JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Burada anlatılan, yüksek basınç ve yüksek sıcaklık deneyleri gezegen iç farklılaşma süreçleri taklit. Süreçleri yüksek çözünürlüklü 3D görüntüleme ve kantitatif kimyasal analizi ile görüntülendi ve daha iyi anlaşılmaktadır.

Özet

Bir planeter iç yüksek basınç ve yüksek sıcaklık koşulları altında ve katmanlı bir yapıya sahiptir. Bu tabakalı yapıya yol açan iki önemli süreçler, planet farklılaşma bir katı silikat matris içinde sıvı metalin (1) sızma ve daha sonraki soğutma planet tarafından (2) iç kısım kristalleştirme vardır. Biz laboratuvarda hem de süreçleri simüle, yüksek basınç ve yüksek sıcaklık deneyleri yaparlar. Percolative gezegen çekirdeğinin oluşumu dihedral (ıslatma) açısı ile kontrol edilir eriyik sızma, verimliliğine bağlıdır. Silikat sabit kalır, ve daha sonra 3 boyutlu görüntüleme ile bir kristal matris sıvı göç tarzı değerlendirmek için gerçek dihedral açısının belirlenmesi ise sızma simülasyon demir-sülfür erimiş alaşım olduğu bir hedef sıcaklığa yüksek basınçta ısıtılması örnek içerir. 3D hacim oluşturma odaklanmış iyon demeti (FİB) ve bunların TA ile kurtarılan örnek dilimleme ile elde edilmektedirbir yalan / SEM crossbeam alet ile her dilim kralı SEM görüntüsü. Deneylerin ikinci seti, sıvı, dış kısım ve yüksek basınç altında bir erime sıcaklığına ve element bölümleme belirleyerek katı bir iç kısım arasındaki iç çekirdek kristalleştirme ve element dağılımını anlamak için tasarlanmıştır. Erime deneyler kadar 27 GPa için çoklu örs cihazında gerçekleştirilmiştir ve lazer ısıtma ile elmas örs hücresinde daha yüksek bir basınca genişletilir. Biz hassas FIB öğütülmesi ile küçük ısıtmalı örnekleri kurtarmak ve yüksek basınçta erime doku göstermektedir lazer ısıtılmış nokta yüksek çözünürlüklü görüntüleri elde etmek için teknikler geliştirdik. Birlikte bulunan sıvı ve katı fazların kimyasal bileşimleri analiz ederek, tam olarak iç çekirdek kristalleşme süreci anlamak için gerekli veri sağlayan, sıvılaşma eğrisi belirlemek.

Giriş

Böyle Dünya, Venüs, Mars, Merkür gibi karasal gezegenleri bir silikat manto ve metalik bir çekirdekten oluşan farklılaşmış gezegen organları vardır. Modern gezegen oluşum modeli karasal gezegenler yerçekimsel etkileşimlerin 1-2 aracılığıyla km ölçekli veya daha büyük gezegenlerin büyüdü Ay-to-Mars büyüklüğünde gezegen embriyoların çarpışmalar meydana geldiğini göstermektedir. Gezegenciklere muhtemel metalik demir alaşımları örneğin 26 Al ve 60 Fe, etkisi gibi kısa ömürlü izotopların radyoaktif çürüme gibi kaynaklardan nedeniyle ısıtma erime sıcaklığı ulaştı kez zaten farklılaşmış edildi ve potansiyel enerji 3 sürümü. Bu, sıvı metal erken farklılaşması sırasında silikat matris boyunca süzülür, anlamak önemlidir.

Planet farklılaşma olarak, etkili bir sıvı-sıvı ayrımı ile ya da katı bir silikat matris içinde sıvı metalin sızma ile devam olabilirboyutu ve gezegen organlarının iç sıcaklığı. Sıcaklık tüm planet vücut eritmek için yeterince yüksek olmadığında, katı silikat matris içinde sıvı metalin sızma muhtemel başlangıç ​​farklılaşmasında baskın bir süreçtir. Sızma etkinliği katı-katı ve katı-sıvı arayüzleri yüzey enerjileri tarafından belirlenen dihedral açı bağlıdır. Biz demir alaşımlı ve silikat karışımı yüksek basınç ve yüksek sıcaklık deneyler yaparak laboratuvarda bu süreci taklit edebilirsiniz. Son çalışmalar, 4-7, yüksek basınç ve sıcaklıkta bir katı silikat matris içinde sıvı demir alaşımları ıslatma yeteneğini araştırmıştır. Bunlar gerçek dihedral açısının belirlenmesi için söndürüldü, sıvı metal ile parlatılmış enine kesitlerinde silikat taneleri arasındaki belirgin dihedral açılar göreli frekans dağılımları ölçmek için geleneksel bir yöntem kullanılır. Geleneksel yöntem, nispeten büyük UNC verimleriölçülen dihedral açı ve örnekleme istatistik olarak mümkün önyargı ertainties. Burada FIB öğütme ve yüksek çözünürlüklü alan emisyonu SEM görüntüleme kombinasyonu ile üç boyutlu (3D) 'de silikat matriks içinde sıvı metalin dağılımını görselleştirmek için yeni bir görüntüleme tekniği sunar. Yeni görüntüleme tekniği dihedral açı ile sıvı fazın hacim fraksiyonu ve bağlantı nicel ölçü kesin belirleme sağlar.

Dünya'nın çekirdek muhtemelen erken tarihinin bir sıvı halde, nispeten kısa bir süre (<100 milyon yıl) 8 kuruldu. Mars ve Merkür de sırasıyla gezegen dönme 10, bağlı Mars Global Surveyor radyo veri izleme 9 ve radar benek desenler güneş gelgit deformasyon dayalı sıvı çekirdeğe sahip. Termal evrim modelleri ve çekirdek malzemelerin yüksek basınç erime deneyleri ayrıca sıvı Marslı temel destek11-12. Son Messenger uzay aracı veri Cıva 13 sıvı bir kısım için ek delil sağlar. Hatta küçük Ay muhtemel Appollo Aysal sismogramların 14 son reanalysis dayalı küçük sıvı çekirdeğe sahiptir. Sıvı gezegen çekirdek gezegen oluşumunun erken aşamada yüksek yığılma enerji ile tutarlıdır. Daha sonraki soğutma bir gezegen katı bir iç kısım bölgesinin oluşumuna yol açabilir. Sismik veriler Dünya bir sıvı dış çekirdek ve katı iç çekirdeğin ibaret olduğunu ortaya koymuştur. Iç çekirdeğin oluşumu ve termik kompozisyon ısı taşınımı ve dünyanın manyetik alanın üretilmesi ile tahrik edilen çekirdek dinamiklerine için önemli etkileri vardır.

Iç çekirdeğin katılaşması çekirdek malzemenin erime sıcaklığı ve iç kısmın termal evrimi ile kontrol edilir. Karasal gezegenlerin çekirdek oluşumu benzer katma yolları paylaşılan ve çekirdeklerin kimyasal bileşimi b kabul edilire 10 ağırlık% 'si ışık gibi sülfür (S) gibi elemanlar, silikon (Si), oksijen (O), C (C) ve hidrojen (H) 15 ile demir hakimdir. Bu bileşimin anlamak amacıyla, bu tür Fe-FeS, Fe,-C, Fe-FeO, Fe-Feh ve Fe-FeSiat yüksek basınç gibi çekirdek, ilgili sistemlerde erime ilişkiler bilgiye sahip esastır gezegen çekirdekler. Bu çalışmada, planeter çekirdeklerin koşullarını taklit eden, çok-örs cihaz ve elmas örs hücre içinde yapılan deneyler gösterecektir. Deneyler, iç çekirdek kristalleşme ve kristal bir iç kısım ve sıvı üzerinden çekirdek arasındaki açık elemanlarının dağılımının gereksinimleri için daha iyi bir anlaşılması için gerekli olan, katı ve sıvı metal arasındaki kristalleştirme dizisi ve element bölümleme hakkında bilgi verir. Erime ilişkileri çok yüksek basınçlar uzatmak için, lazer ısıtmalı elmas-a kurtarıldı söndürüldü örnekleri analiz etmek için yeni teknikler geliştirdilernvil hücre deneyleri. Lazer ısıtma nokta hassas FİB freze ile, yüksek çözünürlüklü SEM ve submikron mekansal çözünürlükte bir silikon sürüklenme dedektörü ile kantitatif kimyasal analizi ile görüntülü söndürme doku kriterleri kullanılarak eritme belirleyebilirler.

Burada daha sonraki soğutma ile, erken hacimce büyümesi ve iç kısım, kristalleşme sırasında silikat matrisi içinde eriyik metalik sızma ile planeter çekirdek oluşumunu taklit etmek için deneyler iki takım özetlemektedir. Simülasyon gezegen çekirdeğinin evrimi sırasında iki önemli süreçleri anlamak amaçlanmıştır.

Protokol

1.. Başlangıç ​​materyalleri, Örnek Chambers ve hazırlanması

  1. Başlangıç ​​maddeleri, iki tür, doğal silikat olivin ve bir katı silikat matris içinde sıvı demir alaşımlı sızma taklit edilmesi için ağırlıkça% 10 sülfür (4 ila 30 wt% arasında değişen metal / silikat oranlar) ile metalik demir tozu (1) bir karışım hazırlayın Küçük bir gezegen beden ve planet iç çekirdek kristalizasyonu belirlemek için ince topraklı saf demir ve demir sülfit (2) homojen bir karışımın ilk çekirdek oluşumu esnasında.
  2. Bir saat boyunca, bir akik havanda, etanol altında ince bir toz halinde karışık başlangıç ​​maddeleri öğütün ve 100 ° C'de kurutulur
  3. Sinterlenmiş bir MgO veya Al 2 içine yerleştirin O başlangıç ​​malzemesinin 3 kapsül (tipik olarak 1.5 mm çapında ve uzunluğu 1.5) ve daha sonra çok-örs deneyler için yüksek basınçlı bir hücre düzeneği içine yerleştirin.
  4. Küçük bir numune odasına Fe-FeS karışımı yük (tipik olarak 100 mm ve çapı 25 ve #181; elmas örs hücre içindeki lazer ısıtma deneyleri için bir preindented renyum conta delinmiştir kalınlıkta m). Termal izolatör olarak hizmet NaCl katmanları arasında Fe-FeS karışımı sandviç.

2. Multi-örs Aparatı yüksek basınç ve yüksek sıcaklık Deneyleri

  1. Çoklu örs yüksek basınçlı hücre düzeneği, bir basınç ortamının, ısı yalıtkan bir ZrO 2 kol ve bir silindirik ısıtıcı renyum ya da grafit gibi bir MgO oktahedron oluşur. Numune kapsül ısıtıcının içine uyar. A tipi-C termokupl, numune sıcaklığı belirlemek için numune odasına sokulur.
  2. Basınçlandırma için bir çok-örs yüksek basınç tertibatında yüksek basınç düzeneğini.
  3. Çoklu örs aygıtı altı çıkarılabilir itme kamalar merkezinde 15 kübik bir boşluk oluşturan bir tutucu halka ihtiva eden bir 1500 ton hidrolik pres ve bir basınç modülünden oluşur. Kübik boşluğu hkesilmiş köşeleri ile ouses sekiz tungsten karbür küpler. Oktahedron hücre düzeneğindeki yakınsama kesik küpler, sıkıştırılabilir contalar ile birbirinden ayrılır. Hidrolik ram 1, çok-örs bir deney için deney prosedürü gösterir iki aşamalı bir örs yapılandırması. Şekil, numune montaj üzerine etkili bir şekilde kuvvet iletir.
  4. Sabit bir sıcaklıkta muhafaza deney, 2-27 düzeltme noktalı baskı kalibrasyon eğrisi 16 göre, oda sıcaklığında GPa ve daha sonra elektrik dirençli ısıtma ile 2300 ° C 'ye kadar deney sıcaklıklara ısıtmak arasında bir hedef basınç için örnek basınç Deneyin süresi boyunca, ve deney sonunda oda sıcaklığına örnek sönmesi için kapatın.
  5. Hidrolik yağ vanasını açarak yavaş yavaş basıncı bırakın ve deneysel şarj kurtarmak.

3. Lazer ısıtma DeneylerDiamond-örs hücre

  1. Bir elmas örs hücre basınç iki mücevher kalitesinde tek kristal elmas örs (yaklaşık 0.25 karat her) arasında oluşturulur. Biz, bir piston-silindir sistemi ile mükemmel bir şekilde hizalanmış karşılıklı anvils sürmek için bir simetrik baklava örs hücre kullanılabilir. Hücre Dünya çekirdek 17'nin basınç koşullarına tekabül eden basınç üretme yeteneğine sahiptir. Yüksek sıcaklık elmas örs hücre lazer ısıtılması ile elde edilir. Bir çift taraflı laser ısıtma tekniğine dayanır ve iki fiber lazerleri, her iki numunenin optik ısıtmak için ve her iki tarafta sıcaklık ölçümleri için iki SPEKTRORADYOMETRİK sistemlerinden oluşur Advance foton kaynağı (APS), bir sistem kullanmak 18. Sistem, elmas örs hücre içinde hem de radyal ve eksenel olarak numune sıcaklık değişimleri en aza indirmek ve ısı stabilitesini artırmak, büyük bir ısıtma nokta (çapı 25 um) üretmek için tasarlanmıştır. Şekil 2 şematik olarak göstermektedirlazer ısıtma nokta 'lık bir görüntü ile elmas örs hücre içindeki lazer ısıtma deneyi için deneysel yapılandırma s.
  2. 300 um culets ile elmas anvils hizalama ve 250 um'lik bir başlangıç ​​kalınlığı 30 um arasında bir kalınlığa, bir renyum conta preindent.
  3. Merkezinde 120 um bir çapı olan preindented conta bir delik delin ve deliğe örnek yükleyin.
  4. Oda sıcaklığında, bir hedef basınca örnek basınç ve daha sonra sinkrotron imkan sıcaklık ölçümleri ve in situ X-ışını difraksiyon ölçümleri çekerken lazer gücünün artırılması ile örnek ısı.
  5. Kısmi ergime termal radyasyon ve toz dağıtma modeli bir değişiklik ile tespit edildiğinde numune sönmesi için lazer kapatın.
  6. Ex-situ karakterizasyonu için ısıtmalı örnek kurtarın.

4. Numune Kurtarma ve Analiz

  1. Moepoksi reçine alınan çoklu-örs örnek Unt ve 150 mikron mikron 0,25 ila elmas tozu kum paketi kullanarak kendi yüzey parlatmak.
  2. Carbon-kat, numunenin yüzey ve analiz için bir Zeiss Auriga FIB / SEM kiriş alet (Şekil 3A) ve numune bölmesi içine yükleyin.
  3. 5 mm (Şekil 3B) çalışan bir mesafede FIB ve SEM noktasına tesadüf örnek hizalama ve daha sonra x 20 x 20 um 3 15 (Şekil 3C) bir hacmi ortaya çıkarmak için örnek premill.
  4. Zeiss Auriga FIB / SEM enstrüman (otomatik olarak yaklaşık 35 nm tipik görüntü çözünürlüğü ile iyon-ışın öğütüldükten sonra görüntüleri bir dizi kayıt) üzerine dilim & view fonksiyonu kullanılarak 25 nm aralığında SEM görüntüleri atın.
  5. Bir görüntüleme yazılımı ve söndürüldü numunede eriyik dağıtım ve bağlantı (Şekil 3, görselleştirmek için 3D görüntüler yeniden giriş görüntü verileri dosyalarıD).

Sonuçlar

Biz, başlangıç ​​maddeleri olarak, San Carlos olivin ve farklı metal silikat oranlarına sahip Fe-FeS metal alaşımından karışımları kullanılarak bir dizi deney yaptık. Metal S içeriği ağırlıkça% 10 S. Burada iyi kalibre multi-örs meclisleri 15 kullanılarak, 6 GPa ve 1800 ° C'de gerçekleştirilen yüksek basınç deneylerinden bazı temsilcisi sonuçları göstermek olduğunu. Deneysel koşullar altında, Fe-FeS metal alaşım tamamen erimiş olduğu ve silikat (San Carlos, olivi...

Tartışmalar

Çoklu örs deneyler için teknikler iyi dengeli basıncı ve çalışma süresi uzun bir süre için sıcaklık üreten ve nispeten büyük bir örnek hacmi üreten kurulmuştur. Özellikle bazı örnek hacmi gerektiren bu tür eriyik sızma gibi deneyler, için, gezegenlerin iç süreçleri simüle güçlü bir araçtır. Sınırlama 27 tungsten karbür (WC) örslerdir ile GPa, Mars ve Merkür'ün çekirdek baskıları ulaşan, ancak Dünya ve Venüs'ün çekirdekleri ulaşmak için çok düşük basınç kada...

Açıklamalar

Hiçbir çıkar çatışması ilan etti.

Teşekkürler

Bu çalışma NASA hibe NNX11AC68G ve Washington Carnegie Enstitüsü tarafından desteklenmiştir. Ben veri toplama ile yaptığı yardım için Chi Zhang teşekkür ederim. Ben de bu yazının yararlı yorumlar için Anat Shahar ve Valerie Hillgren teşekkür ederim.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
Multi-anvil apparatusGeophysical LabHome Builder
Diamond-anvil cellGeophysical LabHome Builder
Laser-heating systemAPS GSECARSDesigned by beamline staff Public beamline
FIB/SEM CrossbeamCarl Zeiss Ltd.Auriga
Avizo 3D softwareVSGFire for materials science

Referanslar

  1. Wetherill, G. W. Formation of the terrestrial planets. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 18, 77-113 (1980).
  2. Chambers, J. E. Planetary accretion in the inner Solar System. Earth and Planetary Science Letters. 223, 241-252 (2004).
  3. Greenwood, R. C., Franchi, I. A., Jambon, A., Buchanan, P. C. Widespread magma oceans on asteroidal bodies in the early Solar System. Nature. 435, 916-918 (2005).
  4. Mann, U., Frost, D. J., Rubie, D. C. The wetting ability of Si-bearing liquid Fe-alloys in a solid silicate matrix-percolation during core formation under reducing conditions. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 167 (1-2), 1-7 (2008).
  5. Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., &Langenhorst, F. Percolative core formation in planetesimals. Earth and Planetary Science Letters. 273, 132-137 (2008).
  6. Walte, N. P., Becker, J. K., Bons, P. D., Rubie, D. C., Frost, D. J. Liquid-distribution and attainment of textural equilibrium in a partially-molten crystalline system with a high-dihedral-angle liquid phase. Earth and Planetary Science Letters. 262, 517-532 (2007).
  7. Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. Interconnectivity of Fe-O-S liquid in polycrystalline silicate perovskite at lower mantle conditions. Physics of Earth and Planetary Interiors. 161, 170-176 (2007).
  8. Halliday, A. N., Wood, B. J. How did Earth accrete?. Science. 325, 44-45 (2009).
  9. Yoder, C. F., Konopliv, A. S., Yuan, D. N., Standish, E. M., Folkner, W. M. Fluid core size of Mars from detection of the solar tide. Science. 300, 299-303 (2003).
  10. Margot, J. L., Peale, S. J., Jurgens, R. F., Slade, M. A., Holin, I. V. Large longitude libration of Mercury reveals a molten core. Science. 316, 710-714 (2007).
  11. Fei, Y., Bertka, C. M. The interior of Mars. Science. 308, 1120-1121 (2005).
  12. Williams, J. -. P., Nimmo, F. Thermal evolution of the Martian core: Implications for an early dynamo. Geology. 32, 97-100 (2004).
  13. Smith, D. E., Zuber, M. T., et al. Gravity field and internal structure of Mercury from MESSENGER. Science. 336, 214-217 (2012).
  14. Weber, R. C., Lin, P. -. Y., Garnero, E. J., Williams, Q., Lognonné, P. Seismic detection of the Lunar core. Science. 331, 309-312 (2011).
  15. Li, J., Fei, Y., Carlson, R. W. Experimental constraints on core composition. Geochemistry of the Mantle and Core. , 521-546 (2007).
  16. Bertka, C. M., Fei, Y. Mineralogy of the Martian interior up to core-mantle boundary pressures. Journal of Geophysical Research. 102, 5251-5264 (1997).
  17. Tateno, S., Hirose, K., Ohishi, Y., Tatsumi, Y. The structure of iron in Earth's inner core. Science. 330, 359-361 (2010).
  18. Prakapenka, V. B., Kubo, A., et al. Advanced flat top laser heating system for high pressure research at GSECARS: application to the melting behavior of germanium. High Pressure Research. 28, 225-235 (2008).
  19. Minarik, W. G., Ryerson, F. J., Watson, E. B. Textural entrapment of core-forming melts. Science. 272, 530-533 (1996).
  20. Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. The effect of oxygen and sulphur on the dihedral angle between Fe-O-S melt and silicate minerals at high pressure: Implications for Martian core formation. Earth and Planetary Science Letters. 232, 379-392 (2005).
  21. Fei, Y., Bertka, C. M., Finger, L. W. High-pressure iron-sulfur compound, Fe3S2, and melting relations in the system Fe-FeS at high pressure. Science. 275, 1621-1623 (1997).
  22. Fei, Y., Li, J., Bertka, C. M., Prewitt, C. T. Structure type and bulk modulus of Fe3S, a new iron-sulfur compound. American Mineralogist. 85, 1830-1833 (2000).
  23. Li, J., Fei, Y., Mao, H. K., Hirose, K., Shieh, S. Sulfur in the Earth's inner core. Earth and Planetary Science Letters. 193, 509-514 (2001).
  24. Chen, B., Li, J., Hauck, S. A. Non-ideal liquidus curve in the Fe-S system and Mercury's snowing core. Geophysical Research Letter. 35, L07201 (2008).
  25. Buono, A. S., Walker, D. The Fe-rich liquidus in the Fe-FeS system from 1 bar to 10 GPa. GeochimicaCosmochimicaActa. 75, 2072-2087 (2011).
  26. Ito, E., Yamazaki, D., et al. Pressure generation and investigation of the post-perovskite transformation in MgGeO3by squeezing the Kawai-cell equipped with sintered diamond anvils. Earth and Planetary Science Letters. 293 (1-2), 84-89 (2010).
  27. Roberts, J. J., Kinney, J. H., Siebert, J., Ryerson, F. J. Fe-Ni-S melt permeability in olivine: implications for planetary core formation. Geophysical Research Letter. 34, L14306 (2007).
  28. Wang, Y., Lesher, C., Fiquet, G., Rivers, M., Nishiyama, N., Siebert, J., Roberts, J., Morard, G., Gaudio, S., Clark, A., Watson, H., Menguy, N., Guyot, F. In-situ high P, T X-ray microtomographic imaging during large deformation: a newtechnique for studying mechanical behavior of multi-phase composites. Geosphere. 7, 40-45 (2011).
  29. Watson, H. C., Roberts, J. J. Connectivity of core forming melts: Experimental constraints from electrical conductivity and X-ray tomography. Physics of Earth and Planetary Interiors. 186, 172-182 (2011).
  30. Fei, Y., Ricolleau, A., Frank, M., Mibe, K., Shen, G., Prakapenka, V. Toward an internally consistent pressure scale. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 9182-9186 (2007).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

FizikSay 81JeofizikGezegen BilimiJeokimyaPlanet iy ksek bas ngezegen farkl la ma3D tomografi

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır