행성 내부의 분화의 시뮬레이션 실험실에서 처리

요약

여기에 설명 된 고압 및 고온 실험 행성 내부 분화 과정을 모방. 공정은 고해상도 3D 이미징 및 정량적 화학 분석에 의해 시각 나은 이해된다.

초록

유성 내부는 고압 및 고온 조건이며 적층 구조를 갖는다. 그 층 구조에지도 두 가지 중요한 프로세스, 행성의 분화에 의해 고체 규산염 매트릭스에 액체 금속 (1) 여과 및 냉각 이후의 행성 (2) 내부 코어의 결정화가 있습니다. 우리 실험실에서 두 프로세스를 시뮬레이션하기 위해 고압 및 고온 실험을 수행. percolative 행성 코어의 형성이면 각 (오줌) 각도에 의해 제어되는 용융 여과의 효율성에 따라 달라집니다. 실리케이트 고체 유지하다가 3D 시각화에 의해 결정 매트릭스에 액체 이주의 스타일을 평가하는 진정한 면각 각도를 결정하는 동안 퍼콜 시뮬레이션은 철 - 황 합금이 용융되는 목표 온도까지 높은 압력에서 시료를 가열 포함한다. 3 차원 볼륨 렌더링은 집속 이온 빔 (FIB) 및 TA로 회수 시료를 슬라이스함으로써 달성된다FIB / SEM 대들보 악기와 각 조각의 왕 SEM 이미지. 실험의 두 번째 세트는 액체 아우터 코어와 높은 압력에서 용융 온도 및 요소 분할을 결정함으로써 고체 내부 코어 사이 내핵 결정화 소자 분포를 이해할 수 있도록 설계된다. 용융 실험은 최대 27 GPa의에 멀티 모루 장치에서 실시 및 레이저 가열 다이아몬드 앤빌 셀에 높은 압력으로 확장됩니다. 우리는 정밀 FIB 밀링으로 작은 가열 된 샘플들을 복구하고 높은 압력에서 용융 감촉을 발휘 레이저 가열 된 스폿의 고해상도 이미지를 얻는 기술을 개발했다. 공존 액상 및 고체상의 화학 성분을 분석함으로써, 우리는 정확하게 내핵 결정화 과정을 이해하는 데 필요한 데이터를 제공하고, 액상 곡선을 결정한다.

서론

같은 지구, 금성, 화성, 수성 등 지상파 행성은 규산염 맨틀과 금속 코어로 구성된 차별화 된 천체이다. 현대 행성 형성 모델은 지상파 행성이 중력의 상호 작용을 통해 ^{1 ~ 2} km 떨어진 지점 규모 이상의 planetesimals에서 성장 문 - 투 - 화성 크기의 행성 배아의 충돌에서 형성하는 것이 좋습니다. planetesimals은 가능성이 금속 철 합금 등과 같은 ²⁶ 알, ⁶⁰ 철, 충격으로 단명 한 동위 원소의 방사성 붕괴와 같은 소스에서 기인 가열 온도를 용융에 도달하면 이미 분화 하였다 잠재적 인 에너지 ^3의 릴리스. 그것은 액체 금속은 초기 분화시 실리케이트 매트릭스를 통해 침출 방법을 이해하는 것이 중요합니다.

행성 차별화 따라 효율적으로 액체 - 액체 분리를 통해 또는 고체 규산염 매트릭스의 액체 금속의 여과에 의해 수행 할 수크기와 천체의 내부 온도에. 온도가 전체 유성 본체를 용융 할 정도로 높지 않을 때 고체 실리케이트 매트릭스 내의 액체 금속의 퍼콜 가능성 초기 분화 과정 지배적이다. 퍼콜의 효율은 고체 - 고체 및 고체 - 액체 인터페이스의 계면 에너지에 의해 결정 면각 각도에 의존한다. 우리는 철 합금 및 실리케이트의 혼합물을 고압 및 고온 실험을 실시하여 실험실에서 이러한 공정을 시뮬레이션 할 수있다. 최근 연구 ^4-7 고온 고압에서 고체 실리케이트 매트릭스 내의 액체 철 합금의 습윤 능력을 조사 하였다. 그들은 진정한 면각 각도 결정 용 급냉 액체 금속과 연마 단면에 규산 입자 간의 명백한 면각 각도의 상대 빈도 분포를 측정하는 종래의 방법을 사용했다. 종래의 방법은 비교적 큰 UNC를 산출측정 면각 각도와 샘플링 통계에 의존 할 수있는 바이어스 ertainties. 여기에서 우리는 FIB 밀링 및 고해상도 필드 방출 SEM 영상의 조합에 의해 세 가지 차원 (3D)의 실리케이트 매트릭스의 액체 금속의 분포를 시각화하는 새로운 이미징 기술을 제시한다. 새로운 이미징 기술은 면각 각도 및 액상의 체적 분율 및 연결의 정량 측정 값의 정확한 결정을 제공한다.

지구의 핵심은 아마도 그것의 초기 역사에서 액체 상태로, 비교적 짧은 시간 (<100,000,000년) ⁸ 년에 설립되었습니다. 화성과 수성은 각각 유성 회전 ^(10)에 연결 마스 글로벌 서베이어 무선 추적 데이터 ⁹ 레이더 스페 클 패턴에서 태양 조수의 변형에 따라 액체 코어가. 화력 발전 모델과 코어 물질에 고압의 용융 실험은 상기 액체 화성 코어를 지원11-12. 최근 메신저 우주선 데이터는 수성 ^(13)의 액체 코어에 대한 추가 증거를 제공합니다. 심지어 작은 달 가능성이 Appollo 달 seismograms ^14의 최근 재분석에 따라 작은 액체 코어를 가지고 있습니다. 액체 유성 코어 행성 형성 초기 단계에서 높은 강착 에너지와 일치한다. 이후 냉각은 어떤 행성 고체 내부 코어의 형성으로 이어질 수 있습니다. 지진 데이터는 지구가 액체 외부 코어와 고체 내부 코어로 구성되어 있음을 밝혀냈다. 내부 코어의 형성은 열 및 조성 대류와 행성의 자기장의 생성에 의해 구동되는 코어의 역학에 중요한 영향을 미칠 수있다.

내부 코어의 응고는 코어 물질의 용융 온도 및 코어의 열 발전에 의해 제어된다. 지상파 행성의 코어 형성은 유사한 증대 경로를 공유하고 코어의 화학적 조성은 B로 간주됩니다E는 약 10 중량 % 광 황 (S) 등의 요소, 실리콘 (Si), 산소 (O), 탄소 (C), 수소 (H) ^(15)와 철을 지배. 이 조성물을 이해하기 위해, 예컨대 철 - 페스, 철 - C, 철-FeO의, 철 - 페 및 철 - FeSiat 고압 같은 코어, 관련된 시스템의 융점 관계의 지식이 필수적 행성의 코어. 이 연구에서, 우리는 행성의 코어의 조건을 흉내 낸, 다 모루 장치와 다이아몬드 앤빌 셀에서 실시 실험을 보여줍니다. 실험은 내부 코어 결정화 및 결정 성 내핵 및 축소 액체 코어 간의 광 소자의 분포 요건에 대한 더 나은 이해를 선도, 고체 및 액체 금속 간의 결정화 시퀀스 소자 파티션에 대한 정보를 제공한다. 용융 관계에 매우 높은 압력을 확장하기 위해, 우리는 레이저 가열 다이아몬드에서 복구 침묵 샘플을 분석 할 수있는 새로운 기술을 개발했습니다nvil 세포 실험. 레이저 가열 자리의 정밀도 FIB 밀링, 우리는 고해상도 SEM 및 서브 마이크론 공간 해상도의 실리콘 드리프트 검출기 정량적 화학 분석 군데 담금질 텍스처 기준을 사용하여 용융 결정합니다.

여기에서 우리는 다음 냉각에 의해 초기 증대 및 내부 코어의 결정화시 실리케이트 매트릭스에 용융 금속의 여과에 의해 행성 코어 형성을 모방하는 실험의 두 세트를 설명합니다. 시뮬레이션은 행성의 코어의 진화하는 동안 두 가지 중요한 프로세스를 이해하는 것을 목표로하고 있습니다.

프로토콜

1. 출발 물질 및 샘플 챔버를 준비

1. 출발 물질의 두 종류, 천연 규산염 감람석 및 고체 실리케이트 매트릭스에 액체 철 합금의 퍼콜을 시뮬레이션하는 10 중량 %의 황 (4 내지 30 중량 % 범위의 금속 / 실리케이트 비율)과 금속 철 분말 (1)의 혼합물을 제조 작은 유성 본체와 유성 내핵 결정화를 결정하기위한 미세 접지 순철 및 황화철 (2) 균일 한 혼합물의 초기 코어 형성시.
2. 한 시간 마노 박격포 에탄올에서 잘 혼합 분말을 출발 물질을 분쇄하고 100 ℃에서 건조
3. 소결체의 MgO 또는 알 _2로 출발 물질을로드 O ₃ 캡슐 (전형적 직경 1.5 mm, 길이 1.5)하고 멀티 앤빌 실험 고압 셀 어셈블리에 배치.
4. 작은 샘플 실에 철 - 페스 혼합물을로드 (일반적으로 직경 100 μm의 25 & #181, 다이아몬드 앤빌 셀 레이저 가열 실험 preindented 레늄 개스킷 드릴 두께 m). 열 절연체 역할을 염화나트륨 층 사이의 철 - 페스 혼합물을 샌드위치.

2. 멀티 모루 장치의 고압과 고온 실험

1. 멀티 앤빌 고압 셀 어셈블리는 압력 매체, 단열재로서 _결정 ZrO2 소매 및 원통형 레늄 또는 흑연 히터로서 산화 마그네슘 면체로 구성된다. 샘플 캡슐은 히터 내부에 적합하다. 타입-C 열전쌍은 시료 온도를 결정하기 위해 샘플 챔버에 삽입된다.
2. 가압 대 멀티 앤빌 고압 장치에 고압 어셈블리를 배치.
3. 멀티 모루 장치는 여섯 이동식 푸시 웨지 센터 ¹⁵ 입방 공동을 형성하는 고정 링이 포함 된 1,500t 유압 프레스 및 압력 모듈로 구성되어 있습니다. 입방 공동 H절단 된 모서리와 ouses 여덟 텅스텐 카바이드 큐브. 팔면체 셀 어셈블리 수렴 잘린 큐브, 압축성 가스켓에 의해 서로 분리된다. 유압 램이 1 멀티 앤빌 실험 실험 절차를 도시 이단 앤빌 구성.도에 의해 샘플 집합에 효과적으로 힘을 전달한다.
4. 일정한 온도에서 실험을 유지; 2-27 수정 점 압력 검량선 ^(16)에 기초하여 실온에서 GPa로하고, 전기 저항 가열에 의해 2300 ° C까지의 실험 온도에 가열간에 목표 압력으로 시료를 가압 실험 기간 동안, 그리고 실험의 끝에서 실온까지 샘플을 급냉하는 전원을 끈다.
5. 유압 오일 밸브를 열어 압력을 천천히 풀고 실험 요금을 복구 할 수 있습니다.

3. 레이저 가열 실험다이아몬드 앤빌 셀

1. 다이아몬드 앤빌 셀의 압력은 두 개의 보석 품질의 단결정 다이아몬드 앤빌 (약 0.25 캐럿 각) 사이에 생성된다. 우리는 피스톤 - 실린더 시스템과 완벽하게 정렬 대향 앤빌을 구동 대칭 다이아몬드 앤빌 셀을 사용한다. 셀은 지구의 코어 ^(17)의 압력 조건에 대응하는 압력을 생성 할 수있다. 높은 온도는 다이아몬드 앤빌 셀에 레이저 가열에 의해 달성된다. 우리는 양면 레이저 가열 기술에 기초하여 두 개의 광섬유 레이저, 양측에서 시료를 가열하기위한 광학계, 및 양쪽의 온도 측정이 spectroradiometric 시스템으로 구성되는 어드밴스 광자 소스 (APS)에서 시스템을 사용 ^18. 이 시스템은 다이아몬드 앤빌 셀에 모두 반경 및 축 방향으로 샘플의 온도 구배를 최소화하고, 가열 안정성을 극대화, 큰 가열 지점 (직경 25 μm의)를 생성하도록 설계되었습니다. 그림 2는 개략적으로 보여줍니다레이저 가열 스폿의 이미지와 함께 다이아몬드 앤빌 셀 레이저 가열 실험을위한 실험 구성들.
2. 300 μm의 culets와 다이아몬드 모루를 맞추고 250 μM의 초기 두께에서 30 ㎛의 두께로 레늄 가스켓 preindent.
3. 중심에서 120 ㎛의 직경을 갖는 개스킷 preindented있는 드릴 구멍, 및 구멍 내에 샘플을로드.
4. 실온에서 목표 압력에 샘플을 가압하고 싱크로트론 설비에서 온도 측정 및 시튜 X-선 회절 측정에서하면서 레이저 파워를 증가시킴으로써 샘플을 가열한다.
5. 부분 용융이 열 방사선 및 회절 패턴의 변화에​​ 의해 감지 될 때 샘플을 해소하기 위해 레이저 전원을 끕니다.
6. 전 현장 특성화를 위해 가열 된 샘플을 복구 할 수 있습니다.

4. 샘플 복구 및 분석

1. 모에폭시 수지의 검색 멀티 모루 샘플을 UNT 150 μm의 μm의 0.25에서 다이아몬드 분말 모래의 제품군을 사용하여 표면을 연마하고 있습니다.
2. 탄소 코트 샘플의 표면 분석을위한 혈구 아 우리 FIB / SEM 들보 악기 (그림 3A)의 샘플 챔버에로드합니다.
3. 5mm (그림 3B)의 작동 거리에서의 FIB와 SEM의 일치하는 점에 샘플을 맞춘 후 X 20 X 20 μm의 ³ (15) (그림 3C)의 볼륨을 노출하기 위해 샘플을 premill.
4. 혈구 아 우리 FIB / SEM 기기 (자동으로 약 35 ㎚의 일반적인 이미지의 해상도를 가진 이온 빔 밀링 후 이미지의 시리즈를 녹화)에 조각 및보기 기능을 사용하여 25 nm의 간격으로 SEM 이미지를 가져 가라.
5. 시각화 소프트웨어 및 급냉 샘플 용융 분포 및 연결 (도 3을 시각화하는 3D 이미지를 재구성 입력 화상 데이터 파일D).

결과

우리는 출발 물질로서, 산 카를로스 감람석 및 다른 금속 실리케이트 비 가진 철 - FES 금속 합금의 혼합물을 사용하여 일련의 실험을 실시했다. 금속의 S 함량이 10 중량 %가 S. 여기에 우리가 잘 보정 멀티 모루 어셈블리 ^(15)를 사용하여, 6 GPa로 1800 ° C에서 수행 고압 실험에서 몇 가지 대표적인 결과를 표시합니다. 실험 조건 하에서, 철 - FES 금속 합금이 완전히 용융 및 규산 (산 카를로스 감람석)은 결정질 남아있다. 실험의 목적은 액체 금속이 결정질 실리케이트 통하여 관류하는 방법을 검토하는 것이다. 고체 실리케이트 매트릭스로부터 액체 금속 합금의 제거 효율은 훨씬 코어 형성의 타이밍 및 맨틀 - 코어 상호 작용을 통해 코어의 조성에 영향을 미친다. 그것은 여과 임계 값이면 각 각도에 따라 달라집니다. 최소 퍼콜 레이션 역치, 상호 멜 아래 용융 분율 시료이면 각의 각도가 60 ° 이하 만 t는있을 수 있습니다. 그림 4 급냉 샘플의 3D 재건을 ...

토론

멀티 앤빌 실험 기술들은 잘 안정한 압력 및 실행 시간의 연장 된 기간에 대한 온도를 생성하고, 상대적으로 큰 샘플 부피를 제조, 확립된다. 그것은 특히 특정 샘플 볼륨을 필요로 같은 용융 여과 등의 실험을 위해, 행성의 내부 프로세스를 시뮬레이션 할 수있는 강력한 도구입니다. 제한은 27 텅스텐 카바이드 (WC) 앤빌 GPa로, 화성과 수성의 핵심 압력에 도달하지만 지구와 금성의 코어에 도달하기까지 너무 낮은 압력까지 달성 가능한 최대 압력이다. 달성 가능한 최대 압력은 ²⁶ 앤빌로서 팽창성 소결 다이아몬드를 사용하여 약 100 GPa로 확장 될 수있다. 우리는 소결 다이아몬드와 탄화 규소로 만들어진 저렴 새로운 모루 재료를 테스트하고 있습니다. 우리의 테스트 결과는 큰 잠재력과 효율적인 압력 발생을 보였다. 우리는 같은 키를 눌러 샘플 볼륨을 극대화하기 위해 받침대 대신에 기존의 14-mm 큐브로 25 mm 큐브를 사용이러한 수송 특성 및 고압 산업용 애플리케이션에 큰 샘플의 합성 측정 큰 샘플 볼륨을 ...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
다중 앤빌 장치	지구 물리학 연구소	홈 빌더
다이아몬드 앤빌 셀	지구 물리학 연구소	홈 빌더
레이저 가열 시스템	APS GSECARS	빔라인 직원이 설계한	공개 빔라인
FIB/SEM 크로스빔	Carl Zeiss Ltd.	재료
Avizo 3D 소프트웨어	VSG	Fire