Simulation de la différenciation planétaire Intérieur processus dans le laboratoire

L'objectif général de cette procédure est de simuler le processus de différenciation interne planétaire. Cela est réalisé en mélangeant tout d'abord de la poudre de silicate d'olivine, de fer et de sulfure de fer de manière homogène. La deuxième étape consiste à charger le mélange dans un ensemble de cellule à haute pression.

Ensuite, l'assemblage est soumis à une pression de six gigapascals et chauffé à 1 800 degrés Celsius dans un dispositif à enclumes multiples. La dernière étape consiste à extraire l'échantillon et à le préparer pour l'imagerie 3D. Enfin, l'image 3D est utilisée pour visualiser la répartition du silicium et du métal liquide, et déterminer si le métal liquide peut percoler à travers le silicium cristallin afin de former un noyau.

Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés en sciences planétaires, comme la formation du noyau planétaire par percolation. Commencez par préparer les matériaux nécessaires à la simulation du processus de percolation. Lors de la formation du noyau, préparez environ un gramme d’un mélange de silicate naturel, d’olivine et de poudre de fer métallique contenant 10 pour cent en poids de soufre dans un mortier en agate.

Sous éthanol, broyer le matériau de départ afin d'obtenir un mélange en poudre pendant une heure. Une fois cette étape terminée, sécher les matériaux à 100 degrés Celsius pendant une heure, récupérer le matériau séché, puis, une fois refroidi, commencer les préparatifs pour les expériences à enclumes multiples. Charger le matériau de départ dans une capsule en oxyde d'aluminium CI, d'environ 1,5 millimètre de diamètre et de 1,5 millimètre de longueur.

Ensuite, placez la capsule dans un ensemble de cellule haute pression équipé d'un réchauffeur d'échantillon à résistance électrique. La cellule est maintenant prête à être utilisée dans l'appareil multi-enclumes haute pression. Montez l'ensemble de cellule dans l'appareil, puis comprimez l'échantillon jusqu'à la pression cible ici, six gigapascals, en vous basant sur une courbe d'étalonnage de pression à point fixe.

En outre, utilisez le chauffage par résistance électrique pour porter l'échantillon à 1 800 degrés Celsius, la température cible. Pour cette expérience, maintenez la pression et la température pendant 12 heures.

Une fois l'expérience terminée, éteignez l'alimentation du chauffage pour ramener l'échantillon à température ambiante, puis relâchez lentement la pression sur six heures en ouvrant la vanne d'huile hydraulique. Enfin, récupérez l'ensemble haute pression et procédez à l'analyse de l'échantillon à l'aide d'un microscope électronique à balayage à faisceau d'ions focalisés. Préparez l'échantillon pour son utilisation dans l'instrument en le montant, en le polissant et en recouvrant sa surface d'un dépôt de carbone.

Ensuite, chargez-le dans la chambre d'échantillonnage de l'appareil. Alignez l'échantillon sur le point de convergence du faisceau d'ions focalisé et du microscope électronique à balayage, à une distance de travail de cinq millimètres. Prélevez l'échantillon afin d'exposer un volume de 15 par 20 par 20 micromètres cubes.

Ensuite, continuer à utiliser le faisceau d'ions pour fraiser des couches de 25 nanomètres de profondeur. Après le retrait de chaque couche, acquérir une image au microscope électronique à balayage de la surface exposée. Une fois le fraisage terminé, importer les fichiers de données d'images dans un logiciel de visualisation et créer des images 3D pour l'analyse. Cette reconstruction 3D concerne un échantillon trempé qui a été chauffé à 1 800 degrés Celsius à six giga pascals.

Le volume mis en évidence représente du fer et du sulfure de fer à l'état liquide. Le reste du volume est occupé par de la glace. Le volume mesure environ cinq sur six sur sept micromètres cubes.

L'image montre que les poches de fusion métallique ont été piégées aux angles des grains de silicate en raison des grands angles de dièdre mesurés, supérieurs à 100 degrés, comme on le voit ici. Cette nouvelle technique d'imagerie constitue un outil puissant permettant de déterminer précisément l'angle de dièdre réel. En surveillant l'évolution de la distribution de la fusion autour de l'angle critique, elle peut être utilisée pour identifier précisément la transition entre des réseaux non connectés et des réseaux connectés sur un petit intervalle de composition et de pression.

La méthode fournit également une mesure quantitative de la fraction volumique et de la connectivité. Ces images 3D correspondent à l'échantillon figé avec différents rapports silicate métallique, pour une fraction volumique inférieure à 5 %. Le métal liquide forme des poches isolées à plus forte fraction volumique. Une fraction et un réseau interconnecté se forment après son développement.

Cette technique ouvre la voie à la recherche dans le domaine de l'expérimentation, des sciences des météorites et planétaires, permettant d'explorer le processus de formation du noyau des planètes par simulation expérimentale combinée à des visualisations.