Name: Symulacja procesów różnicowania wnętrza planety w laboratorium (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-15T17:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 4 s
Description: Poznaj symulację różnicowania wnętrza planety w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury. Metoda łączy eksperymenty wieloanwilowe z zaawansowaną tomografią 3D do wizualizacji dystrybucji krzemianu i stopionego metalu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była wspierana przez NNX11AC68G grantów NASA i Carnegie Institution of Washington. Dziękuję Chi Zhangowi za pomoc w zbieraniu danych. Dziękuję również Anat Shahar i Valerie Hillgren za pomocne recenzje tego manuskryptu.

1. Przygotuj materiały wyjściowe i komory na próbki
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Zmielić materiały wyjściowe na drobny zmieszany proszek pod etanolem w moździerzu agatowym przez jedną godzinę i wysuszyć w temperaturze 100 °C.</li>
	<li>Załaduj materiał wyjściowy do spiekanej kapsułki MgO lub Al2O3 (zwykle o średnicy 1,5 mm i długości 1,5 mm), a następnie umieść ją w zespole ogniw wysokociśnieniowych do eksperymentów z wieloma kowadełkami.</li>
	<li>Załaduj mieszaninę Fe-FeS do małej komory na próbkę (zwykle o średnicy 100 μm i grubości 25 μm) wywierconej we wstępnie wciętej uszczelce renowej do eksperymentów z ogrzewaniem laserowym w ogniwie diamentowo-kowadełkowym. Umieść mieszaninę Fe-FeS między warstwami NaCl, które służą jako izolatory termiczne.</li>
</ol>
2. Eksperymenty z wysokim ciśnieniem i wysoką temperaturą w aparacie wielokowadełkowym
<ol>
	<li>Zespół ogniw wysokociśnieniowych z wieloma kowadłami składa się z ośmiościanu MgO jako medium ciśnieniowego, tulei ZrO2 jako izolatora termicznego oraz cylindrycznej grzałki renowej lub grafitowej. Kapsułka na próbkę mieści się wewnątrz grzałki. Termopara typu C jest umieszczana w komorze próbki w celu określenia temperatury próbki.</li>
	<li>Umieść zespół wysokociśnieniowy w aparacie wysokociśnieniowym z wieloma kowadełkami w celu zwiększenia ciśnienia.</li>
	<li>Aparat wielokowadełkowy składa się z prasy hydraulicznej o udźwigu 1 500 ton i modułu ciśnieniowego, który zawiera pierścień ustalający z sześcioma wyjmowanymi klinami popychającymi tworzącymi sześcienną wnękę pośrodku15. We sześciennej wnęce znajduje się osiem kostek z węglika wolframu ze ściętymi narożnikami. Obcięte kostki, które zbiegają się w zespole komórek ośmiościennych, są oddzielone od siebie ściśliwymi uszczelkami. Siłownik hydrauliczny skutecznie przenosi siłę na zespół próbki za pomocą dwustopniowej konfiguracji kowadełka. Rysunek 1 ilustruje procedurę doświadczalną dla eksperymentu z wieloma kowadełkami.</li>
	<li>Zwiększyć ciśnienie próbki do ciśnienia docelowego między 2-27 GPa w temperaturze pokojowej w oparciu o krzywą kalibracji ciśnienia w punkcie stałym16, a następnie podgrzać ją do temperatury doświadczalnej do 2 300 °C przez elektryczne ogrzewanie oporowe; utrzymać doświadczenie w stałej temperaturze przez czas trwania eksperymentu; i wyłączyć zasilanie, aby schłodzić próbkę do temperatury pokojowej na koniec eksperymentu.</li>
	<li>Powoli zmniejszaj ciśnienie, otwierając zawór oleju hydraulicznego i odzyskaj ładunek eksperymentalny.</li>
</ol>
3. Eksperymenty z ogrzewaniem laserowym w komorze z diamentowym kowadłem
<ol>
	<li>Ciśnienie w ogniwie diamentowo-kowadłowym jest generowane między dwoma kowadłami z monokryształu diamentu o jakości kamienia szlachetnego (około 0,25 karata każde). Używamy symetrycznej komórki diamentowo-kowadłowej do napędzania idealnie wyrównanych przeciwległych kowadeł za pomocą układu tłokowo-cylindrowego. Ogniwo jest zdolne do generowania ciśnień odpowiadających warunkom ciśnienia w jądrze Ziemi17. Wysoką temperaturę uzyskuje się poprzez ogrzewanie laserowe w komorze diamentowo-kowadełkowej. Korzystamy z systemu w Advance Photon Source (APS), który opiera się na dwustronnej technice ogrzewania laserowego i składa się z dwóch laserów światłowodowych, optyki do podgrzewania próbki z obu stron oraz dwóch systemów spektroradiometrycznych do pomiarów temperatury po obu stronach18. System został zaprojektowany tak, aby generować dużą plamę grzewczą (o średnicy 25 μm), minimalizować gradienty temperatury próbki zarówno promieniowo, jak i osiowo w komorze kowadełka diamentowego oraz maksymalizować stabilność ogrzewania. Rysunek 2 przedstawia schematy konfiguracji eksperymentalnej dla eksperymentu z ogrzewaniem laserowym w komorze diamentowo-kowadełkowej z obrazem plamki ogrzewania laserowego.</li>
	<li>Wyrównać kowadła diamentowe z klinami o grubości 300 μm i wstępnie wciąć uszczelkę renową na grubość 30 μm z początkowej grubości 250 μm.</li>
	<li>Wywierć otwór w wstępnie wciętej uszczelce o średnicy 120 μm pośrodku i załaduj próbkę do otworu.</li>
	<li>Zwiększ ciśnienie próbki do ciśnienia docelowego w temperaturze pokojowej, a następnie podgrzej próbkę, zwiększając moc lasera podczas wykonywania pomiarów temperatury i pomiarów dyfrakcji rentgenowskiej in situ w obiekcie synchrotronowym.</li>
	<li>Wyłącz moc lasera, aby schłodzić próbkę, gdy częściowe stopienie zostanie wykryte przez zmianę promieniowania cieplnego i wzór dyfrakcyjny.</li>
	<li>Odzyskać podgrzaną próbkę do charakterystyki ex situ.</li>
</ol>
4. Odzyskiwanie i analiza próbek
<ol>
	<li>Zamontuj pobraną próbkę z kowadełkiem w żywicy epoksydowej i wypoleruj jej powierzchnię za pomocą zestawu ziarnistości proszku diamentowego o grubości od 150 μm do 0,25 μm.</li>
	<li>Pokryj powierzchnię próbki węglem i załaduj ją do komory próbki przyrządu do belki krzyżowej Zeiss Auriga FIB/SEM (rysunek 3A) w celu analizy.</li>
	<li>Ustawić próbkę w punkcie zbieżności FIB i SEM w odległości roboczej 5 mm (rysunek 3B), a następnie przygotować próbkę tak, aby naświetlić objętość 15 x 20 x 20μm3 (rysunek 3C).</li>
	<li>Wykonuj zdjęcia SEM w odstępie 25 nm za pomocą funkcji slice&view w instrumencie Zeiss Auriga FIB/SEM (automatycznie rejestruj serię obrazów po frezowaniu wiązką jonów z typową rozdzielczością obrazu około 35 nm).</li>
	<li>Wprowadź pliki danych obrazu do oprogramowania do wizualizacji i zrekonstruuj obrazy 3D, aby zobrazować rozkład stopu i łączność w hartowanej próbce (rysunek 3D).</li>
</ol>

<ol><li>Wetherill, G. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+the+terrestrial+planets%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Astronomy+and+Astrophysics%22%5BJournal%5D)">Formation of the terrestrial planets.</a> Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 18, 77-113 (1980).</li>
<li>Chambers, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Planetary+accretion+in+the+inner+Solar+System%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Planetary accretion in the inner Solar System.</a> Earth and Planetary Science Letters. 223, 241-252 (2004).</li>
<li>Greenwood, R. C., Franchi, I. A., Jambon, A., Buchanan, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Widespread+magma+oceans+on+asteroidal+bodies+in+the+early+Solar+System%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Widespread magma oceans on asteroidal bodies in the early Solar System.</a> Nature. 435, 916-918 (2005).</li>
<li>Mann, U., Frost, D. J., Rubie, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+wetting+ability+of+Si-bearing+liquid+Fe-alloys+in+a+solid+silicate+matrix-percolation+during+core+formation+under+reducing+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+the+Earth+and+Planetary+Interiors%22%5BJournal%5D)">The wetting ability of Si-bearing liquid Fe-alloys in a solid silicate matrix-percolation during core formation under reducing conditions.</a> Physics of the Earth and Planetary Interiors. 167 (1-2), 1-7 (2008).</li>
<li>Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., &Langenhorst, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Percolative+core+formation+in+planetesimals%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Percolative core formation in planetesimals.</a> Earth and Planetary Science Letters. 273, 132-137 (2008).</li>
<li>Walte, N. P., Becker, J. K., Bons, P. D., Rubie, D. C., Frost, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Liquid-distribution+and+attainment+of+textural+equilibrium+in+a+partially-molten+crystalline+system+with+a+high-dihedral-angle+liquid+phase%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Liquid-distribution and attainment of textural equilibrium in a partially-molten crystalline system with a high-dihedral-angle liquid phase.</a> Earth and Planetary Science Letters. 262, 517-532 (2007).</li>
<li>Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interconnectivity+of+Fe-O-S+liquid+in+polycrystalline+silicate+perovskite+at+lower+mantle+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Earth+and+Planetary+Interiors%22%5BJournal%5D)">Interconnectivity of Fe-O-S liquid in polycrystalline silicate perovskite at lower mantle conditions.</a> Physics of Earth and Planetary Interiors. 161, 170-176 (2007).</li>
<li>Halliday, A. N., Wood, B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+did+Earth+accrete%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">How did Earth accrete?</a> Science. 325, 44-45 (2009).</li>
<li>Yoder, C. F., Konopliv, A. S., Yuan, D. N., Standish, E. M., Folkner, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fluid+core+size+of+Mars+from+detection+of+the+solar+tide%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Fluid core size of Mars from detection of the solar tide.</a> Science. 300, 299-303 (2003).</li>
<li>Margot, J. L., Peale, S. J., Jurgens, R. F., Slade, M. A., Holin, I. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large+longitude+libration+of+Mercury+reveals+a+molten+core%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Large longitude libration of Mercury reveals a molten core.</a> Science. 316, 710-714 (2007).</li>
<li>Fei, Y., Bertka, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+interior+of+Mars%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">The interior of Mars.</a> Science. 308, 1120-1121 (2005).</li>
<li>Williams, J. -P., Nimmo, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+evolution+of+the+Martian+core%3A+Implications+for+an+early+dynamo%5BTitle%5D)+AND+%22Geology%22%5BJournal%5D)">Thermal evolution of the Martian core: Implications for an early dynamo.</a> Geology. 32, 97-100 (2004).</li>
<li>Smith, D. E., Zuber, M. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gravity+field+and+internal+structure+of+Mercury+from+MESSENGER%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Gravity field and internal structure of Mercury from MESSENGER.</a> Science. 336, 214-217 (2012).</li>
<li>Weber, R. C., Lin, P. -Y., Garnero, E. J., Williams, Q., Lognonné, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Seismic+detection+of+the+Lunar+core%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Seismic detection of the Lunar core.</a> Science. 331, 309-312 (2011).</li>
<li>Li, J., Fei, Y. Experimental constraints on core composition. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLi%2C+J+%22Geochemistry+of+the+Mantle+and+Core%22">Geochemistry of the Mantle and Core</a>. Carlson, R. W. , 521-546 (2007).</li>
<li>Bertka, C. M., Fei, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mineralogy+of+the+Martian+interior+up+to+core-mantle+boundary+pressures%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Geophysical+Research%22%5BJournal%5D)">Mineralogy of the Martian interior up to core-mantle boundary pressures.</a> Journal of Geophysical Research. 102, 5251-5264 (1997).</li>
<li>Tateno, S., Hirose, K., Ohishi, Y., Tatsumi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+structure+of+iron+in+Earth%27s+inner+core%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">The structure of iron in Earth's inner core.</a> Science. 330, 359-361 (2010).</li>
<li>Prakapenka, V. B., Kubo, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+flat+top+laser+heating+system+for+high+pressure+research+at+GSECARS%3A+application+to+the+melting+behavior+of+germanium%5BTitle%5D)+AND+%22High+Pressure+Research%22%5BJournal%5D)">Advanced flat top laser heating system for high pressure research at GSECARS: application to the melting behavior of germanium.</a> High Pressure Research. 28, 225-235 (2008).</li>
<li>Minarik, W. G., Ryerson, F. J., Watson, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Textural+entrapment+of+core-forming+melts%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Textural entrapment of core-forming melts.</a> Science. 272, 530-533 (1996).</li>
<li>Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+oxygen+and+sulphur+on+the+dihedral+angle+between+Fe-O-S+melt+and+silicate+minerals+at+high+pressure%3A+Implications+for+Martian+core+formation%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">The effect of oxygen and sulphur on the dihedral angle between Fe-O-S melt and silicate minerals at high pressure: Implications for Martian core formation.</a> Earth and Planetary Science Letters. 232, 379-392 (2005).</li>
<li>Fei, Y., Bertka, C. M., Finger, L. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-pressure+iron-sulfur+compound%2C+Fe3S2%2C+and+melting+relations+in+the+system+Fe-FeS+at+high+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">High-pressure iron-sulfur compound, Fe3S2, and melting relations in the system Fe-FeS at high pressure.</a> Science. 275, 1621-1623 (1997).</li>
<li>Fei, Y., Li, J., Bertka, C. M., Prewitt, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structure+type+and+bulk+modulus+of+Fe3S%2C+a+new+iron-sulfur+compound%5BTitle%5D)+AND+%22American+Mineralogist%22%5BJournal%5D)">Structure type and bulk modulus of Fe3S, a new iron-sulfur compound.</a> American Mineralogist. 85, 1830-1833 (2000).</li>
<li>Li, J., Fei, Y., Mao, H. K., Hirose, K., Shieh, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sulfur+in+the+Earth%27s+inner+core%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Sulfur in the Earth's inner core.</a> Earth and Planetary Science Letters. 193, 509-514 (2001).</li>
<li>Chen, B., Li, J., Hauck, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-ideal+liquidus+curve+in+the+Fe-S+system+and+Mercury%27s+snowing+core%5BTitle%5D)+AND+%22Geophysical+Research+Letter%22%5BJournal%5D)">Non-ideal liquidus curve in the Fe-S system and Mercury's snowing core.</a> Geophysical Research Letter. 35, L07201(2008).</li>
<li>Buono, A. S., Walker, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Fe-rich+liquidus+in+the+Fe-FeS+system+from+1+bar+to+10+GPa%5BTitle%5D)+AND+%22GeochimicaCosmochimicaActa%22%5BJournal%5D)">The Fe-rich liquidus in the Fe-FeS system from 1 bar to 10 GPa.</a> GeochimicaCosmochimicaActa. 75, 2072-2087 (2011).</li>
<li>Ito, E., Yamazaki, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pressure+generation+and+investigation+of+the+post-perovskite+transformation+in+MgGeO3by+squeezing+the+Kawai-cell+equipped+with+sintered+diamond+anvils%5BTitle%5D)+AND+%22Earth+and+Planetary+Science+Letters%22%5BJournal%5D)">Pressure generation and investigation of the post-perovskite transformation in MgGeO3by squeezing the Kawai-cell equipped with sintered diamond anvils.</a> Earth and Planetary Science Letters. 293 (1-2), 84-89 (2010).</li>
<li>Roberts, J. J., Kinney, J. H., Siebert, J., Ryerson, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fe-Ni-S+melt+permeability+in+olivine%3A+implications+for+planetary+core+formation%5BTitle%5D)+AND+%22Geophysical+Research+Letter%22%5BJournal%5D)">Fe-Ni-S melt permeability in olivine: implications for planetary core formation.</a> Geophysical Research Letter. 34, L14306(2007).</li>
<li>Wang, Y., Lesher, C., Fiquet, G., Rivers, M., Nishiyama, N., Siebert, J., Roberts, J., Morard, G., Gaudio, S., Clark, A., Watson, H., Menguy, N., Guyot, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-situ+high+P%2C+T+X-ray+microtomographic+imaging+during+large+deformation%3A+a+newtechnique+for+studying+mechanical+behavior+of+multi-phase+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Geosphere%22%5BJournal%5D)">In-situ high P, T X-ray microtomographic imaging during large deformation: a newtechnique for studying mechanical behavior of multi-phase composites.</a> Geosphere. 7, 40-45 (2011).</li>
<li>Watson, H. C., Roberts, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Connectivity+of+core+forming+melts%3A+Experimental+constraints+from+electrical+conductivity+and+X-ray+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Earth+and+Planetary+Interiors%22%5BJournal%5D)">Connectivity of core forming melts: Experimental constraints from electrical conductivity and X-ray tomography.</a> Physics of Earth and Planetary Interiors. 186, 172-182 (2011).</li>
<li>Fei, Y., Ricolleau, A., Frank, M., Mibe, K., Shen, G., Prakapenka, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Toward+an+internally+consistent+pressure+scale%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Toward an internally consistent pressure scale.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 9182-9186 (2007).</li>
</ol>

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

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...

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 grawitacyjnych1-2. 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 uwolnienie energii potencjalnej3. Ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób ciekły metal przenikał przez matrycę krzemianową podczas wczesnego różnicowania.
Różnicowanie planet mogłoby przebiegać poprzez efektywne oddzielanie cieczy-cieczy, lub przez perkolację ciekłego metalu w stałej matrycy krzemianowej, w zależności od wielkości i temperatury wewnętrznej ciał planetarnych. Przesiąkanie ciekłego metalu w stałej matrycy krzemianowej jest prawdopodobnie dominującym procesem w początkowym różnicowaniu, gdy temperatura nie jest wystarczająco wysoka, aby stopić całe ciało planetarne. Wydajność perkolacji zależy od kąta dwuściennego, wyznaczonego przez energie międzyfazowe granic faz ciało stałe-ciało stałe i ciało stałe-ciecz. Możemy zasymulować ten proces w laboratorium, przeprowadzając eksperymenty wysokociśnieniowe i wysokotemperaturowe na mieszaninie stopu żelaza i krzemianu. Ostatnie badania4-7 dotyczyły zdolności zwilżania ciekłych stopów żelaza w stałej matrycy krzemianowej pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze. Wykorzystali oni konwencjonalną metodę do pomiaru względnych rozkładów częstotliwości pozornych kątów dwuściennych między hartowanymi ziarnami ciekłego metalu i krzemianu na wypolerowanych przekrojach poprzecznych w celu wyznaczenia rzeczywistego kąta dwuściennego. Metoda konwencjonalna daje stosunkowo duże niepewności co do zmierzonego kąta dwuściennego i możliwego odchylenia w zależności od statystyk pobierania próbek. W tym miejscu prezentujemy nową technikę obrazowania do wizualizacji rozkładu ciekłego metalu w osnowie krzemianowej w trzech wymiarach (3D) poprzez połączenie mielenia FIB i obrazowania SEM z emisją polową o wysokiej rozdzielczości. Nowa technika obrazowania umożliwia precyzyjne określenie kąta dwuściennego oraz ilościowy pomiar ułamka objętościowego i łączności fazy ciekłej.
Jądro Ziemi powstało w stosunkowo krótkim czasie (<100 milionów lat)8, przypuszczalnie w stanie ciekłym we wczesnej historii. Mars i Merkury mają również ciekłe jądra oparte odpowiednio na deformacji pływowej Słońca z danych śledzenia radiowego Mars Global Surveyor9 i wzorów plamek radarowych związanych z rotacją planety10. Modele ewolucji termicznej i eksperymenty z topieniem pod wysokim ciśnieniem materiałów jądrowych dodatkowo potwierdzają istnienie ciekłego jądra Marsa11-12. Ostatnie dane z sondy Messenger dostarczają dodatkowych dowodów na istnienie płynnego jądra Merkurego13. Nawet mały Księżyc prawdopodobnie ma małe płynne jądro, co wynika z niedawnej ponownej analizy sejsmogramów księżycowych Appollo14. Ciekłe jądra planet charakteryzują się wysoką energią akrecji we wczesnym stadium formowania się planet. Późniejsze ochłodzenie może prowadzić do powstania stałego jądra wewnętrznego niektórych planet. Dane sejsmiczne ujawniły, że Ziemia składa się z płynnego jądra zewnętrznego i stałego jądra wewnętrznego. Formowanie się jądra wewnętrznego ma ważne implikacje dla dynamiki jądra napędzanej przez konwekcje termiczne i kompozycyjne oraz generowanie pola magnetycznego planety.
Krzepnięcie wewnętrznego rdzenia jest kontrolowane przez temperaturę topnienia materiałów rdzenia i ewolucję termiczną rdzenia. Formowanie się jądra planet skalistych miało podobne ścieżki akrecji, a skład chemiczny jąder jest uważany za zdominowany przez żelazo z około 10% wagowych lekkich pierwiastków, takich jak siarka (S), krzem (Si), tlen (O), węgiel (C) i wodór (H)15. Niezbędne jest posiadanie wiedzy na temat relacji topnienia w układach istotnych dla jądra, takich jak Fe-FeS, Fe-C, Fe-FeO, Fe-FeH i wysokie ciśnienie Fe-FeSiat, aby zrozumieć skład jądra planet. W tym badaniu zademonstrujemy eksperymenty przeprowadzone w urządzeniu wielokowadłowym i ogniwie diamentowo-kowadełkowym, naśladując warunki panujące w jądrach planetarnych. Eksperymenty dostarczają informacji na temat sekwencji krystalizacji i podziału pierwiastków między metalem stałym i ciekłym, co prowadzi do lepszego zrozumienia wymagań krystalizacji jądra wewnętrznego i rozkładu lekkich pierwiastków między krystalicznym jądrem wewnętrznym a ciekłym rdzeniem wyjściowym. Aby rozszerzyć zależności topnienia na bardzo wysokie ciśnienia, opracowaliśmy nowe techniki analizy stłumionych próbek odzyskanych z eksperymentów z podgrzewanymi laserowo ogniwami diamentowo-kowadłowymi. Dzięki precyzyjnemu mieleniu FIB plamki ogrzewania laserowego, określamy topnienie za pomocą kryteriów tekstury hartowania zobrazowanych za pomocą SEM o wysokiej rozdzielczości i ilościowej analizy chemicznej z detektorem dryfu krzemu w submikronowej rozdzielczości przestrzennej.
Tutaj przedstawiamy dwa zestawy eksperymentów naśladujących formowanie się jądra planety poprzez przesiąkanie stopionego metalu w matrycy krzemianowej podczas wczesnej akrecji i krystalizację jądra wewnętrznego przez późniejsze chłodzenie. Symulacja ma na celu zrozumienie dwóch ważnych procesów zachodzących podczas ewolucji jądra planety.

<table><tbody><tr><td>Aparatura wielokowadełkowa</td><td>Laboratorium geofizyczne</td><td>Budowniczy</td><td> </td>domów</tr> <tr><td>Ogniwo diamentowe</td><td>Laboratorium geofizyczne</td><td>Budownicze</td><td> </td>domów</tr> <tr><td>Laserowy system grzewczy</td><td>APS GSECARS</td><td>Zaprojektowane przez pracowników linii badawczej</td><td> Publiczna linia badawcza</td></tr><tr><td>FIB/SEM Crossbeam</td><td>Carl Zeiss Ltd.</td><td>Oprogramowanie 3D Auriga</td><td> </td></tr><tr><td>Avizo</td><td>VSG</td><td>Fire dla materiałoznawstwa</td><td> </td></tr></tbody></table>

symulacja procesów różnicowania wnętrza planety w laboratorium

Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

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.

Przeprowadziliśmy serię eksperymentów, wykorzystując jako materiały wyjściowe mieszaniny oliwinu z San Carlos oraz stopu metalicznego Fe-FeS z różnymi stosunkami metal-krzemian. Zawartość S w metalu wynosi 10% masowych S. Przedstawiamy tutaj reprezentatywne wyniki eksperymentów wysokociśnieniowych przeprowadzonych przy 6 GPa i 1 800 °C z użyciem precyzyjnie skalibrowanych zestawów wielokowadłowych15. W warunkach eksperymentalnych stop metaliczny Fe-FeS jest całkowicie stopiony, a krzemian (oliwin z San Carlos)...

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.

Symulacja procesów różnicowania wnętrza planety w laboratorium

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest symulacja procesu różnicowania wnętrza planetarnego. Osiąga się to poprzez homogeniczne wymieszanie proszku krzemianu oliwinu i siarczku żelaza. Drugim krokiem jest umieszczenie mieszaniny w układzie komory wysokociśnieniowej.Następnie zespół poddaje się ciśnieniu 6 GPa i podgrzewa do 1 800 °C w urządzeniu wielokowadłowym. Ostatnim krokiem jest odzyskanie próbki i przygotowanie jej do obrazowania 3D. Ostatecznie obraz 3D służy do wizualizacji rozkładu krzemu i stopionego metalu oraz ustalenia, czy ciekły metal może przenikać przez krystaliczny krzem, aby utworzyć jądro.Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu nauk planetarnych, takie jak powstawanie jąder planet poprzez procesy perkolacji. Należy rozpocząć od przygotowania materiałów do symulacji procesu perkolacji. W celu symulacji powstawania jądra, w moździerzu agatowym przygotuj około jednego grama mieszaniny naturalnego krzemianu oliwinu i proszku żelaza metalicznego z zawartością 10% wagowych siarki.W obecności etanolu mielić materiał wyjściowy do uzyskania jednorodnego proszku przez jedną godzinę. Po tym czasie suszyć materiały w temperaturze 100 °C przez jedną godzinę, a następnie wyjąć wysuszony materiał. Po jego ostygnięciu rozpocząć przygotowania do eksperymentów z użyciem wielokowadłowej prasy. Załadować materiał wyjściowy do kapsułki z tlenku glinu CI o średnicy około 1,5 mm i długości 1,5 mm.Następnie umieść kapsułę w zestawie komory wysokociśnieniowej wyposażonej w grzałkę próbki oporową. Komora jest teraz gotowa do umieszczenia w aparaturze wysokociśnieniowej z wielokowadłowymi prasa. Zamontuj zestaw komory w aparaturze i zwiększ ciśnienie próbki do wartości docelowej, w tym przypadku 6 GPa, w oparciu o krzywą kalibracyjną punktu stałego.Następnie należy użyć elektrycznego grzejnika oporowego, aby rozgrzać próbkę do 1 800 °C, która jest temperaturą docelową. W tym doświadczeniu ciśnienie i temperaturę należy utrzymywać przez 12 godzin.Po zakończeniu eksperymentu schłodzić próbkę do temperatury pokojowej poprzez wyłączenie zasilania grzejnika, a następnie powoli, w ciągu sześciu godzin, zwolnić ciśnienie, otwierając zawór oleju hydraulicznego. Na koniec wyjąć zespół wysokociśnieniowy i przeprowadzić analizę próbki z wykorzystaniem skaningowego mikroskopu elektronowego z wiązką jonową (FIB-SEM). Przygotować próbkę do analizy w urządzeniu poprzez jej zamocowanie, wypolerowanie oraz pokrycie powierzchni warstwą węgla.Następnie umieść próbkę w komorze pomiarowej urządzenia. Ustaw próbkę w punkcie zbieżności wiązki jonowej i skaningowego mikroskopu elektronowego przy odległości roboczej 5 mm. Przeprowadź wstępną obróbkę (pre-milling) próbki, aby odsłonić obszar o objętości 15 × 20 × 20 µm³.Następnie kontynuuj trawienie warstw o głębokości 25 nanometrów za pomocą wiązki jonowej. Po usunięciu każdej warstwy wykonaj obraz powierzchni w skaningowym mikroskopie elektronowym. Po zakończeniu trawienia wprowadź pliki z danymi obrazowymi do oprogramowania do wizualizacji i utwórz obrazy 3D w celu analizy. Ta rekonstrukcja 3D przedstawia próbkę hartowaną, która została podgrzana do 1 800 °C przy ciśnieniu 6 GPa.Zaznaczona objętość reprezentuje stop żelaza i siarczku żelaza. Pozostałą część objętości zajmują inkluzje. Objętość wynosi w przybliżeniu pięć na sześć na siedem mikrometrów sześciennych.Obraz pokazuje, że kieszenie stopu metalicznego zostały uwięzione w narożach ziaren krzemianów ze względu na duże kąty dedalne, których wartość, jak tu widać, przekracza 100 stopni. Ta nowa technika obrazowania stanowi potężne narzędzie do precyzyjnego określenia rzeczywistego kąta dedalnego. Poprzez monitorowanie zmian w rozkładzie stopu w funkcji kąta krytycznego, można ją wykorzystać do dokładnego wskazania przejścia z sieci niepołączonych do połączonych w wąskim przedziale składu i ciśnienia.Metoda ta zapewnia również ilościowy pomiar ułamka objętościowego oraz spójności. Przedstawione obrazy 3D pochodzą z próbki hartowanej o różnych stosunkach metalu do krzemianu przy ułamku objętościowym poniżej 5%. Przy wyższych ułamkach objętościowych ciekły metal tworzy izolowane kieszenie, a po ich dalszym rozwoju powstaje sieć powiązań.Technika ta otwiera drogę do badań w dziedzinie eksperymentów, petrologii i nauk planetarnych, umożliwiając badanie procesu formowania się jądra planet poprzez symulacje eksperymentalne w połączeniu z wizualizacjami.

simulation-planetary-interior-differentiation-processes

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Symulacja procesów różnicowania wnętrza planetarnego w laboratorium

Prezentujemy w laboratorium technikę osiągania zderzeń między delikatnymi agregatami pyłu o niskiej i średniej prędkości. W tym celu opracowano dwie konfiguracje próżniowo-wieżowe, które pozwalają na prędkości zderzeń od &lt;0,01 do ~10 m/s. Zdarzenia zderzeniowe są rejestrowane za pomocą obrazowania z dużą prędkością.

Laboratoryjne wieże zrzutowe do eksperymentalnej symulacji zderzeń pyłu z agregatem we wczesnym Układzie Słonecznym

Przedstawiamy procedurę określania podziału pierwiastków syderofilnych na metalowo-krzemianowe, kładąc nacisk na techniki hamujące powstawanie inkluzji metali w eksperymentach dla metali szlachetnych. Wyniki tych eksperymentów są wykorzystywane do wykazania wpływu tworzenia się jądra na wysoce syderofilny skład pierwiastkowy płaszcza.

Podział metalowo-krzemianowy pod wysokim ciśnieniem i temperaturą: metody eksperymentalne i protokół tłumienia wtrąceń pierwiastków wysoce syderofilnych

Opisujemy powstawanie ogrodów chemicznych za pomocą eksperymentów iniekcyjnych, które pozwalają na laboratoryjne symulacje naturalnych chemicznych systemów ogrodowych, które tworzą się w podmorskich kominach hydrotermalnych.

Ogrody chemiczne jako reaktory przepływowe symulujące naturalne systemy hydrotermalne

Symulowaliśmy prekambryjski system upwellingu morskiego w pionowej kolumnie przepływowej na skalę laboratoryjną. Celem było zrozumienie, w jaki sposób profile geochemiczneO2 i Fe(II) ewoluują, gdy cyjanobakterie wytwarzająO2. Wyniki wskazują na powstanie chemokliny w wyniku utleniania Fe(II) przez fotosyntetycznie wytwarzanyO2.

Symulacja laboratoryjna bogatego w żelazo(II) prekambryjskiego systemu upwellingu morskiego w celu zbadania wzrostu bakterii fotosyntetycznych

Minerały występujące w dużych ilościach na ziemi odgrywają ważną rolę w naturalnych systemach hydrotermalnych. W tym miejscu opisujemy wiarygodną i opłacalną metodę eksperymentalnego badania oddziaływań organiczno-mineralnych w warunkach hydrotermalnych.

Eksperymentalny protokół badania wpływu minerałów na organiczne przemiany hydrotermalne

Konwekcja dyfuzyjna (DC) występuje powszechnie w naturalnych procesach i zastosowaniach inżynieryjnych, charakteryzując się szeregiem schodów z jednorodnymi warstwami konwekcji i warstwowymi interfejsami. Opisano procedurę eksperymentalną mającą na celu symulację procesu ewolucji struktury schodów prądu stałego, w tym powstawania, rozwoju i zaniku, w prostokątnym zbiorniku.

Ewolucja konstrukcji klatek schodowych w konwekcji dyfuzyjnej

Analiza morfologii, składu i rozmieszczenia blaszek rozpuszczających może dostarczyć niezbędnych informacji do zrozumienia procesów geologicznych związanych z wulkanizmem i metamorfizmem. Przedstawiamy nowatorskie zastosowanie APT do charakterystyki takich blaszek i porównujemy to podejście z konwencjonalnym zastosowaniem mikroskopii elektronowej i nanotomografii opartej na FIB.

Tomografia atomowa Analiza rozpuszczonych faz mineralnych

Topnienia i płyny są wszechobecnymi wektorami transportu masowego w systemach naturalnych. Opracowaliśmy pakiet open-source do analizy ab initio symulacji dynamiki molekularnej takich systemów. Obliczamy właściwości strukturalne (wiązanie, klasteryzacja, specjacja chemiczna), transportowe (dyfuzja, lepkość) i termodynamiczne (widmo drgań).

Analiza stopów i płynów z symulacji dynamiki molekularnej ab initio za pomocą pakietu UMD

Celem tego protokołu jest tworzenie symulowanych kominów hydrotermalnych za pomocą eksperymentów z wstrzykiwaniem w ogrodzie chemicznym i wprowadzenie gradientu termicznego przez nieorganiczną membranę osadu, za pomocą kondensatora do druku 3D, który można odtworzyć w celach edukacyjnych.

Symulacja kominów hydrotermalnych wczesnej Ziemi w środowisku gradientu termicznego

Laboratoryjne eksperymenty z ocieplaniem gleby zazwyczaj wykorzystują dwie lub więcej stałych temperatur w wielu komorach. Prezentując wyrafinowaną komorę środowiskową, zapewniamy dokładną metodę kontroli temperatury, aby naśladować wielkość i amplitudę temperatury gleby in situ oraz ulepszać eksperymentalny projekt badań inkubacji gleby.

Symulacja temperatury w eksperymencie inkubacji gleby

Poznaj symulację różnicowania wnętrza planety w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury. Metoda łączy eksperymenty wieloanwilowe z zaawansowaną tomografią 3D do wizualizacji dystrybucji krzemianu i stopionego metalu.

Symulacja procesów różnicowania wnętrza planety w laboratorium

Przeglądaj więcej filmów