我们介绍一种测定亲铁元素在金属-硅酸盐相之间分配的方法，重点阐述抑制贵重金属实验中金属包裹体形成的技术。这些实验的结果用于阐明地核形成对地幔中高度亲铁元素组成的影响。
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本文内容
摘要
摘要
原始上地幔（PUM）成分的估算显示，许多亲铁元素（iron-loving elements）存在亏损，这被认为是在地球吸积过程中这些元素被提取到地核所致。为研究这些元素在金属与硅酸盐熔体之间的分配行为而开展的实验表明，若金属-硅酸盐平衡发生在高温高压、深部岩浆洋环境中，则最能匹配PUM的成分。然而，高度亲铁元素（HSEs）在此过程中的行为仍不明确。HSE溶解度实验所得硅酸盐样品通常受到弥散金属包裹体的污染，从而阻碍了对熔体中元素浓度的准确测定。这种对HSE真实溶解度及金属-硅酸盐分配系数的不确定性，使得难以预测其在PUM中应有的亏损程度。最近，多项研究通过改进高温高压溶解度实验的设计，以抑制金属包裹体的形成。在样品中添加金（Au）（用于Re、Os、Ir、Ru实验）或单质硅（Si）（用于Pt实验），可分别改变样品还原的几何形态或还原速率，从而避免硅酸盐熔体中金属的瞬时过饱和。本文概述了使用活塞-圆筒装置和多面砧装置分别开展溶解度实验及金属-硅酸盐分配实验的操作流程。同时描述了一种合成未受污染的HSE溶解度实验产物的方案，其中氧逸度条件与地球核-幔分异时期相近。本文展示了时间分辨的LA-ICP-MS谱图，作为早期研究中实验产物不含金属包裹体的证据，并证实该技术也可拓展用于Ru的研究。此外还举例说明了这些数据的可能应用方式。
引言
目前认为，类地行星的吸积过程是通过具有球粒陨石整体成分的星子之间发生的一系列碰撞而形成的，并以一次巨量撞击阶段结束，该阶段被认为与月球的形成有关1,2。原始地球因撞击以及短寿命同位素衰变而受热，足以导致广泛熔融，并形成岩浆洋或岩浆池，富含铁的致密金属熔体可从中下沉。当金属熔体到达岩浆洋底部时，会遇到一个流变学边界，停滞不前，并在最终穿过固态地幔向正在增长的地核下沉之前，完成最后的金属-硅酸盐平衡2。由于金属底辟体尺寸较大且下沉迅速，一般认为金属熔体在穿越地幔固态部分时，与硅酸盐相之间进一步的化学交换被排除3。地球早期分异形成金属地核与硅酸盐地幔的这一过程，如今已通过地球物理和地球化学观测得到证实4–6。然而，要解释这些观测结果，推断出岩浆洋底部金属-硅酸盐平衡的合理条件，仍需要一个适当的实验结果数据库。
原始上地幔（PUM）是一个假想的储库，由地核形成过程中的硅酸盐残余物组成，因此其成分反映了微量元素在金属-硅酸盐平衡期间的行为。在地核分离过程中，微量元素根据其地球化学亲和性分布在金属熔体和硅酸盐熔体之间。元素对金属相偏好的程度可用金属-硅酸盐分配系数
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方案
1）起始材料的制备
- 合成玄武岩
注意：使用玄武岩成分作为硅酸盐起始材料，因为尽管聚合度较低的成分在岩浆洋情景中更具相关性，但在活塞-圆筒和多面砧实验中难以或无法将其淬火成玻璃。- 称取所需量的组分氧化物或碳酸盐（Ca 和 Na）粉末（Fe 除外），加入玛瑙研钵中（参见表1中的示例）。约 4 g 的无铁混合物应能提供足够数量的起始材料，用于一系列广泛的实验。
- 向玛瑙研钵中加入乙醇，直至粉末完全浸没，然后使用玛瑙研杵研磨至少 2 小时，以使混合物的成分和粒径均一化。
注意：可通过将压制成片的粉末混合物在配备能谱分析（EDS）的扫描电子显微镜下观察，来检查研磨后起始材料的均一性。 - 充分均质化后，将研钵置于 250 W 的加热灯下，距离约 20 cm。待粉末混合物干燥（可能需要 20–60 分钟）后，将其转移至氧化铝或莫来石（一种铝硅酸盐）坩埚中。
- 为去除碳酸盐，将装有粉末混合物的坩埚在室温下放入箱式炉中，并在 3–5 小时内升温至 1,273 K。将混合物在 1,273 K 下保温过夜。
- 从箱式炉中取出脱碳后的混合物，并使其冷却至室温。冷却后，称重并以 FeO 或 Fe2O3 粉末形式向混合物中添加铁（参见表1）。在保持总铁含量不变的前提下，调节 FeO 与 Fe<....
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结果
以下示例和讨论聚焦于在低fO2条件下测定亲铁高度相容元素（HSE）在硅酸盐熔体中溶解度的实验。关于如何利用多面砧实验获得的MSE和SSE分配数据来限定金属核分离过程中的P-T-fO2条件的完整示例，读者可参考文献9–11。图7B-D展示了典型实验运行产物的背散射电子图像。在含有Au的实验中，硅酸盐熔体、Au熔体与固态HSE（Re、Os、Ir、Ru）之间的润湿性质决定了样品的几何形态，并导致硅酸盐熔体与固态HSE在物理上的分离。对于研究Pt的实验，PtIr合金仍与硅酸盐熔体直接接触。实验结束时切断炉子电源，可确保样品快速冷却并使硅酸盐熔体淬火。因此，实验产物包含一种或两种合金相（富HSE相 ± 富Au相）或硅酸盐玻璃（前提是使用表1中的玄武岩成分）。
在低fO2条件下进行亲铁元素（HSE）溶解度实验.......
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讨论
采用本文所述方案进行的无包裹体实验结果，此前已在参考文献29（Os、Ir、Au）、30（Re、Au）和31（Pt）中与文献数据进行了比较。Pt在展示无包裹体运行产物的实用性方面最具说明性。在低fO2条件下进行的实验中，Ertel et al.48将包裹体归因于稳定来源，因此将数据处理限制在时间分辨LA-ICPMS谱图中每秒计数最低的区域。该方法可最大限度地减少包裹体对所测硅酸盐熔体浓度的贡献。Ertel et al.48在约IW+1条件下的数据与在相似fO2下进行的无包裹体实验所定义的DMet/Sil与1/T之间的趋势高度一致，证实了其所选择的分析处理方法在确定真实Pt溶解度方面的有效性31。此外，采用本文所述抑制包裹体方案进行的实验能够探索更为还原的条件，而在这些条件下，谱图滤波方法的效果会减弱17。在假设仅存在.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作得到了加拿大自然科学与工程研究理事会向 J.M.B. 提供的设备资助、发现资助以及发现加速器资助的支持。N.R.B. 感谢卡内基华盛顿研究所博士后奖学金项目提供的支持。同时感谢 Stephen Elardo 在影片拍摄前于地球物理实验室使用活塞-圆筒压机过程中提供的协助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| G10 环氧树脂/玻璃纤维板 | Accurate plastics, Inc. | GEES.020N.3648 | |
| 粉末起始材料——氧化物、金属、碳酸盐 | Alfa Aesar | 根据所需实验而定 | |
| 可浇铸双组分氧化镁陶瓷 | Aremco | Ceramcast - 584 | |
| 聚四氟乙烯干性润滑剂 | Camie-Campbell | 2000 TFE-Coat | |
| 石墨电阻加热器 | Carbone of America（现由 Mersen USA 拥有） | 定制订单 | |
| 碳酸钡 | Chemical Products Corporation | 定制订单 | 煅烧自由流动级（CFF级） |
| C型热电偶丝（W26%Re，W5%Re） | Concept Alloys | 直径约0.25 mm适用于大多数实验 | |
| 氧化锆水泥 | Cotronics；Resbond 940 双组分水泥 | 每25至28份活化剂使用100份粉末 | |
| 聚醋酸乙烯酯（PVA）胶水 | 例如，Bostik | 常以“白胶”出售 | |
| 氰基丙烯酸酯胶水 | 例如，Krazy Glue/Loctite | ||
| 活塞圆筒压力容器及碳化钨活塞 | Hi-Quality Carbide Tooling Inc. | 定制订单 | |
| 二氧化硅玻璃管 | Quartz Plus | 定制订单 | |
| 可破碎ZrO2管 | Saint-Gobain | 定制订单 | |
| 可破碎氧化镁棒和管 | Saint-Gobain | 定制订单 | |
| 多面砧实验用碳化钨立方体 | Tungaloy | 定制订单 | 立方体为F级碳化钨合金 |
| 多面砧热电偶用单孔氧化铝管 | Vesuvius McDanel | AXS071730-04-06 | |
| 活塞圆筒热电偶用四孔氧化铝管 | Vesuvius McDanel | AXF1159--07-12 | |
| 多面砧热电偶用四孔氧化铝管 | Vesuvius McDanel | AXF1159-04-06 |
参考文献
- Canup, R. M. Dynamics of Lunar Formation. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 42, 441-475 (2004).
- Rubie, D., Nimmo, F., Melosh, H. Formation of Earth’s core. Treatise on geophysics. 9, 51-90 (2007).
- Karato, S., Murthy, V. R.
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重印与许可
