Simulación de la Planetary Interior Diferenciación Procesos en el Laboratorio

Resumen

Los experimentos de alta presión y alta temperatura que se describen aquí imitan planeta procesos de diferenciación interiores. Los procesos son visualizados y mejor entendidos por imágenes de alta resolución en 3D y el análisis químico cuantitativo.

Resumen

Un interior del planeta se encuentra bajo condiciones de alta presión y alta temperatura y tiene una estructura en capas. Hay dos procesos importantes que condujeron a que la estructura en capas, (1) percolación de metal líquido en una matriz de silicato sólido por diferenciación planeta, y (2) la cristalización núcleo interno mediante la posterior planeta de refrigeración. Llevamos a cabo los experimentos de alta presión y alta temperatura para simular los procesos en el laboratorio. Formación de núcleo planetario percolación depende de la eficiencia de la filtración de masa fundida, que es controlada por el ángulo diedro (humectante). La simulación de percolación incluye calentar la muestra a alta presión a una temperatura objetivo en el que aleación de hierro-azufre es fundido mientras que el silicato se mantiene sólido, y luego determinar el verdadero ángulo diedro para evaluar el estilo de la migración de líquido en una matriz cristalina mediante la visualización 3D. La representación de volumen 3D se consigue cortando la muestra recuperada con un haz de iones (FIB) y taimagen Rey del SEM de cada rebanada con un instrumento travesaño FIB / SEM. El segundo conjunto de experimentos está diseñado para comprender la cristalización y elemento de distribución de núcleo interno entre el núcleo externo líquido y el núcleo interno sólido mediante la determinación de la temperatura de fusión y elemento de segmentación a alta presión. Los experimentos de fusión se llevan a cabo en el aparato de múltiples yunque hasta 27 GPa y extenderse a una mayor presión en la celda de yunque de diamante con láser de calefacción. Hemos desarrollado técnicas para recuperar pequeñas muestras calentadas por molienda FIB precisión y obtener imágenes de alta resolución de la mancha láser calienta que muestran la fusión de textura a alta presión. Mediante el análisis de la composición química del líquido coexistente y fases sólidas, se determina con precisión la curva de liquidus, proporcionando los datos necesarios para entender el proceso de cristalización del núcleo interno.

Introducción

Los planetas terrestres como la Tierra, Venus, Marte y Mercurio son cuerpos planetarios diferenciados que consisten en un manto de silicatos y un núcleo metálico. El modelo de formación planetaria moderna sugiere que los planetas terrestres se formaron a partir de colisiones de embriones planetarios-Moon-to del tamaño de Marte que crecen de-kilometros de tamaño o más grandes planetesimales mediante interacciones gravitacionales ^1-2. Los planetesimales fueron probablemente ya diferenciarse una vez que las aleaciones de hierro metálico alcanzó la temperatura de fusión debido a la calefacción a partir de fuentes tales como la desintegración radiactiva de los isótopos de vida corta como ²⁶ Al y Fe ^60, el impacto, y la liberación del potencial de energía ^3. Es importante entender cómo percola el metal líquido a través de una matriz de silicato durante la diferenciación temprana.

Diferenciación Planet podría proceder a través de la separación líquido-líquido eficiente o por percolación de metal líquido en una matriz de silicato sólido, dependiendoen el tamaño y la temperatura interior de los cuerpos planetarios. La percolación de metal líquido en la matriz de silicato sólido es probablemente un proceso dominante en la diferenciación inicial cuando la temperatura no es lo suficientemente alta como para fundir todo el cuerpo planetario. La eficiencia de percolación depende del ángulo diedro, determinado por las energías interfaciales de las interfaces sólido-sólido y sólido-líquido. Podemos simular este proceso en el laboratorio mediante la realización de experimentos de alta presión y alta temperatura de una mezcla de aleación de hierro y silicatos. Estudios recientes ^4-7 han investigado la capacidad de humectación de las aleaciones de hierro líquido en una matriz de silicato sólido a alta presión y temperatura. Utilizaron un método convencional para medir la distribución de frecuencias relativas de los ángulos diedros aparentes entre el metal líquido templado y granos de silicato en las secciones transversales pulidas para la determinación del verdadero ángulo diedro. El método convencional produce relativamente grande UNCertainties en el ángulo diedro medido y el posible sesgo en función de las estadísticas de muestreo. Aquí les presentamos una nueva técnica de imagen para visualizar la distribución de metal líquido en la matriz de silicato en tres dimensiones (3D) por combinación de fresado FIB y de alta resolución de emisión de campo de imagen SEM. La nueva técnica de formación de imágenes proporciona una determinación precisa del ángulo diedro y medida cuantitativa de la fracción de volumen y la conectividad de la fase líquida.

El núcleo de la Tierra se formó en un tiempo relativamente corto (<100 millones de años) ^8, presumiblemente en estado líquido en su historia temprana. Marte y Mercurio también tienen núcleos líquidos basados ​​en la deformación de las mareas solares partir de los datos de seguimiento de la radio de la Mars Global Surveyor ⁹ y los patrones de speckle radar atados a la rotación planetaria ^10, respectivamente. Modelos de evolución térmica y experimentos de fusión de alta presión sobre materiales de la base de apoyo, además, un núcleo marciano líquido11-12. Recientes datos de la nave espacial MESSENGER proporcionan evidencia adicional para un núcleo líquido de Mercurio ^13. Incluso la pequeña Luna es probable que tenga un pequeño núcleo líquido basado en recientes reanálisis de Appollo sismogramas lunares ^14. Núcleos planetarios líquidos son consistentes con energía de alta acumulación en la fase temprana de la formación de planetas. El posterior enfriamiento puede conducir a la formación de núcleo interno sólido de algunos planetas. Los datos sísmicos han revelado que la tierra se compone de un núcleo externo líquido y un núcleo interior sólido. La formación del núcleo interno tiene importantes implicaciones para la dinámica del núcleo impulsado por convecciones térmicas y de composición y la generación del campo magnético del planeta.

La solidificación del núcleo interno es controlado por la temperatura de fusión de los materiales de núcleo y la evolución térmica del núcleo. La formación del núcleo de planetas terrestres compartida caminos de acreción similares y la composición química de los núcleos se considera que be dominada por el hierro con alrededor de 10% en peso elementos ligeros tales como azufre (S), silicio (Si), de oxígeno (O), carbono (C), y de hidrógeno (H) ^15. Es esencial tener un conocimiento de las relaciones de fusión en los sistemas relevantes para el núcleo, tal como Fe-FeS, Fe-C, Fe-FeO, Fe-FEH y Fe-FeSiat alta presión, con el fin de entender la composición de los núcleos planetarios. En este estudio, vamos a demostrar los experimentos llevados a cabo en el dispositivo de múltiples yunque y de células de yunque de diamante, imitando las condiciones de los núcleos planetarios. Los experimentos proporcionan información sobre la secuencia de la cristalización y el elemento de partición entre el metal sólido y el líquido, lo que lleva a una mejor comprensión de los requisitos de la cristalización núcleo interno y la distribución de los elementos de luz entre el núcleo interno y el núcleo cristalino líquido fuera. Para extender las relaciones de fusión a muy altas presiones, se han desarrollado nuevas técnicas para analizar las muestras inactivadas recuperados de láser calienta un diamanteexperimentos de células nvil. Con el fresado FIB precisión del punto de láser-calefacción, determinamos fusión utilizando criterios textura de extinción fotografiados con alta resolución de SEM y análisis químico cuantitativo con un detector de deriva de silicio a una resolución espacial submicron.

Aquí resumimos dos series de experimentos para simular la formación del núcleo planetario por percolación de metal se funde en matriz de silicato durante la acreción temprana y la cristalización del núcleo interno de un enfriamiento posterior. La simulación tiene como objetivo entender los dos procesos importantes durante la evolución del núcleo planetario.

Protocolo

1. Preparar materiales de partida y las Cámaras de muestra

1. Preparar dos tipos de materiales de partida, (1) una mezcla de silicato de olivino natural y polvo de hierro metálico con 10% en peso de azufre (metal / proporciones de silicato que van de 4 a 30% en peso) para la simulación de percolación de aleación de hierro líquido en una matriz de silicato sólida durante la formación del núcleo inicial de un pequeño cuerpo planetario, y (2) una mezcla homogénea de finamente a tierra de hierro puro y sulfuro de hierro para la determinación del planetario cristalización núcleo interno.
2. Moler los materiales de partida a polvo mezclado bien en virtud de etanol en un mortero de ágata durante una hora y se secó a 100 ° C.
3. Cargue el material de partida en una MgO sinterizado o Al ₂ O ₃ cápsulas (típicamente 1,5 mm de diámetro y 1,5 de largo), y luego se coloca en un conjunto de celda de alta presión para los experimentos multi-yunque.
4. Cargar la mezcla de Fe-FeS en una pequeña cámara de muestra (típicamente 100 m de diámetro y 25 y #181; m de espesor) perforado en una junta de renio preindented para los experimentos con láser de calefacción en la celda de yunque de diamante. Sandwich la mezcla de Fe-FeS entre las capas de NaCl que sirven como aislantes térmicos.

2. De alta presión y alta temperatura Experimentos en el aparato multi-yunque

1. El conjunto de celda de alta presión de múltiples yunque consta de un octaedro de MgO como un medio de presión, un manguito de ZrO ₂ como el aislante térmico, y un renio cilíndrico o un calentador de grafito. La cápsula de la muestra se ajusta dentro del calentador. Un termopar tipo C se inserta en la cámara de muestra para determinar la temperatura de la muestra.
2. Coloque el conjunto de alta presión en un aparato de alta presión multi-yunque para presurización.
3. El aparato multi-yunque consiste en una prensa hidráulica de 1500 toneladas y un módulo de presión que contiene un anillo de retención con seis cuñas de empuje desmontable formando una cavidad cúbica en el centro ^15. La cavidad cúbica houses ocho cubos de metal duro con esquinas truncadas. Los cubos truncadas, que convergen en el conjunto de celda de octaedro, están separadas una de otra por las juntas compresibles. El ariete hidráulico transmite la fuerza efectiva en el conjunto de la muestra por una de dos etapas de configuración de yunque. Figura 1 ilustra el procedimiento experimental para el experimento de múltiples yunque.
4. Presurizar la muestra a una presión objetivo entre 2-27 GPa a temperatura ambiente sobre la base de FIX-punto de la curva de calibración de presión ^16, y luego calentar a las temperaturas experimentales de hasta 2.300 ° C por calentamiento por resistencia eléctrica; mantener el experimento a una temperatura constante durante la duración del experimento, y apague la alimentación para apagar la muestra a temperatura ambiente al final del experimento.
5. Liberar la presión lentamente mediante la apertura de la válvula de aceite hidráulico y recuperar la carga experimental.

3. Los experimentos con láser de calefacción en elDiamond-yunque Celular

1. Presión en una celda de yunque de diamante se genera entre dos yunques de diamante de cristal único de calidad gema (aproximadamente 0,25 quilates cada uno). Utilizamos una célula de diamante yunque simétrica para conducir los yunques opuestos perfectamente alineados con un sistema de pistón-cilindro. La célula es capaz de generar presiones correspondientes a las condiciones de presión de núcleo de la Tierra ^17. De alta temperatura se consigue mediante calentamiento por láser en la celda de diamante yunque. Nosotros utilizamos un sistema en el Avance Photon Source (APS), que se basa en una técnica de calentamiento por láser de doble cara y se compone de dos láseres de fibra óptica, para calentar la muestra desde ambos lados, y dos sistemas de espectroradiométricas para mediciones de temperatura en ambos lados ^18. El sistema está diseñado para generar una gran mancha de calentamiento (25 m de diámetro), minimizar los gradientes de temperatura de la muestra tanto radial como axialmente en la celda de yunque de diamante, y maximizar la estabilidad de calefacción. La figura 2 muestra esquemáticas de la configuración experimental para el experimento de láser de caldeo en la celda de yunque de diamante con una imagen del punto de láser-calefacción.
2. Alinear los yunques de diamante con 300 micras culets y preindent una junta de renio a un espesor de 30 micras de un espesor inicial de 250 micras.
3. Haga un agujero en la junta preindented con un diámetro de 120 micras en el centro, y la carga de la muestra en el agujero.
4. Presurizar la muestra a una presión objetivo a temperatura ambiente, y a continuación, calentar la muestra mediante el aumento de la potencia del láser mientras que toma mediciones de temperatura y en medidas de difracción de rayos X in situ en la instalación de sincrotrón.
5. Apagar la potencia del láser para apagar la muestra cuando la fusión parcial se detecta por un cambio en la radiación térmica y a partir del patrón de difracción.
6. Recuperar la muestra calentada para la caracterización ex situ.

4. Recuperación de muestras y análisis

1. MoUNT la muestra multi-yunque recuperado en resina epoxi y pulir su superficie mediante un conjunto de grano de polvo de diamante de 150 micras a 0,25 micras.
2. Carbono-capa de la superficie de la muestra y cargarlo en la cámara de muestra de un instrumento Zeiss traviesa Auriga FIB / SEM (Figura 3A) para el análisis.
3. Alinear la muestra hasta el punto coincidente de la FIB y SEM a una distancia de trabajo de 5 mm (Figura 3B), y luego premill la muestra para exponer un volumen de 15 x 20 x 20 m ³ (Figura 3C).
4. Tomar imágenes de SEM en un intervalo de 25 nm utilizando la rebanada y función de vista en el instrumento Zeiss Auriga FIB / SEM (grabar automáticamente una serie de imágenes después de la molienda del haz iónico y con resolución de imagen típica de aproximadamente 35 nm).
5. Entrada de los archivos de datos de imágenes al software de visualización y reconstruir imágenes 3D para visualizar la distribución de la masa fundida y la conectividad en la muestra templada (Figura 3D).

Resultados

Hemos llevado a cabo una serie de experimentos utilizando mezclas de San Carlos olivino y aleación de metal de Fe-FeS con diferentes proporciones de metal-silicatos, como materiales de partida. El contenido de S del metal es 10% en peso S. Aquí se muestran algunos resultados representativos de los experimentos de alta presión realizadas en 6 GPa y 1800 ° C, utilizando conjuntos múltiples de yunque bien calibrados ^15. En las condiciones experimentales, la aleación de metal de Fe-FeS es completamente fund...

Discusión

Las técnicas para los experimentos múltiples de yunque están bien establecidos, la generación de presión y temperatura estables durante un período prolongado de tiempo de ejecución y la producción de volumen de muestra relativamente grande. Es una poderosa herramienta para simular los procesos interiores de planetas, especialmente para experimentos, como la filtración de masa fundida, que requieren cierto volumen de muestra. La limitación es la presión máxima alcanzable, hasta 27 GPa con carburo de tungsteno...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Multi-anvil apparatus	Geophysical Lab	Home Builder
Diamond-anvil cell	Geophysical Lab	Home Builder
Laser-heating system	APS GSECARS	Designed by beamline staff	Public beamline
FIB/SEM Crossbeam	Carl Zeiss Ltd.	Auriga
Avizo 3D software	VSG	Fire for materials science