Simulation de la différenciation planétaire Intérieur processus dans le laboratoire

Résumé

Les expériences à haute pression et à haute température décrits ici imitent les processus de différenciation intérieur de la planète. Les processus sont visualisées et mieux compris par imagerie à haute résolution en 3D et l'analyse chimique quantitative.

Résumé

A l'intérieur planétaire est dans des conditions de haute pression et à haute température et il a une structure en couches. Il ya deux processus importants qui ont conduit à cette structure en couches, (1) la percolation de métal liquide dans une matrice de silicate solide par la différenciation de la planète, et (2) intérieure cristallisation de base par planète refroidissement subséquent. Nous menons des expériences à haute pression et à haute température pour simuler les processus dans le laboratoire. Formation de noyau planétaire percolation dépend de l'efficacité de la percolation à l'état fondu, qui est commandé par le dièdre (mouillant) angle. La simulation de percolation comprend le chauffage de l'échantillon à une pression élevée à une température cible à laquelle l'alliage fer-soufre est fondu alors que le silicate reste solide, et ensuite la détermination de l'angle réel de dièdre pour évaluer le style de la migration de liquide dans une matrice cristalline de visualisation 3D. Le rendu de volume 3D est obtenue par tranchage de l'échantillon récupéré avec un faisceau focalisé d'ions (FIB) et tal'image roi SEM de chaque tranche avec un instrument traverse FIB / SEM. La deuxième série d'expériences est destinée à comprendre la distribution de la cristallisation et de l'élément noyau intérieur entre le noyau externe liquide et solide noyau interne par la détermination de la température de fusion et l'élément de séparation sous haute pression. Les expériences de fusion sont effectuées dans le dispositif multi-enclume jusqu'à 27 GPa et étendus à une pression plus élevée dans la cellule de type diamant enclume avec laser de chauffage. Nous avons développé des techniques pour récupérer les petits échantillons chauffés par FIB précision de fraisage et obtenir des images à haute résolution de la tache laser-chauffée qui montrent texture fondante à haute pression. En analysant les compositions chimiques du liquide coexistante et des phases solides, on détermine avec précision la courbe de liquidus, donnant des données nécessaires à la compréhension du processus de cristallisation de l'âme interne.

Introduction

Les planètes telluriques comme la Terre, Vénus, Mars et Mercure sont des corps planétaires dissociés, d'un manteau de silicate et un noyau métallique. Le modèle de la formation des planètes moderne suggère que les planètes terrestres ont été formés par des collisions d'embryons planétaires-Lune-Mars à taille issues de kilomètres taille ou plus planétésimaux par des interactions gravitationnelles ^1-2. Les planétésimaux ont probablement déjà différenciées fois les alliages métalliques en fer atteint la température de fusion en raison de chauffage à partir de sources telles que la désintégration radioactive des isotopes de courte durée tels que ²⁶ Al et ⁶⁰ Fe, l'impact, et la libération de l'énergie potentielle ^3. Il est important de comprendre la façon dont le métal liquide percolé à travers une matrice de silicate au cours de la différenciation précoce.

différenciation de la planète pourrait passer par efficace séparation liquide-liquide ou par infiltration de métal liquide dans une matrice de silicate solide, en fonction dede la taille et de la température intérieure des corps planétaires. La percolation de métal liquide dans la matrice de silicate solide est probablement un processus dominant dans la différenciation initiale lorsque la température n'est pas assez élevée pour faire fondre la totalité du corps planétaire. L'efficacité de la percolation dépend de l'angle dièdre, déterminées par les énergies interfaciales des interfaces solide-solide et solide-liquide. Nous pouvons simuler ce processus en laboratoire en réalisant des expériences à haute pression et à haute température d'un mélange d'alliage de fer et de silicate. Des études récentes ont étudié ^4-7 la capacité de mouillage des alliages de fer liquide dans une matrice de silicate solide à haute pression et de la température. Ils ont utilisé une méthode classique pour mesurer les distributions de fréquences relatives des angles dièdres apparentes entre le métal liquide refroidi et grains de silicate sur les sections polies pour la détermination de la véritable dièdre. La méthode classique donne relativement importante uncertainties dans l'angle dièdre mesurée et biais possibles selon les statistiques de l'échantillonnage. Ici, nous présentons une nouvelle technique d'imagerie pour visualiser la distribution de métal liquide dans la matrice silicate en trois dimensions (3D) par combinaison de FIB fraisage et haute résolution à émission de champ SEM imagerie. La nouvelle technique d'imagerie permet une détermination précise de l'angle dièdre et mesure quantitative de la fraction volumique et la connectivité de la phase liquide.

Le noyau de la Terre a été formée en un temps relativement court (<100 millions d'années) ^8, vraisemblablement dans un état ​​liquide à son histoire ancienne. Mars et Mercure ont également noyaux liquides à base de déformation de marée solaire de Mars Global Surveyor données de suivi de la radio et ⁹ modèles radar de tavelures liés à la rotation planétaire ^10, respectivement. Modèles d'évolution thermique et des expériences de fusion à haute pression sur les matériaux de base soutiennent en outre un noyau martien liquide11-12. Des données récentes de l'engin spatial Messenger fournissent une preuve supplémentaire d'un noyau liquide de Mercure ^13. Même la petite lune a probablement un petit noyau liquide à base d'une nouvelle analyse récente de Appollo sismogrammes lunaires ^14. Noyaux planétaires liquides sont compatibles avec haute énergie d'accrétion au stade précoce de la formation des planètes. Un refroidissement ultérieur peut conduire à la formation de noyau interne solide pour certaines planètes. Les données sismiques ont révélé que la Terre se compose d'un noyau externe liquide et un noyau interne solide. La formation du noyau interne a des implications importantes pour la dynamique du noyau entraînée par convections thermiques et de composition et la génération du champ magnétique de la planète.

La solidification du noyau interne est contrôlée par la température de fusion des matériaux d'âme et de l'évolution thermique de l'âme. Formation de noyau planètes terrestres partagé chemins d'accrétion similaires et la composition chimique des noyaux est considéré à be dominé par le fer avec environ 10% de poids d'éléments d'éclairage tels que le soufre (S), le silicium (Si), l'oxygène (O), le carbone (C) et hydrogène (H) ^15. Il est essentiel d'avoir une connaissance des relations de fusion dans les systèmes pertinents à l'âme, comme Fe-FeS, Fe-C, Fe-FeO, Fe-FeH et Fe-FeSiat haute pression, afin de comprendre la composition de les noyaux planétaires. Dans cette étude, nous allons démontrer les expériences menées dans le dispositif multi-enclume et cellule enclume de diamant, mimant les conditions des noyaux planétaires. Les expériences fournissent des informations sur la séquence de la cristallisation et la séparation entre l'élément métallique solide et liquide, ce qui conduit à une meilleure compréhension des exigences de la cristallisation de l'âme interne et la distribution des éléments lumineux entre le noyau interne et le noyau cristallin liquide à l'extérieur. Pour étendre les relations de fusion à des pressions très élevées, nous avons développé de nouvelles techniques pour analyser les échantillons trempés récupérés laser chauffée diamant-unexpériences sur les cellules nvil. Avec une précision FIB fraisage de la tache laser de chauffage, nous déterminons la fusion en utilisant trempe critères de texture de représentation à haute résolution SEM et analyse chimique quantitative avec un détecteur de dérive de silicium à une résolution spatiale inférieure au micron.

Nous présentons ici deux séries d'expériences pour imiter la formation de base planétaire par percolation de métallique fondre dans la matrice silicate pendant accrétion début et la cristallisation de noyau interne par refroidissement ultérieur. La simulation vise à comprendre les deux processus importants au cours de l'évolution de noyau planétaire.

Protocole

Une. Préparer le matériel de départ et Chambres d'exemples

1. Préparer deux types de matières de départ, (1) un mélange d'olivine de silicate naturel et la poudre de fer métallique à 10% en poids de soufre (métal / des ratios de silicate allant de 4 à 30% en poids) pour la simulation de la percolation de l'alliage de fonte liquide dans une matrice de silicate solide au cours de la formation du noyau initial d'un petit corps planétaire, et (2) un mélange homogène de fer pur finement la masse et le sulfure de fer pour la détermination du planétaire cristallisation d'âme intérieure.
2. Broyez les matières premières à poudre mélangée amende en vertu de l'éthanol dans un mortier en agate pendant une heure et séché à 100 ° C.
3. Charger la matière de départ en un fritté de MgO ou Al ₂ O ₃ capsule (typiquement de 1,5 mm de diamètre et d'une longueur de 1,5), puis placer dans un assemblage de cellule à haute pression pour les expériences multi-enclume.
4. Chargez le mélange Fe-FeS dans une petite chambre d'échantillon (typiquement 100 m de diamètre et 25 & #181; m d'épaisseur) percé dans un joint de rhénium preindented pour les expériences laser de chauffage dans la cellule de type diamant enclume. Sandwich mélange Fe-FeS entre les couches de NaCl qui servent comme isolants thermiques.

2. Des expériences à haute pression et haute température dans l'appareil multi-enclume

1. L'assemblage de cellule à haute pression multi-enclumes est constitué d'un octaèdre MgO en tant que moyen de pression, une douille de ZrO ₂ en tant que l'isolant thermique, et un rhénium ou du graphite cylindrique chauffage. L'échantillon capsule s'adapte à l'intérieur du chauffe-eau. Un thermocouple de type C est introduit dans la chambre de mesure pour déterminer la température de l'échantillon.
2. Placez l'ensemble à haute pression dans un appareil à haute pression multi-enclume pour la pressurisation.
3. Appareil multi-enclumes est constitué d'une presse hydraulique de 1500 tonnes et un module de pression, qui contient une bague de retenue avec six coins de poussée amovible formant une cavité cubique au centre ^15. La cavité cubique houses huit cubes de carbure de tungstène avec coins tronqués. Les cubes tronqués qui convergent sur l'ensemble de cellule d'octaèdre, sont séparés les uns des autres par des joints d'étanchéité compressibles. Le vérin hydraulique transmet la force efficace sur l'ensemble de l'échantillon par une figure 1 illustre la procédure expérimentale de l'expérience multi-enclume en deux étapes de configuration de l'enclume..
4. Mettre sous pression l'échantillon à une pression cible entre 2-27 GPa à la température ambiante sur la base de point fixe courbe d'étalonnage de la pression ^16, puis le chauffer aux températures expérimentales jusqu'à 2300 ° C par chauffage par résistance électrique; maintenir l'expérience à température constante pour la durée de l'expérience, et le mettre hors tension pour éteindre l'échantillon à la température ambiante à la fin de l'expérience.
5. Relâchez lentement la pression en ouvrant la vanne de l'huile hydraulique et de récupérer la charge expérimentale.

3. Les expériences laser-chauffage dans leDiamond-enclume portable

1. Pression dans une cellule diamant enclume est généré entre deux monocristallines enclumes de diamants de qualité gemme (environ 0,25 carats chacun). Nous utilisons une cellule diamant enclume symétrique pour conduire les enclumes opposées parfaitement alignés avec un système piston-cylindre. La cellule est capable de générer des pressions qui correspondent aux conditions de pression du noyau de la Terre ^17. Une température élevée est obtenue par chauffage au laser dans la cellule diamant-enclume. On utilise un système à l'avance Photon Source (APS), qui est basé sur une technique de chauffage à double face laser et se compose de deux lasers à fibre, optique pour chauffer l'échantillon à partir des deux côtés, et deux systèmes spectroradiométriques pour les mesures de température des deux côtés ^18. Le système est conçu pour générer un spot de chauffage de grande taille (25 um de diamètre), de minimiser les gradients de température de l'échantillon à la fois radialement et axialement dans la cellule à enclume de diamant, et de maximiser la stabilité de chauffage. Figure 2 montre schématiquements de la configuration expérimentale pour l'expérience laser de chauffage dans la cellule de type diamant enclume avec une image de la tache laser de chauffage.
2. Aligner les enclumes de diamant avec 300 um culets preindent et un joint de rhénium à une épaisseur de 30 um à partir d'une épaisseur initiale de 250 um.
3. Percer un trou dans le joint preindented avec un diamètre de 120 um au centre, et de charger l'échantillon dans le trou.
4. Mettre sous pression l'échantillon à une pression de consigne à la température ambiante, et ensuite chauffer l'échantillon par augmentation de la puissance du laser tout en prenant des mesures de température in situ et en rayons X des mesures de diffraction à l'installation de synchrotron.
5. Couper l'alimentation du laser pour étancher l'échantillon lors de la fusion partielle est détectée par un changement dans le rayonnement thermique et à partir du motif de diffraction.
6. Récupérer l'échantillon chauffé pour la caractérisation ex situ.

4. Récupération et analyse d'échantillons

1. MoUnt l'échantillon multi-enclume récupérées dans résine époxy et de polir la surface à l'aide d'une suite de poudre de diamant de grain de 150 pm à 0,25 pm.
2. Carbon-enduire la surface de l'échantillon et la charger dans la chambre d'un instrument de traverse Zeiss Auriga FIB / SEM (figure 3A) pour l'analyse de l'échantillon.
3. Aligner l'échantillon à un point coïncidant de la FIB et SEM à une distance de travail de 5 mm (figure 3B), puis premill l'échantillon pour exposer un volume de 15 x 20 x 20 um ³ (figure 3C).
4. Prenez des images MEB à un intervalle de 25 nm en utilisant la tranche et fonction de vue sur l'instrument Zeiss Auriga FIB / SEM (enregistrer automatiquement une série d'images après le broyage faisceau d'ions avec une résolution d'image typique d'environ 35 nm).
5. les fichiers de données d'image d'entrée à un logiciel de visualisation et de reconstruire des images en 3D pour visualiser la distribution de masse fondue et de la connectivité dans l'échantillon éteint (Figure 3D).

Résultats

Nous avons réalisé une série d'expériences en utilisant des mélanges de San Carlos olivine et Fe-FeS alliage métallique avec différents rapports métal-silicate, en tant que matériaux de départ. La teneur en S du métal est de 10% en poids S. Ici, nous montrons des résultats représentatifs d'expériences à haute pression effectuées à 6 GPa et 1800 ° C, en utilisant bien calibrés assemblages multi-enclume ^15. Dans les conditions expérimentales, l'alliage métallique Fe-FeS est comp...

Discussion

Les techniques pour les expériences multi-enclume sont bien établies, de génération de pression et de température pendant une longue période de temps de fonctionnement stable et pour produire le volume relativement important de l'échantillon. Il est un outil puissant pour simuler les processus intérieurs de planètes, en particulier pour les expériences, tels que la fonte percolation, qui nécessitent un certain volume de l'échantillon. La limitation est la pression maximale possible, jusqu'à 27 G...

matériels

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