研究室での惑星インテリア分化過程のシミュレーション

サマリー

ここに記載の高圧及び高温の実験は、遊星内部分化プロセスを模倣する。プロセスは、高解像度の3Dイメージングおよび定量化学分析によって可視化し、よりよく理解される。

要約

遊星内部は、高圧及び高温の条件下であり、それは層状構造を有している。その層状構造、遊星分化によって固体シリケートマトリクス内の液体金属の（1）パーコレーション、冷却続く惑星（2）内側コアの結晶化をもたらした二つの重要なプロセスがある。我々は、実験室で両方のプロセスをシミュレートするために、高圧及び高温の実験を行う。パーコレーション惑星コアの形成は、二面（湿潤）の角度によって制御され、溶融浸透の効率に依存する。パーコレーションシミュレーションは、ケイ酸が固体のままの鉄 - 硫黄合金が溶融される目標温度に高い圧力で試料を加熱し、次いで3次元可視化により、結晶マトリクス内の液体の移行のスタイルを評価するために、真の二面角を決定することを含む。 3Dボリュームレンダリングは、集束イオンビーム（FIB）を用いて回収し、taの試料をスライスすることによって達成されるFIB / SEMクロスビーム測定器と各スライスの王SEM像。実験の第2のセットは高圧で溶融温度および要素分割を決定することによって液体の外核と固体との間の内側コア、内側コアの結晶化および素子の分布を理解するために設計されている。融解実験は、最大27 GPaでのマルチアンビル装置で行われ、レーザー加熱ダイヤモンドアンビルセル内の高い圧力に拡張されています。我々は、高精度のFIBミリングによって加熱された小さな試料を回収し、高圧で溶融テクスチャーを示すレーザー加熱スポットの高解像度画像を得る技術を開発した。共存する液相及び固相の化学組成を分析することによって、我々は正確に、内側コア結晶化プロセスを理解するために必要なデータを提供する、液相曲線を決定する。

概要

このような地球、金星、火星、水星などの惑星は、ケイ酸塩のマントルと金属コアからなる天体を区別している。近代的な惑星形成モデルでは、地球型惑星が重力相互作用を通して^1〜2キロサイズ以上の微惑星から成長したムン·トゥ·マーズサイズの惑星胚の衝突から形成されたことを示唆している。金属鉄合金による放射性など²⁶ Alおよび⁶⁰ Feなどの短寿命の同位体の崩壊、衝撃、および潜在的なエネルギー³のリリースなどのソースからの加熱溶融温度に達した後、微惑星はおそらくすでに分化させた。それは、液体金属が早期に分化中にケイ酸マトリックスを通して濾過方法を理解することが重要です。

遊星分化は依存して、固体のケイ酸塩マトリックスに効率的な液 - 液分離を介して、または液体金属の浸出により進行することができ大きさや天体の内部の温度に。温度が全体遊星体を溶融するのに十分に高くない場合に固体シリケートマトリックス中の液体金属の浸出は、おそらく初期分化における支配的なプロセスである。パーコレーションの効率は、固体 - 固体および固体 - 液体界面の界面エネルギーによって決定される二面角に依存する。我々は、鉄合金及びシリケートの混合物を高圧高温実験を行うことにより、実験室でこのプロセスをシミュレートすることができる。最近の研究は^4-7は 、高い圧力および温度で固体シリケートマトリックス中に液状の鉄合金の濡れ性を調べた。彼らは真の二面角の測定のために洗練された横断面上で急冷液体金属とケイ酸塩粒子間の見かけの二面角の相対頻度分布を測定するために、従来の方法を使用していました。従来の方法は、比較的大きいのuncを生じる測定された二面角と、サンプリング統計に応じて可能バイアスertainties。ここでは、FIBミリング、高解像度電界放出SEMイメージングの組み合わせによる三次元（3D）中のケイ酸塩マトリックス中に液体金属の分布を可視化するための新しいイメージング技術を提示する。新しいイメージング技術は二面角と液相の体積分率と接続性の定量的測定の正確な決定を提供しています。

地球の核は、おそらく、その初期の歴史で液体の状態で、比較的短い時間（<100万年^）8に形成された。火星と水星も、それぞれの遊星回転^10、に結び付けマーズ·グローバル·サーベイヤーのラジオトラッキングデータ⁹とレーダースペックルパターンから太陽潮の変形に基づく液体のコアを持っている。コア材料への熱進化モデルと高圧融解実験は、さらに、液体火星のコアをサポート11月12日。最近のメッセンジャー探査機データは、マーキュリー¹³の液体コアのための追加の証拠を提供する。小さ ​​くても月はおそらくAppollo月の地震波形¹⁴の最近の再分析に基づいて少量の液体コアを有する。液体遊星コアは惑星形成の初期段階で高い付着エネルギーと一致する。その後の冷却は、いくつかの惑星のための強固な内部コアの形成につながる可能性があります。地震データは、地球が液体外核と固体内部コアで構成されていることを明らかにした。内核の形成は、熱および組成対流と地球の磁場の発生によって駆動コアのダイナミクスに重要な意味を持っています。

内側コアの凝固は、コア材料の融解温度とコアの熱的進化によって制御される。地球型惑星のコア形成は、同様の降着パスを共有し、コアの化学組成をBと考えられているeは、硫黄（S）、ケイ素（Si）、酸素（O）、炭素（C）及び水素^（H）15と約10重量％の光素子と鉄が優勢。これは、組成物のを理解するために、例えばFe-FeSの、鉄-C、鉄のFeO、鉄FEH、およびFe-FeSiat高圧炉心として、関連するシステムでの溶融関係の知識を有することが必須である惑星のコア。本研究では、惑星のコアの条件を模倣、マルチアンビル装置内で行われた実験とダイヤモンドアンビルセルのデモンストレーションを行います。実験は、内部コアの結晶と結晶内核と外液体コア間の軽元素の分布の要件のためのより良い理解につながる、固体と液体金属との間の結晶配列と、元素分配に関する情報を提供します。非常に高い圧力に溶融関係を拡張するために、我々は、レーザー加熱ダイヤモンド-αから回収されたクエンチ試料を分析する新しい技術を開発したnvil細胞実験。レーザー加熱スポットの精密FIBミリングにより、我々はサブミクロンの空間分解能でのシリコンドリフト検出器での高分解能SEMおよび定量化学分析で撮像さ消光テクスチャ基準を使用して溶融決定する。

ここでは、その後の冷却による早期降着と内核結晶化の間にケイ酸マトリックス中の溶融金属の浸透によって惑星のコア形成を模倣する2組の実験の概要を説明します。シミュレーションは、惑星のコアの進化の過程で二つの重要なプロセスを理解することを目的とする。

プロトコル

1。出発物質及びサンプルチャンバーを準備する

1. 固体シリケートマトリックス中に液状の鉄合金のパーコレーションをシミュレートするため、10重量％の硫黄（4〜30重量％の範囲の金属/ケイ酸塩の比）を有する出発材料の2つのタイプ、（1）天然ケイ石との混合物と金属鉄粉末を作製小遊星本体の初期核形成の間、遊星内側コア結晶化を決定するための微細に接地純鉄と硫化鉄（2）均質な混合物。
2. 1時間メノウ乳鉢でエタノールの下で細かい混合粉末に原料を粉砕し、100℃で乾燥
3. その後、焼結のMgOやAl ₂ O ₃のカプセル（長さ、直径1.5における通常1.5ミリメートル）、およびマルチアンビル実験のための高圧セルアセンブリでそれを所定の位置に、出発物質をロードします。
4. 小さな試料室に鉄フェスの混合物をロードします（通常は100直径程度と25＆＃181;ダイヤモンドアンビルセルにおけるレーザー加熱実験用preindentedレニウムガスケットに掘削厚さM）。断熱材としてのNaClの層の間のFe-FeSの混合物を挟む。

2。マルチアンビル装置の高圧高温実験

1. マルチアンビル高圧セルアセンブリーは、圧力媒体は、熱絶縁体としてのZrO ₂スリーブと、円筒状のレニウム又は黒鉛ヒータとしてのMgO八面体からなる。サンプルカプセルは、ヒーター内に収まる。 -C型の熱電対は、試料温度を決定するために試料室に挿入される。
2. 加圧のためのマルチアンビル高圧装置内の高圧アセンブリを配置。
3. マルチアンビル装置は、中央に¹⁵立方空洞を形成する6取り外し可能なプッシュウェッジで保持リングが含まれている1500トン油圧プレスと圧力モジュールで構成されています。立方空洞H切り捨てられた角を持つ8炭化タングステンキューブをouses。八面体セルアセンブリーに収束する切頭キューブは、圧縮可能なガスケットによって互いに分離されている。油圧ラムは、2段アンビル構成によって試料集成体上に効果的に力を伝達する。 図1は、マルチアンビル実験のための実験手順を示す。
4. 修正点圧力較正曲線¹⁶に基づいて、室温でGPaの2-27の間の目標圧力にサンプルを加圧し、その後、電気抵抗加熱によって、最大2,300の実験温度に°Cを、加熱し、一定温度で実験を保つ実験期間中、実験終了時に室温にサンプルを急冷の電源をオフにします。
5. 油圧バルブを開くことによって、徐々に圧力を解放し、実験的な電荷を回復する。

3。におけるレーザー加熱実験ダイヤモンドアンビルセル

1. ダイヤモンドアンビルセル内の圧力が2宝石品質の単結晶ダイヤモンドアンビル（約0.25カラットずつ）との間に生成される。私たちは、ピストンシリンダーシステムと完全に整列反対アンビルを駆動するために、対称ダイヤモンドアンビルセルを使用しています。細胞は、地球のコア¹⁷の圧力条件に対応する圧力を生成することができる。高温は、ダイヤモンドアンビルセルにレーザー加熱することによって達成される。我々は、両面レーザ加熱技術に基づいており、2つのファイバレーザ、両側から試料を加熱するための光学系、及び両側の温度測定のための2つの分光放射システムで構成されているアドバンス光子源（APS）でシステムを使用する^18。このシステムは、大規模な加熱スポット（直径25ミクロン）を生成するダイヤモンドアンビルセル内に半径方向および軸方向の両方のサンプルの温度勾配を最小限に抑え、加熱安定性を最大にするように設計されている。 図2に概略示すレーザー加熱スポットをイメージしたダイヤモンドアンビルセルにおけるレーザー加熱実験のための実験的な構成のS。
2. 300ミクロンculetsとダイヤモンドアンビルの位置を合わせて、250ミクロンの初期厚さから30μmの厚さにレニウムガスケットをpreindent。
3. 中心に120〜150μmの直径を有するpreindentedガスケットに穴を開け、穴にサンプルをロードします。
4. 室温での目標圧力にサンプルを加圧し、次いで温度を測定しながらレーザパワーを増加させることによって、シンクロトロン施設でのその場 X線回折測定において試料を加熱する。
5. 部分溶融が熱放射での回折パターンからの変化によって検出された場合、サンプルをクエンチするレーザーパワーをオフにします。
6. 域外の特性評価のための加熱されたサンプルを回復。

4。サンプル回収と分析

1. モーUNTエポキシ樹脂中にマルチアンビルサンプルを取得し、150ミクロンから0.25ミクロンにダイヤモンド粉末グリットのスイートを使用して、その表面を研磨。
2. カーボンコート試料の表面および分析のためのツァイスぎょしゃ座のFIB / SEMのクロスビーム装置（ 図3A）の試料室にロードします。
3. 5ミリメートル（ 図3B）の作動距離で、FIBとSEMの一致点にサンプルを合わせ、予備摩サンプルは15×20×20μmの^3（ 図3C）の体積を露出させる。
4. ツァイスホテルアウリガFIB / SEM装置（自動約35nmの典型的な画像解像度を有するイオンビームミリング後の一連の画像を記録する）にスライス·ビュー機能を使用して25nmの間隔でSEM画像を取る。
5. 視覚化ソフトウェアへとクエンチし、試料中の溶融物分配およびコネクティビティ（ 図3を可視化する3D画像を再構成する入力画像データファイルD）。

結果

我々は、出発物質として、サンカルロスオリビンと異なる金属ケイ酸塩比を有する鉄のFeS金属合金の混合物を用いて一連の実験を行った。金属のS含有量は10重量％であるS.ここでは良く校正マルチアンビルアセンブリ^15を使用して、6 GPaで1800℃で行った高圧実験からのいくつかの代表的な結果を示す。実験条件下で、鉄フェス金属合金が完全に溶融し、珪酸塩（サンカルロスオリビン）は、結晶のまま。実験の目的は、液体金属が結晶質珪酸塩を通して浸透する方法調べることです。固体のケイ酸塩マトリックスから液体金属合金の除去の効率を強くコア形成のタイミングとマントル·コアの相互作用を介して、コアの組成に影響を与える。これは、パーコレーション閾値との二面角に依存します。最小パーコレーション閾値未満のメルト分率サンプルについては、MELを相互に接続二面角が60°未満である場合にのみtが存在することができる。 図4は、クエンチ試料の3D再構成を示す。鉄FeSのための測定された二面角は、オリビンマトリックス中に溶融すると、100℃より上の非接続と相互接続されたネットワークを分割する臨界角（60°）よりも大きい。計...

ディスカッション

マルチアンビル実験のための技術は、実行長期間安定した圧力及び温度を発生し、比較的大きな試料体積を生成、確立される。それは、特に、特定のサンプル量を必要とするような溶融パーコレーションなどの実験、、のため、惑星の内部のプロセスをシミュレートするための強力なツールです。制限は27炭化タングステン（WC）アンビルとGPaで、火星と水星のコア圧力に達したが、地球と金星のコアに到達するにはあまりにも低い圧力まで、達成可能な最大圧力である。達成可能な最大圧力が^26をアンビルとして膨張焼結ダイヤモンドを用いて、約100 GPaのに拡張することができる。私たちは、焼結ダイヤモンドやシリコンカーバイド製より安価な新しいアンビル素材をテストしている。我々のテストの結果は、大きな可能性と効率的な圧力発生を示した。我々は同じプレスでサンプル量を最大化するためにアンビルの代わりに、従来の14ミリの立方体として25 mmの立方体を使用このような輸送特性と高い圧力で産業用アプリケーション向けに大きなサンプルの合成の測定のような大規模なサンプル量を必要とする実験のための新たな研究の機会を開き、従来のWCアンビルによって達成URE範囲。

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材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
マルチアンビル装置	地球物理学研究所	ホームビルダー
ダイヤモンドアンビルセル	地球物理学研究所	ホームビルダー
レーザー加熱システム	APS GSECARS	ビームラインスタッフによって設計されました	公共ビームライン
FIB/SEM クロスビーム	カールツァイス株式会社	Auriga
Avizo 3Dソフトウェア	VSG	Fire(材料科学