Name: Metall-Silikat-Partitionierung unter hohem Druck und Temperatur: Experimentelle Verfahren und ein Protokoll zum Unterdrücken von Hoch siderophile Element Einschlüsse (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 50 s
Description: Lernen Sie experimentelle Verfahren zur Metall-Silikat-Partitionierung hochsiderophiler Elemente unter Hochdruck. Diese Methode unterdrückt Metalleinschlüsse und ermöglicht präzise geochemische Analysen für planetare Forschung.

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Diese Arbeit wurde von der Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada Ausrüstung, Entdeckung und Discovery Accelerator Grants zu JMBNRB ausgezeichnet unterstützt erkennt Unterstützung von der Carnegie Institution of Washington Post-Doc-Fellowship-Programm. Stephen Elardo auch vor dankte für seine Hilfe, um die Dreharbeiten mit der Kolben-Zylinder-Presse am Geophysical Lab.

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Die Ergebnisse der Einbeziehung freie Experimente durchgeführt unter Verwendung der hier beschriebenen Protokolle wurden bereits mit Literaturdaten in Artikeln 29 (Os, Ir, Au), 30 (Re, Au) und 31 (Pt) verglichen. Pt ist sehr lehrreich in Den Nutzen des Einschlusses freien Lauf-Produkte. Für Experimente bei niedrigen f O 2 ausgeführt, Ertel et al. 48 zu einer stabilen Ursprung zugeordnet Einschlüsse und damit eingeschränkten Datenreduktion auf den n...

Terrestrial Akkretion wird gedacht, um als eine Reihe von Kollisionen zwischen planetesimals mit chondritischen Massenzusammensetzung stattgefunden haben, endet in einem riesigen Schlagphase dachte Mond 1,2 Bildung verantwortlich. Erwärmung des Proto-Erde durch Stöße und dem Zerfall von kurzlebigen Isotopen war ausreichend, um umfangreiche Schmelzen und die Bildung einer Magmaozean oder Teichen, durch die dichten Fe-reichen metallischen Schmelzen steigen könnte verursachen. Bei Erreichen der Basis des Magmaozean, metallische Schmelzen Begegnung eine rheologische Grenze, stall, und final Metallsilikat Gleichgewicht, bevor er schließlich durch den Festmantel absteigend auf die wachsende Kern 2 zu unterziehen. Weitere chemische Kommunikation zwischen Metall und Silikatphasen als metallische Schmelze durchläuft der feste Teil des Mantels wird angenommen, dass ausgeschlossen werden kann aufgrund der großen Größe und rasante Abfahrt von Metall diapirs 3. Diese primäre Differenzierung der Erde in einen metallischen Kern und Silikat mant6 - le wird heute sowohl von geophysikalischen und geochemischen Beobachtungen 4 offenbart. Interpretation dieser Beobachtungen auf plausible Bedingungen für Metallsilikat-Gleichgewicht an der Basis eines Magmaozean zu erhalten, erfordert jedoch eine entsprechende Datenbank von Versuchsergebnissen. Die primitive oberen Mantels (PUM) ist eine hypothetische Reservoir, das die Silikatrest Kernbildung und seine Zusammensetzung spiegelt daher das Verhalten von Spurenelementen während der Metallsilikat Gleichgewicht. Spurenelemente werden zwischen Metall und Silikat schmilzt während der Kerntrennung auf der Basis ihrer Affinität geochemischen verteilt. Der Betrag eines Elemente Bevorzugung der Metallphase kann durch das Metallsilikat-Verteilungskoeffizienten beschrieben <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq1.jpg" /><img alt="Gleichung 2" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq2.jpg" /> (1) Wo <img alt="Gleichung 3" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq3.jpg" /> und <img alt="Gleichung 4" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq4.jpg" /> bezeichnen die Konzentration des Elementes i in Metall und Silikatschmelze auf. Werte <img alt="Gleichung 5" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq5.jpg" /> &gt; 1 zeigen siderophile (Eisen-liebenden) Verhalten und jene &lt;1 lithophile (rock-liebenden) Verhalten. Schätzungen der PUM Zusammensetzung zeigen, dass Elemente siderophile relativ Chondriten 7, in der Regel als Vertreter der Groß Zusammensetzung der Erde 6,8 als erschöpft. Dieser Abbau ist auf Sequestrierung von siderophile Elemente durch den Kern, und für feuerfeste Elemente seiner Größe sollte direkt Werte spiegeln <img alt="Gleichung 5" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq5.jpg" /> . Laborexperimente daher versuchen, Werte zu bestimmen <img alt="Gleichung 5" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq5.jpg" /> über einen range des Drucks (P), der Temperatur (T) und Sauerstofffugazität (f O 2) Bedingungen, die für die Trennung von Metall mit der Basis eines Magmas Ozean sind. Die Ergebnisse dieser Experimente können dann verwendet werden, um Regionen des P beschreiben - T - f O 2 Raum, der mit der PUM Fluss mehrerer siderophile Elemente kompatibel sind (beispielsweise 9-11). Die hohen Drücke und relevant für ein Magma Ozean Szenario Temperaturen können im Labor unter Verwendung entweder eines Kolben-Zylinder-oder mehrAmbossPresse neu erstellt werden. Die Kolben-Zylinder-Vorrichtung Zugriff auf mittlerem Druck (ca. 2 GPa) und hoher Temperatur (~ 2.573 K) Bedingungen, jedoch können große Probenvolumina und eine Vielzahl von Kapselmaterialien problemlos verwendet werden. Die rasche Abkühlgeschwindigkeit erlaubt auch Abschrecken einer Reihe von Silikatschmelzmassen zu einem Glas, damit strukturelle Auslegung der Einlauf Produkte vereinfacht.Die Mehr Amboßvorrichtung verwendet typischerweise kleiner Probenvolumina, aber mit geeigneten Montage Motive können Drücke bis zu ~ 27 GPa und Temperaturen von ca. 3.000 K. Die Verwendung dieser Verfahren zur Partitionierung für viele der mäßig erlaubt und leicht siderophile Elemente sein erreichen T Bedingungen - über einen großen Bereich von P gesammelt. Vorhersagen der PUM-Zusammensetzung auf der Basis dieser Daten lassen vermuten, Metallsilikat Gleichgewicht trat bei mittleren Druck und Temperaturbedingungen von über ~ 29 GPa und 3000 K sind, obwohl die genauen Werte sind modellabhängig. Um für die PUM Fülle von bestimmten Redox-sensitive Elemente berücksichtigen (zB V, Cr) der f O 2 wird auch angenommen, während Akkretion von ~ 4-2 log-Einheiten unter dem durch Koexistenz Eisen und Wüstit auferlegt entwickeln (FeO ) bei äquivalenten PT Bedingungen (die Eisen Wüstit Puffer) 12. Obwohl die PUM Fülle von mirgendwelche siderophile Elemente können durch Metall-Silikat Gleichgewicht an der Basis eines tiefen Ozean Magma berücksichtigt werden, hat es sich als schwierig erwiesen, zu beurteilen, ob diese Situation gilt auch für den am höchsten siderophile Elemente (HSES). Die extreme Affinität der HSES für Eisen-Metall, das durch Niederdruck (P ~ 0,1 MPa) und der Temperatur (T &lt;1.673 K) Experimente zeigten, schlägt die Silikaterde sollte stark in diesen Elementen erschöpft. Schätzungen der HSE Inhalte für PUM zeigen jedoch, nur eine mäßige Erschöpfung relativ zu Chondriten (Abbildung 1). Eine häufig postulierte Lösung des scheinbaren HSE Überschuss ist, dass die Erde erlebte eine spät Akkretion von chondritischen Material im Anschluss an Kernbildung 13. Dieses spätgetretenen Materie würde mit der PUM vermischt haben und erhöht HSE Konzentrationen, hatte aber einen vernachlässigbaren Effekt auf reichlicher Elemente. Alternativ wurde vorgeschlagen, dass die extrem siderophile Natur HSES durch niedrige P angedeutet </em&gt; - T Experimente nicht den hohen PT während der Kernbildung 14,15 gegenwärtigen Bedingungen fortbestehen. Um diese Hypothese zu testen, müssen Experimente durchgeführt, um die Löslichkeit und Metallsilikat Partitionierung HSES bei geeigneten Bedingungen zu bestimmen. Verunreinigung des Silikat Teil abgeschreckt Laufprodukte in vielen früheren Studien hat jedoch Vorfeld Produktanalyse kompliziert und verdeckt die wahren Verteilungskoeffizienten für HSES zwischen Metall und Silikatschmelzen. In Experimenten, bei denen die Teilungs HSES in Konzentrationen angemessen Natur vorhanden sind, die extreme Vorzug dieser Elemente von Fe-Metall verhindert ihre Messung in der Silikatschmelze. Um dieses Problem zu umgehen, werden die Löslichkeit Messungen vorgenommen, in dem die silikatische Schmelze in gesättigter HSE von Interesse und Werte <img alt="Gleichung 5" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq5.jpg" /> werden mit dem Formalismus der Borisov et berechnetal. 16. Abgeschreckt Silikat Laufprodukte aus HSE Löslichkeitsversuche bei reduzierenden Bedingungen durchgeführt wird, jedoch zeigen oft Beweise für Kontamination durch dispergiert HSE ± Fe Einschlüsse 17. Trotz der in der Nähe von Allgegenwart dieser Einschlüsse in niedrigen f O 2 Versuche, die Pt, Ir, Os, Re und Ru, (zB 18 - 27), gibt es bemerkenswerte Variabilität zwischen den Studien in ihrer strukturellen Darstellung; vergleiche beispielsweise verweist auf 22 und 26. Obwohl gezeigt wurde, dass Einschlüsse bilden, die eine stabile Phase bei den Ausführungsbedingungen des Experiments 28 sind, schließt dies nicht die Bildung von Einschlüssen auszuschließen, wenn die Probe gequencht. Unsicherheit bezüglich der Herkunft von Einschlüssen macht die Behandlung von Analysenergebnissen schwierig und hat zu Unklarheiten über den wahren Löslichkeit HSES führte zu einer verringerten Silikat schmilzt. Inclusion-Freilauf-Produkte erforderlich sind, um zu bewertenwelche Studien haben einen analytischen Ansatz, die präzise gelöst HSE Konzentrationen ergibt angenommen. 31 - erhebliche Fortschritte bei der Unterdrückung der Bildung von Metall-Einschlüsse reduzierenden Bedingungen hat sich nun in Versuchen unter Verwendung einer Kolben-Zylinder-Vorrichtung, in der die Probe wurde gemacht von früheren Studien entweder durch Zugabe von Au oder Si auf die Ausgangsstoffe 29 geändert nachgewiesen. Die Zugabe von Au oder elementarem Si auf die Ausgangsmaterialien verändert die Probengeometrie oder f O 2 -Entwicklung des Experiments auf. Diese Verfahren sollen die Metalleinschlussbildung durch Änderung der Zeitsteuerung des HSE-Lichtstreuung gegenüber Probe Reduktion zu unterdrücken, und sind in Bennett et al. 31 diskutiert. Im Gegensatz zu einigen früheren Versuchen, die Silikatschmelze Einschlüsse wie mechanisch unterstützten Äquilibrierung und dem Zentrifugieren Kolben-Zylinder zu reinigen, kann das vorliegende Protokoll ohne spezialisierte appar umgesetzt werdenatus und ist für hohe PT Experimenten. Hier im einzelnen beschrieben ist, ist ein Kolben-Zylinder-basierten Ansatz, um die Löslichkeit von Re, Os, Ir, Ru, Pt und Au in Silikatschmelze bei hoher Temperatur (&gt; 1.873 K), 2 GPa und einem f O 2 ähnlich der zu bestimmen, das Eisen-Wüstit Puffer. Anwendung einer ähnlichen Versuchsaufbau kann auch erfolgreich sein in HSE Versuche bei anderen Drücken, die Bereitstellung der erforderlichen Phasenbeziehungen, Benetzungseigenschaften und kinetischen Beziehungen bestehen zu den gewählten Bedingungen. Vorhandene Daten jedoch nicht ausreichen, um vorherzusagen, ob unsere Stichprobenplan wird bei Drücken, die einer tiefen Magmaozean erfolgreich. Auch umrissen ist ein allgemeiner Ansatz zur mäßig und leicht siderophile Element (MSE und SSE respectively) Partitionierung unter Verwendung eines Mehr Amboss Gerät. Erweiterung der Integration freien Datensatz für HSES Hochdruck wird wahrscheinlich ähnliche Mehr Amboss Verfahren verwenden. TogEther, diese Verfahren ein Mittel, um sowohl die Bedingungen der Kern-Segregation und die Phasen der terrestrischen Akkretion einzuschränken.

<table><tbody><tr><td>G10 Epoxid / Glasfaser Platte</td><td>Accurate plastics, Inc.</td><td>GEES.020N.3648</td><td></td></tr><tr><td>Pulverförmige Ausgangsstoffe - -Oxide, Metalle, Karbonate</td><td>Alfa Aesar</td><td>Spezifisch für das gewünschte Experiment</td><td></td></tr><tr><td>Gießbar 2-Komponenten-MgO-Keramik</td><td>Aremco</td><td>Ceramcast - 584</td><td></td></tr><tr><td>PTFE Trockenschmiermittel</td><td>Camie-Campbell</td><td>2000 TFE-Coat</td><td></td></tr><tr><td>Graphit-Widerstandsheizkörper</td><td>Carbone of America (Jetzt im Besitz von Mersen USA)</td><td>Sonderanfertigung</td><td></td></tr><tr><td>Bariumcarbonat</td><td>Chemical Products Corporation</td><td>Sonderanfertigung</td><td>Kalzinierter freifließender (CFF)</td></tr><tr><td>Typ Thermoelementdraht (W26%Re, W5%Re)</td><td>Concept Alloys</td><td></td> <td>~ 0,25 mm Durchmesser eignet sich für die meisten Experimente</td></tr><tr><td>Zirkonoxid Zement</td><td>Cotronics; Resbond 940 2-Komponenten-Zement</td><td></td><td>Verwenden Sie 100 Teile Pulver pro 25 bis 28 Teile Aktivator</td></tr><tr><td>Polyvinylacetat (PVA)-Kleber</td>, <td>z. B. Bostik</td><td></td><td>Oft als "weißer Kleber"</td> verkauftCyanacrylat-Kleber</tr><tr><td></td><td>, z. B. Krazy Glue/Loctite</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kolbenzylinder-Druckbehälter und WC-Kolben</td><td>Hi-Quality Carbide Tooling Inc.</td><td>Custom Order</td><td></td></tr><tr><td>Quarzglasrohre</td><td>Quarz Plus</td><td>Custom Order</td><td></td></tr><tr><td>Zerkleinerbare ZrO2 Rohre</td><td>Saint-Gobain</td><td>Custom Order</td><td></td></tr><tr><td>Zerkleinerbare MgO-Stäbe und -Rohre</td><td>Saint-Gobain</td><td>Custom Order</td><td></td></tr><tr><td>WC-Würfel für Multi-Amboss-Experimente</td><td>Tungaloy</td><td>Custom Order</td><td>Cubes bestehen aus einer WC-Legierung</td></tr> <tr><td>der Güteklasse FEinloch-Aluminiumoxidrohr für Mehramboss-Thermoelement</td><td>Vesuvius McDanel</td><td>AXS071730-04-06</td><td></td></tr><tr><td>4-Loch-Aluminiumoxidrohr für Kolbenzylinder-Thermoelement</td><td>Vesuvius McDanel</td><td>AXF1159--07-12&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>4-Loch-Aluminiumoxidrohr für Mehramboss-Thermoelement</td><td>Vesuvius McDanel</td><td>AXF1159-04-06</td><td></td></tr></tbody></table>

metall-silikat-partitionierung unter hohem druck und temperatur: experimentelle verfahren und ein protokoll zum unterdrücken von hoch siderophile element einschlüsse

Metal-silicate Partitioning at High Pressure and Temperature: Experimental Methods and a Protocol to Suppress Highly Siderophile Element Inclusions

Schätzungen der Zusammensetzung des primitiven oberen Mantels (PUM) zeigen eine Abnahme in vielen der siderophilen (eisenliebenden) Elemente, von der angenommen wird, dass sie aus ihrer Extraktion in den Kern während der terrestrischen Akkretion resultiert. Experimente zur Untersuchung der Aufteilung dieser Elemente zwischen Metall- und Silikatschmelzen deuten darauf hin, dass die PUM-Zusammensetzung am besten abgestimmt ist, wenn das Metall-Silikat-Gleichgewicht bei hohen Drücken und Temperaturen in einer tiefen Magmaozean-Umgebung stattfindet. Das Verhalten der am stärksten siderophilen Elemente (HSEs) während dieses Prozesses ist jedoch rätselhaft geblieben. Silikat-Run-Produkte aus HSE-Löslichkeitsexperimenten sind häufig durch dispergierte Metalleinschlüsse verunreinigt, die die Messung der Elementkonzentrationen in der Schmelze behindern. Die daraus resultierende Unsicherheit über die wahre Löslichkeit und Metall-Silikat-Verteilung dieser Elemente hat es schwierig gemacht, ihre erwartete Verarmung in PUM vorherzusagen. In jüngster Zeit wurden in mehreren Studien Änderungen am Versuchsdesign für Hochdruck- und Temperaturlöslichkeitsexperimente vorgenommen, um die Bildung von Metalleinschlüssen zu unterdrücken. Die Zugabe von Au (Re-, Os-, Ir-, Ru-Experimente) oder elementarem Si (Pt-Experimenten) zur Probe bewirkt, dass entweder die Geometrie bzw. die Reduktionsrate der Probe verändert wird, um eine vorübergehende Metallübersättigung der Silikatschmelze zu vermeiden. In diesem Beitrag werden Verfahren zur Verwendung des Kolbenzylinders und der Mehrambossapparatur zur Durchführung von Löslichkeits- bzw. Metall-Silikat-Verteilungsexperimenten beschrieben. Es wird auch ein Protokoll für die Synthese von nicht kontaminierten Run-Produkten aus HSE-Löslichkeitsexperimenten beschrieben, bei denen die Sauerstoffflüchtigkeit ähnlich wie bei der terrestrischen Kernbildung ist. Zeitaufgelöste LA-ICP-MS-Spektren werden als Beweis für das Fehlen von Metalleinschlüssen in Laufprodukten aus früheren Studien präsentiert und bestätigen auch, dass die Technik zur Untersuchung von Ru erweitert werden kann. Es werden auch Beispiele gegeben, wie diese Daten angewendet werden können.

Die folgenden Beispiele und Diskussionen konzentrieren sich auf Experimente, um festzustellen, HSE Löslichkeit in Silikat bei niedrigen f O 2 schmilzt. Für umfangreiche Beispiele, wie MSE und SSE Partitionierung von Daten aus Multi-Amboss-Experimente verwendet werden, um den P beschränken werden - T - f O 2 Bedingungen der Kernmetall Segregation, wird der Leser auf Referenzen 9 bezeichnet -. 11 7B-D zeigt zurück gestreute El...

Wir stellen ein Verfahren zur Bestimmung der Metall-Silikat-Aufteilung von siderophilen Elementen vor, wobei wir Techniken hervorheben, die die Bildung von Metalleinschlüssen in Experimenten für die Edelmetalle unterdrücken. Die Ergebnisse dieser Experimente werden verwendet, um den Effekt der Kernbildung auf die hochgradig siderophile Elementzusammensetzung des Mantels zu demonstrieren.

Metall-Silikat-Partitionierung unter hohem Druck und Temperatur: Experimentelle Verfahren und ein Protokoll zum Unterdrücken von Hoch siderophile Element Einschlüsse

Estimates of the primitive upper mantle (PUM) composition reveal a depletion in many of the siderophile (iron-loving) elements, thought to result from ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Verteilung stark säureliebender Elemente zwischen metallischen und Silikon-Schmelzen zu bestimmen. Dies wird erreicht, indem zunächst eine synthetische Silikon-Schmelze und ein metallisches Ausgangsmaterial hergestellt werden. Starke säureliebende Elemente werden entweder als goldbeschichtete Kügelchen oder als Mischungen aus Platin, Iridium und Eisen eingeführt, wobei die HSCs entweder physikalisch von den Silikon-Schmelzen getrennt werden oder ein starkes Reduktionsmittel zugegeben wird.Die Bildung von Metallschmelzen, die die chemische Analyse erschweren, kann vermieden werden. Der zweite Schritt besteht darin, eine Graphit-Probenkapsel zuerst mit dem Metall und anschließend mit den silikatischen Ausgangsmaterialien zu befüllen, sodass eine gravitativ stabile Anordnung vorliegt. Danach erfolgt die vollständige Montage der Probenbestandteile und Einbringung in eine Kolbenzylinder- oder Mehrstempelpresse, je nach Eignung.Der letzte Schritt besteht darin, die Probe unter Druck zu setzen und anschließend auf die gewünschte Temperatur aufzuheizen. Nachdem genügend Zeit zur Erreichung des Gleichgewichts verstrichen ist, wird

metal-silicate-partitioning-at-high-pressure-temperature-experimental

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