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

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 die Probe durch Abschalten der Stromzufuhr zur Widerstandsheizung abgeschreckt. Abschließend wird mittels Laserablation mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie die Konzentration von Spurenelementen in der Silikon-Schmelze bestimmt. Der Hauptvorteil dieser Methode gegenüber Hochdruckverfahren, die keine Unterdrückung von Metall-Einschlüssen ermöglichen, liegt darin, dass Mehrdeutigkeiten vermieden und die Analyse bestimmter cphi-Elemente umgangen werden.

Im Siliziumschmelze wird eine baltische Zusammensetzung als Ausgangsmaterial für Silikon verwendet. Da Zusammensetzungen mit stärkerer Depolymerisierung schwer zu einem Glas abgeschreckt werden können, wiegen Sie die gewünschten Mengen an oxid- oder carbonathaltigen Pulvern ab und geben Sie diese in einen Unschliffmörser mit eisenfreier Mischung. Das Abwiegen von etwa vier Gramm sollte ausreichendes Ausgangsmaterial für eine umfangreiche Versuchsreihe liefern.

Fügen Sie Ethanol zum Agatmörser hinzu, bis die Pulver bedeckt sind. Mahlen Sie dann mindestens zwei Stunden lang mit einem Agatstößel, um sowohl die Zusammensetzung als auch die Korngröße der Mischung zu homogenisieren. Nach gründlicher Homogenisierung stellen Sie den Mörser unter eine 250-Watt-Heizlampe in einem Abstand von etwa 20 Zentimetern.

Nachdem die pulverförmige Mischung trocken ist, was 20 bis 60 Minuten dauern kann, überführen Sie sie in eine Illumina- oder Maite-Tiegel, um die Entkarbonatisierung der Mischung durchzuführen. Stellen Sie einen Tiegel mit der pulverförmigen Mischung bei Raumtemperatur in einen Ofen und heizen Sie ihn innerhalb von drei bis fünf Stunden auf 1.273 Kelvin auf. Belassen Sie die Mischung über Nacht bei 1.273 Kelvin im Ofen.

Bewahren Sie das resultierende Basalt-Pulver im Trockenschrank auf, bis die Probenkapsel beladen wird. Siehe Textprotokoll zur Herstellung des stark saurephilen Elementquellenmaterials in Form goldbeschichteter Perlen oder zentrierter Gemische aus Platin-Iridium und Eisen. Befüllen Sie die Graphit-Probenkapsel, indem Sie zuerst das stark saurephile Elementquellenmaterial einbringen und anschließend synthetisches Masal-Pulver hinzufügen, bis die Kapsel vollständig gefüllt ist.

Die Verwendung einer gravitativ stabilen Anordnung minimiert die Gefahr eines Umkippens während des Experiments und soll eine mechanische Streuung der metallischen Phase verhindern. Geben Sie eine kleine Menge trockenes Magnesiumoxidpulver auf die Basis des Hohlraums, der die Probenkapsel aufnehmen soll. Dadurch wird die kegelförmige Oberfläche, die beim Bohren des Lochs entsteht, abgeflacht, wodurch wiederum Scherkräfte während der Probenkompression verringert werden, die die Kapsel nach dem Zusammenbau aller zuvor hergestellten Komponenten beschädigen könnten. Wickeln Sie gemäß der schriftlichen Versuchsbeschreibung ein Stück 30 Mikrometer dickes Bleifolie um die gesamte Anordnung und falten Sie einen kleinen Teil der Folie über das freiliegende Ende der unteren Bariumcarbonathülle.

Bringen Sie die Baugruppe zusammen mit einem Basisstopfen in einen Druckbehälter aus Hartmetall mit einer Bohrung von 12,7 Millimeter ein und positionieren Sie den Brückendruckbehälter und die Grundplatte zwischen den hydraulischen Pressstößeln. Anschließend stellen Sie eine Thermosäule vom Typ C her, indem Sie ein vierlöchriges, hartgebranntes Illumina-Röhrchen mit einem Außendurchmesser von 1,6 Millimetern verwenden. Das Illumina-Röhrchen sollte ausreichend lang sein, sodass etwa ein bis zwei Millimeter des Röhrchens von der oberen Oberfläche der oberen Platte vorstehen.

Führen Sie beide Drahtzusammensetzungen durch benachbarte Löcher im Rohr. Drehen Sie die Enden um 180 Grad und befestigen Sie sie in den gegenüberliegenden Löchern, sodass sich die Drähte kreuzen. Führen Sie das Thermoelement durch die obere Platte und in die Baugruppe ein, sodass die Messstelle direkt über der Probe liegt.

Isolieren Sie den Rest der Thermoelementleitungen unter Verwendung flexibler Teflonrohre, wobei ein Bereich von 10 bis 20 Millimeter am Ende freibleibt. Bringen Sie alle erforderlichen Metallabstandshalter zwischen der oberen Platte und dem oberen Stößel in Montageposition an. Legen Sie Mylarschichten direkt über dem Druckbehälter und zwischen der Oberseite der Baugruppe und dem oberen Stößel ein.

Diese Platten isolieren den Heizkreis der Probe elektrisch von dem Rest der Apparatur. Stellen Sie eine Thermosäule vom Typ C her, indem Sie einen vierlöchrigen, hartgebrannten Illumina-Rohr verwenden, beide Drähte durch benachbarte Löcher im Rohr führen, die Enden um 180 Grad umlenken und in den gegenüberliegenden Löchern befestigen. Isolieren Sie den restlichen Teil der Drähte mit einem kurzen Stück Illumina-Rohr und anschließend mit Teflon-Isoliermaterial, wobei ein 10 bis 20 Millimeter langer Abschnitt des Drahtes am Ende frei bleibt.

Setzen Sie die Zirkonia-Hülse und die Graphit-Heizung in das Oktaeder ein, bevor Sie die gemäß dem Textprotokoll angegebenen Rillen schneiden. Danach führen Sie das Thermoelement in die Oberseite des Oktaeders ein und platzieren die mit Illumina beschichteten Arme in den Rillen. Füllen Sie den Hohlraum um das Thermoelement mit Zirkonia-Zement und lassen Sie ihn trocknen.

Um die Thermoelementstelle von der Graphithülle zu isolieren, Magnesiumoxidpulver von der Basis des Oktaeders hinzufügen, bis die freiliegenden Drähte bedeckt sind. Gewöhnlich sind weniger als 50 Milligramm Pulver ausreichend, um den freiliegenden Draht zu umgeben.

Um eine dichte Packung des Pulvers sicherzustellen, verdichten Sie das lose Pulver mit einem Bohrerrohling. Füllen Sie eine Graphitkapsel mit dem zuvor vorbereiteten Probenmaterial und platzieren Sie sie von der offenen Seite her in das Oktaeder. Setzen Sie den Illumina-Stecker ein, um die Montage des Oktaeders an vier der Hartmetallwürfel abzuschließen.

Verwenden Sie Polyvinylacetat, um kurze Stücke Balsaholz auf jeder der drei Flächen zu befestigen, die an die abgeschrägte Ecke des Würfels angrenzen. Positionieren Sie die Balsaholzstücke auf jeder Fläche im Quadranten gegenüber der abgeschrägten Kante. Jedes Balsaholzstück hat eine Höhe und Breite von etwa 4,4 Millimetern und eine Länge von neun Millimetern.

Für die hier gezeigte Oktaedergröße vier der Würfel zu einem Quadrat zusammenfügen. In der Draufsicht zwei breit und zwei ohne angebrachte Holzteile anordnen. Die abgeschrägten Kanten zum Zentrum des Quadrats ausrichten.

Platzieren Sie das Oktaeder in der Mitte der Würfel, sodass es von den abgeschrägten Kanten getragen wird. Richten Sie dann die Thermoelementarme so aus, dass sie aus gegenüberliegenden Ecken des Quadrats hervortreten. Bringen Sie die verbleibenden Hartmetallwürfel so an, dass sie einen Würfel bilden, wobei sich der Okta-Heizer in dessen Zentrum befindet, und stellen Sie sicher, dass die Würfel mit angebrachten Holzstücken die oberen Würfel tragen, die keine Holzabstandshalter aufweisen.

Als Nächstes quadratische Stücke aus etwa 0,5 Millimeter dickem G10-Plattenmaterial mit einem Sano-ACRL-Typ-Kleber auf jede Fläche des zusammengesetzten Würfels befestigen, und zwar für 30-Millimeter-Wolframcarbidwürfel; verwenden Sie G10-Platten mit den Maßen 55 Millimeter mal 55 Millimeter. Zwei der Wolframcarbidwürfel weisen Abschrägungen auf, die mit dem Widerstandsheizelement in Kontakt stehen und somit Teil des elektrischen Heizkreises für die Platten bilden, die diese Würfel berühren. Zwei schmale Schlitze schneiden und ein Stück Kupferfolie so anbringen, dass es eine Kontaktstelle zwischen der ersten und zweiten Stufe bildet.

Stanzen Sie dann zwei Folien aus 0,076 mm dickem Mylar auf die im Textprotokoll angegebenen Maße zu und beschichten Sie diese mit einem trockenen PTFE-Schmiermittel. Legen Sie eine der vorgeschnittenen Folien in den Ring ein und setzen Sie den unteren Satz der Stempel der ersten Stufe ein, die selbst mit 0,076 mm dickem Mylar unterlegt und mit PTFE-Schmiermittel beschichtet sind. Der untere Satz der Stempel kann zwischen den Versuchen an Ort und Stelle verbleiben.

Platzieren Sie den zusammengesetzten Würfel in den unteren Satz der Stempel der ersten Stufe und verbinden Sie die Thermoelement-Arme mit den abgeglichenen Thermoelement-Leitungen, die aus dem Druckmodul herausgeführt sind. Positionieren Sie das zweite vorgeschnittene Mylar-Blatt in den Haltering und setzen Sie den oberen Satz der Stempel der ersten Stufe ein, der wie der untere Satz mit Mylar ausgekleidet und auf die gleiche Weise geschmiert sein sollte. Diese Anordnung ergibt einen geschmierten Mylar-auf-Mylar-Kontakt zwischen den Stempeln der ersten Stufe und dem Haltering.

Dadurch wird der Verlust an Ramtrieb durch Reibung um etwa 30 % im Vergleich zu einer Anordnung mit einem einzelnen Mylarsheet verringert. Sobald die Probe im Schritt des Erhitzens auf den erforderlichen Druck gebracht wurde, wird sie mit einer Rate von 100 Kelvin pro Minute erhitzt, bis die gewünschte Halte­temperatur erreicht ist; dabei muss das Öl in der Proben-RAM möglicherweise angepasst werden, um einen konstanten Öldruck sowie eine Kontamination des Silikatglases und einen niedrigen Sauerstoffgehalt zu vermeiden. Experimente zur Löslichkeit stark cphi-haltiger Elemente lassen sich am leichtesten anhand der Anwesenheit von Heterogenität in der Zeit identifizieren.

Aufgelöste LA-ICP-MS-Spektren. Diese Heterogenität zeigt sich als Peaks und Täler in den Spektren, die durch die Abtragung unterschiedlicher Anteile eingeschlossenreicher gegenüber einschlussfreiem Glas entstehen.

Hier ist das zeitaufgelöste Spektrum für ein Platin-Löslichkeitsexperiment, bei dem keine Methoden zur Verhinderung der Bildung von Metallinklusionen angewandt wurden, zur Vergleichszwecken. Ebenfalls dargestellt sind zeitaufgelöste Spektren, die typisch für ATE-Reaktionsprodukte sind, die mithilfe der in diesem Video beschriebenen Techniken synthetisiert wurden. Die Imaginärteiligkeit dieser Spektren weist auf das Fehlen dispergierter HSE-Inklusionen im ATE-Anteil der experimentellen Reaktionsprodukte hin.

Die Imaginalität des Ruthenium-Spektrums legt nahe, dass dieser Ansatz ebenfalls erfolgreich dabei ist, die Bildung von Metallinklusionen zu vermeiden, wie sie in früheren Ruthenium-Löslichkeitsversuchen unter ähnlichen reduzierenden Bedingungen beobachtet wurden. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie in der Lage sein, Experimente zur Metall-Partitionsbestimmung für die PI- und Zylinder-Multi-ample-Apparatur vorzubereiten. Durch die Vorbereitung der Ausgangsmaterialien wie beschrieben, können dispergierte Metallinklusionen in Experimenten mit stark cphi-Elementen vermieden werden.