Name: partitionnement de Metal-silicate à haute pression et température: méthodes expérimentales et un protocole à réprimer fortement sidérophile Element Inclusions (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-06-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 50 s
Description: Découvrez le partitionnement métal-silicate à haute pression pour les éléments fortement sidérophiles. Cette méthode expérimentale supprime les inclusions métalliques et permet d'étudier la formation planétaire.

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Ce travail a été soutenu par le Conseil de recherches en génie du Canada Équipement, Découverte et subventions accélération à la découverte en sciences naturelles et attribués à JMBNRB reconnaît le soutien de la Carnegie Institution de programme de bourse post-doctorale Washington. Stephen Elardo est également remercié pour son aide avant le tournage avec la presse à piston-cylindre à la géophysique Lab.

Les auteurs ont rien à révéler.

Les résultats des expériences réalisées libre-inclusion en utilisant les protocoles décrits ici ont déjà été comparés avec les données de la littérature dans les références 29 (Os, Ir, Au), 30 (Re, Au) et 31 (Pt). Pt est le plus instructif dans la démonstration de l&#39;utilité de run-produits sans inclusion. Pour les expériences fonctionnent à faible f O 2, Ertel et al. 48 inclusions affecté à une origine stable et donc limité la réduction de donn...

Accrétion terrestre est censé s&#39;être produit comme une série de collisions entre planétésimaux avec une composition en vrac chondritique, se terminant par une phase de géante impact pensait responsable de la formation de la lune 1,2. Le chauffage de la proto-Terre par des impacts et de la désintégration des isotopes de courte durée était suffisante pour provoquer une vaste fusion et la formation d&#39;un océan de magma ou étangs à travers lequel denses riches en Fe fond métalliques pourraient descendre. En arrivant au pied de l&#39;océan de magma, fondues métalliques rencontrent une limite rhéologique, décrochage, et subissent finale équilibre silicate de métal avant de finalement descendre à travers le manteau solide pour le noyau de plus en plus 2. En outre la communication chimique entre le métal et silicate phases comme fondue métallique traverse la partie solide du manteau est pensé pour être exclu en raison de la grande taille et la descente rapide de diapirs métalliques 3. Cette différenciation primaire de la Terre dans un noyau métallique et Mant silicatele est révélé aujourd&#39;hui par les deux observations géophysiques et géochimiques 4 - 6. L&#39;interprétation de ces observations pour obtenir des conditions plausibles pour l&#39;équilibre de silicate de métal à la base d&#39;un océan de magma, cependant, nécessite une base de données appropriée des résultats expérimentaux. Le manteau supérieur primitive (PUM) est un réservoir hypothétique comprenant le résidu de silicate de la formation de base et sa composition reflète donc le comportement des éléments traces pendant équilibre silicate de métal. Les oligo-éléments sont répartis entre le métal et silicate fond pendant noyau ségrégation sur la base de leur affinité géochimique. L&#39;ampleur de préférence un des éléments de la phase métallique peut être décrite par le coefficient de partage métal-silicate <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq1.jpg" /><img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq2.jpg" /> (1) Où <img alt="Équation 3" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq3.jpg" /> et <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq4.jpg" /> désigner la concentration de l&#39;élément i en métal et silicate fondue respectivement. Les valeurs de <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq5.jpg" /> &gt; 1 indiquent sidérophile comportement (fer-aimant) et ceux &lt;1 lithophile (rock-aimant) comportement. Les estimations de la composition spectacle de PUM que sidérophile éléments sont épuisés par rapport à chondrites 7, généralement considérés comme représentatifs de la composition en vrac de la Terre 6,8. Cet appauvrissement est due à la séquestration des éléments sidérophiles par le noyau, et pour les éléments réfractaires son ampleur devrait refléter directement les valeurs de <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq5.jpg" /> . expériences de laboratoire cherchent donc à déterminer les valeurs de <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq5.jpg" /> sur un range de pression (P), la température (T) et la fugacité de l&#39;oxygène (O 2 f) les conditions qui sont pertinents pour la séparation des métaux à partir de la base d&#39;un océan de magma. Les résultats de ces expériences peuvent alors être utilisées pour délimiter les régions de P - T - f O 2 l&#39;espace qui sont compatibles avec l&#39;abondance de PUM de plusieurs éléments sidérophiles (par exemple, 9 - 11). Les pressions et températures élevées pertinentes à un scénario magma de l&#39;océan peuvent être recréées en laboratoire en utilisant soit un piston-cylindre ou presse multi-enclume. Dispositif à cylindre et piston permet d&#39;accéder à une pression modérée (~ 2 GPa) et une température élevée (~ 2573 K) conditions, mais permet aux grands volumes d&#39;échantillon et une variété de matériaux de la capsule pour être facilement utilisés. Le taux de refroidissement rapide permet également trempe d&#39;une gamme de compositions thermofusibles à un verre de silicate, simplifiant ainsi l&#39;interprétation de la texture de la course-produits.L&#39;appareil multi-enclume emploie généralement des volumes d&#39;échantillons plus petits, mais avec des dessins d&#39;assemblage appropriés peut atteindre des pressions allant jusqu&#39;à ~ 27 GPa et des températures de ~ 3000 K. L&#39;utilisation de ces méthodes a permis des données de partitionnement pour beaucoup de l&#39;modérément et légèrement sidérophiles éléments soient recueillies sur une large gamme de conditions P - T. Prédictions de la composition de PUM basé sur ces données suggèrent équilibre silicate de métal produite dans des conditions de pression et de température moyenne de plus de ~ 29 GPa et 3000 K respectivement, bien que les valeurs exactes dépendent du modèle. Afin de tenir compte de l&#39;abondance de PUM de certains redox éléments sensibles (par exemple, V, Cr), le f O 2 est également pensé pour évoluer au cours de l&#39;accrétion de ~ 4 à 2 unités de log ci-dessous celle imposée par le fer et wüstite co-existante (FeO ) à des conditions équivalentes PT (le tampon de fer-wüstite) 12. Bien que l&#39;abondance de PUM de mtous les éléments de sidérophiles peuvent être comptabilisés par l&#39;équilibre de silicate de métal à la base d&#39;un océan de magma en profondeur, il a été difficile d&#39;évaluer si cette situation vaut également pour les éléments les plus hautement sidérophiles (HSE). L&#39;affinité des HSE extrême de fer-métal indiqué par une faible pression (P ~ 0,1 MPa) et la température (T &lt;1673 K) expériences suggèrent la terre de silicate doit être fortement appauvri en ces éléments. Les estimations de la teneur HSE pour PUM, cependant, indiquent qu&#39;une déplétion modérée par rapport à chondrite (Figure 1). Une solution couramment posée à l&#39;excès apparent HSE est que la Terre a connu une fin de l&#39;accrétion de matière chondritique à la suite de la formation de base-13. Ce matériau fin-accrétion aurait mélangé avec le PUM et des concentrations élevées HSE mais a eu un effet négligeable sur les éléments les plus abondants. Alternativement, il a été suggéré que la nature extrêmement sidérophile de HSE indiqué par une faible P </em&gt; - T expériences ne persistent pas dans les conditions PT élevés présents lors de la formation de base-14,15. Afin de tester ces hypothèses, les expériences doivent être menées afin de déterminer la solubilité et métal-silicate partitionnement du HSE dans des conditions appropriées. La contamination de la partie silicate de run-produits trempés dans cependant de nombreuses études antérieures, a compliqué l&#39;analyse run-produit et occulté les véritables coefficients de partition pour HSE entre métal et silicates fondus. Dans les expériences de séparation où les HSE sont présents à des niveaux appropriés à la nature de concentration, l&#39;extrême préférence de ces éléments pour Fe-métal empêche leur mesure dans le liquide silicaté. Pour contourner ce problème, des mesures de solubilité sont réalisées dans laquelle la masse fondue de silicate est saturé dans la HSE d&#39;intérêt et les valeurs de <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/52725/52725eq5.jpg" /> sont calculées en utilisant le formalisme de Borisov et. 16 al. Silicate trempé run-produits de HSE expériences de solubilité réalisées à des conditions de réduction, cependant, affichent souvent des preuves de contamination par dispersé HSE ± Fe inclusions 17. Malgré la quasi-omniprésence de ces inclusions en basse f O 2 expériences contenant Pt, Ir, Os, Re et Ru, (par exemple, 18 - 27), il ya une variabilité notable entre les études dans leur présentation de texture; comparer par exemple référence 22 et 26. Bien qu&#39;il ait été démontré que les inclusions peuvent se former qui sont dans une phase stable aux conditions d&#39;exécution d&#39;une expérience de 28, cela ne fait pas obstacle à la formation d&#39;inclusions que l&#39;échantillon est trempé. L&#39;incertitude entourant l&#39;origine des inclusions rend le traitement des résultats d&#39;analyse difficile, et a conduit à l&#39;ambiguïté sur la véritable solubilité du HSE en silicate réduit fond. run-produits sans-inclusion sont nécessaires pour évaluerque des études ont adopté une approche analytique qui donne des concentrations de HSE dissous précises. Des progrès considérables dans la suppression de la formation de métal-inclusions à des conditions réductrices a été démontré dans des expériences en utilisant un appareil à piston-cylindre, dans laquelle la conception de l&#39;échantillon a été modifiée à partir d&#39;études précédentes en ajoutant soit Au ou Si les matériaux de départ de 29 à 31. L&#39;addition de Au ou de Si élémentaire pour les matières de départ, respectivement, modifie la géométrie de l&#39;échantillon ou f O 2 évolution de l&#39;expérience. Ces méthodes ont pour but de supprimer la formation de l&#39;inclusion de métal en modifiant le moment de la HSE en diffusion par rapport à la réduction de l&#39;échantillon, et sont discutés dans Bennett et al. 31. Contrairement à certaines tentatives précédentes pour nettoyer la fonte de silicate d&#39;inclusions, telles que l&#39;équilibrage assistée mécaniquement et le piston-cylindre centrifugation, le présent protocole peut être mis en œuvre sans appar spécialiséeatus et est adapté pour des expériences de haute PT. Décrit en détail ici est une approche fondée sur piston-cylindre pour déterminer la solubilité de Re, Os, Ir, Ru, Pt et Au en liquide silicaté à haute température (&gt; 1873 K), 2 GPa et une f O 2 similaire à celle de le tampon de fer-wüstite. L&#39;application d&#39;un modèle expérimental similaire peut également se révéler succès dans les expériences HSE à d&#39;autres pressions, en fournissant les relations de phase requis, propriétés de mouillage et les relations cinétiques persister dans les conditions choisies. Les données existantes sont cependant insuffisantes pour prédire si notre conception de l&#39;échantillon sera couronnée de succès à des pressions correspondant à un océan de magma en profondeur. Aussi décrit est une approche générale utilisée pour déterminer modérément et légèrement élément sidérophile (MSE et SSE respectivement) partitionnement en utilisant un dispositif multi-enclume. Extension de l&#39;ensemble de données sans-inclusion pour HSE à haute pression est susceptible d&#39;employer des méthodes multi-enclume similaires. Togéther, ces procédures constituent un moyen de contraindre les deux conditions de base-ségrégation et les étapes de l&#39;accrétion terrestre.

<table><tbody><tr><td>Feuille d’époxy/fibre de verre G10</td><td>Accurate plastics, Inc.</td><td>GEES.020N.3648</td><td></td></tr><tr><td>Matières premières en poudre- -Oxydes, métaux, carbonates</td><td>Alfa Aesar</td><td>Spécifique à l’expérience</td><td></td>souhaitée</tr><tr><td>Céramique MgO coulable en 2 parties</td><td>Aremco</td><td>Ceramcast - 584</td><td></td></tr><tr><td>Lubrifiant sec</td><td>PTFE Camie-Campbell</td><td>2000 TFE-Coat</td><td></td></tr><tr><td>Résistances à résistance graphite</td><td>Carbone of America (maintenant propriété de Mersen USA)</td><td>Commande personnalisée</td><td></td></tr> Commande <tr><td>personnalisée</td> de <td>baryum Carbonate</td><td>Chemical Products Corporation</td> Fil thermocouple de <td>type C calciné à écoulement libre (CFF)</td></tr><tr><td>(W26 % Re, W5 % Re)</td><td>Concept Alloys</td><td></td><td>~0,25 mm de diamètre convient à la plupart des expériences</td></tr><tr><td>Zircone Cement</td><td>Cotronics ; Ciment Resbond 940 en 2 parties</td><td>Utilisez 100 parties de poudre pour 25 à 28 parties d’activateur</td>Colle d’acétate de polyvinyle (PVA), par ex. Bostik Souvent vendu sous le nom de « colle blanche »Colle cyanoacrylate, par exemple, Krazy Glue/Loctite Piston Réservoir sous pression de cylindre et piston WC Outillage en carbure de haute qualité Inc.<td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Commande personnalisée Tube en verre de silice</td><td>Quartz Plus Commande</td><td>personnalisée</td><td></td></tr><tr><td>Tubes ZrO2 Tubes</td><td>Saint-Gobain</td> sur <td>commande</td><td></td>personnalisée</tr><tr><td>Tiges et tubes MgO écrasables</td><td>Saint-Gobain</td> Cubes WC <td>sur commande</td><td></td>pour</tr><tr><td>des expériences multi-enclumes</td> Les cubes <td>sur commande personnalisée</td><td>Tungaloy</td><td>sont en alliage</td></tr> <tr><td>WC de grade FTube en alumine monotrou pour thermocouple multi-enclumes</td><td>Vesuvius McDanel</td><td>AXS071730-04-06</td><td></td></tr><tr><td>Tube en alumine 4 trous pour thermocouple cylindre à piston</td><td>Vesuvius McDanel</td><td>AXF1159--07-12&nbsp ;</td><td></td></tr><tr><td>Tube en alumine 4 trous pour thermocouple multi-enclumes</td><td>Vesuvius McDanel</td><td>AXF1159-04-06</td><td></td></tr></tbody></table>

partitionnement de metal-silicate à haute pression et température: méthodes expérimentales et un protocole à réprimer fortement sidérophile element inclusions

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

Les estimations de la composition primitive du manteau supérieur (PUM) révèlent un épuisement de nombreux éléments sidérophiles (qui aiment le fer), que l’on pense résulter de leur extraction vers le noyau lors de l’accrétion terrestre. Des expériences visant à étudier la répartition de ces éléments entre les fusions de métaux et de silicates suggèrent que la composition du PUM est mieux adaptée si l’équilibre métal-silicate se produisait à des pressions et des températures élevées, dans un environnement océanique de magma profond. Le comportement des éléments les plus fortement sidérophiles (HSE) au cours de ce processus est cependant resté énigmatique. Les produits d’écoulement de silicate issus d’expériences de solubilité HSE sont souvent contaminés par des inclusions métalliques dispersées qui entravent la mesure des concentrations d’éléments dans la masse fondue. L’incertitude qui en résulte quant à la solubilité réelle et à la répartition métal-silicate de ces éléments a rendu difficile la prédiction de leur appauvrissement prévu en PUR. Récemment, plusieurs études ont utilisé des modifications à la conception expérimentale utilisée pour les expériences de solubilité à haute pression et à température afin de supprimer la formation d’inclusions métalliques. L’ajout d’Au (expériences Re, Os, Ir, Ru) ou de Si élémentaire (expériences Pt) à l’échantillon modifie respectivement la géométrie ou le taux de réduction de l’échantillon, afin d’éviter une sursaturation transitoire en métal du silicate fondu. Cette contribution décrit les procédures d’utilisation de l’appareil piston-cylindre et de l’appareil à enclumes multiples pour mener des expériences de solubilité et de séparation métal-silicate respectivement. Un protocole est également décrit pour la synthèse de produits d’écoulement non contaminés à partir d’expériences de solubilité HSE dans lesquelles la fugacité de l’oxygène est similaire à celle lors de la formation du noyau terrestre. Des spectres LA-ICP-MS résolus en temps sont présentés comme preuve de l’absence d’inclusions métalliques dans les produits d’essai d’études antérieures, et confirment également que la technique peut être étendue à l’étude de Ru. Des exemples sont également donnés de la façon dont ces données peuvent être appliquées.

Les exemples suivants et les débats se concentrent sur ​​des expériences pour déterminer HSE solubilité dans silicate fond à faible f O 2. Pour des exemples détaillés de la façon dont MSE et les données de partitionnement de l&#39;ESS à partir d&#39;expériences multi-enclume peuvent être utilisés pour contraindre le P - T - f O 2 conditions de base ségrégation de métal, le lecteur est renvoyé aux références 9 -. 11 Figure 7B-D affiche ...

Nous présentons une procédure pour déterminer la répartition métal-silicate des éléments sidérophiles, en mettant l’accent sur les techniques qui suppriment la formation d’inclusions métalliques dans les expériences pour les métaux nobles. Les résultats de ces expériences sont utilisés pour démontrer l’effet de la formation du noyau sur la composition en éléments hautement sidérophiles du manteau.

partitionnement de Metal-silicate à haute pression et température: méthodes expérimentales et un protocole à réprimer fortement sidérophile Element Inclusions

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

L'objectif général de cette procédure est de déterminer la répartition des éléments fortement cphi entre des phases fondues métalliques et siliconées. Cela est réalisé en préparant tout d'abord une phase fondue siliconée synthétique et un matériau de départ métallique. Les éléments fortement acidophiles sont introduits sous forme de billes revêtues d'or ou de mélanges centrés de platine, d'iridium et de fer, soit en séparant physiquement les HSC des phases fondues siliconées, soit en introduisant un agent réducteur puissant.La formation de bouchons métalliques qui compliquent l'analyse chimique peut être évitée. La deuxième étape consiste à charger d'abord une capsule d'échantillon en graphite avec le métal, puis avec les matériaux initiaux silicatés, de sorte qu'ils soient disposés de manière gravitationnellement stable. Ensuite, terminer l'assemblage complet des composants de l'échantillon et charger le dispositif dans un cylindre à piston ou un appareil à enclumes multiples, selon le cas.La dernière étape consiste à comprimer l'échantillon, puis à le chauffer à la température souhaitée ; après un temps suffisant pour atteindre l'équilibre, l'échantillon est figé en coupant l'ali

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