Metall-Silikat-Partitionierung unter hohem Druck und Temperatur: Experimentelle Verfahren und ein Protokoll zum Unterdrücken von Hoch siderophile Element Einschlüsse

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

Terrestrial Akkretion wird gedacht, um als eine Reihe von Kollisionen zwischen planetesimals mit chondritischen Massenzusammensetzung stattgefunden haben, endet in einem riesigen Schlagphase dachte Mond ^1,2 Bildung verantwortlich. Erwärmung des Proto-Erde durch Stöße und dem Zerfall von kurzlebigen Isotopen war ausreichend, um umfangreiche Schmelzen und die Bildung einer Magmaozean oder Teichen, durch die dichten Fe-reichen metallischen Schmelzen steigen könnte verursachen. Bei Erreichen der Basis des Magmaozean, metallische Schmelzen Begegnung eine rheologische Grenze, stall, und final Metallsilikat Gleichgewicht, bevor er schließlich durch den Festmantel absteigend auf die wachsende Kern ² zu unterziehen. Weitere chemische Kommunikation zwischen Metall und Silikatphasen als metallische Schmelze durchläuft der feste Teil des Mantels wird angenommen, dass ausgeschlossen werden kann aufgrund der großen Größe und rasante Abfahrt von Metall diapirs ^3. Diese primäre Differenzierung der Erde in einen metallischen Kern und Silikat mant^{6 -} le wird heute sowohl von geophysikalischen und geochemischen Beobachtungen ⁴ offenbart. Interpretation dieser Beobachtungen auf plausible Bedingungen für Metallsilikat-Gleichgewicht an der Basis eines Magmaozean zu erhalten, erfordert jedoch eine entsprechende Datenbank von Versuchsergebnissen.

Die primitive oberen Mantels (PUM) ist eine hypothetische Reservoir, das die Silikatrest Kernbildung und seine Zusammensetzung spiegelt daher das Verhalten von Spurenelementen während der Metallsilikat Gleichgewicht. Spurenelemente werden zwischen Metall und Silikat schmilzt während der Kerntrennung auf der Basis ihrer Affinität geochemischen verteilt. Der Betrag eines Elemente Bevorzugung der Metallphase kann durch das Metallsilikat-Verteilungskoeffizienten beschrieben

(1)

Wo und bezeichnen die Konzentration des Elementes i in Metall und Silikatschmelze auf. Werte > 1 zeigen siderophile (Eisen-liebenden) Verhalten und jene <1 lithophile (rock-liebenden) Verhalten. Schätzungen der PUM Zusammensetzung zeigen, dass Elemente siderophile relativ Chondriten ^7, in der Regel als Vertreter der Groß Zusammensetzung der Erde ^6,8 als erschöpft. Dieser Abbau ist auf Sequestrierung von siderophile Elemente durch den Kern, und für feuerfeste Elemente seiner Größe sollte direkt Werte spiegeln . Laborexperimente daher versuchen, Werte zu bestimmen über einen range des Drucks (P), der Temperatur (T) und Sauerstofffugazität (f O ₂₎ Bedingungen, die für die Trennung von Metall mit der Basis eines Magmas Ozean sind. Die Ergebnisse dieser Experimente können dann verwendet werden, um Regionen des P beschreiben - T - f O ₂ Raum, der mit der PUM Fluss mehrerer siderophile Elemente kompatibel sind (beispielsweise ^9-11).

Die hohen Drücke und relevant für ein Magma Ozean Szenario Temperaturen können im Labor unter Verwendung entweder eines Kolben-Zylinder-oder mehrAmbossPresse neu erstellt werden. Die Kolben-Zylinder-Vorrichtung Zugriff auf mittlerem Druck (ca. 2 GPa) und hoher Temperatur (~ 2.573 K) Bedingungen, jedoch können große Probenvolumina und eine Vielzahl von Kapselmaterialien problemlos verwendet werden. Die rasche Abkühlgeschwindigkeit erlaubt auch Abschrecken einer Reihe von Silikatschmelzmassen zu einem Glas, damit strukturelle Auslegung der Einlauf Produkte vereinfacht.Die Mehr Amboßvorrichtung verwendet typischerweise kleiner Probenvolumina, aber mit geeigneten Montage Motive können Drücke bis zu ~ 27 GPa und Temperaturen von ca. 3.000 K. Die Verwendung dieser Verfahren zur Partitionierung für viele der mäßig erlaubt und leicht siderophile Elemente sein erreichen T Bedingungen - über einen großen Bereich von P gesammelt. Vorhersagen der PUM-Zusammensetzung auf der Basis dieser Daten lassen vermuten, Metallsilikat Gleichgewicht trat bei mittleren Druck und Temperaturbedingungen von über ~ 29 GPa und 3000 K sind, obwohl die genauen Werte sind modellabhängig. Um für die PUM Fülle von bestimmten Redox-sensitive Elemente berücksichtigen (zB V, Cr) der f O ₂ wird auch angenommen, während Akkretion von ~ 4-2 log-Einheiten unter dem durch Koexistenz Eisen und Wüstit auferlegt entwickeln (FeO ) bei äquivalenten PT Bedingungen (die Eisen Wüstit Puffer) ^12.

Obwohl die PUM Fülle von mirgendwelche siderophile Elemente können durch Metall-Silikat Gleichgewicht an der Basis eines tiefen Ozean Magma berücksichtigt werden, hat es sich als schwierig erwiesen, zu beurteilen, ob diese Situation gilt auch für den am höchsten siderophile Elemente (HSES). Die extreme Affinität der HSES für Eisen-Metall, das durch Niederdruck (P ~ 0,1 MPa) und der Temperatur (T <1.673 K) Experimente zeigten, schlägt die Silikaterde sollte stark in diesen Elementen erschöpft. Schätzungen der HSE Inhalte für PUM zeigen jedoch, nur eine mäßige Erschöpfung relativ zu Chondriten (Abbildung 1). Eine häufig postulierte Lösung des scheinbaren HSE Überschuss ist, dass die Erde erlebte eine spät Akkretion von chondritischen Material im Anschluss an Kernbildung ^13. Dieses spätgetretenen Materie würde mit der PUM vermischt haben und erhöht HSE Konzentrationen, hatte aber einen vernachlässigbaren Effekt auf reichlicher Elemente. Alternativ wurde vorgeschlagen, dass die extrem siderophile Natur HSES durch niedrige P angedeutet - T Experimente nicht den hohen PT während der Kernbildung ^14,15 gegenwärtigen Bedingungen fortbestehen. Um diese Hypothese zu testen, müssen Experimente durchgeführt, um die Löslichkeit und Metallsilikat Partitionierung HSES bei geeigneten Bedingungen zu bestimmen. Verunreinigung des Silikat Teil abgeschreckt Laufprodukte in vielen früheren Studien hat jedoch Vorfeld Produktanalyse kompliziert und verdeckt die wahren Verteilungskoeffizienten für HSES zwischen Metall und Silikatschmelzen.

In Experimenten, bei denen die Teilungs HSES in Konzentrationen angemessen Natur vorhanden sind, die extreme Vorzug dieser Elemente von Fe-Metall verhindert ihre Messung in der Silikatschmelze. Um dieses Problem zu umgehen, werden die Löslichkeit Messungen vorgenommen, in dem die silikatische Schmelze in gesättigter HSE von Interesse und Werte werden mit dem Formalismus der Borisov et berechnetal. ^16. Abgeschreckt Silikat Laufprodukte aus HSE Löslichkeitsversuche bei reduzierenden Bedingungen durchgeführt wird, jedoch zeigen oft Beweise für Kontamination durch dispergiert HSE ± Fe Einschlüsse ^17. Trotz der in der Nähe von Allgegenwart dieser Einschlüsse in niedrigen f O ₂ Versuche, die Pt, Ir, Os, Re und Ru, (zB ^{18 - 27),} gibt es bemerkenswerte Variabilität zwischen den Studien in ihrer strukturellen Darstellung; vergleiche beispielsweise verweist auf ²² und ^26. Obwohl gezeigt wurde, dass Einschlüsse bilden, die eine stabile Phase bei den Ausführungsbedingungen des Experiments ²⁸ sind, schließt dies nicht die Bildung von Einschlüssen auszuschließen, wenn die Probe gequencht. Unsicherheit bezüglich der Herkunft von Einschlüssen macht die Behandlung von Analysenergebnissen schwierig und hat zu Unklarheiten über den wahren Löslichkeit HSES führte zu einer verringerten Silikat schmilzt. Inclusion-Freilauf-Produkte erforderlich sind, um zu bewertenwelche Studien haben einen analytischen Ansatz, die präzise gelöst HSE Konzentrationen ergibt angenommen. ^{31 -} erhebliche Fortschritte bei der Unterdrückung der Bildung von Metall-Einschlüsse reduzierenden Bedingungen hat sich nun in Versuchen unter Verwendung einer Kolben-Zylinder-Vorrichtung, in der die Probe wurde gemacht von früheren Studien entweder durch Zugabe von Au oder Si auf die Ausgangsstoffe ²⁹ geändert nachgewiesen. Die Zugabe von Au oder elementarem Si auf die Ausgangsmaterialien verändert die Probengeometrie oder f O _{2 -Entwicklung} des Experiments auf. Diese Verfahren sollen die Metalleinschlussbildung durch Änderung der Zeitsteuerung des HSE-Lichtstreuung gegenüber Probe Reduktion zu unterdrücken, und sind in Bennett et al. ³¹ diskutiert. Im Gegensatz zu einigen früheren Versuchen, die Silikatschmelze Einschlüsse wie mechanisch unterstützten Äquilibrierung und dem Zentrifugieren Kolben-Zylinder zu reinigen, kann das vorliegende Protokoll ohne spezialisierte appar umgesetzt werdenatus und ist für hohe PT Experimenten.

Hier im einzelnen beschrieben ist, ist ein Kolben-Zylinder-basierten Ansatz, um die Löslichkeit von Re, Os, Ir, Ru, Pt und Au in Silikatschmelze bei hoher Temperatur (> 1.873 K), 2 GPa und einem f O ₂ ähnlich der zu bestimmen, das Eisen-Wüstit Puffer. Anwendung einer ähnlichen Versuchsaufbau kann auch erfolgreich sein in HSE Versuche bei anderen Drücken, die Bereitstellung der erforderlichen Phasenbeziehungen, Benetzungseigenschaften und kinetischen Beziehungen bestehen zu den gewählten Bedingungen. Vorhandene Daten jedoch nicht ausreichen, um vorherzusagen, ob unsere Stichprobenplan wird bei Drücken, die einer tiefen Magmaozean erfolgreich. Auch umrissen ist ein allgemeiner Ansatz zur mäßig und leicht siderophile Element (MSE und SSE respectively) Partitionierung unter Verwendung eines Mehr Amboss Gerät. Erweiterung der Integration freien Datensatz für HSES Hochdruck wird wahrscheinlich ähnliche Mehr Amboss Verfahren verwenden. TogEther, diese Verfahren ein Mittel, um sowohl die Bedingungen der Kern-Segregation und die Phasen der terrestrischen Akkretion einzuschränken.

Protokoll

1) Herstellung des Ausgangsmaterials

1. Synthetische Basalt
   Anmerkung: Eine Zusammensetzung von Basalt als Silikatausgangsmaterial mehr depolymerisierten Zusammensetzungen verwendet werden, obwohl mehr relevant für ein Magma Ozean Szenario sind schwer oder gar nicht zu einem Glas in Kolben-Zylinder-und Multi-Amboss Experimente quenchen.
   1. Wiegen die gewünschten Mengen der Komponente Oxid oder Carbonat (Ca und Na) Pulver, mit Ausnahme von Fe, und in den einem Achatmörser (siehe Beispiel in Tabelle 1). Ein Fe freie Mischung mit einem Gewicht von ca. 4 g sollte ausreichend Ausgangsmaterial für eine umfassende Suite von Experimenten liefern.
   2. Hinzuzufügen Ethanol zum Achatmörser bis die Pulver untergetaucht, dann für mindestens 2 Stunden unter Verwendung eines Achat Pistill, um sowohl die Zusammensetzung und Korngröße der Mischung zu homogenisieren mahlen.
      Anmerkung: Die Homogenität der Masseausgangszusammensetzungen können durch Untersuchen eines gepressten Pellets des Pulvergemisches mit einem Rasterelektronenmikroskop überprüft werden micROSCOPE für Zusammensetzungsanalyse durch energiedispersive Röntgenspektroskopie ausgestattet.
   3. Nach gut homogenisiert, setzen Sie den Mörtel unter einer 250 W Wärmelampe, in einem Abstand von ~ 20 cm. Nachdem die Pulvermischung trocken ist, welche 20 bis 60 min in Anspruch nehmen kann, überträgt es auf entweder einem Aluminiumoxid oder Mullit (einer Aluminium-Silikat) Schmelztiegel.
   4. Um die Mischung decarbonate Platzieren der Tiegel mit dem Pulvergemisch in einem Kammerofen bei RT und Rampe zu 1.273 K im Laufe von 3-5 Stunden. Lassen Sie die Mischung in den Ofen bei 1.273 KO / N.
   5. Entfernen Sie die entcarbonisierten Gemisch aus dem Kammerofen und lassen Sie ihn auf Raumtemperatur abkühlen. Nach dem Abkühlen wiegen und fügen Eisen zu der Mischung entweder als FeO oder Fe ₂ O ₃ Pulver (siehe Tabelle 1). Variieren des Verhältnisses von FeO zu Fe ₂ O ₃ während der Gesamteisengehalt der gleiche ermöglicht die endgültige f O ₂ der Probe verändert werden. Um mehr zugreifen reduzierenden Bedingungen und bei allen Versuchen, um P zu untersuchent, auch zu der Mischung hinzuzufügen, ~ 0,5-2,0 Gew% Si. Sobald Fe (± Si) wurde hinzugefügt, re-homogenisiert die Mischung durch erneutes Schleifen unter Ethanol mit einem Achatmörser und Stößel.
   6. Trocknen Sie die homogenisierte Mischung unter einer Wärmelampe und diese anschließend auf einer Mantelfläschchen. Shop in einem Exsikkator bis bereit, um die Probenkapsel zu laden.
2. Metallische Phase: Re, Os, Ir, Ru Experimente
   1. Für Experimente sollen Re, Os, Ir oder Ru untersuchen, bereiten Sie einen 3: 1 nach Gewicht (6: 1 für Ru, um den Unterschied in Atommasse ausmachen) Mischung aus Au und der HSE von Interesse, mit hochreinen Metallpulvern . Eine Mischung mit einem Gewicht von ~ 500 mg sollte ausreichend Ausgangsmaterial für eine umfassende Suite von Experimenten liefern.
   2. Überführt die Mischung in einen Graphittiegel gebracht und mit einem Graphitdeckel. Dann legen Sie die abgedeckten Tiegel in einen Kammerofen bei einer Temperatur von 1473 K für ca. 5 min. Einmal aus dem Ofen entfernt, lassen Sie die Tiegeldeckel in Kraft, bis die Baugruppe cooführte zu RT.
      VORSICHT: Heizen von Osmium in Luft kann bei der Bildung der toxischen Verbindung Osmiumtetroxid führen. Osmium Metall ist auch eine bekannte hautreizend, siehe MSDS für CAS # 7440-04-2.
      Anmerkung: Dieser Prozeß schmilzt den Au (Schmelzpunkt ~ 1.337 K), aber nicht die begleitenden HSE, was in der Bildung eines metallischen Wulst wo der HSE von Interesse durch eine Schale von Au umgeben.
   3. Entfernen des metallischen Wulstes aus dem Graphitschmelztiegel und mit einer Rasierklinge, um sie in kleinere Stücke, welche ~ 1 mm in ihrer größten Abmessung messen teilen. Nach dem Schneiden, legen Sie die Perlen in einer Schale Fläschchen und lagern in einem Exsikkator.
3. Metallische Phase: Pt Experimente
   Hinweis: Experimente zur Untersuchung der Pt kann nicht mit dem Au-beschichtete Kügelchen Technik durch die vollständige Mischbarkeit von Pt und Au bei hoher Temperatur durchgeführt werden (> 2.042 K bei 0,1 MPa ^32). Dies schließt eine Probengeometrie wobei Pt physikalisch vom Silikatschmelze während eines Experiments durch eine Rinde abgetrenntvon Au.
   1. Metallpulver aus Pt und Ir gründlich mischen in einer 1: 1-Gewichtsverhältnis, um insgesamt ~ 500 mg der Mischung zu machen. Als Nächstes fügen ~ 20 mg metallisches Fe-Pulver, so daß Fe umfasst ~ 4 Gewichtsprozent der Gesamtmischung.
   2. Band eine saubere Bohrerrohling (alternativ kann der Schaft eines Bohrers anstelle eines Bohrerrohlings verwendet werden) an den Rand einer Werkbank, so daß ca. 3 mm steht von der Tischplatte. Positionieren einer Quarzglasrohr mit einem Innendurchmesser von ~ 2-3 mm und einem Außendurchmesser von ca. 4-6 mm, auf das vorstehende Ende der Bohrerrohling.
   3. Legen Sie die PtIrFe Mischung in das Glasrohr und legen Sie eine andere Bohrrohling darüber. Beiden Bohrerrohlinge sollten einen Durchmesser von nicht mehr als 0,1 mm kleiner als der Innendurchmesser des Quarzglasrohres. Kaltpressung der metallischen Mischung, indem Sie die Bohrerrohlingen mit der Hand zusammen (Abbildung 2).
      ACHTUNG: Die Verwendung von übermäßiger Gewalt während der Kaltpressschritt kann dazu führen, das Quarzglas zu zerbrechen).
   4. Setzen die kaltgepresste Pulver, noch innerhalb des Quarzglasrohres, in einen Aluminiumoxidtiegel und setzt in der kühlen Abschnitt einer Gasmischvertikalrohrofen. Erhöhen Sie die Ofentemperatur auf 1673 K und mit CO-CO ₂ Gasgemische, stellen Sie den Ofen f O ₂ auf einen Wert in der Nähe der Eisen Wüstit Puffer.
      Anmerkung: Bei Umgebungsdruck und 1.673 K entspricht der Eisen Wüstenit Puffer auf eine f O ₂ von 1,93 x 10 ^-10 Pa ^33. Die Beziehung zwischen der CO-CO ₂ Mischungsverhältnis, Temperatur und f O ₂ kann in Bezug ³⁴ gefunden werden. Für die Eisen Wüstit Puffer bei 1673 K mit einem Gasgemisch aus 22,25 Vol% CO ₂ und 77,75% vol CO.
      1. Sobald die gewünschte Temperatur und f O ₂ erreicht sind, senken die Schmelztiegel aus Aluminiumoxid, so daß es in den Ofen Hotspot befindet und lassen O / N für die gepressten Pulver anlagern.
   5. Entfernen Sie die Crucible und drückte Pulver aus dem Gasmisch Ofen und lassen Sie sie abkühlen. Wenn der Quarzglasrohr ist noch intakt, mit einem Bohrerrohlings, um das geglühte Pulver aus dem Rohr zu schieben. Verwenden von Drahtschneider, brechen die geglüht Pulver in Stücke klein genug, um in der Probenkapsel für das Experiment ausgewählt passen.
   6. Übertragen Sie die Metallteile mit einer Mantelfläschchen und an einem Exsikkator bis sie benötigt.
4. Metallischen Phase: Mehr Amboß Experimente
   1. Für Experimente, um die Partitionierung des mäßig und leicht siderophile Elemente zu bestimmen, mischen die synthetischen Basaltpulver mit Fe-Metallpulver in gleichen Anteilen.
      Anmerkung: ein Teil des Fe als eine Fe-Si-Legierung zugegeben werden, typischerweise so, dass Si umfasst <8 Gewichts-% der Metallfraktion. Dadurch wird sichergestellt, die experimentelle f O ₂ nach wie vor gering.
   2. Hinzufügen der ausgewählten Spurenelemente Metalloxidpulver zur Basalt sowie Metall-Gemisch. Homogenisierung des Ausgangsmaterials durch grinding unter Ethanol mit einem Achatmörser und Stößel. Die genaue Menge der Spurenelemente zugegeben wird auf das Element abhängig suchten jedoch nominale Konzentration von mehreren tausend ppm bis 2 Gew% typisch ^10,35.
   3. Sobald homogenisiert, trocknen die pulverförmigen Ausgangsmaterial unter einer Wärmelampe, dann in einem Shell-Fläschchen dann store in einem Exsikkator, bis sie benötigt.

2. Herstellung von Baugruppenkomponenten

1. Kolben-Zylinder-
   Hinweis: Das Kolben-Zylinder-Einheit besteht aus einer Graphitkapsel, die in der Hot-Spot eines Graphitwiderstandsheizung mit brechbaren Magnesiumoxid Stücke unterstützt wird. Ein Aluminiumoxid umhüllte Thermo axial durch den oberen Abschnitt der Anordnung angeordnet ist, um Temperatur an der Oberseite der Probe zu überwachen. Der Ofen wird dann von BaCO _3-Zellen, die sowohl als Druckmedium und Wärmeisolator ³⁶ umgeben, wirken. Die Einbaumaße sind vorgesehen3A. Eine Liste von Beispielen für die Experimente und ihre Quellen verwendeten Materialien sind in Tabelle 2 bereitgestellt.
   1. Maschine die Graphitkapseln, Graphit Endstopfen und Magnesia Stützteile auf die erforderlichen Abmessungen mit einer Drehmaschine, mit hochreinem Graphit und Magnesiumoxid Stangen oder Rohre jeweils als Ausgangsstoffe (3A).
      Hinweis: Für Experimente zur Re, Os und Ir zu untersuchen, kann HSE-Fe-Legierungen für Graphit als Kapselmaterial ^29,30 ersetzt werden.
   2. Beschallen der Graphitkapseln in Ethanol ~ 1 min bei RT, dann trocken unter einer Wärmelampe in der gleichen Weise wie für pulverförmige Ausgangsmaterialien gerichtet. Einmal trocken, übertragen Sie die Kapseln mit einem Mantelfläschchen und lagern in einem Exsikkator oder Trockenschrank, bis sie benötigt.
   3. Platzieren Sie die Magnesiumoxid Tragstücke entweder in einer Aluminiumoxid oder Mullit Tiegel und Glühen bei 1.573 K in einem Kastenofen für mindestens 8 Stunden. Nach dem Glühen ermöglichen die Stücke dann Kühl lagernin einem Trockenofen bei ungefähr 393 K gehalten
   4. Um die Bariumcarbonat Zellen zu machen, zuerst BaCO _{3 -Pulver} und gebrauchtes Exemplar Toner mischen in 99: 1 Gewichtsanteilen. Für ein Experiment ist ein Minimum von 7,4 g Mischung erforderlich. Mantel der innere Teil eines entsprechend dimensionierten Stahlform (siehe 3A für Abmessungen der BaCO ₃ Hülsen) entweder mit einer Graphitbasis Trockenschmiermittel oder PTFE-basierten Formtrennmittel (Tabelle 2).
   5. Kaltpress 3,7 g der Mischung auf ca. 250 MPa unter Verwendung des Stahlform und einer hydraulischen Presse. Lassen Sie die Mischung bei Druck für 1 min vor der Dekompression. Dies wird eine Muffe mit einer Höhe von 17 mm herzustellen. Zwei Hülsen für jede Montage erforderlich.
      Hinweis: Das 2-Zellenanordnung oben beschrieben und in einigen früheren Studien ²⁹ verwendet ^{- 31} kann für eine einzelne Zelle BaCO _3, ein geeignet bemessenes Mundstück ist ausgewechselt werden.
   6. Einmal aus dem entferntsterben, Drive-off die Kopie Toners durch Erhitzen der Hülsen von RT bis 923 K im Laufe von mehreren Stunden in einem Kammerofen, dann Halten bei dieser Temperatur für ~ 30 min. Beachten Sie die Änderung in der Farbe von Schwarz zu Orange, wenn die Kopie Toner entfernt wurde. Bewahren Sie die geglüht Hülsen in einem Trockenofen bei ~ 393 K gehalten
2. Mehr Amboss
   Anmerkung: Die Mehr Amboßanordnung eine Probenkapsel, die in der Hot-Spot eines zylindrischen Graphitwiderstandsheizung mit brechbaren MgO oder Al ₂ O ₃ Füllstücke positioniert ist. Die Heizung wird durch entweder ein gesintertes oder gießbaren Keramik Oktaeder, die sowohl als Druckmedium und Wärmeisolator wirkt, umgeben. Das Thermoelement kann in Abhängigkeit von der Baugruppenkonstruktion entweder axial oder quer angeordnet sein. Es gibt zahlreiche Größen und Ausführungen der Anordnung für Mehr Amboß Experimenten verwendet, in Abhängigkeit von den objektiven und P soll. - T Bedingungen Figur 4 zeigt ein alsMontage entwerfen zuvor verwendet, um Metallsilikat-Partitionierung Experimenten bei 3.6 und 7.7 GPa ³⁵ durchzuführen.
   1. Vorbereitung Graphitkapseln und eindrückbare Magnesiumoxid oder Zirkoniumoxid Hülsen aus hochreinem Rohre in der gleichen Weise wie für Kolbenzylinder Experimenten angegeben. Die erforderlichen Abmessungen sind in 4A vorgesehen.
   2. Machen Sie den Stecker aus Aluminiumoxid einer Länge von hart gebrannte Aluminiumoxidstange. Verwenden Sie ein Diamant-Datei, um die Stange, wo es um gebrochen zu werden ist ein Tor, dann lassen Sie die Stange auf die gewünschte Länge mit der Hand (siehe Abbildung 4A für die Abmessungen). Verwenden Sie die Datei, um alle Grate, die vom Brechen des Stabes führen zu entfernen. Reinigen Sie den Stecker durch Beschallung in Ethanol bei RT.
   3. Bereiten Oktaeder mit 18 mm Kantenlänge Oktaeder (OEL) mit einem MgO-basierte gießbaren 2-Teil-Keramik (siehe Tabelle 2) und geeigneter Größe Schimmel. Die Form umfasst eine Spannvorrichtung, die trunkierte Würfel 8 hält, indem Platten mit einer Dicke gleich der für th gewünschten abgetrennte vorgeformte Dichtungen ^37.
      1. Für Oktaeder mit einem 18 mm OEL, Verwendung Würfel mit einer 11 mm Kantenlänge abgeschnitten (TEL) und Blätter, die 3 mm dick sind. Verwenden Sie entweder Aluminium oder PVC für den Kubus und Flachmaterialien. Montieren Sie den Schimmel, Schmierung aller Teile, die die gießbare Keramik mit Silikonfett zu kontaktieren wird. Lassen Sie einen Würfel zusammengebauten, um einen Einstiegspunkt für die keramische Mischung zu liefern.
      2. Kombinieren Sie das Pulver aus Keramik und flüssigen Aktivator in einem 100: 30 Gewichtsverhältnis und gründlich mischen. Gießen Sie die Mischung in die Form, wodurch es keine eingeschlossenen Lufttaschen. Legen Sie die restlichen Würfel und lassen Sie die Mischung für mindestens 2 h eingestellt. Jedes Oktaeder erfordert ~ 15 g Keramikmischung.
   4. Einmal eingestellt, entfernen Sie das Oktaeder aus der Form, dehydrieren für ca. 1 Tag in einem Trockenofen bei 393 K dann Glühen bei 1,273-1,373 K in einem Kammerofen für ~ 2 Std.
   5. Lassen Sie das Oktaeder auf RT in Luft abkühlen, dann bohren Sie ein Loch mit einem Durchmesser 7,3 mm, wie in angedeutet4B um die Isolierhülse, Graphitheizer und verbleibende Probenkomponenten unterzubringen.
   6. Shop in einem Trockenofen bei ~ 393 K bis bereit, das Experiment zu montieren.

3. Montage der Bauteile

1. Montage des Kolben-Zylinder-Experiment
   1. Laden Sie die Graphitprobenkapsel, indem Sie zuerst die HSE-Lagermetall dann Zugabe synthetischer Basaltpulver, bis die Kapsel gefüllt. Verwendung einer Gravitation stabile Anordnung minimiert die Chance Drehens während des Experiments und soll Dispersion der metallischen Phase durch mechanische Einwirkung zu verhindern.
   2. Eine kleine Menge (typischerweise <50 mg) trockenes MgO-Pulver auf der Basis des Hohlraums entwickelt, um die Probenkapsel zu halten. Dies flacht die verjüngte Oberfläche erstellt, wenn Sie das Loch gebohrt und wiederum reduziert Scherkräfte während der Proben Kompression, die die Kapsel knacken kann.
   3. Bauen Sie alle zuvor made Komponenten, wie in 3B gezeigt.
   4. Wickeln einer Stück 30 um dicke Bleifolie um die Anordnung, das Falten eines kleinen (~ 1,5 mm) Teil Folie über dem freiliegenden Ende des unteren BaCO ₃ Hülse. Stecken Sie die Baugruppe in einem 12,7 mm Bohrung Wolframcarbid Druckbehälter, zusammen mit einem Basisstecker (oben) und Stahl-Endstück (unten), wie in 3A gezeigt.
      Anmerkung: Das Ende belasteten Kolben-Zylinder-Vorrichtung zwei Hydraulikzylinder. Eine Brücke über die unteren Stempel ermöglicht einem Wolframcarbid Kolben, um Druck auf den Boden der Probe anzuwenden. Der Oberstempel fixiert die Position der oberen Probenoberfläche und wendet eine End-Last auf den Druckbehälter, der eine zusätzliche Unterstützung verleiht dem Wolframkarbid Kern ^38. 3C zeigt eine Kolbenzylindervorrichtung an der University of Toronto mit der Brücke an Ort und Stelle. Ein Reibungskorrektur von -9% wird unter Berücksichtigung der Differenz zwischen der nominalen Probendruck angelegtesd, die von der Probe ³⁹ erlebt.
   5. Positionieren Sie die Brücke, Druckbehälter und Grundplatte zwischen den Hydraulikzylindern. Weiter stellen Sie eine C-Typ-Thermoelement mit 4-Loch-hart gebrannte Aluminiumoxidrohr mit einem Außendurchmesser von 1,6 mm. Das Aluminiumoxidrohr schneiden sollte ausreichend lang sein, damit ~ 1-2 mm des Rohres aus der Oberseite der Deckplatte vorstehen.
   6. Führen Sie die beiden Drahtzusammensetzungen (siehe Tabelle 2) durch benachbarte Löcher in dem Rohr, drehen Sie die Enden um 180 Grad und befestigen Sie sie in den gegenüberliegenden Löchern, so dass die Drähte kreuzen. Legen Sie die Thermoelement durch die obere Platte und in die Montage, so dass die Anschlussstelle befindet sich direkt über der Probe. Isolieren der Rest der Thermoelementdrähte mit flexiblen Teflonröhren, so dass eine 10-20 mm Teil am Ende ausgesetzt ist.
   7. Zeigen alle erforderlichen Metallabstandshalter in Position zwischen der oberen Platte und der oberen ram. Während der Montage, Ausrichtung Mylar-Folien sowohl oberhalb dem Druckbehälter und zwischen denOberseite der Baugruppe und dem Oberstempel. Diese Blätter elektrisch isolieren den Proben Heizkreis aus dem Rest der Vorrichtung.
2. Montage des Multi-Amboss Experiment
   1. Bilden eine C-Typ-Thermoelement mit 4-Loch-hart gebrannte Aluminiumoxidrohr durch Zufuhr beide Drähte durch benachbarte Löcher in dem Rohr, Drehen der Enden um 180 ° und Befestigen sie in den einander gegenüberliegenden Löchern. Isolieren des Restes der Leitungen mit einer kurzen Länge (~ 20 mm) des Aluminiumoxid-Rohres und dann Teflon isolierenden Material, wobei eine 10-20 mm Abschnitt blanker Draht am Ende.
   2. Legen Sie die Manschette Zirkonoxid und Graphitheizung in das Oktaeder, dann schneiden Nuten, wie in 4B gezeigt. Legen Sie die Thermoelement in der Spitze der Oktaeder und positionieren Sie die Aluminiumoxid bedeckte Arme in die Nuten. Verwenden Zirkonia Zement (siehe Tabelle 2), um den Leerraum rund um das Thermoelement zu füllen und trocknen lassen.
   3. Um die Thermo jo isolierenin aus dem Graphitkapsel hinzuzufügen MgO-Pulver von der Basis des Oktaeders, bis die freiliegenden Drähte bedeckt. Weniger als 50 mg des Pulvers sind in der Regel ausreichend, um den blanken Draht umgibt. Um dichte Packung des MgO-Pulvers zu gewährleisten, verwenden Sie eine Bohrerrohling zu stampfen Sie die lose Pulver.
   4. Legen Sie eine Graphitkapsel mit der zuvor hergestellten Probenmaterial aufnehmen und in das Oktaeder von der offenen Seite. Stecken Sie den Stecker Aluminiumoxid um die Montage der Oktaeder abzuschließen.
   5. Am 4. der WC-Würfel (Tabelle 2) zu verwenden Polyvinylacetat zu kurzen Längen aus Balsa-Holz, eine auf jeder der 3 Gesichter neben dem abgeschnittenen Ecke des Würfels zu kleben. Jedes Balsaholz Stück sollte 9,0 mm in der Länge, für die in Abbildung 4 dargestellt Oktaeder Größe zu messen ~ 4,4 mm in Höhe und Breite von ~. Auf jeder Seite, positionieren Sie den Balsa-Holz-Stücke im Quadranten gegenüber dem Kegelrand.
   6. Montieren 4 der Würfel um einen Platz in Draufsicht ohne woode bilden, 2 mit und 2n Stück angebracht. Richten Sie die abgeschnittene Kanten, um die Mitte des Platzes stehen.
   7. Positionieren das Oktaeder in der Mitte der Würfel, so dass er von der Kegelrändern abstützt. Winkel anschließend die Thermoelementarme, so daß sie von den entgegengesetzten Ecken des Quadrates austreten (5A)
   8. Die restlichen WC Würfel in die richtige Position, um einen Würfel mit dem Oktaeder in der Mitte zu bilden, so dass die Würfel mit Holzstücken befestigt Rest oben auf Würfeln, die keine Holzabstandhalter.
   9. Kleben quadratische Stücke von ~ 0,5 mm dick G10 Folie (siehe Tabelle 2) auf jeder Seite des zusammengebauten Würfel mit einem Cyanoacrylat-Klebstoff. Für 32 mm WC-Würfel, verwenden G10 Blätter Mess ~ 55 mm x 55 mm. Zwei der WC Würfel haben Verkürzungen, die die Widerstandsheizung in Verbindung und bilden somit einen Teil der elektrischen Heizkreis. Für Blätter, die diese Würfel zu kontaktieren, geschnitten 2 schmale (<1 mm Breite) Schlitze, wie in 5B gezeigt und setzen Sie ein Stück Kupferfolie, so dass icht stellt eine Kontaktstelle zwischen dem 1. und 2. Stufen Ambosse.
      Hinweis: Die multi-Amboßvorrichtung nutzt eine 2-Stufen-System der Ambosse in einem Haltering enthalten. Die erste Stufe Ambosse umfassen 6 abnehmbaren Keile, die einen zentralen kubischen Hohlraum zu bilden. Dieser Hohlraum bietet Platz für 8 Hartmetall-Würfel mit abgeschrägten Ecken (Stufe Ambosse Sekunde), die die Keramik Oktaeder ⁴⁰ umgeben. Vertikal ausgerichtete Kraft auf die erste Stufe Ambosse durch eine hydraulische Presse angelegt wird daher dem Oktaeder in einer Weise, die in quasi-hydrostatische Kompression der Probenergebnisse übertragen. Die Beziehung zwischen dem Öldruck in dem Staudruck und der Probe kann für die Verwendung der durch ⁴¹ dargestellten Verfahren beschriebenen 18 mm OEL Guss oktaedrischen Anordnung kalibriert werden.
   10. Schneiden Sie 2 Blätter 0,076 mm dicke Mylar zu den mit einem trockenen PTFE Schmiermittel in 6 und überziehen sie dargestellten Abmessungen.
       1. Position eines der vorgeschnittenen Blätter in dieSicherungsring (gerade Kante an der Basis), und setzen von 1 ^st -Stufe Ambosse, die sich mit 0,076 mm dicke Mylar gesichert und mit PTFE-Schmiermittel (5B) beschichtet die untere gesetzt. Die untere Reihe von Ambossen anstelle zwischen den Läufen gelassen werden. Legen Sie die zusammengebauten cube in die untere Reihe von ersten Stufen Ambosse und verbinden Sie die Thermoelement-Arme, um eine ausgewogene Thermodrähte, die das Druckmodul zu verlassen.
       2. Positionieren Sie den ^2. vorgeschnitten Mylar-Folie in den Haltering (gerade Kante nach oben) und legen Sie die obere Reihe von ^1. -Stufe Ambosse, die Mylar gesichert und in der gleichen Weise wie die untere Reihe geschmiert sein sollte. Diese Anordnung ergibt eine geschmiert Mylar auf Mylar Kontakt zwischen den ^1. -Stufe Ambossen und dem Haltering, der im Vergleich zu einem einzigen Mylar Blattanordnung ³⁷ den Verlust von ram Schub reduziert die Reibung von ~ 30%.
          Hinweis: Die Dicken und Abmessungen der Mylar-Folie wird von t abhängener genaue Aufbau des Druckmoduls verwendet wird. Oben und in Abbildung 6 beschrieben sind die Abmessungen in den Einsatz am Geophysical Laboratory, Carnegie Institution of Washington.

4. Durchführung des Experiments

1. Sobald die Probe auf den erforderlichen Druck, Wärme mit einer Rate von 100 K / min gebracht, bis die gewünschte Haltetemperatur erreicht ist. Während des Erwärmungsschritts, muss Öl in dem Sample-RAM, um einen konstanten Öldruck aufrechtzuerhalten eingestellt werden.
2. Nach der Haltezeit, der Probe zu quenchen, indem die Stromversorgung des Ofens. Sobald die Vorrichtung auf Raumtemperatur abgekühlt, langsam die Probe zu dekomprimieren.

5. Führen-Produktanalyse

1. Für Kolben-Zylinder-Experimente, extrahieren Sie die fertigen Experiment aus dem Druckbehälter mit einem Hydraulikzylinder. Mit einem Paar von Hochleistungsschneider entfernen Sie die äußeren Teile der Baugruppe, um die Graphit Kapsel freizugeben (Kolben cylinder) oder Ofen, die die Probenkapsel und Stützteile (multi-Amboss).
2. Montieren Sie die Probe in Epoxidharz (7A) (in der Regel, um eine 25,4 mm Durchmesser Puck zu bilden). Unter Verwendung von 320 bis 600 grit Silizium-Schmirgelpapier schleifen in die Probe, um die Silikatschmelze abgeschreckt und metallische Phasen aus. Polieren der freiliegenden Fläche entweder Aluminiumoxid oder Diamantsuspension mit abnehmender Korngrößen im Bereich von ~ 15 bis 0,3 um.
3. Kohlenstoff, die Oberfläche der polierten Probe ⁴² und analysiert die Hauptelement Zusammensetzung des Metalls und Silikatlaufprodukte durch Elektronenstrahl-Mikroanalyse (EPMA). Verwenden einen defokussierten (10 um) Strahldurchmesser für das Silikatanalyse zur Migration von Alkalielementen aus dem Elektronenstrahl zu vermeiden. Die analytischen Bedingungen und Standards zur vorherigen Proben mit dem obigen Protokoll erzeugt charakterisieren kann in Literaturverzeichnis ^{29 - 31,35}
   Hinweis: Für Experimente zur investigate MSE und SSE Partitionierung kann EPMA sich auch als geeignet zur Analyse der Tracerelemente, sofern sie in ausreichenden Konzentrationen vorhanden sind.
4. Folgende wesentliche Elemente-Analyse, entfernen Sie die Kohlenstoffummantelung mit 0,3 um Aluminiumoxidgrieß. Verwenden Laserablation induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS), um die Spurenelementgehalt der run-Produkte zu bestimmen. Für eine Einführung in die Analyse von LA-ICPMS Probe finden Sie in Referenz ^43.
   Anmerkung: Frühere HSE Löslichkeitsstudien Isotope von Calcium und Nickel wurden erfolgreich als interne Standards verwendet, um die Daten zu reduzieren, unter Verwendung von Glas und Schwefelreferenzmaterialien bzw. ^29,30. Alle Analysen sollte von einem Durchgang der Ablation, gefolgt von Spülen der Ablation Zelle für mindestens 60 sec vorausgehen. Dies stellt sicher, jegliche Oberflächenverunreinigungen, die von Polieren der Versuchslauf-Produkte wirkt sich nicht auf die Ergebnisse entstehen können.

Ergebnisse

Die folgenden Beispiele und Diskussionen konzentrieren sich auf Experimente, um festzustellen, HSE Löslichkeit in Silikat bei niedrigen f O ₂ schmilzt. Für umfangreiche Beispiele, wie MSE und SSE Partitionierung von Daten aus Multi-Amboss-Experimente verwendet werden, um den P beschränken werden - T - f O ₂ Bedingungen der Kernmetall Segregation, wird der Leser auf Referenzen ⁹ bezeichnet ^{-. 11} 7B-D zeigt zurück gestreut...

Diskussion

Die Ergebnisse der Einbeziehung freie Experimente durchgeführt unter Verwendung der hier beschriebenen Protokolle wurden bereits mit Literaturdaten in Artikeln ²⁹ (Os, Ir, Au), ³⁰ (Re, Au) und ³¹ (Pt) verglichen. Pt ist sehr lehrreich in Den Nutzen des Einschlusses freien Lauf-Produkte. Für Experimente bei niedrigen f O ₂ ausgeführt, Ertel et al. ⁴⁸ zu einer stabilen Ursprung zugeordnet Einschlüsse und damit eingeschränkten Datenreduktion auf ...

Materialien

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