方法論記事

高温高圧下における金属珪酸塩パーティション化：実験方法と非常に親鉄元素介在物を抑制するためのプロトコル

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DOI：

10.3791/52725

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2015年6月13日

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1Department of Earth Science, University of Toronto, 2Geophysical Laboratory, Carnegie Institution of Washington

この記事について

サマリー

私たちは、貴金属の実験で金属介在物の形成を抑制する技術を強調して、親鉄元素の金属-ケイ酸塩分配を決定する手順を提示します。これらの実験の結果は、マントルの高鉄親和性元素組成に対するコア形成の影響を実証するために利用されています。

要約

>jove_content<原始的な上部マントル（PUM）組成の推定値は、地球の降着中にコアに抽出されたと考えられている多くの親鉄性(鉄を好む)元素の枯渇を明らかにしています。これらの元素が金属とケイ酸塩の溶融物の間で分配される様子を調べる実験では、マグマの深部で金属とケイ酸塩の平衡が高圧と高温で発生した場合に、PUMの組成が最もよく一致することが示唆されています。しかし、このプロセスにおける最も親密な元素(HSE)の挙動は謎のままです。HSE溶解度実験で得られたケイ酸塩ラン生成物は、通常、分散した金属介在物によって汚染されており、溶融物中の元素濃度の測定を妨げます。その結果、これらの元素の真の溶解度と金属-ケイ酸塩分配が不確実であるため、PUMで予想される枯渇を予測することが困難になっています。最近、金属介在物の形成を抑制するために、高圧および温度溶解性実験に使用される実験計画の変更が採用されているいくつかの研究が行われています。サンプルにAu(Re、Os、Ir、Ru実験)または元素Si(Pt実験)を添加すると、ケイ酸塩溶融物の一時的な金属過飽和を避けるために、それぞれサンプルの減少形状または速度が変化します。本稿では、ピストンシリンダーとマルチアンビル装置を用いて、それぞれ溶解度実験と金属ケイ酸塩分配実験を行う手順について概説する。また、HSE溶解度実験から汚染されていないラン生成物を合成するためのプロトコルも説明されており、酸素のフューガシティは陸域のコア形成時と類似しています。時間分解LA-ICP-MSスペクトルは、以前の研究からラン生成物に金属介在物が存在しない証拠として提示され、また、この手法がRuの調査に拡張される可能性があることも確認されています。

概要

地上降着は、月の形成の1,2の責任と思っ巨大なインパクトの段階で終了、コンドライトバルク組成と微惑星同士の衝突のシリーズとして発生したと考えられています。衝撃によるプロト地球の加熱と短命の同位体の崩壊は、大規模な溶融を引き起こすのに十分であったとFeに富む金属溶融物を密これを通してマグマオーシャンや池の形成が下る可能性があります。マグマオーシャンのベースに到達すると、金属溶融物はレオロジー境界、ストールが発生し、最終的に成長しているコア2の固体マントルを通って下降する前に、最後の金属ケイ酸塩平衡を受けます。金属溶融物のような金属とケイ酸塩相の間のさらなる化学通信は、マントルの固体部分が大きいため大きさや金属ダイアピル3の急激な下降に排除されると考えられて横断します。金属コアとケイMANTに地球のこの一次微分6 -ルは、地球物理学および地球化学観測4の両方で、今日明らかにされています。マグマオーシャンのベースの金属ケイ酸塩均衡のためのもっともらしい条件を得るために、これらの観​​察の解釈は、しかし、実験結果の適切なデータベースを必要とします。

プリミティブ上部マントル（PUM）は、コア形成のケイ酸残基を含む仮想的なリザーバーであり、その組成物は、したがって、金属ケイ酸塩平衡中の微量元素の挙動を反映しています。微量元素は、それらの地球化学的親和性に基づいて、コアの分離の際に金属とケイ酸塩溶融物との間に分布しています。金属相のための要素の嗜好の大きさは、金属ケイ酸塩の分配係数によって記述することができますfigure-introduction-1

figure-introduction-2 （1）

どこfigure-introduction-3とfigure-introduction-4 私は金属とケイ酸塩でそれぞれ溶融元素の濃度を示します。の値figure-introduction-5 > 1は、親鉄（鉄を愛する）の動作と、それらの<1親石（岩を愛する）の挙動を示しています。要素を親鉄PUM組成ショーの推定値は、典型的には、地球のバルク組成6,8の代表として考えコンドライト7、に関連して枯渇しています。この枯渇は、コアによって親鉄元素の隔離によるもので、耐熱性元素のためにその大きさは、直接の値を反映する必要がありますfigure-introduction-6 。研究室の実験は、従って値を決定しようfigure-introduction-7 RAの上圧力（P）、温度（T）と酸素フガシティー（Fの O 2）マグマの海の底からの金属の分離に関連する条件のNGE。 T - -これらの実験の結果は、Pの領域を描写するために使用することができるO 2空間fは複数の親鉄元素（ 例えば 、9から11）のPUMの豊富と互換性があること。

マグマオーシャンのシナリオに関連する高い圧力および温度は、ピストン·シリンダまたはマルチアンビルプレスのいずれかを使用して実験室で再現することができます。ピストン·シリンダ装置は、適度な圧力（〜2万気圧）と高温（〜2573 K）条件へのアクセスを提供しますが、大量の試料と容易に使用するカプセルの様々な材料を可能にします。急冷速度も、このように実行の製品のテクスチャーの解釈を簡素化、ガラスのケイ酸塩メルト組成物の範囲のクエンチングを可能にします。マルチアンビル装置は、典型的には、より小さなサンプル·ボリュームを採用したが、適切なアセンブリの設計で〜27 GPaでと〜3,000 Kの温度、これらのメソッドの使用があることを適度にやや親鉄元素の多くに分割データを許可しているまでの圧力を達成することができますT条件 - Pの広い範囲にわたって集まりました。これらのデータに基づいて、PUM組成の予測は正確な値に依存したモデルであるが、金属ケイ酸塩平衡は、それぞれ〜29 GPaで3000 Kを超える平均圧力および温度条件で発生を示唆しています。特定の酸化還元に敏感な要素のPUM存在量を考慮するためには（ 例えば、V、Crの）は、F、O 2はまた、共存する鉄とウスタイト（のFeOによって課されている以下〜4から2対数単位から降着中に進化すると考えられています）同等のPT条件 （鉄ウスタイトバッファ）で12。

MのPUMの豊富さが、いずれかの親鉄元素が深いマグマオーシャンの基部に金属ケイ酸塩の平衡によって説明することができる、それがこのような状況でも最も高度に親鉄元素（のHSE）に適用されるかどうかを評価することは困難であることが判明しました。低圧（P〜0.1 MPa）とし、温度（T <1,673 K）の実験で示した鉄金属のためのHSEの極端な親和性は、ケイ酸塩の地球が強く、これらの要素に枯渇する必要があるということです。 PUM用HSE内容の推定値は、しかし、（ 図1）コンドライトへの唯一の中等度の枯渇を相対的に示しています。見かけHSE過剰に一般的に仮定解決策は、地球は、コア形成13以降のコンドライト物質の後期降着を経験したことがあります。この後期増額材料はPUMと混合し、HSEの濃度が上昇したが、より豊富な要素にほとんど影響を持っていただろう。あるいは、それは非常に親鉄のHSEの性質が低いPで示すことが示唆されています - Tの実験は、核形成14,15の間に存在する高PT条件に保持されません。これらの仮説をテストするために、実験を適切な条件でのHSEの溶解性および金属ケイ酸塩のパーティションを決定するために行われなければなりません。しかし、多くの以前の研究で急冷ラン製品の珪酸塩部分の汚染、ラン製品の分析を複雑にし、金属とケイ酸塩溶融物との間のHSEのための真の分配係数を不明瞭にしています。

のHSEが自然に適切な濃度レベルで存在しているパーティションの実験では、鉄金属のためのこれらの要素の極端な嗜好は、ケイ酸塩溶融物中で、その測定値を防ぐことができます。この問題を回避するために、溶解度の測定は、ケイ酸塩溶融物は、目的とする値のHSEに飽和している作られfigure-introduction-8ボリソフらの形式主義を使用して計算されますアル。16。ケイ酸塩が還元条件で行わHSEの溶解度実験から、製品を実行急冷し、しかし、多くの場合、分散されたHSE±Feは17を介在物による汚染の証拠が表示されます。低Fの Oでこれらの介在物のPt、Irの、OS、ReおよびRuを、（ 例えば 、18から27）を含む2つの実験の近くに偏在にもかかわらず、それらのテクスチャープレゼンテーションの研究間の顕著なばらつきがあります。例22および26を参照するために比較します。それは介在物は、実験28の運転条件で安定相である生成することができることが実証されているが、試料を急冷されると、これは、封入体の形成を排除するものではありません。介在物の起源を取り巻く不確実性は、分析結果の治療を困難にし、減少珪酸塩が溶けでのHSEの真の溶解度にわたって曖昧さにつながっています。インクルージョンフリーラン製品は、評価するために必要とされますその研究は、正確な溶解HSE濃度をもたらす分析的アプローチを採用しています。 31 -還元条件下で金属介在物の生成を抑制することにはかなりの進歩は、現在のサンプル設計は出発物質29にAuやSiのいずれかを添加することによって、以前の研究から修正されたピストン·シリンダ装置を用いた実験で証明されています。出発材料にAuや単体Siを添加すると、それぞれの実験のサンプルの幾何学的形状または f の O 2発生を変化させます。これらの方法には、拡散試料還元対HSEのタイミングを変更することによって、金属介在物の生成を抑制することを目的としており、ベネットら 31で説明されています。このような機械的に支援平衡と遠心分離ピストン·シリンダとして介在物の珪酸塩メルトを浄化するためにいくつかの以前の試みとは異なり、本プロトコルは、特殊明朝することなく実施することができますatusとは、 高温高圧実験に適しています。

ここでは詳細に説明は、高温（> 1,873 K）、2万気圧とのものと同様のF O 2のシリケート溶融物中のRe、Osの、イリジウム、ルテニウム、白金および金の溶解度を決定するためのピストンシリンダーベースのアプローチであります鉄ウスタイトバッファ。同様の実験計画の適用はまた、必要な位相関係を提供する湿潤特性を、他の圧力でHSE実験に成功したことを証明することができ、運動の関係は、選択された条件に存続します。既存のデータは、しかし、私たちのサンプルデザインは、深いマグマオーシャンに対応する圧力で成功するかどうかを予測するには不十分です。また概説は適度に、わずかに親鉄元素（MSE及びSSEそれぞれ）、マルチアンビル装置を使用してパーティションを決定するために使用される一般的なアプローチです。高圧へのHSE用封入フリーセットの拡張は、同様のマルチアンビル方法を採用する可能性があります。水着エーテル、これらの手順は、コア - 分離の条件と地上降着の段階の両方を制限する手段を提供します。

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プロトコル

出発物質の1）の調製

  1. 合成バサルト
    注：玄武岩組成物がより解重合組成物としてケイ酸を出発原料として使用される、マグマオーシャンのシナリオに関連するよりも、ピストンシリンダー、マルチアンビル実験におけるガラスにクエンチすることが困難または不可能です。
    1. （ 表1の例を参照）のFeを除いて、成分の酸化物や炭酸塩の所望の量（のCaおよびNa）の粉末を秤量し、メノウ乳鉢に追加します。 〜4グラムの重さの鉄を含まない混合物は、実験の広範なスイートに十分な出発材料を提供する必要があります。
    2. 粉末はその後混合物の組成と結晶粒径の両方を均質化するメノウ乳棒を用いて、少なくとも2時間粉砕水没されるまで瑪瑙乳鉢にエタノールを追加します。
      注：地面出発組成物の均質性を走査型電子マイクで混合粉末の押さペレットを調べることによって確認することができますroscopeは、エネルギー分散型X線分光法による組成分析のために装備します。
    3. 一度徹底的に均質化し、〜20cmの距離で、250 Wの加熱ランプの下でモルタルを配置します。粉末状の混合物が乾燥した後、20〜60分かかることがあり、アルミナやムライト（アルミノケイ酸塩）るつぼのいずれかに転送します。
    4. 混合物を脱炭酸するために、室温でのボックス炉に粉末状の混合物とるつぼを配置し、3〜5時間かけて1,273 Kに上昇します。 1,273 KO / Nの炉中の混合物を残します。
    5. ボックス炉から脱炭酸混合物を除去し、室温まで冷却します。冷却したら、秤量したFeOまたはFe 2 O 3粉末（ 表1参照）のいずれかとの混合物に鉄を追加します。総鉄含有量を維持しながらの Fe 2 O 3のFeOの割合を変えることは、同じサンプルの最終的なFの O 2を変更することを可能にします。以上の還元条件にアクセスするには、すべての実験で、Pを調査しますT、また、混合物に〜0.5〜2.0重量％のSiを追加します。鉄（±Si）は追加されたら、再度メノウ乳鉢と乳棒でエタノールの下で粉砕することによって、混合物を再均質化します。
    6. 加熱ランプの下で均質化した混合物を乾燥した後、シェルバイアルに移します。サンプルカプセルをロードする直前までデシケーターで保管してください。
  2. 金属相：再、OS、イリジウム、ルテニウム実験
    1. 再度、OS、イリジウムまたはルテニウムを調査することを目的とした実験では、3調製：重量1（6：原子質量の差を考慮するために、Ruのための1）のAuと関心のHSEの混合物、高純度の金属粉末を使用して。 〜500 mgの計量混合物を実験の大規模なスイートの十分な出発材料を提供する必要があります。
    2. 黒鉛ルツボに混合物を移し、グラファイト蓋でカバーしています。そして〜5分間、1,473 Kの温度のボックス炉に覆われたるつぼを配置します。炉から取り出したら、アセンブリが​​COOになるまで、所定の位置に坩堝の蓋を残しますRTにつながりました。
      注意：空気中のオスミウムの加熱は、毒性化合物の四酸化オスミウムの形成をもたらすことがあります。オスミウム金属はまた、既知の皮膚刺激性、CAS＃7440-04-2のMSDSを参照してください。
      注意：このプロセスは、金（融点〜1,337 K）が溶融しないが、添付のHSE、関心のHSEは、金の外皮によって囲まれている金属製のビードが形成されます。
    3. 黒鉛ルツボからの金属のビードを取り外し、その最長寸法で〜1ミリメートルを測定するより小さい部分に分割するようにカミソリの刃を使用しています。カット後、デシケーター中でシェルバイアルとストアにビーズを配置します。
  3. 金属相：Ptの実験
    注：白金を調査する実験は、高い温度でのPtとAuとの完全な混和性を金でコーティングしたビーズ技術を使用して行うことができない（> 32メガパスカル0.1で2042 K）。これは、Ptが物理的に皮により、実験中に珪酸塩メルトから分離することにより、試料の幾何学的形状を排除します金の。
    1. 混合物の〜500mgの合計を作るために：1の重量比徹底的1でのPt及びIrの金属粉末を混合します。 Feは全混合物の約4重量％を含むように次に、〜金属Fe粉末20mgを加えます。
    2. 〜3ミリメートルの卓上から突出するようにワークベンチの端に（あるいは、ドリルのシャンクドリルブランクの代わりに使用することができる）テープクリーンドリルブランク。ドリルブランクの突出端に、〜2〜3ミリメートルと〜4〜6ミリメートルの外径の内径を有する、石英ガラス管を配置します。
    3. ガラス管にPtIrFe混合物を置き、その上に別のドリル空白を挿入します。両方のドリルブランクは、シリカガラス管の内径以下で0.1mm以上小さい直径を有するべきです。手で一緒にドリルブランクを押してコールドプレス金属混合物（ 図2）。
      注意：コールドプレス工程の間に過大な力の使用は、シリカガラスが壊れる可能性が）。
    4. アルミナ坩堝に、石英ガラス管の内部に、まだ、コールドプレスの粉末を入れ、ガス混合垂直管炉のクールな部分で中断。 1,673 Kに炉の温度を高め、CO-CO 2混合ガスを用いて、鉄-ウスタイトバッファに近い値に炉Fの O 2を設定します。
      注：周囲圧力と1,673 Kで、鉄-ウスタイトバッファは、1.93×10 -10 Paで33 のF O 2に相当します。比、温度および f の O 2を混合CO-CO 2との関係は、参照34で見つけることができます。 1,673 Kにおける鉄ウスタイトバッファに対して22.25体積％のCO 2及び77.75体積％のCOを含むガス混合物を使用しています。
      1. 所望の温度及び f O 2に達すると、それは炉のホットスポットに存在するように、アルミナ坩堝を下げ、アニールする押された粉末のためのO / Nのままにしておきます。
    5. crucを削除ibleガス混合炉から粉末をプレスし、それらを冷却します。石英ガラス管がまだ無傷である場合には、チューブの外にアニール粉末をプッシュするドリルブランクを使用しています。ワイヤーカッターを使用して、実験のために選択されたサンプルカプセル内に収まるほど小さい部分にアニールした粉末を破ります。
    6. 必要になるまでデシケーター中シェルバイアルとストアに金属片を転送します。
  4. 金属相：マルチアンビル実験
    1. 適度やや親鉄元素の分配を決定するための実験のために、等しい割合におけるFe-金属粉末と合成玄武岩粉末を混ぜます。
      注：Siは、金属画分<8重量％を含むように、典型的には鉄の一部はFe-Si合金として添加してもよいです。これは実験のF O 2が低いままで保証されます。
    2. 玄武岩プラス金属混合物に金属酸化物粉末として選ばれた微量元素を追加します。 GRによって出発材料を均質化めのう乳鉢と乳棒を用いてエタノール下inding。要素に依存する追加の微量元素の正確な量は、研究され、しかし、数千ppmの2重量％の名目上の濃度が典型的である10,35。
    3. 均質化した後、必要になるまでデシケーター中に保存したシェルバイアルに転送、加熱ランプの下で原料粉末を乾燥させます。

部品のコンポーネントの調製

  1. ピストンシリンダー
    注：ピストンシリンダアセンブリは、クラッシャブルマグネシア片を使用して黒鉛抵抗加熱器のホットスポットでサポートされた黒鉛カプセルから構成されています。アルミナシース熱電対は、サンプルの上部の温度を監視するためのアセンブリの上部を通って軸方向に配置されています。加熱炉は、その後、圧力媒体と熱絶縁体36の両方として作用するのBaCO 3細胞に囲まれています。組立寸法が設けられています図3A。実験およびそれらのソースに使用される例示的な材料のリストを表2に提供されます。
    1. 中央旋盤と必要な寸法に機械グラファイトカプセル、グラファイト端栓とマグネシア支持片、出発物質として、それぞれ高純度グラファイト及びマグネシアのロッドまたはチューブを使用して（ 図3A）。
      注：再やOS及びIrを調べる実験では、HSE-Fe合金は、カプセル材29,30として黒鉛の代わりに使用することができます。
    2. 粉末状の出発物質のために指示されるように同じように加熱ランプ下その後乾燥、室温で約1分間、エタノール中の黒鉛カプセルを超音波処理。必要になるまで乾燥したら、デシケーター又は乾燥炉中で、シェルバイアルとストアにカプセルを転送します。
    3. 少なくとも8時間、箱型炉で1573 Kにおけるアルミナやムライト坩堝とアニールのいずれかでマグネシア支持片を配置します。アニーリングの後、作品はその後店を冷却します乾燥オーブン〜393 Kで維持
    4. 1重量割合：炭酸バリウム細胞を作製するために、最初の99でのBaCO 3粉末と使用コピートナーを混ぜます。混合物の7.4グラムの最小値は一つの実験のために必要とされます。グラファイト系ドライ潤滑剤やPTFE系離型剤（ 表2）のいずれかでコート適切なサイズの鋼製の型の内側部分（のBaCO 3のスリーブの寸法については、図3Aを参照してください）。
    5. 鋼製の型と油圧プレスを用いて〜250 MPaでの混合物の冷間プレス3.7グラム。解凍する前に1分間の圧力で混合物を残します。これは、17ミリメートルの高さのスリーブを生成します。 2つのスリーブは、各アセンブリのために必要とされます。
      注：29上記のいくつかの以前の研究で使用され、2セルの配置- 31は適切なサイズのダイが利用可能で提供する単一のBaCO 3セルを置換することができます。
    6. から削除されるとダイ、ドライブオフコピートナーを約30分間この温度で​​保持し、その後、ボックス炉内で数時間かけて923 KにRTからスリーブを加熱することによって。コピートナーが除去された後に黒からオレンジ色の変化に注意してください。オーブン〜393 Kで維持乾燥でアニール袖を保存
  2. マルチアンビル
    注：マルチアンビルアセンブリはクラッシャブルのMgO又はAl 2 O 3充填材片を用いた円筒形黒鉛抵抗加熱器のホットスポットに配置されるサンプルカプセルを含みます。ヒーターは圧力媒体と熱絶縁体の両方として作用する焼結または鋳造可能セラミック八面体のいずれかに囲まれています。熱電対は、アセンブリの設計に応じて、いずれかの軸方向または横方向に配置されてもよいです。マルチアンビル実験に使用され、アセンブリの多数のサイズとデザインは、所望の目的とPに応じて、あります- 。T条件 4のように表示されます図sembly以前に3.6と7.7 GPaの35で、金属ケイ酸塩の分割実験を実行するために使用される設計。
    1. ピストンシリンダ実験のために示されているのと同じ方法で高純度の管から黒鉛カプセルとクラッシャブルマグネシア、ジルコニア袖を準備します。必要な寸法は、 図4Aに設けられています。
    2. ハード焼成アルミナ棒の長さから、アルミナプラグを行います。その後、（寸法については、図4Aを参照）手で必要な長さにロッドをスナップ、それは破られるためにあるロッドを獲得するために、ダイヤモンドファイルを使用します。ロッドを破壊から生じる任意のバリを除去するために、ファイルを使用してください。室温でエタノール中でそれを超音波処理することによって、プラグを清掃してください。
    3. MgOをベースキャスタブル2部構成のセラミック（ 表2を参照）、適切な大きさの金型を使用して18ミリメートル八面体エッジ長（OEL）と八面体を準備します。金型は目のために望ましいと同等の厚さのシートで区切られ、8切り捨てられたキューブを保持する治具を含み、Eガスケット37を事前に形成しました。
      1. 18ミリメートルOEL、11エッジ長（TEL）切り捨てミリ、厚さ3ミリメートルであるシートで使用するキューブと八面体のため。キューブとシート材料用のアルミニウムまたはPVCのどちらかを使用してください。シリコーングリースでキャスタブルセラミックに連絡するすべての部品を潤滑、金型を組み立てます。セラミック混合物のためのエントリポイントを提供するために組み立てられていない1つのキューブのままにしておきます。
      2. 100中の粉末セラミックと液体活性剤コンバイン：30重量比を、十分に混合します。空気の閉じ込められたポケットはありません確実に、金型に混合物を注ぎます。残りのキューブを挿入し、混合物を少なくとも2時間に設定することができます。各八面体は、セラミック混合物の〜15グラムが必要です。
    4. 一度設定すると、1〜2時間、箱型炉で、その後393 Kで乾燥オーブン内で〜1日間1,273-1,373 Kでのアニールを脱水、金型から八面体を削除します。
    5. に示すように7.3ミリメートルの直径の穴を開け、その後、八面体は、空気中で室温まで冷却します図4Bは、絶縁スリーブ、グラファイトヒーター、残りのサンプル成分を収容します。
    6. 実験を組み立て直前まで〜393 Kでの乾燥炉で保管してください。

コンポーネントの3アセンブリ

  1. ピストンシリンダ実験の組み立て
    1. 第1のカプセルが満たされるまで、合成玄武岩粉末を添加し、その後HSE-軸受メタルを挿入することにより、グラファイト試料カプセルをロードします。重力安定装置の使用は、実験中に転倒の可能性を最小化し、機械的作用を介して金属相の分散を防止することを意図しています。
    2. サンプルカプセルを保持するように設計されたキャビティの基部に乾燥MgO粉末を少量（典型的には<50 mg）を配置します。これは、穴を開けたときに作成したテーパ面を平坦化し、順番にカプセルを割る可能性がある試料の圧縮時にせん断力を低減します。
    3. すべての以前に怒っアセンブル図3Bに示すように、電子部品。
    4. 下のBaCO 3スリーブの露出した端部の上に箔の小さい（〜1.5ミリメートル）の部分を折りたたみ、アセンブリの周りに厚さ30μmの鉛箔の一部を包みます。 図3Aに示すように、ベースプラグ（上）とスチール末端部（下）とともに12.7ミリメートルの穴タングステンカーバイド圧力容器にアセンブリを挿入します。
      注：最後にロードされたピストン·シリンダ装置は、2つの油圧ラムを有しています。下ラムを跨ぐ橋はタングステンカーバイドピストンはサンプルの底に圧力を適用することができます。上ラムは、上部試料表面の位置を修正し、炭化タングステンコア38に追加の支持を与える圧力容器へのエンド負荷を適用する。 図3Cは、代わりに、ブリッジとトロント大学のピストンシリンダ装置を示します。 -9％の摩擦補正は、公称サンプル圧力との差を考慮するために適用されますサンプル39が経験したD。
    5. 油圧ラム間のブリッジ、圧力容器とベース·プレートを配置します。次に1.6ミリメートルの外径4穴ハード焼成アルミナ管を用いて、C型熱電対を作ります。アルミナ管は、トッププレートの上面から突出して〜チューブ1-2ミリできるように十分に長いカットする必要があります。
    6. 両方のワイヤ組成物をフィード、チューブ内の隣接するスルーホール（ 表2参照 ）180度端をオンにし、配線が交差するように対向穴に固定します。接合部が直接サンプルの上にあるように、天板を貫通してアセンブリに熱電対を挿入します。最後に露出し10〜20ミリメートルの部分を残して、柔軟なテフロンチューブを使用した熱電対線の残りの部分を絶縁します。
    7. 天板と上ラムとの間の所定の位置に必要な金属スペーサを配置します。圧力容器以上との間の両方のアセンブリの間に、位置マイラーシートアセンブリおよび上部ラムのトップ。これらのシートは、電気装置の残りの部分から試料加熱回路を分離します。
  2. マルチアンビル実験の組立
    1. 、チューブ内の隣接する穴を通して両方のワイヤを供給し180°の端を回すと、反対側の穴にそれらを固定することにより4穴ハード焼成アルミナ管を用いて、C型熱電対を作ります。端部で露出する配線10〜20ミリメートルの部分を残して、短いアルミナ管の長さ（~20 mm）とした後、テフロン絶縁材料でワイヤーの残りの部分を絶縁します。
    2. その後、八面体にジルコニアスリーブとグラファイトヒーターを挿入し、図4（b）に示すように溝を切りました。八面体の頂部に熱電対を挿入し、溝にアルミナ覆われた腕を配置します。熱電対の周囲の空隙を充填し、乾燥することを可能にする（ 表2参照 ）ジルコニアセメントを使用してください。
    3. 熱電対城を単離するために、露出されたワイヤがカバーされるまで、グラファイトカプセルからで、八面体のベースからMgO粉末を追加します。粉末50mg未満、通常、露出ワイヤを包囲するのに十分です。 MgO粉末の密充填を確実にするために、ルースパウダーを突き固めるためにドリルブランクを使用しています。
    4. 先に調製した試料材料と黒鉛カプセルをロードし、開放側から八面体に配置します。八面体の組み立てを完了するために、アルミナプラグを挿入します。
    5. WCキューブ（ 表2）の4にバルサウッド、立方体の切断のコーナーに隣接する3面のそれぞれに1つの短い長さを接着するポリ酢酸ビニルを使用しています。各バルサ木材片は、 図4に示した正八面体の大きさのために、長さが〜9.0ミリメートルによって、高さ、幅〜4.4ミリメートルを測定する必要があります。それぞれの面には、切断されたエッジ反対象限にバルサ、木片を置きます。
    6. woodeずに平面視正方形を形成するために、キューブの4を組み立て、2とし、2n個が取り付けられています。正方形の中心を向くように切り捨てられたエッジを向けます。
    7. それが切断された縁部によって支持されるよう、キューブの中心に八面体を置きます。そして、角度、熱電対の腕彼らは正方形（ 図5A）の反対側のコーナーから出てくるように、
    8. 木製のピースとのキューブには、木製のスペーサーを有していないキューブの上に残りの部分を取り付けていることを確認しながら、その中心に八面体と立方体を形成する位置に残りWCキューブを配置します。
    9. シアノアクリレート系接着剤を用いて組み立てられた立方体の各面に厚さ0.5mm〜G10シート（表2参照）の正方形の小片を接着。 32ミリメートルのWCキューブの場合は、X 55ミリメートル〜55ミリメートルを測定G10シートを使用。 WCキューブの二つは、抵抗ヒーターと接触し、従って、電気加熱回路の一部を形成する切断を持っています。 図5（b）に示したと私はそのように銅箔のピースを配置するようにこれらのキューブに連絡シートは、2（<1ミリメートル幅）狭いスリットをカットtは第1、第2段アンビル間の接触点を提供します。
      注：マルチアンビル装置は、保持リング内に含まれるアンビルの2段階のシステムを利用します。第一段アンビルは、中央立方キャビティを形成6取り外し可能なウェッジを含みます。この空洞は、セラミック八面体40を囲む切頭コーナー（第二段アンビル）と8炭化タングステンキューブをご用意しております。油圧プレスすることにより、第1段アンビルに適用垂直配向力は、したがって、サンプルの準静水圧圧縮をもたらすように八面体に転送されます。ラムサンプル圧力の油圧との関係は、41で概説した手順を用いて、ここに記載さ18ミリメートルOELキャスト八面体アセンブリに対して較正することができます。
    10. ドライPTFE潤滑剤を使用して、 図6とコートにそれらを示す寸法に0.076ミリメートルの厚さのマイラーの2枚をカット。
      1. 位置にプレカットシートのリング（ベースでストレートエッジ）を保持し、自身が0.076ミリメートルの厚さのマイラーとPTFEの潤滑剤（ 図5B）でコーティングで裏打ちされた1 番目の -stageアンビルの下位セットを挿入します。アンビルの下のセットは実行との間の所定の位置に残されてもよいです。第1段アンビルの下セットに組み立てられたキューブを配置し、圧力モジュールを終了するバランスのとれた熱電対線への熱電対のアームを接続します。
      2. 保持リングへの第 2プレカットマイラーシート（トップにストレートエッジ）を置き、マイラー裏付けと下位セットと同じ方法で潤滑にする必要があり1 番目の -stageアンビルの上部セットを挿入します。この構成は、1 回目の -stageアンビルとシングルマイラーシート配置37に比べて30％〜によって摩擦にラム推力の損失を低減保持リングとの間のマイラーの接触に潤滑マイラーが得られます。
        注：厚さとマイラーシートの寸法は、Tに依存することになります圧力モジュールの彼の正確な設計は、使用されています。 図6の上方とに記載さは、地球物理学研究室で使用されている寸法は、ワシントンのカーネギー協会です。

4.実験を実行します

  1. サンプルは100 K /分の速度で必要な圧力、熱にされた後、所望の滞留温度に到達するまで。加熱工程の間、サンプルラム内のオイルは、一定の油圧を維持するために調整する必要があります。
  2. 滞留期間の後、炉の電源を切断することによって、試料を急冷。装置を室温に冷却した後、ゆっくりとサンプルを解凍。

5.実行製品分析

  1. ピストンシリンダ実験のために、油圧ラムを使用して、圧力容器から完成実験を抽出します。ヘビーデューティカッターのペアと黒鉛カプセル（ピストンcylindを解放するために、アセンブリの外側部分を除去しますER）またはサンプルカプセルと支持片（マルチアンビル）を含む炉。
  2. エポキシ樹脂のサンプルをマウントし（典型的には25.4ミリメートルの直径のパックを形成する）（ 図7A）。 320グリット600炭化ケイ素紙を使用して、急冷シリケート溶融物と金属相を露出させるためにサンプルに挽きます。 〜15ミクロン〜0.3の範囲のグリットサイズの減少に伴って、アルミナやダイヤモンド懸濁液のいずれかを使用して露出した表面を研磨。
  3. カーボンコート研磨試料42の表面とは、電子プローブマイクロ分析（EPMA）により、金属とケイラン製品の主要元素組成を分析します。離れて電子ビームからのアルカリ元素の移動を避けるために、ケイ酸塩の分析のためのデフォーカス（10μm）のビーム径を使用してください。 31,35 -上記のプロトコルを用いて生成された前のサンプルを特徴付けるために使用される分析条件や基準は、参考文献29に記載されています
    注：investigatの実験のためにEのMSE及びSSEのパーティション、EPMAは、それらが十分な濃度で存在する提供トレーサ要素の分析のために適切な証明することができます。
  4. 主要元素分析に続いて、0.3μmのアルミナグリットを用いたカーボンコートを除去します。ラン製品の微量元素含有量を決定するために、レーザーアブレーション、誘導結合プラズマ質量分析（LA-ICPMS）を使用。 LA-ICPMSにより分析サンプルの概要については、43を参照して参照してください。
    注：前のHSE溶解度研究のために、カルシウム及びニッケルの同位体が正常にそれぞれ29,30をガラスと硫化標準物質の両方を使用して、データを減らすために内部標準として使用されてきました。全ての分析は、少なくとも60秒間アブレーションセルをフラッシュに続く、アブレーションの単一パスが先行されるべきです。これは、結果に影響を与えない実験的なランの製品を研磨から生じ得る任意の表面の汚染を確実にします。

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結果

ケイ酸塩でHSEの溶解度を決定するために以下の実施例および実験の議論の焦点は、低Fの O 2で溶融します。 T - -芯金分離の2条件O fを 、読者は参考文献9を参照され-図11 図7B-Dバック表示、マルチアンビル実験からMSE及びSSE分割データPを拘束するために使用することができる方法の総合的な例について典型的な実験ランの製品からの散乱電子像。 Auを含む実験において、珪酸塩メルト間の濡れ性は、Auを溶融し、固体HSE（再、OS、イリジウム、ルテニウム）サンプルの幾何学的形状を決定し、珪酸塩メルトと固体HSE間の物理的分離をもたらします。白金を調べる実験では、PTIR合金は、ケイ酸塩溶融物と直接接触したままです。実験の最後に、炉の電源を切断して複数のサンプルおよび消光の急速な冷却を確実にilicateが溶け。ランの製品は、したがって（ 表1の玄武岩組成物が使用されている提供する）1または2のいずれかの合金...

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ディスカッション

ここで概説したプロトコルを使用して実行包含無実験の結果は、以前の文献29（OS、イリジウム、金）、30（RE、Au）と31（PT）における文献データと比較しました。 Ptが封入フリーラン製品の有用性を実証する中で最も有益です。低Fの O 2で動作する実験では、Ertel ら 48は、安定した原点に介在物が割り当てられ、したがって、時間分解LA-ICPMSスペクトルの最低カウントあたりの第二の領域へのデータの減少を制限しました。このアプローチは、測定された珪酸塩メルト濃度に含有物の寄与を最小限に抑えることができます。 。Ertelらのデータは、〜IWで48 + 1同様のFの O 2で行わ含める無実験で定義されたD のMet / SILと1 / Tとの傾向とよく一致します。その選択された分析処理が真のPt溶解度31を決定するのに有効であるこ...

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開示事項

著者は、開示することは何もありません。

謝辞

この作品は、カナダ機器、発見とJMBNRBに授与Discovery Acceleratorの補助金は、カーネギー協会、ワシントンのポスドクフェローシップ·プログラムからの支援を認めるの自然科学工学研究評議会によってサポートされていました。スティーブンElardoも地球物理研究所のピストンシリンダープレスで撮影する前に、彼の支援を感謝しています。

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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
G10エポキシ/グラスファイバーシートAccurate Plastics、Inc.GEES.020N.3648
粉末出発物質 - 酸化物、金属、炭酸塩アルファ Aesar所望の実験
キャスタブル 2 部 MgO セラミックAremcoCeramcast - 584
PTFE ドライ潤滑剤Camie-Campbell2000 TFE-Coat
グラファイト抵抗ヒーターCarbone of America (現在は Mersen USA が所有)カスタムオーダー
炭酸バリウム化学製品株式会社カスタムオーダー焼成自由流動(CFF)グレード
C型熱電対ワイヤー(W26%Re、W5%Re)コンセプト合金~0.25 mm直径は、ほとんどの実験に適しています
ジルコニアセメントCotronics;Resbond 940 2部25〜28部ごとに100部の粉末を使用 活性化剤
ポリ酢酸ビニル(PVA)接着剤など、Bostik「白い接着剤」として販売されることがよくありますシア
ノアクリレート接着剤(例:Krazy Glue/Loctite
Piston cylinder pressure vessel and WC pistonHi-Quality Carbide Tooling Inc.カスタムオーダー
シリカガラス管クォーツプラスカスタムオーダー
破砕可能 ZrO2チューブサンゴバンカスタムオーダー
破砕可能なMgOロッドとチューブサンゴバンカスタムオーダー
WCキューブ(マルチアンビル実験用)タンガロイカスタムオーダーキューブはグレードF WC合金です
マルチアンビル熱電対用単穴アルミナチューブベスビオ・マクダネルAXS071730-04-06
ピストンシリンダー熱電対用4穴アルミナチューブベスビオ・マクダネルAXF1159--07-12 
マルチアンビル熱電対Vesuvius McDanelAXF1159-04-06
に特有構成のセメント のための4穴アルミナ管

参考文献

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