Simulação do Planetary Interior Diferenciação processos laboratoriais

Resumo

As experiências de alta pressão e de alta temperatura aqui descritas imitar processos de diferenciação interior planeta. Os processos são visualizados e melhor compreendido por imagens de alta resolução 3D e análise química quantitativa.

Resumo

Um interior planetária é, sob condições de alta pressão e de alta temperatura e tem uma estrutura em camadas. Existem dois importantes processos que levaram a que a estrutura em camadas, (1) de percolação de metal líquido numa matriz sólida por silicato planeta diferenciação, e (2) a cristalização do núcleo interior por planeta subsequente arrefecimento. Conduzimos experiências de alta pressão e de alta temperatura para simular os processos em laboratório. Formação de núcleo planetário percolativo depende da eficiência de filtração de fusão, o qual é controlado pelo (molhagem) diedro. A simulação de percolação inclui o aquecimento da amostra a alta pressão a uma temperatura-alvo à qual liga de ferro-enxofre é fundido, enquanto o silicato continua sólida, e, em seguida, determinar o verdadeiro ângulo de diedro para avaliar o modelo de migração de líquido numa matriz cristalina de visualização 3D. A renderização de volume 3D é obtido por corte a amostra recuperado com um feixe focalizado de íons (FIB) e taimagem rei SEM de cada fatia com um instrumento viga FIB / SEM. O segundo conjunto de experiências foi concebido para compreender a cristalização e o elemento de distribuição do núcleo interno entre o núcleo externo líquido e sólido núcleo interior por meio da determinação da temperatura de fusão e o elemento de repartição de pressão elevada. As experiências de fusão são efectuadas no aparelho multi-bigorna até 27 GPa e estendida a uma maior pressão na célula de diamante-bigorna com laser de aquecimento. Nós desenvolvemos técnicas para recuperar pequenas amostras aquecidas por moagem precisão FIB e obter imagens de alta resolução do local laser-aquecido que mostram fusão textura em alta pressão. Ao analisar a composição química do líquido coexistindo e fases sólidas, nós precisamente determinar a curva liquidus, fornecendo os dados necessários para compreender o processo de cristalização do núcleo interno.

Introdução

Os planetas terrestres como a Terra, Vênus, Marte e Mercúrio são corpos planetários diferenciados constituídos por um manto de silicato e um núcleo metálico. O modelo de formação do planeta moderno sugere que os planetas terrestres foram formadas a partir de colisões de embriões planetários Lua-a-do tamanho de Marte cultivadas a partir de planetesimais ou maior porte quilômetros através de interações gravitacionais ^1-2. Os planetesimais foram provavelmente já diferenciado uma vez que as ligas de ferro metálicos atingido temperatura de fusão devido ao aquecimento a partir de fontes como o decaimento radioativo de isótopos de vida curta, como ²⁶ Al e ⁶⁰ Fe, impacto e liberação de energia potencial ^3. É importante compreender a forma como o metal líquido percolado através de uma matriz de silicato durante a diferenciação precoce.

Diferenciação do planeta poderia prosseguir através da separação líquido-líquido eficiente ou por percolação de metal líquido em uma matriz de silicato sólida, dependendodo tamanho e da temperatura no interior dos corpos planetários. A percolação de metal líquido na matriz de silicato sólido é provavelmente um processo dominante na diferenciação inicial, quando a temperatura alta não é suficiente para fundir a totalidade do corpo planetário. A eficiência de filtração depende do ângulo diedro, determinada pelas energias interfaciais das interfaces sólidas-sólido e sólido-líquido. Podemos simular este processo em laboratório através da realização de ensaios de alta pressão e de alta temperatura sobre uma mistura de liga de ferro e silicato. Estudos recentes têm ^4-7 investigaram a capacidade de molhagem de ligas de ferro líquido numa matriz sólida de silicato a alta pressão e temperatura. Eles usaram um método convencional para medir as distribuições de freqüência relativa de ângulos diedros aparentes entre o metal líquido temperado e grãos de silicato nas secções transversais polidas para a determinação do verdadeiro ângulo diedro. O método convencional produz relativamente grande uncertainties no ângulo diedro medido e possível viés em função das estatísticas de amostragem. Aqui apresentamos uma nova técnica de imagem para visualizar a distribuição de metal líquido na matriz de silicato em três dimensões (3D) por combinação de moagem FIB e de alta resolução de emissão de campo SEM imagem. A nova técnica de imagem fornece a determinação precisa do ângulo diedro e medida quantitativa da fracção de volume e da conectividade da fase líquida.

O núcleo da Terra foi formado em um tempo relativamente curto (<100 milhões de anos) ^8, presumivelmente em estado líquido em sua história. Marte e Mercúrio também têm núcleos de líquidos com base em energia solar deformação das marés a partir dos dados de rastreamento de rádio Mars Global Surveyor ⁹ e padrões salpico radar ligados à rotação planetária ^10, respectivamente. Modelos de evolução térmica e experimentos de fusão de alta pressão sobre materiais nucleares apoiar mais um núcleo marciano líquido11-12. Dados recentes sonda MESSENGER fornecem evidências adicionais para um núcleo líquido de Mercúrio ^13. Mesmo a pequena Lua provavelmente tem um pequeno núcleo líquido com base em recente reanálise dos Appollo sismogramas lunares ^14. Núcleos planetários líquidos são consistentes com alta energia de acreção na fase inicial da formação do planeta. O arrefecimento subsequente pode levar à formação de núcleo interior para alguns planetas. Os dados sísmicos revelaram que a terra consiste de um núcleo de líquido exterior e um núcleo interior. A formação do núcleo interior tem implicações importantes para a dinâmica do núcleo accionado por convecções térmicas e de composição e a geração do campo magnético do planeta.

A solidificação do núcleo interior é controlado pela temperatura de fusão dos materiais do núcleo e da evolução térmica do núcleo. Formação do núcleo de planetas terrestres partilhada caminhos semelhantes acreção e a composição química dos núcleos é considerado abe dominados por ferro com cerca de 10% em peso de elementos leves, tais como o enxofre (S), de silício (Si), oxigénio (O), carbono (C) e hidrogénio (H) ^15. É essencial ter o conhecimento das relações de fusão dos sistemas relevantes para o núcleo, tal como Fe-FeS, Fe-C, Fe, Fe-FeO-FEH, e Fe-FeSiat alta pressão, a fim de compreender a composição de os núcleos planetários. Neste estudo, iremos demonstrar experiências realizadas no dispositivo multi-bigorna e célula-diamante bigorna, simulando as condições de os núcleos planetários. As experiências fornecem informação sobre a sequência de cristalização e elemento de particionamento entre o metal sólido e líquido, que conduz a uma melhor compreensão das características da cristalização do núcleo interior e a distribuição dos elementos de luz entre o núcleo interior e o núcleo cristalino líquido para fora. Para estender as relações de fusão a pressões muito elevadas, desenvolvemos novas técnicas para analisar as amostras temperadas recuperados de laser-aquecido diamante-aexperiências com células nvil. Com moagem precisão FIB do ponto de laser-aquecimento, que determinam a fusão utilizando critérios textura têmpera fotografada com alta resolução MEV e análise química quantitativa com um detector de desvio de silício em submicron resolução espacial.

Aqui destacamos dois conjuntos de experimentos para simular a formação de núcleo planetário por percolação de metálico derretem na matriz silicato durante acreção cedo e cristalização do núcleo interno de resfriamento subseqüente. A simulação tem como objetivo compreender os dois processos importantes durante a evolução do núcleo planetário.

Protocolo

1. Prepare Começando Materiais e Chambers Amostra

1. Preparar dois tipos de materiais de partida, (1) uma mistura de olivina de silicato natural e pó de ferro metálico com 10% em peso de enxofre (metal / proporções de silicato que variam de 4 a 30% em peso) para simular infiltração de liga de ferro líquido em uma matriz de silicato sólido durante a formação do núcleo inicial de um pequeno corpo planetário, e (2) uma mistura homogénea de ferro puro finamente fundamentada e sulfureto de ferro para determinar a planetária cristalização núcleo interior.
2. Moer os materiais de partida para a mistura em pó fino com menos de etanol em um almofariz de ágata durante uma hora e seca-se a 100 ° C.
3. Carregar o material de partida para um teor de MgO sinterizado ou de Al ₂ O ₃ cápsula (caracteristicamente entre 1,5 mm de diâmetro e 1,5 de comprimento), e, em seguida, colocá-lo em um conjunto de células de alta pressão para os experimentos de multi-bigorna.
4. Carregar a mistura de Fe-FeS numa pequena câmara de amostra (tipicamente 100 m de diâmetro e 25 & #181; m de espessura) perfurado em uma junta rénio preindented para os experimentos de aquecimento a laser na célula de diamante-bigorna. Sandwich a mistura de Fe-FeS entre camadas de NaCl, que servem como isolantes térmicos.

2. Experimentos de alta pressão e alta temperatura no aparelho Multi-bigorna

1. O conjunto de células de alta pressão de múltiplos bigorna consiste de um octaedro de MgO como um meio de pressão, uma manga de _ZrO2 como o isolamento térmico, e um aquecedor de rénio cilíndrica ou grafite. A cápsula de amostra se encaixa no interior do aquecedor. Um termopar tipo C é inserido na câmara de amostras para determinar a temperatura da amostra.
2. Colocar a montagem de elevada pressão num aparelho de alta pressão de múltiplos bigorna para a pressurização.
3. O aparelho multi-bigorna consiste de uma prensa hidráulica de 1500 ton e um módulo de pressão, que contém um anel de retenção com seis cunhas impulso removível formando uma cavidade cúbica do centro ^15. A cavidade h cúbicoouses oito cubos de carboneto de tungstênio com cantos truncados. Os cubos truncadas, que convergem para a montagem de células octaedro, são separados uns dos outros por juntas compressíveis. O carneiro hidráulico transmite a força eficaz para a montagem de uma amostra de duas fases de configuração de bigorna. Figura 1 ilustra o procedimento experimental para o ensaio de multi-bigorna.
4. Pressurizar a amostra a uma pressão entre 2-27 GPa alvo à temperatura ambiente com base na correcção ponto da curva de calibração da pressão ^16, e depois aquecê-lo a temperaturas experimentais até 2300 ° C por meio de aquecimento de resistência eléctrica; manter a experiência, a uma temperatura constante para a duração da experiência, e desligar a energia para temperar a amostra para a temperatura ambiente no fim da experiência.
5. Solte a pressão lentamente abrindo a válvula de óleo hidráulico e recuperar a carga experimental.

3. Experiências Laser-aquecimento, oDiamond-bigorna celular

1. Pressão em uma célula de diamante bigorna é gerado entre duas único cristal bigornas de diamante gem-qualidade (cerca de 0,25 quilates cada). Nós usamos uma célula diamante bigorna simétrica para impulsionar as bigornas opostos perfeitamente alinhadas com um sistema de pistão-cilindro. A célula é capaz de gerar pressões correspondentes às condições de pressão do núcleo de terra ^17. Alta temperatura é conseguida por aquecimento a laser na célula de diamante-bigorna. Usamos um sistema em Advance Photon Source (APS), o qual é baseado num laser de técnica de aquecimento de dupla face e consiste de dois lasers de fibra óptica, para aquecer a amostra a partir de ambos os lados, e dois sistemas de espectroradiometria para as medições de temperatura em ambos os lados ^18. O sistema é concebido para gerar uma grande mancha de aquecimento (25 m de diâmetro), para minimizar os gradientes de temperatura das amostras, tanto radialmente e axialmente na bigorna de diamante, e maximizar a estabilidade de aquecimento. Figura 2 mostra esquemáticas da configuração experimental para o experimento de laser de aquecimento na célula diamante bigorna com uma imagem do ponto de laser-aquecimento.
2. Alinhar as bigornas de diamante com 300 mM culets preindent e uma junta de rénio para uma espessura de 30 um a partir de uma espessura inicial de 250 um.
3. Perfurar um buraco na junta preindented com um diâmetro de 120 um, no centro, e carregar a amostra no orifício.
4. Pressurizar a amostra a uma pressão desejada, à temperatura ambiente, e, em seguida, a amostra é aquecida através do aumento da potência do laser, tendo as medições de temperatura e in situ medições de difracção de raios-X, com a instalação de sincrotrão.
5. Desactivar a potência do laser para extinguir a amostra quando a fusão parcial é detectada por uma mudança na radiação térmica e a partir do padrão de difracção.
6. Recuperar a amostra aquecida para a caracterização ex situ.

4. Recuperação de Amostra e Análise

1. MoUNT amostra multi-bigorna recuperado em resina epóxi e polir sua superfície usando um conjunto de diamantes em pó grão de 150 ï ¿½ a 0,25 mM.
2. Carbono-revestir a superfície da amostra e carregá-lo para a câmara de amostra de um instrumento Zeiss viga Auriga FIB / SEM (Figura 3A) para análise.
3. Alinhar a amostra para o ponto coincidente de FIB e SEM, a uma distância de trabalho de 5 mm (Figura 3B), e, em seguida, a amostra premill para expor um volume de 15 x 20 x 20 um ³ (Figura 3C).
4. Tome MEV em um intervalo de 25 nm usando a fatia & função de visualização no instrumento Zeiss Auriga FIB / SEM (gravar automaticamente uma série de imagens depois de moagem ion-beam com resolução de imagem típica de cerca de 35 nm).
5. Entrada dos arquivos de dados de imagens para um software de visualização e reconstruir imagens em 3D para visualizar a distribuição derreter e conectividade na amostra saciada (Figura 3D).

Resultados

Realizamos uma série de experimentos usando misturas de San Carlos olivina e Fe-FeS liga de metal com diferentes proporções de silicato de metal, como as matérias-primas. O teor de S do metal é de 10% em peso de S. Aqui mostramos alguns resultados representativos obtidos em experiências realizadas de alta pressão a 6 GPa e 1800 ° C, utilizando-se bem calibrados conjuntos de multi-bigorna ^15. Sob as condições experimentais, a liga metálica Fe-FeS é completamente derretido eo silicato (San Carlos ol...

Discussão

As técnicas para as experiências de várias bigornas estão bem estabelecidos, gerando pressão e temperatura por um período prolongado de tempo de execução estável e produzindo relativamente grande volume de amostra. É uma poderosa ferramenta para simular os processos interiores dos planetas, especialmente para experimentos, tais como derretimento de percolação, que exigem certo volume da amostra. A limitação é a pressão máxima possível, até 27 GPa com carboneto de tungstênio (WC) bigornas, atingindo a...

Materiais

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