Simulación de la Planetary Interior Diferenciación Procesos en el Laboratorio

El objetivo general de este procedimiento es simular el proceso de diferenciación del interior planetario. Esto se logra primero mezclando homogéneamente polvo de olivino, silicato, hierro y sulfuro de hierro. El segundo paso consiste en cargar la mezcla en un conjunto de celda de alta presión.

A continuación, el conjunto se presuriza hasta seis giga pascal y se calienta hasta 1.800 grados Celsius en un dispositivo de yunque múltiple. El paso final consiste en recuperar la muestra y prepararla para la obtención de imágenes en 3D. En última instancia, la imagen tridimensional se utiliza para visualizar la distribución del silicio y del metal fundido y determinar si el metal líquido puede percolar a través del silicio cristalino para formar un núcleo.

Este método puede ayudar a responder preguntas clave en ciencias planetarias, como la formación del núcleo planetario mediante percolación. Comience por preparar los materiales para la simulación del proceso de percolación. En la formación del núcleo, prepare aproximadamente un gramo de una mezcla de silicato natural, oliva y polvo de hierro metálico con un 10 por ciento en peso de azufre en un mortero de ágata.

Bajo molienda con etanol, mezcle el material inicial durante una hora. Una vez finalizado, seque los materiales a 100 grados Celsius durante una hora, recupere el material seco y, cuando estén fríos, comience los preparativos para los experimentos con yunque múltiple. Cargue el material inicial en una cápsula de óxido de aluminio CI, con un diámetro aproximado de 1.5 milímetros y una longitud de 1.5 milímetros.

A continuación, coloque la cápsula en un conjunto de celda de alta presión que tenga un calentador de muestra por resistencia eléctrica. La celda ya está lista para el aparato de alta presión de yunque múltiple. Monte el conjunto de celda en el aparato y presurice la muestra hasta la presión objetivo aquí, seis gigapascales, según una curva de calibración de presión de punto fijo.

Además, utilice el calentador eléctrico por resistencia para elevar la muestra a 1.800 grados Celsius, la temperatura objetivo. Para este experimento, mantenga la presión y la temperatura durante 12 horas.

Una vez finalizado el experimento, enfríe la muestra hasta temperatura ambiente apagando la fuente de calor y libere lentamente la presión durante seis horas abriendo la válvula de aceite hidráulico. Finalmente, recupere el conjunto de alta presión y realice el análisis de la muestra utilizando un microscopio electrónico de barrido con haz de iones enfocado. Prepare la muestra para su uso en el instrumento montándola, puliéndola y recubriendo su superficie con carbono.

Luego, introdúzcalo en la cámara de muestra del instrumento. Alinee la muestra con el punto coincidente del haz de iones enfocado y el microscopio electrónico de barrido a una distancia de trabajo de cinco milímetros. Realice un premejado en la muestra para exponer un volumen de 15 por 20 por 20 micrómetros cúbicos.

Luego, continúe utilizando el haz de iones para fresar capas de 25 nanómetros de profundidad. Después de eliminar cada capa, obtenga una imagen de microscopía electrónica de barrido de la superficie expuesta. Una vez completado el fresado, introduzca los archivos de datos de las imágenes en un software de visualización y cree imágenes 3D para su visualización. Esta reconstrucción 3D corresponde a una muestra enfriada rápidamente que fue calentada a 1.800 grados Celsius a seis gigapascales.

El volumen resaltado representa hierro y fusión de sulfuro de hierro. El resto del volumen está ocupado por ine. El volumen es aproximadamente de cinco por seis por siete micrómetros cúbicos.

La imagen muestra que los bolsillos de fusión metálica quedaron atrapados en las esquinas de los granos de silicato debido a los grandes ángulos diedros medidos, superiores a 100 grados, como se observa aquí. Esta nueva técnica de imagen proporciona una herramienta poderosa para determinar con precisión el ángulo diedro real. Al monitorear el cambio en la distribución de la fusión a través del ángulo crítico, puede utilizarse para identificar con exactitud la transición de redes no conectadas a redes conectadas dentro de un pequeño intervalo de composición y presión.

El método también proporciona una medida cuantitativa de la fracción de volumen y la conectividad. Estas imágenes 3D corresponden a la muestra enfriada con diferentes relaciones metal silicato por debajo de una fracción de volumen del 5%. El metal líquido forma bolsillos aislados a fracciones de volumen más altas, y se forma una red interconectada tras su desarrollo.

Esta técnica allana el camino para la investigación en el campo de la experimentación, la petrología y la ciencia planetaria, permitiendo explorar el proceso de formación del núcleo planetario mediante simulaciones experimentales combinadas con visualizaciones.