Name: simulation of the planetary interior differentiation processes in the laboratory
Uploaded: 2013-11-15T17:30:00
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Este trabalho foi financiado pela NASA concessão NNX11AC68G e da Carnegie Institution de Washington. Agradeço Chi Zhang por sua ajuda com a coleta de dados. Agradeço também Anat Shahar e Valerie Hillgren para útil opiniões deste manuscrito.

1. Prepare Começando Materiais e Chambers Amostra <ol><li> 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 de...

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	<li>Wetherill, G. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+the+terrestrial+planets.">Formation of the terrestrial planets.</a> Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 18, 77-113 (1980).</li><li>Chambers, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Planetary+accretion+in+the+inner+Solar+System.">Planetary accretion in the inner Solar System.</a> Earth and Planetary Science Letters. 223, 241-252 (2004).</li><li>Greenwood, R. C., Franchi, I. A., Jambon, A., Buchanan, P. 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C., Langenhorst, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interconnectivity+of+Fe-O-S+liquid+in+polycrystalline+silicate+perovskite+at+lower+mantle+conditions.">Interconnectivity of Fe-O-S liquid in polycrystalline silicate perovskite at lower mantle conditions.</a> Physics of Earth and Planetary Interiors. 161, 170-176 (2007).</li><li>Halliday, A. N., Wood, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+did+Earth+accrete?.">How did Earth accrete?.</a> Science. 325, 44-45 (2009).</li><li>Yoder, C. F., Konopliv, A. S., Yuan, D. N., Standish, E. M., Folkner, W. 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C., Langenhorst, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Earth and Planetary Science Letters. 232, 379-392 (2005).</li><li>Fei, Y., Bertka, C. M., Finger, L. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-pressure+iron-sulfur+compound,+Fe3S2,+and+melting+relations+in+the+system+Fe-FeS+at+high+pressure.">High-pressure iron-sulfur compound, Fe3S2, and melting relations in the system Fe-FeS at high pressure.</a> Science. 275, 1621-1623 (1997).</li><li>Fei, Y., Li, J., Bertka, C. M., Prewitt, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+type+and+bulk+modulus+of+Fe3S,+a+new+iron-sulfur+compound.">Structure type and bulk modulus of Fe3S, a new iron-sulfur compound.</a> American Mineralogist. 85, 1830-1833 (2000).</li><li>Li, J., Fei, Y., Mao, H. K., Hirose, K., Shieh, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sulfur+in+the+Earth's+inner+core.">Sulfur in the Earth's inner core.</a> Earth and Planetary Science Letters. 193, 509-514 (2001).</li><li>Chen, B., Li, J., Hauck, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-ideal+liquidus+curve+in+the+Fe-S+system+and+Mercury's+snowing+core.">Non-ideal liquidus curve in the Fe-S system and Mercury's snowing core.</a> Geophysical Research Letter. 35, L07201 (2008).</li><li>Buono, A. S., Walker, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Fe-rich+liquidus+in+the+Fe-FeS+system+from+1+bar+to+10+GPa.">The Fe-rich liquidus in the Fe-FeS system from 1 bar to 10 GPa.</a> GeochimicaCosmochimicaActa. 75, 2072-2087 (2011).</li><li>Ito, E., Yamazaki, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pressure+generation+and+investigation+of+the+post-perovskite+transformation+in+MgGeO3by+squeezing+the+Kawai-cell+equipped+with+sintered+diamond+anvils.">Pressure generation and investigation of the post-perovskite transformation in MgGeO3by squeezing the Kawai-cell equipped with sintered diamond anvils.</a> Earth and Planetary Science Letters. 293 (1-2), 84-89 (2010).</li><li>Roberts, J. J., Kinney, J. H., Siebert, J., Ryerson, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fe-Ni-S+melt+permeability+in+olivine:+implications+for+planetary+core+formation.">Fe-Ni-S melt permeability in olivine: implications for planetary core formation.</a> Geophysical Research Letter. 34, L14306 (2007).</li><li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+high+P,+T+X-ray+microtomographic+imaging+during+large+deformation:+a+newtechnique+for+studying+mechanical+behavior+of+multi-phase+composites.">In-situ high P, T X-ray microtomographic imaging during large deformation: a newtechnique for studying mechanical behavior of multi-phase composites.</a> Geosphere. 7, 40-45 (2011).</li><li>Watson, H. C., Roberts, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Connectivity+of+core+forming+melts:+Experimental+constraints+from+electrical+conductivity+and+X-ray+tomography.">Connectivity of core forming melts: Experimental constraints from electrical conductivity and X-ray tomography.</a> Physics of Earth and Planetary Interiors. 186, 172-182 (2011).</li><li>Fei, Y., Ricolleau, A., Frank, M., Mibe, K., Shen, G., Prakapenka, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+an+internally+consistent+pressure+scale.">Toward an internally consistent pressure scale.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 9182-9186 (2007).</li></ol>

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...

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 (&lt;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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="352">
	<colgroup>
		<col span="4" style="width:66pt" width="88" />
	</colgroup>
	<tbody> 
		<tr height="43" style="height:32.25pt">
			<td class="xl63" height="43" style="height:32.25pt;width:66pt" width="88">Multi-anvil apparatus</td>
			<td class="xl63" style="border-left:none;width:66pt" width="88">Geophysical Lab</td>
			<td class="xl63" style="border-left:none;width:66pt" width="88">Home Builder</td>
			<td class="xl63" style="border-left:none;width:66pt" width="88"> </td>
		</tr>
		<tr height="43" style="height:32.25pt">
			<td class="xl63" height="43" style="height:32.25pt;border-top:none;
 width:66pt" width="88">Diamond-anvil cell</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Geophysical Lab</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Home Builder</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88"> </td>
		</tr>
		<tr height="64" style="height:48.0pt">
			<td class="xl63" height="64" style="height:48.0pt;border-top:none;
 width:66pt" width="88">Laser-heating system</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">APS GSECARS</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Designed by beamline staff</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88"> Public beamline</td>
		</tr>
		<tr height="43" style="height:32.25pt">
			<td class="xl63" height="43" style="height:32.25pt;border-top:none;
 width:66pt" width="88">FIB/SEM Crossbeam</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Carl Zeiss Ltd.</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Auriga</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88"> </td>
		</tr>
		<tr height="64" style="height:48.0pt">
			<td class="xl63" height="64" style="height:48.0pt;border-top:none;
 width:66pt" width="88">Avizo 3D software</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">VSG</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88">Fire for materials science</td>
			<td class="xl63" style="border-top:none;border-left:none;width:66pt" width="88"> </td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

simulation of the planetary interior differentiation processes in the laboratory

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.

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...

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Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

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.

Simulação do Planetary Interior Diferenciação processos laboratoriais

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Revealing Dynamic Processes of Materials in Liquids Using Liquid Cell Transmission Electron Microscopy

Revelando processos dinâmicos de Materiais em Líquidos Usando líquido celular Microscopia Eletrônica de Transmissão

The recent development for in situ transmission electron microscopy, which allows imaging through liquids with high spatial resolution, has attracted ...

Engenharia

Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

Experimentos chama na fonte luminosa avançada: novos insights sobre processos de formação de fuligem

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics ...

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

Laboratório Gota Torres para a Simulação Experimental de Colisões Dust-agregados no sistema solar precoce

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Quantificação de concentrações de hidrogénio nas camadas superficiais e interface e materiais a granel através de perfis de profundidade com Análise reação nuclear

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Conhecimento Baseado Simulação Nuvem FE dos Processos de formação de folha de metal

The use of Finite Element (FE) simulation software to adequately predict the outcome of sheet metal forming processes is crucial to enhancing the ...

Wicking Tests for Unidirectional Fabrics: Measurements of Capillary Parameters to Evaluate Capillary Pressure in Liquid Composite Molding Processes

Wicking testes para unidirecionais Tecidos: Medidas de capilar parâmetros para avaliar a pressão capilar em Processos Líquido Composite Moldagem

During impregnation of a fibrous reinforcement in liquid composite molding (LCM) processes, capillary effects have to be understood in order to identify ...

Characterization of Ultra-fine Grained and Nanocrystalline Materials Using Transmission Kikuchi Diffraction

Caracterização de Ultra-grão fino e nanocristalinos Materiais Usando Transmissão Kikuchi Diffraction

One of the challenges in microstructure analysis nowadays resides in the reliable and accurate characterization of ultra-fine grained (UFG) and ...

Study of Siphon Breaker Experiment and Simulation for a Research Reactor

Estudo do experimento de quebra de sifão e simulação para um Reactor de investigação

Under the design conditions of a research reactor, the siphon phenomenon induced by pipe rupture can cause continuous outward flow of water. To prevent ...

Processing of Bulk Nanocrystalline Metals at the US Army Research Laboratory

Processamento de metais de nanocristalina em massa no exército E.U. Research Laboratory

Given their potential for significant property improvements relative to their large grained counterparts, much work has been devoted to the continued ...