطوطة.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Multi-anvil apparatusGeophysical LabHome Builder
Diamond-anvil cellGeophysical LabHome Builder
Laser-heating systemAPS GSECARSDesigned by beamline staff Public beamline
FIB/SEM CrossbeamCarl Zeiss Ltd.Auriga
Avizo 3D softwareVSGFire for materials science

References

  1. Wetherill, G. W. Formation of the terrestrial planets. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 18, 77-113 (1980).
  2. Chambers, J. E. Planetary accretion in the inner Solar System. Earth and Planetary Science Letters. 223, 241-252 (2004).
  3. Greenwood, R. C., Franchi, I. A., Jambon, A., Buchanan, P. C. Widespread magma oceans on asteroidal bodies in the early Solar System. Nature. 435, 916-918 (2005).
  4. Mann, U., Frost, D. J., Rubie, D. C. The wetting ability of Si-bearing liquid Fe-alloys in a solid silicate matrix-percolation during core formation under reducing conditions. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 167 (1-2), 1-7 (2008).
  5. Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., &Langenhorst, F. Percolative core formation in planetesimals. Earth and Planetary Science Letters. 273, 132-137 (2008).
  6. Walte, N. P., Becker, J. K., Bons, P. D., Rubie, D. C., Frost, D. J. Liquid-distribution and attainment of textural equilibrium in a partially-molten crystalline system with a high-dihedral-angle liquid phase. Earth and Planetary Science Letters. 262, 517-532 (2007).
  7. Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. Interconnectivity of Fe-O-S liquid in polycrystalline silicate perovskite at lower mantle conditions. Physics of Earth and Planetary Interiors. 161, 170-176 (2007).
  8. Halliday, A. N., Wood, B. J. How did Earth accrete?. Science. 325, 44-45 (2009).
  9. Yoder, C. F., Konopliv, A. S., Yuan, D. N., Standish, E. M., Folkner, W. M. Fluid core size of Mars from detection of the solar tide. Science. 300, 299-303 (2003).
  10. Margot, J. L., Peale, S. J., Jurgens, R. F., Slade, M. A., Holin, I. V. Large longitude libration of Mercury reveals a molten core. Science. 316, 710-714 (2007).
  11. Fei, Y., Bertka, C. M. The interior of Mars. Science. 308, 1120-1121 (2005).
  12. Williams, J. -. P., Nimmo, F. Thermal evolution of the Martian core: Implications for an early dynamo. Geology. 32, 97-100 (2004).
  13. Smith, D. E., Zuber, M. T., et al. Gravity field and internal structure of Mercury from MESSENGER. Science. 336, 214-217 (2012).
  14. Weber, R. C., Lin, P. -. Y., Garnero, E. J., Williams, Q., Lognonné, P. Seismic detection of the Lunar core. Science. 331, 309-312 (2011).
  15. Li, J., Fei, Y., Carlson, R. W. Experimental constraints on core composition. Geochemistry of the Mantle and Core. , 521-546 (2007).
  16. Bertka, C. M., Fei, Y. Mineralogy of the Martian interior up to core-mantle boundary pressures. Journal of Geophysical Research. 102, 5251-5264 (1997).
  17. Tateno, S., Hirose, K., Ohishi, Y., Tatsumi, Y. The structure of iron in Earth's inner core. Science. 330, 359-361 (2010).
  18. Prakapenka, V. B., Kubo, A., et al. Advanced flat top laser heating system for high pressure research at GSECARS: application to the melting behavior of germanium. High Pressure Research. 28, 225-235 (2008).
  19. Minarik, W. G., Ryerson, F. J., Watson, E. B. Textural entrapment of core-forming melts. Science. 272, 530-533 (1996).
  20. Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. The effect of oxygen and sulphur on the dihedral angle between Fe-O-S melt and silicate minerals at high pressure: Implications for Martian core formation. Earth and Planetary Science Letters. 232, 379-392 (2005).
  21. Fei, Y., Bertka, C. M., Finger, L. W. High-pressure iron-sulfur compound, Fe3S2, and melting relations in the system Fe-FeS at high pressure. Science. 275, 1621-1623 (1997).
  22. Fei, Y., Li, J., Bertka, C. M., Prewitt, C. T. Structure type and bulk modulus of Fe3S, a new iron-sulfur compound. American Mineralogist. 85, 1830-1833 (2000).
  23. Li, J., Fei, Y., Mao, H. K., Hirose, K., Shieh, S. Sulfur in the Earth's inner core. Earth and Planetary Science Letters. 193, 509-514 (2001).
  24. Chen, B., Li, J., Hauck, S. A. Non-ideal liquidus curve in the Fe-S system and Mercury's snowing core. Geophysical Research Letter. 35, L07201 (2008).
  25. Buono, A. S., Walker, D. The Fe-rich liquidus in the Fe-FeS system from 1 bar to 10 GPa. GeochimicaCosmochimicaActa. 75, 2072-2087 (2011).
  26. Ito, E., Yamazaki, D., et al. Pressure generation and investigation of the post-perovskite transformation in MgGeO3by squeezing the Kawai-cell equipped with sintered diamond anvils. Earth and Planetary Science Letters. 293 (1-2), 84-89 (2010).
  27. Roberts, J. J., Kinney, J. H., Siebert, J., Ryerson, F. J. Fe-Ni-S melt permeability in olivine: implications for planetary core formation. Geophysical Research Letter. 34, L14306 (2007).
  28. Wang, Y., Lesher, C., Fiquet, G., Rivers, M., Nishiyama, N., Siebert, J., Roberts, J., Morard, G., Gaudio, S., Clark, A., Watson, H., Menguy, N., Guyot, F. In-situ high P, T X-ray microtomographic imaging during large deformation: a newtechnique for studying mechanical behavior of multi-phase composites. Geosphere. 7, 40-45 (2011).
  29. Watson, H. C., Roberts, J. J. Connectivity of core forming melts: Experimental constraints from electrical conductivity and X-ray tomography. Physics of Earth and Planetary Interiors. 186, 172-182 (2011).
  30. Fei, Y., Ricolleau, A., Frank, M., Mibe, K., Shen, G., Prakapenka, V. Toward an internally consistent pressure scale. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 9182-9186 (2007).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

81 3D

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved