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

Summary

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。

Abstract

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。

Introduction

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....

Protocol

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....

Results

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.......

Discussion

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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Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
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