Partizionamento metallo-silicato ad alta pressione e temperatura: metodi sperimentali e un protocollo per sopprimere altamente Siderophile Element Inclusioni

Sommario

Presentiamo una procedura per determinare la ripartizione metallo-silicato di elementi siderofili, enfatizzando le tecniche che sopprimono la formazione di inclusioni metalliche negli esperimenti per i metalli nobili. I risultati di questi esperimenti sono utilizzati per dimostrare l'effetto della formazione del nucleo sulla composizione altamente siderofila degli elementi del mantello.

Abstract

Le stime della composizione primitiva del mantello superiore (PUM) rivelano un esaurimento di molti degli elementi siderofili (amanti del ferro), che si pensa derivino dalla loro estrazione nel nucleo durante l'accrescimento terrestre. Gli esperimenti per studiare la suddivisione di questi elementi tra fusi di metallo e silicato suggeriscono che la composizione del PUM è meglio abbinata se l'equilibrio metallo-silicato si verifica ad alte pressioni e temperature, in un ambiente oceanico di magma profondo. Il comportamento degli elementi più altamente siderofili (HSE) durante questo processo, tuttavia, è rimasto enigmatico. I prodotti di silicato provenienti da esperimenti di solubilità HSE sono comunemente contaminati da inclusioni metalliche disperse che ostacolano la misurazione delle concentrazioni di elementi nel fuso. La conseguente incertezza sulla vera solubilità e sulla ripartizione metallo-silicato di questi elementi ha reso difficile prevedere la loro deplezione prevista in PUM. Recentemente, diversi studi hanno impiegato modifiche al disegno sperimentale utilizzato per esperimenti di solubilità ad alta pressione e temperatura al fine di sopprimere la formazione di inclusioni metalliche. L'aggiunta di Au (esperimenti Re, Os, Ir, Ru) o Si elementare (esperimenti Pt) al campione agisce per alterare rispettivamente la geometria o la velocità di riduzione del campione, al fine di evitare la sovrasaturazione transitoria del metallo del fuso silicatico. Questo contributo delinea le procedure per l'utilizzo dell'apparato pistone-cilindro e dell'apparato multi-incudine per condurre rispettivamente esperimenti di solubilità e di partizione metallo-silicato. Viene anche descritto un protocollo per la sintesi di run-products non contaminati da esperimenti di solubilità HSE in cui la fugacità dell'ossigeno è simile a quella durante la formazione del nucleo terrestre. Gli spettri LA-ICP-MS risolti nel tempo sono presentati come prova dell'assenza di inclusioni metalliche nei prodotti di corsa da studi precedenti, e confermano anche che la tecnica può essere estesa per studiare l'UR. Vengono anche forniti esempi di come questi dati possono essere applicati.

Introduzione

Accrescimento terrestre si pensa che si sono verificati una serie di collisioni fra planetesimi con una composizione di massa chondritic, terminante con una fase di gigante impatto ritenuta responsabile per la formazione di luna ^1,2. Riscaldamento del proto-Terra da impatti e il decadimento degli isotopi di breve durata era sufficiente a provocare gravi fusione e la formazione di un oceano magma o stagni attraverso cui denso fusi metallici Fe-ricchi potevano scendere. Dopo aver raggiunto la base del magma mare, fonde metalliche incontrano un confine reologico, stallo, e sottoposti equilibrio metallo-silicati finale prima infine scendere attraverso il mantello solido alla crescente nucleo ^2. Ulteriori comunicazione chimica tra metallo e fasi silicati come metallo fuso attraversa la parte solida del mantello è pensato per essere preclusa a causa delle grandi dimensioni e rapida discesa del diapirs metallici ^3. Questa differenziazione primario della Terra in un nucleo metallico e mant silicatole viene rivelato oggi da entrambe le osservazioni geofisiche e geochimiche ^4-6. Interpretazione queste osservazioni per produrre condizioni plausibili di equilibrio metallo-silicati alla base di un magma mare, tuttavia, richiede un adeguato database di risultati sperimentali.

Il mantello superiore primitiva (PUM) è un serbatoio ipotetico comprendente il residuo di silicato di formazione del nucleo e la sua composizione riflette quindi il comportamento di oligoelementi durante equilibrio metallo-silicati. Gli oligoelementi sono distribuiti tra il metallo e fusi silicatici durante nucleo segregazione sulla base della loro affinità geochimica. La grandezza di una preferenza elementi per la fase di metallo può essere descritta dal coefficiente di ripartizione metallo-silicati

(1)

Dove e indicare la concentrazione dell'elemento i in metallo e silicato sciogliere rispettivamente. Valori di > 1 indicano siderophile comportamento (ferro amante) e quelle <1 litofili (-rock amante) comportamento. Le stime della composizione mostrano PUM che siderophile elementi sono esauriti rispetto al condriti ^7, tipicamente considerati come rappresentativi della composizione massa della Terra ^6,8. Questo è dovuto alla deplezione sequestro di elementi siderophile dal nucleo, e per gli elementi refrattari sua magnitudine deve riflettere direttamente valori . Esperimenti di laboratorio quindi cercano di determinare i valori di nel corso di un raESN di pressione (P), la temperatura (T) e fugacità di ossigeno (O ₂ f) condizioni che sono rilevanti per la segregazione metallica dalla base di un oceano di magma. I risultati di questi esperimenti possono quindi essere utilizzati per delimitare le regioni di P - T - f O ₂ spazio che sono compatibili con l'abbondanza PUM più elementi (es siderophile, ^{9 - 11).}

Le alte pressioni e temperature pertinenti ad uno scenario oceano di magma è possibile ricreare in laboratorio utilizzando un pistone-cilindro o stampa multi-incudine. L'apparato pistone-cilindro fornisce accesso a pressione moderata (~ 2 GPa) e ad alta temperatura (~ 2.573 K) condizioni, ma consente grandi volumi di campione e una varietà di materiali capsula da utilizzare facilmente. Il tasso di raffreddamento rapido consente anche tempra di un campo di composizioni melt silicato ad un bicchiere, semplificando così l'interpretazione strutturale dei run-prodotti.L'apparato multi-incudine impiega tipicamente piccoli volumi di campione, ma con i disegni di montaggio adatti può raggiungere pressioni fino a ~ 27 GPa e temperature di circa 3000 K. L'uso di questi metodi ha permesso dati partizionamento per molti dei moderatamente e leggermente siderophile elementi siano riuniti su una vasta gamma di P - condizioni T. Le previsioni di composizione PUM sulla base di questi dati suggeriscono equilibrio metallo-silicati avvenuto a condizioni medie di pressione e temperatura in eccesso di ~ 29 GPa e 3.000 K, rispettivamente, anche se i valori esatti dipendono dal modello. Per tenere conto per l'abbondanza PUM di elementi sensibili certo redox (ad esempio, V, Cr) O f ₂ è anche pensato di evolvere durante accrescimento da ~ 4-2 unità logaritmiche di sotto di tale imposta da co-esistente ferro e wüstite (FeO ) a condizioni equivalenti PT (il buffer di ferro-wüstite) ^12.

Nonostante l'abbondanza PUM di mtutti gli elementi siderophile possono essere valutate con equilibrio metallo silicato alla base di un profondo oceano di magma, si è dimostrato difficile valutare se questa situazione vale anche per gli elementi più altamente siderophile (HSES). L'affinità estremo dei HSES per ferro metallico indicato da bassa pressione (P ~ 0,1 MPa) e temperatura (T <1.673 K) esperimenti suggerisce il silicato di terra deve essere fortemente impoverito in questi elementi. Le stime del contenuto HSE per PUM, tuttavia, indicano solo un moderato impoverimento relativo di condrite (Figura 1). Una soluzione comunemente ipotizzato per l'eccesso HSE evidente è che la Terra ha subito un ritardo-accrescimento di materiale chondritic successive al core-formazione ^13. Questo materiale tardo-maturato avrebbe mescolato con la PUM ed elevate concentrazioni di HSE, ma ha avuto un effetto trascurabile sugli elementi più abbondanti. In alternativa, è stato suggerito che la natura estremamente siderophile di HSES dimostrato dai bassi P - T esperimenti non persistono le elevate condizioni PT presenti durante nucleo formazione ^14,15. Per testare queste ipotesi, esperimenti devono essere eseguite per determinare la solubilità e metallo-silicati compartimentazione HSES in condizioni appropriate. La contaminazione della porzione di silicato di run-prodotti bonificati in molti studi precedenti però, ha complicato l'analisi di run-prodotto e oscurato i coefficienti di ripartizione veri per HSES tra metallo e fusi silicatici.

In esperimenti di partizionamento dove sono presenti a concentrazioni appropriate per la natura delle HSES, l'estrema preferenza di questi elementi per Fe-metallo impedisce loro misura nella massa fusa di silicato. Per aggirare questo problema, misurazioni di solubilità sono realizzati in cui la massa fusa di silicato è saturo nel HSE di interesse e valori sono calcolati utilizzando il formalismo di Borisov etal. ^16. Silicato Temprato run-prodotti dagli esperimenti di solubilità HSE effettuati alle condizioni riducenti, tuttavia, spesso mostrano evidenza di contaminazione da disperso HSE ± Fe inclusioni ^17. Nonostante il vicino onnipresenza di queste inclusioni in bassa f O ₂ esperimenti contenenti Pt, Ir, Os, Re e Ru, (ad esempio, ^{18 - 27),} non vi è notevole variabilità tra gli studi nella loro presentazione strutturale; confrontare per esempio si fa riferimento ²² e ^26. Sebbene sia stato dimostrato che le inclusioni possono formare che sono una fase stabile nelle condizioni di esecuzione di un esperimento ^28, ciò non preclude la formazione di inclusioni come campione si spegne. L'incertezza che circonda l'origine delle inclusioni rende il trattamento dei risultati analitici difficile, e ha portato ad ambiguità sulla vera solubilità in HSES ridotta fusi silicatici. Run-prodotti privi di inclusione sono tenuti a valutareche gli studi hanno adottato un approccio analitico che produce concentrazioni precise disciolti HSE. Notevoli progressi nel sopprimere la formazione di metallo-inclusioni a condizioni riducenti è stata ora dimostrata in esperimenti utilizzando un apparato cilindro-pistone, in cui il disegno campione è stato modificato da studi precedenti tramite l'aggiunta di Au o Si alle materie prime ^{29 - 31.} L'aggiunta di Au o elementale Si ai materiali di partenza altera l'evoluzione geometria campione o f O ₂ dell'esperimento rispettivamente. Questi metodi hanno lo scopo di sopprimere la formazione inclusione metallo modificando i tempi di HSE in-diffusione contro la riduzione del campione, e sono discussi in Bennett et al. ^31. A differenza di alcuni precedenti tentativi di ripulire la fusione di silicato di inclusioni, come equilibrio assistito meccanicamente e la centrifugazione cilindro-pistone, il presente protocollo può essere attuata senza appar specializzatoatus ed è adatto per esperimenti di alta PT.

Descritto in dettaglio qui è un approccio basato pistone-cilindro per determinare la solubilità di Re, Os, Ir, Ru, Pt e Au in silicato di massa fusa ad alta temperatura (> 1.873 K), 2 GPa e una O f ₂ simile a quella di il buffer di ferro-wüstite. L'applicazione di un modello sperimentale simile può anche rivelarsi di successo in esperimenti HSE in altre pressioni, fornendo le relazioni di fase necessari, bagnando le proprietà e le relazioni cinetiche persistono le condizioni scelte. Dati comunque esistenti, sono sufficienti per prevedere se il nostro campione di progettazione avrà successo a pressioni corrispondenti ad un profondo oceano di magma. Anche delineato è un approccio generale utilizzato per determinare moderatamente e leggermente elemento siderophile (MSE e SSE rispettivamente) partizionamento utilizzando un dispositivo multi-incudine. Estensione del set di dati libera-inclusion per HSES ad alta pressione è in grado di utilizzare simili metodi multi-incudine. Togetere, queste procedure forniscono un mezzo per vincolare entrambe le condizioni di core-segregazione e dalle fasi di accrescimento terrestre.

Protocollo

1) Preparazione del prodotto di partenza

1. Sintetico Basalto
   Nota: Una composizione basaltico viene utilizzato come materia prima, come silicato di composizioni più depolimerizzati, anche se più rilevante per uno scenario oceano di magma, sono difficili o impossibili da spegnere un bicchiere in pistone-cilindro ed esperimenti multi-incudine.
   1. Pesare quantità desiderate di ossido di componenti o carbonato (Ca e Na) polveri, con l'eccezione di Fe, e aggiungere a un mortaio di agata (vedi esempio nella tabella 1). Una miscela Fe-libera del peso di ~ 4 g dovrebbe fornire materiale di partenza sufficiente per una vasta serie di esperimenti.
   2. Aggiungere etanolo al mortaio di agata finché le polveri sono immersi poi macinare per almeno 2 ore utilizzando un'agata pestello per omogeneizzare sia la composizione e la granulometria della miscela.
      Nota: Omogeneità di composizioni di partenza a terra può essere controllato esaminando un pellet pressato della miscela in polvere con un microfono a scansione elettronicaROSCOPE attrezzato per l'analisi composizionale mediante spettroscopia a raggi X a dispersione di energia.
   3. Una volta accuratamente omogeneizzata, posizionare la malta sotto una lampada di calore 250 W, ad una distanza di ~ 20 cm. Dopo che la miscela in polvere è secca, che può richiedere 20-60 min, trasferirlo sia ad un allumina o mullite (un allumino-silicati) crogiolo.
   4. Per decarbonate miscela, posizionare il crogiolo con il composto in polvere in un forno di casella alla RT e rampa a 1.273 K nel corso di 3-5 ore. Lasciare la miscela nel forno a 1.273 KO / N.
   5. Togliere il composto decarbonated dal forno scatola e lasciarla raffreddare a temperatura ambiente. Una volta fredda, pesare e aggiungere alla miscela di ferro sia come FeO o Fe ₂ O ₃ in polvere (vedi Tabella 1). Variando il rapporto di FeO a Fe ₂ O _3, mantenendo il contenuto totale di Fe stesso permette il f O ₂ finale del campione da modificare. Per accedere a più condizioni riducenti, e in tutti gli esperimenti per indagare Pt, aggiungi anche ~ 0,5-2,0% in peso di Si alla miscela. Una volta aggiunto Fe (± Si), ri-omogeneizzare la miscela di nuovo macinazione sotto etanolo con un mortaio di agata e pestello.
   6. Essiccare la miscela omogeneizzata sotto una lampada di calore e poi trasferirlo ad una fiala shell. Conservare in un essiccatore fino al momento di caricare la capsula campione.
2. Fase metallica: Re, Os, Ir, Esperimenti Ru
   1. Per gli esperimenti volti a indagare Re, Os, Ir o Ru, preparare un 3: 1 in peso (6: 1 per Ru, a spiegare la differenza di massa atomica) miscela di Au e HSE di interesse, utilizzando polveri metalliche ad alta purezza . Una miscela di pesatura ~ 500 mg dovrebbe fornire materiale di partenza sufficiente per una vasta serie di esperimenti.
   2. Trasferire il composto in un crogiolo in grafite e coprire con un coperchio in grafite. Poi posizionare il crogiolo coperta in una fornace casella alla temperatura di 1.473 K per ~ 5 min. Una volta tolto dal forno, lasciare il coperchio crogiolo in vigore fino alla assemblea ha cooha portato alla RT.
      ATTENZIONE: Riscaldamento di osmio in aria può provocare la formazione di tossici di osmio tetrossido compound. Osmio metallo è anche irritante per la pelle noto, vedi scheda di sicurezza per CAS # 7440-04-2.
      Nota: Questo processo si scioglie il (punto di fusione ~ 1.337 K) Au ma non il HSE accompagnamento, causando la formazione di un tallone metallico dove il HSE di interesse è circondata da una crosta di Au.
   3. Rimuovere il tallone metallico dal crogiolo di grafite e utilizzare una lama di rasoio per dividere in pezzi più piccoli che misurano ~ 1 mm loro sezione maggiore. Una volta tagliato, posizionare le perle in una fiala di shell e conservare in un essiccatore.
3. Fase metallica: Experiments Pt
   Nota: Esperimenti indagare Pt non può essere eseguita utilizzando la tecnica tallone Au rivestite causa della miscibilità completa di Pt e Au ad alta temperatura (> 2.042 K a 0.1 MPa ^32). Questo preclude una geometria campione per cui Pt è fisicamente separata dal fuso silicati durante un esperimento da una crostadi Au.
   1. Mescolare bene polveri metalliche di Pt e Ir in un rapporto 1: 1 in peso, per un totale di ~ 500 mg di miscela. Successivamente, aggiungere ~ 20 mg di Fe metallico in polvere in modo che Fe comprende ~ 4 per cento in peso della miscela totale.
   2. Tape un trapano pulito vuoto (in alternativa, il gambo di un trapano può essere usato al posto di un vuoto trapano) al bordo di un banco di lavoro in modo che ~ 3 millimetri sporge dal tavolo. Posizionare un tubo di vetro di silice, con un diametro interno di ~ 2-3 mm e diametro esterno di ~ 4-6 mm, sull'estremità sporgente del vuoto trapano.
   3. Mettere il composto PtIrFe nel tubo di vetro e inserire un altro vuoto trapano sopra di esso. Entrambi sbozzati trapano dovrebbero avere un diametro non superiore a 0,1 mm inferiore al diametro interno del tubo di vetro di silice. Cold-press miscela metallica spingendo gli sbozzati trapano insieme a mano (Figura 2).
      ATTENZIONE: l'uso di forza eccessiva durante la fase di spremitura a freddo può causare il vetro di silice frantumazione).
   4. Mettere le polveri spremuto a freddo, ancora all'interno del tubo di vetro di silice, in un crogiolo di allumina e di sospendere nel tratto fresco di un forno tubo verticale di miscelazione gas. Aumentare la temperatura del forno a 1.673 K e con CO-CO ₂ miscele di gas, impostare l'O forno f ₂ ad un valore vicino al tampone di ferro-wüstite.
      Nota: a pressione ambiente e 1.673 K, il buffer di ferro-wüstite corrisponde a un O f ₂ di 1,93 x 10 ^-10 Pa ^33. Il rapporto tra CO-CO ₂ rapporto di miscelazione, la temperatura e f O ₂ può essere trovato in riferimento ^34. Per il buffer di ferro-wüstite a 1.673 K usare una miscela gassosa comprendente 22,25 vol% CO ₂ e 77.75% vol CO.
      1. Una volta che la temperatura e f desiderata O ₂ vengono raggiunti, abbassare il crogiolo di allumina in modo che risiede nel punto caldo del forno e lasciare O / N per le polveri pressate per temprare.
   5. Rimuovere il CRUCbile e premette polveri dal forno miscelazione gas e consentire loro di raffreddare. Se il tubo di vetro di silice è ancora intatta, usate un disco trapano per spingere la polvere ricotto dal tubo. Utilizzando tronchesi, rompere la polvere ricotto in pezzi abbastanza piccolo da stare all'interno della capsula campione scelto per l'esperimento.
   6. Trasferire i pezzi metallici di una fiala di shell e conservare in un essiccatore fino al momento.
4. Fase metallica: Esperimenti Multi-incudine
   1. Per gli esperimenti per determinare la compartimentazione dei moderatamente e leggermente elementi siderophile, mescolare la polvere di basalto sintetico con polvere di Fe-metallo in proporzioni uguali.
      Nota: Una parte del Fe può essere aggiunto come una lega Fe-Si, tipicamente in modo che Si comprende 8% in peso di f O sperimentale ₂ rimane bassa.
   2. Aggiungere gli oligoelementi scelti come polveri di ossido di metallo alla miscela di basalto più metallo. Omogeneizzare il materiale di partenza da grinding sotto etanolo con un mortaio di agata e pestello. L'importo esatto di oligoelementi aggiunti dipenderà l'elemento oggetto di indagine, tuttavia, le concentrazioni nominali di diverse migliaia ppm al 2% in peso sono tipici ^10,35.
   3. Una volta omogeneizzato, asciugare il materiale di partenza in polvere sotto una lampada di calore, trasferirlo in una fiala shell poi conservare in un essiccatore fino al momento dell'uso.

2. Preparazione dei componenti dell'Assemblea

1. Pistone Cilindro
   Nota: Il gruppo cilindro pistone costituito da una capsula di grafite supportato nel punto caldo di un riscaldatore a resistenza grafite utilizzando pezzi magnesia frantumabili. Una allumina inguainata termocoppia è posizionata assialmente attraverso la parte superiore del gruppo per controllare la temperatura nella parte superiore del campione. Il forno è poi circondato da BaCO ₃ cellule che agiscono sia come mezzo di pressione e isolante termico ^36. Le dimensioni di montaggio sono forniti inFigura 3A. Un elenco di esempi materiali usati per gli esperimenti e le loro fonti sono fornite nella tabella 2.
   1. Macchina i pezzi capsule di grafite, spina fine grafite e di supporto magnesia alle dimensioni richieste con un tornio centro, utilizzando ad alta purezza grafite e magnesia barre o tubi rispettivamente come materiali di partenza (figura 3A).
      Nota: Per gli esperimenti per indagare Re, Os e Ir, leghe HSE-Fe possono essere sostituiti per la grafite come materiale capsule ^29,30.
   2. Sonicare le capsule di grafite in etanolo per ~ 1 min a RT, quindi asciugare sotto una lampada di calore nello stesso modo indicato per materiali di partenza in polvere. Una volta asciutto, trasferire le capsule per una fiala di shell e conservare in un essiccatore o forno di essiccazione fino al momento.
   3. Mettere i pezzi di supporto magnesia in entrambi un allumina o crogiolo mullite e ricottura a 1.573 K in un forno scatola per almeno 8 ore. Dopo la ricottura, permettono raffreddare le parti ben poi negozioin un forno di essiccazione mantenuto a ~ 393 K.
   4. Per rendere le cellule di carbonato di bario, prima mescolare BaCO ₃ in polvere e copia il toner usato in 99: 1 proporzioni in peso. È richiesto un minimo di 7,4 grammi di miscela per un esperimento. Coat la parte interna di uno stampo in acciaio di dimensioni adeguate (vedere Figura 3A per le dimensioni delle BaCO ₃ manicotti) sia con un lubrificante secco a base di grafite o distaccante a base di PTFE (Tabella 2).
   5. Cold-press 3,7 g della miscela di ~ 250 MPa usando lo stampo in acciaio e una pressa idraulica. Lasciare la miscela a pressione per 1 minuto prima di decompressione. Ciò produrrà un manicotto con un'altezza di 17 mm. Due manicotti sono richiesti per ciascun gruppo.
      Nota: La disposizione 2 celle sopra descritto e utilizzato in alcuni studi precedenti ^{29-31 MAGGIO} essere sostituito per una singola BaCO ₃ celle fornendo un dado di dimensioni adeguate è disponibile.
   6. Una volta tolto daldie, drive-off del toner copia riscaldando i manicotti da RT a 923 K nel corso di diverse ore in un forno scatola, quindi si tiene a questa temperatura per ~ 30 min. Notare il cambiamento di colore da nero ad arancione quando il toner copia è stata rimossa. Conservare le maniche ricotto in un forno di essiccazione mantenuto a ~ 393 K.
2. Multi-incudine
   Nota: Il gruppo multi-incudine comprende una capsula campione che è posizionato nel punto caldo di un riscaldatore a resistenza grafite cilindrico utilizzando crushable MgO o Al ₂ O ₃ elementi di riporto. Il riscaldatore è circondato da un ottaedro o ceramica sinterizzata o calcinabile che agisce sia come mezzo di pressione e isolante termico. La termocoppia può essere posizionato sia assialmente o trasversalmente a seconda del disegno di assemblaggio. Ci sono numerosi formati e disegni di montaggio utilizzati per esperimenti multi-incudine, a seconda delle oggettive e P desiderati -. Condizioni T Figura 4 mostra un esempiotaggio disegno precedentemente utilizzato per esperimenti di partizionamento metallo-silicati a 3.6 e 7.7 GPa ^35.
   1. Preparare capsule grafite e magnesia deformabile o manicotti zirconia da tubi di elevata purezza nello stesso modo indicato per esperimenti cilindro pistone. Le dimensioni richieste sono forniti in Figura 4A.
   2. Rendere la spina di allumina da una lunghezza di duro-fired rod allumina. Utilizzare un file di diamante per segnare l'asta in cui deve essere rotto, quindi far scattare l'asta alla lunghezza desiderata a mano (vedi Figura 4A per le dimensioni). Utilizzare il file per rimuovere eventuali sbavature derivanti dalla rottura dell'asta. Pulire la spina sonicating in etanolo a temperatura ambiente.
   3. Preparare ottaedri con un 18 mm Lunghezza bordo ottaedrica (OEL) utilizzando un colabile ceramica 2 parti a base di MgO (vedi Tabella 2) e la muffa di dimensioni appropriate. Lo stampo comprende una maschera che contiene 8 cubi tronche, separati da fogli con spessore pari a quello desiderato per the guarnizioni ³⁷ preformati.
      1. Per ottaedri con un 18 millimetri OEL, utilizzare cubi con un 11 millimetri troncate bordo lunghezza (TEL) e fogli che sono 3 mm di spessore. Utilizzare alluminio o in PVC per i materiali del cubo e fogli. Montare lo stampo, lubrificante tutte le parti che vi contatteranno la ceramica calcinabile con grasso al silicone. Lasciare un cubo smontati per fornire un punto di ingresso per l'impasto ceramico.
      2. Unire la ceramica in polvere e attivatore liquido in un 100: rapporto di 30 in peso e mescolare accuratamente. Versare il composto nello stampo, garantendo non vi siano sacche di aria intrappolate. Inserire il cubo rimanente e lasciare che la miscela di impostare per almeno 2 ore. Ogni ottaedro richiede ~ 15 g di impasto ceramico.
   4. Una volta impostato, togliere l'ottaedro dallo stampo, disidratano per ~ 1 giorno in una stufa a 393 K poi ricottura a 1,273-1,373 K in un forno a scatola per ~ 2 ore.
   5. Lasciare che l'ottaedro raffreddare a RT in aria, poi praticare un foro di diametro 7,3 millimetri, come indicato nellaFigura 4B per accogliere la guaina isolante, riscaldamento grafite e componenti del campione rimanenti.
   6. Conservare in un forno di essiccazione a ~ 393 K fino al momento di assemblare l'esperimento.

3. Montaggio dei Componenti

1. Assemblea della Experiment pistone-cilindro
   1. Caricare la capsula campione grafite inserendo dapprima il metallo HSE-cuscinetto quindi aggiungere polvere basalto sintetica finché la capsula è riempita. L'uso di una disposizione gravitazionalmente stabile minimizza la possibilità di ribaltamento durante l'esperimento e lo scopo di impedire la dispersione della fase metallica attraverso azione meccanica.
   2. Mettere una piccola quantità (tipicamente <50 mg) di polvere secca MgO alla base della cavità destinato a trattenere la capsula campione. Questo appiattisce la superficie conica creata quando il foro e, a sua volta riduce le forze di taglio durante la compressione di esempio che potrebbe rompere la capsula.
   3. Assemblare tutto il già pazzoe componenti come mostrato nella Figura 3B.
   4. Avvolgere un pezzo di 30 micron di spessore lamina di piombo attorno al gruppo, piegare un piccolo (~ 1,5 mm) porzione del foglio sopra l'estremità esposta del più basso manica BaCO _3. Inserire il gruppo in un foro di tungsteno recipiente a pressione carburo 12,7 millimetri, con un tassello di base (sopra) e acciaio codolo (sotto) come mostrato nella Figura 3A.
      Nota: L'apparato cilindro-pistone end-caricata ha due pistoni idraulici. Un ponte a cavallo del pistone inferiore consente un carburo di tungsteno pistone per applicare pressione al fondo del campione. La slitta superiore fissa la posizione della superficie del campione superiore ed applica un fine-carico nel recipiente a pressione che fornisce ulteriore sostegno al nucleo carburo di tungsteno ^38. Figura 3C mostra un'apparecchiatura cilindro pistone presso l'Università di Toronto con il ponte in posto. Un attrito correzione -9% viene applicata per tenere conto della differenza tra la pressione del campione nominale und che ha sperimentato dal campione ^39.
   5. Posizionare il ponte, recipiente a pressione e piastra di base tra i cilindri idraulici. Avanti fare una termocoppia di tipo C utilizzando 4 fori hard-sparato tubo di allumina con un diametro esterno di 1,6 mm. Il tubo di allumina deve essere tagliato sufficientemente lungo da permettere ~ 1-2 mm del tubo a sporgere dalla superficie superiore della piastra superiore.
   6. Alimentare entrambi composizioni fili (vedi Tabella 2) attraverso fori adiacenti nel tubo, ruotare le estremità di 180 gradi e fissarli nei fori contrapposti in modo che i fili attraversano. Inserire la termocoppia attraverso la piastra superiore e nel gruppo, in modo che la giunzione è direttamente sopra il campione. Isolare il resto dei fili della termocoppia utilizzando tubi flessibili in teflon, lasciando una porzione 10-20 mm esposta alla fine.
   7. Inserire eventuali distanziali metallici necessari a posto tra la piastra superiore e la slitta superiore. Durante il montaggio, fogli Posizione Mylar sia sopra il recipiente a pressione e tra lasommità del complesso e la slitta superiore. Questi fogli isolare elettricamente il circuito di riscaldamento campione dal resto dell'apparecchio.
2. Assemblea della Experiment Multi-incudine
   1. Effettuare una termocoppia di tipo C con 4 fori tubo allumina duro-fired alimentando entrambi i fili attraverso i fori adiacenti del tubo, girando le estremità di 180 ° e di fissaggio nei fori contrapposti. Isolare il resto dei fili con una lunghezza corta (~ 20 mm) del tubo di allumina e quindi materiale isolante Teflon, lasciando una porzione 10-20 mm di filo esposto alla fine.
   2. Inserire il manicotto di zirconio e riscaldamento grafite in l'ottaedro, poi tagliate scanalature come indicato nella figura 4B. Inserire la termocoppia nella parte superiore dell'ottaedro e posizionare l'allumina rivestita bracci nelle scanalature. Utilizzare zirconia cemento (vedi Tabella 2) per riempire lo spazio vuoto che circonda la termocoppia e lasciare asciugare.
   3. Per isolare il jo termocoppiadalla capsula grafite, aggiungere polvere di MgO dalla base dell'ottaedro fino ai fili esposti sono coperti. A meno di 50 mg di polvere sono in genere sufficienti per circondare il filo esposto. Per garantire stretto imballaggio della polvere MgO, usate un disco trapano per tamp giù la cipria in polvere.
   4. Caricare una capsula di grafite con il campione precedentemente preparato e riporre in l'ottaedro dal lato aperto. Inserire la spina di allumina per completare il montaggio dell'ottaedro.
   5. Il 4 dei cubi WC (Tabella 2) utilizzare polivinilacetato per incollare piccoli tronchi di legno di balsa, uno su ciascuna delle 3 facce adiacenti all'angolo troncato del cubo. Ogni pezzo balsa dovrebbe misurare ~ 4,4 millimetri in altezza e larghezza da ~ 9,0 millimetri di lunghezza, per la dimensione ottaedro illustrato nella figura 4. Su ogni faccia, posizionare i pezzi di balsa nel quadrante opposto al bordo troncato.
   6. Assemblare 4 dei cubi per formare un quadrato in vista in pianta, con 2 e 2 senza Wooden pezzi attaccati. Orientare i bordi troncati per affrontare il centro della piazza.
   7. Posizionare l'ottaedro nel centro dei cubi, in modo che sia supportato dai bordi troncati. Poi angolo bracci termocoppia in modo che emergono da angoli opposti del quadrato (Figura 5A)
   8. Posizionare i restanti cubetti WC in posizione per formare un cubo con l'ottaedro al suo centro, assicurando che i cubi con pezzi di legno attaccati resto in cima cubi che non hanno distanziatori in legno.
   9. Colla pezzi quadrati di ~ 0,5 millimetri di spessore foglio G10 (vedi Tabella 2) per ogni faccia del cubo assemblato utilizzando un adesivo cianoacrilato tipo. Per 32 millimetri cubi WC, utilizzare i fogli di G10 misura ~ 55 mm x 55 mm. Due dei cubi WC hanno troncamenti che contattano il riscaldatore a resistenza e fanno parte del circuito di riscaldamento elettrico così. Per i fogli che contattano questi cubi, tagliare 2 stretti (<1 mm) Larghezza feritoie come indicato in figura 5B e inserire un pezzo di foglio di rame in modo che iot offre un punto di contatto tra il 1 ° e 2 ° stadio incudini.
      Nota: L'apparato multi-incudine utilizza un sistema a 2 stadi di incudini contenuti in un anello di ritenuta. Il primo stadio incudini comprendono 6 cunei rimovibili che formano una cavità cubica centrale. Questa cavità può ospitare 8 cubi in carburo di tungsteno con angoli tronchi (seconda incudini stadio) che circondano l'ottaedro ceramica ^40. Forza orientata verticalmente applicata ai primi incudini fase da una pressa idraulica viene quindi trasferito al ottaedro in un modo che risulta in compressione quasi idrostatica del campione. La relazione tra la pressione dell'olio in pressione ram e campione può essere calibrato per l'assemblaggio OEL getto ottaedrica 18 millimetri qui descritto utilizzando le procedure descritte da ^41.
   10. Tagliare 2 fogli di 0,076 millimetri Mylar di spessore per le dimensioni indicate nella figura 6 e il cappotto con un PTFE lubrificante secco.
       1. Posizionare uno dei fogli pre-tagliati nellal'anello di ritenzione (bordo dritto alla base) e inserire il basso insieme di 1 ^st incudini -Stage, che si sono appoggiati con 0,076 millimetri Mylar di spessore e rivestito con PTFE lubrificante (Figura 5B). La serie inferiore di incudini può essere lasciato al suo posto tra le esecuzioni. Posizionare il cubo assemblato nella serie inferiore di incudini 1 ° stadio e collegare i bracci della termocoppia di fili della termocoppia equilibrate che escono dal modulo di pressione.
       2. Posizionare il 2 ^° pretagliato foglio Mylar nell'anello di ritegno (regolo verso l'alto) e inserire la serie superiore di 1 ^st incudini -Fase, che dovrebbe essere Mylar sostenuto e lubrificato nello stesso modo come la serie inferiore. Questa disposizione produce un Mylar lubrificato a contatto Mylar tra il 1 ^st incudini -Stage e l'anello di sicurezza che riduce la perdita di ram di spinta allo sfregamento con ~ 30% rispetto ad un singolo foglio di Mylar disposizione ^37.
          Nota: spessori e dimensioni del foglio di Mylar dipenderanno tegli disegno esatto del modulo di pressione in uso. Sopra descritte e in figura 6 sono le dimensioni in uso presso il Laboratorio di Geofisica, Carnegie Institution di Washington.

4. Eseguire l'esperimento

1. Una volta che il campione è portato alla pressione desiderata, il calore ad una velocità di 100 K / min fino al raggiungimento della temperatura di permanenza desiderata. Durante la fase di riscaldamento, l'olio nel pistone campione può essere necessario regolare in modo da mantenere una pressione costante dell'olio.
2. Dopo il periodo di sosta, spegnere il campione potenza di taglio al forno. Una volta che l'apparato è raffreddata a RT, lentamente decomprimere il campione.

5. Eseguire prodotto Analysis

1. Per gli esperimenti cilindro pistone, estrarre l'esperimento finito dal recipiente a pressione utilizzando un pistone idraulico. Con un tronchesino pesanti rimuovere le porzioni esterne del complesso per rilasciare la capsula grafite (Cylind pistoneer) o forno contenente la capsula campione e pezzi di supporto (multi-incudine).
2. Montare il campione in resina epossidica (in genere in modo da formare un disco di diametro 25,4 mm) (Figura 7A). Utilizzando 320-600 carta grana al carburo di silicio, macinare nel campione per esporre le fasi di silicato di fusione e metallici spento. Lucidare la superficie esposta utilizzando allumina o sospensione di diamante con la diminuzione granulometrie che vanno da ~ 15-0,3 micron.
3. Coat Carbon la superficie del campione lucido ⁴² e analizzare la composizione principale elemento del run-prodotti silicato di metallo e da elettroni sonda micro analisi (EPMA). Utilizzare un fuoco (10 micron) diametro del raggio per l'analisi di silicato di evitare la migrazione di elementi alcalini lontano dal fascio di elettroni. Le condizioni e le norme di analisi utilizzati per caratterizzare i campioni precedenti generati con il protocollo di cui sopra possono essere trovati nei riferimenti ^{29 - 31,35}
   Nota: Per gli esperimenti a investigate MSE e SSE partizionamento, EPMA possono anche rivelarsi adatto per l'analisi degli elementi traccianti, a condizione che siano presenti in concentrazioni sufficienti.
4. A seguito di un'importante analisi elemento, rimuovere il cappotto di carbonio utilizzando 0,3 micron grinta allumina. Utilizzare ablazione laser accoppiato induttivamente spettrometria di massa a plasma (LA-ICPMS) per determinare il contenuto oligoelemento dei run-prodotti. Per un'introduzione per assaggiare analisi di LA-ICPMS, vedere riferimento ^43.
   Nota: per precedenti HSE Studi di solubilità isotopi di calcio e nichel sono stati utilizzati con successo come standard interni per ridurre i dati, utilizzando sia il vetro e materiali di riferimento di solfuro rispettivamente ^29,30. Tutte le analisi devono essere preceduti da una sola passata di ablazione, seguito dal lavaggio della cella di ablazione per almeno 60 sec. In questo modo ogni contaminazione di superficie che possono derivare da lucidatura dei run-prodotti sperimentali non influenzare i risultati.

Risultati

Gli esempi che seguono e concentrare la discussione su esperimenti per determinare HSE solubilità in silicato fonde a basse f O _2. Per esempi completi di come MSE e dati partizionamento SSE da esperimenti multi-incudine possono essere utilizzati per vincolare la P - T - f O ₂ condizioni d'anima in metallo segregazione, si rimanda ai riferimenti. ^{9 - 11} Figura 7B-D visualizza indietro immagini elettroni sparse da tipici run-prodotti...

Discussione

I risultati degli esperimenti senza inclusione effettuati utilizzando i protocolli descritti qui sono stati precedentemente confrontati con i dati di letteratura nei riferimenti ²⁹ (Os, Ir, Au), ³⁰ (Re, Au) e ³¹ (Pt). Pt è molto istruttiva per dimostrare l'utilità di run-prodotti privi di inclusione. Per esperimenti condotti a bassa f O _2, Ertel et al. ⁴⁸ assegnato inclusioni ad un'origine stabile e quindi limitata riduzione dei dati alla r...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Foglio epossidico / fibra di vetro G10	Accurate Plastics, Inc.	GEES.020N.3648
Materiali di partenza in polvere - -Ossidi, metalli, carbonati	Alfa Aesar	Specifico per l'esperimento
Ceramica MgO in 2 parti calcinabile	Aremco	Ceramcast - 584
PTFE Lubrificante secco	Camie-Campbell	2000 TFE-Coat
Riscaldatori a resistenza in grafite	Carbone of America (ora di proprietà di Mersen USA)	Ordine personalizzato
Carbonato di bario	Chemical Products Corporation	Ordine personalizzato	calcinato a flusso libero (CFF)
(W26%Re, W5%Re)	Concept Alloys		~0,25 mm di diametro è adatto per la maggior parte degli esperimenti
Zirconia Cemento	Cotronics; Resbond 940 Cemento		Utilizzare 100 parti di polvere per ogni 25-28 parti
attivatore Colla in acetato di polivinile (PVA),	ad esempio Bostik		Spesso venduto come "colla bianca",
colla cianoacrilata	, ad esempio Krazy Glue/Loctite
recipiente a pressione del cilindro del pistone e pistone del WC	Hi-Quality Carbide Tooling Inc.	Tubo
	quarzo Plus	Tubi
frantumabili ZrO2< / sub>	Saint-Gobain	Ordine
Aste e tubi MgO frantumabili	Saint-Gobain	ordinazione
esperimenti multi-incudine	ordinazione	Tungaloy	sono in lega
WC di grado FTubo in allumina monoforo per termocoppia multiincudine	Vesuvio McDanel	AXS071730-04-06
Tubo in allumina a 4 fori per termocoppia cilindro pistone	Vesuvio McDanel	AXF1159--07-12
Tubo in allumina a 4 fori per termocoppia multiincudine	Vesuvius McDanel	AXF1159-04-06