סימולציה של פלנטריים הפנים בידול תהליכים במעבדה

Summary

הניסויים בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה שתוארו כאן לחקות תהליכי התמיינות פנים כדור הארץ. התהליכים הם דמיינו ולהבין טובים יותר על ידי ההדמיה 3D ברזולוציה גבוהה ואנליזה כימית כמותית.

Abstract

פנים כוכבי הלכת הוא בתנאי לחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה ויש לו מבנה שכבתי. ישנם שני תהליכים חשובים שהובילו שלמבנה מרובד, (1) הפעפוע של מתכת נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה על ידי בידול כדור הארץ, ו (2) התגבשות גרעין פנימית של כדור הארץ שלאחר מכן קירור. אנו עורכים ניסויים בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה כדי לדמות שני התהליכים במעבדה. כינונה של ליבת כוכבי הלכת percolative תלוי ביעילות של הפעפוע להמיס, הנשלט על ידי זווית dihedral (הרטבה). הסימולציה החלחול כוללת חימום המדגם בלחץ גבוה לטמפרטורת יעד שבו סגסוגת ברזל גופרית היא מותכת ואילו סיליקט נותר מוצק, ולאחר מכן לקבוע את זווית dihedral הנכון כדי להעריך את הסגנון של הגירת נוזל במטריצת גבישים על ידי 3D להדמיה. 3D טיוח הנפח מושגת על ידי חיתוך המדגם התאושש עם אלומת יונים ממוקדת (FIB) ות"אתמונת המלך SEM של כל פרוסה עם מכשיר קורה FIB / SEM. הסט השני של ניסויים נועד להבין את חלוקת התגבשות ואלמנט הפנימית ליבה בין הליבה החיצונית נוזלית והליבה פנימית מוצקה על ידי קביעת טמפרטורת ההתכה ומחיצות אלמנט בלחץ גבוה. ניסויי ההיתוך מתבצעים במנגנון רב הסדן עד 27 GPA והוארכו ללחץ גבוה יותר בתא יהלומי סדן עם לייזר לחימום. פיתחנו טכניקות להתאושש דגימות מחוממות קטנות על ידי כרסום FIB הדיוק ולהשיג תמונות ברזולוציה גבוהה של לייזר במקום מחומם המציגים מרקם התכה בלחץ גבוה. על ידי ניתוח ההרכב הכימי של נוזל coexisting ושלבים מוצקים, אנחנו בדיוק לקבוע את עקומת liquidus, מתן הנתונים הדרושים כדי להבין את תהליך התגבשות הגרעין הפנימי.

Introduction

כוכבי הלכת ארציים כגון כדור הארץ, נוגה, מאדים, מרקורי הם גופים פלנטריים הבדיל הכוללים מעטפת סיליקט וליבה מתכתית. מודל ההיווצרות הכוכבי לכת המודרני מצביע על כך שכוכבי הלכת הארציים נוצרו מהתנגשויות של עוברים פלנטרית ירח למאדים בגודל גדלו מ planetesimals קילומטר בגודל או גדול דרך אינטראקציות כבידה ^1-2. Planetesimals סביר היו מובחן כבר פעם אחת סגסוגות הברזל מתכתיות הגיעו טמפרטורת התכה עקב חימום ממקורות כגון התפרקות רדיואקטיבית של איזוטופים קצרים חיים כגון ²⁶ אל ^ו60 פה, השפעה, ושחרורו של אנרגיה פוטנציאלית ^3. זה חשוב להבין כיצד המתכת נוזלית חלחלה דרך מטריצת סיליקט במהלך ההתמיינות המוקדמת.

בידול Planet יכול להמשיך דרך הפרדת נוזל נוזל יעילה או על ידי הפעפוע של מתכת נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה, בהתאםבגודל ובטמפרטורה פנימית של הגופים פלנטריים. הפעפוע של מתכת נוזלית במטריצת סיליקט המוצק עשוי תהליך דומיננטי בהתמיינות הראשונית כאשר הטמפרטורה אינה גבוהה מספיק כדי להמס את הגוף הפלנטרית כולה. היעילות של הפעפוע תלוי בזווית dihedral, נקבעה על ידי אנרגיות interfacial של הממשקים מוצקים מוצקים ומוצק לנוזל. אנחנו יכולים לדמות את התהליך הזה במעבדה על ידי ביצוע ניסויים בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה על תערובת של סגסוגת הברזל וסיליקט. מחקרים שנעשה לאחרונה ^4-7 חקרו את יכולת ההרטבה של סגסוגות ברזל נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה בלחץ וטמפרטורה גבוהים. הם השתמשו בשיטה קונבנציונלית למדידת הפצות שכיחות היחסית של זוויות dihedral לכאורה בין המתכת נוזלי הרווה והדגנים סיליקט בחתכים המלוטשים לקביעת זווית dihedral האמיתית. השיטה המקובלת מניבה UNC הגדול יחסיתertainties בזווית dihedral נמדדה והטיות אפשריות בהתאם לנתונים סטטיסטי הדגימה. כאן אנו מציגים טכניקת דימות חדשה כדי להמחיש את ההפצה של מתכת נוזלית במטריצת סיליקט בשלושה ממדים (3D) על ידי שילוב של טחינת FIB והדמיה SEM פליטת שדה ברזולוציה גבוהה. טכניקת דימות החדשה מספקת קביעה מדויקת של זווית dihedral ומדד כמותי של עוצמת השבר והקישוריות של השלב הנוזלי.

הליבה של כדור הארץ נוצרה בזמן קצר יחסית (<100 מ'שנים) ^8, ככל הנראה במצב נוזלי בהיסטוריה המוקדמת שלה. מאדים ומרקורי יש גם ליבות נוזלי המבוססות על עיוות גאות שמש מנתוני מארס גלובל מודד מעקב רדיו ⁹ ודפוסי רבב רדאר קשורים לסיבוב כוכבי הלכת ^10, בהתאמה. מודלים אבולוציה תרמית וניסויים התכה בלחץ גבוה על חומרי ליבה תומכים ליבה של מאדים נוזלי נוספים11-12. נתוני חללית Messenger אחרונים מספקים ראיות נוספות לליבה נוזלית של ¹³ מרקורי. סביר להניח שיש לו אפילו את הירח הקטן ליבה נוזלית קטנה המבוססת על ניתוח מחודש האחרון של seismograms הירחי Appollo ^14. ליבות פלנטריות נוזליים עולות בקנה אחד עם אנרגיה גבוהה הצטברות בשלב המוקדם של היווצרות כוכבית לכת. הקירור הבא עשוי להוביל להיווצרות של ליבה פנימית מוצקה לכמה כוכבי לכת. נתונים סייסמיים גילו כי כדור הארץ מורכבת מליבה חיצונית נוזלית וליבה פנימית מוצקה. יש היווצרות של הגרעין הפנימי יש השלכות חשובות על הדינמיקה של הליבה מונעת על ידי convections תרמית וההלחנה והדור של השדה המגנטי של כדור הארץ.

ההתמצקות של הליבה הפנימית נשלטת על ידי את טמפרטורת ההתכה של חומרי ליבה ואת האבולוציה התרמית של הליבה. היווצרות ליבה של כוכבי הלכת ארציים משותפת נתיבי הצטברות דומים, וההרכב הכימי של הליבות נחשב לbדואר נשלט על ידי ברזל עם כ -10 אלמנטי% קלים משקל כגון גופרית (S), סיליקון (Si), חמצן (O), פחמן (C), ומימן (H) ^15. זה חיוני להיות בעל ידע של יחסי ההיתוך במערכות רלוונטיות לליבה, כמו Fe-Fes, Fe-C, Fe-פיאו, Fe-סא, ולחץ גבוה Fe-FeSiat, על מנת להבין את ההרכב של הליבות פלנטרית. במחקר זה, נדגים ניסויים שנערכו במכשיר רב סדן ותא יהלומי סדן, מחקה את התנאים של הליבות פלנטרית. הניסויים מספקים מידע על רצף ההתגבשות ומחיצות אלמנט בין מוצק לנוזל מתכת, מה שמוביל להבנה טובה יותר לדרישות של התגבשות הגרעין הפנימית וההפצה של אלמנטי אור בין הגרעין הפנימי גבישים והליבה נוזלית החוצה. כדי להאריך את יחסי היתוך ללחצים גבוהים מאוד, פיתחנו טכניקות חדשות לנתח דגימות הרווה התאוששו מיהלומי לייזר מחומםניסויי תא nvil. עם טחינת FIB הדיוק של לייזר במקום חימום, אנו קובעים נמסו תוך שימוש בקריטריוני מרקם מרווה צילמו עם רזולוציה גבוהה SEM ואנליזה כימי כמותית עם גלאי להיסחף סיליקון ברזולוציה מרחבית submicron.

כאן אנו מתארים שני סטים של ניסויים לחקות היווצרות ליבת כוכבי הלכת על ידי הפעפוע של מתכת נמסו במטריצת סיליקט בהצטברות מוקדמת והתגבשות גרעין פנימית על ידי קירור לאחר מכן. הסימולציה נועדה כדי להבין את שני תהליכים חשובים באבולוציה של ליבת כוכבי הלכת.

Protocol

1. הכן את חומרי המוצא ולשכות לדוגמא

1. להכין שני סוגים של חומרי מוצא, (1) תערובת של אוליבין סיליקט הטבעי ואבקת ברזל מתכתית עם 10 WT% גופרית (מתכת / יחסי סיליקט החל 4-30% WT) להדמיית הפעפוע של סגסוגת ברזל נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה במהלך היווצרות הגרעין הראשונית של גוף קטן פלנטרית, ו (2) תערובת הומוגנית של ברזל דק מעוגן טהור וברזל גופרי לקביעת התגבשות הגרעין הפנימי פלנטרית.
2. טוחנים את החומרים מתחילים אבקה מעורבת קנס כאמור באתנול במרגמת ברקת לשעה אחת ומיובש ב100 ° C.
3. טען את החומר המוצא לMgO sintered או Al ₂ O ₃ קפסולה (בדרך כלל 1.5 מ"מ קוטר ו1.5 באורך), ולאחר מכן למקם אותו בהרכבת תא לחץ גבוה לניסויים רב הסדן.
4. טען את תערובת Fe-פס לתוך תא מדגם קטן (בדרך כלל 100 בקוטר מיקרומטר ו25 & #181; מ 'עובי) שנקדח באטם רניום preindented לניסויי לייזר לחימום בתא יהלומי סדן. כריך תערובת Fe-פס בין שכבות NaCl המשמשים כמבודדים תרמיים.

2. ניסויים בלחץ גבוהים וטמפרטורה גבוהה במנגנון Multi-הסדן

1. ההרכבה תא לחץ גבוה רב הסדן מורכב מתמניון MgO כמדיום לחץ, שרוול ZrO ₂ כמבודדים התרמי, ורניום גלילי או תנור גרפיט. הקפסולה המדגם מתאימה בתוך התנור. צמד תרמי מסוג C מוכנס לתוך תא המדגם כדי לקבוע את טמפרטורת המדגם.
2. הנח את מכלול לחץ גבוה במכשיר בלחץ גבוה רב סדן לשמירת לחץ.
3. המנגנון רב הסדן מורכב מעיתונות 1,500 טון הידראולית ומודול לחץ המכיל טבעת תמך עם שישה פלחי דחיפה נשלפים ויצרו חלל מעוקבים במרכז ^15. H החלל מעוקבouses שמונה קוביות טונגסטן קרביד עם פינות הקטומות. הקוביות הקטומות, שתתכנסנה בהרכבת תא תמניון, מופרדות זו מזו על ידי אטמים לדחיסה. המנופים הידראוליים מעבירים את הכוח בצורה יעילה על ההרכבה המדגם על ידי שני שלבי תצורת סדן. איור 1 מדגים את הליך הניסוי לניסוי רב הסדן.
4. לחצים על המדגם ללחץ יעד בין 2-27-GPA בטמפרטורת חדר מבוסס על עקומת כיול לחץ לתקן נקודת ^16, ולאחר מכן לחמם אותו לטמפרטורות הניסיוניות עד 2,300 ° C על ידי חימום התנגדות חשמלי; לשמור על הניסוי בטמפרטורה קבועה למשך תקופת הניסוי, ולכבות את החשמל כדי להרוות את הדגימה לטמפרטורת חדר בסוף הניסוי.
5. לשחרר לחץ על ידי פתיחת שסתום שמן ההידראולי ולשחזר את תשלום הניסיוני.

3. ניסויי לייזר לחימום בתא יהלום סדן

1. לחץ בתא יהלומי סדן נוצר בין שני סדנים באיכות נוי חד גביש יהלום (כ 0.25 קראט כל אחד). אנו משתמשים בתא יהלומי סדן סימטרי לנהוג סדני ההפך מיושרים היטב עם מערכת בוכנה צילינדרים. התא הוא מסוגל לייצר לחצים המתאימים לתנאי הלחץ של הליבה של כדור הארץ ^17. טמפרטורה גבוהה מושגת על ידי חימום לייזר בתא יהלומי הסדן. אנו משתמשים במערכת במראש פוטון המקור (APS), המבוסס על טכניקת חימום לייזר דו צדדית ומורכב משני לייזרי סיבים, אופטיקה כדי לחמם את המדגם משני הצדדים, ושתי מערכות spectroradiometric למדידות טמפרטורה בשני הצדדים ^18. המערכת נועדה ליצור מקום גדול חימום (25 מיקרומטר קוטר), למזער את המדגם הדרגתיים טמפרטורת שני רדיאלית וaxially בתא סדן יהלום, ולמקסם את יציבות חימום. איור 2 מראה סכמטיים של תצורת הניסוי לניסוי בלייזר לחימום בתא יהלומי סדן עם תמונה של כתם לייזר לחימום.
2. יישר סדני היהלום עם 300 מיקרומטר culets וpreindent אטם רניום לעובי של 30 מיקרומטר מעובי ראשוני של 250 מיקרומטר.
3. לקדוח חור באטם preindented בקוטר של 120 מיקרומטר במרכז, ולטעון את המדגם בבור.
4. לחצים על המדגם ללחץ יעד בטמפרטורת חדר, ולאחר מכן לחמם את המדגם על ידי הגדלת כוח הלייזר בעת נטילת מדידות טמפרטורה ובמדידות עקיפה X-ray אתרו במתקן סינכרוטרון.
5. כבה את כוח הלייזר כדי להרוות את המדגם כאשר התכה חלקית הוא זוהה על ידי שינוי בקרינת תרמית ומהתבנית העקיפה.
6. לשחזר המדגם המחומם לאפיון אתרו לשעבר.

4. שחזור מדגם וניתוח

1. מוUNT המדגם רב סדן לאחזר בשרף אפוקסי וללטש את פני השטח שלו באמצעות חבילה של חצץ אבקת יהלומים מ150 מיקרומטר 0.25 מיקרומטר.
2. פחמן מעייל את פני השטח של המדגם ולטעון אותו לתוך חדר המדגם של מכשיר Zeiss אוריגה FIB / SEM קורה (איור 3 א) לניתוח.
3. יישר את המדגם לנקודה החופף של FIB ו SEM במרחק עבודה של 5 מ"מ (איור 3), ולאחר מכן premill המדגם לחשוף נפח 15 x 20 x 20 מיקרומטר ³ (איור 3 ג).
4. קח תמונות SEM בהפרש של 25 ננומטר באמצעות הפרוסה & פונקצית תצוגה על מכשיר Zeiss אוריגה FIB / SEM (באופן אוטומטי להקליט סדרה של תמונות לאחר טחינת יון קורה עם רזולוציית תמונה אופיינית של כ 35 ננומטר).
5. קלט קבצי נתוני תמונה לתוכנת הדמיה ולשחזר תמונות 3D כדי לחזות את ההתפלגות להמיס וקישוריות במדגם הרווה (איור 3ד).

תוצאות

יש לנו ערכתי סדרה של ניסויים באמצעות תערובות של אוליבין סן קרלוס וסגסוגת מתכת Fe-פס עם יחס המתכת סיליקט שונה, כמו חומרי המוצא. תוכן S של המתכת הוא 10% במשקל ס כאן אנו מראים כמה תוצאות נציג מניסויים בלחץ גבוה שבוצעו ב-GPA 6 ו1,800 ° C, תוך שימוש במכלולים רב סדן מכויל היטב ^15. ...

Discussion

הטכניקות לניסויים רב הסדן מבוססים היטב, שהניבו לחץ וטמפרטורה לתקופה ממושכת של זמן ריצה יציבים והפקה גדולה יחסית נפח דגימה. זהו כלים רבי עוצמה כדי לדמות את התהליכים הפנימיים של כוכבי הלכת, במיוחד עבור ניסויים, כגון חלחול להמיס, שדורשים מסוים נפח דגימה. ההגבלה היא הלחץ ...

Materials

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