סימולציה של פלנטריים הפנים בידול תהליכים במעבדה

Summary

הניסויים בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה שתוארו כאן לחקות תהליכי התמיינות פנים כדור הארץ. התהליכים הם דמיינו ולהבין טובים יותר על ידי ההדמיה 3D ברזולוציה גבוהה ואנליזה כימית כמותית.

Abstract

פנים כוכבי הלכת הוא בתנאי לחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה ויש לו מבנה שכבתי. ישנם שני תהליכים חשובים שהובילו שלמבנה מרובד, (1) הפעפוע של מתכת נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה על ידי בידול כדור הארץ, ו (2) התגבשות גרעין פנימית של כדור הארץ שלאחר מכן קירור. אנו עורכים ניסויים בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה כדי לדמות שני התהליכים במעבדה. כינונה של ליבת כוכבי הלכת percolative תלוי ביעילות של הפעפוע להמיס, הנשלט על ידי זווית dihedral (הרטבה). הסימולציה החלחול כוללת חימום המדגם בלחץ גבוה לטמפרטורת יעד שבו סגסוגת ברזל גופרית היא מותכת ואילו סיליקט נותר מוצק, ולאחר מכן לקבוע את זווית dihedral הנכון כדי להעריך את הסגנון של הגירת נוזל במטריצת גבישים על ידי 3D להדמיה. 3D טיוח הנפח מושגת על ידי חיתוך המדגם התאושש עם אלומת יונים ממוקדת (FIB) ות"אתמונת המלך SEM של כל פרוסה עם מכשיר קורה FIB / SEM. הסט השני של ניסויים נועד להבין את חלוקת התגבשות ואלמנט הפנימית ליבה בין הליבה החיצונית נוזלית והליבה פנימית מוצקה על ידי קביעת טמפרטורת ההתכה ומחיצות אלמנט בלחץ גבוה. ניסויי ההיתוך מתבצעים במנגנון רב הסדן עד 27 GPA והוארכו ללחץ גבוה יותר בתא יהלומי סדן עם לייזר לחימום. פיתחנו טכניקות להתאושש דגימות מחוממות קטנות על ידי כרסום FIB הדיוק ולהשיג תמונות ברזולוציה גבוהה של לייזר במקום מחומם המציגים מרקם התכה בלחץ גבוה. על ידי ניתוח ההרכב הכימי של נוזל coexisting ושלבים מוצקים, אנחנו בדיוק לקבוע את עקומת liquidus, מתן הנתונים הדרושים כדי להבין את תהליך התגבשות הגרעין הפנימי.

Introduction

כוכבי הלכת ארציים כגון כדור הארץ, נוגה, מאדים, מרקורי הם גופים פלנטריים הבדיל הכוללים מעטפת סיליקט וליבה מתכתית. מודל ההיווצרות הכוכבי לכת המודרני מצביע על כך שכוכבי הלכת הארציים נוצרו מהתנגשויות של עוברים פלנטרית ירח למאדים בגודל גדלו מ planetesimals קילומטר בגודל או גדול דרך אינטראקציות כבידה ^1-2. Planetesimals סביר היו מובחן כבר פעם אחת סגסוגות הברזל מתכתיות הגיעו טמפרטורת התכה עקב חימום ממקורות כגון התפרקות רדיואקטיבית של איזוטופים קצרים חיים כגון ²⁶ אל ^ו60 פה, השפעה, ושחרורו של אנרגיה פוטנציאלית ^3. זה חשוב להבין כיצד המתכת נוזלית חלחלה דרך מטריצת סיליקט במהלך ההתמיינות המוקדמת. <....

Protocol

1. הכן את חומרי המוצא ולשכות לדוגמא

1. להכין שני סוגים של חומרי מוצא, (1) תערובת של אוליבין סיליקט הטבעי ואבקת ברזל מתכתית עם 10 WT% גופרית (מתכת / יחסי סיליקט החל 4-30% WT) להדמיית הפעפוע של סגסוגת ברזל נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה במהלך היווצרות הגרעין הראשונית של גוף קטן פלנטרית, ו (2) תערובת הומוגנית של ברזל דק מעוגן טהור וברזל גופרי לקביעת התגבשות הגרעין הפנימי פלנטרית.
2. טוחנים את החומרים מתחילים אבקה מעורבת קנס כאמור באתנול במרגמת ברקת לשעה אחת ומיובש ב100 ° C.

Results

יש לנו ערכתי סדרה של ניסויים באמצעות תערובות של אוליבין סן קרלוס וסגסוגת מתכת Fe-פס עם יחס המתכת סיליקט שונה, כמו חומרי המוצא. תוכן S של המתכת הוא 10% במשקל ס כאן אנו מראים כמה תוצאות נציג מניסויים בלחץ גבוה שבוצעו ב-GPA 6 ו1,800 ° C, תוך שימוש במכלולים רב סדן מכויל היטב ^15. תחת תנאי הניסוי, סגסוגת מתכת Fe-Fes היא מותכת לחלוטין וסיליקט (אוליבין סן קרלוס) נותר גבישים. מטרת הניסוי היא לבחון כיצד מתכת נוזלית הייתי לחלחל דרך סיליקט גבישים. היעילות של ההסרה של סגסוגות מתכת נ.......

Discussion

הטכניקות לניסויים רב הסדן מבוססים היטב, שהניבו לחץ וטמפרטורה לתקופה ממושכת של זמן ריצה יציבים והפקה גדולה יחסית נפח דגימה. זהו כלים רבי עוצמה כדי לדמות את התהליכים הפנימיים של כוכבי הלכת, במיוחד עבור ניסויים, כגון חלחול להמיס, שדורשים מסוים נפח דגימה. ההגבלה היא הלחץ להשגה המקסימום, עד ל- GPA 27 עם טונגסטן קרביד סדנים (WC), והגיע לחצים הליבה של מאדים ומרקורי, אבל לחץ נמוך מדי כדי להגיע לליבותיהם של כדור הארץ ונוגה. הלחץ להשגה המקסימום ניתן להרחיב על 100-GPA באמצעות יהלום sintered .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
מנגנון רב סדן	מעבדה גיאופיזית בונה
תא יהלום-סדן	מעבדה גיאופיזית בונה
חימום לייזר	APS GSECARS	תוכנן על ידי צוות קו האלומה	הציבורי
FIB/SEM Crossbeam	Carl Zeiss Ltd.	תוכנת תלת מימד Auriga
Avizo	VSG	Fire למדעי