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-Metal silicato de particionamiento a alta presión y temperatura: Métodos experimentales y un Protocolo para Reprimir altamente sidérophile Element Inclusiones

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DOI:

10.3791/52725

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13 de junio de 2015

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1Department of Earth Science, University of Toronto, 2Geophysical Laboratory, Carnegie Institution of Washington

En este artículo

Resumen

Presentamos un procedimiento para determinar la partición metal-silicato de elementos siderófilos, haciendo hincapié en técnicas que suprimen la formación de inclusiones metálicas en experimentos para los metales nobles. Los resultados de estos experimentos se utilizan para demostrar el efecto de la formación del núcleo en la composición de elementos altamente siderófilos del manto.

Resumen

Las estimaciones de la composición primitiva del manto superior (PUM) revelan un agotamiento en muchos de los elementos siderófilos (amantes del hierro), que se cree que son el resultado de su extracción al núcleo durante la acreción terrestre. Los experimentos para investigar la partición de estos elementos entre metal y silicato fundidos sugieren que la composición del PUM coincide mejor si el equilibrio metal-silicato se produce a altas presiones y temperaturas, en un entorno oceánico de magma profundo. Sin embargo, el comportamiento de los elementos más siderófilos (HSE) durante este proceso sigue siendo enigmático. Los productos de silicato de los experimentos de solubilidad en HSE suelen estar contaminados por inclusiones metálicas dispersas que dificultan la medición de las concentraciones de elementos en la masa fundida. La incertidumbre resultante sobre la verdadera solubilidad y la partición metal-silicato de estos elementos ha dificultado la predicción de su agotamiento esperado en PUM. Recientemente, varios estudios han empleado cambios en el diseño experimental utilizado para experimentos de solubilidad a alta presión y temperatura con el fin de suprimir la formación de inclusiones metálicas. La adición de Au (experimentos de Re, Os, Ir, Ru) o Si elemental (experimentos de Pt) a la muestra actúa para alterar la geometría o la tasa de reducción de la muestra, respectivamente, con el fin de evitar la sobresaturación transitoria del metal de la masa fundida de silicato. Esta contribución describe los procedimientos para utilizar el aparato de pistón-cilindro y yunque múltiple para llevar a cabo experimentos de solubilidad y partición de metal-silicato, respectivamente. También se describe un protocolo para la síntesis de productos corridos no contaminados a partir de experimentos de solubilidad en HSE en los que la fugacidad del oxígeno es similar a la de la formación del núcleo terrestre. Los espectros LA-ICP-MS resueltos en el tiempo se presentan como evidencia de la ausencia de inclusiones metálicas en los productos corridos de estudios anteriores, y también confirman que la técnica puede extenderse para investigar el Ru. También se dan ejemplos de cómo se pueden aplicar estos datos.

Introducción

Acreción Terrestre se cree que han ocurrido como una serie de colisiones entre planetesimales con una composición mayor condrítico, que termina en una fase de gigante impacto cree responsable de la formación de la Luna 1,2. El calentamiento de la proto-Tierra por impactos y la desintegración de los isótopos de vida corta era suficiente para causar una amplia fusión y la formación de un océano de magma o estanques a través del cual densa Fe-ricos se derrite metálicos podrían descender. Al llegar a la base del océano de magma, masas fundidas metálicas encuentran con un límite reológico, parada, y se someten a equilibrio de silicato de metal final antes de eventualmente descendente a través del manto sólido a la creciente núcleo 2. Además la comunicación química entre el metal y las fases de silicato como fusión metálica atraviesa la parte sólida del manto se cree que está excluida debido al gran tamaño y rápido descenso de diapiros metálicos 3. Esta diferenciación primaria de la Tierra en un núcleo metálico y mant silicatole es revelado hoy por ambas observaciones geofísicas y geoquímicas 4-6. Interpretación de estas observaciones para producir condiciones plausibles para el equilibrio-silicato de metal en la base de un océano de magma, sin embargo, requiere una base de datos adecuada de los resultados experimentales.

El manto superior primitiva (PUM) es un depósito hipotético que comprende el residuo de silicato de formación de núcleo y su composición, por tanto, refleja el comportamiento de los elementos traza en el equilibrio de metal-silicato. Los elementos traza se distribuyen entre el metal y el silicato se derrite durante la segregación núcleo sobre la base de su afinidad geoquímica. La magnitud de una preferencia elementos para la fase de metal puede ser descrita por el coeficiente de partición de metal-silicato figure-introduction-1

figure-introduction-2 (1)

Dónde figure-introduction-3 y figure-introduction-4 denotan la concentración del elemento i en metal y silicato derrito respectivamente. Los valores de figure-introduction-5 > 1 indican siderophile comportamiento (hierro amante) y los <1 lithophile (rock amante) comportamiento. Las estimaciones de la composición espectáculo PUM que sidérophile elementos se agotan en relación con las condritas 7, normalmente considerados como representativos de la composición mayor de la Tierra 6,8. Este agotamiento es debido al secuestro de elementos siderófilos por el núcleo, y por elementos refractarios su magnitud debe reflejar directamente valores de figure-introduction-6 . Por lo tanto, los experimentos de laboratorio tratan de determinar los valores de figure-introduction-7 durante un raESN de la presión (P), temperatura (T) y la fugacidad de oxígeno (O 2 f) las condiciones que son relevantes para la segregación de metal de la base de un océano de magma. Los resultados de estos experimentos pueden usarse entonces para delinear las regiones de P - T - f O 2 espacio que son compatibles con la abundancia PUM de múltiples elementos siderófilos (por ejemplo, 9-11).

Las altas presiones y temperaturas correspondientes a un escenario océano de magma se puede recrear en el laboratorio utilizando un pistón de cilindro o de prensa multi-yunque. El aparato de cilindro y pistón proporciona acceso a las condiciones de presión moderada (~ 2 GPa) y alta temperatura (~ 2573 K), pero permite que grandes volúmenes de muestra y una variedad de materiales de cápsula para ser utilizado fácilmente. La tasa de enfriamiento rápido también permite extinción de una gama de composiciones de fusión de silicato a un vaso, lo que simplifica la interpretación de textura de los run-productos.El aparato multi-yunque emplea normalmente volúmenes de muestra más pequeños pero con diseños de montaje adecuados puede alcanzar presiones de hasta ~ 27 GPa y temperaturas de ~ 3000 K. El uso de estos métodos ha permitido que los datos de partición para muchos de los moderadamente y ligeramente siderófilos elementos sean reunidos en una gran gama de P - condiciones T. Las predicciones de la composición PUM basado en estos datos sugieren equilibrio de silicato de metal ocurrió a las condiciones de presión y temperatura promedio en exceso de ~ 29 GPa y 3000 K, respectivamente, aunque los valores exactos dependen del modelo. Con el fin de dar cuenta de la abundancia de elementos sensibles PUM cierta redox (por ejemplo, V, Cr) el 2 también se cree que evolucionar durante la acreción de ~ 4 a 2 unidades logarítmicas por debajo de la impuesta por co-existente hierro y wüstite f O (FeO ) en condiciones PT equivalentes (el tampón de hierro wüstite) 12.

Aunque la abundancia de PUM mcualquier elemento siderófilos pueden explicarse por el equilibrio de metal de silicato en la base de un océano de magma profundo, ha resultado difícil evaluar si esta situación también se aplica a los elementos más altamente siderophile (HSE). La afinidad extrema de los HSE para el hierro metálico indicado por baja presión (P ~ 0,1 MPa) y la temperatura (T <1673 K) experimentos sugiere la tierra de silicato debe ser fuertemente empobrecido en estos elementos. Las estimaciones sobre el contenido de HSE para PUM, sin embargo, sólo indican una disminución moderada con respecto a condrita (Figura 1). Una solución comúnmente postulado al exceso HSE evidente es que la Tierra experimentó una tarde-acreción de material condrítico posterior al núcleo de formación de 13. Este material-acretado tarde habría mezclado con el PUM y elevadas concentraciones de HSE, pero tenía un efecto insignificante sobre los elementos más abundantes. Alternativamente, se ha sugerido que la naturaleza extremadamente siderophile de HSE indicado por P baja - Experimentos T no persisten las altas condiciones PT presentes durante núcleo de formación de 14,15. Con el fin de probar estas hipótesis, los experimentos deben llevarse a cabo para determinar la solubilidad y metal-silicato de partición de HSE en condiciones apropiadas. La contaminación de la parte de silicato de encontronazos productos templados en muchos estudios previos sin embargo, ha complicado el análisis previo del producto y oscurecido los verdaderos coeficientes de reparto de HSE entre metal y se derrite silicato.

En experimentos de partición, donde los HSE están presentes a niveles de concentración apropiados a la naturaleza, el extremo preferencia de estos elementos para Fe-metálico impide su medición en la masa fundida de silicato. Para sortear este problema, se realizan mediciones de solubilidad en el que la masa fundida de silicato está saturado en el HSE de interés y los valores de figure-introduction-8 se calculan utilizando el formalismo de Borisov etal., 16. Silicato Templado ejecutar subproductos de experimentos de solubilidad HSE realizadas en condiciones de reducción, sin embargo, a menudo muestran evidencia de contaminación por dispersa HSE ± Fe inclusiones 17. A pesar de la ubicuidad cerca de estas inclusiones en bajo f O 2 experimentos que contienen Pt, Ir, Os, Re y Ru, (por ejemplo, 18 - 27), no es notable variabilidad entre los estudios en su presentación de textura; comparar, por ejemplo, hace referencia a 22 y 26. Aunque se ha demostrado que las inclusiones pueden formar que son una fase estable a las condiciones de ejecución de un experimento 28, esto no impide la formación de inclusiones como se extingue la muestra. La incertidumbre que rodea el origen de inclusiones hace que el tratamiento de los resultados analíticos difícil, y ha dado lugar a la ambigüedad sobre la verdadera solubilidad de HSE en la reducción de silicato se derrita. Run-productos-de inclusión gratuita son necesarios para evaluarque los estudios han adoptado un enfoque analítico que produce concentraciones de HSE disueltos precisos. Un progreso considerable en la supresión de la formación de metal-inclusiones en condiciones reductoras ahora se ha demostrado en experimentos que utilizan un aparato de pistón-cilindro, en el que el diseño de la muestra fue modificado a partir de estudios anteriores, ya sea mediante la adición de Au o Si a los materiales de partida 29-31. La adición de Au o elemental Si a los materiales de partida altera la geometría de la muestra o f O 2 evolución del experimento respectivamente. Estos métodos están destinados a suprimir la formación de la inclusión de metal mediante la alteración de la temporización de HSE in-difusión versus la reducción de la muestra, y se discuten en Bennett et al. 31. A diferencia de algunos intentos anteriores para limpiar la masa fundida de silicato de inclusiones, tales como equilibración asistida mecánicamente y la centrifugación de pistón-cilindro, el presente protocolo puede implementarse sin appar especializadoATUS y es adecuado para experimentos de alta PT.

Descrito en detalle aquí es un enfoque basado en pistón-cilindro para determinar la solubilidad de Re, Os, Ir, Ru, Pt y Au en masa fundida de silicato a alta temperatura (> 1873 K), 2 GPa y un f O 2 similar a la de el tampón de hierro wüstite. Aplicación de un diseño experimental similar también puede resultar exitosa en experimentos de HSE en otras presiones, proporcionando las relaciones de fase requeridos, humectantes y relaciones cinéticas persistir las condiciones elegidas. Sin embargo los datos existentes no son suficientes para predecir si nuestro diseño de la muestra tendrá éxito a presiones correspondientes a un océano de magma profundo. También se indica es un enfoque general que se utiliza para determinar el elemento siderophile moderada y ligeramente (MSE y SSE respectivamente) partición utilizando un dispositivo multi-yunque. Ampliación del conjunto de datos inclusión libre para HSE a alta presión es probable que el empleo de métodos múltiples yunque similares. Togéter, estos procedimientos proporcionan un medio para limitar tanto las condiciones de core-segregación y las etapas de acreción terrestre.

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Protocolo

1) Preparación del material de partida

  1. Sintético Basalto
    Nota: Una composición basáltica se utiliza como el silicato de material de partida en forma de composiciones más despolimerizados, aunque más relevantes para un escenario océano de magma, son difíciles o imposibles de saciar a un vaso en pistón-cilindro y experimentos multi-yunque.
    1. Pesar las cantidades deseadas de óxido o carbonato de componente (Ca y Na) polvos, con la excepción de Fe, y añadir a un mortero de ágata (véase el ejemplo en la Tabla 1). Una mezcla de Fe-libre que pesa ~ 4 g debe proporcionar el material de partida suficiente para un amplio conjunto de experimentos.
    2. Añadir etanol al mortero de ágata hasta que los polvos se sumergieron luego moler durante al menos 2 horas utilizando un mortero de ágata para homogeneizar tanto el tamaño de grano y composición de la mezcla.
      Nota: La homogeneidad de las composiciones de tierra de partida se puede comprobar mediante el examen de un pellet de prensado de la mezcla en polvo con un micrófono electrónico de barridoroscope equipado para análisis composicional por espectroscopia de rayos X de energía dispersiva.
    3. Una vez bien homogeneizada, colocar el mortero bajo una lámpara de calor 250 W, a una distancia de ~ 20 cm. Después de la mezcla de polvo seco, que puede tardar 20-60 minutos, la transferencia a cualquiera de una alúmina o mullita (un aluminosilicato) crisol.
    4. Para decarbonate la mezcla, colocar el crisol con la mezcla en polvo en un horno de caja a temperatura ambiente y la rampa a 1273 K durante el transcurso de 3-5 horas. Deje la mezcla en el horno a 1273 KO / N.
    5. Retire la mezcla descarbonatada del horno de caja y deje que se enfríe a temperatura ambiente. Una vez frío, pesar y añadir a la mezcla de hierro, ya sea como FeO o Fe 2 O 3 en polvo (ver Tabla 1). Variando la relación de FeO a Fe 2 O 3 mientras se mantiene el contenido total de Fe de la misma permite que el final de f O 2 de la muestra a ser cambiado. Para acceder a más condiciones reductoras, y en todos los experimentos para investigar Pt, añadir también ~ 0,5-2,0% en peso de Si a la mezcla. Una vez Fe (± Si) se ha añadido, re-homogeneizar la mezcla de nuevo por molienda bajo etanol con un mortero de ágata y mano de mortero.
    6. Secar la mezcla homogeneizada bajo una lámpara de calor y luego transferirlo a un shell vial. Almacenar en un desecador hasta que esté listo para cargar la cápsula de muestras.
  2. Fase Metálico: Re, Os, Ir, Ru Experimentos
    1. Para los experimentos destinados a investigar Re, Os, Ir o Ru, preparar un 3: 1 en peso (6: 1 para Ru, para dar cuenta de la diferencia de masa atómica) mezcla de Au y el HSE de su interés, utilizando polvos metálicos de alta pureza . Una mezcla de pesaje ~ 500 mg debe proporcionar material de partida suficiente para un amplio conjunto de experimentos.
    2. Transfiera la mezcla en un crisol de grafito y cubrir con una tapa de grafito. A continuación, coloque el crisol cubierto en un horno de caja a una temperatura de 1473 K para ~ 5 min. Una vez retirado del horno, dejar la tapa del crisol en su lugar hasta que el conjunto tiene coollevado a RT.
      PRECAUCIÓN: Calefacción de osmio en el aire puede resultar en la formación de la tóxico tetróxido de osmio compuesto. Osmio metal es también un irritante de la piel conocida, ver MSDS para CAS # 7440-04-2.
      Nota: Este proceso se funde la (punto de fusión ~ 1337 K) Au pero no el HSE de acompañamiento, lo que resulta en la formación de un cordón metálico donde el HSE de interés está rodeado por una corteza de Au.
    3. Retire el cordón metálico desde el crisol de grafito y el uso de una hoja de afeitar para dividir en trozos más pequeños que miden ~ 1 mm en su dimensión más larga. Una vez cortada, coloque las bolas en un shell vial y guárdelo en un desecador.
  3. Fase Metálico: Experimentos Pt
    Nota: Los experimentos para investigar Pt no se puede realizar utilizando la técnica de bola recubierta-Au debido a la miscibilidad completa de Pt y Au a alta temperatura (> 2042 K a 0,1 MPa 32). Esto se opone a una geometría de la muestra mediante el cual Pt está físicamente separada de la masa fundida de silicato durante un experimento por una cortezade Au.
    1. Mezclar los polvos metálicos de Pt e Ir en una proporción de 1: 1 en peso para hacer un total de ~ 500 mg de mezcla. A continuación, añadir ~ 20 mg de polvo de Fe metálico de manera que comprende Fe ~ 4 por ciento en peso de la mezcla total.
    2. Tape un taladro limpio blanco (alternativamente, el vástago de un taladro puede ser utilizado en lugar de un taladro en blanco) para el borde de un banco de trabajo de modo que sobresale ~ 3 mm desde el tablero de la mesa. Colocar un tubo de vidrio de sílice, con un diámetro interno de ~ 2-3 mm y el diámetro externo de ~ 4-6 mm, en el extremo que sobresale de la pieza en bruto de taladro.
    3. Coloque la mezcla PtIrFe en el tubo de vidrio e insertar otro blanco de perforación por encima de ella. Ambos espacios en blanco de perforación deben tener un diámetro no mayor de 0,1 mm menor que el diámetro interior del tubo de vidrio de sílice. Fría-prensa la mezcla metálica empujando los espacios en blanco de perforación junto con la mano (Figura 2).
      PRECAUCIÓN: El uso excesivo de la fuerza durante la etapa de prensado en frío puede causar que el vidrio de sílice se rompa).
    4. Ponga los polvos prensados ​​en frío, todavía dentro del tubo de vidrio de sílice, en un crisol de alúmina y suspender en la porción fresca de un horno de tubo vertical de gas mezclado. Aumentar la temperatura del horno a 1.673 K y el uso de CO-CO 2 mezclas de gases, establezca el horno f O 2 a un valor cercano a la memoria intermedia de hierro wüstite.
      Nota: A la presión ambiente y 1673 K, el búfer de hierro wüstite corresponde a una f O 2 de 1,93 x 10 -10 Pa 33. La relación entre CO-CO 2 relación de mezcla, temperatura y f O 2 se puede encontrar en la referencia 34. Para el buffer de hierro wüstite a 1673 K usar una mezcla de gases que comprende 22,25% en volumen de CO 2 y el 77,75% en volumen de CO.
      1. Una vez que la temperatura y f O2 deseada se alcanzan, baje el crisol de alúmina de modo que reside en la zona caliente del horno y dejar O / N para los polvos prensados ​​para recocer.
    5. Retire el CRUCble y apretó los polvos del horno de gas de mezcla y deje que se enfríen. Si el tubo de vidrio de sílice sigue intacta, utilice una pieza en bruto de taladro para empujar el polvo recocido fuera del tubo. El uso de cortadores de alambre, romper el polvo recocido en trozos lo suficientemente pequeños como para caber dentro de la cápsula muestra elegida para el experimento.
    6. Transfiera las piezas metálicas a un shell vial y guárdelo en un desecador hasta que sea necesario.
  4. Fase metálico: Los experimentos multi-yunque
    1. Para los experimentos para determinar la compartimentación de los elementos moderadamente y ligeramente siderófilos, mezclar el polvo de basalto sintético con polvo de Fe de metal en proporciones iguales.
      Nota: Una parte de la Fe se puede añadir como una aleación de Fe-Si, típicamente de manera que comprende Si <8% en peso de la fracción metálica. Esto asegurará que el f experimental O2 sigue siendo baja.
    2. Añadir los oligoelementos elegidos como polvos de óxido metálico al basalto plus de metal mezcla. Homogeneizar el material de partida por grncontrar bajo etanol con un mortero de ágata y una maja. La cantidad exacta de oligoelementos añadidos dependerá del elemento siendo investigado, sin embargo, las concentraciones nominales de varios miles de ppm a 2% en peso son típicas 10,35.
    3. Una vez homogeneizada, se seca el material de partida en polvo bajo una lámpara de calor, transferirlo a un shell vial luego guárdelo en un desecador hasta que se necesite.

2. Preparación de los componentes de la Asamblea

  1. Cilindro Pistón
    Nota: El conjunto de cilindro de pistón consiste en una cápsula de grafito que se apoya en el punto caliente de un calentador de resistencia de grafito con piezas de magnesia triturables. Una alúmina enfundados termopar está posicionado axialmente a través de la porción superior del conjunto para controlar la temperatura en la parte superior de la muestra. El horno está entonces rodeada por BaCO 3 células que actúan como tanto un medio de presión y aislante térmico 36. Las dimensiones de montaje se proporcionan enLa Figura 3A. Una lista de los materiales de ejemplo utilizados para los experimentos y sus fuentes se proporcionan en la Tabla 2.
    1. Máquina de las cápsulas de grafito, los plug final de grafito y de apoyo magnesia piezas a las dimensiones requeridas con un torno centro, utilizando alta pureza de grafito y de magnesia varillas o tubos, respectivamente, como materiales de partida (Figura 3A).
      Nota: Para los experimentos para investigar Re, Os e Ir, aleaciones de HSE-Fe pueden ser sustituidos por grafito como el material de la cápsula 29,30.
    2. Sonicar las cápsulas de grafito en etanol durante ~ 1 min a RT, a continuación, seco bajo una lámpara de calor de la misma manera como se indica para materiales de partida en polvo. Una vez seco, transferir las cápsulas a un shell vial y guárdelo en un horno desecador o secado hasta que sea necesario.
    3. Coloca las piezas de soporte de magnesia, ya sea en un crisol de alúmina o mullita y recocido a 1573 K en un horno de caja durante al menos 8 horas. Después del recocido, permiten que las piezas se enfríen y luego tiendasecado en un horno mantenido a ~ 393 K.
    4. Para hacer que las células de carbonato de bario, BaCO3 primero mezclar polvo y tóner copia usada en 99: 1 proporciones en peso. Se requiere un mínimo de 7,4 gramos de mezcla para un experimento. Escudo de la porción interior de un troquel de acero de tamaño apropiado (véase la Figura 3A para las dimensiones de los BaCO 3 mangas), ya sea con un lubricante seco a base de grafito o agente de desmoldeo a base de PTFE (Tabla 2).
    5. Fría-press 3,7 g de la mezcla a ~ 250 MPa utilizando la matriz de acero y una prensa hidráulica. Dejar reposar la mezcla a presión durante 1 minuto antes de la descompresión. Esto producirá un manguito con una altura de 17 mm. Se requieren dos mangas para cada conjunto.
      Nota: La disposición 2 de células descrito anteriormente y utilizado en algunos estudios anteriores 29 a 31 mayo ser sustituidos por una sola célula BaCO3 proporcionando una matriz de tamaño adecuado está disponible.
    6. Una vez retirado de lamorir, conducir-off el tóner copia por calentamiento de las mangas de RT a 923 K durante el transcurso de varias horas en un horno de caja, a continuación, que sostiene a esta temperatura durante ~ 30 min. Tenga en cuenta el cambio en el color de negro a naranja una vez que el tóner copia se ha eliminado. Guarde las mangas recocidos en un horno de secado mantenida a ~ 393 K.
  2. Multi-yunque
    Nota: El conjunto multi-yunque comprende una cápsula de muestras que se coloca en el punto caliente de un calentador de resistencia de grafito cilíndrica usando aplastable MgO o Al 2 O 3 piezas de relleno. El calentador está rodeado por cualquiera de un octaedro cerámica sinterizada o moldeable que actúa como un medio de presión y aislante térmico. El termopar puede colocarse ya sea axialmente o transversalmente dependiendo del diseño de montaje. Hay numerosos tamaños y diseños de ensamblaje utilizados para experimentos multi-yunque, dependiendo de los objetivos y P deseados -. Condiciones T Figura 4 muestra una comoblea diseño utilizado anteriormente para llevar a cabo experimentos de partición de metal de silicato en el 3,6 y el 7,7 GPa 35.
    1. Preparar cápsulas de grafito y magnesia aplastable o mangas de zirconia de tubos de alta pureza de la misma manera como se ha indicado para los experimentos de cilindro de pistón. Las dimensiones requeridas se proporcionan en la Figura 4A.
    2. Hacer el tapón de alúmina a partir de una longitud de varilla de alúmina-dura despedido. Utilice una lima de diamante para anotar la barra donde se va a romper, a continuación, coloque la varilla a la longitud deseada con la mano (ver Figura 4A para las dimensiones). Utilice el archivo para eliminar cualquier rebaba que resultan de romper la varilla. Limpie el tapón sonicando en etanol a temperatura ambiente.
    3. Prepare octaedros con una longitud de borde 18 mm octaédrica (OEL) utilizando un 2-parte moldeable cerámico a base de MgO (véase la Tabla 2) y el molde de tamaño apropiado. El molde comprende una plantilla que tiene 8 cubos truncadas, separadas por láminas con un espesor igual a la deseada para THe juntas 37 pre-formado.
      1. Para octaedros con un 18 mm OEL, uso cubos con un 11 mm truncados borde largo (TEL) y hojas que son 3 mm de espesor. Utilice ya sea de aluminio o PVC para los materiales del cubo y de hoja. Ensamble el molde, lubricante todas las partes que estarán en contacto el material cerámico moldeable con grasa de silicona. Deja un cubo sin montar para proporcionar un punto de entrada para la mezcla de cerámica.
      2. Combine el polvo de cerámica y activador líquido en una proporción de 100: 30 en peso y mezclar bien. Vierta la mezcla en el molde, asegurando que no hay bolsillos atrapados de aire. Inserte el cubo restante y deje que la mezcla se asiente durante al menos 2 horas. Cada octaedro requiere ~ 15 g de mezcla de cerámica.
    4. Una vez configurado, quite el octaedro del molde, para deshidratar ~ 1 día en un horno de secado a 393 K y luego recocido a 1,273-1,373 K en un horno de caja de ~ 2 h.
    5. Permitir que el octaedro se enfríe a RT en el aire, entonces perforar un agujero de diámetro 7,3 mm como se indica enFigura 4B para acomodar el manguito aislante, calentador de grafito y componentes de la muestra restante.
    6. Almacenar en un horno de secado a ~ 393 K hasta el momento de montar el experimento.

3. Montaje de los componentes

  1. Asamblea del Experimento pistón-cilindro
    1. Cargar la cápsula de muestras de grafito insertando primero el metal HSE-cojinete continuación, la adición de polvo de basalto sintético hasta que se llena la cápsula. El uso de una disposición de gravitacionalmente estable minimiza la posibilidad de vuelco durante el experimento y está destinado a evitar la dispersión de la fase metálica a través de la acción mecánica.
    2. Colocar una pequeña cantidad (típicamente <50 mg) de polvo de MgO seco en la base de la cavidad diseñado para sostener la cápsula de la muestra. Esto se aplana la superficie cónica creada al perforar el agujero y, a su vez reduce las fuerzas de corte durante la compresión de ejemplo que pueden agrietarse la cápsula.
    3. Montar todo el previamente locacomponentes electrónicos, como se muestra en la Figura 3B.
    4. Envuelva un pedazo de 30 micras de espesor lámina de plomo alrededor del conjunto, doblando una pequeña (~ 1,5 mm) porción de lámina sobre el extremo expuesto de la BaCO3 funda inferior. Insertar el conjunto en un recipiente a presión de carburo de tungsteno agujero 12,7 mm, junto con un tapón de base (arriba) y pieza de extremo de acero (abajo) como se muestra en la Figura 3A.
      Nota: El aparato de pistón-cilindro final cargado tiene dos pistones hidráulicos. Un puente a caballo entre la RAM inferior permite un carburo de tungsteno pistón para aplicar presión a la parte inferior de la muestra. El pistón superior fija la ubicación de la superficie de la muestra superior y se aplica una carga final al recipiente de presión que da apoyo adicional al núcleo de carburo de tungsteno 38. La Figura 3C muestra un aparato de cilindro de pistón en la Universidad de Toronto con el puente en su lugar. Una fricción corrección de -9% se aplica a la cuenta de la diferencia entre la presión de la muestra nominal de und que experimentó por la muestra 39.
    5. Coloque el puente, recipiente a presión y la base de la placa entre los arietes hidráulicos. Siguiente hacer un termopar de tipo C por medio de tubo de alúmina-dura disparó 4-agujero con un diámetro exterior de 1,6 mm. El tubo de alúmina se debe cortar suficientemente largo para permitir ~ 1-2 mm del tubo para sobresalir de la superficie superior de la placa superior.
    6. Alimente ambas composiciones de alambre (ver Tabla 2) a través de los agujeros adyacentes en el tubo, gire los extremos a través de 180 grados y fijarlos en los agujeros opuestos de modo que los cables se cruzan. Insertar el termopar a través de la placa superior y en el conjunto, de manera que la unión está directamente encima de la muestra. Aislar el resto de los hilos del termopar utilizando tubos flexibles de teflón, dejando una porción 10-20 mm expuesta en el extremo.
    7. Coloque los separadores metálicos requeridos en el lugar entre la placa superior y el pistón superior. Durante el montaje, hojas posición Mylar tanto por encima de la vasija de presión y entre laparte superior del conjunto y el carnero superior. Estas hojas de aislar eléctricamente el circuito de calentamiento de la muestra desde el resto del aparato.
  2. Asamblea del experimento multi-yunque
    1. Hacer un termopar de tipo C usando 4 hoyos tubo de alúmina-dura despedido por la alimentación de los dos cables a través de los agujeros adyacentes en el tubo, girando los extremos 180 ° y asegurarlos en los agujeros opuestos. Aislar el resto de los cables con una longitud corta (~ 20 mm) de tubo de alúmina y luego material de Teflon aislante, dejando una porción de 10-20 mm de cable expuesto en el extremo.
    2. Insertar el manguito de zirconia y calentador de grafito en el octaedro, a continuación, cortar ranuras como se indica en la Figura 4B. Inserte el termopar en la parte superior del octaedro y coloque los brazos cubiertos de alúmina en las ranuras. Utilice cemento zirconia (ver Tabla 2) para llenar el espacio vacío que rodea el termopar y dejar secar.
    3. Con el fin de aislar el jo termoparen la cápsula de grafito, añadir el polvo de MgO de la base del octaedro hasta que los cables expuestos están cubiertos. Menos de 50 mg de polvo suelen ser suficientes para rodear el cable expuesto. Para asegurar apretado embalaje del polvo de MgO, utilice un espacio en blanco taladro para aplacar el polvo suelto.
    4. Cargar una cápsula de grafito con el material de la muestra preparada previamente y colocar en el octaedro del costado abierto. Inserte el enchufe de alúmina para completar el montaje del octaedro.
    5. En 4 de los cubos WC (Tabla 2) utilizar acetato de polivinilo para pegar longitudes cortas de madera de balsa, una en cada una de las 3 caras adyacentes a la esquina truncada del cubo. Cada pieza de madera de balsa debe medir ~ 4,4 mm de altura y anchura de ~ 9.0 mm de longitud, para el tamaño del octaedro se muestra en la Figura 4. En cada cara, coloque las piezas de madera de balsa en el cuadrante opuesto al borde truncado.
    6. Ensamble 4 de los cubos para formar un cuadrado en vista en planta, con 2 y 2 sin wooden piezas unidas. Orientar los bordes truncados para afrontar el centro de la plaza.
    7. Coloque el octaedro en el centro de los cubos, de manera que se apoya en los bordes truncados. Entonces ángulo de los brazos de termopar para que emergen de las esquinas opuestas de la plaza (Figura 5A)
    8. Coloque los cubos restantes WC en posición para formar un cubo con el octaedro en su centro, asegurando que los cubos con piezas de madera unidos resto encima de los cubos que no tienen espaciadores de madera.
    9. Pegue piezas cuadradas de ~ 0.5 mm de espesor hoja G10 (ver Tabla 2) a cada cara del cubo montado utilizando un adhesivo de tipo cianoacrilato. Para 32 mm cubos WC, utilice hojas G10 medir ~ 55 mm x 55 mm. Dos de los cubos de WC tienen truncamientos que contactan con el calentador de resistencia y por lo tanto forman parte del circuito de calefacción eléctrica. Para las hojas que hacen contacto con estos cubos, corte 2 (<1 mm) de ancho ranuras estrechas, como se indica en la figura 5B y coloque un pedazo de lámina de cobre para que yot proporciona un punto de contacto entre las primera y segunda etapa yunques.
      Nota: El aparato multi-yunque utiliza un sistema de 2-etapa de yunques contenidos dentro de un anillo de retención. Los yunques primera etapa comprenden 6 cuñas extraíbles que forman una cavidad cúbica central. Esta cavidad tiene capacidad para 8 cubos de carburo de tungsteno con esquinas truncadas (yunques segunda etapa) que rodean el octaedro cerámica 40. Por lo tanto, la fuerza orientada verticalmente aplicada a los yunques primera etapa mediante una prensa hidráulica se transfiere a la octaedro de una manera que resulta en la compresión cuasi-hidrostática de la muestra. La relación entre la presión de aceite en la presión dinámica y la muestra puede ser calibrado para el 18 mm OEL asamblea elenco octaédrica descrito aquí usando los procedimientos descritos por 41.
    10. Cortar 2 hojas de 0,076 mm de espesor Mylar con las dimensiones mostradas en la Figura 6 y la capa ellos utilizando un lubricante PTFE seco.
      1. Posición una de las hojas precortadas en elel anillo de retención (borde recto en la base) e introduzca la configuración más baja es la de 1 st yunques el estadio en sí mismos, que están respaldados con 0.076 mm Mylar grueso y recubiertas con PTFE lubricante (Figura 5B). El conjunto inferior de yunques se puede dejar en su lugar entre las corridas. Coloque el cubo montado en el conjunto inferior de yunques primera etapa y conectar los brazos de termopar a los cables del termopar equilibradas que salen del módulo de presión.
      2. Coloque la hoja de Mylar 2º pre-cortado en el anillo de retención (borde recto a la parte superior) e inserte el conjunto superior de 1 st yunques investigadores en la fase, que debería ser respaldado Mylar y lubricado en la misma manera que el conjunto inferior. Esta disposición produce una Mylar lubricado para contactos Mylar entre los 1 st yunques y el estadio en el anillo de retención que reduce la pérdida de empuje carnero a la fricción por ~ 30% en comparación a un solo arreglo de hoja de Mylar 37.
        Nota: Los espesores y dimensiones de la hoja de Mylar dependerán de tél diseño exacto del módulo de presión que se utiliza. Descrito anteriormente y en la figura 6 son las dimensiones en uso en el Laboratorio Geofísico, Carnegie Institution de Washington.

4. Ejecución del experimento

  1. Una vez que la muestra se lleva a la presión requerida, el calor a una velocidad de 100 K / min hasta que se alcanza la temperatura de permanencia deseado. Durante la etapa de calentamiento, puede necesitar ser ajustado con el fin de mantener una presión de aceite constante de aceite en la RAM de la muestra.
  2. Después del período de permanencia, apagar la muestra cortando la alimentación al horno. Una vez que el aparato se ha enfriado a TA, descomprimir lentamente la muestra.

5. Ejecutar subproducto Análisis

  1. Para los experimentos de cilindro de pistón, extraer el experimento acabado del recipiente a presión usando un ariete hidráulico. Con un par de cortadores de servicio pesado quitar las partes exteriores de la asamblea para liberar la cápsula de grafito (CILINDRO pistóner) o un horno que contiene la cápsula de muestras y piezas de soporte (multi-yunque).
  2. Montar la muestra en epoxi (típicamente para formar un disco de diámetro 25,4 mm) (Figura 7A). Uso de 320 a 600 grit papel de carburo de silicio, moler en la muestra para exponer las fases de fusión de silicato y metálicos templados. Pulir la superficie expuesta utilizando alúmina o suspensión de diamante con la disminución de tamaños de grano que van desde ~ 15 a 0,3 micras.
  3. Capa de carbono de la superficie de la muestra pulida 42 y analizar el principal elemento de la composición de metal y run-productos de silicato por análisis de electrones sonda micro (EPMA). Utilice una (10 micras) diámetro del haz desenfocado para el análisis de silicato para evitar la migración de elementos alcalinos lejos del haz de electrones. Las condiciones analíticas y estándares utilizados para caracterizar muestras anteriores generados con el protocolo anterior se pueden encontrar en las referencias 29 - 31,35
    Nota: Para los experimentos a Investigate MSE y SSE partición, EPMA también pueden resultar adecuados para el análisis de los elementos trazadores, siempre que estén presentes en concentraciones suficientes.
  4. Siguiendo importante análisis de elementos, retire la capa de carbono utilizando 0,3 micras de grano de alúmina. Utilice la ablación con láser ICP-MS (LA-ICP-MS) para determinar el contenido de elementos traza de los encontronazos productos. Para una introducción a la muestra de análisis por LA-ICP-MS, por favor consulte la referencia 43.
    Nota: Para los anteriores HSE estudios de solubilidad isótopos de calcio y níquel se han utilizado con éxito como las normas internas para reducir los datos, utilizando tanto el vidrio y materiales de referencia de sulfuro, respectivamente 29,30. Todos los análisis deben ir precedidas de una sola pasada de la ablación, seguido por el lavado de la célula de la ablación por lo menos durante 60 segundos. Esto asegura cualquier contaminación de la superficie que se pueda derivar de pulir los encontronazos productos experimentales no afecta a los resultados.

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Resultados

Los siguientes ejemplos y centrar el debate en los experimentos para determinar HSE solubilidad en silicato funde a baja f O 2. Para ejemplos completos de cómo se pueden usar MSE y datos de partición SSE a partir de experimentos multi-yunque para restringir el P - T - f O 2 condiciones de segregación de metal base, se remite al lector a las referencias. 9 - 11 Figura 7B-D muestra la espalda imágenes de electrones dispersos de encontron...

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Discusión

Los resultados de los experimentos de inclusión gratuita realizados utilizando los protocolos descritos aquí anteriormente se han comparado con los datos de la literatura en las referencias 29 (Os, Ir, Au), 30 (Re, Au) y 31 (Pt). Pt es muy instructivo para demostrar la utilidad de run-productos-de inclusión gratuita. Para los experimentos dirigidos a baja f O 2, Ertel y col. 48 asignados inclusiones a un origen estable y, por tanto, limita la reduc...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado por las Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación de Canadá Equipo, Descubrimiento y Discovery Accelerator subvenciones concedidas a JMBNRB reconoce el apoyo de la Institución Carnegie de programa de becas de postdoctorado Washington. Stephen Elardo también dio las gracias por su ayuda antes de la filmación con la prensa de cilindro y pistón en el Laboratorio de Geofísica.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
G10 Lámina de epoxi/fibra de vidrioAccurate plastics, Inc.GEES.020N.3648
Materiales de partida en polvo- -Óxidos, metales, carbonatosAlfa AesarEspecífico para el experimento
Moldeable 2 partes MgO cerámicaAremcoCeramcast - 584
PTFE Lubricante secoCamie-Campbell2000 TFE-Coat
Calentadores de resistencia de grafitoCarbone of America (Ahora propiedad de Mersen USA)Pedido personalizado
Carbonato de barioCorporación de Productos QuímicosPedido personalizadogrado de flujo libre calcinado (CFF)
(W26%Re, W5%Re)Concepto de~ 0,25 mm de diámetro es adecuado para la mayoría de los experimentos
Cemento de circonioCotronics; Resbond 940 Cemento de 2 partesUse 100 partes de polvo por cada 25 a 28 partes de activador
Pedido
Tubo de vidrio de síliceCuarzo PlusPedido
Tubos de ZrO2 triturables Saint-GobainPedido
Varillas y tubos de MgO triturablesSaint-GobainPedido
Cubos de WC para experimentos de yunque múltiplepedido personalizadoTungaloyson de aleación
WC de grado FTubo de alúmina de un solo orificio para termopar de yunque múltipleVesuvius McDanelAXS071730-04-06
Tubo de alúmina de 4 orificios para termopar de cilindro de pistónVesuvius McDanelAXF1159--07-12 
Tubo de alúmina de 4 orificios para termopar multiyunqueVesuvius McDanelAXF1159-04-06
deseado Alambre de termopar tipo C de aleaciones Pegamento de acetato de polivinilo (PVA) por ejemplo, Bostik A menudo se vende como 'pegamento blanco' Pegamento de cianoacrilato, por ejemplo, Krazy Glue/Loctite Recipiente de presión del cilindro del pistón y pistón WC Carburo de alta calidad Tooling Inc.personalizadopersonalizadopersonalizado personalizado Los cubos de de

Referencias

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