Introduction
Terrestrial accretie wordt gedacht te hebben plaatsgevonden als een reeks botsingen tussen planetesimalen met een chondritic bulk samenstelling, eindigend in een gigantische impact fase gedacht verantwoordelijk voor de vorming van de maan 1,2. Verwarming van de proto-aarde door impact en het verval van kortlevende isotopen was voldoende om uitgebreide smelten en de vorming van een magma oceaan of de vijvers waardoor dichte Fe-rijke metallic smelt kon afdalen veroorzaken. Bij het bereiken van de bodem van de oceaan magma, metallic melts geconfronteerd met een reologisch grens, box, ondergaan uiteindelijke metaal- silicaat equilibrium voordat uiteindelijk dalen tot onder het vaste mantel aan de groeiende kern 2. Verdere chemische communicatie tussen metaal en silicaat fasen metaalsmelt doorkruist het vaste gedeelte van de mantel wordt gedacht te worden uitgesloten vanwege de grote omvang en snelle afdaling van metaal diapirs 3. Deze primaire differentiatie van de aarde in een metalen kern en silicaat mantle wordt vandaag onthuld door zowel geofysische en geochemische waarnemingen 4-6. Het interpreteren van deze waarnemingen om plausibele omstandigheden opleveren voor metal-silicaat evenwicht aan de basis van een magma oceaan, vereist echter een adequate database van experimentele resultaten.
De primitieve bovenmantel (PUM) is een hypothetische reservoir bestaande uit de silicaat rest van de kern de vorming en de samenstelling weerspiegelt dan ook het gedrag van sporenelementen tijdens metal-silicaat evenwicht. Spoorelementen zijn verdeeld metaal en silicaat smelt tijdens kern segregatie op grond van hun geochemische affiniteit. De grootte van de elementen voorkeur voor metaalfase kan worden beschreven door de metaal-silicaat verdelingscoëfficiënt 
(1)
Waarin 
en 
geven de concentratie van element i in metalen en silicaat respectievelijk smelten. Waarden van 
> 1 geven siderophile (ijzer-liefhebbende) gedrag en die <1 lithophile (rock-liefdevolle) gedrag. Schattingen van de PUM samenstelling tonen aan dat elementen siderophile zijn uitgeput ten opzichte chondrites 7, meestal beschouwd als vertegenwoordiger van bulk samenstelling van de Aarde 6,8. Deze uitputting is te wijten aan opslag van siderophile elementen van de kern, en voor vuurvaste elementen zijn omvang moet rechtstreeks weerspiegelen waarden van . Experimenten Lab daarom streven naar waarden te bepalen over een raNSE druk (P), temperatuur (T) en zuurstof fugaciteit (f O 2) aandoeningen die metalen gescheiden van de voet van een magma oceaan relevant zijn. De resultaten van deze experimenten kan dan worden gebruikt om gebieden van P bakenen - T - f O 2 ruimte die met de PUM overvloed aan verschillende siderophile elementen (bijvoorbeeld 9-11).
De hoge druk en temperatuur naar een magma oceaan scenario relevant kan worden herschapen in het laboratorium met behulp van een zuiger-cilinder of multi-aambeeld pers. De zuiger-cilinderinrichting toegang tot matige druk (~ 2 GPa) en hoge temperatuur (~ 2573 K) condities, maar maakt grote monstervolumes en diverse capsulematerialen gemakkelijk gebruikt kan worden. De snelle afkoeling tarief maakt ook blussen van een reeks silicaat smelt composities om een glas, waardoor de vereenvoudiging van textuur interpretatie van de run-producten.De multi-aambeeld inrichting kenmerkend gebruik van kleinere monstervolumes maar met geschikte samenstel gemaakte drukken tot ~ 27 GPa en een temperatuur van ~ 3000 K. Het gebruik van deze werkwijzen heeft het mogelijk afscherming data voor veel van de matig en licht siderophile elementen te verwezenlijken verzameld over een groot bereik van P - T omstandigheden. Voorspellingen van de PUM samenstelling op basis van deze gegevens suggereren metal-silicaat evenwicht opgetreden bij gemiddelde druk en temperatuur van meer dan ~ 29 GPa en 3.000 K, respectievelijk, hoewel de exacte waarden zijn afhankelijk van het model. Om rekening te houden met de PUM overvloed van bepaalde redox gevoelige elementen (bijvoorbeeld, V, Cr) de f O 2 is ook gedacht om te evolueren tijdens de aanwas van ~ 4-2 log eenheden lager dan die opgelegd door co-bestaande ijzer en wustiet (FeO ) bij equivalente PT condities (ijzer-wustiet buffer) 12.
Hoewel de PUM overvloed aan melke siderophile elementen kan worden verklaard door metaal-silicaat evenwicht op de basis van een diepe magma oceaan, is het moeilijk gebleken om te beoordelen of deze situatie eveneens geldt voor de meest siderophile elementen (HSEs). De extreme affiniteit van de HSEs voor ijzer-metaal wordt aangegeven door lage druk (P ~ 0,1 MPa) en temperatuur (T <1673 K) experimenten suggereert het silicaat aarde moeten sterk worden uitgeput in deze elementen. Schattingen van de HSE inhoud voor PUM wijzen echter slechts een matige afname ten opzichte chondrite (figuur 1). Een vaak geponeerd oplossing voor de schijnbare HSE overtollige is dat de aarde kende een late-aanwas van chondritic materiaal na kern-formatie 13. Dit laat-opgelopen materiaal zou hebben gemengd met de PUM en verhoogde concentraties HSE maar had een verwaarloosbaar effect op meer overvloedig elementen. Ook is gesuggereerd dat de extreem siderophile aard van HSEs aangegeven door lage P T experimenten niet aanhouden van de hoge PT voorwaarden aanwezig zijn tijdens kern-formatie 14,15. Om deze hypothese te testen, moeten proeven worden uitgevoerd om de oplosbaarheid en metaal silicaat verdeling van HSEs bepalen in geschikte omstandigheden. Verontreiniging van de silicaat deel van uitgeblust run-producten in vele eerdere studies heeft echter run-product analyse ingewikkeld en verduisterd de ware verdelingscoëfficiënten voor HSEs tussen metaal en silicaat smelt.
In partitionering experimenten waarbij de HSEs aanwezig in concentratieniveaus geschikt om de natuur te zijn, de extreme voorkeur van deze elementen voor Fe-metal verhindert hun metingen in de silicaat smelt. Om dit probleem te omzeilen, worden oplosbaarheid metingen waarin het silicaat smelt is verzadigd in de HSE van belang en waarden van worden berekend op basis van het formalisme van Borisov etal. 16. Afgeschrikt silicaat run-producten van HSE oplosbaarheid experimenten uitgevoerd bij reducerende omstandigheden echter vaak bewijs voor verontreiniging weergeven door gedispergeerd HSE ± Fe insluitsels 17. Ondanks de bijna alomtegenwoordigheid van deze insluitsels in lage f O 2 experimenten met Pt, Ir, Os, Re en Ru, (bijvoorbeeld 18-27), is er aanzienlijke variatie tussen studies in de textuur presentatie; Vergelijk bijvoorbeeld referenties 22 en 26. Hoewel is aangetoond dat insluitsels kan vormen, die een stabiele fase bij de aanloop voorwaarden van een experiment 28 zijn, betekent dit niet dat de vorming van insluitingen als het monster is uitgedoofd. Onzekerheid omtrent de herkomst van insluitsels maakt de behandeling van de analyseresultaten moeilijk, en heeft geleid tot onduidelijkheid over de werkelijke oplosbaarheid van HSEs in verminderde silicaat smelt. -Inclusion free run-producten zijn vereist om te beoordelendie studies hebben een analytische benadering die accurate opgeloste HSE concentraties oplevert aangenomen. Aanzienlijke vooruitgang bij het onderdrukken van de vorming van metaal-insluitsels bij reducerende omstandigheden is nu aangetoond in experimenten met een zuiger-cilinderinrichting, waarbij het monster ontwerp werd aangepast van eerdere studies door toevoeging of Au of Si aan de uitgangsmaterialen 29-31. De toevoeging van Au of elementair Si de uitgangsmaterialen wijzigt de monstergeometrie of f O 2 ontwikkeling van het experiment respectievelijk. Deze methoden zijn bedoeld om vorming metal inclusie onderdrukken door het wijzigen van de timing van HSE-diffusie versus monster verminderen, en worden beschreven in Bennett et al. 31. In tegenstelling tot sommige eerdere pogingen om het silicaat smelt insluitsels, zoals mechanische hulpmiddelen equilibratie en centrifugeren zuiger-cilinder te reinigen, kan de onderhavige protocol zonder speciale appar geïmplementeerdAtus en is geschikt voor hoge PT experimenten.
Beschreven in detail hier is een zuiger-cilinder benadering de oplosbaarheid van Re, Os, Ir, Ru, Pt en Au in silicaat smelt bepalen bij hoge temperatuur (> 1873 K), 2 GPa en een fo 2 vergelijkbaar met die van ijzer-wustiet buffer. Toepassing van een vergelijkbare experimentele opzet kan ook succesvol blijken in HSE experimenten op andere druk, het verstrekken van de vereiste fase relaties, bevochtigingseigenschappen en kinetische relaties blijven op de gekozen omstandigheden. De bestaande gegevens zijn echter onvoldoende om te voorspellen of onze steekproef ontwerp succesvol bij een druk die overeenkomt met een diepe magma oceaan zal zijn. Ook beschreven is een algemene benadering wordt gebruikt om matig en licht siderophile element (MSE en SSE respectievelijk) partitioneren met behulp van een multi-aambeeld apparaat. Uitbreiding van de opname-vrije dataset voor HSEs aan hoge druk is waarschijnlijk dezelfde multi-aambeeld methoden gebruiken. Together, deze procedures een middel om zowel de voorwaarden van de kern-segregatie en de stadia van de aardse aanwas beperken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1) Voorbereiding van het uitgangsmateriaal
- Synthetische Basalt
Opmerking: Een basalt samenstelling wordt toegepast als het uitgangsmateriaal als silicaat meer gedepolymeriseerde samenstellingen, hoewel relevanter een magma oceaan scenario zijn moeilijk of onmogelijk te blussen met een glas zuiger-cilinder en meerdere aambeeld experimenten.- Weeg de gewenste hoeveelheid component oxide of carbonaat (Ca en Na) poeders, behalve Fe en aan een agaat mortier (zie voorbeeld tabel 1). Een Fe-vrije mengsel gewicht ~ 4 g dient voldoende uitgangsmateriaal zorgen voor een uitgebreide reeks van experimenten.
- Ethanol toevoegen agaatvijzel totdat de poeders worden vervolgens vermalen ondergedompeld gedurende ten minste 2 uur via een agaat stamper om zowel de samenstelling en de korrelgrootte van het mengsel te homogeniseren.
Opmerking: Homogeniteit Ondergrond starten samenstellingen kunnen gecontroleerd worden door het onderzoeken van een geperste pellet poedervormig mengsel met een scanning electron microscope uitgerust voor compositorische analyse van energie-dispersieve x-ray spectroscopie. - Eenmaal grondig gehomogeniseerd, plaatst de mortel onder een 250 W warmte-lamp op een afstand van ~ 20 cm. Nadat het poeder mengsel droog is, die 20-60 min kan duren, over te dragen aan ofwel een aluminiumoxide of mulliet (een aluminosilicaat) smeltkroes.
- Aan het mengsel decarbonate, plaatst de smeltkroes met de gepoederde mengsel in een doos oven bij RT en oprit naar 1.273 K in de loop van 3-5 uur. Laat het mengsel in de oven bij 1.273 KO / N.
- Verwijder de gedecarbonateerd mengsel uit de kameroven en laat deze afkoelen tot kamertemperatuur. Eenmaal koel, wegen en voeg ijzer aan het mengsel als ofwel FeO of Fe 2 O 3 poeder (zie tabel 1). Het variëren van de verhouding van FeO tot Fe 2 O 3 terwijl het totale Fe gehalte gelijk maakt de uiteindelijke f O 2 van het monster te wijzigen. Om toegang te krijgen tot meer reducerende omstandigheden, en in alle experimenten om P te onderzoekent, voeg ook ~ 0,5-2,0 gew% Si aan het mengsel. Zodra Fe (± Si) is toegevoegd, opnieuw homogeniseren van het mengsel door opnieuw malen onder ethanol met een agaat mortier en stamper.
- Droog het gehomogeniseerde mengsel onder een warmtelamp en breng deze over een shell vial. Bewaren in een exsiccator totdat klaar om het monster capsule laden.
- Metallic Fase: Re, Os, Ir, Ru Experimenten
- Voor experimenten bedoeld om Re, Os, Ir of Ru onderzoeken, bereiden een 3: 1 per gewicht (6: 1 voor Ru, om rekening te houden met het verschil in atomaire massa) mengsel van Au en de HSE van belang, met behulp van hoge zuiverheid metalen poeders . Een mengsel met een gewicht van ~ 500 mg moet voldoende uitgangsmateriaal zorgen voor een uitgebreide reeks van experimenten.
- Breng het mengsel in een grafietkroes en dek af met een deksel grafiet. Plaats de bedekte schaal in een doos oven bij een temperatuur van 1473 K ~ 5 min. Eenmaal verwijderd uit de oven, laat de smeltkroes deksel op zijn plaats totdat de assemblage heeft cootot RT.
VOORZICHTIG: Verwarmen van osmium in lucht kan leiden tot de vorming van de toxische verbinding osmiumtetroxide. Osmium metal is ook een bekend irriterend voor de huid, zie MSDS voor CAS # 7440-04-2.
Opmerking: Dit proces smelt de Au (smeltpunt ~ 1337 K), maar niet de bijbehorende HSE, wat resulteert in vorming van een metallische parel waarbij de HSE plaats wordt omringd door een schil van Au. - Verwijder het metallische parel van de grafiet kroes en gebruik een scheermesje te verdelen in kleinere stukken die ~ 1 mm in de langste afmeting te meten. Eenmaal gesneden, plaats de parels in een shell flesje en op te slaan in een exsiccator.
- Metallic Fase: Pt Experimenten
Opmerking: Experimenten nagaan Pt kunnen niet worden uitgevoerd met de Au beklede bead techniek vanwege de volledige mengbaarheid van Pt en Au bij hoge temperatuur (> 2042 K bij 0,1 MPa 32). Dit verzet zich tegen een steekproef geometrie waarbij Pt is fysiek gescheiden van de silicaat smelt tijdens een experiment door een schilvan Au.- Metaalpoeder Pt en Ir Meng in een 1: 1 gewichtsverhouding in totaal ~ 500 mg mixture. Voeg vervolgens ~ 20 mg metallisch Fe poeder zodat Fe omvat ~ 4 gewichtsprocent van het totale mengsel.
- Tape een schone lege boor (als alternatief kan de schacht van de boor wordt gebruikt in plaats van een boor blanco) aan de rand van een werkbank zodat ~ 3 mm uitsteekt vanaf het tafelblad. Plaats een silica glasbuis met een inwendige diameter van ~ 2-3 mm en buitendiameter van ~ 4-6 mm, op het uitstekende uiteinde van de boor blanco.
- Plaats de PtIrFe mengsel in de glazen buis en plaats een andere boor leeg erboven. Beide drill blanks moeten een diameter van niet meer dan 0,1 mm kleiner dan de binnendiameter van de silica glasbuis. Koud op de metallic mengsel door samen te duwen de boor blanks met de hand (figuur 2).
LET OP: Het gebruik van buitensporig geweld tijdens de koude persing stap kan ertoe leiden dat de silica glas te verbrijzelen). - Zet de koud geperste poeders, nog steeds in de silica glazen buis, in een aluminiumoxide kroes en te schorten in de koele deel van een gasmengende verticale buis oven. Verhoog de oventemperatuur tot 1673 K en het gebruik van CO-CO 2 gasmengsels, zet de oven f O 2 tot een waarde dicht bij de ijzer-wustiet buffer.
Let op: bij omgevingsdruk en 1673 K, de ijzeren-wustiet buffer overeen met een f O 2 van 1,93 x 10 -10 Pa 33. De relatie tussen CO-CO 2 mengverhouding, temperatuur en f O 2 kan worden gevonden in referentie 34. Voor de ijzer-wustiet buffer bij 1673 K gebruik van een gasmengsel dat 22,25 vol% CO 2 en 77.75 vol% CO.- Zodra de gewenste temperatuur en f O 2 bereikt, laat de aluminiumoxide kroes zodat deze zich bevindt in de oven hot spot en laat O / N voor het geperste poeders te gloeien.
- Verwijder de crucbaar en geperst poeders van de gasmengende oven en laat ze afkoelen. Als het kwartsglas buis nog intact, gebruikt een boor blanco gegloeide poeder duwen van de buis. Met behulp van kniptang, breken de getemperd poeder in stukken klein genoeg om te passen binnen de steekproef capsule gekozen voor het experiment.
- Breng de metalen stukken om een shell flesje en op te slaan in een exsiccator tot nodig.
- Metallic Fase: Multi-aambeeld Experimenten
- Voor experimenten om de verdeling van matig en licht siderophile elementen bepalen, meng de synthetische basalt poeder met Fe-metaalpoeder in gelijke proporties.
Opmerking: een deel van het Fe worden toegevoegd als een Fe-Si legering, typisch zodat Si omvat <8 gew% van de metaalfractie. Dit zal zorgen voor de experimentele f O 2 laag blijft. - Voeg de gekozen sporenelementen als metal-oxide poeders op de basalt plus metalen mengsel. Homogeniseer het uitgangsmateriaal door grINDENDE onder ethanol met een agaat mortier en stamper. De exacte hoeveelheid van spoorelementen toegevoegd zal afhangen van het element wordt onderzocht echter nominale concentraties van verscheidene duizenden ppm tot 2 gew% zijn typisch 10,35.
- Eenmaal gehomogeniseerd, droog de gepoederde uitgangsmateriaal onder een warmtelamp, overbrengen naar een shell flesje vervolgens op te slaan in een exsiccator totdat het nodig is.
- Voor experimenten om de verdeling van matig en licht siderophile elementen bepalen, meng de synthetische basalt poeder met Fe-metaalpoeder in gelijke proporties.
2. Voorbereiding van de Assembly Components
- Piston Cylinder
Opmerking: De zuiger- cilindersamenstel omvat een grafiet capsule die wordt ondersteund in de hot spot van een grafiet verwarmingselement via breekbare magnesia stukken. Een alumina ommanteld thermokoppel axiaal gepositioneerd door het bovenste gedeelte van het samenstel om de temperatuur aan de bovenzijde van het monster. De oven wordt dan omringd door BaCO 3-cellen die werken als zowel een drukmedium en thermische isolator 36. De inbouwmaten worden voorzien inFiguur 3A. Een lijst van voorbeeld materialen die voor de experimenten en hun bronnen zijn gegeven in tabel 2.- Machine het grafiet capsules, grafiet end plug en magnesiumoxide steun stukken aan de vereiste afmetingen met een centrum draaibank, met behulp van hoge zuiverheid grafiet en magnesium staven of buizen respectievelijk als uitgangsmaterialen (figuur 3A).
Opmerking: Voor experimenten om Re, Os en Ir te onderzoeken, kan HSE-Fe legeringen worden vervangen door grafiet als de capsule materiaal 29,30. - Sonificeer het grafiet capsules in ethanol gedurende ~ 1 min bij kamertemperatuur, vervolgens droog onder een warmtelamp op dezelfde wijze zoals aangegeven voor poedervormige uitgangsmaterialen. Eenmaal droog, breng de capsules naar een shell flesje en op te slaan in een exsiccator of droogoven tot nodig.
- Plaats de magnesia steunstukken in hetzij een alumina of mulliet kroes en gloeien bij 1573 K in een kameroven minstens 8 uur. Na gloeien, zodat de stukken om te koelen dan storein een droogoven gehandhaafd op ~ 393 K.
- Om de bariumcarbonaat cellen te maken, eerst BaCO 3 poeder en gebruikt exemplaar toner te mengen in 99: 1 verhouding van het gewicht. Ten minste 7,4 gram mengsel is vereist voor een experiment. Coat het binnengedeelte van de juiste maat stalen matrijs (zie figuur 3A voor de afmetingen van de BaCO 3 mouwen) met ofwel een grafietbasis droog smeermiddel of PTFE gebaseerde losmiddel (Tabel 2).
- Koude-druk 3,7 g van het mengsel tot ~ 250 MPa met behulp van de stalen matrijs en een hydraulische pers. Laat het mengsel bij druk gedurende 1 min voor decompressie. Dit zal een huls te produceren met een hoogte van 17 mm. Twee hulzen zijn vereist voor elk samenstel.
Noot: De 2-cel regeling boven beschreven en in sommige eerdere studies 29-31 mei worden vervangen één BaCO 3 cell verschaffen van een geschikte grootte matrijs beschikbaar. - Eenmaal verwijderd uit dematrijs aandrijvingsmechanisme van de kopie toner door verwarming van de mouw van RT tot 923 K in de loop van enkele uren in een kameroven plaatsen en vervolgens bij deze temperatuur gedurende ~ 30 minuten. Let op de kleurverandering van zwart naar oranje nadat de kopie toner is verwijderd. Bewaar de gegloeide hulzen in een droogoven gehandhaafd op ~ 393 K.
- Machine het grafiet capsules, grafiet end plug en magnesiumoxide steun stukken aan de vereiste afmetingen met een centrum draaibank, met behulp van hoge zuiverheid grafiet en magnesium staven of buizen respectievelijk als uitgangsmaterialen (figuur 3A).
- Multi-aambeeld
Opmerking: De multi-aanbeeld samenstel een sample capsule die is geplaatst in de hot spot van een cilindrische grafiet verwarmingselement gebruikt crushable MgO of Al 2 O 3 vulstukken. De verwarming wordt omgeven door ofwel een gesinterd keramisch of gietbare octaëder die fungeert als een drukmedium en thermische isolatie. Het thermokoppel kan zowel axiaal of dwars worden geplaatst, afhankelijk van de montage ontwerp. Er zijn verschillende maten en designs gebruikt samenstel voor multi-aambeeld experimenten, afhankelijk van het nagestreefde doel en P -. T condities Figuur 4 toont een alstage ontwerp eerder gebruikt om metaal-silicaat partitionering experimenten uit te voeren op 3,6 en 7,7 GPa 35.- Bereid grafiet capsules en kreukelzone magnesia of zirconia mouw van hoge zuiverheid buizen op dezelfde wijze zoals aangegeven bij zuigercilinder experimenten. De voorgeschreven afmetingen is gegeven in Figuur 4A.
- Maak de alumina stekker uit een lengte van hard-ontslagen alumina rod. Gebruik een diamantvijl de stang wanneer deze moet worden afgebroken scoren dan snap de stang op de gewenste lengte met de hand (zie Figuur 4A afmetingen). Gebruik het bestand naar eventuele bramen die het gevolg zijn van het breken van de staaf te verwijderen. Reinig de stekker door sonicatie in ethanol bij kamertemperatuur.
- Bereid octaëders met een 18 mm octaëdrische kantlengte (OEL) door een MgO-gebaseerde gietbare 2-delige keramische (zie tabel 2) en geschikte afmetingen schimmels. De matrijs omvat een mal die 8 afgeknotte kubussen bezit, gescheiden door platen met een dikte gelijk aan die gewenst is voor the voorgevormde pakkingen 37.
- Voor octaeders met een 18 mm OEL, gebruik kubussen met een 11 mm ingekort randlengte (TEL) en lakens die zijn 3 mm dik. Gebruik een aluminium of PVC voor de kubus en plaatmaterialen. Monteer de mal, het smeren van alle onderdelen die zullen contact opnemen met de castable keramiek met siliconen vet. Laat een kubus niet gemonteerd op een punt voor de keramische mengsel bieden.
- Combineer het poeder keramiek en vloeibare activator in een 100: 30 gewichtsverhouding en meng. Giet het mengsel in de mal, zodat er geen ingesloten zakken van de lucht. Plaats de overige kubus en laat het mengsel gedurende ten minste 2 uur ingesteld. Elke octaëder vereist ~ 15 g keramische mengsel.
- Eenmaal ingesteld, verwijder de octahedron uit de mal, uitdrogen voor ~ 1 dag in een droogoven bij 393 K vervolgens gloeien bij 1,273-1,373 K in een doos oven voor ~ 2 uur.
- Laat de octaëder afkoelen tot kamertemperatuur in lucht, boor dan een 7,3 mm diameter gat zoals aangegeven inFiguur 4B de isolatiehuls, grafiet verwarmingselement en resterende monsterbestanddelen tegemoet.
- Bewaren in een droogoven bij ~ 393 K tot gebruik het experiment monteren.
3. Montage van de onderdelen
- Vergadering van de zuiger-cilinder Experiment
- Laad het grafiet sample capsule door eerst de HSE-dragende metalen dan het toevoegen van synthetische basalt poeder totdat de capsule is gevuld. Toepassing van een zwaartekracht stabiele opstelling minimaliseert de kans omwenteling tijdens het experiment en is bedoeld om dispersie van de metallische fase te voorkomen door mechanische werking.
- Plaats een kleine hoeveelheid (typisch <50 mg) droog MgO poeder op de bodem van de holte teneinde het staal capsule houden. Dit vlakt het taps toelopende oppervlak gemaakt wanneer het boren van het gat en op zijn beurt vermindert de dwarskrachten tijdens monster compressie die de capsule kan barsten.
- Monteer alle eerder made componenten zoals getoond in figuur 3B.
- Wikkel een stukje van 30 micrometer dikke loodfolie rond de assemblage, het vouwen van een klein (~ 1,5 mm) deel van folie over de blootgestelde einde van de lagere BaCO 3 mouw. Steek de constructie in een 12,7 mm boring wolfraamcarbide drukvat, samen met een base plug (boven) en staal eindstuk (hieronder) zoals getoond in figuur 3A.
Opmerking: De-end geladen zuigercilinderaandrijfeenheden apparaat heeft twee hydraulische cilinders. Een brug staat de onderste stoter kan een wolfraamcarbide zuiger druk op de onderkant van het monster. De bovenste stoter bepaalt de locatie van het bovenste monsteroppervlak en voert een end-load met het drukvat dat extra steun geeft aan de wolfraamcarbide kern 38. Figuur 3C toont een zuiger- cilinder-inrichting van de universiteit van Toronto met de brug op zijn plaats. Een wrijving-correctie van -9% wordt toegepast om rekening te houden voor het verschil tussen de nominale monster druk eend dat ervaren door het monster 39. - Plaats de brug, drukvat en base-plaat tussen de hydraulische cilinders. Vervolgens maakt een C-type thermokoppel met behulp 4-hole hard gestookt aluminiumoxide buis met een buitendiameter van 1,6 mm. De aluminiumbuis voldoende lang om ~ 1-2 mm van de buis uitsteekt uit het bovenoppervlak van de bovenplaat worden gesneden.
- Feed beide wire samenstellingen (zie Tabel 2) tot naast elkaar gelegen gaten in de buis, draai de uiteinden door 180 graden en zet deze in de tegenoverliggende gaten, zodat de draden doorkruisen. Plaats het thermokoppel door de bovenste plaat in het samenstel, zodat de verbinding direct boven het monster. Isoleer de rest van de thermokoppel draden met behulp van flexibele slangen Teflon, waardoor een 10-20 mm gedeelte blootgesteld aan het eind.
- Plaats elke gewenste metalen afstandhouders op zijn plaats tussen de bovenplaat en de bovenste ram. Bij de montage positie Mylar sheets zowel boven het drukvat en tussen debovenkant van de montage en de bovenste ram. Deze platen elektrisch isoleren van het monster verwarmingscircuit van de rest van het apparaat.
- Vergadering van de Multi-aambeeld Experiment
- Voeg een C-type thermokoppel met behulp 4-hole harde gestookte aluminiumbuis door het voeren beide draden door naast elkaar gelegen gaten in de buis, het draaien van de einden 180 ° vergrendelingsmiddelen daarvoor in de tegenoverliggende gaten. Isoleer de rest van de draden met een korte lengte (~ 20 mm) van de aluminiumbuis en Teflon isolatiemateriaal, waardoor een 10-20 mm gedeelte beschermde draad eind.
- Plaats de zirconia huls en grafiet verwarmingselement in de octaëder, snijd grooves zoals aangegeven in figuur 4B. Plaats de thermokoppel in de bovenkant van de octaëder en plaats het aluminiumoxide bedekte armen in de groeven. Gebruik zirconia cement (zie tabel 2) naar de lege ruimte rond de thermokoppel te vullen en laten drogen.
- Om het thermokoppel jo isolerenvanuit het grafiet capsule, voeg MgO poeder van de basis van de octaëder totdat de blootliggende draden vallen. Minder dan 50 mg poeder meestal voldoende om de kerndraad omgeven. Om strakke verpakking van de MgO poeder te garanderen, gebruik dan een boor lege aan te stampen de losse poeder.
- Laad een grafiet capsule met de eerder bereide monster materiaal en plaats in de octaëder van de open zijde. Steek de stekker aluminiumoxide aan de montage van de octaëder te voltooien.
- Op 4 van de WC kubussen (Tabel 2) gebruikt polyvinylacetaat korte stukjes balsa hout, een op elk van de 3 vlakken grenzend aan de afgeknotte hoek van de kubus lijmen. Elke balsa-hout stuk moet meten ~ 4.4 mm in de hoogte en breedte van ~ 9,0 mm in de lengte, de octahedron grootte weergegeven in figuur 4. Op elk gezicht, de positie van de balsa-stukken hout in het kwadrant tegenover de afgeknotte rand.
- Monteer 4 van de kubussen om een vierkant te vormen in bovenaanzicht, 2 met en 2 zonder wooden stukken bijgevoegd. Richt de afgeknotte randen naar het midden van het vierkant gezicht.
- Plaats de octaëder in het midden van de blokken, waardoor deze wordt ondersteund door de afgeknotte hoeken. Vervolgens de hoek van de thermokoppel armen, zodat zij uit tegenovergestelde hoeken van het plein (figuur 5A)
- Leg de resterende WC blokjes in positie om een kubus met de octaëder in het centrum te vormen, zodat de blokjes met houten stukken bevestigd rust bovenop kubussen die geen houten spacers hebben.
- Lijm vierkante stukjes van ~ 0,5 mm dikte G10 plaat (zie tabel 2) aan elke zijde van de samengestelde kubus met een cyanoacrylaat-type lijm. Voor 32 mm WC blokjes Gebruik G10 bladen meten ~ 55 mm x 55 mm. Twee van de WC kubussen verkortingen dat contact verwarmingselement en vormen deel van de elektrische verwarmingscircuit. Voor platen die deze blokjes contact, snijd 2 smal (<1 mm breed) sleuven zoals aangegeven in figuur 5B en plaats een stuk van koperfolie zodat ikt levert een punt van contact tussen de 1e en 2e fase aambeelden.
Opmerking: De multi-aambeeld apparaat maakt gebruik van een 2-traps systeem van aambeelden binnen een borgring. De eerste fase aambeelden omvat 6 verwisselbare wiggen die een centrale kubieke holte vormen. Deze holte is geschikt voor 8 hardmetalen kubussen met afgeknotte hoeken (tweede fase aambeelden), dat de keramische octahedron 40 omringen. Verticaal gerichte kracht door een hydraulische druk uitgeoefend op de eerste trap aambeelden wordt overgenomen door de octaëder op een wijze die resulteert in een quasi-hydrostatische compressie van het monster. De relatie tussen de oliedruk in de ram en sample druk kan worden gekalibreerd voor de 18 mm OEL cast achtvlakkige assemblage hier beschreven aan de hand van de door de 41 beschreven procedures. - Snij 2 vellen van 0,076 mm dik Mylar aan de in figuur 6 en smeer ze afmetingen met een droge PTFE smeermiddel.
- Positie één van de voorgesneden vellen in deborgring (rechte rand aan de basis) en steek de onderste-set van 1 st -Stage aambeelden, die op hun beurt worden ondersteund met 0,076 mm dik Mylar en gecoat met PTFE smeermiddel (Figuur 5B). De lagere reeks aambeelden kan worden overgelaten in plaats tussen de runs. Plaats de geassembleerde kubus in de onderste reeks van 1-fase aambeelden en sluit het thermokoppel armen om een evenwichtige thermokoppeldraden dat de druk module verlaten.
- Plaats de 2 e voorgesneden Mylar vel in de borgring (rechte rand aan de bovenkant) en steek de bovenste set van 1 st -Stage aambeelden, die Mylar gesteund en gesmeerd op dezelfde wijze als de onderste set zou moeten zijn. Deze opstelling levert een gesmeerde Mylar op Mylar contact tussen de 1 ste -stadium aambeelden en de borgring dat het verlies van ram stuwkracht vermindert wrijving met ~ 30% vergeleken met een Mylar-vel arrangement 37.
Opmerking: Dikten en afmetingen van de mylar vel hangt af tHij exacte ontwerp van de druk module wordt gebruikt. Hierboven en in figuur 6 beschreven zijn de afmetingen in gebruik naast het Geophysical Laboratory, Carnegie Institution of Washington.
4. Het uitvoeren van de Experiment
- Nadat het monster op de gewenste druk, warmte wordt gebracht met een snelheid van 100 K / min totdat de gewenste verblijftijd temperatuur bereikt. Tijdens de verwarmingsstap, moet olie in het monster stoter wordt aangepast om een constante oliedruk handhaven.
- Na de verblijftijd, blussen het monster door het snijden macht aan de oven. Zodra de inrichting is afgekoeld tot kamertemperatuur langzaam pak het monster.
5. Run-product Analyse
- Voor zuigercilinder experimenten halen de afgewerkte experiment van het drukvat met behulp van een hydraulische ram. Met een paar zware kotters verwijder de buitenste delen van de vergadering aan het grafiet capsule los (zuiger cylindre) of de oven met het monster capsule en ondersteuning stukken (multi-aambeeld).
- Monteer het monster in epoxy (Figuur 7A) (meestal een 25,4 mm diameter puck te vormen). Met behulp van 320-600 grit silicium carbide papier, vermalen tot het monster op de uitgeblust silicaat smelt en metallische fasen bloot. Pools de blootgestelde oppervlak met behulp van aluminiumoxide of diamant ophanging met afnemende grit maten variërend van ~ 15-0,3 micrometer.
- Carbon vacht het oppervlak van de gepolijste monster 42 en het analyseren van de belangrijkste element samenstelling van het metaal en silicaat run-producten door elektronen probe micro analyse (EPMA). Gebruik een onscherpe (10 urn) bundeldiameter het silicaat analyse migratie van alkali elementen voorkomen weg van de elektronenbundel. De analytische voorwaarden en normen die worden gebruikt om de vorige samples gegenereerd met de bovenstaande protocol karakteriseren kan worden gevonden in de referenties 29 - 31,35
Opmerking: Voor experimenten onderzocht ome MSE en SSE partitionering, kan EPMA ook blijken geschikt voor de analyse van de tracer elementen, mits ze aanwezig bij voldoende concentraties. - Volgende belangrijke elementen analyse, verwijder de koolstof jas met 0,3 pm alumina grit. Gebruik laser ablatie inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (LA-ICPMS) om het spoor element inhoud van de run-producten te bepalen. Voor een inleiding tot de analyse van LA-ICPMS proeven, neem dan zie referentie 43.
Opmerking: Bij eerdere HSE oplosbaarheidsstudies isotopen van calcium en nikkel zijn met succes gebruikt als interne standaarden om de gegevens te verminderen, waarbij zowel glas en sulfide referentiematerialen respectievelijk 29,30. Alle analyses moet worden voorafgegaan door een enkele doorgang van ablatie, gevolgd door spoelen van de ablatie cel tenminste 60 sec. Dit zorgt ervoor dat elk oppervlak verontreiniging die kunnen voortvloeien uit het polijsten van de experimentele run-producten heeft geen invloed op de resultaten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De volgende voorbeelden en bespreking gericht op experimenten HSE oplosbaarheid te bepalen silicaat smelt bij lage f O 2. Voor uitgebreide voorbeelden van MSE en SSE afscherming data van meerdere aambeeld experimenten worden gebruikt om de P beperken - T - f O 2 voorwaarden kernmetaal segregatie wordt verwezen naar referenties 9 -. 11 Afbeelding 7B-D toont back verstrooide elektron beelden van typische experimentele run-producten. In experimenten met Au, de bevochtiging eigenschappen tussen silicaat smelt, Au smelten en solide HSE (Re, Os, Ir, Ru) dicteren het monster geometrie en resulteren in een fysieke scheiding tussen de silicaat smelt en het vaste HSE. Voor experimenten Pt onderzoeken, de PTIR legering blijft in direct contact met het silicaat smelt. Snijvermogen aan de oven aan het eind van het experiment zorgt voor een snelle afkoeling van het monster en uitdoving van de silicate smelten. Run-producten hetzij 1 of 2 alloy fasen omvatten derhalve (HSE-rich ± Au-rich) of silicaatglas (basalt die de samenstelling van tabel 1 wordt gebruikt).
Verontreiniging van de silicaatglas lage f O 2 HSE oplosbaarheid experimenten wordt het gemakkelijkst geïdentificeerd door de aanwezigheid van heterogeniteit in tijdopgeloste LA-ICPMS spectra. Deze heterogeniteit manifesteert als "pieken" en "dalen" in de spectra als gevolg van de ablatie van verschillende verhoudingen van integratie dragende versus-integratie vrij glas 17. Figuur 8A toont de tijdsopgeloste spectrum voor een Pt oplosbaarheid experiment dat niet in dienst methoden voor de vorming van metaal insluitingen te voorkomen. Ter vergelijking, de figuren 8B-display F-time opgelost spectra kenmerkend voor silicaat run-producten gesynthetiseerd met behulp van de technieken beschreven in het bovenstaande protocol. De homogeniteit van spectra bf indicates de afwezigheid van verspreide HSE insluitsels in de silicaat deel van experimentele run-producten. Inspectie van het silicaatglas door scanning elektronenmicroscopie bevestigen dat er zichtbare metaal-insluitsels in de silicaat run-producten weinig verontreiniging verdere ondersteuning. De spectra weergegeven in figuur 8A-E zijn van run-producten gesynthetiseerd als onderdeel van een aantal eerdere studies 29 -. 31 Figuur 8F is van een Ru oplosbaarheid experiment uitgevoerd bij 2273 K en 2 GPa met behulp van de Au-toevoeging hierboven beschreven techniek. De homogeniteit van de spectra blijkt dat deze benadering ook succesvol bij het voorkomen van de vorming van metaal-insluitsels in eerdere Ru oplosbaarheid experimenten uitgevoerd bij soortgelijke omstandigheden verminderen (~ W + 2,5) 24.
Figuur 1. CompaRison tussen de geschatte primitieve bovenmantel (PUM) samenstelling en die voorspeld door de resultaten van experimenten oplosbaarheid bij lage druk en temperatuur. Gegevens voor de PUM preparaat van Fischer-Gödde et al. 7. Partitie coëfficiënten voor de HSE zijn dan 0,1 MPa, 1573-1673 K en IW-2 van Fe-vrije experimenten met 27 (Re), 44 (Os), 18 (Ir), 45 (Ru), 16 (Pd), 46 (Au), 21 (Pt en Rh). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Opstelling gebruikt om koude pers metaalpoeder. Het onderste boor blanco (of steel) wordt normaliter geplakt is aan de rand van een werkbank gemakkelijk laden van de poeders toe in het kwartsglas tube. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. (A) gedetailleerde dwarsdoorsnede van de zuiger cilinder samenstel eenmaal ingebracht in het drukvat. Om consistente resultaten moet de speling tussen componenten binnen de weerstandsoven binnen 0,025 mm van de nominale waarde 38. BaCO 3 cellen moet binnen ~ 0,13 mm van de nominale inwendige en uitwendige diameters. Details voor de constructie van een geschikte matrijs is te vinden in 47, hoewel de cel binnendiameter moet worden gewijzigd in de tekeningen in deze referentie tot 7,9 mm. (B) Procedure voor de bouw van de zuiger cilinder monster montage. Ofwel een cyanoacrylaatlijm of huishoudelijke cement zijn suitable met het grafiet eindplug veilig in de BaCO 3 huls echter niet meer dan ~ 10 mg worden toegepast. (C) Een zuigercilinder druk aan de Universiteit van Toronto. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4. (A) Doorsnede van meerdere aanbeeld samenstel geschikt voor gebruik met wc blokken die een 11 mm TEL hebben. Het bovenste deel van de figuur is getekend aan hoe het thermokoppel armen verlaat de octaëder, gezien zowel loodrecht naar en langs de as van de draad aangegeven. (B) Bovenaanzicht van de cast octaëder met afdichting vinnen. Grooves voor de thermokoppel armen moeten in de gebieden rood gemarkeerd worden gesneden. Merk op dat de binnenste magnesiumoxide huls en 4-hole aluminabuis getoond in de figuur mag niet in plaats wanneer de groeven worden gesneden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5. (A) Opstelling van de WC blokjes rond de verzamelde octaëder. (B) Lagere set 1-fase aambeelden en hun opstelling binnen de borgring. (C) Afgesloten experiment geplaatst in de druk module met 1 van de bovenste reeks van 1-fase aambeelden op zijn plaats. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7. (A) Experimentele run-product gemonteerd in epoxy, dan geslepen en gepolijst. (B) en (C) back-verstrooide elektronen beelden van experimentele run-producten uit experimenten met de Si-toevoeging (B) en Au-toevoeging (C) technieken in de tekst beschreven experimenten om Pt en Ru oplosbaarheid respectievelijk bepalen. Afbeelding (B) is herdrukt van 31 met toestemming van Elsevier. (D) vergrote weergave van het gebied geschetst in rood op (C) om de details van de Auru kraal tonen en metal-silicaat interface. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8 (A) Tijdsgeresolveerde LA-ICP-MS spectra van een lage f O 2 Pt-oplosbaarheid experiment dat geen maatregelen om de vorming van metalen insluitingen te onderdrukken had dienst. (BF) Typische tijdsopgeloste LA-ICP-MS spectra van experimenten Ru, Pt 31, 30 Re, Os en Ir 29 die zijn uitgevoerd met de werkwijze beschreven in de tekst. Alle getoonde gegevens uit experimenten uitgevoerd op 2273 K en 2 GPa. De verticale stippellijn in elke figuur scheidt het gebied van ablatie van de regio achtergrond acquisitie.g "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9. De verandering in D Met / Sil met T voor experimenten uitgevoerd door Brenan & McDonough 29 (Os, Ir, Au), Bennett & Brenan 30 (Re, Au) en Bennett et al. 31 (Pt) met behulp van de procedures beschreven here. Alle gegevens zijn afkomstig uit experimenten gedaan op 2 GPa. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 10. De oplosbaarheid van Iridium in basalt smelt bij 2273 K en 2 GPa als functie van f O <sub> 2 ten opzichte van de ijzer-wustiet (IW) buffer. De gegevens zijn afkomstig Brenan & McDonough 29. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Voordat Decarbonisatie | Na Decarbonisatie | ||||
| gew% Oxiden / Carbonaten; Fe2 + uitgangssamenstelling | gew% Oxiden / Carbonaten; Fe2 + uitgangssamenstelling | gew% Oxide; Fe2 + uitgangssamenstelling | gew% Oxide; Fe3 + uitgangssamenstelling | ||
| SiO 2 | 47.92 | 47.40 | SiO 2 | 51.87 | 51.26 |
| Al 2 O 3 | 9.91 | 9.80 | Al 2 O 3 | 10.73 | 10.60 |
| CaCO 3 | 16.20 | 16.02 | CaO | 9.83 | 9.71 |
| MgO | 14.58 | 14.42 | MgO | 15.79 | 15.60 |
| FeO | 9.84 | - | FeO | 10.66 | - |
| Fe 2 O 3 | - | 10.82 | Fe 2 O 3 | - | 11.71 |
| MnO | 0.06 | 0.06 | MnO | 0.07 | 0.07 |
| Na 2 CO 3 | 1.20 | 1.19 | Na 2 O | 0.76 | 0.75 |
| NiO | 0.28 | 0.27 | NiO | 0.30 | 0.30 |
Tabel 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De resultaten van inclusie vrije experimenten uitgevoerd volgens de hieronder beschreven protocollen eerder vergeleken met literatuurgegevens in referenties 29 (Os, Ir, Au), 30 (Re, Au) en 31 (Pt). Pt is het meest leerzaam bij het aantonen van het nut van-inclusie free run-producten. Voor experimenten uitgevoerd op lage f O 2, Ertel et al. 48 toegewezen insluitsels om een stabiele oorsprong en daarom beperkt datareductie tot de laagste tellingen per-seconde-regio-time opgelost LA-ICPMS spectra. Deze benadering minimaliseert de bijdrage van insluitsels aan de gemeten silicaat smelt concentraties. Gegevens van Ertel et al 48 bij ~ W + 1 goed overeen met de trend tussen D Met / Sil en 1 / T gedefinieerd door-inclusie vrije experimenten uitgevoerd op een vergelijkbaar f O 2.; bevestigen dat de gekozen analytische behandeling effectieve wijze geldt Pt oplosbaarheden 31. Bovendien experimenten uitgevoerd met het opnemen onderdrukkende protocol hier beschreven kunnen meer reducerende omstandigheden, waarbij het spectrum filtermethode minder effectief 17 sonde. In studies die alleen de aanwezigheid van quench verwante insluitsels aannemen, is variabel overeenstemming met de data-opname vrij. Zo wordt een goede overeenkomst waargenomen met de resultaten van Mann et al. 49, maar de experimenten van Cottrell et al. 22 weergave systematisch lagere waarden van D Met / Sil dan inclusie vrije 31 experimenten. Het genereren van vrije-integratie experimenten bij uiteenlopende omstandigheden is derhalve cruciaal voor de betrouwbaarheid van eerdere metingen opneming verontreinigde beoordelen.
Hoewel de hier beschreven protocol succesvol gebleken over een reeks omstandigheden is geen panacee voor het probleem van verontreiniging door metalen insluitingen. Experimenten uitgevoerd met gebruikmakingde techniek van Au Daarnaast worden beïnvloed door de vorming van complex legeringssamenstellingen bij zeer lage f O 2. Om de voorwaarden aanzienlijk verminderen dan ijzer-wustiet buffer gegenereerd wordt elementaire Si toegevoegd aan de uitgangsmaterialen. Ren producten van de meest verminderen van deze experimenten bevatten 2-co bestaande legeringen die uitgebreide demping verband exsolution texturen bezitten. Mengbaarheid in de legering blijkt te resulteren uit het significante oplossing van Si in de metaalfase bij reducerende omstandigheden. Een gebrek aan geschikte activiteit-gegevens over de samenstelling van de legering composities gevormd op zeer reducerende omstandigheden voorkomt dat de Fe en HSE activiteiten in de legering fase van wordt bepaald. Dit voorkomt nauwkeurige berekening monster f O 2 en HSE concentraties in het silicaat smelt bij de oplosbaarheidsgrens.
De werkzaamheid van Si-toevoeging als een methode om de vorming van Pt insluitingen te voorkomen lijkt af te nemen bij lageretemperaturen. Bennett et al. 31 merkte op dat de experimenten uitgevoerd op 1873 K-display bewijs voor besmetting met metalen insluitsels, terwijl die gedaan bij hogere temperaturen niet. Dit kan worden veroorzaakt door een verandering van de kinetische relatie tussen bestrijding monster en Pt in-diffusie bij lagere temperaturen. Een verdere overweging voor experimenten uitgevoerd met de Si-toevoeging techniek is het effect op de uiteindelijke smeltsamenstelling. Oxidatie van elementair Si begin van het experiment gebeurt via de volgende reactie met FeO in de smelt:
Si (met) + 2FeO (sil) = SiO 2 (sil) + 2Fe (met) (2)
Toevoeging van grotere hoeveelheden Si, zodat deze tegen meer reducerende omstandigheden leidt daarom een SiO 2 verrijkt en FeO verarmde smelt samenstelling. Om experimenten die een breed f O overspannen gedrag 2 2 voor elke mol Si toegevoegd aan de uitgangssamenstelling. Ook moet worden opgemerkt dat sommige studies is gebleken het optreden van metallische insluitsels ook afhankelijk smeltsamenstelling, met name of de smelt Fe-dragende 50.
De oplosbaarheid gegevens geboden door ongerepte run-producten maakt nauwkeurige metal-silicaat partitie coëfficiënten worden berekend. Voor experimenten waarbij de HSE van belang niet aanwezig is als een zuivere fase (dat wil zeggen, HSE metal activiteit <1), gemeten concentraties in het silicaat fase worden gecorrigeerd naar eenheid activiteit met beschikbare thermodynamische gegevens. Met uitzondering van Au, een nuttige samenvatting van de beschikbare activiteit-relaties preparaat voor HSElegeringen wordt gegeven in referentie 49. Beperkte gegevens van Au-Fe legeringen kunnen worden gevonden in de referenties 46,51. De volgende relatie wordt dan gebruikt om waarden van D Met / Sil de gecorrigeerde HSE concentraties silicaat smelt 16 bepalen
(3)
Waarin 
de HSE concentratie van het silicaat bij verzadiging in de HSE fase A een mol tot omrekeningsfactor gewicht en 
is de activiteit coëfficiënt van de gekozen HSE bij oneindige verdunning in vloeibaar Fe-metaal. Figuur 9 geeft de verandering in D Met / Sil met T berekend op basis van experimenten uitgevoerd op 2 GPa en een f O 2 in de buurt van de ijzeren-wustiet buffer. Een toepassing van deze data moetenbeoordeelt het vermogen van hoge temperatuur metal-silicaat evenwicht om rekening te houden voor de geschatte primitieve bovenmantel overvloed van deze elementen. Waarden van D Met / Sil de HSE moeten dalen tot waarden van 10 ~ 2 -10 3 bij ongeveer dezelfde temperatuur als metaal-silicaat equilibrium is verantwoordelijk voor de PUM preparaat. De gegevens van eerdere studies weergegeven in figuur 9 stelt deze eis niet voldaan door de resultaten van proeven uitgevoerd bij reducerende omstandigheden 29-31.
Oplosbaarheid meetwaarden van ongerepte silicaat werking bijproducten zijn ook bruikbaar bij het openbaren van de speciatie van HSEs opgelost in silicaat smelt bij lage f O 2. Informatie betreffende de speciatie van deze metalen over een groot bereik van redoxcondities is niet alleen nuttig voor het geleiden van extrapolatie van de gegevens buiten het experimenteel onderzochte traject, maar ook voor de ingevormd ontwerp van een bril met speciale optische eigenschappen. Veranderingen in de oxidatietoestand van opgeloste metalen kan gepaard gaan met veranderingen in de coördinatie chemie, waaruit variatie in eigenschappen zoals optische absorptie kunnen optreden. Bijvoorbeeld de ontbinding van platina, op grote schaal gebruikt als verpakkingsmateriaal voor het synthetiseren van glas uit smelt kan leiden tot verschillende gekleurde glazen afhankelijk van de redoxcondities van de smelt 52,53. De oxidatietoestand van opgeloste HSEs kan worden afgeleid uit de verandering in oplosbaarheid met f O 2. Beschouw oplossing van een metaal (M) een oxide species in de smelt:
(4)
Wanneer n is de oxidatietoestand van het opgeloste metaal. De evenwichtsconstante (K) en P en T voor vergelijking 3 gegevendoor:
(5)
Gelijkstellen ln K de Gibbs vrije energie van de reactie, en bij verzadiging in de metaalfase (a M = 1), vergelijking 4 wordt:
(6)
De helling van een trend tussen HSE oplosbaarheid en f O 2 levert dan n / 4, waaruit de soortvorming verkrijgbaar. Brenan & McDonough 29 bepaalde de oplosbaarheid van Ir als functie van f O 2 uit experimenten die hier beschreven technieken. De resultaten van deze experimenten worden getoond in Figuur 10 en geven een helling van 0,2, grotendeels consistent met een 1+ oxidatietoestand (voorspelde hellingsgraad van 0,25) Ir verminderd silicaat smelt.
Experimenteel bepaalde metal-silicaat partitie coëfficiënten kan worden gebruikt om de voorwaarden van de kern-mantel evenwicht tijdens aardse aanwas te vestigen. De resultaten voor de zeer siderophile elementen kan ook worden gebruikt om te beoordelen of de aarde kende een late-fineer van chondritic materiaal na kern formatie. Hier volgt een overzicht van de procedures voor metal-silicaat partitionering en oplosbaarheid experimenten respectievelijk uit te voeren in de multi-aambeeld en de zuiger-cilinder-apparaten. Technieken worden ook beschreven dat de vorming van metalen insluitingen in HSE oplosbaarheid experimenten te onderdrukken bij 2 GPa en temperaturen> 1873 K. De berekende HSE verdelingscoëfficiënten suggereren dat metaal-silicaat evenwicht bij hoge T de schijnbare overmaat HSEs niet verklaren primitieve bovenmantel . Toekomstige werkzaamheden blijft om te bevestigen als de HSE partitionering gedrag aangegeven door experimenten op 2 GPa blijft tot hogere P en T. Dit zal testen vereisende-opname onderdrukken protocollen hier beschreven in een hoge P multi-aambeeld experimenteel ontwerp.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door het Natural Sciences and Engineering Research Council van Canada Equipment, Discovery en Discovery Accelerator subsidies toegekend aan JMBNRB erkent steun van het Carnegie Institution of Washington postdoctoraal fellowship programma. Stephen Elardo wordt ook bedankt voor zijn hulp voorafgaand aan het filmen met de zuiger-cilinder druk op het Geophysical Lab.
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 |
References
- Canup, R. M.
- Rubie, D., Nimmo, F., Melosh, H.
- Karato, S., Murthy, V. R. Core formation and chemical equilibrium in the Earth Physical considerations. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 100, 61-79 (1997).
- Dziewonski, A. M., Anderson, D. L.
- McDonough, W., Sun, S.
- Palme, H., O’Neill, H.
- Fischer-Gödde, M., Becker, H., Wombacher, F. Rhodium, gold and other highly siderophile elements in orogenic peridotites and peridotite xenoliths. Chemical Geology. 280 (3-4), 365-383 (2011).
- Ringwood, A. E.
- Wood, B. J., Wade, J. Core formation and the oxidation state of the Earth. Earth and Planetary Science Letters. 236 (1-2), 78-95 (2005).
- Siebert, J., Corgne, A., Ryerson, F. Systematics of metal–silicate partitioning for many siderophile elements applied to Earth’s core formation. Geochimica et Cosmochimica Acta. 75 (6), 1451-1489 (2011).
- Righter, K. Prediction of metal–silicate partition coefficients for siderophile elements: an update and assessment of PT conditions for metal–silicate equilibrium during accretion of. Earth and Planetary Science Letters. 304 (1-2), 158-167 (2011).
- Wood, B. J., Walter, M. J., Wade, J. Accretion of the Earth and segregation of its core. Nature. 441 (7095), 825-833 (2006).
- Kimura, K. A. N., Lewis, R. O. Y. S., Anders, E. Distribution of gold and rhenium between nickel-iron and silicate melts: implications for the abundance of siderophile elements on the Earth and Moon. Geochimica et Cosmochimica Acta. 38, 683-701 (1974).
- Murthy, V. R. Early differentiation of the Earth and the problem of mantle siderophile elements: a new approach. Science. 253 (5017), 303-306 (1991).
- Righter, K., Humayun, M., Danielson, L. Partitioning of palladium at high pressures and temperatures during core formation. Nature Geoscience. 1 (5), 321-323 (2008).
- Borisov, A., Palme, H., Spettel, B. Solubility of palladium in silicate melts Implications for core formation in the Earth. Geochimica et Cosmochimica Acta. 58 (2), 705-716 (1994).
- Ertel, W., Dingwell, D. B., Sylvester, P. J. Siderophile elements in silicate melts — A review of the mechanically assisted equilibration technique and the nanonugget issue. Chemical Geology. 248 (3-4), 119-139 (2008).
- Borisov, A. L., Palme, H. The solubility of iridium in silicate melts: New data from experiments with lr10Pt90 alloys. Geochimica et Cosmochimica Acta. 59 (3), 481-485 (1995).
- Borisov, A., Palme, H. Experimental determination of Os metal/silicate partitioning. Neues Jahrbuch für Mineralogie - Abhandlungen. 172 (2-3), 347-356 (1998).
- Borisov, A., Palme, H. Experimental determination of the solubility of platinum in silicate melts. Geochimica et Cosmochimica Acta. 61 (20), 4349-4357 (1997).
- Ertel, W., O’Neill, H. S. C., Sylvester, P. J., Dingwell, D. B. Solubilities of Pt and Rh in a haplobasaltic silicate melt at 1300. C. Geochimica et Cosmochimica Acta. 63 (16), 2439-2449 (1999).
- Cottrell, E., Walker, D. Constraints on core formation from Pt partitioning in mafic silicate liquids at high temperatures. Geochimica et Cosmochimica Acta. 70 (6), 1565-1580 (2006).
- Yokoyama, T., Walker, D., Walker, R. J. Low osmium solubility in silicate at high pressures and temperatures. Earth and Planetary Science Letters. 279 (3-4), 165-173 (2009).
- Laurenz, V., Fonseca, O. C., Ballhaus, C., Peter, K., Heuser, A., Sylvester, P. J. The solubility of palladium and ruthenium in picritic melts: 2. The effect of sulfur. Geochimica et Cosmochimica Acta. 102, 172-183 (2013).
- Neill, H. S. C. Experimental petrochemisty of some highly siderophile elements at high temperatures, and some implications for core formation and the mantle’s early history. Chemical Geology. 120 (3-4), 255-273 (1995).
- Fortenfant, S. S., Dingwell, D. B., Ertel-Ingrisch, W., Capmas, F., Birck, J. L., Dalpé, C. Oxygen fugacity dependence of Os solubility in haplobasaltic melt. Geochimica et Cosmochimica Acta. 70 (3), 742-756 (2006).
- Ertel, W., O’Neill, H. S. C., Sylvester, P. J., Dingwell, D. B., Spettel, B. The solubility of rhenium in silicate melts: Implications for the geochemical properties of rhenium at high temperatures. Geochimica et Cosmochimica Acta. 65 (13), 2161-2170 (2001).
- Medard, E., Schmidt, M. W., Wahle, M., Keller, N. S., Gunther, D. Pt in Silicate Melts: Centrifuging Nanonuggets to Decipher Core Formation Processes. Lunar and Planetary Science Conference. , 3-4 (2010).
- Brenan, J., McDonough, W. Core formation and metal–silicate fractionation of osmium and iridium from gold. Nature Geoscience. 2 (11), 798-801 (2009).
- Bennett, N. R., Brenan, J. M. Controls on the solubility of rhenium in silicate melt: Implications for the osmium isotopic composition of Earth’s mantle. Earth and Planetary Science Letters. 361, 320-332 (2013).
- Bennett, N., Brenan, J., Koga, K. The solubility of platinum in silicate melt under reducing conditions: Results from experiments without metal inclusions. Geochimica et Cosmochimica Acta. 133, 422-442 (2014).
- Okamoto, H., Massalski, T. B. The Au-Pt ( Gold-Platinum ) System. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 6 (1), 46-55 (1985).
- Neill, H., Pownceby, M. Thermodynamic data from redox reactions at high temperatures. I. An experimental and theoretical assessment of the electrochemical method using stabilized zirconia. Contributions to Mineralogy and Petrology. 114 (3), 296-314 (1993).
- Deines, P., Nafziger, R., Ulmer, G., Woermann, E. Temperature-oxygen fugacity tables for selected gas mixtures in the system CHO at one atmosphere total pressure. Bulletin of the Earth and Mineral Sciences Experiment Station. (88), Pennsylvania State University. University Park, Pennsylvania. (1974).
- Corgne, A., Keshav, S., Wood, B. J., McDonough, W. F., Fei, Y. Metal–silicate partitioning and constraints on core composition and oxygen fugacity during Earth accretion. Geochimica et Cosmochimica Acta. 72 (2), 574-589 (2008).
- Agee, C. B., Walker, D. Static compression and olivine flotation in ultrabasic silicate liquid. Journal of Geophysical Research. 93 (7), 3437-3449 (1988).
- Walker, D. Lubrication, gasketing, and precision in multianvil experiments. American Mineralogist. 76 (7-8), 1092-1100 (1991).
- Boyd, F., England, J. Apparatus for Phase-Equilibrium Measurements at Pressures up to 50 Kilobars and Temperatures up to 1750. C. Journal of Geophysical Research. 65 (2), 741-748 (1960).
- McDade, P., Wood, B. J., et al. Pressure corrections for a selection of piston-cylinder cell assemblies. Mineralogical Magazine. 66 (6), 1021-1028 (2002).
- Walker, D., Carpenter, M., Hitch, C. Some simplifications to multianvil devices for high pressure experiments. American Mineralogist. 75 (9-10), 1020-1028 (1990).
- Bertka, C. M., Fei, Y. Mineralogy of the Martian interior up to core-mantle boundary pressures. Journal of Geophysical Research. 102 (B3), 5251 (1997).
- Reed, S. J. B. Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology. , Second edition, Cambridge University Press: . Cambridge, UK. (2005).
- Sylvester, P. J. Laser Ablation ICP-MS in the Earth Sciences: Current Practices and Outstanding Issues. , Mineralogical Association of Canada. Quebec. (2008).
- Borisov, A., Walker, R. Os solubility in silicate melts: New efforts and results). American Mineralogist. 85 (7-8), 912-917 (2000).
- Borisov, A., Nachtweyh, K. Ru Solubility in Silicate Melts: Experimental Results in Oxidizing Region. Lunar and Planetary Science Conference. 77058, 1320 (1998).
- Borisov, A., Palme, H. Experimental determination of the solubility of Au in silicate melts. Mineralogy and Petrology. 56 (3-4), 297-312 (1996).
- Dunn, T.
- Ertel, W., Walter, M., Drake, M., Sylvester, P. Experimental study of platinum solubility in silicate melt to 14GPa and 2273K: implications for accretion and core formation in Earth. Geochimica et Cosmochimica Acta. 70 (10), 2591-2602 (2006).
- Mann, U., Frost, D., Rubie, D. Partitioning of Ru. Rh, Pf, Re, Ir and Pt between liquid metal and silicate at high pressures and high temperatures-Implications for the origin of highly siderophile element concentrations in the Earth’s mantle. Geochimica et Cosmochimica Acta. 84, 593-613 (2012).
- Laurenz, V., Fonseca, R. O. C., Ballhaus, C., Sylvester, P. J. Solubility of palladium in picritic melts 1 . The effect of iron. Geochimica et Cosmochimica Acta. 74 (10), 2989-2998 (2010).
- Liu, Y., Ge, Y., Yu, D. Thermodynamic descriptions for Au–Fe and Na–Zn binary systems. Journal of Alloys and Compounds. 476 (1-2), 79-83 (2009).
- Rindone, G. E., Rhoads, J. L. The Colors of Platinum, Palladium, and Rhodium in Simple Glasses. Journal of the American Ceramic Society. 39 (5), 173-180 (1956).
- Akai, T., Nishii, J., Yamashita, M., Yamanaka, H. Chemical behavior of platinum-group metals in oxide glasses. Journal of Non-Crystalline Solids. 222 (Special Issue), 304-309 (1997).
