Моделирование Планетарного внутренних процессов дифференцировки в лаборатории

Резюме

Эксперименты высокого давления и высокой температуры, описанные здесь, имитировать планеты внутренние процессы дифференциации. Процессы визуализируются и лучше понять, с высоким разрешением 3D визуализации и количественного химического анализа.

Аннотация

Планетарной интерьер в условиях высокого давления и высокой температуры и он имеет слоистую структуру. Есть два важных процессов, которые привели к этой слоистой структуры, (1) просачивание жидкого металла в твердом силикатной матрице по планете дифференциации, и (2) внутренняя кристаллизация ядро ​​последующей планеты охлаждения. Мы проводим эксперименты высокого давления и высокой температуры для имитации оба процесса в лаборатории. Формирование перколяционная планетарного ядра зависит от эффективности расплава перколяции, которая контролируется диэдральной (смачивания) углом. Моделирование протекания включает нагревание образца под высоким давлением к целевой температуры, при которой сплав железо-сера расплавлена ​​в то время как силикат остается твердым, а затем определения истинного двугранный угол, чтобы оценить стиль жидкого миграции в кристаллической матрицы на 3D-визуализации. 3D-рендеринга объем достигается за счет нарезки восстановленный образец сфокусированным ионным пучком (FIB) и таКороль РЭМ изображение каждого среза с перекладине инструмента FIB / SEM. Вторая серия экспериментов предназначен понять внутренний кристаллизации и элемент основной дистрибутив между жидким внешним ядром и твердого внутреннего ядра, определяя температуру плавления и элемент перегородки при высоком давлении. Эксперименты плавления проводятся в нескольких наковальни аппарата до 27 ГПа и расширен до более высокого давления в алмазной наковальни клетки с лазерным нагревом. Мы разработали методы для восстановления небольших подогревом образцы по точности FIB фрезерования и получения изображений с высоким разрешением лазерного подогревом месте, которые показывают плавления текстуры при высоком давлении. Анализируя химический состав сосуществующих жидкой и твердой фаз, мы точно определить кривую ликвидуса, обеспечивая необходимые данные, чтобы понять процесс кристаллизации внутреннего ядра.

Введение

Планеты земной группы, такие как Земли, Венеры, Марса и Меркурия являются дифференцированные планетные тела, состоящие из силикатного мантии и металлического ядра. Современная модель формирования планет говорит о том, что планеты земной группы были сформированы из столкновений Луны к размером с Марс зародыши планет, выращенных из км размера или больше планетезималей через гравитационных взаимодействий ^1-2. Планетезималей были всего дифференцированы уже после того, как металлические сплавы железа достиг температуры плавления при нагревании из таких источников, как радиоактивного распада короткоживущих изотопов, таких как ²⁶ Al и ⁶⁰ Fe, воздействия, а также выпуск потенциальной энергии ^3. Важно понимать, как жидкий металл просачивается через силикатной матрице во время ранней дифференцировки.

Planet дифференцирование может пройти через эффективному разделению жидкость-жидкость или путем протекания жидкого металла в твердом силикатной матрице, в зависимостиот размера и внутренней температуры планетарных тел. Просачивание жидкого металла в твердом силикатной матрице, вероятно доминирующим процессом в начальной дифференциации, когда температура недостаточно высока, чтобы расплавить весь планетарное тело. Эффективность фильтрации зависит от двугранного угла, определяемой межфазных энергий твердых тел и твердой и жидкой интерфейсов. Мы можем имитировать этот процесс в лаборатории путем проведения экспериментов высокого давления и высокой температуры на смеси сплава железа и силикатов. Недавние исследования ^4-7 исследовали смачивающей способности жидких сплавов железа в твердом силикатной матрице при высоком давлении и температуре. Они использовали обычный способ для измерения относительных распределений частот из очевидных двугранных углов между закаленного жидкого металла и силикатных зерен на полированных сечений для определения истинного двугранного угла. Обычный метод дает относительно большой UNCertainties в измеряемой двугранного угла и возможной предвзятости в зависимости от статистики выборки. Здесь мы представляем новый метод воображения для визуализации распределения жидкого металла в силикатной матрице в трех измерениях (3D) путем сочетания FIB фрезерования и высоким разрешением автоэмиссионного SEM изображений. Новый метод визуализации обеспечивает точное определение двугранного угла и количественной меры объемной доли и связи жидкой фазы.

Ядро Земли была сформирована в течение относительно короткого времени (<100 000 000 лет) ^8, предположительно в жидком состоянии на его ранней истории. Марс и Меркурий также жидкие ядра на основе солнечной приливной деформации от слежения радио данных Mars Global Surveyor ⁹ и моделей радар спекл привязанных к планетарной вращения ^10, соответственно. Тепловые модели эволюции и эксперименты плавления высокого давления на основных материалов и далее поддерживать жидкую марсианской ядро11-12. Последние данные Посланник космических аппаратов, дают дополнительные данные для жидкого ядра Меркурия ^13. Даже маленькая Луна, скорее всего имеет небольшой жидкое ядро на основе недавнего повторного анализа Аполло лунных сейсмограмм ^14. Жидкие планетарные ядер согласуются с высокой аккреционного энергии на ранней стадии формирования планет. Последующее охлаждение может привести к образованию твердого внутреннего ядра для некоторых планет. Сейсмические данные показали, что Земли, состоит из жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра. Формирование внутреннего ядра имеет важные последствия для динамики ядра обусловлен тепловым и композиционных конвекции и генерации магнитного поля планеты.

Затвердевание внутреннего сердечника контролируется температура плавления материалов сердцевины и тепловой эволюции сердечника. Ядро формирование планет земной совместно схожие пути увеличение или химический состав ядер считается бе преобладают железа с приблизительно 10% по весу легких элементов, таких как сера (S), кремний (Si), кислород (O), углерода (С), и водород (Н) ^15. Очень важно иметь знание отношений плавления в системах, имеющих отношение к ядра, например, Fe-FeS, Fe-C, Fe-FeO, Fe-Фэ и Fe-FeSiat высокого давления, для того чтобы понять состав планетарные ядра. В этом исследовании, мы продемонстрируем эксперименты, проведенные в нескольких наковальни устройства и алмазной наковальни клетки, имитируя условия планетарных ядер. Эксперименты предоставить информацию о последовательности кристаллизации и элемента распределения между твердой и жидкой металла, что приводит к лучшему пониманию для требований внутренней кристаллизации основной и распределения легких элементов между кристаллической внутреннего ядра и жидкого из ядра. Чтобы продлить отношения плавления до очень высоких давлениях, мы разработали новые методы для анализа закаленных образцов оправился от лазерной подогревом алмазного-асотовые эксперименты nvil. С точностью FIB фрезерования лазерного пятна нагрева, определяем плавления с помощью закалки критерии текстуры вошедшие в образ с высоким разрешением SEM и количественного химического анализа с помощью детектора кремния дрейфа при субмикронного пространственным разрешением.

Здесь мы приводим два набора экспериментов, чтобы имитировать образование планетарной основной перколяцией металлических таять в силикатной матрице во время раннего аккреции и внутренней кристаллизации основной по последующим охлаждением. Моделирование направлена ​​понять две важные процессы в ходе эволюции планетарного ядра.

протокол

1. Подготовка исходных материалов и отборных камер

1. Подготовка двух типов исходных материалов (1) смесь природного силиката оливина и металлического порошка железа с 10 мас% серы (металл / силикатные соотношении от 4 до 30 мас%) для имитации просачивание жидкого сплава железа в твердом силикатной матрице при начальном формировании основного небольшого планетарного тела, и (2) гомогенной смеси тонко заземленной чистого железа и сульфида железа для определения планетарной внутренний кристаллизации сердцевины.
2. Измельчите исходные материалы до тонкой порошкообразной смеси под этанола в агатовой ступке в течение одного часа и сушили при 100 ° С.
3. Загрузите исходный материал в спеченного MgO или Al ₂ O ₃ капсулы (как правило, 1,5 мм в диаметре и 1,5 в длину), а затем поместить его в сборке высокого давления клеток для мульти-наковальни экспериментов.
4. Загрузите смесь Fe-FeS в небольшой камере для образца (как правило, 100 мкм в диаметре и 25 & #181; м в толщину) пробурена в preindented рения прокладкой для лазерного нагрева экспериментов в алмазной наковальне ячейки. Бутерброд смесь Fe-FeS между слоями NaCl, которые служат теплоизоляционных материалов.

2. Эксперименты высокого давления и высокой температуры в нескольких наковальни аппарата

1. Мульти-наковальня сборки ячейки высокого давления состоит из октаэдра MgO в качестве среды давления, ZrO ₂ рукава, как теплоизолятора, и цилиндрической рения или графитовым нагревателем. Капсула образец помещается внутри нагревателя. Тип-C термопара вставляется в камеру для образца для определения температуры образца.
2. Поместите сборку высокого давления в нескольких наковальни аппаратов высокого давления для давления.
3. Мульти-наковальня Аппарат состоит из 1500 тонный гидравлический пресс и модуль давления, которая содержит стопорное кольцо с шестью съемные нажимные клинья образуя кубическую полость в центре ^15. Кубический полость чouses восемь кубов карбида вольфрама с усеченными углами. Укороченные кубики, которые сходятся на октаэдр топливных элементов, отделены друг от друга сжимаемыми прокладок. Гидравлический таран передает усилие эффективно на пробы Ассамблеей большинством в две стадии конфигурации наковальне. На рисунке 1 показана экспериментальная процедура для мульти-наковальни эксперимента.
4. Создать давление образца до заданного давления между 2-27 ГПа при комнатной температуре на основе неподвижной точке калибровки давление кривой ^16, а затем нагреть его до экспериментальных температурах до 2300 ° С с электрическим нагревом сопротивления; поддерживать эксперимент при постоянной температуре в течение всего срока эксперимента, и выключить питание, чтобы погасить образца до комнатной температуры в конце эксперимента.
5. Сбросьте давление медленно, открыв масляный клапан гидравлического и восстановить экспериментальный заряд.

3. Лазерная отопления Эксперименты вАлмаз-наковальня Сотовый

1. Давление в алмаз-наковальнями генерируется между двумя ювелирного качества монокристаллических алмазных наковален (около 0,25 карата каждый). Мы используем симметричный алмазов наковальни ячейку для привода идеально ровные противоположные наковальни с системой поршень-цилиндр. Клетка способна генерировать давление, соответствующие условиям давления ядра Земли ^17. Высокая температура достигается за счет лазерного нагрева в алмазной наковальне ячейки. Мы используем систему в Advance источника фотонов (APS), которая основана на методике отопления лазерного двухсторонней и состоит из двух волоконных лазеров, оптики для нагрева образца с обеих сторон, и два spectroradiometric систем для измерения температуры с обеих сторон ^18. Система предназначена для создания большой отопления пятно (25 мкм в диаметре), минимизировать температурные градиенты примеры радиально и аксиально в алмазной ячейке, и максимальной стабильности отопления. Рисунок 2 показывает схематическоес экспериментальной конфигурации для лазерного нагрева эксперимента в алмазной наковальне ячейки с изображением лазерного пятна нагрева.
2. Выравнивание Алмазные наковальни 300 мкм culets и preindent рения прокладку толщиной 30 мкм от начальной толщины 250 мкм.
3. Просверлите отверстие в preindented прокладки диаметром 120 мкм в центре, и загрузить образец в отверстие.
4. Создать давление образца на целевой давлении при комнатной температуре, а затем нагрева образца при увеличении мощности лазера при приеме измерения температуры и измерения дифракции рентгеновских измерений в точке на синхротронного объекта.
5. Выключить мощности лазера для гашения образец частичное плавление при обнаружении изменением теплового излучения и от дифракционной картины.
6. Восстановление подогревом образец для ex-situ характеристики.

4. Образец Восстановление и Анализ

1. МоЕНТ извлеченный мульти-наковальни образца в эпоксидной смоле и полировать свою поверхность, используя набор алмазное зерно порошка от 150 мкм до 0,25 мкм.
2. Углерод-покрывать поверхность образца и загрузить его в камеру для образца перекладине инструмента Zeiss Auriga FIB / SEM (рис. 3а) для анализа.
3. Совместите образец совпадающих точке FIB и SEM при рабочем расстоянии 5 мм (рис. 3б), а затем premill образец подвергать объем 15 х 20 х 20 мкм ³ (рис. 3C).
4. Возьмите SEM изображения с интервалом в 25 нм с использованием кусочек & функция просмотра на инструменте Zeiss Auriga FIB / SEM (автоматически записывать серию изображений после ионно-лучевой фрезерования с типичной разрешения изображения около 35 нм).
5. Входные файлы данных изображений на программное обеспечение визуализации и реконструировать 3D-изображений для визуализации распределения расплава и подключение в закаленного образца (рис. 3D).

Результаты

Мы провели серию экспериментов с использованием смеси Сан-Карлос оливина и Fe-FeS металлического сплава с различным соотношением металл-силикатных, в качестве исходных материалов. Содержание S металла 10% по массе С. Здесь показаны некоторые репрезентативные результаты экспериментов выс...

Обсуждение

Методики для нескольких экспериментов наковальни хорошо известны, создавая стабильное давление и температуру в течение длительного периода времени выполнения и производить относительно большой объем образца. Это мощный инструмент для моделирования интерьера процессы планет, особе...

Материалы

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