Introduction
Terrestrisk tilvækst menes at have fundet sted som en række sammenstød mellem planetesimaler med en chondritic bulk-sammensætning, ender i en kæmpe effekt fase tænkte ansvarlig for månen dannelse 1,2. Opvarmning af proto-Jorden ved stød og henfald af kortlivede isotoper var tilstrækkelig til at forårsage omfattende smeltning og dannelsen af en magma havet eller damme, hvorigennem tætte Fe-rige metalliske smelter kunne stige ned. Efter at have nået bunden af magma ocean, metalliske smelter støder på en rheologisk grænse, stall, og undergår endelige metal-silikat ligevægt før til sidst ned gennem den faste kappe til den voksende kerne 2. Yderligere kemisk kommunikation mellem metal og silikat faser som metallisk smelte gennemløber den faste del af kappen menes at være udelukket på grund af den store størrelse og hurtig nedstigning af metal diapirs 3. Denne primære differentiering af Jorden ind i en metallisk kerne og silikat mantle er afsløret i dag af både geofysiske og geokemiske observationer 4 - 6. Fortolkningen af disse observationer til at give plausible betingelser for metal-silikat ligevægt i bunden af en magma ocean, kræver imidlertid en passende database af forsøgsresultater.
Den primitive øvre kappe (PUM) er en hypotetisk reservoir omfatter silikat rest af core dannelse og dens sammensætning afspejler derfor adfærd sporstoffer under metal-silikat ligevægt. Sporstoffer er fordelt mellem metal og silikat smelter under core adskillelse på grundlag af deres geokemiske affinitet. Størrelsen af en elementer præference for metalfasen kan beskrives ved den metal-silikat fordelingskoefficient 
(1)
Hvor 
og 
betegne koncentrationen af elementet i i metal og silikat smelte hhv. Værdier af 
> 1 angiver siderophile (jern-elskende) adfærd, og dem <1 lithophile (rock-elskende) adfærd. Skøn over PUM sammensætning viser, at siderophile elementer er udtømte i forhold til chondrites 7, typisk betragtes som repræsentative for Jordens bulk-sammensætning 6,8. Denne udtynding skyldes binding af siderophile elementer fra kernen, og til ildfaste elementer dens størrelse direkte bør afspejle værdier . Lab forsøg derfor søge at bestemme værdierne af over en raNSÆ af tryk (P), temperatur (T) og ilt fugacitet (f O 2) forhold, der er relevante for metal adskillelse fra bunden af et magma ocean. Resultaterne af disse eksperimenter kan derpå anvendes til at afgrænse regioner af P - T - f O 2 plads, der er forenelige med PUM overflod af multiple siderophile elementer (fx 9-11).
De høje tryk og temperaturer der er relevante for en magma ocean scenario kan genskabes i laboratoriet ved hjælp af enten en stempel-cylinder eller multi-ambolt presse. Apparatet stempel-cylinder giver adgang til moderat tryk (~ 2 GPa) og høj temperatur (~ 2.573 K) betingelser, men giver store prøvevolumener og en række kapselmaterialer til nemt at kunne anvendes. Den hurtige afkølingshastighed tillader også quenching af en række silikat melt sammensætninger til et glas og derved forenkle stofligt fortolkning af run-produkter.Den multi-ambolt apparater typisk beskæftiger mindre prøvevolumener men med egnede montage design kan opnå tryk op til ~ 27 GPa og temperaturer på ~ 3.000 K. Brugen af disse metoder har tilladt partitionering data for mange af de moderat og lidt siderophile elementer til at være indsamlet over et stort udvalg af P - T betingelser. Forudsigelser af PUM sammensætning på grundlag af disse data antyder metal-silikat ligevægt forekom ved gennemsnitlige tryk- og temperaturforhold, der overstiger ~ 29 GPa og 3.000 K henholdsvis, selvom de nøjagtige værdier varierer alt efter model. For at tage højde for PUM overflod af visse redox følsomme elementer (f.eks, V, Cr) f O 2 menes også at udvikle sig under tilvækst fra ~ 4-2 log enheder under der pålægges ved co-eksisterende jern- og Wustit (FeO ) ved ækvivalente PT betingelser (jern-Wustit buffer) 12.
Selvom PUM overflod af meventuelle siderophile elementer kan forklares med metal-silikat ligevægt i bunden af et dybt magma ocean, har det vist sig vanskeligt at vurdere, om denne situation gælder også for de højest siderophile elementer (HSEs). Den ekstreme affinitet HSEs for jern-metal angivet ved lavt tryk (P ~ 0,1 MPa) og temperatur (T <1.673 K) eksperimenter antyder silicatet jorden bør kraftigt udtømt i disse elementer. Estimater af HSE indhold til PUM dog indikere, kun en moderat udtømning i forhold til chondrit (figur 1). En almindeligt postuleret løsning på den tilsyneladende HSE overskydende er, at Jorden har oplevet en sen tilvækst af chondritic materiale efter core-formation 13. Denne sene-accreted materiale ville have blandet med PUM og forhøjede HSE-koncentrationer, men havde en ubetydelig indvirkning på mere rigelige elementer. Alternativt er det blevet foreslået, at den meget siderophile karakter HSEs angivet ved lav P T eksperimenter ikke fortsætter de høje PT betingelser til stede under core-formation 14,15. For at teste disse hypoteser, må forsøg udføres for at bestemme opløseligheden og metallegeringer silikat opdeling af HSEs ved passende betingelser. Forurening af silikat del af bratkølede run-produkter i mange tidligere undersøgelser dog har kompliceret run-produkt analyse og tilsløret de sande fordelingskoefficienter for HSEs mellem metal og silikat smelter.
I partitionering eksperimenter, hvor HSEs er til stede ved koncentrationsniveauer passende til naturen, den ekstreme præference af disse elementer til Fe-metal forhindrer deres måling i silikat smelte. For at omgå dette problem, er opløselighed målinger hvori silicat smelten er mættet i HSE af interesse og værdier er beregnet ved hjælp af formalisme Borisov etal. 16. Slukket silikat køre-produkter fra HSE opløselighed eksperimenter udført på reducerende forhold, dog vise ofte evidens for forurening med spredte HSE ± Fe inklusioner 17. På trods af den nær allestedsnærværende disse optagelser i lav f O 2 eksperimenter, der indeholder Pt, Ir, Os, Re og Ru, (fx 18-27), der er bemærkelsesværdig variation mellem studier i deres stoflige præsentation; sammenligne for eksempel referencer 22 og 26. Selv om det er blevet påvist, at inklusioner kan danne som er en stabil fase ved køre betingelser for et eksperiment 28, betyder det ikke, at dannelsen af indeslutninger som prøven slukket. Usikkerhed omkring oprindelsen af indeslutninger gør behandlingen af analyseresultater svært, og har ført til uklarhed over sande opløselighed HSEs i reduceret silikat smelter. Indlægningsfrie run-produkter skal vurderehvilke undersøgelser har vedtaget en analytisk tilgang, der giver præcise opløst HSE koncentrationer. Betydelige fremskridt i at undertrykke dannelsen af metal-optagelser på reducerende betingelser er nu blevet påvist i forsøg med en stempel-cylinder apparat, hvori prøve design blev ændret fra tidligere undersøgelser ved at tilføje enten Au eller Si til udgangsmaterialerne 29-31. Tilføjelsen af Au eller elementært Si til udgangsmaterialerne ændrer prøven geometri eller f O 2 evolution af eksperimentet hhv. Disse metoder er beregnet til at undertrykke metal dannelse inklusion ved at ændre timingen af HSE i-diffusion versus reduktion prøve, og er diskuteret i Bennett et al. 31. I modsætning til nogle tidligere forsøg på at rense silikat smelte af indeslutninger, såsom mekanisk assisteret ligevægt og centrifugering af stempel-cylinder, kan denne protokol gennemføres uden specialiserede tilsynerater og er velegnet til høje PT eksperimenter.
Beskrevet detaljeret her er der en stempel-cylinder-tilgang for at bestemme opløseligheden af Re, Os, Ir, Ru, Pt og Au i silikat smelte ved høj temperatur (> 1.873 K), 2 GPa og en f O 2 svarende til den i jern-Wustit buffer. Anvendelse af en lignende eksperimentel design kan også vise sig succes i HSE eksperimenter ved andre tryk, der giver de nødvendige fase relationer, fugteegenskaber og kinetiske relationer fortsætter til de valgte betingelser. Eksisterende data er imidlertid ikke tilstrækkelige til at forudsige, om vores prøve design vil blive en succes ved tryk, der svarer til et dybt magma ocean. Også skitseret er en generel tilgang, der anvendes til at bestemme moderat og let siderophile element (MSE og SSE henholdsvis) partitionering ved hjælp af en multi-ambolt enhed. Udvidelse af inklusion-fri datasæt for HSEs til højtryk vil sandsynligvis ansætte lignende multi-ambolt metoder. Together, disse procedurer giver et middel til at begrænse både betingelserne for kerne-segregation og stadier af jordbaserede tilvækst.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1) Fremstilling af udgangsmateriale
- Syntetisk Basalt
Bemærk: En basaltisk sammensætning anvendes som silicatet udgangsmateriale som mere depolymeriserede sammensætninger, skønt mere relevant for en magma ocean scenario, er vanskelige eller umulige at slukke til et glas i stempel-cylinder-og multi-ambolt eksperimenter.- Afvej de ønskede mængder af oxid komponent eller carbonat (Ca og Na) pulvere, med undtagelse af Fe, og tilføje til en agatmorter (se tabel 1). En Fe-fri blanding vejer ~ 4 g bør give tilstrækkelige udgangsmateriale for en omfattende suite af eksperimenter.
- Tilføj ethanol til agatmorter indtil pulverne nedsænket, da male i mindst 2 timer ved anvendelse af en agat pistil at homogenisere både sammensætningen og kornstørrelse af blandingen.
Bemærk: Homogenitet af ground start sammensætninger kan kontrolleres ved at undersøge en presset pellet af den pulverformige blanding med et scanning elektron microscope udstyret til analyse kompositorisk ved energi dispersive røntgen spektroskopi. - En gang grundigt homogeniseret, placere mørtlen under en 250 W varmelampe, i en afstand på ~ 20 cm. Efter den pulveriserede blanding er tør, hvilket kan tage 20-60 minutter, overføre det til enten en aluminiumoxid eller mullit (som aluminium-silikat) smeltedigel.
- At decarbonate blandingen, anbringes med den pulverformige blanding til en kasse ovn ved stuetemperatur og rampe til 1.273 K i løbet af 3-5 timer. Lad blandingen i ovn ved 1.273 KO / N.
- Fjern den decarboniserede blanding fra boksen ovnen og lad den afkøle til stuetemperatur. Når den er afkølet, vejes og tilføje jern til blandingen som enten FeO eller Fe 2 O 3 pulver (se tabel 1). Variere forholdet mellem FeO og Fe 2 O 3 og samtidig holde den samlede Fe-indhold det samme gør den endelige f O 2 i prøven, der skal ændres. For at få adgang mere reducerende betingelser, og i alle forsøg for at undersøge Pt, også tilføje ~ 0,5-2,0 vægt% Si til blandingen. Når Fe (± Si) er blevet tilsat, re-homogenisere blandingen ved igen formaling under ethanol med en agatmorter og støder.
- Tør homogeniseret blanding under en varmelampe og derefter overføre det til en shell hætteglas. Opbevares i en ekssikkator, indtil klar til at lægge prøven kapsel.
- Metallic Fase: Re, Os, Ir, Ru Eksperimenter
- Til forsøg bestemt til at undersøge Re, Os, Ir eller Ru fremstilles en 3: 1 efter vægt (6: 1 for Ru, for at tage højde for forskellen i atommasse) blanding af Au og HSE af interesse, ved hjælp af høj renhed metalpulver . En blanding vejer ~ 500 mg bør give tilstrækkelig udgangsmateriale for en omfattende suite af eksperimenter.
- Overfør blandingen i en grafitdigel og tildækkes med en grafit låg. Placer derefter dækket smeltedigel ind i en kasse ovn ved en temperatur på 1473 K for ~ 5 min. Når fjernet fra ovnen, lad smeltediglen låget på plads, indtil forsamlingen har cooførte til RT.
ADVARSEL: Opvarmning af osmium i luft kan resultere i dannelsen af den toksiske forbindelse osmiumtetroxid. Osmium metal er også en kendt hudirriterende, se sikkerhedsdatablad for CAS # 7440-04-2.
Bemærk: Denne proces smelter Au (smeltepunkt ~ 1.337 K), men ikke den ledsagende HSE, hvilket resulterer i dannelsen af en metallisk kugle, hvor HSE af interesse er omgivet af en skorpe af Au. - Fjern den metalliske perle fra grafitdigel og bruge et barberblad til at opdele det i mindre stykker, som måler ~ 1 mm i deres længste dimension. Når cut placere perlerne i en shell hætteglas og opbevares i en ekssikkator.
- Metallic Fase: Pt Eksperimenter
Bemærk: Eksperimenter at undersøge Pt kan ikke udføres under anvendelse af Au-overtrukne kugler teknik på grund af den fuldstændig blandbarhed af Pt og Au ved høj temperatur (> 2.042 K ved 0,1 MPa 32). Dette udelukker en prøve geometri hvor Pt er fysisk adskilt fra silikat smelte under et eksperiment med en skorpeAu.- Bland grundigt metalliske pulvere af Pt og Ir i et 1: 1 vægtforhold til at gøre alt ~ 500 mg af blandingen. Dernæst tilsættes ~ 20 mg metallisk Fe-pulver, så Fe omfatter ~ 4 vægtprocent af den totale blanding.
- Tape en ren bore blank (alternativt kan skaftet af et bor anvendes i stedet for et bor blank) til kanten af et arbejdsbord, således at ~ 3 mm rager ud fra bordpladen. Placer en silica glasrør med en indre diameter på ~ 2-3 mm og udvendig diameter på ~ 4-6 mm, på den udragende ende af boret tom.
- Placer PtIrFe blandingen i glasrør og indsætte et andet bore blank over det. Begge bore råemner bør have en diameter på ikke mere end 0,1 mm mindre end den indre diameter af silica glasrør. Kold-tryk den metalliske blanding ved at skubbe bore blanks sammen i hånden (figur 2).
FORSIGTIG: Brug af overdreven kraft under den kolde-presning skridt kan få silica glas til at splintre). - Put den kolde pressede pulvere, stadig inde i silica glasrør, i en aluminiumoxid digel og suspendere den kølige del af en gas-blanding lodret rør ovn. Øg ovntemperaturen til 1.673 K og under anvendelse af CO-CO 2 gasblandinger, indstille ovnen f O 2 til en værdi tæt på jern-Wustit puffer.
Bemærk: Ved omgivende tryk og 1673 K, jern-Wustit buffer svarer til en f O 2 af 1,93 x 10 -10 Pa 33. Forholdet mellem CO-CO 2 blandingsforhold, temperatur og f O 2 kan findes i henvisning 34. For jern-Wustit buffer ved 1.673 K anvende en gasblanding omfattende 22,25 vol% CO2 og 77,75 vol-% CO.- Når den ønskede temperatur og f O 2 er nået, sænkes aluminiumoxiddigel således at den er placeret i ovnen hot spot og efterlade O / N for de pressede pulvere at anneale.
- Fjern digelenelig og pressede pulvere fra gas-blanding ovn og lad dem køle af. Hvis silica glasrør er stadig intakt bruges et bor tomt for at skubbe den annealede pulver ud af røret. Ved hjælp af bidetang, bryde den udglødet pulver i stykker små nok til at passe i prøven kapsel valgt til forsøget.
- Overfør metalstykker til en shell hætteglas og opbevares i en ekssikkator, indtil de skal.
- Metallic Fase: Multi-ambolt Eksperimenter
- Til forsøg for at bestemme opdelingen af moderat og lidt siderophile elementer, bland den syntetiske basalt pulver med Fe-metalpulver ligeligt.
Bemærk: Nogle del af Fe kan tilsættes som en Fe-Si-legering, typisk således at Si omfatter <8 vægt-% af den metalliske fraktion. Dette vil sikre den eksperimentelle f O 2 er fortsat lav. - Tilføj de valgte sporstoffer som metal-oxid pulver til basalt plus metal blanding. Homogeniser udgangsmaterialet ved grBINDENDE under ethanol med en agatmorter og støder. Det nøjagtige beløb af sporstoffer tilføjede vil afhænge af det element, der undersøges, men en nominel koncentration på flere tusinde ppm til 2 vægt% er typiske 10,35.
- Når homogeniseret, tørre pulveriserede udgangsmateriale under en varmelampe, overføre det til en shell hætteglas derefter butikken i en ekssikkator, indtil det er nødvendigt.
- Til forsøg for at bestemme opdelingen af moderat og lidt siderophile elementer, bland den syntetiske basalt pulver med Fe-metalpulver ligeligt.
2. Udarbejdelse af Assembly Components
- Stempel Cylinder
Bemærk: stempelcylinder samling består af en grafit kapsel, der understøttes i den varme plet af en grafit modstand varmer hjælp knusbare magnesia stykker. En alumina beklædt termoelement placeres aksialt gennem den øvre del af samlingen til at overvåge temperatur ved toppen af prøven. Ovnen er derefter omgivet af Baco 3 celler, der virker som både et trykmedium og termisk isolator 36. De montage dimensioner findes iFigur 3A. En liste over fx materialer, der anvendes til forsøg og deres kilder er angivet i tabel 2.- Maskine grafit kapsler, grafit ende plug og magnesia support stykker til de krævede dimensioner med et center drejebænk, ved hjælp af høj renhed grafit og magnesia stænger eller rør henholdsvis som udgangsmaterialer (figur 3A).
Bemærk: eksperimenter for at undersøge Re, Os og Ir kan HSE-Fe legeringer erstatte grafit som kapslen materiale 29,30. - Sonikeres grafitpartiklerne kapsler i ethanol i ~ 1 minut ved stuetemperatur og derefter tørre under en varmelampe på samme måde som anvist til pulverformige udgangsmaterialer. Når tør, overføre kapslerne til en shell hætteglas og opbevares i en ekssikkator eller tørreovn indtil påkrævet.
- Placer magnesia support stykker i enten en aluminiumoxid eller mullit smeltedigel og anneal på 1.573 K i en kasse ovn i mindst 8 timer. Efter udglødning, lade brikkerne til at køle så butikkeni en tørreovn fastholdes på ~ 393 K.
- For at gøre bariumcarbonat celler, først blande Baco 3 pulver og brugt kopi toner i 99: 1 proportioner efter vægt. Et minimum af 7,4 g blanding er nødvendig for et eksperiment. Coat den indre del af en passende størrelse stål die (se figur 3A til dimensionerne af de Baco 3 sleeves) med enten en grafit-baseret tør smøremiddel eller PTFE-baserede formslipmiddel (tabel 2).
- Kold-tryk 3,7 g af blandingen til ~ 250 MPa ved anvendelse af stål matricen og en hydraulisk presse. Lad blandingen ved tryk i 1 min før dekompression. Dette vil frembringe en muffe med en højde på 17 mm. Der kræves to ærmer for hver samling.
Bemærk: 2-celle arrangement beskrevet ovenfor og anvendes i nogle tidligere undersøgelser 29-31 maj være substitueret for en enkelt Baco 3 celle tilvejebringer en passende størrelse dyse er tilgængelig. - Når fjernet fradør, drive-off kopien toner ved opvarmning hylstrene fra RT til 923 K i løbet af flere timer i en boks ovn, derefter holde ved denne temperatur i ~ 30 min. Bemærk ændringen i farve fra sort til orange, når kopien toner er blevet fjernet. Opbevar udglødet ærmerne i en tørreovn fastholdes på ~ 393 K.
- Maskine grafit kapsler, grafit ende plug og magnesia support stykker til de krævede dimensioner med et center drejebænk, ved hjælp af høj renhed grafit og magnesia stænger eller rør henholdsvis som udgangsmaterialer (figur 3A).
- Multi-ambolt
Bemærk: Den multi-ambolt omfatter enheden en prøve kapsel, som er anbragt i den varme plet af en cylindrisk grafit modstand varmer hjælp knusbart MgO eller Al 2 O 3 fyldstof stykker. Varmeren er omgivet af enten en sintret eller støbelig keramik oktaeder, der fungerer som både et trykmedium og termisk isolator. Termoelementet kan være anbragt enten aksialt eller tværgående afhængigt samlingsdesignprocessen. Der er mange størrelser og udformninger af montage bruges til multi-ambolt eksperimenter, afhængigt af den ønskede objektive og P -. T betingelser Figur 4 viser en somde monteres designe tidligere anvendt til at udføre metal-silikat partitionering eksperimenter ved 3,6 og 7,7 GPa 35.- Forbered grafit kapsler og knusbart magnesia eller zirconiumdioxid ærmer fra høje rør renhed på samme måde som angivet for stempelcylinder eksperimenter. De krævede mål er tilvejebragt i figur 4A.
- Gøre aluminiumoxid stik fra en længde af hårdt-fyrede aluminiumoxid stang. Bruge en diamant fil at score stangen, hvor det skal brydes, så snap stangen i den ønskede længde med hånden (se figur 4A til dimensioner). Brug filen for at fjerne eventuelle grater, der skyldes bryde stangen. Rengør proppen ved sonikering det i ethanol ved stuetemperatur.
- Forbered oktaedre med en 18 mm oktaedrisk kantlængde (OEL) under anvendelse af et MgO-baserede støbelige 2-delt keramisk (se tabel 2) og passende størrelse mug. Formen består af en jig som holder 8 afkortede terninger, adskilt af plader med en tykkelse svarende til den, der ønskes til the forhånd dannede pakninger 37.
- For oktaedre med en 18 mm OEL, bruge terninger med en 11 mm afkortet kantlængde (TEL) og plader, der er 3 mm tyk. Brug enten aluminium eller PVC for kube og plader. Saml formen, smøre alle dele, der vil kontakte den castable keramik med silikonefedt. Forlade en terning usamlet at give en indgang til den keramiske blanding.
- Kombiner pulveret keramik og flydende aktivator i en 100: 30 vægtforhold og bland grundigt. Hæld blandingen i formen, sikrer at der ikke luftlommer. Indsæt resterende terning og lad blandingen indstilles i mindst 2 timer. Hver oktaeder kræver ~ 15 g keramiske blanding.
- Efter indstilling fjerne oktaeder fra formen, dehydrere for ~ 1 dag i en tørreovn ved 393 K så anneal på 1,273-1,373 K i en kasse ovn til ~ 2 timer.
- Tillad oktaeder at afkøle til stuetemperatur i luft, derefter bore et hul diameter 7,3 mm som angivet iFigur 4B til at rumme den isolerende muffe, grafit varmelegeme og resterende prøvekomponenter.
- Opbevares i en tørreovn ved ~ 393 K indtil den er klar til at samle eksperimentet.
3. Montering af komponenter
- Samling af Stempel-cylinder Experiment
- Indlæse grafit prøve kapsel ved først at indsætte HSE-bærende metal derefter tilføje syntetisk basalt pulver indtil kapslen er fyldt. Anvendelse af et gravitationelt stabilt arrangement minimerer chancen for væltning under forsøget, og har til formål at forhindre spredning af den metalliske fase gennem mekanisk påvirkning.
- Placer en lille mængde (typisk <50 mg) tørt MgO pulver i bunden af hulrummet udformet til at holde prøven kapsel. Dette udjævner den tilspidsede overflade skabes ved boring af hullet og til gengæld reducerer forskydningskræfter under prøven komprimering, der kan knække kapslen.
- Saml alle de tidligere galee komponenter som vist i figur 3B.
- Sætte et stykke 30 um tyk bly folie omkring samlingen, folde en lille (~ 1,5 mm) portion af folie over udsatte ende af den nedre Baco 3 ærme. Sæt samlingen ind i en 12,7 mm boring wolframcarbid trykbeholder, sammen med en base prop (ovenfor) og stål endestykke (nedenfor) som vist i figur 3A.
Bemærk: end-loaded apparat Stemplet-cylinder har to hydraulikcylindre. En bro skrævende nedre slæde tillader en wolframcarbid stempel til at påføre tryk på bunden af prøven. Den øvre ram fastsætter placeringen af den øvre prøveoverfladen og anvender en end-belastning til trykbeholderen, som giver yderligere støtte til wolframcarbid kerne 38. Figur 3C viser en stempelcylinder apparat ved University of Toronto med broen på plads. En friktion-korrektion på -9% er anvendt på højde for forskellen mellem det nominelle prøve trykket end, der opleves af prøven 39. - Placer broen, trykbeholder og base-plade mellem de hydrauliske stempler. Næste foretage en C-type termoelement under anvendelse af 4-huls hårdt fyret aluminiumoxid rør med en ydre diameter på 1,6 mm. Aluminiumoxidrøret skal skæres tilstrækkelig lang til at tillade ~ 1-2 mm af røret for at rage frem fra den øvre overflade af den øverste plade.
- Feed begge wire sammensætninger (se tabel 2) gennem hosliggende huller i røret drejes enderne 180 grader og fastgør dem i de modstående huller, så at trådene krydser. Indsæt termoelement gennem den øverste plade og ind i samlingen, således at krydset er direkte over prøven. Isoler den resterende del af termokoblingstrådene igennem fleksible Teflon rør, hvorefter en 10-20 mm portion blotlagt i slutningen.
- Eventuelle nødvendige metalafstandsstykker placere på plads mellem toppladen og den øvre ram. Under samlingen, position Mylar plader både over trykbeholderen og mellemtoppen af samlingen og den øverste ram. Disse plader elektrisk isolere prøven varmekreds fra resten af apparatet.
- Samling af Multi-ambolt Experiment
- Foretag en C-type termoelement under anvendelse af 4-huls hårdt fyret aluminiumoxidrøret ved at fodre begge ledningerne gennem tilstødende huller i røret, vender enderne 180 °, og sikre dem i de modstående huller. Isoler den resterende del af ledningerne med en kort længde (~ 20 mm) af aluminiumoxid rør og derefter Teflon isolerende materiale, hvilket efterlader en 10-20 mm portion udsatte wire i slutningen.
- Indsæt zirconia ærme og grafit varmelegemet i oktaeder, derefter skæres riller som vist i figur 4B. Indsæt termoelement ind i toppen af oktaeder og placere aluminiumoxid dækket arme ind i rillerne. Brug zirconia cement (se tabel 2) til at udfylde hulrummet omkring termoelement og lad det tørre.
- For at isolere den termoelement jolangs den grafit kapsel, tilføje MgO pulver fra bunden af oktaeder indtil udsatte ledninger er dækket. Mindre end 50 mg pulver er normalt tilstrækkelig til at omgive den blotlagte tråd. For at sikre en stram pakning af MgO pulver, bruge en boremaskine tomt for at tamp ned løst pulver.
- Indlæse en grafit kapsel med den tidligere fremstillede prøvemateriale og anbringes i den oktaeder fra den åbne side. Sæt aluminiumoxid stik til at fuldføre samlingen af oktaeder.
- På 4 af WC terninger (tabel 2) anvende polyvinylacetat at lime korte længder af balsa-træ, en på hver af de 3 flader støder op til den trunkerede hjørne af terningen. Hver balsa-træ stykke skal måle ~ 4.4 mm i højden og bredden af ~ 9,0 mm i længden, for oktaeder størrelse vist i figur 4. På hver ansigt, placere balsatræ-træstykker i kvadrant modsat den afkortede kant.
- Saml 4 af terninger til at danne en firkant i plan afbildning, 2 med og 2 uden trn stykker vedlagt. Orientere de trunkerede kanter til ansigt midt på pladsen.
- Placer oktaeder i centrum af terninger, således at den understøttes af de trunkerede kanter. Så vinkel Termoelementet arme, så de kommer ud modsatte hjørner af kvadratet (figur 5A)
- Placer de resterende WC terninger i position til dannelse af en terning med oktaeder i midten, der sikrer, at de terninger med træ stykker fastgjort hvile oven terninger, der ikke har afstandsstykker træ.
- Lim firkantede stykker af ~ 0,5 mm tyk G10 ark (se tabel 2) til hver flade af den samlede terning ved hjælp af en cyanoacrylat-typen klæbemiddel. For 32 mm WC terninger, bruge G10 ark måler ~ 55 mm x 55 mm. To af WC terninger har trunkeringer der kontakt modstanden varmelegeme og dermed udgør en del af det elektriske varmekreds. For ark, som kontakt disse terninger, klippe 2 smalle (<1 mm bredde) slidser som angivet i figur 5B og placere et stykke kobberfolie, så jegt giver et kontaktpunkt mellem 1. og 2. fase ambolte.
Bemærk: Den multi-ambolt apparat anvender en 2-trins system med ambolte indeholdt i en holdering. Den første etape ambolte omfatter 6 aftagelige kiler, der danner en central kubisk hulrum. Dette hulrum plads til 8 wolframcarbid terninger med afskårne hjørner (fase ambolte sekund), der omgiver den keramiske octahedron 40. Lodret orienteret kraft, der påføres i første fase ambolte af en hydraulisk presse overføres derfor til oktaeder på en måde, der resulterer i kvasi-hydrostatisk kompression af prøven. Forholdet mellem olietrykket i RAM og prøven tryk kan kalibreres til 18 mm OEL støbt oktaedrisk samling beskrives her ved hjælp af procedurerne beskrevet med 41. - Skær 2 ark af 0,076 mm tyk Mylar til dimensionerne vist i figur 6 og belægge dem med en tør smøremiddel PTFE.
- Position en af de pre-cut ark ind iholderingen (lige kant i bunden), og indsæt det nederste sæt af 1 st -stage ambolte, som selv er støttet med 0,076 mm tyk Mylar og belagt med PTFE smøremiddel (figur 5B). Den nederste sæt ambolte kan efterlades på plads mellem kørsler. Placer den samlede terning i den nederste sæt 1st-trins ambolte og tilslut termoelement våben til afbalancerede termofølertråde der kommer ud af trykket modulet.
- Placer 2. pre-cut Mylar ark i holderingen (lige kant til toppen) og sæt den øverste sæt 1 m -stage ambolte, som bør være Mylar bakkes og smurt på samme måde som den nedre sæt. Dette arrangement giver en smurt Mylar til Mylar kontakt mellem den 1. -stage ambolte og låseringen, der reducerer tabet af ram tryk ved friktion ved ~ 30% i forhold til en enkelt Mylar ark arrangement 37.
Bemærk: Tykkelser og dimensionerne af Mylar ark vil afhænge af than nøjagtige udformning af trykket modul, der anvendes. Beskrevet ovenfor og i figur 6 er de dimensioner i brug på Geophysical Laboratory, Carnegie Institution of Washington.
4. Kørsel af eksperimentet
- Når prøven er bragt til det krævede tryk, varme med en hastighed på 100 K / min, indtil den ønskede opholdstid temperatur er nået. Under opvarmningstrinnet, kan olie i prøven ram skal justeres for at opretholde et konstant olietryk.
- Efter hvileperioden stands prøven ved at skære strøm til ovnen. Når apparatet er afkølet til stuetemperatur, langsomt dekomprimere prøven.
5. Kør-produkt Analyse
- For stempelcylinder eksperimenter, udtrække færdige eksperiment fra trykbeholderen ved hjælp af en hydraulisk donkraft. Med et par tunge fræsere fjerne de yderste dele af forsamlingen til at frigive grafit kapsel (stempel Cylinder) eller ovn indeholdende prøven kapsel og støtte stykker (multi-ambolt).
- Montere prøven i epoxy (typisk til dannelse af en 25,4 mm diameter puck) (figur 7A). Anvendelse af 320-600 grit silicium-carbid papir, male til prøven for at eksponere den standsede silikat melt og metalliske faser. Polere den eksponerede overflade ved hjælp af enten aluminiumoxid eller diamant suspension med faldende grit størrelser fra ~ 15 til 0,3 um.
- Carbon coate overfladen af poleret prøve 42 og analysere hovedelement sammensætning af metallet og silikat run-produkter ved elektron probe mikroanalyse (EPMA). Brug en defocused (10 um) strålediameter for silicatet analyse for at undgå migration af alkali elementer væk fra elektronstrålen. De analytiske betingelser og standarder, der anvendes til at karakterisere tidligere prøver genereret med ovennævnte protokol kan findes i referencer 29 - 31,35
Bemærk: eksperimenter til investigate MSE og SSE partitionering kan EPMA også vise sig egnede til analyse af tracer elementer, forudsat at de er til stede i tilstrækkelige koncentrationer. - Efter vigtigt element analyse, fjerne kulstof pelsen ved hjælp 0,3 um aluminiumoxid grus. Brug laser ablation induktivt koblet plasma massespektrometri (LA-ICPMS) for at bestemme indholdet af run-produkter sporstof. For en introduktion til prøve analyse ved LA-ICPMS, se referere 43.
Bemærk: tidligere HSE opløselighed undersøgelser isotoper af calcium og nikkel med succes er blevet brugt som interne standarder til at reducere data ved hjælp af både glas og sulfid referencematerialer henholdsvis 29,30. Bør indledes Alle analyser af en enkelt passage af ablation, efterfulgt af skylning af ablation celle i mindst 60 sek. Dette sikrer alle forureninger, der kan opstå fra polering de eksperimentelle run-produkter påvirker ikke resultaterne.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De følgende eksempler og diskussion fokuserer på forsøg til bestemmelse af HSE opløselighed i silikat smelter ved lav f O 2. For omfattende eksempler på, hvordan MSE og SSE data partitionering fra multi-ambolt forsøg kan anvendes til at begrænse P - T - f O 2 betingelser core metal segregation, henvises læseren til referencer 9 -. 11 Figur 7B-D viser tilbage spredte elektron billeder fra typiske eksperimentelle run-produkter. I eksperimenter indeholdende Au, de befugtningsegenskaber mellem silikat smelte, Au smelte og fast HSE (Re, Os, Ir, Ru) diktere prøven geometri og resultere i fysisk adskillelse mellem silikat smelte og faststoffet HSE. Til forsøg for at undersøge Pt, forbliver PtIr legeringen i direkte kontakt med silicat smelte. Skæreeffekt til ovnen ved afslutningen af eksperimentet sikrer hurtig afkøling af prøven og standsning af silicate smelte. Kør-produkter omfatter derfor enten 1 eller 2 legering faser (HSE-rige ± Au-rig) eller silikat glas (leverer basalt ifølge tabel 1 anvendes).
Kontaminering af silikatglas i lav f O 2 HSE opløselighedsforsøg lettest identificeres ved tilstedeværelsen af heterogenitet i tidsresolveret LA-ICPMS spektre. Denne heterogenitet manifesterer sig som 'toppe' og 'trug "i spektre, som følge af fjernelse af varierende forhold mellem inklusion bærende versus inklusion-fri glas 17. Figur 8A viser tidsopløst frekvenser til en Pt opløselighed eksperiment, der ikke ansætter metoder til at forhindre dannelsen af metal inklusioner. Til sammenligning viser figur 8B-F display tidsopløst spektre typisk for silikat run-produkter syntetiseret under anvendelse af teknikkerne beskrevet i ovenstående protokol. Homogenitet spektre bf indicaTES fraværet af dispergerede HSE inklusioner i det silicat del af eksperimentelle run-produkter. Inspektion af silikatglas ved scanningselektronmikroskopi bekræfter fraværet af synlige metal-inklusioner i silikat køre-produkter, yderligere underbygger en mangel på forurening. Den vises i figur 8A-E spektre er fra run-produkter syntetiseres som del af flere tidligere studier 29 -. 31 Figur 8F er fra en Ru opløselighed eksperiment udført ved 2.273 K og 2 GPa anvendelse af Au-tilsætning teknik beskrevet ovenfor. Homogenitet denne spektre tyder på, at denne tilgang er også en succes i at undgå dannelsen af metal-optagelser fundet i tidligere Ru opløselighed eksperimenter udført på samme måde reducerende forhold (~ IW + 2,5) 24.
Figur 1. CompaRison mellem den anslåede primitive øvre kappe (PUM) sammensætning og som forudsagt af resultaterne af opløselighed eksperimenter ved lavt tryk og temperatur. Data til PUM komposition fra Fischer-Gödde et al. 7.. Fordelingskoefficienter for HSE er ved 0,1 MPa, 1573-1673 K og IW-2 fra Fe-frie eksperimenter med 27 (Re), 44 (Os), 18 (Ir), 45 (Ru), 16 (Pd), 46 (Au), 21 (Pt og Rh). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Arrangement anvendes til kold-press metalpulver. Den nedre bore blank (eller skaft) er grundlæggende tapede til kanten af en arbejdsbænk til at tillade nem pålæsning af pulverne i silicaglasset tUbe. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. (A) Detaljeret tværsnit af stemplet cylinderenheden når indsat i trykbeholderen. For ensartede resultater, bør afstanden mellem komponenter i modstanden ovnen være inden 0,025 mm af de nominelle værdier 38. Baco 3-celler bør være inden ~ 0,13 mm af den nominelle indre og ydre diametre. Informationer om konstruktionen af en egnet matrice kan findes i 47, selvom cellen indre diameter bør ændres fra tegningerne i denne reference til 7,9 mm. (B) Procedure for konstruere stempelcylinderen prøven forsamling. Enten en cyanoacrylat lim eller husstand cement er suitable for at sikre grafit endeprop i Baco 3 ærme, dog ikke mere end ~ 10 mg bør anvendes. (C) Et stempel cylinder tryk på University of Toronto. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. (A) Tværsnit af multi-ambolt samling egnet til anvendelse med WC terninger, der har en 11 mm TEL. Den øverste del af figuren er tegnet for at vise, hvordan termoelementet arme forlader oktaeder både set vinkelret-til og ned aksen af tråden som angivet. (B) Ovenfra af støbt octahedron med pakning finner. Grooves for termoelement arme skal skæres i de områder, der er markeret med rødt. Bemærk, at den indre magnesia muffe og 4 huller aluminiumoxidrør vist i figuren bør ikke være på plads, når rillerne er skåret. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. (A) Placering af WC terninger omkring den samlede oktaeder. (B) Nederste sæt 1st-trins ambolte og deres arrangement inden låseringen. (C) Afsluttet eksperiment placeret i trykket modul med 1 i den øverste sæt 1st-trins ambolte på plads. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7. (A) Eksperimentel run-produkt monteret i epoxy, derefter slebet og poleret. (B) og (C) Back-spredte elektron billeder af eksperimentelle run-produkter fra forsøg ved hjælp af Si-tilsætning (B) og Au-tillæg (C) teknikker beskrevet i teksten til eksperimenter for at bestemme Pt og Ru opløselighed hhv. Image (B) er genoptrykt fra 31 med tilladelse fra Elsevier. (D) forstørret billede af det område, der er skitseret i rødt på (C) for at vise detaljerne i AuRu bead og metal-silikat-interface. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8. (A) Time-løst LA-ICP-MS-spektre fra en lav f O 2 Pt-opløselighed eksperiment, der ikke anvender foranstaltninger for at undertrykke dannelsen af metal inklusioner. (BF) Typisk tidsopløst LA-ICP-MS-spektre fra forsøg til Ru, Pt 31, Re 30, Os og Ir 29, der blev udført under anvendelse af fremgangsmåden angivet i teksten. Alle viste data er fra forsøg udført på 2.273 K og 2 GPa. Den lodrette punkterede linie i hver figur adskiller region ablation fra regionen erhvervelse baggrund.g "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9. Ændringen i D Met / Sil med T til eksperimenter udført af Brenan & McDonough 29 (Os, Ir, Au), Bennett & Brenan 30 (Re, Au) og Bennett et al. 31 (Pt) under anvendelse af procedurerne beskrevet her. Alle data er fra eksperimenter udført ved 2 GPa. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 10. Opløseligheden af Iridium i basaltisk smelte ved 2.273 K og 2 GPa som funktion af f O <sub> 2 i forhold til jern-Wustit (IW) puffer. Data er fra Brenan & McDonough 29. Klik her for at se en større version af dette tal.
| Før decarbonisering | Efter decarbonisering | ||||
| vægt-% oxider / Carbonater; Fe2 + udgangssammensætningen | vægt-% oxider / Carbonater; Fe2 + udgangssammensætningen | vægt-% oxid; Fe2 + udgangssammensætningen | vægt-% oxid; Fe3 + udgangssammensætningen | ||
| SiO2 | 47.92 | 47.40 | SiO2 | 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
Resultaterne af inklusion-fri forsøg udført ved anvendelse af de protokoller, der er beskrevet her, er tidligere blevet sammenlignet med data fra litteraturen i referencer 29 (Os, Ir, Au), 30 (Re, Au) og 31 (Pt). Pt er mest lærerigt at demonstrere nytten af indlægningsfrie run-produkter. Til eksperimenter køre ved lav f O 2, Ertel et al. 48 overdraget indeslutninger til en stabil oprindelse og derfor begrænset reduktion af data til det laveste tællinger-per-sekund region tidsopløst LA-ICPMS spektre. Denne fremgangsmåde minimerer bidrag indeslutninger til de målte silikat melt koncentrationer. Data fra Ertel et al 48 på ~ IW + 1 enig godt med udviklingen mellem D Met / Sil og 1 / T defineret ved inklusion-fri forsøg udført på lignende f O 2.; bekræfter, at deres valgte analytiske behandling er effektiv til at bestemme sande Pt opløseligheder 31. Endvidere forsøg gennemført under anvendelse medtagelse-undertrykke protokollen beskrevet her, er i stand til at probe flere reducerende betingelser, i hvilke spektret filtrering metode bliver mindre effektiv 17. I undersøgelser, der antager kun tilstedeværelsen af quench relaterede indeslutninger, der er variabel aftale med data inklusion-fri. For eksempel observeres god overensstemmelse med resultaterne af Mann et al. 49, dog eksperimenter Cottrell et al. 22 display systematisk lavere værdier af D Met / Sil end indlægningsfrie eksperimenter 31. Genereringen af indlægningsfrie eksperimenter ved en lang række betingelser er derfor afgørende at vurdere pålideligheden af tidligere integration forurenet målinger.
Selvom protokollen beskrevet her er lykkedes over en række betingelser, er det ikke et universalmiddel for problemet med forurening med metal inklusioner. Eksperimenter udført under anvendelse afteknikken med Au tilsætning påvirkes af dannelsen af komplekse legeringssammensætninger ved meget lav f O 2. For at skabe betingelser betydeligt flere reducerende end jern-Wustit puffer det elementære Si hvormed udgangsmaterialerne. Kør produkter fra de mest reducere disse eksperimenter indeholder 2 co-eksisterende legeringer, der besidder omfattende quench relateret exsolution teksturer. Blandbarhed i legeringen synes at opstå på grund af den betydelige opløsning af Si ind i metallet fase ved reducerende betingelser. En mangel på egnede aktivitetsbaseret sammensætning data for legeringssammensætninger dannet ved meget reducerende forhold forhindrer Fe og HSE aktiviteter i legeringen fase fra at blive fastlagt. Dette forhindrer nøjagtig beregning af prøve f O 2 og HSE-koncentrationer i silikat smelte ved opløselighedsgrænsen.
Effekten af Si-tilsætning som en metode til at forhindre dannelsen af Pt indeslutninger synes at falde ved laveretemperaturer. Bennett et al. 31 bemærkes, at eksperimenter udført på 1.873 K display beviser for forurening med metal inklusioner, mens de sker ved højere temperaturer ikke. Dette kan skyldes en ændring i den farmakokinetiske forhold mellem reduktion prøve og Pt i-diffusion ved lavere temperaturer. En yderligere overvejelse til eksperimenter udført ved anvendelse af Si-tilsætning teknik er det effekt på den endelige flydende sammensætning. Oxidation af elementært Si tidligt i eksperimentet sker via følgende reaktion med FeO i smelten:
Si (met) + 2FeO (sil) = SiO2 (sil) + 2Fe (met) (2)
Tilsætning af større mængder af Si, for at få adgang til flere reducerende betingelser resulterer derfor i en mere SiO2 beriget og FeO depleteret flydende sammensætning. For at udføre eksperimenter, der spænder en bred f O 2 2 for hvert mol Si tilsættes til begyndelsespunktet sammensætning. Det skal også bemærkes, at nogle undersøgelser har fundet forekomsten af metalliske indeslutninger afhænger også af smelte sammensætning, navnlig om smelten Fe-bærende 50.
De opløselighedsdata ydes af uforurenede run-produkter muliggør præcise metal-silikat fordelingskoefficienter skal beregnes. For forsøg, hvor HSE af interesse ikke er til stede som en ren fase (dvs. HSE metal aktivitet <1), koncentrationer målt i silikat fase korrigeres til enhed aktivitet under anvendelse af tilgængelige termodynamiske data. Med undtagelse af Au, en nyttig oversigt over de tilgængelige aktivitetsbaseret sammensætning relationer til HSElegeringer er tilvejebragt i henvisning 49. Begrænsede data for Au-Fe-legeringer kan findes i referencer 46,51. Følgende relation anvendes derefter til at bestemme værdierne af D Met / Sil fra de korrigerede HSE koncentrationer i silikat smelte 16
(3)
Hvor 
er HSE koncentrationen af silicatet ved mætning i HSE fase, A er en muldvarp til vægt omregningsfaktor og 
er den aktivitet koefficient af den valgte HSE ved uendelig fortynding i flydende Fe-metal. Figur 9 viser ændringen i D Met / Sil med T beregnet ud fra eksperimenter udført ved 2 GPa og en f O 2 tæt på jern-Wustit buffer. En anvendelse af disse data er atvurdere evnen af høj temperatur metal-silikat ligevægt at tage højde for den anslåede primitive øvre kappe overflod af disse elementer. Værdier for D Met / Sil for HSE skal falde til værdier af ~ 10 2 -10 3 på omtrent samme temperatur, hvis metal-silikat ligevægt er ansvarlig for PUM sammensætning. De data fra tidligere studier, der vises i figur 9 viser dette krav er ikke opfyldt af resultaterne af forsøg udført på reducerende forhold 29-31.
Opløselighedsegenskaber målinger fra uforurenet silikat køre-produkter er også nyttige til at afsløre artsbestemmelse af HSEs opløst i silikat smelte ved lav f O 2. Oplysninger om artsbestemmelse af disse metaller over et stort område af redox betingelser er ikke kun nyttig til at lede ekstrapolering af data ud over den eksperimentelt studeret område, men også for idannet udformning af glas med særlige optiske egenskaber. Ændringer i oxidationstrin af opløste metaller kan ledsages af ændringer i deres koordination kemi, hvorfra variation i egenskaber såsom optisk absorbans kan opstå. For eksempel opløsningen af platin, i vid udstrækning anvendes som en beholder materiale til syntetisering glas fra smelten kan føre til forskellige farvede briller afhængig redoxforholdene af smelten 52,53. Oxidationstrin af opløst HSEs kan udledes fra ændringen i opløselighed med f O 2. Overveje opløsning af et metal (M) som et oxid arter i smelten:
(4)
Hvor n er oxidationstrin af det opløste metal. Ligevægtskonstanten (K) ved P og T for ligning 3 er givetaf:
(5)
Sidestille l K med Gibbs fri energi for reaktionen, og ved mætning i metallet fase (en M = 1), ligning 4 bliver:
(6)
Hældningen af en tendens mellem HSE opløselighed og f O 2 giver derfor n / 4, hvorfra artsdannelse kan opnås. Brenan & McDonough 29 bestemmes opløseligheden af Ir som funktion af f O 2 fra forsøg, som anvendte de teknikker der er beskrevet her. Resultaterne af disse forsøg er vist i figur 10 og gav en hældning på 0,2, stort set i overensstemmelse med en 1+ oxidationstrin (forudsagt hældning på 0,25) for Ir i reducerede silikat smelter.
Eksperimentelt bestemte metal-silikat fordelingskoefficienter kan bruges til at fastlægge vilkårene for kerne-kappe ligevægt under terrestrisk tilvækst. Resultater for de stærkt siderophile elementer kan også bruges til at vurdere, om Jorden oplevede en sen-finer af chondritic materiale efter core formation. Skitseret her, er procedurer for at udføre metal-silikat separation og opløselighed eksperimenter i multi-ambolt og stempel-cylinder-enheder hhv. Teknikker er også beskrevet, at undertrykke dannelsen af metal inklusioner i HSE opløselighed eksperimenter ved 2 GPa og temperaturer> 1873 K. De beregnede HSE fordelingskoefficienter tyder på, at metal-silikat ligevægt ved høj T ikke forklarer den tilsyneladende overskud af HSEs i primitive øvre kappe . Fremtidige arbejde er fortsat at bekræfte, hvis adfærden HSE partitionering angivet med eksperimenter ved 2 GPa fortsætter til højere P og T. Dette vil kræve testde integration-undertrykke protokoller skitseret her i en høj P multi-ambolt eksperimenterende design.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af naturvidenskab og teknik Forskningsråd Canada Udstyr, Discovery og Discovery Accelerator Tilskud til JMBNRB anerkender støtte fra Carnegie Institution of Washington postdoktoralt stipendium program. Stephen Elardo også takkede for hans assistance før optagelserne med stempel-cylinder tryk på 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).
