Simulatie van de Planetaire Binnenlandse differentiatieprocessen in het Laboratorium

Het algemene doel van deze procedure is om het differentiatieproces van het planetaire binnenste te simuleren. Dit wordt bereikt door eerst olijf-silicaat, ijzerpoeder en ijzersulfide homogeen te mengen. De tweede stap is om het mengsel in een hogedrukcel-assemblage te laden.

Vervolgens wordt de opstelling onder druk gezet tot 6 GPa en verhit tot 1.800 °C in een multi-aambeeldapparaat. De laatste stap is het terugwinnen van het monster en het voorbereiden hiervan voor 3D-beeldvorming. Uiteindelijk wordt de 3D-afbeelding gebruikt om de distributie van silicium en gesmolten metaal te visualiseren en om te bepalen of het vloeibare metaal door het kristallijne silicium kan percoleren om een kern te vormen.

Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in de planetaire wetenschap, zoals de vorming van planetaire kernen door percolatie. Begin met het voorbereiden van de materialen voor de simulatie van het percolatieproces. Maak voor de kernvorming ongeveer een gram van een mengsel van natuurlijk silicaat, olive en metallisch ijzerpoeder met 10 gewichtsprocent zwavel in een agaatvijzel.

Maal het startmateriaal onder ethanol tot een mengsel van poeder gedurende één uur. Wanneer dit is voltooid, droog de materialen gedurende één uur bij 100 °C, verzamel het gedroogde materiaal en begin, zodra deze zijn afgekoeld, met de voorbereidingen voor de multi-anvil experimenten. Laad het startmateriaal in een capsule van CI aluminiumoxide met een diameter van ongeveer 1,5 millimeter en een lengte van 1,5 millimeter.

Plaats de capsule vervolgens in een hogedrukcelmontage die is voorzien van een elektrische weerstandsverwarming voor het monster. De cel is nu gereed voor het multi-aambeeld hogedrukapparaat. Monteer de celmontage in het apparaat en breng het monster onder de doeldruk, in dit geval 6 GPa, op basis van een kalibratiecurve voor vaste-puntdruk.

Gebruik daarnaast de elektrische weerstandsoven om het monster op te warmen tot 1 800 °C, de doeltemperatuur. Houd voor dit experiment de druk en temperatuur gedurende 12 uur constant.

Zodra het experiment is voltooid, wordt het monster afgekoeld tot kamertemperatuur door de stroom van de verwarming uit te schakelen en de druk langzaam over een periode van zes uur te laten ontsnappen door de hydraulische olieklep te openen. Terugwin vervolgens de hogedrukassemblage; de analyse van het monster gebeurt met een gefocuste ionenbundel-scanning elektronenmicroscoop. Bereid het monster voor gebruik in het instrument door het te monteren, te polijsten en het oppervlak met koolstof te coaten.

Plaats het vervolgens in de monsterkamer van het instrument. Lijn het monster uit op het snijpunt van de gefocuste ionenbundel en de scanning-elektronenmicroscoop bij een werkafstand van 5 mm. Voer een premilling uit op het monster om een volume van 15 by 20 by 20 µm³ bloot te leggen.

Gebruik vervolgens de ionenbundel om lagen met een diepte van 25 nanometer weg te frezen. Maak na het verwijderen van elke laag een afbeelding van het blootgelegde oppervlak met een scanning elektronenmicroscoop. Voer na voltooiing van het frezen de afbeeldingsbestanden in visualisatiesoftware in en maak 3D-afbeeldingen voor visualisatie. Deze 3D-reconstructie is van een quench-monster dat is verhit tot 1 800 graden Celsius bij zes gigapascal.

Het gemarkeerde volume stelt ijzer en ijzersulfidesmelt voor. Het resterende volume wordt ingenomen door ine. Het volume is ongeveer vijf bij zes bij zeven kubieke micrometers.

De afbeelding laat zien dat de metallische smeltzakjes gevangen zaten in de hoeken van de silicaatkorrels vanwege de grote dedale hoeken, die hier gemeten zijn op boven de 100 graden. Deze nieuwe beeldvormingstechniek biedt een krachtig instrument om de werkelijke dedale hoek nauwkeurig te bepalen. Door de verandering in de smeltverdeling over de kritische hoek te monitoren, kan het worden gebruikt om de overgang van niet-verbonden naar verbonden netwerken in een klein compositie- en drukinterval precies vast te stellen.

De methode biedt tevens een kwantitatieve maat voor de volumefractie en connectiviteit. Deze 3D-beelden zijn van het snelgekoelde monster met verschillende metaalsilicaatverhoudingen onder een volumefractie van 5%. Het vloeibare metaal vormt geïsoleerde pockets bij een hogere volumefractie en er wordt een onderling verbonden netwerk gevormd na de verdere ontwikkeling.

Deze techniek plaveit de weg voor onderzoek in het veld van de experimentele petrologie en planetaire wetenschappen om het proces van de vorming van de planetaire kern te onderzoeken via experimentele simulatie in combinatie met visualisaties.