Symulacja procesów różnicowania wnętrza planety w laboratorium

Summary

Opisane tutaj eksperymenty z wysokim ciśnieniem i wysoką temperaturą naśladują procesy różnicowania wnętrza planet. Procesy są wizualizowane i lepiej rozumiane dzięki obrazowaniu 3D o wysokiej rozdzielczości i ilościowej analizie chemicznej.

Abstract

Wnętrze planety znajduje się w warunkach wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury i ma strukturę warstwową. Istnieją dwa ważne procesy, które doprowadziły do tej warstwowej struktury: (1) perkolacja ciekłego metalu w stałej matrycy krzemianowej przez różnicowanie planet oraz (2) krystalizacja jądra wewnętrznego przez późniejsze chłodzenie planety. Przeprowadzamy eksperymenty wysokociśnieniowe i wysokotemperaturowe, aby zasymulować oba procesy w laboratorium. Powstawanie perkolacyjnego jądra planetarnego zależy od wydajności perkolacji stopionej, która jest kontrolowana przez kąt dwuścienny (zwilżający). Symulacja perkolacji obejmuje podgrzanie próbki pod wysokim ciśnieniem do temperatury docelowej, w której stop żelaza i siarki jest stopiony, podczas gdy krzemian pozostaje w stanie stałym, a następnie określenie rzeczywistego kąta dwuściennego w celu oceny stylu migracji cieczy w matrycy krystalicznej za pomocą wizualizacji 3D. Renderowanie objętości 3D uzyskuje się poprzez pokrojenie odzyskanej próbki za pomocą skupionej wiązki jonów (FIB) i wykonanie obrazu SEM każdego wycinka za pomocą instrumentu do belki krzyżowej FIB/SEM. Drugi zestaw eksperymentów ma na celu zrozumienie krystalizacji jądra wewnętrznego i rozkładu pierwiastków między ciekłym jądrem zewnętrznym a stałym jądrem wewnętrznym poprzez określenie temperatury topnienia i podziału pierwiastków pod wysokim ciśnieniem. Eksperymenty topnienia przeprowadza się w aparacie wielokowadełkowym do 27 GPa i rozszerza do wyższego ciśnienia w komorze diamentowo-kowadełkowej z ogrzewaniem laserowym. Opracowaliśmy techniki odzyskiwania małych podgrzanych próbek poprzez precyzyjne mielenie FIB i uzyskanie obrazów o wysokiej rozdzielczości podgrzewanego laserowo miejsca, które pokazują teksturę topnienia pod wysokim ciśnieniem. Analizując skład chemiczny współistniejących faz ciekłej i stałej, precyzyjnie wyznaczamy krzywą likwidusu, dostarczając niezbędnych danych do zrozumienia procesu krystalizacji jądra wewnętrznego.

Introduction

Planety skaliste, takie jak Ziemia, Wenus, Mars i Merkury, to zróżnicowane ciała planetarne składające się z krzemianowego płaszcza i metalicznego jądra. Współczesny model powstawania planet sugeruje, że planety skaliste powstały w wyniku zderzeń planetarnych embrionów wielkości Księżyca i Marsa, wyrosłych z planetozymali o rozmiarach km lub większych w wyniku oddziaływań grawitacyjnych^1-2. Planetozymale zostały prawdopodobnie zróżnicowane już wtedy, gdy metaliczne stopy żelaza osiągnęły temperaturę topnienia z powodu ogrzewania ze źródeł takich jak rozpad promieniotwórczy krótkożyciowych izotopów, takich jak ²⁶Al i ⁶⁰Fe, uderzenie i u....

Protocol

1. Przygotuj materiały wyjściowe i komory na próbki

1. Przygotuj dwa rodzaje materiałów wyjściowych: (1) mieszaninę naturalnego oliwinu krzemianowego i metalicznego proszku żelaza o zawartości siarki 10% wag. (stosunek metalu do krzemianu w zakresie od 4 do 30 % wag.) do symulacji przesiąkania ciekłego stopu żelaza w stałej matrycy krzemianowej podczas początkowego formowania się jądra małego ciała planetarnego oraz (2) jednorodną mieszaninę drobno zmielonego czystego żelaza i siarczku żelaza do określenia krystalizacji wewnętrznego jądra planety.
2. Zmielić materiały wyjściowe na drobny zmieszany proszek pod etanolem w moździerzu agatowym przez jedną ....

Results

Przeprowadziliśmy serię eksperymentów, używając jako materiałów wyjściowych mieszanin oliwinu San Carlos i stopu metalu Fe-FeS o różnych proporcjach metal-krzemian. Zawartość S w metalu wynosi 10% wagowych S. Poniżej przedstawiamy reprezentatywne wyniki eksperymentów wysokociśnieniowych przeprowadzonych w temperaturze 6 GPa i temperaturze 1800 °C, przy użyciu dobrze skalibrowanych zestawów wielokowadełkowych¹⁵. W warunkach eksperymentalnych stop metalu Fe-FeS ulega całkowitemu stopieniu, a krzemian (oliwin San.......

Discussion

Techniki eksperymentów z wieloma kowadłami są dobrze znane, generują stabilne ciśnienie i temperaturę przez dłuższy czas pracy i wytwarzają stosunkowo dużą objętość próbki. Jest to potężne narzędzie do symulacji procesów zachodzących we wnętrzu planet, zwłaszcza w przypadku eksperymentów, takich jak perkolacja stopiona, które wymagają określonej objętości próbki. Ograniczeniem jest maksymalne osiągalne ciśnienie, do 27 GPa z kowadłami z węglika wolframu (WC), osiągające ciśnienie w jądrze Marsa i Merkurego, ale zdecydowa.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aparatura wielokowadełkowa	Laboratorium geofizyczne	Budowniczy
Ogniwo diamentowe	Laboratorium geofizyczne	Budownicze
Laserowy system grzewczy	APS GSECARS	Zaprojektowane przez pracowników linii badawczej	Publiczna linia badawcza
FIB/SEM Crossbeam	Carl Zeiss Ltd.	Oprogramowanie 3D Auriga
Avizo	VSG	Fire dla materiałoznawstwa