模拟行星内部分化过程中的实验室

Summary

这里所描述的高压和高温实验模拟地球内部分化过程。该过程是由高分辨率三维成像和定量化学分析和可视化更好地理解。

Abstract

一种行星内部是高压和高温条件下，它具有层状结构。有迹象表明，导致了层状结构的两个重要的过程，（1）渗透液体金属在通过行星分化的固体硅酸盐基质，和（2）的内芯结晶通过随后行星冷却。我们进行高压和高温实验在实验室中模拟两个进程。渗流行星核心的形成取决于熔渗漉，这是由二面角（润湿）角控制的效率。渗滤模拟包括在高压下与靶温度下的铁 - 硫合金熔融将样品加热而保持硅酸盐固体，然后确定真实的二面角，以评估在通过3D可视化的结晶基质的液体迁移的样式。 3D体积呈现是通过用聚焦离子束（FIB）和钽切片回收的样品来实现每个切片与FIB / SEM横梁乐器之王SEM图像。第二组实验的目的是了解液体外芯和通过确定在高压的熔融温度和元件分隔实心内芯之间的内芯结晶和元素分布。熔点实验均在多砧装置进行多达27 GPa和延伸到与激光加热金刚石砧细胞更高的压力。我们已经开发的技术来恢复小加热样品经精密FIB铣削和获得激光加热点，显示融化的质地在高压下的高清晰度图像。通过分析共存的液相和固相的化学组成中，我们精确地确定液相线曲线，提供了必要的数据，以便了解内芯的结晶过程。

Introduction

类地行星，如地球，金星，火星和水星是有区别的行星齿轮机构组成的硅酸盐地幔和一个金属芯。现代化的行星形成模型表明，类地行星是从公里大小或更大的行星通过引力相互作用^1-2月增长到火星大小的行星胚胎的碰撞形成的。该行星被容易区分已经一次的金属铁的合金达到了来自诸如短命的同位素如²⁶ Al和⁶⁰的Fe，冲击放射性衰变由于加热熔化温度和势能³的释放。重要的是要了解早期分化过程中通过硅酸盐基质如何液态金属渗出是很重要的。

行星分化可以进行通过高效液 - 液分离，或由液态金属中的固体硅酸盐基质渗滤，这取决于的大小与行星机构的内部温度。液态金属中的固体硅酸盐基质的渗滤很可能在初始分化的主导过程时的温度不高到足以在整个行星体融化。渗滤的效率依赖于二面角，通过固 - 固和固 - 液界面的界面能来确定。我们可以通过在铁合金和硅酸酯的混合物进行高压和高温实验在实验室中模拟这种过程。最近的研究^4-7已经调查液体铁合金中的固体硅酸盐基质在高温高压下的润湿能力。他们用传统的方法来测量的淬灭液体和金属硅酸盐颗粒在抛光横截面之间明显的二面角的相对频率分布测定的真实二面角。传统的方法产生比较大的UNCertainties在所测量的二面角和根据采样的统计数据可能的偏差。在这里，我们提出了一种新的成像技术，通过FIB铣削和高分辨率场发射扫描电镜成像的组合形象化液态金属的硅酸盐基质分布在三维（3D）。新的成像....

Protocol

1。准备原料和样品室

1. 制备两种类型的起始原料，天然硅酸盐橄榄石和金属铁粉末与10重量％的硫（金属/硅酸盐比例范围从4至30重量％），用于模拟中的固体硅酸盐基质的液体铁合金渗滤（1）的混合物在一个小的行星体，和（2）的均匀的微细接地纯铁和铁的硫化物，用于确定所述行星内芯结晶混合物的初始芯形成。
2. 磨下乙醇的起始材料，以精细的混合粉末在玛瑙研钵中一小时，并在100℃下干燥。
3. 加载的起始材料为烧结的MgO或Al ₂ O ₃的胶囊剂（通常为1.5毫米的直径和长度为1.5），然后将其放置在高压电池组件，用于多砧实验。
4. 加载铁的FeS的混合物进入一个小样本室（通常为100微米，直径25＆＃181;米厚）钻一个preindented铼垫片激光加热实验的钻石砧细胞。夹着其作为热绝缘体的NaCl层之间的铁的FeS的混合物。

2。高压和高温实验中的多顶砧高压装置

1. 多砧高压电池组件由一个MgO的八面体作为压力介质，ZrO ₂的套筒作为热绝缘体，和一个圆柱形铼或石墨加热器。加热器内的样品胶囊配合。 A型-C热电偶插入到样品室，以确定样品的温度。
2. 将高压组件中用于加压的多砧高压装置。
3. 多顶砧高压装置包括一个1500吨的液压机，压力模块，它包含一个固定环与六可拆卸推楔形成立方腔的中心^15。<....

Results

我们已经进行了一系列的使用圣卡洛斯橄榄石和铁的FeS金属合金具有不同的金属硅酸盐的比例的混合物的实验中，作为起始原料。金属中的S含量为10重量％S在这里，我们从显示在6 GPa和1800℃进行高压实验的一些有代表性的结果，利用良好校准的多砧组件^15。在实验条件下，铁 - 硫化亚铁金属合金完全熔化和硅酸盐（圣卡洛斯橄榄石）保持结晶。该实验的目的是研究如何液态金属会通过渗透结晶硅酸盐。去除固体硅酸盐基质的液态金属合金的效率强烈影响的芯形成的时间和芯通过地幔核相互作用的组合物。它依赖于渗滤阈值和二面角。对于低于最低渗流阈值，互联MEL熔体部分样品吨只能存在时，二面角是低于60℃， 图4示出了三维重建的淬火样品。所测量的二面角为铁的FeS融化在橄榄石矩阵是高于100℃，不超过临界角（60°），将所述非连接和互连的网络大。所计算的熔融百分比为约3.3％（体积），低于最小逾渗阈值。图像清楚地显示了金属熔体口袋被困因为大二面角的硅酸盐颗粒角落。本研究沿与先前的研究^19-20表明二面角为铁的FeS融化在橄榄石基质是上述在高压下的临界二面角。铁 - 硫化亚铁熔体均匀地分布在橄榄.......

Discussion

该技术的多砧实验已经非常成熟，产生稳定的压力和温度下的运行时间较长，并产生比较大的样品体积。它是一个强有力的工具来模拟行星的内部过程，特别是对于实验，如熔体渗透，需要一定的样品体积。该限制是可以达到的最大压力可达27 GPA与碳化钨（WC）砧，达到火星和水星的核心压力，但太低的压力而到达地球和金星的核心。可达到的最大压力可以通过使用膨胀烧结金刚石砧为²⁶延长 ​​至约100 GPA。我们正在测试由烧结金刚石和碳化硅较便宜的新砧材料。我们的测试结果表明，具有巨大潜力的高效率的压力产生。我们使用25毫米的立方体为砧，而不是常规的14毫米的立方体，以最大限度地在同一个记者的样本量由传统的WC砧，打开适用于需要大样本量的实验，如输运性质与合成大样本的工业应用在高压下的测量值的新的研究契机实现URE范围。

3D成像利用FIB和SEM的综合能力，以生产高解析度体绘制在纳米尺度。它是互补的X射线断层^27-29，但提供高得多的空间分辨率。它提供了一种新的，强有力的工具来精确确定真正的二面角。该方法是远远超过基于所述急冷液体和金属硅酸盐颗粒在抛光的2D横.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
多砧架	地球物理实验室	家庭建筑商
金刚石砧室	地球物理实验室	家庭建筑商
激光加热系统	APS GSECARS	设计者：光束线工作人员	公共光束
FIB/SEM 横梁	卡尔蔡司有限公司	用于
Avizo 3D 软件	VSG	Fire