Name: Simulação do Planetary Interior Diferenciação processos laboratoriais (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-15T17:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 4 s
Description: Aprenda a simular processos de diferenciação de interiores planetários usando experimentos de alta pressão e temperatura com imagem 3D. Este método revela a formação de núcleos planetários.

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Este trabalho foi financiado pela NASA concessão NNX11AC68G e da Carnegie Institution de Washington. Agradeço Chi Zhang por sua ajuda com a coleta de dados. Agradeço também Anat Shahar e Valerie Hillgren para útil opiniões deste manuscrito.

1. Prepare Começando Materiais e Chambers Amostra <ol><li> Preparar dois tipos de materiais de partida, (1) uma mistura de olivina de silicato natural e pó de ferro metálico com 10% em peso de enxofre (metal / proporções de silicato que variam de 4 a 30% em peso) para simular infiltração de liga de ferro líquido em uma matriz de silicato sólido durante a formação do núcleo inicial de um pequeno corpo planetário, e (2) uma mistura homogénea de ferro puro finamente fundamentada e sulfureto de ferro para determinar a planetária cristalização núcleo interior. </li><li> Moer os materiais de partida para a mistura em pó fino com menos de etanol em um almofariz de ágata durante uma hora e seca-se a 100 ° C. </li><li> Carregar o material de partida para um teor de MgO sinterizado ou de Al 2 O 3 cápsula (caracteristicamente entre 1,5 mm de diâmetro e 1,5 de comprimento), e, em seguida, colocá-lo em um conjunto de células de alta pressão para os experimentos de multi-bigorna. </li><li> Carregar a mistura de Fe-FeS numa pequena câmara de amostra (tipicamente 100 m de diâmetro e 25 &amp; #181; m de espessura) perfurado em uma junta rénio preindented para os experimentos de aquecimento a laser na célula de diamante-bigorna. Sandwich a mistura de Fe-FeS entre camadas de NaCl, que servem como isolantes térmicos. </li></ol> 2. Experimentos de alta pressão e alta temperatura no aparelho Multi-bigorna <ol><li> O conjunto de células de alta pressão de múltiplos bigorna consiste de um octaedro de MgO como um meio de pressão, uma manga de ZrO2 como o isolamento térmico, e um aquecedor de rénio cilíndrica ou grafite. A cápsula de amostra se encaixa no interior do aquecedor. Um termopar tipo C é inserido na câmara de amostras para determinar a temperatura da amostra. </li><li> Colocar a montagem de elevada pressão num aparelho de alta pressão de múltiplos bigorna para a pressurização. </li><li> O aparelho multi-bigorna consiste de uma prensa hidráulica de 1500 ton e um módulo de pressão, que contém um anel de retenção com seis cunhas impulso removível formando uma cavidade cúbica do centro 15. A cavidade h cúbicoouses oito cubos de carboneto de tungstênio com cantos truncados. Os cubos truncadas, que convergem para a montagem de células octaedro, são separados uns dos outros por juntas compressíveis. O carneiro hidráulico transmite a força eficaz para a montagem de uma amostra de duas fases de configuração de bigorna. Figura 1 ilustra o procedimento experimental para o ensaio de multi-bigorna. </li><li> Pressurizar a amostra a uma pressão entre 2-27 GPa alvo à temperatura ambiente com base na correcção ponto da curva de calibração da pressão 16, e depois aquecê-lo a temperaturas experimentais até 2300 ° C por meio de aquecimento de resistência eléctrica; manter a experiência, a uma temperatura constante para a duração da experiência, e desligar a energia para temperar a amostra para a temperatura ambiente no fim da experiência. </li><li> Solte a pressão lentamente abrindo a válvula de óleo hidráulico e recuperar a carga experimental. </li></ol> 3. Experiências Laser-aquecimento, oDiamond-bigorna celular <ol><li> Pressão em uma célula de diamante bigorna é gerado entre duas único cristal bigornas de diamante gem-qualidade (cerca de 0,25 quilates cada). Nós usamos uma célula diamante bigorna simétrica para impulsionar as bigornas opostos perfeitamente alinhadas com um sistema de pistão-cilindro. A célula é capaz de gerar pressões correspondentes às condições de pressão do núcleo de terra 17. Alta temperatura é conseguida por aquecimento a laser na célula de diamante-bigorna. Usamos um sistema em Advance Photon Source (APS), o qual é baseado num laser de técnica de aquecimento de dupla face e consiste de dois lasers de fibra óptica, para aquecer a amostra a partir de ambos os lados, e dois sistemas de espectroradiometria para as medições de temperatura em ambos os lados 18. O sistema é concebido para gerar uma grande mancha de aquecimento (25 m de diâmetro), para minimizar os gradientes de temperatura das amostras, tanto radialmente e axialmente na bigorna de diamante, e maximizar a estabilidade de aquecimento. Figura 2 mostra esquemáticas da configuração experimental para o experimento de laser de aquecimento na célula diamante bigorna com uma imagem do ponto de laser-aquecimento. </li><li> Alinhar as bigornas de diamante com 300 mM culets preindent e uma junta de rénio para uma espessura de 30 um a partir de uma espessura inicial de 250 um. </li><li> Perfurar um buraco na junta preindented com um diâmetro de 120 um, no centro, e carregar a amostra no orifício. </li><li> Pressurizar a amostra a uma pressão desejada, à temperatura ambiente, e, em seguida, a amostra é aquecida através do aumento da potência do laser, tendo as medições de temperatura e in situ medições de difracção de raios-X, com a instalação de sincrotrão. </li><li> Desactivar a potência do laser para extinguir a amostra quando a fusão parcial é detectada por uma mudança na radiação térmica e a partir do padrão de difracção. </li><li> Recuperar a amostra aquecida para a caracterização ex situ. </li></ol> 4. Recuperação de Amostra e Análise <ol><li> MoUNT amostra multi-bigorna recuperado em resina epóxi e polir sua superfície usando um conjunto de diamantes em pó grão de 150 ï ¿½ a 0,25 mM. </li><li> Carbono-revestir a superfície da amostra e carregá-lo para a câmara de amostra de um instrumento Zeiss viga Auriga FIB / SEM (Figura 3A) para análise. </li><li> Alinhar a amostra para o ponto coincidente de FIB e SEM, a uma distância de trabalho de 5 mm (Figura 3B), e, em seguida, a amostra premill para expor um volume de 15 x 20 x 20 um 3 (Figura 3C). </li><li> Tome MEV em um intervalo de 25 nm usando a fatia &amp; função de visualização no instrumento Zeiss Auriga FIB / SEM (gravar automaticamente uma série de imagens depois de moagem ion-beam com resolução de imagem típica de cerca de 35 nm). </li><li> Entrada dos arquivos de dados de imagens para um software de visualização e reconstruir imagens em 3D para visualizar a distribuição derreter e conectividade na amostra saciada (Figura 3D). </li></ol>

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</ol>

Não há conflito de interesse declarados.

As técnicas para as experiências de várias bigornas estão bem estabelecidos, gerando pressão e temperatura por um período prolongado de tempo de execução estável e produzindo relativamente grande volume de amostra. É uma poderosa ferramenta para simular os processos interiores dos planetas, especialmente para experimentos, tais como derretimento de percolação, que exigem certo volume da amostra. A limitação é a pressão máxima possível, até 27 GPa com carboneto de tungstênio (WC) bigornas, atingindo as pressões do núcleo...

Os planetas terrestres como a Terra, Vênus, Marte e Mercúrio são corpos planetários diferenciados constituídos por um manto de silicato e um núcleo metálico. O modelo de formação do planeta moderno sugere que os planetas terrestres foram formadas a partir de colisões de embriões planetários Lua-a-do tamanho de Marte cultivadas a partir de planetesimais ou maior porte quilômetros através de interações gravitacionais 1-2. Os planetesimais foram provavelmente já diferenciado uma vez que as ligas de ferro metálicos atingido temperatura de fusão devido ao aquecimento a partir de fontes como o decaimento radioativo de isótopos de vida curta, como 26 Al e 60 Fe, impacto e liberação de energia potencial 3. É importante compreender a forma como o metal líquido percolado através de uma matriz de silicato durante a diferenciação precoce. Diferenciação do planeta poderia prosseguir através da separação líquido-líquido eficiente ou por percolação de metal líquido em uma matriz de silicato sólida, dependendodo tamanho e da temperatura no interior dos corpos planetários. A percolação de metal líquido na matriz de silicato sólido é provavelmente um processo dominante na diferenciação inicial, quando a temperatura alta não é suficiente para fundir a totalidade do corpo planetário. A eficiência de filtração depende do ângulo diedro, determinada pelas energias interfaciais das interfaces sólidas-sólido e sólido-líquido. Podemos simular este processo em laboratório através da realização de ensaios de alta pressão e de alta temperatura sobre uma mistura de liga de ferro e silicato. Estudos recentes têm 4-7 investigaram a capacidade de molhagem de ligas de ferro líquido numa matriz sólida de silicato a alta pressão e temperatura. Eles usaram um método convencional para medir as distribuições de freqüência relativa de ângulos diedros aparentes entre o metal líquido temperado e grãos de silicato nas secções transversais polidas para a determinação do verdadeiro ângulo diedro. O método convencional produz relativamente grande uncertainties no ângulo diedro medido e possível viés em função das estatísticas de amostragem. Aqui apresentamos uma nova técnica de imagem para visualizar a distribuição de metal líquido na matriz de silicato em três dimensões (3D) por combinação de moagem FIB e de alta resolução de emissão de campo SEM imagem. A nova técnica de imagem fornece a determinação precisa do ângulo diedro e medida quantitativa da fracção de volume e da conectividade da fase líquida. O núcleo da Terra foi formado em um tempo relativamente curto (&lt;100 milhões de anos) 8, presumivelmente em estado líquido em sua história. Marte e Mercúrio também têm núcleos de líquidos com base em energia solar deformação das marés a partir dos dados de rastreamento de rádio Mars Global Surveyor 9 e padrões salpico radar ligados à rotação planetária 10, respectivamente. Modelos de evolução térmica e experimentos de fusão de alta pressão sobre materiais nucleares apoiar mais um núcleo marciano líquido11-12. Dados recentes sonda MESSENGER fornecem evidências adicionais para um núcleo líquido de Mercúrio 13. Mesmo a pequena Lua provavelmente tem um pequeno núcleo líquido com base em recente reanálise dos Appollo sismogramas lunares 14. Núcleos planetários líquidos são consistentes com alta energia de acreção na fase inicial da formação do planeta. O arrefecimento subsequente pode levar à formação de núcleo interior para alguns planetas. Os dados sísmicos revelaram que a terra consiste de um núcleo de líquido exterior e um núcleo interior. A formação do núcleo interior tem implicações importantes para a dinâmica do núcleo accionado por convecções térmicas e de composição e a geração do campo magnético do planeta. A solidificação do núcleo interior é controlado pela temperatura de fusão dos materiais do núcleo e da evolução térmica do núcleo. Formação do núcleo de planetas terrestres partilhada caminhos semelhantes acreção e a composição química dos núcleos é considerado abe dominados por ferro com cerca de 10% em peso de elementos leves, tais como o enxofre (S), de silício (Si), oxigénio (O), carbono (C) e hidrogénio (H) 15. É essencial ter o conhecimento das relações de fusão dos sistemas relevantes para o núcleo, tal como Fe-FeS, Fe-C, Fe, Fe-FeO-FEH, e Fe-FeSiat alta pressão, a fim de compreender a composição de os núcleos planetários. Neste estudo, iremos demonstrar experiências realizadas no dispositivo multi-bigorna e célula-diamante bigorna, simulando as condições de os núcleos planetários. As experiências fornecem informação sobre a sequência de cristalização e elemento de particionamento entre o metal sólido e líquido, que conduz a uma melhor compreensão das características da cristalização do núcleo interior e a distribuição dos elementos de luz entre o núcleo interior e o núcleo cristalino líquido para fora. Para estender as relações de fusão a pressões muito elevadas, desenvolvemos novas técnicas para analisar as amostras temperadas recuperados de laser-aquecido diamante-aexperiências com células nvil. Com moagem precisão FIB do ponto de laser-aquecimento, que determinam a fusão utilizando critérios textura têmpera fotografada com alta resolução MEV e análise química quantitativa com um detector de desvio de silício em submicron resolução espacial. Aqui destacamos dois conjuntos de experimentos para simular a formação de núcleo planetário por percolação de metálico derretem na matriz silicato durante acreção cedo e cristalização do núcleo interno de resfriamento subseqüente. A simulação tem como objetivo compreender os dois processos importantes durante a evolução do núcleo planetário.

<table><tbody><tr><td>Aparelho multi-bigorna</td><td>Laboratório Geofísico</td><td>Construtor</td><td> </td>de casas</tr> <tr><td>Célula de bigorna de diamante</td><td>Laboratório geofísico Construtor</td><td> </td><td>de casas</td></tr> <tr><td>Sistema de aquecimento a laser</td><td>APS GSECARS</td><td>Projetado pela equipe da linha de luz</td><td> Linha de luz pública</td></tr><tr><td>FIB/SEM Crossbeam</td><td>Carl Zeiss Ltd.</td><td>Auriga</td><td> </td></tr><tr><td>Avizo 3D software</td><td>VSG</td><td>Fire para ciência</td><td> </td>dos materiais</tr></tbody></table>

simulação do planetary interior diferenciação processos laboratoriais

Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

Um interior planetária é, sob condições de alta pressão e de alta temperatura e tem uma estrutura em camadas. Existem dois importantes processos que levaram a que a estrutura em camadas, (1) de percolação de metal líquido numa matriz sólida por silicato planeta diferenciação, e (2) a cristalização do núcleo interior por planeta subsequente arrefecimento. Conduzimos experiências de alta pressão e de alta temperatura para simular os processos em laboratório. Formação de núcleo planetário percolativo depende da eficiência de filtração de fusão, o qual é controlado pelo (molhagem) diedro. A simulação de percolação inclui o aquecimento da amostra a alta pressão a uma temperatura-alvo à qual liga de ferro-enxofre é fundido, enquanto o silicato continua sólida, e, em seguida, determinar o verdadeiro ângulo de diedro para avaliar o modelo de migração de líquido numa matriz cristalina de visualização 3D. A renderização de volume 3D é obtido por corte a amostra recuperado com um feixe focalizado de íons (FIB) e taimagem rei SEM de cada fatia com um instrumento viga FIB / SEM. O segundo conjunto de experiências foi concebido para compreender a cristalização e o elemento de distribuição do núcleo interno entre o núcleo externo líquido e sólido núcleo interior por meio da determinação da temperatura de fusão e o elemento de repartição de pressão elevada. As experiências de fusão são efectuadas no aparelho multi-bigorna até 27 GPa e estendida a uma maior pressão na célula de diamante-bigorna com laser de aquecimento. Nós desenvolvemos técnicas para recuperar pequenas amostras aquecidas por moagem precisão FIB e obter imagens de alta resolução do local laser-aquecido que mostram fusão textura em alta pressão. Ao analisar a composição química do líquido coexistindo e fases sólidas, nós precisamente determinar a curva liquidus, fornecendo os dados necessários para compreender o processo de cristalização do núcleo interno.

Realizamos uma série de experimentos usando misturas de San Carlos olivina e Fe-FeS liga de metal com diferentes proporções de silicato de metal, como as matérias-primas. O teor de S do metal é de 10% em peso de S. Aqui mostramos alguns resultados representativos obtidos em experiências realizadas de alta pressão a 6 GPa e 1800 ° C, utilizando-se bem calibrados conjuntos de multi-bigorna 15. Sob as condições experimentais, a liga metálica Fe-FeS é completamente derretido eo silicato (San Carlos olivina) perma...

As experiências de alta pressão e de alta temperatura aqui descritas imitar processos de diferenciação interior planeta. Os processos são visualizados e melhor compreendido por imagens de alta resolução 3D e análise química quantitativa.

Simulação do Planetary Interior Diferenciação processos laboratoriais

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 ...

O objetivo geral deste procedimento é simular o processo de diferenciação do interior planetário. Isso é realizado primeiramente misturando homogeneamente silicato de olivina, pó de ferro e sulfeto de ferro. O segundo passo é carregar a mistura em um conjunto de célula de alta pressão.Em seguida, o conjunto é pressurizado a seis gigapascal e aquecido a 1.800 graus Celsius em um dispositivo de bigorna múltipla. O passo final é recuperar a amostra e prepará-la para a imagem tridimensional. Em última análise, a imagem tridimensional é usada para visualizar a distribuição de silicone e metal fundido e determinar se o metal líquido pode percolar através do silicone cristalino para formar um núcleo.Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais na ciência planetária, como a formação de núcleos planetários por meio de percolação. Comece preparando os materiais para a simulação do processo de percolação. Na formação do núcleo, prepare cerca de um grama de uma mistura de silicato natural, olivina e pó de ferro metálico com 10 por cento em peso de enxofre em um almofariz de ágata.Sob moagem com etanol, triture o material inicial para obter um pó homogêneo durante uma hora. Após i

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Partitioning Metal-silicato em alta pressão e temperatura: Métodos experimentais e um protocolo para suprimir Altamente sidérophile Elemento Inclusões

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Aprenda a simular processos de diferenciação de interiores planetários usando experimentos de alta pressão e temperatura com imagem 3D. Este método revela a formação de núcleos planetários.

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