מחיצות מתכת סיליקט בלחץ גבוה וטמפרטורה: שיטות ניסיוניות ופרוטוקול לדיכוי מאוד תכלילים אלמנט Siderophile

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

הוא חשב הצטברות יבשתית שהתרחשה כסדרה של התנגשויות בין גרמי-שמים עם הרכב בתפזורת chondritic, מסתיים בשלב ענק השפעה חשבה אחראי להיווצרות ירח ^1,2. חימום של פרוטו-האדמה על ידי השפעות והדעיכה של איזוטופים קצרי ימים היה מספיק כדי לגרום להתכה נרחבת והיווצרות של אוקיינוס ​​מאגמה או בריכות שדרכו צפופות נמס מתכתי פה עשיר יכול לרדת. כשהגעתי לבסיס של האוקיינוס ​​מאגמה, נמס מתכתי נתקל גבול, דוכן rheological, ולעבור לשיווי משקל מתכת סיליקט האחרון לפני סופו של דבר יורד דרך המעטפת המוצקה לליבה גדלה ^2. תקשורת כימית בין מתכת ועוד שלבי סיליקט כלהמס מתכתי חוצה הוא חשב את החלק המוצק של המעטפת ליימנע בשל הגודל הגדול וירידה מהירה של diapirs מתכת ^3. בידול עיקרי זה של כדור הארץ לליבה מתכתית וmant סיליקטle מתגלה היום על ידי שני תצפיות גיאופיסי וגיאוכימיים ^4-6. פירוש תצפיות אלה להניב תנאים מתקבלים על הדעת לשיווי משקל מתכת סיליקט בבסיס אוקיינוס ​​מאגמה, לעומת זאת, דורש מסד הנתונים מתאימים של תוצאות ניסויים.

המעטפת הפרימיטיבית העליונה (pum) היא מאגר היפותטי המרכיב את שאריות סיליקט של היווצרות ליבה וההרכב שלה ולכן משקף את ההתנהגות של יסודות קורט בשיווי משקל מתכת סיליקט. יסודות קורט מופצים בין המתכת וסיליקט נמס בהפרדת ליבה על בסיס הזיקה גיאוכימיים. סדר הגודל של העדפת אלמנטים לשלב המתכת יכול להיות מתואר על ידי מקדם מחיצת המתכת סיליקט

(1)

איפה ו מציין את הריכוז של אלמנט מתכת ואני בסיליקט להמס בהתאמה. ערכים של > 1 מצביע siderophile התנהגות (שוחרי ברזל) והתנהגות אלה 7, נחשב בדרך כלל כנציג של הרכב בתפזורת של כדור הארץ ^6,8. הדלדול זאת בשל תפיסה של אלמנטי siderophile ידי הליבה, ולאלמנטים עקשן הגודל שלה צריך ישירות משקף את הערכים של . ניסויי מעבדה ולכן מבקשים לקבוע ערכים על דלקת מפרקים שגרוניתnge של לחץ (P), טמפרטורה (T) וfugacity חמצן (ו O ₂₎ תנאים שרלוונטיים להפרדת מתכת מהבסיס של אוקיינוס ​​מאגמה. התוצאות של ניסויים אלה עשויים לשמש להתוות אזורים של P - T - O ו ₂ מרחב התואמים את שפע pum של אלמנטי siderophile מרובים (למשל, ^{9 - 11).}

לחצים ובטמפרטורות רלוונטיות לתרחיש אוקיינוס ​​מאגמה הגבוהים ניתן ליצור מחדש במעבדה או באמצעות בוכנה צילינדרים או לחץ רב-סדן. מנגנון הבוכנה הצילינדרים מספק גישה ללחץ מתון (~ 2 GPA) וטמפרטורה גבוהה (~ 2,573 K) תנאים, אך מאפשר כרכי מדגם גדולים ומגוון של חומרי כמוסה לשמש בקלות. שיעור הקירור המהיר גם מאפשר מרווה של מגוון רחב של יצירות להמיס סיליקט לזכוכית, ובכך לפשט פרשנות מרקם של הריצה המוצרים.המנגנון רב-הסדן בדרך כלל מעסיק כרכי מדגם קטנים יותר אבל עם עיצובי הרכבה מתאימים יכול להשיג בלחץ של עד 27 ~ GPA וטמפרטורות של ~ 3,000 ק השימוש בשיטות אלה אפשר נתונים מחיצות עבור רבים מבינוניים ומעט siderophile אלמנטים להיות נאסף על פני טווח גדול של P - תנאי T. תחזיות של הרכב pum מבוסס על נתונים אלה מצביעים על שיווי משקל מתכת סיליקט התרחש בתנאי לחץ וטמפרטורה ממוצע בעודף של 29 ~ GPA ו3,000 K בהתאמה, למרות שהערכים המדויקים תלויים מודל. כדי להסביר את שפע pum של אלמנטים רגישים חיזור מסוים (למשל, V, Cr) O ו ₂ חשבו גם להתפתח במהלך הצטברות מ~ 4-2 יחידות יומן מתחת לזה שהוטל על ידי ברזל קיים שיתוף וwüstite (FeO ) בתנאים שווי ערך PT (חיץ הברזל-wüstite) ^12.

למרות השפע של pum מ 'כל אלמנטי siderophile יכולים להיות מוסבר על ידי שיווי משקל מתכת סיליקט בבסיס אוקיינוס ​​מאגמה עמוק, זה הוכיח קשה להעריך אם מצב זה חל גם על האלמנטים הכי siderophile מאוד (HSEs). הזיקה הקיצונית של HSEs ברזל-מתכת שצוינה על ידי לחץ נמוך (P ~ 0.1 MPA) וטמפרטורה (T <1,673 K) ניסויים מצביעה על האדמה סיליקט צריכה להיות מדולדלת מאוד ברכיבים אלה. אומדנים של תוכן HSE לpum, לעומת זאת, רק מציינים מתון יחסית לדלדול chondrite (איור 1). פתרון נפוץ הניח לעודף HSE לכאורה הוא שכדור הארץ חוותה מאוחר הצטברות של חומר chondritic לאחר ליבה-היווצרות ^13. חומר צמח מאוחר זה היה מעורבב עם pum ומוגבה ריכוזי HSE אבל הייתה השפעה זניחה על אלמנטים שופעים יותר. לחלופין, הוצע כי האופי מאוד siderophile של HSEs שצוין על ידי P הנמוך - ניסויי T לא יתמידו לתנאי PT הגבוהים הנוכחים בליבה-ההיווצרות ^14,15. על מנת לבחון השערות אלה, חייבים להתבצע ניסויים כדי לקבוע את חלוקת המסיסות והמתכת סיליקט של HSEs בתנאים מתאימים. זיהום של חלק סיליקט של ריצה מוצרים הרווה במחקרים קודמים רבים, עם זאת, סיבך ניתוח הריצה מוצר וטשטש את מקדמי מחיצה האמיתיים לHSEs בין המתכת ונמס סיליקט.

בניסויים שבי מחיצות HSEs נמצאים ברמות הריכוז מתאימות לטבע, ההעדפה הקיצונית של אלמנטים אלה לפה-מתכת מונעת מדידתם בלהמס סיליקט. כדי לעקוף בעיה זו, מדידות מסיסות נעשות בי להמיס סיליקט רווי בHSE של עניין וערכים של מחושבים באמצעות הפורמליזם של אח בוריסובאל. ^16. סיליקט הרווה ריצה מוצרים מניסויי מסיסות HSE מבוצעים בהפחתת תנאים, עם זאת, לעתים קרובות להציג ראיות לזיהום על ידי HSE ± פה התפזר תכלילים ^17. למרות המצאות בכל מקום ליד של תכלילים אלה בO F הנמוך ₂ ניסויים המכילים Pt, עיר, Os, הנדון וRu, (לדוגמא, ^{18 - 27),} יש שונות בולטות בין לימודים במצגת המרקם שלהם; להשוות למשל מפנה ²² ו ^-26. למרות שזה כבר הוכיח כי תכלילים יכולים ליצור אשר שלב יציב בתנאי הפעלה של ניסוי ^28, זה אינו מונע את ההיווצרות של תכלילים כמדגם הוא הרווה. חוסר ודאות האופף את מוצאו של תכלילים הופך את הטיפול בתוצאות אנליטיות קשה, והוביל לעמימות על המסיסות האמיתית של HSEs בסיליקט המופחת נמס. ריצה מוצרים ללא הכללה נדרשים להעריךשמחקרים אימצו גישה האנליטית שמניבה ריכוזי HSE מומסים מדויקים. התקדמות ניכרת בדיכוי ההיווצרות של מתכת-תכלילים בתנאי צמצום עתה הוכיחה בניסויים באמצעות מנגנון בוכנה צילינדרים, שבעיצוב המדגם תוקן ממחקרים קודמים על ידי הוספה או Au או סי לחומרי המוצא ^29-31. התוספת של Au או Si יסודות לחומרים החל משנה את האבולוציה O הגיאומטריה מדגם F או ₂ של ניסוי בהתאמה. שיטות אלה נועדו לדכא היווצרות הכללת מתכת על ידי שינוי התזמון של HSE ב- דיפוזיה לעומת ירידת מדגם, והם דנו בנט ואח אל. ^31. בניגוד לכמה ניסיונות קודמים כדי לטהר את להמיס סיליקט של תכלילים, כגון איזון סייע מכאני ובוכנת הצילינדרים צנטריפוגה, הפרוטוקול הנוכחי יכול להיות מיושם ללא appar מיוחדatus ומתאים לניסויי PT גבוהים.

תאר בפירוט כאן היא גישה מבוססת בוכנה צילינדרים כדי לקבוע את המסיסות של הנדון, Os, עיר, Ru, Pt וAu בלהמס סיליקט בטמפרטורה גבוהה (> 1,873 K), 2 GPA וO ו ₂ דומה לזה של מאגר הברזל-wüstite. יישום של תכנון ניסוי דומה עשוי גם להוכיח מוצלח בניסויי HSE בלחצים אחרים, מתן יחסי שלב הנדרשים, הרטבת תכונות ויחסים הקינטית להתמיד לתנאים שנבחרו. קיימים נתונים עם זאת, אין בם כדי לחזות אם עיצוב המדגם שלנו יהיה מוצלח בלחצים המתאימים לאוקיינוס ​​מאגמה עמוק. כמו כן מתואר הוא גישה כללית המשמשת לקביעת מרכיב siderophile הבינוני ומעט (MSE וSSE בהתאמה) מחיצות באמצעות מכשיר רב-סדן. סיומת של בסיס הנתונים ללא הכללה לHSEs ללחץ גבוה עלולה להעסיק שיטות רב-סדן דומה. לְהַלבִּישׁאתר, נהלים אלה מספקים אמצעים להגבלת שני התנאים של ליבה-הפרדה ושלבי גדילה יבשתית.

Protocol

1) הכנה של חומר מוצא

1. בזלת סינתטית
   הערה: הרכב בזלת משמש כחומר מוצא סיליקט כיצירות depolymerized יותר, למרות שרלוונטיים יותר לתרחיש אוקיינוס ​​מאגמה, קשים או בלתי אפשריים כדי להרוות לזכוכית בבוכנת צילינדרים וניסויים רב-סדן.
   1. לשקול את הכמויות הרצויות של תחמוצת רכיב או קרבונט (Ca וNa) אבקות, למעט פה, ולהוסיף למרגמת אגת (ראה דוגמא בטבלה המס '1). משקל ~ 4 גרם תערובת Fe-חופשית אמורה לספק חומר התחלה מספיק לחבילה רחבה של ניסויים.
   2. להוסיף אתנול המרגמה הברקת עד האבקות שקועות אז לטחון לפחות 2 שעות באמצעות העלי ברקת לhomogenize שני גודל הרכב ותבואה של התערובת.
      הערה: ההומוגניות של יצירות קרקע מתחילה ניתן לבדוק על ידי בדיקת גלולה לחצה מתערובת האבקה עם מיקרופון אלקטרונים סורקroscope מצויד לניתוח הלחנה בספקטרוסקופיה רנטגן נפיצה אנרגיה.
   3. ברגע יסודיות הומוגני, למקם את המרגמה תחת מנורת חום 250 W, במרחק של ~ 20 סנטימטרים. לאחר שתערובת האבקה יבשה, אשר עשוי להימשך 20-60 דקות, להעביר אותו לאו אלומינה או mullite (alumino סיליקט) כור היתוך.
   4. לdecarbonate התערובת, מניח את כור ההיתוך עם תערובת האבקה לתוך כבשן תיבה ב RT ורמפה ל1,273 K במהלך 3-5 שעות. השאר את התערובת בתנור ב1,273 KO / N.
   5. הסר את תערובת decarbonated מתנור התיבה ולאפשר לו להתקרר לRT. ברגע מגניב, לשקול ולהוסיף ברזל לתערובת כמו גם FeO או Fe ₂ O ₃ אבקה (ראה טבלה 1). שינוי היחס של FeO לפה ₂ O _3, תוך שמירה המוחלטת התוכן פה באותו מאפשר O F הסופי ₂ של המדגם צריך להיות שונה. כדי לגשת ליותר הפחתת תנאים, ובכל הניסויים לחקור Pלא, גם להוסיף ~ .5-2.0% WT סי לתערובת. ברגע שFe (± Si) נוספו, מחדש homogenize התערובת על ידי שחיקה באתנול שוב עם מרגמה אגת ועלי.
   6. ייבש את התערובת הומוגני תחת מנורת חום ולאחר מכן להעביר אותו לבקבוקון פגז. חנות בתא ייבוש עד מוכן לטעון את כמוסת המדגם.
2. שלב מתכתי: Re, Os, עיר, ניסויי Ru
   1. בניסויים שנועדו לחקור מחדש, Os, עיר או Ru, להכין 3: תערובת של Au וHSE של עניין, תוך שימוש באבקות מתכתיות טוהר גבוה: 1 על ידי משקל (1 לRu, כדי להסביר את ההבדל במסה אטומית 6) . תערובת במשקל ~ 500 מ"ג אמורה לספק חומר התחלה מספיק לחבילה רחבה של ניסויים.
   2. מעבירים את התערובת לתוך כור היתוך גרפיט ולכסות עם מכסה גרפיט. לאחר מכן למקם את כור ההיתוך המכוסה לתנור תיבה בטמפרטורה של 1,473 K ל~ 5 דקות. ברגע שהוסר מהתנור, משאיר את מכסה כור ההיתוך במקום עד לאסיפה יש COOהוביל לRT.
      זהירות: חימום של אוסמיום באוויר עלול לגרום להיווצרות של tetroxide אוסמיום התרכובת הרעיל. אוסמיום מתכת היא גם גירוי עור ידוע, לראות MSDS ל# 7440-04-2 CAS.
      הערה: תהליך זה נמס (נקודת ההתכה ~ 1,337 K) Au אבל לא HSE הנלווה, וכתוצאה מכך ההיווצרות של חרוז מתכתי שבי HSE עניין מוקף קליפה של Au.
   3. הסר את חרוז המתכתי מכור היתוך גרפיט ולהשתמש בסכין גילוח לחלק אותו לחתיכות קטנות יותר אשר מודדות ~ 1 מ"מ בממד הארוך ביותר שלהם. ברגע שחתך, למקם את חרוזים לתוך בקבוקון פגז וחנות בייבוש.
3. שלב מתכתי: ניסויי Pt
   הערה: ניסויים לחקור Pt לא יכול להתבצע באמצעות טכניקת חרוז מצופה Au בשל miscibility המלא של Pt וAu בטמפרטורה גבוהה (> 2,042 K על 0.1 מגפ"ס ^32). זה מונע גיאומטריה מדגם לפי Pt מופרד פיזי מלהמס סיליקט במהלך ניסוי על ידי קליפהשל Au.
   1. לערבב ביסודיות אבקות מתכתיות של Pt ועיר ביחס של 1: 1 על ידי משקל לעשות כולל של 500 מ"ג ~ של תערובת. לאחר מכן, להוסיף ~ 20 מ"ג של אבקה פה מתכתית, כך שFe כולל ~ 4 אחוזים במשקל של התערובת הכוללת.
   2. סרט תרגיל נקי ריק (לחלופין, השוק של תרגיל ניתן להשתמש במקום של ריק תרגיל) עד ​​לקצה של שולחן עבודה, כך ש~ 3 בולט מ"מ מהשולחן. מקם שפופרת זכוכית סיליקה, עם קוטר פנימי של ~ 2-3 מ"מ וקוטר חיצוני של ~ 4-6 מ"מ, על הקצה הבולט של התרגיל ריק.
   3. מניחים את תערובת PtIrFe לתוך צינור הזכוכית ולהכניס ריק תרגיל אחר מעליו. שני כדורי סרק התרגיל צריך להיות בקוטר יותר מ 0.1 מ"מ קטן יותר מאשר הקוטר הפנימי של צינור זכוכית סיליקה לא. קרה-עיתונות התערובת מתכתית על ידי לחיצה על החסר התרגיל יחד ביד (איור 2).
      זהירות: שימוש בכוח מופרז במהלך שלב לחיצה-הקר יכולה לגרום לזכוכית סיליקה לנפץ).
   4. שים את האבקות בכבישה קרות, עדיין בתוך שפופרת זכוכית סיליקה, לכור היתוך אלומינה ולהשעות בחלק מגניב של תנור צינור אנכי ללישת גז. להעלות את טמפרטורת התנור ל1,673 K ובאמצעות CO-CO ₂ תערובות גז, להגדיר את O F התנור ₂ לערך קרוב למאגר הברזל-wüstite.
      הערה: בלחץ הסביבה ו1,673 K, מאגר הברזל-wüstite המתאים לO ו ₂ של 1.93 x 10 ^-10 אבא ^33. ניתן למצוא הקשר בין CO-CO ₂ ערבוב יחס, טמפרטורה וF O ₂ בהתייחסות ^34. לחיץ הברזל-wüstite ב1,673 K להשתמש בתערובת גז הכוללת CO 22.25% כרך ₂ ו- CO% 77.75 כרך.
      1. ברגע שהם הגיעו לטמפרטורה וF O הרצוי _2, להוריד את כור היתוך אלומינה, כך שהוא מתגורר במקום החם התנור ולהשאיר O / N לאבקות לחצו כדי לחשל.
   5. הסר את crucible ולחץ אבקות מהתנור-ערבוב הגז ולאפשר להם להתקרר. אם שפופרת זכוכית סיליקה היא עדיין שלמה, להשתמש ריק תרגיל לדחוף את האבקה מרותק מהצינור. שימוש במספרי תיל, לשבור את האבקה מרותק לחתיכות קטנות מספיק כדי להתאים בתוך כמוסת המדגם נבחרה לניסוי.
   6. העבר את חתיכות מתכת לבקבוקון פגז וחנות בתא ייבוש עד נדרשים.
4. שלב מתכתי: ניסויים רב-סדן
   1. בניסויים כדי לקבוע את חלוקת אלמנטי siderophile הבינוני ומעט, לערבב את אבקת בזלת סינתטית עם אבקת Fe-מתכת בשיעורים שווים.
      הערה: חלק חלק מפה ניתן להוסיף כסגסוגת Fe-סי, בדרך כלל, כך שSi כולל 8% WT של <החלק המתכתי. זה יבטיח O ו הניסיוני ₂ נשאר נמוך.
   2. הוסף את יסודות קורט נבחרו כאבקות מתכת-תחמוצת לתערובת הבזלת בתוספת מתכת. Homogenize החומר המוצא של גרinding תחת אתנול עם מרגמה אגת ועלי. כמות יסודות קורט הוסיפו יהיו תלוי באלמנט המדויקת נחקרת, לעומת זאת, ריכוז נומינלי של כמה אלף עמודים לדקה עד 2% wt אופייני ^10,35.
   3. ברגע שהומוגני, לייבש את החומר מוצא האבקה תחת מנורת חום, להעביר אותו לבקבוקון פגז אז חנות בתא ייבוש עד צורך.

2. הכנת רכיבי עצרת

1. בוכנה צילינדר
   הערה: ההרכבה צילינדר הבוכנה מורכבת מכמוסת גרפיט שנתמכת בנקודה החמה של דוד התנגדות גרפיט באמצעות חתיכות מגנזיה פריכות. תרמי אלומינה עטוף ממוקם axially דרך החלק העליון של ההרכבה לניטור טמפרטורות בחלק העליון של המדגם. התנור מוקף לאחר מכן על ידי Baco ₃ תאים הפועלים כשני בינוני לחץ ומבודד תרמית ^36. ממדי ההרכבה מסופקים באיור 3 א. רשימה של חומרים המשמשים לדוגמה את הניסויים ומקורותיהם מסופקות בטבלה 2.
   1. מכונת חתיכות כמוסות גרפיט, חבר קצה גרפיט ותמיכת מגנזיה לממדים הנדרשים עם מחרטת מרכז, באמצעות מוטות גרפיט ומגנזיה טוהר גבוה או צינורות בהתאמה כחומרי מוצא (איור 3 א).
      הערה: ניסויים לחקור מחדש, Os ועיר, סגסוגות HSE-פה יכולות להיות תחליף לגרפיט כחומר הכמוסה ^29,30.
   2. Sonicate כמוסות גרפיט באתנול ל~ 1 דקות ב RT, אז יבש תחת מנורת חום באותו אופן כפי שהורה לחומרי המוצא אבקה. לאחר יבש, להעביר את הכמוסות לבקבוקון פגז וחנות בתנור ייבוש או ייבוש עד נדרשים.
   3. מניחים את חתיכות תמיכת מגנזיה באו אלומינה או כור היתוך mullite ולחשל ב1,573 K בתנור תיבה לפחות 8 שעות. לאחר חישול, לאפשר החתיכות להתקרר ולאחר מכן חנותבייבוש נשמר תנור ב ~ 393 ק
   4. כדי להפוך את התאים פחמה בריום, לערבב ראשון Baco אבקה ₃ ועותק טונר משומש ב -99: 1 פרופורציות לפי משקל. מינימום של 7.4 גרם של תערובת נדרש לניסוי אחד. מעיל החלק הפנימי של קוביית פלדה בגודל מתאימה (ראה איור 3 א לממדים של Baco ₃ שרוולים) עם או חומר סיכה יבש מבוסס גרפיט או סוכן מבוסס PTFE שחרור עובש (טבלה 2).
   5. g 3.7 קרה-העיתונות של התערובת ל~ 250 מגפ"ס באמצעות למות פלדה ולחץ הידראולי. השאר את התערובת בלחץ 1 דקות לפני שחרור לחץ. זה יהיה לייצר שרוול עם גובה של 17 מ"מ. שני שרוולים נדרשים עבור כל הרכבה.
      הערה: הסדר 2 התאים שתואר לעיל ומשמש בחלק מהמחקרים קודמים ^{מאי 29-31} להחליף לBaco ₃ תא בודד מתן למות גודל מתאים הוא זמין.
   6. ברגע שהוסר מלמות, כונן את עותק הטונר על ידי חימום השרוולים מRT 923 K במהלך כמה שעות בתנור קופסא, אז מחזיק בטמפרטורה זו ל~ 30 דקות. שים לב לשינוי בצבע שחור לכתום פעם עותק הטונר הוסר. אחסן את השרוולים מרותק בייבוש נשמר תנור ב ~ 393 ק
2. רב-סדן
   הערה: ההרכבה רבת-הסדן כוללת כמוסת מדגם שממוקמת בנקודה החמה של דוד התנגדות גרפיט גלילי באמצעות MgO הפריך או אל ₂ O ₃ חתיכות מילוי. דוד מוקף בשני תמניון הקרמיקה sintered או ניתנת ליציקה שפועל גם בינוני לחץ ומבודד תרמית. תרמי יכול להיות ממוקם גם צירי או רוחבי בהתאם לעיצוב ההרכבה. ישנם מספר רב של גדלים ועיצובים של הרכבה המשמשים לניסויים רב-סדן, בהתאם למטרה וP הרצוי -. תנאי T איור 4 מציג כsembly עיצוב השתמש בעבר כדי לבצע ניסויי מחיצות מתכת סיליקט ב -3.6 ו -7.7-GPA ^35.
   1. הכן כמוסות גרפיט ומגנזיה פריכה או שרוולי zirconia מצינורות טוהר גבוהים באותו אופן כפי שצוין עבור ניסויי גליל בוכנה. הממדים הנדרשים מסופקים באיור 4 א.
   2. הפוך את תקע אלומינה מאורכו של מוט אלומיניום ירה קשה. להשתמש בקובץ יהלומים להבקיע את המוט שבו הוא להיות שבורים, ולאחר מכן הצמיד את המוט לאורך הנדרש ביד (ראה איור 4 א לממדים). השתמש בקובץ כדי להסיר כל קוצים הנובעים משבירת המוט. נקה את התקע על ידי sonicating זה באתנול ב RT.
   3. הכן octahedra עם אורך 18 מ"מ מתומנת קצה (OEL) באמצעות קרמיקה 2-חלק ניתנת ליציקה מבוססת MgO (ראה טבלה 2) ועובש בגודל המתאים. העובש כולל לנענע המחזיקה 8 קוביות קטועות, מופרד על ידי גיליונות עם עובי שווה לזה רצוי עבור הדואר נוצר מראש אטמים ^37.
      1. לoctahedra עם 18 מ"מ OEL, קוביות שימוש עם מ"מ 11 נקטע קצה אורך (אביב) וגיליונות שהם 3 מ"מ עובי. השתמש באחת מאלומיניום או PVC לחומרי קובייה וגיליון. להרכיב את העובש, סיכה כל החלקים שייצרו קשר עם הקרמיקה ניתנת ליציקה עם גריז סיליקון. השאר קובייה אחת מפורקת לספק נקודת כניסה לתערובת קרמית.
      2. מערבבים את אבקת הקרמיקה וactivator הנוזלי ב100: 30 על ידי יחס משקל ומערבבים היטב. יוצקים את התערובת לתוך התבנית, להבטיח שאין כיסים לכודים של אוויר. הכנס את הקובייה שנותרה ולאפשר את התערובת להגדיר לפחות 2 שעות. כל תמניון דורש ~ 15 גרם של תערובת קרמית.
   4. לאחר הגדרה, להסיר את תמניון מהתבנית, ליבש ל~ יום 1 בתנור ייבוש ב393 K אז לחשל ב1,273-1,373 K בתנור קופסה ל~ 2 שעות.
   5. לאפשר תמניון להתקרר לRT באוויר, ואז לקדוח חור בקוטר 7.3 מ"מ כפי שצוין באיור 4 כדי להתאים את שרוול בידוד, דוד גרפיט ורכיבי מדגם שנותרו.
   6. חנות בתנור ייבוש ב ~ 393 K עד מוכן להרכיב את הניסוי.

3. אסיפה של הרכיבים

1. עצרת של ניסוי הבוכנה הצילינדרים
   1. טען את כמוסת מדגם גרפיט על ידי החדרת מתכת HSE נושאות הראשונה ולאחר מכן הוספת אבקת בזלת סינתטית עד הכמוסה מלאה. שימוש בהסדר יציב בכוח הכביד ממזער את הסיכוי למהפך במהלך הניסוי ונועד למנוע פיזור של השלב המתכתי דרך פעולה מכאנית.
   2. מניחים כמות קטנה (בדרך כלל <50 מ"ג) של אבקת MgO היבשה בבסיס החלל שנועד להחזיק את כמוסת המדגם. זה משטח את פני השטח המחודדים נוצרו כאשר קידוח החור ובתורו מפחית כוחות גזירה במהלך דחיסת מדגם שעלולה לסדוק את הכמוסה.
   3. להרכיב את כל המשוגעים בעבררכיבים אלקטרוניים, כפי שמוצג באיור 3.
   4. לעטוף פיסת נייר עופרת עבה 30 מיקרומטר סביב ההרכבה, מתקפל חלק (~ 1.5 מ"מ) קטן של נייר כסף על הקצה החשוף של Baco ₃ שרוול התחתון. הכנס את ההרכבה לכלי לחץ טונגסטן קרביד נשא 12.7 מ"מ, יחד עם התוספת בסיס (לעיל) ופלדת קצה חתיכה כפי שמוצג באיור 3 א (להלן).
      הערה: יש מנגנון בוכנה הצילינדרים טעון סוף שני אילים הידראוליים. גשר בפישוק האיל הנמוך מאפשר בוכנה טונגסטן קרביד להפעיל לחץ על החלק התחתון של המדגם. האיל העליון מתקן את המיקום של פני השטח המדגם העליונים וחל קצה עומס לכלי הלחץ שנותן תמיכה נוספת לליבת טונגסטן קרביד ^38. איור 3 ג תערוכות מנגנון צילינדר בוכנה באוניברסיטת טורונטו עם הגשר במקום. חיכוך-תיקון -9% מוחל על חשבון על ההבדל בין לחץ המדגם הנומינליד שחווה על ידי המדגם ^39.
   5. מקם את הגשר, כלי לחץ ובסיס צלחת בין האילים הידראוליים. הבא לעשות תרמי C-סוג באמצעות צינור אלומינה ירה קשה 4 חור-עם קוטר חיצוני של 1.6 מ"מ. צינור אלומינה יש לחתוך ארוך מספיק כדי לאפשר ~ 1-2 מ"מ של הצינור כדי לבלוט מעל פני השטח העליון של הראש-הצלחת.
   6. להאכיל את שני יצירות התיל (ראה טבלה 2) דרך חורים סמוכים בצינור, להפוך את הקצוות דרך 180 מעלות ולאבטח אותם בכך שהחורים המנוגדים החוטים לחצות. הכנס את הצמד התרמי באמצעות הצלחת העליונה ולהרכבה, כך שהצומת היא ישירות מעל המדגם. לבודד את שארית החוטים התרמי באמצעות צינורות טפלון גמישים, עוזב חלק 10-20 מ"מ נחשף בסוף.
   7. מניחים כל מפרידי מתכת נדרשות במקום בין הצלחת העליונה והאיל העליון. במהלך עצרת, גיליונות מיילר העמדה הן מעל כלי הלחץ וביןהעליון של ההרכבה והאיל העליון. גיליונות אלה חשמליים לבודד את מעגל חימום מדגם משאר מכשירים.
2. עצרת של הניסוי רב-הסדן
   1. הפוך תרמי C-סוג באמצעות צינור אלומינה ירה קשה 4 חור-ידי האכלת שני החוטים דרך חורים בצינור סמוכים, הופכים את הקצוות דרך 180 מעלות ואבטחתם של החורים המנוגדים. לבודד את שארית החוטים באורך קצר (~ 20 מ"מ) של צינור אלומיניום ולאחר מכן חומר טפלון בידוד, עוזב חלק 10-20 מ"מ של חוט חשוף בסוף.
   2. הכנס את שרוול zirconia ודוד גרפיט לתמניון, ואז לחתוך חריצים כפי שצוין באיור 4. הכנס את הצמד התרמי לחלק העליון של תמניון ומקם את זרועות אלומינה מכוסות לתוך החריצים. השתמש מלט zirconia (ראה טבלה 2) כדי למלא את חלל הריק שמסביב התרמי ולאפשר לו להתייבש.
   3. כדי לבודד את ג'ו התרמימכמוסת גרפיט, להוסיף אבקת MgO מהבסיס של תמניון עד החוטים החשופים מכוסים. פחות מ -50 מ"ג של אבקה הוא בדרך כלל מספיק כדי להקיף את החוט החשוף. כדי להבטיח אריזה הדוקה של אבקת MgO, להשתמש ריק תרגיל ללסתום את האבקה הרופפת.
   4. לטעון כמוסת גרפיט עם חומר המדגם שהוכן קודם לכן ומניח לתמניון מהצד הפתוח. הכנס את תקע אלומינה כדי להשלים הרכבה של תמניון.
   5. על 4 לקוביות בב"ש (הטבלה 2) להשתמש אצטט פוליוויניל להדביק אורכים קצרים של לזה-עץ, אחד בכל אחד מפרצופי 3 בסמוך לפינה הקטומה של הקובייה. כל פיסה בלזה-עץ צריכה למדוד ~ 4.4 מ"מ בגובה ורוחב על ידי ~ 9.0 מ"מ אורך, לגודל תמניון שמוצג באיור 4. בכל פניה, למקם את החתיכות בלזה-העץ ברבע מול הקצה הקטום.
   6. להרכיב 4 של הקוביות כדי ליצור ריבוע במבט מטוס, 2 עם ובלי 2 woodeחתיכות n מצורפים. כוון את הקצוות הקטומים להתמודד מרכז הכיכר.
   7. מקם את תמניון במרכז הקוביות, כך שהיא נתמכת על ידי הקצוות הקטומים. אז זווית הנשק התרמי, כך שהם יוצאים מפינות נגדיות של הריבוע (איור 5 א ')
   8. מניחים את הקוביות בב"ש שנותרו לעמדה כדי ליצור קובייה עם תמניון במרכזו, על מנת להבטיח כי הקוביות עם חתיכות עץ מחוברים שאר על גבי קוביות שאין להם מפרידי עץ.
   9. דבק חתיכות מרובעות של ~ 0.5 מ"מ גיליון עבה G10 (ראה טבלה 2) לכל פנים של הקובייה נאספה באמצעות דבק cyanoacrylate-סוג. לקוביות בב"ש 32 מ"מ, ישתמש בגיליונות G10 מדידה ~ 55 מ"מ x 55 מ"מ. יש שתי הקוביות בב"ש truncations שקשר עם דוד ההתנגדות ובכך מהווה חלק ממעגל החימום החשמלי. לגיליונות שקשר עם קוביות אלה, לחתוך 2 חריצים צרים (<רוחב 1 מ"מ) כפי שצוינה באיור 5 ומניחים חתיכת רדיד נחושת כדי שלא מספק נקודת המגע בין סדני 1 ו 2 שלבים.
      הערה: המנגנון רב-הסדן מנצל מערכת 2 שלבים של סדנים בתוך טבעת שמירה. סדני השלב הראשונים מהווים 6 טריזים נשלפים היוצרים חלל מרכזי מעוקב. חלל זה מתאים 8 קוביות טונגסטן קרביד עם פינות קטומים (סדני שלב שני) המקיפים את תמניון הקרמיקה ^40. כוח בכיוון אנכי פנה לסדני השלב הראשונים על ידי לחץ הידראולי מועבר אפוא לתמניון באופן שגורם לדחיסה מעין-ההידרוסטטי של המדגם. מערכת היחסים בין לחץ שמן בלחץ האיל ומדגם יכול להיות מכוילת להרכבה מתומנת יצוק 18 מ"מ OEL המתואר כאן באמצעות הנהלים שתוארו על ידי ^41.
   10. חותך 2 גיליונות של מיילר העבה .076 מ"מ לממדים שמוצגים באיור 6 ומעיילם באמצעות חומר סיכה PTFE יבש.
       1. עמדה אחת של הגיליונות החתוכים מראש לטבעת החיזוק (קצה ישר בבסיס) והכנס את נמוך יותר שנקבע של 1 סדני -stage ^st, שהן עצמן מגובות עם מיילר העבה .076 מ"מ ומצופות בחומר הסיכה PTFE (איור 5). הסט התחתון של סדנים ניתן להשאיר במקום בין ריצות. הנח את הקובייה התאסף לתוך הסט התחתון של סדני 1 שלב-ולחבר את הנשק התרמי לחוטים תרמי מאוזנים שיציאת מודול הלחץ.
       2. מקם את גיליון 2 ^nd מראש לחתוך מיילר לטבעת שמירה (קצה ישר לראש) והכנס את הסט העליון של 1 סדני -stage ^st, שאמורה להיות מיילר מגובה ומשומן באותו אופן כפי שנקבע נמוך יותר. הסדר זה ​​מניב מיילר משומן למגע מיילר בין סדני 1 ^st -stage וטבעת שמירה המפחיתה את אובדן דחף איל לחיכוך על ידי ~ 30% בהשוואה להסדר גיליון מיילר אחת ^37.
          הערה: עוביים ומידות של גיליון מיילר יהיו תלויות לאבשימוש שהוא עיצוב של מודול הלחץ מדויק. שתואר לעיל ובאיור 6 הם הממדים בשימוש במעבדה הגיאופיסי, מכון קרנגי בוושינגטון.

4. הפעלת הניסוי

1. לאחר המדגם הוא הביא ללחץ הנדרש, החום בשיעור של 100 K / min עד שתגיע לטמפרטורה הרצויה להתעכב. במהלך שלב החימום, נפט באיל המדגם ייתכן שיצטרך להיות מותאם על מנת לשמור על לחץ שמן קבוע.
2. לאחר התקופה להתעכב, להרוות את המדגם על ידי חיתוך כוח לתנור. ברגע שהמנגנון מתקרר לRT, לשחרר לחץ לאט המדגם.

מוצר הפעלת ניתוח 5.

1. לניסויי גליל בוכנה, לחלץ את הניסוי המוגמר מכלי הלחץ באמצעות מנופים הידראוליים. עם זוג מספרי החובה כבדה להסיר את החלקים החיצוניים של ההרכבה כדי לשחרר את הקפסולה גרפיט (cylind בוכנהאה) או תנור מכיל כמוסת המדגם וחתיכות תמיכה (רב-סדן).
2. הר המדגם באפוקסי (בדרך כלל כדי ליצור דיסקוס קוטר 25.4 מ"מ) (איור 7 א). באמצעות 320-600 חצץ נייר סיליקון קרביד, לטחון לתוך המדגם לחשוף את השלבים להמיס סיליקט ומתכתי הרווה. פולני המשטח החשוף או באמצעות אלומינה או השעיה יהלומים עם ירידה בגדלים חצץ החל ~ 15-0.3 מיקרומטר.
3. מעיל פחמן פני השטח של המדגם המלוטש ⁴² ולנתח את הרכב המרכיב המרכזי של ריצה מוצרי סיליקט המתכת ועל ידי ניתוח מיקרו בדיקה אלקטרון (EPMA). השתמש בקוטר חסר מיקוד (10 מיקרומטר) קרן לניתוח סיליקט כדי למנוע הגירה של אלמנטי אלקלי מאלומת האלקטרונים. ניתן למצוא תנאים אנליטיים וסטנדרטים המשמשים לאפיון דגימות קודמות שנוצרו עם הפרוטוקול לעיל באזכור ^{29 - 31,35}
   הערה: בניסויים לinvestigatMSE דואר ומחיצות SSE, EPMA יכולים גם להוכיח מתאימים לניתוח של האלמנטים נותב, בתנאי שהם נמצאים בריכוזים מספיקים.
4. בעקבות ניתוח מרכיב מרכזי, להסיר את מעיל פחמן באמצעות 0.3 מיקרומטר חצץ אלומינה. השתמש אבלציה לייזר ספקטרומטריית מסת פלזמה בשילוב אינדוקטיבי (LA-ICPMS) כדי לקבוע את תוכן אלמנט עקבות של הריצה המוצרים. למבוא לניתוח לטעום ידי LA-ICPMS, אנא ראו התייחסות ^43.
   הערה: מחקרי מסיסות איזוטופים HSE הקודמים של סידן וניקל שימש בהצלחה כסטנדרטים פנימיים כדי להפחית את הנתונים, תוך שימוש בשתי חומרי התייחסות גפרתי בהתאמה ^29,30 זכוכית ו. כל הניתוחים יש קדמו לעבור יחיד של אבלציה, ואחרי שטיפת תא אבלציה לפחות 60 שניות. זה מבטיח שום זיהום פני השטח שיכול לנבוע מליטוש הריצה המוצרים הניסיוניים אינו משפיע על התוצאות.

תוצאות

דוגמאות הבאות ומוקד דיון על ניסויים כדי לקבוע מסיסות HSE בסיליקט נמס בO F הנמוך _2. לדוגמאות מקיפות של כמה MSE ונתונים מחיצות SSE מניסויים רב-סדן עשוי לשמש כדי להגביל את P - T - O ו ₂ תנאים של הפרדה מתכת ליבה, הקורא נקרא אזכור ^{9 -. 11} איור 7-D

Discussion

התוצאות של ניסויים ללא הכללה בוצעו באמצעות הפרוטוקולים שתוארו כאן בעבר בהשוואה לנתוני ספרות באזכור ²⁹ (OS, עיר, Au), ³⁰ (Re, Au) ו- ³¹ (Pt). Pt הוא מאלף ביותר בהוכחת התועלת של ריצה מוצרים ללא הכללה. לניסויים לרוץ בO F הנמוך _2, ארטל et al. ⁴⁸ שהוקצו ת?...

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