Моделирование Планетарного внутренних процессов дифференцировки в лаборатории

Общая цель данной процедуры заключается в моделировании процесса дифференциации недр планеты. Для этого сначала проводят однородное смешивание оливина, силиката, порошка железа и сульфида железа. На втором этапе смесь помещают в сборку ячейки высокого давления.

Затем сборка подвергается сжатию до 6 GPa и нагреву до 1 800 °C в многонаковаленном устройстве. Заключительным этапом является извлечение образца и его подготовка для 3D-визуализации. В итоге полученное 3D-изображение используется для визуализации распределения кремния и расплавленного металла, а также для определения того, может ли жидкий металл просачиваться сквозь кристаллический кремний для формирования ядра.

Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы планетологии, такие как формирование ядер планет посредством перколяции. Начните с подготовки материалов для симуляции процесса перколяции. Для моделирования формирования ядра в ступке из агата приготовьте около одного грамма смеси природного силиката, оливина и порошка металлического железа с 10 вес.% серы.

Перетрите исходный материал в смеси с этанолом до получения однородного порошка в течение одного часа. По завершении этого этапа высушите материалы при температуре 100 °C в течение одного часа, извлеките высушенный материал и после его охлаждения приступите к подготовке экспериментов с использованием многонаковальневого пресса. Поместите исходный материал в капсулу из оксида алюминия, диаметром и длиной приблизительно 1,5 мм.

Затем поместите капсулу в сборку ячейки высокого давления, оснащенную резистивным нагревателем образца. Теперь ячейка готова к установке в многоточечный пресс высокого давления. Установите сборку ячейки в аппарат и создайте давление на образце до целевого значения — 6 GPa, определенного по калибровочной кривой давления по фиксированным точкам.

Также используйте электрический резистивный нагреватель, чтобы довести образец до 1 800 °C — целевой температуры. В данном эксперименте поддерживайте давление и температуру в течение 12 часов.

По завершении эксперимента охладите образец до комнатной температуры, выключив нагреватель, и медленно сбросьте давление в течение шести часов, открывая клапан гидравлического масла. Затем извлеките узел высокого давления; анализ образца проводится с использованием сканирующего электронного микроскопа с фокусированным ионным пучком. Подготовьте образец для исследования в приборе, закрепив и отполировав его, а затем нанеся углеродное покрытие на поверхность.

Затем поместите его в камеру для образцов прибора. Совместите образец в точке пересечения сфокусированного ионного пучка и сканирующего электронного микроскопа при рабочем расстоянии 5 mm. Выполните предварительное фрезерование образца, чтобы обнажить объем 15 × 20 × 20 µm³.

Затем продолжайте использовать ионный пучок для фрезерования слоев глубиной 25 нанометров. После удаления каждого слоя сделайте снимок обнажившейся поверхности с помощью сканирующего электронного микроскопа. По завершении фрезерования введите файлы данных изображений в программное обеспечение для визуализации и создайте 3D-изображения. Эта 3D-реконструкция выполнена для образца закалки, который был нагрет до 1 800 градусов Цельсия при давлении шесть гигапаскалей.

Выделенный объем представляет собой расплав железа и сульфида железа. Остальная часть объема занята включением. Размер объема составляет примерно пять на шесть на семь кубических микрометров.

На изображении видно, что карманы металлического расплава оказались заблокированы в углах силикатных зерен из-за больших дедальных углов, величина которых, как показано здесь, превышает 100 градусов. Этот новый метод визуализации представляет собой мощный инструмент для точного определения истинного дедального угла. Мониторинг изменения распределения расплава при прохождении критического угла позволяет точно определить переход от несвязных к связным сеткам в узком интервале составов и давлений.

Данный метод также обеспечивает количественную оценку объемной доли и связности. Эти 3D-изображения представляют собой закаленный образец с различными соотношениями металл-силикат при объемной доле ниже 5%. При более высоких значениях объемной доли жидкий металл образует изолированные полости, а после их развития формируется взаимосвязанная сеть.

Данный метод открывает возможности для исследований в области экспериментальной петрологии и планетологии, позволяя изучать процессы формирования ядер планет с помощью экспериментального моделирования в сочетании с визуализацией.