تقسيم المعادن سيليكات في ارتفاع الضغط ودرجة الحرارة: الطرق التجريبية وبروتوكول قمع بشدة Siderophile العنصر الادراج

Summary

We present a procedure to determine the metal-silicate partitioning of siderophile elements, emphasizing techniques that suppress the formation of metal inclusions in experiments for the noble metals. The results of these experiments are used to demonstrate the effect of core-formation on the highly siderophile element composition of the mantle.

Abstract

Estimates of the primitive upper mantle (PUM) composition reveal a depletion in many of the siderophile (iron-loving) elements, thought to result from their extraction to the core during terrestrial accretion. Experiments to investigate the partitioning of these elements between metal and silicate melts suggest that the PUM composition is best matched if metal-silicate equilibrium occurred at high pressures and temperatures, in a deep magma ocean environment. The behavior of the most highly siderophile elements (HSEs) during this process however, has remained enigmatic. Silicate run-products from HSE solubility experiments are commonly contaminated by dispersed metal inclusions that hinder the measurement of element concentrations in the melt. The resulting uncertainty over the true solubility and metal-silicate partitioning of these elements has made it difficult to predict their expected depletion in PUM. Recently, several studies have employed changes to the experimental design used for high pressure and temperature solubility experiments in order to suppress the formation of metal inclusions. The addition of Au (Re, Os, Ir, Ru experiments) or elemental Si (Pt experiments) to the sample acts to alter either the geometry or rate of sample reduction respectively, in order to avoid transient metal oversaturation of the silicate melt. This contribution outlines procedures for using the piston-cylinder and multi-anvil apparatus to conduct solubility and metal-silicate partitioning experiments respectively. A protocol is also described for the synthesis of uncontaminated run-products from HSE solubility experiments in which the oxygen fugacity is similar to that during terrestrial core-formation. Time-resolved LA-ICP-MS spectra are presented as evidence for the absence of metal-inclusions in run-products from earlier studies, and also confirm that the technique may be extended to investigate Ru. Examples are also given of how these data may be applied.

Introduction

ويعتقد أن تراكم الأرضية وقعت على شكل سلسلة من التصادمات بين الكويكبات مع تكوين الجزء الأكبر chondritic، تنتهي في مرحلة تأثير العملاقة يعتقد أنها المسؤولة عن تكوين القمر ^1،2. وكانت التدفئة من بروتو الأرض عن طريق الآثار واضمحلال النظائر قصيرة الأجل كافية للتسبب ذوبان واسع وتشكيل محيط الصهارة أو البرك التي من خلالها كثيفة يذوب المعدنية الحديد الغنية يمكن أن تنزل. عند الوصول إلى قاعدة محيط الصهارة، يذوب المعدنية تصادف الانسيابية الحدود، المماطلة، وتخضع النهائي توازن المعادن سيليكات قبل تنازلي نهاية المطاف من خلال عباءة صلبة حتى النخاع المتزايد ^2. الاتصالات الكيميائية مزيد من بين المعدن ومراحل السيليكات كما تذوب معدنية تقطع يعتقد أن الجزء الصلب من عباءة أن يمنع ذلك بسبب الحجم الكبير والنسب السريع لdiapirs المعادن ^3. هذا التمايز الأساسي من الأرض إلى نواة معدنية وMANT سيليكاتوكشفت جنيه اليوم الملاحظات الجيوفيزيائية والجيوكيميائية كلا ^4-6. تفسير هذه الملاحظات أن تحقق شروط معقولة للتوازن المعادن سيليكات في قاعدة محيط الصهارة، ومع ذلك، يتطلب وجود قاعدة بيانات مناسبة من النتائج التجريبية.

عباءة العليا البدائية (PUM) هي خزان افتراضية تتألف من بقايا السيليكات من تشكيل الأساسي، وبالتالي يعكس تكوينه سلوك العناصر النزرة خلال توازن المعادن سيليكات. يتم توزيع العناصر النزرة بين المعدن وسيليكات يذوب خلال فصل الأساسية على أساس قرابتهم الجيوكيميائية. حجم تفضيل العناصر للمرحلة معدن يمكن وصفها من قبل معامل تفريق معدن سيليكات

(1)

أين و دلالة على تركيز العنصر الأول في المعادن وسيليكات تذوب على التوالي. قيم > 1 تشير siderophile السلوك (المحبة الحديد) وهذه <1 lithophile (المحبة الصخور) السلوك. تنضب تقديرات المعرض تكوين PUM أن siderophile عناصر نسبة إلى chondrites ^7، والذي يعتبر عادة ممثلا من تكوين الأرض السائبة ^6،8. ومن المقرر أن عزل العناصر siderophile التي كتبها جوهر هذا الاستنزاف، وعناصر صهر حجمها ينبغي أن تعكس قيم مباشرة . لذا تسعى التجارب المعملية لتحديد قيم أكثر من رانجى من الضغط (P)، ودرجة الحرارة (T) وسرعة الزوال الأكسجين (و O ₂₎ الشروط التي لها صلة العزل المعادن من قاعدة محيط الصهارة. ومن ثم يمكن استخدام نتائج هذه التجارب لتحديد مناطق P - T - و O ₂ المساحة التي تتوافق مع وفرة PUM من عناصر siderophile متعددة (على سبيل المثال، ^9-11).

الضغوط العالية ودرجات الحرارة ذات الصلة لسيناريو محيط الصهارة يمكن صوغه في المختبر باستخدام مكبس اسطوانة أو اضغط متعدد سندان. يوفر جهاز مكبس الاسطوانة الوصول إلى ضغط معتدل (~ 2 جيد جدا) ودرجة حرارة عالية (~ 2573 K) الظروف، ولكن يمكن أحجام عينة كبيرة ومتنوعة من المواد كبسولة ليتم استخدامها بسهولة. يسمح معدل التبريد السريع أيضا تبريد مجموعة من المؤلفات ذوبان سيليكات إلى الزجاج، وبالتالي تبسيط تفسير التكوينية للمنتجات التشغيل.جهاز متعدد سندان عادة توظف أحجام عينات صغيرة ولكن مع تصاميم التجمع مناسبة يمكن تحقيق ضغوط تصل إلى ~ 27 جيغا ودرجات الحرارة ~ 3000 K. استخدام هذه الأساليب قد سمح البيانات التقسيم للعديد من متوسطة وطفيفة siderophile العناصر لتكون تجمع أكثر من مجموعة واسعة من P - شروط T. وتشير التوقعات لتكوين PUM بناء على هذه البيانات حدث توازن المعادن سيليكات بمتوسط ​​ظروف الضغط والحرارة التي تتجاوز 29 ~ برنامج العمل العالمي وK 3000 على التوالي، على الرغم من أن القيم هي بالضبط نموذج التابعة. من أجل تفسير وفرة PUM من العناصر الحساسة الأكسدة معينة (على سبيل المثال، V، CR) و في O ₂ ويعتقد أيضا أن تتطور خلال تراكم من ~ 4-2 وحدات سجل أقل من ذلك الذي تفرضه الحديد تتعايش وwüstite (فيو ) في ظروف PT أي ما يعادل (المخزن المؤقت الحديد wüstite) ^12.

على الرغم من وفرة PUM من ميمكن أن يعزى أي عناصر siderophile عليها توازن المعادن سيليكات في القاعدة من الصهارة أعماق المحيطات، فقد ثبت أنه من الصعب تقييم ما إذا كان ينطبق هذا الوضع أيضا إلى أكثر siderophile غاية العناصر (HSEs). تقارب الشديد في HSEs للحديد والمعادن المشار إليها بواسطة الضغط المنخفض (P ~ 0.1 ميجا باسكال) ودرجة الحرارة (T <1673 K) التجارب تشير إلى أن تستنفد بقوة الأرض سيليكات في هذه العناصر. تقديرات محتوى HSE لPUM، ومع ذلك، تشير فقط استنزاف قريب معتدلة إلى كوندريت (الشكل 1). حل افترض عادة إلى فائض الصحة والسلامة واضحا هو أن الأرض شهدت أواخر تراكم من المواد chondritic اللاحقة لتشكيل النواة ^13. ان هذه المواد في وقت متأخر من يتراكم ومختلطة مع PUM ورفع تركيزات HSE ولكن كان له تأثير يذكر على عناصر أكثر وفرة. بدلا من ذلك، فقد قيل أن طبيعة siderophile للغاية من HSEs أشارت بانخفاض P - تجارب T لا تزال قائمة للشروط PT الحالية المرتفعة خلال النوى تشكيل ^14،15. من أجل اختبار هذه الفرضيات، يجب أن تتم التجارب لتحديد ذوبان والمعادن سيليكات تقسيم HSEs في الظروف المناسبة. تلوث الجزء سيليكات منتجات التشغيل مروي في العديد من الدراسات السابقة ومع ذلك، فقد تعقدت تحليل التشغيل المنتج وتحجب معاملات التقسيم الحقيقية لHSEs بين المعدن ويذوب السيليكات.

في تجارب التقسيم حيث هي موجودة في مستويات التركيز المناسبة لطبيعة HSEs، وتفضيل الشديد من هذه العناصر للالحديد معدن يمنع قياسها في ذوبان سيليكات. للتحايل على هذه المشكلة، يتم إجراء قياسات الذوبان التي تشبع ذوبان سيليكات في HSE المصالح والقيم يتم حسابها باستخدام الشكلية من بوريسوف وآخرونآل ^16. سيليكات مروي المنتجات التشغيل من HSE التجارب الذوبان أجريت في الحد من الظروف، ولكن في كثير من الأحيان عرض الأدلة على التلوث فرقت HSE ± الحديد الادراج ^17. على الرغم من كل مكان القريب من هذه الادراج في منخفض و O ₂ التجارب التي تحتوي على حزب العمال، عير، ونظام التشغيل، وإعادة رو، (على سبيل المثال، ^18-27)، هناك تفاوتا ملحوظا بين الدراسات في عرضها التكوينية. مقارنة على سبيل المثال يحيل الى ²² و ^26. وإن كان قد ثبت أن شوائب يمكن أن تشكل والتي هي مرحلة مستقرة في المدى شروط تجربة ^28، وهذا لا يمنع تشكيل الادراج كما هو مروي العينة. الغموض الذي يلف أصل الادراج يجعل العلاج من النتائج التحليلية صعبة، وأدى إلى غموض على الذوبان الحقيقي للHSEs في خفض سيليكات يذوب. مطلوبة منتجات المدى خالية من إدراج لتقييموقد اعتمد التي دراسات نهج تحليلي يمكن أن ينتج تركيزات HSE المنحل دقيقة. وقد تم الآن أظهرت تقدما كبيرا في قمع تشكيل المعادن الادراج في ظروف الحد في التجارب باستخدام جهاز مكبس الاسطوانة، التي تم تعديل تصميم عينة من الدراسات السابقة عن طريق إما الاتحاد الافريقي أو سي إلى المواد الأولية ^29-31. إضافة الاتحاد الافريقي أو عنصري سي إلى المواد الأولية يغير تطور عينة الهندسة أو و O ₂ التجربة على التوالي. وتهدف هذه الأساليب لقمع تشكيل إدراج المعدن عن طريق تغيير توقيت HSE في نشر مقابل الحد من العينة، ويتم مناقشتها في بينيت وآخرون. ^31. وخلافا لبعض المحاولات السابقة لتطهير ذوبان سيليكات من شوائب، مثل موازنة بمساعدة ميكانيكيا والطرد المركزي مكبس الاسطوانة، لا يمكن تنفيذ هذا البروتوكول دون appar المتخصصةatus وغير مناسبة لإجراء التجارب PT عالية.

وصفت بالتفصيل هنا هو النهج القائم على مكبس الاسطوانة لتحديد ذوبان رد، ونظام التشغيل، عير، رو، وحزب العمال والاتحاد الافريقي في ذوبان سيليكات في درجة حرارة عالية (> 1873 K)، 2 جيغا وو لO ₂ مماثلة لتلك التي المخزن المؤقت الحديد wüstite. تطبيق التصميم التجريبي مماثل قد يكون ناجحا أيضا في تجارب HSE في الضغوط الأخرى، وتوفير العلاقات المرحلة المطلوبة، ترطيب خصائص وتستمر العلاقات الحركية للشروط المختار. ومع ذلك البيانات الموجودة، غير كافية لتوقع ما إذا كان تصميم عينة لدينا وسوف يكون ناجحا في الضغوط المقابلة لالصهارة أعماق المحيطات. أوجز أيضا هو نهج عام يستخدم لتحديد عنصر siderophile متوسطة وطفيفة (MSE وSSE على التوالي) التقسيم باستخدام جهاز متعدد سندان. تمديد بيانات خالية من إدراج لHSEs إلى ارتفاع ضغط ومن المرجح أن استخدام وسائل متعددة سندان-مماثلة. أكسيالأثير، وتوفر هذه الإجراءات وسيلة لتقييد كل الشروط من النوى العزل ومراحل التنامي الأرضية.

Protocol

1) إعداد ابتداء من المواد

1. الاصطناعية البازلت
   ملاحظة: يتم استخدام تركيبة بازلتية مثل سيليكات ابتداء من المواد والتراكيب أكثر depolymerized، على الرغم من أن أكثر ملاءمة لسيناريو محيط الصهارة، يصعب أو يستحيل لإرواء إلى الزجاج في مكبس الاسطوانة وتجارب متعددة السندان.
   1. وزن الكمية المطلوبة من أكسيد مكون أو كربونات (الكالسيوم والصوديوم) مساحيق، باستثناء الحديد، وإضافة إلى هاون العقيق (انظر المثال في الجدول رقم 1). خليط مجانا الحديد وزنها ~ 4 ز ينبغي أن توفر المواد انطلاق كافية لجناح واسعة من التجارب.
   2. إضافة الإيثانول إلى هاون العقيق حتى يتم المغمورة مساحيق ثم تطحن لا يقل عن 2 ساعة باستخدام مدقة العقيق إلى التجانس كل من تكوينها والحبوب حجم الخليط.
      ملاحظة: تجانس التراكيب الأرض بدءا يمكن التحقق من خلال دراسة بيليه ضغط من مسحوق خليط مع هيئة التصنيع العسكري المسح الإلكترونroscope مجهزة لتحليل تركيبي من قبل التشتت الطاقة التحليل الطيفي للأشعة السينية.
   3. مرة واحدة متجانسة تماما، ضع هاون تحت 250 W مصباح الحرارة، على مسافة ~ 20 سم. بعد خليط مسحوق جاف، والذي قد يستغرق 20-60 دقيقة، نقلها إما إلى الألومينا أو موليت (وهي alumino سيليكات) بوتقة.
   4. لdecarbonate الخليط، ووضع بوتقة مع مسحوق خليط في فرن مربع في RT والطريق المنحدر إلى 1273 K على مدار 05/03 ساعة. ترك الخليط في الفرن على 1273 KO / N.
   5. إزالة الخليط decarbonated من الفرن مربع والسماح لتبرد لRT. مرة واحدة باردة، وتزن إضافة الحديد إلى خليط إما فيو أو الحديد ₂ O ₃ مسحوق (انظر الجدول 1). تغيير نسبة فيو إلى الحديد ₂ O ₃ مع الحفاظ على المحتوى الكلي الحديد يسمح للنفس وو O النهائي ₂ من العينة إلى تغيير. للوصول إلى أكثر الحد من الظروف، وفي جميع التجارب لتحقيق Pر، أيضا إضافة ~ 0،5-2،0٪ بالوزن سي إلى الخليط. مرة واحدة وقد تم إضافة الحديد (± سي)، وإعادة تجانس الخليط مرة أخرى طحن تحت الإيثانول مع هاون ومدقة العقيق.
   6. يجف الخليط المتجانس تحت مصباح الحرارة ومن ثم نقلها إلى قارورة قذيفة. متجر في مجفف حتى جاهزة للتحميل عينة كبسولة.
2. المرحلة المعدنية: ري، نظام التشغيل، والأشعة تحت الحمراء، تجارب رو
   1. للتجارب تهدف إلى تحقيق إعادة، ونظام التشغيل، أو عير رو، وإعداد 3: 1 من حيث الوزن (6: 1 لرو، لحساب الفرق في الكتلة الذرية) خليط من الاتحاد الافريقي وHSE من الفائدة، وذلك باستخدام مساحيق معدنية عالية النقاء . مزيج زنها ~ 500 ملغ ينبغي أن توفر المواد انطلاق كافية لجناح واسعة من التجارب.
   2. نقل الخليط في بوتقة الجرافيت، وتغطي مع غطاء الجرافيت. ثم ضع بوتقة مغطاة في فرن مربع عند درجة حرارة 1473 K ل~ 5 دقائق. إزالة مرة واحدة من الفرن، وترك غطاء بوتقة في مكان حتى التجميع له سجعأدى إلى RT.
      تنبيه: تسخين الأوسيميوم في الهواء قد يؤدي إلى تشكيل السامة مركب رباعي أكسيد الأوزميوم. الأوسيميوم المعدن هو أيضا مصدر إزعاج الجلد المعروفة، راجع MSDS لCAS # 7440-04-2.
      ملاحظة: هذه العملية يذوب (نقطة انصهار ~ 1337 K) الاتحاد الافريقي ولكن ليس HSE المرفقة، مما أدى إلى تشكيل حبة المعدنية حيث حاصرت HSE من الاهتمام من خلال قشرة من الاتحاد الافريقي.
   3. إزالة حبة المعدنية من بوتقة الجرافيت واستخدام شفرة حلاقة لتقسيمه إلى أجزاء أصغر التي تقيس ~ 1 مم في أطول بعدها. قطع مرة واحدة، ضع حبات إلى قارورة قذيفة وتخزينها في المجفف.
3. المرحلة المعدنية: تجارب PT
   ملاحظة: التجارب للتحقيق في حزب العمال لا يمكن القيام بها باستخدام تقنية حبة الاتحاد الافريقي المغلفة بسبب امتزاج كاملة من حزب العمال والاتحاد الافريقي في درجة حرارة عالية (> 2042 K عند 0.1 ميجا باسكال ^32). هذا يمنع هندسة العينة حيث يتم فصل حزب العمال جسديا من ذوبان سيليكات خلال التجربة من قبل قشرةمن الاتحاد الافريقي.
   1. تخلط جيدا مساحيق معدنية من حزب العمال وعير في نسبة 1: 1 وزنا لجعل ما مجموعه ~ 500 ملغ من الخليط. المقبل، إضافة ~ 20 ملغ من الحديد مسحوق معدني بحيث تضم الحديد ~ 4 في المئة من وزن الخليط الكلي.
   2. الشريط الحفر نظيفة فارغة (بدلا من ذلك، عرقوب من الحفر يمكن أن تستخدم في مكان الحفر فارغا) إلى حافة طاولة العمل بحيث ~ 3 مم يبرز من الطاولة. وضع أنبوب زجاجي السيليكا، مع القطر الداخلي لل~ 2-3 ملم وقطرها الخارجي من ~ 4-6 ملم، إلى نهاية جاحظ من التدريبات فارغة.
   3. ضع الخليط PtIrFe في أنبوب زجاجي وإدراج حفر فارغة آخر فوقه. يجب أن يكون كل من الفراغات حفر قطرها لا يزيد عن 0.1 ملم أصغر من القطر الداخلي للأنبوب زجاجي السيليكا. الباردة الصحافة الخليط المعدني عن طريق دفع الفراغات الحفر معا باليد (الشكل 2).
      تنبيه: استخدام القوة المفرطة أثناء الخطوة الملحة الباردة يمكن أن يسبب زجاج السيليكا لتحطيم).
   4. وضع مساحيق الباردة ضغط، لا يزال داخل أنبوب زجاجي السيليكا، إلى بوتقة الألومينا وتعليق في الجزء البارد من أنبوب عمودي الفرن لخلط الغاز. زيادة درجة حرارة الفرن إلى 1673 K واستخدام CO-CO ₂ مخاليط الغاز، تعيين الفرن و O ₂ إلى قيمة قريبة من المنطقة العازلة الحديد wüstite.
      ملاحظة: في الضغط المحيط وK 1673، المخزن المؤقت الحديد wüstite يناظر و لO ₂ 1.93 × 10 ^-10 با ^33. العلاقة بين CO-CO ₂ خلط نسبة ودرجة الحرارة وو O ₂ ويمكن الاطلاع في اشارة ^34. لالعازلة الحديد wüstite في 1673 K استخدام خليط الغاز تضم 22.25 المجلد٪ CO ₂ و 77.75٪ المجلد CO.
      1. مرة واحدة يتم الوصول إلى المطلوب درجة الحرارة وو O _2، وانخفاض بوتقة الألومينا بحيث يتواجد في المكان الفرن الساخن وترك O / N لمساحيق الضغط ليصلب.
   5. إزالة crucضغط ible ومساحيق من الفرن لخلط الغاز والسماح لهم لتبرد. إذا كان أنبوب زجاجي السيليكا لا تزال على حالها، واستخدام الحفر فارغة لدفع مسحوق صلب من الأنبوب. باستخدام قواطع للاسلاك، كسر مسحوق صلب إلى قطع صغيرة بما يكفي لتناسب داخل العينة كبسولة المختار للتجربة.
   6. نقل القطع المعدنية إلى قارورة قذيفة وتخزينها في مجفف حتى المطلوبة.
4. المرحلة المعدنية: تجارب متعددة السندان
   1. للتجارب لتحديد تقسيم العناصر siderophile متوسطة وطفيفة، خلط مسحوق البازلت الاصطناعية مع مسحوق الحديد والمعادن بنسب متساوية.
      ملاحظة: بعض جزء من الحديد يمكن إضافة كما سبيكة الحديد سي، وعادة بحيث سي تضم <8٪ بالوزن من جزء معدني. وهذا يضمن يبقى و O تجريبي ₂ المنخفض.
   2. إضافة العناصر النزرة اختيرت مساحيق أكسيد المعادن إلى المعادن البازلت بالإضافة إلى الخليط. تجانس المواد بدءا غرامinding تحت الإيثانول مع هاون ومدقة العقيق. المبلغ المحدد من العناصر النزرة وأضاف سوف تعتمد على عنصر يجري التحقيق فيها، ومع ذلك، وتركيزات اسمية قدرها عدة آلاف جزء في المليون إلى 2٪ بالوزن هي نموذجية ^10،35.
   3. مرة واحدة متجانسة، تجفيف المواد ابتداء من مسحوق تحت مصباح الحرارة، ونقلها إلى قارورة قذيفة ثم تخزينها في المجفف لحين الحاجة إليها.

2. إعداد مكونات الجمعية

1. مكبس الاسطوانة
   ملاحظة: تتكون الجمعية مكبس من كبسولة الجرافيت معتمد في بقعة ساخنة من سخان المقاومة الغرافيت باستخدام قطعة المغنيسيا قابلة للهرس. يتم وضع والألومينا مغمد الحرارية محوريا من خلال الجزء العلوي من التجمع لمراقبة درجة الحرارة في الجزء العلوي من العينة. ثم تحيط الفرن من قبل باكو ₃ خلايا التي تعمل على حد سواء وسيلة ضغط وعازل حراري ^36. يتم توفير أبعاد التجمع فيالشكل 3A. يتم توفير قائمة من المواد سبيل المثال تستخدم لتجارب ومصادرها في الجدول 2.
   1. آلة الكبسولات الجرافيت، والمكونات نهاية الجرافيت والدعم المغنيسيا القطع إلى الأبعاد المطلوبة مع مخرطة مركز، وذلك باستخدام عالية النقاء الجرافيت والمغنيسيا قضبان أو أنابيب على التوالي ابتداء من المواد (الشكل 3A).
      ملاحظة: للحصول على التجارب لتحقيق إعادة، ونظام التشغيل والأشعة تحت الحمراء، ويمكن استبدال سبائك HSE الحديد لالجرافيت كمادة كبسولة ^29،30.
   2. يصوتن كبسولات الجرافيت في الإيثانول ل~ 1 دقيقة في RT، ثم تجف تحت مصباح الحرارة بنفس الطريقة وفقا لتوجيهات للمواد انطلاق المجفف. الجاف مرة واحدة، ونقل الكبسولات إلى قارورة قذيفة وتخزينها في فرن المجفف أو التجفيف حتى المطلوبة.
   3. توضع قطع الدعم المغنيسيا في إما الألومينا أو بوتقة موليت ويصلب في 1573 K في فرن مربع لا يقل عن 8 ساعة. بعد الصلب، والسماح القطع لتبرد ثم مخزنفي تجفيف الحفاظ على الفرن على 393 ~ K.
   4. لجعل الخلايا كربونات الباريوم، مزيج أول باكو ₃ مسحوق يستخدم نسخة الحبر في 99: 1 النسب من حيث الوزن. مطلوب ما لا يقل عن 7.4 غرام من الخليط لتجربة واحدة. معطف الجزء الداخلي من يموت الصلب بحجم مناسب (انظر الشكل 3A للأبعاد باكو ₃ كم) إما مع زيوت التشحيم الجاف القائم الجرافيت أو وكيل الافراج عن القالب على أساس PTFE (الجدول 2).
   5. الصحافة الباردة 3.7 غرام من الخليط إلى ~ 250 ميجا باسكال باستخدام يموت الصلب والضغط الهيدروليكي. ترك الخليط في الضغط لمدة 1 دقيقة قبل الضغط. هذا وسوف تنتج كم يبلغ ارتفاعه 17 ملم. مطلوبة اثنين الأكمام لكل جمعية.
      ملاحظة: الترتيب 2-الخلية المذكورة أعلاه وتستخدم في بعض الدراسات السابقة ^{29-31 مايو} أن تكون بديلا لخلية باكو ₃ احدة توفر يموت الحجم مناسب هو متاح.
   6. إزالة مرة واحدة منيموت، تدفع لمرة والحبر نسخة عن طريق تسخين الأكمام من RT إلى 923 K على مدار عدة ساعات في فرن مربع، ثم عقد في درجة الحرارة هذه ل~ 30 دقيقة. لاحظ التغير في اللون من الأسود إلى اللون البرتقالي مرة واحدة تمت إزالة الحبر نسخة. تخزين الأكمام صلب في تجفيف الحفاظ على الفرن على 393 ~ K.
2. متعددة السندان
   ملاحظة: ويضم التجمع متعددة سندان كبسولة العينة التي يتم المتمركزة في نقطة ساخنة من أسطواني سخان المقاومة الغرافيت باستخدام قابل للعصر أهداب الشوق أو آل ₂ O ₃ قطع حشو. ويحيط سخان إما من خلال المجسم الثماني السيراميك متكلس أو castable الذي يعمل على حد سواء وسيلة ضغط وعازل حراري. قد يكون وضع الحرارية إما محوريا أو بالعرض تبعا لتصميم التجمع. هناك العديد من الأحجام والتصاميم من التجميع المستخدمة للتجارب متعددة السندان، وهذا يتوقف على الموضوعية وP المطلوب - شروط T الشكل 4 يعرض على النحوsembly تصميم تستخدم في السابق لإجراء تجارب تقسيم المعادن سيليكات 3.6 و 7.7 جيغا ^35.
   1. إعداد كبسولات الجرافيت والمغنيسيوم قابل للعصر أو الأكمام زركونيا من أنابيب عالية النقاء بنفس الطريقة كما هو مبين للتجارب مكبس الاسطوانة. يتم توفير الأبعاد المطلوبة في الشكل 4A.
   2. جعل المكونات الألومينا من طول بشق أطلقت قضيب الألومينا. استخدام ملف الماس ليسجل قضيب حيث من المفترض أن تكون مكسورة، ثم المفاجئة قضيب إلى الطول المطلوب باليد (انظر الشكل 4A لأبعاد). استخدام الملف لإزالة أي نتوءات التي تنتج عن كسر القضيب. تنظيف المكونات التي كتبها sonicating في الإيثانول في RT.
   3. إعداد octahedra مع 18 ملم ثماني السطوح طول حافة (OEL) باستخدام castable 2-جزء السيراميك مقرها أهداب الشوق (انظر الجدول 2) والعفن بحجم مناسب. ويتألف القالب رقصة الذي يحمل 8 مكعبات مبتورة، مفصولة أوراق بسمك مساوية لتلك المطلوبة للعشرالبريد جوانات ³⁷ قبل تشكيلها.
      1. لoctahedra مع 18 ملم OEL، مكعبات استخدام مع 11 ملم اقتطاع حافة طول (TEL) والأوراق التي هي 3 مم. استخدام إما الألمنيوم أو PVC للمواد مكعب ورقة. تجميع العفن، تشحيم جميع الأجزاء التي سوف نتصل السيراميك castable مع سيليكون الشحوم. ترك واحد مكعب المفكك لتوفير نقطة دخول للخليط السيراميك.
      2. الجمع بين السيراميك المسحوق والسائل المنشط في 100: 30 نسبة من حيث الوزن وتخلط جيدا. يصب الخليط في القالب، ضمان عدم وجود جيوب المحاصرين من الهواء. تضاف مكعبات المتبقية والسماح للخليط لمجموعة لا يقل عن 2 ساعة. يتطلب كل المجسم الثماني ~ 15 غرام من خليط السيراميك.
   4. مجموعة مرة واحدة، وإزالة المجسم الثماني من العفن، ويذوى ل~ 1 يوم في فرن التجفيف في 393 K ثم يصلب في 1،273-1،373 K في فرن مربع ل~ 2 ساعة.
   5. السماح للالمجسم الثماني لتبريد لRT في الهواء، ثم حفر حفرة قطرها 7.3 ملم كما هو مبين فيالرقم 4B لاستيعاب العازلة الأكمام، سخان الجرافيت ومكونات العينة المتبقية.
   6. متجر في فرن التجفيف في ~ 393 K حتى على استعداد لتجميع التجربة.

3. جمعية مكونات

1. جمعية تجربة المكبس أسطوانات
   1. تحميل عينة الجرافيت كبسولة عن طريق إدراج أول المعدن HSE الحاملة ثم إضافة مسحوق البازلت الاصطناعية حتى يتم تعبئة الكبسولة. استخدام ترتيب مستقر الجاذبية يقلل من فرصة للانقلاب خلال التجربة ويهدف إلى منع تشتت المرحلة المعدنية من خلال العمل الميكانيكي.
   2. ضع كمية صغيرة (عادة <50 ملغ) من مسحوق أهداب الشوق الجافة في قاعدة تجويف مصممة على عقد العينة كبسولة. هذا يسطح سطح مدبب إنشاؤها عند حفر حفرة، وهذا بدوره يقلل من قوى القص خلال ضغط العينة التي قد كسر كبسولة.
   3. تجميع كل جنون سابقاالمكونات الإلكترونية كما هو مبين في الشكل 3B.
   4. لف قطعة من 30 ميكرون الرصاص الكثيف احباط حول التجمع، للطي صغيرة (~ 1.5 مم) جزء من احباط خلال نهاية المكشوفة من أقل باكو ₃ كم. أدخل التجمع إلى 12.7 مم تتحمل التنغستن كربيد أوعية الضغط، جنبا إلى جنب مع المكونات الأساسية (أعلاه) والصلب نهاية قطعة (أدناه) كما هو مبين في الشكل 3A.
      ملاحظة: الجهاز مكبس اسطوانة محملة نهاية اثنين من المكابس الهيدروليكية. جسر على جانبي أقل رام يسمح التنغستن كربيد مكبس لممارسة الضغط على الجزء السفلي من العينة. الكبش العلوي بإصلاح الموقع من سطح العينة العلوي وينطبق على الحمل حد لوعاء الضغط الذي يعطي دعما إضافيا لجوهر كربيد التنجستن ^38. يبين الشكل 3C جهاز اسطوانة المكبس في جامعة تورونتو مع الجسر في المكان. يتم تطبيق الاحتكاك تصحيح -9٪ لحساب الفرق بين الضغط عينة الاسمي لد أن تمر بها العينة ^39.
   5. وضع الجسر، وأوعية الضغط وقاعدة لوحة بين المكابس الهيدروليكية. بجانب تقديم الحرارية C-نوع باستخدام 4 حفرة بشق أطلقت أنبوب الألومينا مع القطر الخارجي من 1.6 ملم. يجب أن تقطع أنبوب الألومينا طويلة بما فيه الكفاية للسماح ~ 1-2 ملم من أنبوب لتبرز من السطح العلوي للأعلى لوحة.
   6. إطعام كل من التراكيب الأسلاك (انظر الجدول 2) من خلال الثقوب المجاورة في الأنبوب، وتحويل الغايات من خلال 180 درجة وتأمينها في الثقوب معارضة بحيث الأسلاك الصليب. إدراج الحرارية من خلال لوحة أعلى وإلى الجمعية، بحيث تقاطع مباشرة فوق العينة. عزل ما تبقى من الأسلاك الحرارية باستخدام أنابيب تفلون مرنة، وترك 10-20 مم الجزء الظاهر في نهاية المطاف.
   7. وضع أي الفواصل المعدنية المطلوبة في الفترة ما بين الصفيحة العلوية والكبش العلوي. خلال التجمع، ورقة موقف مايلر على حد سواء فوق وعاء الضغط وبينقمة التجمع والكبش العلوي. هذه الأوراق عزل كهربائيا الدائرة عينة التدفئة عن بقية الجهاز.
2. جمعية تجربة متعددة السندان
   1. جعل الحرارية C-نوع باستخدام 4-ثقب أنبوب الألومينا بشق أطلقها التغذية وأسلاك من خلال الثقوب المجاورة في الأنبوب، وتحول نهايات من خلال 180 درجة وتأمينها في ثقوب معارضة. عزل ما تبقى من الأسلاك بطول قصير (~ 20 ملم) من أنبوب الألومينا ثم مادة التفلون العازلة، وترك 10-20 ملم جزء من الأسلاك المكشوفة في نهاية المطاف.
   2. إدراج كم زركونيا وسخان الجرافيت في المجسم الثماني، ثم قص الأخاديد كما هو مبين في الشكل 4B. إدراج الحرارية في أعلى المجسم الثماني ووضع الألومينا تغطيها الأسلحة إلى الأخاديد. استخدام الاسمنت زركونيا (انظر الجدول رقم 2) لملء الفراغ الفراغ المحيطة الحرارية والسماح ليجف.
   3. من أجل عزل جو الحراريةمن الناحية كبسولة الجرافيت، إضافة مسحوق أهداب الشوق من قاعدة المجسم الثماني حتى تتم تغطية الأسلاك المكشوفة. أقل من 50 ملغ من مسحوق وعادة ما تكون كافية لتطويق الأسلاك المكشوفة. لضمان التعبئة ضيق من مسحوق أهداب الشوق، واستخدام الحفر فارغا لإخماد مسحوق فضفاضة.
   4. تحميل كبسولة الجرافيت مع المواد عينة أعدت مسبقا ووضع في المجسم الثماني من الجانب المفتوح. تضاف المكونات الألومينا لاستكمال تجميع المجسم الثماني.
   5. في 4 من مكعبات WC (الجدول 2) استخدام خلات البولي فينيل الغراء أطوال قصيرة من البلسا الخشب، واحدة على كل من وجوه 3 المجاورة إلى الزاوية اقتطاع من المكعب. كل قطعة من خشب البلسا يجب قياس ~ 4.4 ملم في الطول والعرض التي كتبها ~ 9.0 ملم في الطول، لحجم المجسم الثماني هو مبين في الشكل (4). على كل وجه، ضع قطعة من خشب البلسا في الربع قبالة الحافة مبتورة.
   6. تجميع 4 من مكعبات لتشكيل مربع في عرض الطائرة، 2 مع و2 بدون ودين القطع المرفقة. توجيه حواف اقتطاع لمواجهة وسط الميدان.
   7. وضع المجسم الثماني في وسط مكعبات، بحيث كانت مدعومة من قبل أطراف مبتورة. ثم زاوية الأسلحة الحرارية بحيث تخرج من عكس زوايا المربع (الشكل 5A)
   8. وضع مكعبات WC المتبقية في موقف لتشكيل مكعب مع المجسم الثماني في وسطها، والتأكد من أن مكعبات مع قطع خشبية تعلق بقية فوق مكعبات التي ليس لها الفواصل الخشبية.
   9. الغراء قطع مربعة من ~ 0.5 ملم ورقة سميكة G10 (انظر الجدول 2) لكل وجه من المكعب تجميعها باستخدام cyanoacrylate نوع من المواد اللاصقة. ل32 مم مكعبات WC، استخدام أوراق G10 قياس ~ 55 ملم × 55 ملم. اثنين من مكعبات WC ديك truncations أن اتصل سخان المقاومة، وبالتالي تشكل جزءا من دائرة التدفئة الكهربائية. للأوراق التي الاتصال هذه المكعبات، وقطع 2 الضيقة (<1 مم العرض) الشقوق كما هو مبين في الشكل 5B ووضع قطعة من النحاس احباط لدرجة أننير يوفر نقطة اتصال بين 1 والمرحلة 2-سندان.
      ملاحظة: الجهاز متعدد سندان يستخدم نظام 2-مرحلة سندان الواردة ضمن حلقة التثبيت. وتشمل المرحلة الأولى سندان 6 أسافين القابلة للإزالة التي تشكل تجويف مكعب المركزي. هذا التجويف يستوعب 8 مكعبات كربيد التنغستن مع زوايا اقتطاع (سندان المرحلة الثانية) التي تحيط المجسم الثماني السيراميك ^40. وبالتالي يتم نقل القوة موجه عموديا تطبيقها على سندان المرحلة الأولى من الضغط الهيدروليكي لالمجسم الثماني بطريقة ينتج عنه ضغط شبه الهيدروستاتيكي من العينة. العلاقة بين ضغط الزيت في ذاكرة الوصول العشوائي وعينة ضغط يمكن معايرة ل18 مم OEL التجمع يلقي ثماني السطوح وصفها هنا باستخدام الإجراءات التي حددها ^41.
   10. قطع 2 ورقة من 0.076 مم مايلر سميكة إلى الأبعاد هو مبين في الشكل (6) ومعطف لهم باستخدام PTFE زيوت التشحيم الجاف.
       1. وظيفة واحدة من الأوراق قبل قطع فيالإبقاء على عصابة (حافة مستقيمة في القاعدة) وإدراج انشاء أقل من 1 ^{الحادي وسندان} -stage، والتي تدعمها أنفسهم مع 0.076 مم مايلر سميكة والمغلفة مع PTFE زيوت التشحيم (الشكل 5B). مجموعة أقل من السنادين قد تكون تركت في المكان بين أشواط. وضع المكعب تجميعها في مجموعة أقل من سندان المرحلة 1 وتوصيل الأسلحة الحرارية إلى الأسلاك الحرارية متوازنة خروج من حدة الضغوط.
       2. وضع ورقة مايلر 2 ^{الثانية} قبل قطع في حلقة التثبيت (حافة مستقيمة إلى الأعلى) وإدراج مجموعة العلوي من 1 ^{الحادي وسندان} -stage، التي ينبغي أن تكون مايلر المدعومة ومشحم بنفس الطريقة التي يعامل بها أقل مجموعة. هذا الترتيب غلة مايلر مشحم للاتصال مايلر بين 1 ^{الحادي وسندان} -stage وحلقة التثبيت الذي يقلل من فقدان ذاكرة الوصول العشوائي التوجه إلى الاحتكاك التي كتبها ~ 30٪ مقارنة مع واحد ترتيب ورقة مايلر ^37.
          ملاحظة: السماكات وسوف أبعاد ورقة مايلر يتوقف ركان التصميم الدقيق وحدة الضغط المستخدمة. المذكورة أعلاه، وفي الشكل (6) هي أبعاد المستخدمة في المختبر الجيوفيزيائي، مؤسسة كارنيغي في واشنطن.

4. تشغيل التجربة

1. مرة واحدة يتم جلب العينة إلى الضغط المطلوب والحرارة بمعدل 100 ك / دقيقة حتى يتم الوصول إلى درجة الحرارة يسكن المطلوب. خلال الخطوة التدفئة والنفط في العينة كبش قد تحتاج إلى تعديل من أجل الحفاظ على ضغط الزيت المستمر.
2. بعد فترة سكون، إرواء العينة عن طريق قطع الطاقة إلى الفرن. بمجرد أن يبرد الجهاز للRT، ضغط ببطء العينة.

5. تشغيل المنتج تحليل

1. للتجارب مكبس، استخراج التجربة النهائية من وعاء الضغط باستخدام كبش الهيدروليكي. مع زوج من قواطع الثقيلة إزالة الأجزاء الخارجية للجمعية لإطلاق كبسولة الجرافيت (مكبس cylindإيه) أو الفرن تحتوي على كبسولة عينة وقطع الدعم (متعدد سندان).
2. جبل العينة في الايبوكسي (عادة لتشكيل 25.4 مم عفريت) (الشكل 7A). باستخدام 320-600 حصى ورقة السيليكون كاربايد، طحن في العينة لفضح مروي ذوبان سيليكات والمعدنية مراحل. تلميع السطح المعرض باستخدام الألومينا أو الماس تعليق مع تناقص أحجام حصى تتراوح بين ~ 15-،3 ميكرون.
3. معطف الكربون من سطح العينة مصقول ⁴² و تحليل تكوين العنصر الرئيسي للمعدن ومنتجات التشغيل سيليكات عن طريق تحليل الإلكترون التحقيق الجزئي (EPMA). استخدام امتبائر (10 ميكرون) قطر شعاع لتحليل سيليكات لتفادي هجرة العناصر القلوية بعيدا عن شعاع الالكترون. الشروط والمعايير التحليلية المستخدمة لتوصيف العينات السابقة ولدت مع البروتوكول المذكور أعلاه يمكن العثور عليها في المراجع ^{29 - 31،35}
   ملاحظة: للحصول على تجارب لinvestigatالبريد MSE وSSE التقسيم، قد EPMA يثبت أيضا مناسبة لتحليل العناصر التتبع، وتوفير كانت موجودة بتركيزات كافية.
4. بعد تحليل عنصر رئيسي، وإزالة طبقة الكربون باستخدام 0.3 ميكرومتر حصى الألومينا. استخدام الاستئصال بالليزر إضافة بالحث البلازما الطيفي (LA-ICPMS) لتحديد محتوى العناصر النزرة من المنتجات التشغيل. للحصول على مقدمة لتحليل العينات التي كتبها LA-ICPMS، يرجى أنظر المرجع ^43.
   ملاحظة: للحصول السابقة HSE الدراسات الذوبان نظائر الكالسيوم والنيكل استخدمت بنجاح عن المعايير الداخلية للحد من البيانات، وذلك باستخدام كل من الزجاج والمواد المرجعية الكبريتيد على التوالي ^29،30. وينبغي أن يسبق كل التحليلات التي كتبها مسار واحد الاجتثاث، تليها التنظيف الخلية الاجتثاث لا يقل عن 60 ثانية. وهذا يضمن أي تلوث السطحية التي قد تنشأ عن تلميع المنتجات التشغيل التجريبية لا يؤثر على النتائج.

النتائج

الأمثلة التالية والتركيز على مناقشة التجارب لتحديد HSE الذوبان في سيليكات يذوب في f منخفضة O _2. للحصول على أمثلة شاملة عن كيفية يمكن استخدام MSE والبيانات تقسيم SSE من تجارب متعددة السندان لتقييد P - T - و O ₂ ظروف المعادن الأساسية العزل، وعلى ال...

Discussion

وقد سبق مقارنة نتائج التجارب الحرة إدراج تنفيذها باستخدام البروتوكولات المذكورة هنا مع بيانات الأدب في المراجع ²⁹ (OS، عير، والاتحاد الافريقي)، ³⁰ (إعادة والاتحاد الافريقي) و ³¹ (حزب العمال). حزب العمال هو الأكثر المفيد في إثبات جدوى المنتجات المدى خالي?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
G10 Epoxy/Fiberglass Sheet	Accurate plastics, Inc.	GEES.020N.3648
Powdered starting materials- -Oxides, metals, carbonates	Alfa Aesar	Specific to desired experiment
Castable 2-part MgO ceramic	Aremco	Ceramcast - 584
PTFE Dry Lubricant	Camie-Campbell	2000 TFE-Coat
Graphite resistance heaters	Carbone of America (Now owned by Mersen USA)	Custom Order
Barium Carbonate	Chemical Products Corporation	Custom Order	Calcined free-flowing (CFF) grade
C-Type Thermocouple Wire (W26%Re, W5%Re)	Concept Alloys		~0.25 mm diameter is suitable for most experiments
Zirconia Cement	Cotronics; Resbond 940 2-part cement		Use 100 parts powder for every 25 to 28 parts activator
Polyvinyl Acetate (PVA) Glue	e.g., Bostik		Often sold as 'white glue'
Cyanoacrylate Glue	e.g., Krazy Glue/Loctite
Piston cylinder pressure vessel and WC piston	Hi-Quality Carbide Tooling Inc.	Custom Order
Silica Glass Tubing	Quartz Plus	Custom Order
Crushable ZrO2 tubes	Saint-Gobain	Custom Order
Crushable MgO rods and tubes	Saint-Gobain	Custom Order
WC cubes for multi-anvil experiments	Tungaloy	Custom Order	Cubes are grade-F WC alloy
Single hole alumina tube for multi-anvil thermocouple	Vesuvius McDanel	AXS071730-04-06
4-hole alumina tube for piston cylinder thermocouple	Vesuvius McDanel	AXF1159--07-12
4-hole alumina tube for multi-anvil thermocouple	Vesuvius McDanel	AXF1159-04-06