Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Моделирование Планетарного внутренних процессов дифференцировки в лаборатории

Published: November 15, 2013 doi: 10.3791/50778
Automatic Translation
1
1Geophysical Laboratory, Carnegie Institution of Washington

Summary

Эксперименты высокого давления и высокой температуры, описанные здесь, имитировать планеты внутренние процессы дифференциации. Процессы визуализируются и лучше понять, с высоким разрешением 3D визуализации и количественного химического анализа.

Abstract

Планетарной интерьер в условиях высокого давления и высокой температуры и он имеет слоистую структуру. Есть два важных процессов, которые привели к этой слоистой структуры, (1) просачивание жидкого металла в твердом силикатной матрице по планете дифференциации, и (2) внутренняя кристаллизация ядро ​​последующей планеты охлаждения. Мы проводим эксперименты высокого давления и высокой температуры для имитации оба процесса в лаборатории. Формирование перколяционная планетарного ядра зависит от эффективности расплава перколяции, которая контролируется диэдральной (смачивания) углом. Моделирование протекания включает нагревание образца под высоким давлением к целевой температуры, при которой сплав железо-сера расплавлена ​​в то время как силикат остается твердым, а затем определения истинного двугранный угол, чтобы оценить стиль жидкого миграции в кристаллической матрицы на 3D-визуализации. 3D-рендеринга объем достигается за счет нарезки восстановленный образец сфокусированным ионным пучком (FIB) и таКороль РЭМ изображение каждого среза с перекладине инструмента FIB / SEM. Вторая серия экспериментов предназначен понять внутренний кристаллизации и элемент основной дистрибутив между жидким внешним ядром и твердого внутреннего ядра, определяя температуру плавления и элемент перегородки при высоком давлении. Эксперименты плавления проводятся в нескольких наковальни аппарата до 27 ГПа и расширен до более высокого давления в алмазной наковальни клетки с лазерным нагревом. Мы разработали методы для восстановления небольших подогревом образцы по точности FIB фрезерования и получения изображений с высоким разрешением лазерного подогревом месте, которые показывают плавления текстуры при высоком давлении. Анализируя химический состав сосуществующих жидкой и твердой фаз, мы точно определить кривую ликвидуса, обеспечивая необходимые данные, чтобы понять процесс кристаллизации внутреннего ядра.

Introduction

Планеты земной группы, такие как Земли, Венеры, Марса и Меркурия являются дифференцированные планетные тела, состоящие из силикатного мантии и металлического ядра. Современная модель формирования планет говорит о том, что планеты земной группы были сформированы из столкновений Луны к размером с Марс зародыши планет, выращенных из км размера или больше планетезималей через гравитационных взаимодействий 1-2. Планетезималей были всего дифференцированы уже после того, как металлические сплавы железа достиг температуры плавления при нагревании из таких источников, как радиоактивного распада короткоживущих изотопов, таких как 26 Al и 60 Fe, воздействия, а также выпуск потенциальной энергии 3. Важно понимать, как жидкий металл просачивается через силикатной матрице во время ранней дифференцировки.

Planet дифференцирование может пройти через эффективному разделению жидкость-жидкость или путем протекания жидкого металла в твердом силикатной матрице, в зависимостиот размера и внутренней температуры планетарных тел. Просачивание жидкого металла в твердом силикатной матрице, вероятно доминирующим процессом в начальной дифференциации, когда температура недостаточно высока, чтобы расплавить весь планетарное тело. Эффективность фильтрации зависит от двугранного угла, определяемой межфазных энергий твердых тел и твердой и жидкой интерфейсов. Мы можем имитировать этот процесс в лаборатории путем проведения экспериментов высокого давления и высокой температуры на смеси сплава железа и силикатов. Недавние исследования 4-7 исследовали смачивающей способности жидких сплавов железа в твердом силикатной матрице при высоком давлении и температуре. Они использовали обычный способ для измерения относительных распределений частот из очевидных двугранных углов между закаленного жидкого металла и силикатных зерен на полированных сечений для определения истинного двугранного угла. Обычный метод дает относительно большой UNCertainties в измеряемой двугранного угла и возможной предвзятости в зависимости от статистики выборки. Здесь мы представляем новый метод воображения для визуализации распределения жидкого металла в силикатной матрице в трех измерениях (3D) путем сочетания FIB фрезерования и высоким разрешением автоэмиссионного SEM изображений. Новый метод визуализации обеспечивает точное определение двугранного угла и количественной меры объемной доли и связи жидкой фазы.

Ядро Земли была сформирована в течение относительно короткого времени (<100 000 000 лет) 8, предположительно в жидком состоянии на его ранней истории. Марс и Меркурий также жидкие ядра на основе солнечной приливной деформации от слежения радио данных Mars Global Surveyor 9 и моделей радар спекл привязанных к планетарной вращения 10, соответственно. Тепловые модели эволюции и эксперименты плавления высокого давления на основных материалов и далее поддерживать жидкую марсианской ядро11-12. Последние данные Посланник космических аппаратов, дают дополнительные данные для жидкого ядра Меркурия 13. Даже маленькая Луна, скорее всего имеет небольшой жидкое ядро на основе недавнего повторного анализа Аполло лунных сейсмограмм 14. Жидкие планетарные ядер согласуются с высокой аккреционного энергии на ранней стадии формирования планет. Последующее охлаждение может привести к образованию твердого внутреннего ядра для некоторых планет. Сейсмические данные показали, что Земли, состоит из жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра. Формирование внутреннего ядра имеет важные последствия для динамики ядра обусловлен тепловым и композиционных конвекции и генерации магнитного поля планеты.

Затвердевание внутреннего сердечника контролируется температура плавления материалов сердцевины и тепловой эволюции сердечника. Ядро формирование планет земной совместно схожие пути увеличение или химический состав ядер считается бе преобладают железа с приблизительно 10% по весу легких элементов, таких как сера (S), кремний (Si), кислород (O), углерода (С), и водород (Н) 15. Очень важно иметь знание отношений плавления в системах, имеющих отношение к ядра, например, Fe-FeS, Fe-C, Fe-FeO, Fe-Фэ и Fe-FeSiat высокого давления, для того чтобы понять состав планетарные ядра. В этом исследовании, мы продемонстрируем эксперименты, проведенные в нескольких наковальни устройства и алмазной наковальни клетки, имитируя условия планетарных ядер. Эксперименты предоставить информацию о последовательности кристаллизации и элемента распределения между твердой и жидкой металла, что приводит к лучшему пониманию для требований внутренней кристаллизации основной и распределения легких элементов между кристаллической внутреннего ядра и жидкого из ядра. Чтобы продлить отношения плавления до очень высоких давлениях, мы разработали новые методы для анализа закаленных образцов оправился от лазерной подогревом алмазного-асотовые эксперименты nvil. С точностью FIB фрезерования лазерного пятна нагрева, определяем плавления с помощью закалки критерии текстуры вошедшие в образ с высоким разрешением SEM и количественного химического анализа с помощью детектора кремния дрейфа при субмикронного пространственным разрешением.

Здесь мы приводим два набора экспериментов, чтобы имитировать образование планетарной основной перколяцией металлических таять в силикатной матрице во время раннего аккреции и внутренней кристаллизации основной по последующим охлаждением. Моделирование направлена ​​понять две важные процессы в ходе эволюции планетарного ядра.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка исходных материалов и отборных камер

  1. Подготовка двух типов исходных материалов (1) смесь природного силиката оливина и металлического порошка железа с 10 мас% серы (металл / силикатные соотношении от 4 до 30 мас%) для имитации просачивание жидкого сплава железа в твердом силикатной матрице при начальном формировании основного небольшого планетарного тела, и (2) гомогенной смеси тонко заземленной чистого железа и сульфида железа для определения планетарной внутренний кристаллизации сердцевины.
  2. Измельчите исходные материалы до тонкой порошкообразной смеси под этанола в агатовой ступке в течение одного часа и сушили при 100 ° С.
  3. Загрузите исходный материал в спеченного MgO или Al 2 O 3 капсулы (как правило, 1,5 мм в диаметре и 1,5 в длину), а затем поместить его в сборке высокого давления клеток для мульти-наковальни экспериментов.
  4. Загрузите смесь Fe-FeS в небольшой камере для образца (как правило, 100 мкм в диаметре и 25 & #181; м в толщину) пробурена в preindented рения прокладкой для лазерного нагрева экспериментов в алмазной наковальне ячейки. Бутерброд смесь Fe-FeS между слоями NaCl, которые служат теплоизоляционных материалов.

2. Эксперименты высокого давления и высокой температуры в нескольких наковальни аппарата

  1. Мульти-наковальня сборки ячейки высокого давления состоит из октаэдра MgO в качестве среды давления, ZrO 2 рукава, как теплоизолятора, и цилиндрической рения или графитовым нагревателем. Капсула образец помещается внутри нагревателя. Тип-C термопара вставляется в камеру для образца для определения температуры образца.
  2. Поместите сборку высокого давления в нескольких наковальни аппаратов высокого давления для давления.
  3. Мульти-наковальня Аппарат состоит из 1500 тонный гидравлический пресс и модуль давления, которая содержит стопорное кольцо с шестью съемные нажимные клинья образуя кубическую полость в центре 15. Кубический полость чouses восемь кубов карбида вольфрама с усеченными углами. Укороченные кубики, которые сходятся на октаэдр топливных элементов, отделены друг от друга сжимаемыми прокладок. Гидравлический таран передает усилие эффективно на пробы Ассамблеей большинством в две стадии конфигурации наковальне. На рисунке 1 показана экспериментальная процедура для мульти-наковальни эксперимента.
  4. Создать давление образца до заданного давления между 2-27 ГПа при комнатной температуре на основе неподвижной точке калибровки давление кривой 16, а затем нагреть его до экспериментальных температурах до 2300 ° С с электрическим нагревом сопротивления; поддерживать эксперимент при постоянной температуре в течение всего срока эксперимента, и выключить питание, чтобы погасить образца до комнатной температуры в конце эксперимента.
  5. Сбросьте давление медленно, открыв масляный клапан гидравлического и восстановить экспериментальный заряд.

3. Лазерная отопления Эксперименты вАлмаз-наковальня Сотовый

  1. Давление в алмаз-наковальнями генерируется между двумя ювелирного качества монокристаллических алмазных наковален (около 0,25 карата каждый). Мы используем симметричный алмазов наковальни ячейку для привода идеально ровные противоположные наковальни с системой поршень-цилиндр. Клетка способна генерировать давление, соответствующие условиям давления ядра Земли 17. Высокая температура достигается за счет лазерного нагрева в алмазной наковальне ячейки. Мы используем систему в Advance источника фотонов (APS), которая основана на методике отопления лазерного двухсторонней и состоит из двух волоконных лазеров, оптики для нагрева образца с обеих сторон, и два spectroradiometric систем для измерения температуры с обеих сторон 18. Система предназначена для создания большой отопления пятно (25 мкм в диаметре), минимизировать температурные градиенты примеры радиально и аксиально в алмазной ячейке, и максимальной стабильности отопления. Рисунок 2 показывает схематическоес экспериментальной конфигурации для лазерного нагрева эксперимента в алмазной наковальне ячейки с изображением лазерного пятна нагрева.
  2. Выравнивание Алмазные наковальни 300 мкм culets и preindent рения прокладку толщиной 30 мкм от начальной толщины 250 мкм.
  3. Просверлите отверстие в preindented прокладки диаметром 120 мкм в центре, и загрузить образец в отверстие.
  4. Создать давление образца на целевой давлении при комнатной температуре, а затем нагрева образца при увеличении мощности лазера при приеме измерения температуры и измерения дифракции рентгеновских измерений в точке на синхротронного объекта.
  5. Выключить мощности лазера для гашения образец частичное плавление при обнаружении изменением теплового излучения и от дифракционной картины.
  6. Восстановление подогревом образец для ex-situ характеристики.

4. Образец Восстановление и Анализ

  1. МоЕНТ извлеченный мульти-наковальни образца в эпоксидной смоле и полировать свою поверхность, используя набор алмазное зерно порошка от 150 мкм до 0,25 мкм.
  2. Углерод-покрывать поверхность образца и загрузить его в камеру для образца перекладине инструмента Zeiss Auriga FIB / SEM (рис. 3а) для анализа.
  3. Совместите образец совпадающих точке FIB и SEM при рабочем расстоянии 5 мм (рис. 3б), а затем premill образец подвергать объем 15 х 20 х 20 мкм 3 (рис. 3C).
  4. Возьмите SEM изображения с интервалом в 25 нм с использованием кусочек & функция просмотра на инструменте Zeiss Auriga FIB / SEM (автоматически записывать серию изображений после ионно-лучевой фрезерования с типичной разрешения изображения около 35 нм).
  5. Входные файлы данных изображений на программное обеспечение визуализации и реконструировать 3D-изображений для визуализации распределения расплава и подключение в закаленного образца (рис. 3D).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Мы провели серию экспериментов с использованием смеси Сан-Карлос оливина и Fe-FeS металлического сплава с различным соотношением металл-силикатных, в качестве исходных материалов. Содержание S металла 10% по массе С. Здесь показаны некоторые репрезентативные результаты экспериментов высокого давления, выполненных в 6 ГПа и 1800 ° C, с использованием хорошо калиброванные нескольких сборок наковальни 15. В условиях эксперимента, металлический сплав Fe-FeS полностью расплавляется и силикат (Сан-Карлос-оливин) остается кристаллическим. Цель эксперимента заключается в изучении, как жидкий металл будет просачиваться через кристаллического силиката. Эффективность удаления жидких металлических сплавов из твердого силикатной матрице сильно влияет на сроки формирования сердечника и состав ядра и мантии через основной взаимодействия. Это зависит от порога протекания и двугранного угла. Для образцов с фракции расплава ниже минимальной порога протекания, взаимосвязанном мелт может существовать только тогда, когда двугранный угол ниже 60 °. Рисунок 4 показывает 3D реконструкция образца закалки. Измеренная двугранный угол для Fe-FeS расплава в оливина матрицы выше 100 °, больше, чем критический угол (60 °), которая делит не-связанные и взаимосвязанных сетей в. Рассчитанная расплава процент составляет около 3,3% по объему, который является ниже минимального порога перколяции. Изображение ясно показывает, металлические расплавы карманы были пойманы в ловушку в силикатных углах зерна из-за большого двугранного угла. Это исследование вместе с предыдущих исследований 19-20 показывает, что двугранный угол для Fe-FeS тает во оливин матрица выше критической двугранного угла при высоких давлениях. В Fe-FeS расплава равномерно распределяет в оливина матрицы без образования взаимосвязанную сеть расплава.

Система Fe-FeS с эвтектической поведения плавления и льготного S разбиения на жидком железе был использован в качестве модельной системы дляобъяснить основные наблюдения ядра системы Земли, в том числе жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего конфигурации ядра и большого скачка плотности на внутренней границе ядра (ICB). Это также применимо к ядрах планет земной группы, такие как Марс и Меркурий. Для того, чтобы определенно оценить роль S в процессе формирования основного и эволюции ядра, мы должны иметь полное знание фазовых отношений в системе Fe-FeS в зависимости от давления до основных давлениях. Эксперименты высокого давления на Fe-FeS отношений плавления с использованием аппарата поршень-цилиндр и мульти-наковальни устройство предоставили фундаментальные знания фазовых отношений в системе до 25 ГПа 21-25. Однако детальное картирование кривых ликвидуса в железистых регионе только сообщалось до 14 ГПа 24-25. Мы разработали эффективный способ для сопоставления фазовые отношения в железистых регионе, что может быть продлен до давлениях до по крайней мере 27 ГПа. Показано на рисунке 5Эксперимент плавления при 21 ГПа с двумя отборных камер загружалась с двумя различными стартовыми составами (3 мас% и 7 мас% серы). Общая длина двух образцов по-прежнему меньше 500 мкм, ограничивая малого температурного градиента в образце камер. В 21 ГПа и 2023 К, исходный образец с 7 мас% S был расплавленный полностью показывающее состояние выше температуры ликвидуса, в то время как образец с 3 мас% S форм Fe и Fe-S расплава, показывающее состояние в твердого железа + жидкость два- фаза область. Анализируя составы твердых и плавятся фаз, кривой ликвидуса и S распределением между твердой и плавятся фаз точно определены.

В целях расширения измерений на отношениях плавления даже более высокого давления (> 27 ГПа), необходимо использовать технику лазерного нагрева в камере с алмазными наковальнями. Ключевые аспекты эксперимента являются: (1) выделение лазерного нагревается образца и, в частности полировки местная остроумиеч FIB; (2) получения изображений с высоким разрешением с подогревом месте и установление критериев плавления, и (3) анализ химического состава сосуществующих фаз с помощью детектора кремния дрейфа (SDD). Мы используем оба на места рентгеновских дифракционных измерений и экс химических месте в анализ восстановленных образцов для определения температуры плавления и химические составы сосуществующих фаз. Восстановленные образцы подготовлены и проанализированы с перекладина системы Zeiss Auriga FIB / SEM, установленного на геофизической лаборатории. Система перекладине интегрирует систему FIB и автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (FE-SEM) в один мощный инструмент. Это снабжен детектором аналитической кремния дрейфа для химического анализа. Рисунок 6 показывает погашенной пробе от 53 ГПа, с лазерным подогревом пятен нагретых до различных температур. Мы измельчали ​​нагретых мест, чтобы получить плавления информацию о текстуре. Фиг.6С показывает четкие текстуры плавления, аналогично погашенной пробе нескольких наковальни, но в гораздо меньших масштабах. Анализируя составы двух сосуществующих фаз, мы можем определить ликвидуса кривой и S разделение между твердой и жидкой. Исследование показало, что мы создали надежную экспериментальную процедуру для получения данных плавления высококачественные от восстановленных лазерных нагрева образцов КСР, обеспечивая необходимые данные, чтобы понять процесс кристаллизации внутреннего ядра.

Рисунок 1
Рисунок 1. Экспериментальная процедура включает в себя подготовку исходных материалов (А), загрузке образца в нескольких опору в сборе (B), монтаж второго каскада наковальни в модуль давления (С), и настройка давления в гидравлической нажмите кнопку (D).highres.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенное изображение.

Рисунок 2
Рисунок 2. Схемы экспериментальной конфигурации для лазерного нагрева эксперимента в алмазной наковальне ячейки. Изображение лазерной подогревом месте (20 мкм) показан. На месте дифракционной картины могут быть собраны при высоком давлении и температуре при синхротронного излучения объекта. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .

Рисунок 3
.. Рисунок 3 схемы для сбора данных 3D (А) FIB / SEM перекладине инструмент; (Б) этап Образец внутри FIB / SEM (C) Настройка для 3D нарезки и просмотра, и (D) 3D-реконструкция с использованием программного обеспечения Авизо. Размер ограничительной рамки составляет 4 мкм х 6 мкм х 5 мкм. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .

Рисунок 4
Рисунок 4. 3D реконструкция Fe-FeS расплава в оливина матрицы. Размер ограничительной рамки составляет 5 мкм х 6,1 мкм х 7,2 мкм. Выделенный объем представляет собой Fe-FeS расплавав то время как кристаллический оливин занимает прозрачную громкости. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .

Рисунок 5
Рисунок 5. Таяние результат эксперимента в системе Fe-FeS при 21 ГПа и 2023 К. двух отборных камер загружалась с двумя различными стартовыми составами (3 мас% и 7 мас% серы) дали точное определение жидких кривых и S разбиения между твердой и жидкой фаз. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .

Рисунок 6
Рисунок 6. Миллинг и визуализации лазерного подогревом месте. () Изображение образца в камере с алмазными наковальнями в 53 ГПа на основе NaCl шкале давлений 30. Пятна с лазерным подогревом могут видеть в отраженного света. (B) СЭМ-изображение из закаленного нагрева месте. Три фрезерные области показаны разоблачить пятна лазерной нагревается. (C) SEM с высоким разрешением изображение частично расплавленной области в месте, нагретой до 2300 К. Текстура плавления очень похож на закаленном мульти-наковальни образца, но в гораздо меньших масштабах. Масштабная линейка представляет 400 нм. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .

Рисунок 7
Рисунок 7. Проектирование пяти отборных камер в SiO 2 стеклянную пластинку лоaded в прокладке Re. Каждая камера является 15 мкм в диаметре (меньше, чем лазерного пятна) и 15 глубина мкм. Каждая камера ограничивается образец индивидуально, что имеет решающее значение для предотвращения расплава миграции после плавления. Индивидуальные элементы выборки отображаемого после восстановления от эксперимента высокого давления. Отопление пятна на 2000 К и 2200 К приведены в качестве вставок. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Методики для нескольких экспериментов наковальни хорошо известны, создавая стабильное давление и температуру в течение длительного периода времени выполнения и производить относительно большой объем образца. Это мощный инструмент для моделирования интерьера процессы планет, особенно для экспериментов, таких как перколяции расплава, которые требуют определенного объема пробы. Ограничением является максимально достижимая давления, до 27 ГПа с карбида вольфрама (WC) наковальни, достигнув основные давление Марса и Меркурия, но слишком низкого давления для достижения ядер Земли и Венеры. Максимально достижимое давление может быть расширен до примерно 100 ГПа с помощью экспансивной спеченного алмаза в качестве наковальни 26. Мы тестируем менее дорогой новый наковальни материал, изготовленный из твердого алмаза и карбида кремния. Наши результаты испытаний показали эффективную генерацию давления с большим потенциалом. Мы используем 25-мм кубики как наковальни вместо обычного 14-мм кубики, чтобы максимизировать объем образца в том же прессеДиапазон Юр достигается обычными наковален туалет, что открывает новые возможности исследования для экспериментов, которые требуют большого объема образца, таких как измерения транспортных свойств и синтеза больших образцов для промышленного применения при высоком давлении.

3D визуализация использует объединенные возможности FIB и SEM для производства громкости рендеринг с высоким разрешением в нано-масштабе. Это является дополнительным к рентгеновской томографии 27-29, но дают много высокое пространственное разрешение. Эта система обеспечивает новый, мощный инструмент для точного определения истинной двугранный угол. Метод намного более выше, чем традиционной технике 19-20 на основании измерений относительных частотных распределений явных двугранных углов между погашенной жидкого металла и силикатных зерен на полированных 2D сечений. Кроме того, он предоставляет подробную информацию о каждом интерфейсе, позволяя экспертиза смачивающей способности жидкости в матрице с несколькими крикомСталь фазы. Через количественных расчетов, можно получить объемную долю, соотношение площади поверхности и соединения. Сеть 3D путем реконструкции также может быть использован в качестве реального импорта 3D модели для других расчетов транспортных свойств, таких как проницаемость и проводимость.

Из-за его высокого пространственного разрешения, изображения 3D ограничивается оказанием небольшого объема (обычно 20 мкм х 20 мкм х 20 мкм). Это идеальный вариант для работы с изображениями лазерного нагрева место в алмазной наковальне ячейки. Мы отображаемого лазера нагревают место железа из восстановленного образца в 3D, чтобы проиллюстрировать плавление железа при высоком давлении. Для измерения двугранного угла в образце восстановленного мульти-наковальни, необходимо, чтобы предотвратить большой рост кристаллов с целью получения репрезентативных данных 3D. Мы выполняем эксперименты в небольшом замкнутом SAMPле камера и наблюдали значительное уменьшение размера кристалла с небольшой камеры для образца для тех же условиях пробега, по сравнению с большой камере для образца. Небольшой объем образца является предпочтительным, когда мы пытаемся достичь экстремальных условиях давления, но мы должны убедиться, текстуры равновесие и представительный химический состав и однородность. Для оценки текстуры равновесие, были проведены эксперименты на 6 и 12 ч, и не наблюдали значительных изменений текстуры в этих экспериментах.

Важно, чтобы подготовить гомогенно смешивают исходных материалов для лазерной нагревают экспериментов КСР поскольку лазерный нагрев место только около 20 мкм в диаметре. Как правило, мы механически смешать Fe и FeS порошок, чтобы сделать исходных материалов с различным содержанием S. Трудно пробоя Fe порошка зерен микронных размеров с механическим заземления. Мы часто видим, композиционные вариации от отопления места на место в пределах того же образца ЦАП. Это влияет не толькоВозможность контролировать начальные композиции, но также и равномерное лазерного соединение с образцом. Через много попыток, мы в настоящее время составляют однородные стартовые смеси путем плавления смеси Fe-FeS, а затем regrounding обвинения в мелких зерен и спекания их снова. Эта процедура может производить однородную композицию в масштабе 2-3 мкм. Однородность в прекрасном пространственном масштабе необходимо для достижения равномерного нагрева и жестко контролируя исходной композиции.

Большие колебания температуры при плавлении, как правило, наблюдается, что не позволяет точно определить температуры плавления. Флуктуации температуры вследствие конвекции, чтобы расплавить и миграции, когда нет никакого физического контейнер для нагретого образца. Мы разработали маленьких контейнеров для проб с диаметром (15 мкм), меньше, чем лазерного пятна (рис. 7). Такие контейнеры снизить температурные градиенты и предотвратитьпри нагреве плавятся миграции. Кроме того, образцы в каждом контейнере может быть нагрета до контролируемых различных температурах мишени, значительно увеличивая эффективность экспериментов. Такая конструкция становится возможным только с FIB изготовления микро-и образцы могут быть восстановлены с помощью технологии FIB и анализировали с высоким разрешением SEM.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана НАСА грант NNX11AC68G и Института Карнеги в Вашингтоне. Я благодарю Чи Чжан за его помощь в сборе данных. Я также благодарю Анат Шахар и Валери Hillgren за полезные отзывы этого рукописи.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Multi-anvil apparatus Geophysical Lab Home Builder
Diamond-anvil cell Geophysical Lab Home Builder
Laser-heating system APS GSECARS Designed by beamline staff Public beamline
FIB/SEM Crossbeam Carl Zeiss Ltd. Auriga
Avizo 3D software VSG Fire for materials science

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Физика выпуск 81 геофизика планетарная наука геохимии Планетарный интерьер высокого давления планета дифференциация 3D томография
Моделирование Планетарного внутренних процессов дифференцировки в лаборатории
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Fei, Y. Simulation of the Planetary… More

Fei, Y. Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory. J. Vis. Exp. (81), e50778, doi:10.3791/50778 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter