Summary
ارتفاع الضغط وارتفاع درجة الحرارة التجارب وصفها هنا تقليد الكوكب عمليات التمايز الداخلية. وتصور العمليات وفهمها بشكل أفضل من خلال التصوير ذات الدقة العالية 3D والتحليل الكيميائي الكمي.
Abstract
A الكواكب الداخلية هو تحت ضغط عال ودرجة حرارة عالية وظروف لديها بنية الطبقات. هناك نوعان من العمليات الهامة التي أدت إلى أن بنية الطبقات، (1) الترشيح من المعدن السائل في مصفوفة سيليكات الصلبة بواسطة الكوكب التمايز، و (2) تبلور النواة الداخلية عن طريق الكوكب اللاحقة التبريد. نحن إجراء الضغط العالي والحرارة العالية تجارب لمحاكاة كلتا العمليتين في المختبر. تشكيل الكواكب الأساسية percolative يعتمد على كفاءة الترشيح ذوبان، والتي تسيطر عليها ثنائي السطح (التبول) زاوية. يتضمن محاكاة الترشيح تسخين العينة تحت ضغط عال إلى درجة حرارة الهدف الذي سبائك الحديد الكبريت المنصهر بينما يبقى هو سيليكات الصلبة، ومن ثم تحديد زاوية ثنائي السطح الحقيقي لتقييم النمط من الهجرة السائل في مصفوفة البلورية التي كتبها التصور 3D. ويتحقق حجم 3D تقديم تشريح العينة المستردة مع شعاع تركز أيون (فيبوناتشي) وتا بواسطةالملك SEM صورة كل شريحة بأداة الأفقية الاكذوبه / SEM. تم تصميم المجموعة الثانية من التجارب لفهم جوهر بلورة وعنصر التوزيع الداخلي بين اللب الخارجي السائل والنواة الداخلية الصلبة من خلال تحديد درجة حرارة انصهار وعنصر التقسيم تحت ضغط عال. وتجرى التجارب ذوبان في الجهاز متعدد سندان تصل إلى 27 جيغا وتمتد إلى ارتفاع الضغط في الخلية الماس سندان مع الليزر التدفئة. قمنا بتطوير تقنيات لاستعادة عينات صغيرة يسخن علية الدقة الاكذوبه الطحن والحصول على صور عالية الدقة للبقعة الليزر الساخنة التي تظهر ذوبان الملمس تحت ضغط عال. من خلال تحليل التراكيب الكيميائية للسائل التعايش ومراحل الصلبة، علينا أن نحدد بدقة منحنى liquidus، وتوفير البيانات اللازمة لفهم عملية تبلور النواة الداخلية.
Introduction
الكواكب الأرضية مثل الأرض والزهرة والمريخ وعطارد والهيئات الكواكب متباينة يتكون من عباءة السيليكات والمعدنية الأساسية. تقترح تشكيل نموذج الكوكب الحديثة أن الكواكب الأرضية تشكلت من اصطدام القمر، إلى المريخ بحجم الأجنة الكوكبية نمت من كم الحجم أو أكبر الكويكبات من خلال التفاعلات الجاذبية 1-2. كانت الكويكبات المحتمل متباينة بالفعل مرة واحدة وصلت إلى سبائك الحديد المعدنية ذوبان في درجات الحرارة بسبب التدفئة من مصادر مثل تسوس المشعة النظائر قصيرة العمر مثل 26 و 60 آل الحديد، والأثر، وإطلاق الطاقة الكامنة 3. من المهم أن نفهم كيف يسيل المعدن السائل من خلال مصفوفة سيليكات خلال التمايز في وقت مبكر.
الكوكب التمايز يمكن المضي قدما من خلال كفاءة فصل السائل السائل أو عن طريق الترشيح من المعدن السائل في مصفوفة سيليكات صلبة، وهذا يتوقفعلى حجم ودرجة الحرارة الداخلية من الهيئات الكواكب. والترشيح من المعدن السائل في مصفوفة سيليكات صلبة من المرجح عملية المهيمنة في التفريق الأولي عندما تكون درجة الحرارة ليست عالية بما يكفي لإذابة الجسم الكوكبي بأكمله. كفاءة الترشيح يعتمد على زاوية ثنائي السطح، والتي تحددها الطاقات بينية من واجهات الصلبة الصلبة والصلبة والسائلة. يمكننا محاكاة هذه العملية في المختبر عن طريق إجراء الضغط العالي والحرارة العالية التجارب على خليط من سبائك الحديد والسيليكات. الدراسات الحديثة 4-7 حققت القدرة ترطيب من سبائك الحديد السائل في مصفوفة سيليكات الصلبة تحت ضغط عال ودرجة الحرارة. استخدموا الطريقة التقليدية لقياس توزيع الترددات النسبية لزوايا ثنائي السطح الظاهر بين المعدن السائل مروي والحبوب سيليكات على مصقول المقاطع العرضية لتحديد زاوية ثنائي السطح صحيح. الطريقة التقليدية غلة UNC كبيرة نسبياertainties في زاوية ثنائي السطح قياس والتحيز الممكن اعتمادا على إحصاءات أخذ العينات. هنا نقدم تقنية التصوير الجديدة لتصور توزيع المعدن السائل في مصفوفة سيليكات في ثلاثة أبعاد (3D) من خلال مزيج من الاكذوبه الطحن وعالية الدقة الحقل الانبعاثات SEM التصوير. توفر تقنية التصوير الجديدة التحديد الدقيق لزاوية ثنائي السطح وقياس كمي لحجم جزء والتواصل بين الطور السائل.
تشكلت نواة الأرض في وقت قصير نسبيا (<100 مليون سنة) 8، ويفترض في حالة سائلة في تاريخها في وقت مبكر. يكون المريخ وعطارد أيضا النوى السائل على أساس تشوه المد والجزر الشمسية من مساح المريخ العالمي بيانات تتبع الإذاعة 9 وأنماط الرادار رقطة مرتبطة دوران الكواكب 10، على التوالي. نماذج تطور الحرارية والضغط العالي التجارب ذوبان المواد الأساسية على مواصلة دعم نواة المريخ السائل11-12. توفير البيانات رسول المركبة الفضائية مؤخرا أدلة إضافية للنواة السائل من الزئبق 13. حتى القمر صغيرة من المرجح أن له نواة السائل صغيرة على أساس إعادة تحليل التسجيلات الزلزالية الأخيرة من Appollo القمر 14. النوى الكوكبية السائل تتسق مع تراكم الطاقة العالية في مرحلة مبكرة من تشكيل كوكب الأرض. قد يؤدي التبريد اللاحقة لتشكيل النواة الداخلية الصلبة لبعض الكواكب. وقد كشفت البيانات السيزمية أن الأرض تتكون من اللب الخارجي السائل والنواة الداخلية الصلبة. تشكيل النواة الداخلية آثار هامة بالنسبة لديناميات الأساسية مدفوعا convections الحرارية والتركيبية وتوليد المجال المغناطيسي لكوكب الأرض.
يتم التحكم تصلب النواة الداخلية من درجة حرارة انصهار المواد الأساسية وتطور الحرارية من جوهر. تشكيل نواة من الكواكب الأرضية المشتركة مسارات تراكم مماثلة ويعتبر التركيب الكيميائي للالنوى لبه يهيمن عليها الحديد مع حوالي 10٪ الوزن العناصر الخفيفة مثل (S) الكبريت، والسيليكون (سي)، والأكسجين (O) والكربون (C)، والهيدروجين (H) 15. فمن الضروري أن يكون على معرفة العلاقات ذوبان في النظم ذات الصلة الأساسية، مثل الحديد فاس، الحديد C، الحديد فيو، الحديد FEH، والحديد FeSiat الضغط العالي، من أجل فهم تركيبة النوى الكوكبية. في هذه الدراسة، ونحن سوف تثبت التجارب التي أجريت في جهاز متعدد سندان وخلية الماس سندان، ومحاكاة ظروف النوى الكوكبية. توفير تجارب المعلومات المتعلقة بتسلسل بلورة وعنصر التقسيم بين المعادن الصلبة والسائلة، مما يؤدي إلى فهم أفضل لمتطلبات بلورة النواة الداخلية وتوزيع العناصر الخفيفة بين النواة الداخلية البلورية السائلة والأساسية بها. لتوسيع العلاقات ذوبان إلى ضغوط عالية جدا، ونحن قد وضعت تقنيات جديدة لتحليل عينات مروي تعافى من الليزر يسخن الماس وتجارب الخلايا nvil. مع الدقة الاكذوبه طحن بقعة الليزر التدفئة، علينا أن نحدد ذوبان باستخدام معايير التبريد الملمس تصويرها مع ارتفاع القرار ووزارة شؤون المرأة والتحليل الكيميائي الكمي مع كاشف الانجراف السيليكون في submicron القرار المكانية.
نحن هنا الخطوط العريضة مجموعتين من التجارب لتقليد تشكيل الكواكب الأساسية عن طريق الترشيح من معدني تذوب في مصفوفة سيليكات خلال تراكم المبكر وتبلور النواة الداخلية عن طريق التبريد اللاحقة. ويهدف محاكاة لفهم اثنين من العمليات الهامة خلال تطور الكواكب الأساسية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. إعداد المواد ابتداء وعينة الدوائر
- إعداد نوعين من المواد الأولية، (1) خليط من الزبرجد الزيتوني سيليكات الطبيعية والمعدنية مسحوق الحديد مع 10٪ بالوزن الكبريت (معدن / نسب سيليكات تتراوح 4-30٪ بالوزن) لمحاكاة الترشيح من سبائك الحديد السائل في مصفوفة سيليكات الصلبة خلال تشكيل النواة الأولى لهيئة الكواكب الصغيرة، و (2) خليط متجانس من الارض ناعما الحديد النقي وكبريتيد الحديد لتحديد الكواكب تبلور النواة الداخلية.
- طحن المواد الأولية إلى مسحوق مختلطة غرامة بموجب الإيثانول في هاون العقيق لمدة ساعة واحدة وتجفف في 100 درجة مئوية.
- تحميل المواد بدءا في أهداب الشوق متكلس أو آل 2 O 3 كبسولة (عادة 1.5 ملم وقطرها 1.5 في الطول)، ثم وضعه في التجمع خلية الضغط العالي لتجارب متعددة السندان.
- تحميل خليط الحديد فاس في غرفة عينة صغيرة (عادة 100 ميكرون في القطر و 25 & #181، م في سمك) في حفر طوقا الرنيوم preindented للتجارب الليزر التدفئة في الخلية الماس سندان. ساندويتش خليط الحديد فاس بين طبقات كلوريد الصوديوم التي تكون بمثابة العوازل الحرارية.
2. ارتفاع الضغط وارتفاع درجة الحرارة التجارب في جهاز متعدد السندان
- تتكون الجمعية خلية الضغط العالي متعددة سندان المجسم الثماني أهداب الشوق كوسيلة ضغط، كم ZrO 2 كما عازل حراري، والرنيوم أسطواني أو سخان الجرافيت. الكبسولة عينة تناسبها داخل المدفأة. يتم إدراج الحرارية نوع-C في حجرة العينة لتحديد درجة حرارة العينة.
- وضع التجمع الضغط العالي في جهاز الضغط العالي متعددة لسندان الضغط.
- يتكون الجهاز متعدد سندان من 1،500 طن الهيدروليكية الصحافة وحدة الضغط الذي يحتوي على حلقة التثبيت مع ستة أسافين دفع القابلة للإزالة تشكيل تجويف مكعب في وسط 15. تجويف مكعب ساعةouses ثمانية مكعبات كربيد التنغستن مع زوايا مبتورة. مكعبات اقتطاع، والتي تتلاقى على تجميع الخلايا المجسم الثماني، وفصلها عن بعضها البعض بواسطة جوانات للانضغاط. الكبش الهيدروليكية ينقل القوة بشكل فعال على تجميع عينة قبل مرحلتين التكوين السندان. الشكل 1 يوضح الإجراء التجريبي للتجربة متعددة السندان.
- الضغط على عينة لضغط المستهدف بين 2-27 برنامج العمل العالمي في درجة حرارة الغرفة على أساس الإصلاح نقطة الضغط المعايرة منحنى 16، ومن ثم تسخينها إلى درجات حرارة تصل إلى 2،300 التجريبية ° C بواسطة المقاومة الكهربائية للتدفئة؛ الحفاظ على التجربة في درجة حرارة ثابتة لمدة التجربة، وإيقاف الطاقة لإرواء العينة إلى درجة حرارة الغرفة في نهاية التجربة.
- الافراج عن الضغط ببطء عن طريق فتح صمام الزيت الهيدروليكي واسترداد تهمة التجريبية.
3. تجارب الليزر التدفئة فيالماس سندان الخليوي
- يتم إنشاء الضغط في خلية الماس سندان بين اثنين من جودة الأحجار الكريمة واحدة من الكريستال الماس السنادين (حوالي 0.25 قيراط لكل منهما). نستخدم خلية الماس سندان متماثل لدفع سندنات العكس المنحازة تماما مع نظام مكبس الاسطوانة. الخلية هي قادرة على توليد ضغوط المقابلة لظروف الضغط من صميم الأرض 17. ويتحقق ارتفاع درجة الحرارة عن طريق التسخين ليزر في الخلية الماس سندان. ونحن نستخدم نظام في المصدر فوتون المتقدمة (APS)، والتي تقوم على تقنية الليزر التدفئة الوجهين ويتكون من اثنين من ألياف الليزر والبصريات لتسخين العينة من كلا الجانبين، ونظامان spectroradiometric لقياس درجة حرارة على كلا الجانبين 18. تم تصميم نظام لتوليد بقعة كبيرة التدفئة (25 ميكرون في القطر)، والتقليل من التدرجات درجة حرارة العينة على حد سواء شعاعيا ومحوريا في الخلية الماس سندان، وتحقيق أقصى قدر من الاستقرار التدفئة. يبين الشكل 2 التخطيطيق من التكوين التجريبية للتجربة الليزر التدفئة في الخلية الماس سندان مع صورة للبقعة الليزر التدفئة.
- محاذاة سندنات الماس مع 300 ميكرون culets وpreindent طوقا الرنيوم إلى سمك 30 ميكرون من سمك الأولية من 250 ميكرون.
- حفر حفرة في طوقا preindented التي يبلغ قطرها 120 ميكرون في المركز، وتحميل العينة في حفرة.
- الضغط على العينة المستهدفة لضغط في درجة حرارة الغرفة، ثم تسخين العينة عن طريق زيادة قوة الليزر في حين أخذ قياسات درجات الحرارة في الموقع والأشعة السينية قياسات حيود في منشأة السنكروترون.
- إيقاف قوة الليزر لإرواء العينة عندما يتم الكشف عن ذوبان جزئي عن تغيير في الإشعاع الحراري ومن نمط حيود.
- استرداد العينة ساخنة لتوصيف خارج الموقع.
4. استعادة عينة وتحليل
- موالاتحاد الوطني للعمال العينة متعددة سندان استرجاع في راتنجات الايبوكسي وتلميع سطحه باستخدام مجموعة من الماس ومسحوق حصى من 150 ميكرون إلى 0.25 ميكرون.
- الكربون معطف سطح العينة وتحميله في حجرة العينة صك الأفقية زايس الأعنة الاكذوبه / SEM (الشكل 3A) للتحليل.
- محاذاة العينة إلى نقطة تتزامن من الاكذوبه ووزارة شؤون المرأة على مسافة العمل من 5 مم (الشكل 3B)، ثم premill العينة لفضح حجم 15 × 20 × 20 ميكرون 3 (الشكل 3C).
- التقاط صور SEM في الفترة الفاصلة من 25 نانومتر باستخدام شريحة وظيفة العرض على صك زايس الأعنة الاكذوبه / SEM (تلقائيا تسجيل سلسلة من الصور بعد ايون شعاع الطحن مع دقة وضوح الصورة النموذجية من حوالي 35 نانومتر).
- إدخال ملفات بيانات الصورة إلى برنامج إعادة بناء التصور والصور 3D لتصور توزيع تذوب والاتصال في العينة مروي (الشكل 3D).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
قمنا بإجراء سلسلة من التجارب باستخدام خليط من سان كارلوس الزبرجد الزيتوني والحديد فاس سبيكة معدنية مع مختلف نسب المعادن السيليكات، والمواد الأولية. محتوى S من هذا المعدن هو 10٪ الوزن S. هنا نعرض بعض النتائج ممثل من التجارب الضغط العالي أجريت في 6 برنامج العمل العالمي و1،800 درجة مئوية، وذلك باستخدام معايرة جيدا مجالس متعددة سندان 15. تحت ظروف تجريبية، والسبائك المعدنية الحديد المنصهر فاس هو تماما وسيليكات (سان كارلوس الزبرجد الزيتوني) لا يزال البلورية. الغرض من التجربة هو دراسة كيفية المعدن السائل أن تتسرب من خلال سيليكات البلورية. كفاءة إزالة من سبائك المعدن السائل مصفوفة من سيليكات صلبة تؤثر تأثيرا قويا في توقيت تشكيل النواة وتكوين نواة من خلال التفاعل عباءة النواة. ذلك يعتمد على عتبة الترشيح وزاوية ثنائي السطح. للعينات مع جزء تذوب تحت عتبة الترشيح الحد الأدنى، ميل مترابطةر يمكن أن توجد فقط عند زاوية ثنائي السطح هو أقل من 60 درجة. الشكل 4 يبين إعادة الإعمار 3D من العينة إخماد. زاوية ثنائي السطح لقياس الحديد فاس تذوب في المصفوفة الزبرجد الزيتوني هو فوق 100 درجة، وأكبر من الزاوية الحرجة (60 درجة) الذي يقسم الشبكات غير متصلة ومترابطة. نسبة ذوبان يحسب حوالي 3.3 حجم٪، وهو أقل من عتبة الحد الأدنى الترشيح. يظهر الصورة بوضوح حوصروا في جيوب معدنية تذوب في زوايا الحبوب سيليكات بسبب زاوية ثنائي السطح الكبيرة. وتبين هذه الدراسة جنبا إلى جنب مع الدراسات السابقة 19-20 أن زاوية ثنائي السطح ليذوب الحديد فاس في المصفوفة الزبرجد الزيتوني هو فوق زاوية ثنائي السطح حرجة في الضغوط العالية. والحديد فاس تذوب بالتساوي يوزع في المصفوفة الزبرجد الزيتوني دون تشكيل شبكة تذوب مترابطة.
نظام الحديد فاس مع السلوك انصهار سهل الانصهار وتفضيلية S التقسيم إلى الحديد السائل استخدمت كنظام نموذج لشرح الملاحظات الأساسية للنظام الأساسي للأرض، بما في ذلك اللب الخارجي السائل وتكوين النواة الداخلية الصلبة والقفزة الكبيرة في الكثافة الحدود النواة الداخلية (ICB). فإنه ينطبق على النوى من الكواكب الأرضية مثل المريخ وعطارد أيضا. من أجل تقييم بالتأكيد دور S خلال تشكيل النواة وتطور الأساسية، ويجب علينا أن لديهم معرفة كاملة من العلاقات المرحلة في نظام الحديد فاس بوصفها وظيفة من ضغط يصل إلى الضغوط الأساسية. وقد وفرت تجارب الضغط العالي على العلاقات ذوبان الحديد فاس باستخدام جهاز مكبس الاسطوانة وجهاز متعدد سندان المعرفة الأساسية للعلاقات المرحلة في النظام تصل إلى 25 جيغا 21-25. ومع ذلك، فقد تم الإبلاغ عن خرائط تفصيلية لمنحنيات liquidus في منطقة الحديد الغنية فقط ما يصل الى 14 جيغا 24-25. قمنا بتطوير وسيلة فعالة لرسم خريطة للعلاقات المرحلة في المنطقة الحديد الغنية التي يمكن أن تمتد إلى ضغوط تصل إلى 27 على الأقل برنامج العمل العالمي. الشكل 5 يظهرتجربة ذوبان في 21 جيغا مع اثنين من عينة غرف محملة اثنين من التراكيب انطلاق مختلفة (3٪ بالوزن و 7٪ بالوزن الكبريت). ويبلغ طول العينتين لا يزال أقل من 500 ميكرون، مما يحد إلى التدرج الحراري صغيرة داخل العينة الغرف. في 21 برنامج العمل العالمي و2،023 K، العينة بدءا من 7٪ بالوزن S تم المنصهر تماما مشيرا إلى حالة أعلى من درجة الحرارة liquidus، في حين العينة مع أشكال S 3٪ بالوزن الحديد والحديد-S تذوب مشيرا إلى حالة داخل الحديد الصلب السائل + يومين المنطقة المرحلة. من خلال تحليل التراكيب من مراحل الصلبة وتذوب، منحنى liquidus وتقسيم S بين مراحل الصلبة وتذوب تتحدد على وجه التحديد.
من أجل توسيع نطاق القياسات على العلاقات ذوبان للضغوط حتى أعلى (> 27 جيد جدا)، فمن الضروري استخدام تقنية الليزر التدفئة في الخلية الماس سندان. الجوانب الرئيسية من التجربة هي: (1) استعادة عينة ساخنة الليزر وتلميع وجه التحديد الطرافة بقعة التدفئةح الاكذوبه، (2) الحصول على صور عالية الدقة من بقعة ساخنة ووضع معايير ذوبان، و (3) تحليل التراكيب الكيميائية للمراحل التعايش مع كاشف الانجراف السيليكون (SDD). نحن نستخدم كل من في الموقع الأشعة السينية قياسات حيود والكيميائية خارج الموقع تحليل العينات تعافى لتحديد التراكيب الكيميائية والصهر من مراحل التعايش. يتم إعداد العينات وتحليلها تعافى مع نظام الأفقية زايس الأعنة الاكذوبه / SEM تركيبها في المختبر الجيوفيزيائي. نظام الأفقية يدمج نظام الاكذوبه وحقل الانبعاثات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM-FE) في صك واحد قوي. أنها مجهزة السيليكون كاشف الانجراف التحليلي للتحليل الكيميائي. الشكل يبين 6 العينة مروي من 53 برنامج العمل العالمي، مع وجود بقع ساخنة الليزر تسخينها إلى درجات حرارة مختلفة. لقد المضروب البقع ساخنة للحصول على المعلومات ذوبان الملمس. يبين الشكل 6C القوام ذوبان واضحة، مماثلة لتلك العينة متعددة سندان-مروي، ولكن على نطاق أصغر بكثير. من خلال تحليل التراكيب مرحلتي التعايش، يمكننا تحديد منحنى liquidus وS التقسيم بين الصلبة والسائلة. أظهرت الدراسة أن أنشأنا إجراء التجارب للحصول على بيانات موثوقة ذوبان عالية الجودة من عينات تعافى تسخين الليزر لجنة المساعدة الإنمائية، وتوفير البيانات اللازمة لفهم عملية تبلور النواة الداخلية.
الشكل 1. يتضمن إجراء التجارب إعداد المواد الأولية (A)، تحميل العينة إلى التجمع متعددة سندان (B)، وتجميع السنادين المرحلة الثانية في وحدة الضغط (C)، وإقامة للالضغط الهيدروليكي في الصحافة (D).highres.jpg "الهدف =" _blank "> اضغط هنا لمشاهدة صورة أكبر.
الشكل 2. الخطط من التكوين التجريبية للتجربة الليزر التدفئة في الخلية الماس سندان. وأظهرت صورة لبقعة الليزر ساخنة (20 ميكرون). يمكن جمعها في نمط حيود الوضع الطبيعي تحت ضغط عال ودرجة الحرارة في منشأة الاشعاع السنكروتروني. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .
. الرقم 3 الخطط لجمع بيانات 3D (A) الاكذوبه / SEM الصك الأفقية؛ (ب) المرحلة عينة داخل الاكذوبه / SEM، (ج) إنشاء لتشريح 3D وعرض، و (D) إعادة الإعمار 3D باستخدام برنامج Avizo. حجم المربع المحيط هو 4 × 6 ميكرون ميكرومتر × 5 ميكرون. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .
الشكل 4. إعادة الإعمار 3D من الحديد فاس تذوب في مصفوفة الزبرجد الزيتوني. حجم المربع المحيط هو 5 ميكرومتر ميكرومتر خ خ 6.1 7.2 ميكرون. يمثل حجم سلط الضوء على الحديد تذوب فاسفي حين أن الزبرجد الزيتوني البلورية تحتل حجم شفافة. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .
الرقم 5. ذوبان نتيجة التجربة في نظام الحديد فاس في 21 برنامج العمل العالمي و2،023 K. اثنين من عينة غرف محملة اثنين من التراكيب انطلاق مختلفة (3٪ بالوزن و 7٪ بالوزن الكبريت) أسفرت عن التحديد الدقيق لمنحنيات السائل وS التقسيم بين مراحل الصلبة والسائلة. انقر هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .
الرقم 6. الملةنانوغرام والتصوير من بقعة ساخنة ليزر (أ) صورة من العينة في الخلية سندان الماس في 53 جيغا استنادا كلوريد الصوديوم الضغط مقياس 30. البقع-ساخنة الليزر واضحة في ضوء العاكسة. (B) SEM صورة بقعة التدفئة مروي. يتم عرض ثلاثة مجالات الطحن لفضح بقع ساخنة الليزر. (C) عالية الدقة SEM صورة المنطقة المنصهرة جزئيا في بقعة ساخنة ل2،300 K. نسيج ذوبان هي مشابهة جدا لتلك العينة متعددة سندان مروي، ولكن على نطاق أصغر بكثير. يمثل شريط نطاق 400 نانومتر. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .
الرقم 7. تصميم خمس غرف في عينة شافي 2 لوحة من الزجاج الصغرىأضيف بتاريخ طوقا رد. كل غرفة هو 15 ميكرون في القطر (أصغر من بقعة ليزر) وعمق 15 ميكرون. كل حدود غرفة العينة بشكل فردي، وهو أمر حاسم لمنع الهجرة تذوب بعد ذوبان. يتم تصوير العينة الفردية بعد تعافيه من التجربة الضغط العالي. وتظهر البقع في التدفئة 2،000 K و2،200 K كما تدرج. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
راسخة التقنيات لتجارب متعددة السندان، وتوليد الضغط ودرجة الحرارة مستقرة لفترة طويلة من وقت التشغيل وإنتاج حجم العينة كبير نسبيا. بل هو أداة قوية لمحاكاة العمليات الداخلية من الكواكب، وخاصة بالنسبة للتجارب، مثل ذوبان الترشيح، والتي تتطلب بعض حجم العينة. الحد هو أقصى ضغط يمكن تحقيقه، وتصل إلى 27 جيغا مع كربيد التنغستن (مرحاض) السنادين، والوصول إلى الضغوط الأساسية المريخ وعطارد، ولكن الضغط متدنية للغاية للوصول إلى النوى من الأرض والزهرة. ويمكن تمديد أقصى قدر من الضغط لتحقيق حوالي 100 جيغا باستخدام الماس متكلس توسعية كما سندان 26. نحن اختبار أقل تكلفة المواد سندان جديدة مصنوعة من الماس متكلس وكربيد السيليكون. وأظهرت نتائج الاختبار جيلنا ضغط فعالة مع امكانات كبيرة. نستخدم مكعبات 25 ملم كما سندنات بدلا من التقليدية مكعبات 14 ملم لزيادة حجم العينة في نفس الصحافةمجموعة لدى عودتهم من سندنات WC التقليدية، والذي يفتح فرصة جديدة للأبحاث التجارب التي تتطلب حجم عينة كبيرة، مثل قياسات خصائص النقل وتجميع عينات كبيرة للتطبيقات الصناعية في الضغط العالية التي تحققت.
التصوير 3D يستخدم قدرات مجتمعة من الاكذوبه ووزارة شؤون المرأة لإنتاج عالية الدقة حجم التقديم على مقياس النانو. فمن مكملة لالمقطعي بالأشعة السينية 27-29، ولكن توفير أكبر قرار مكانية عالية. أنه يوفر أداة قوية جديدة ليحدد بدقة زاوية ثنائي السطح صحيح. الأسلوب هو أكثر بكثير من الأسلوب التقليدي 19-20 استنادا إلى قياسات للتوزيعات التردد النسبي للزوايا ثنائي السطح الظاهر بين المعدن السائل مروي والحبوب سيليكات على مصقول 2D المقاطع العرضية. فإنه يوفر المزيد من تفاصيل كل واجهة، والسماح فحص قدرة ترطيب السائل في المصفوفة مع صرخة متعددةمراحل ستال. من خلال الحسابات الكمية، ونحن يمكن الحصول على جزء حجم، ونسبة مساحة السطح، والاتصال. ويمكن أيضا من خلال شبكة 3D إعادة الإعمار استخدامها بوصفها استيراد نموذج واقعي 3D لحسابات أخرى من خصائص النقل مثل النفاذية والتوصيل.
بسبب القرار المكانية العالية، والتصوير 3D تقتصر على تقديم من الحجم الصغير (عادة 20 ميكرون × 20 ميكرون × 20 ميكرون). هذا هو المثل الأعلى للتصوير بقعة الليزر التدفئة في الخلية الماس سندان. لقد التقط بقعة ساخنة ليزر الحديد من العينة تعافى في 3D لتوضيح ذوبان الحديد في ارتفاع الضغط. لقياس زاوية ثنائي السطح في العينة متعددة سندان-استردادها، فمن الضروري لمنع نمو البلورات الكبيرة من أجل الحصول على بيانات 3D ممثل. نحن إجراء تجارب في عصيدة صغيرة محصورةلو غرفة ووقد لاحظ هامة للحد من حجم الكريستال مع غرفة عينة صغيرة لظروف التشغيل نفسها، مقارنة مع غرفة عينة كبيرة. ويفضل حجم عينة صغيرة عندما نحاول الوصول إلى ظروف الضغط الشديد، ولكن نحن بحاجة لضمان التوازن الملمس والتركيب الكيميائي ممثل والتجانس. لتقييم التوازن الملمس، أجرينا تجارب لمدة 6 و 12 ساعة، ولم نلاحظ تغيرات هامة من نسيج في هذه التجارب.
فمن المهم لإعداد المواد الأولية المختلطة متجانس للتجارب DAC-يسخن الليزر بسبب بقعة الليزر التدفئة ليست سوى حوالي 20 ميكرون في القطر. عادة، ونحن مزيج ميكانيكيا الحديد وفاس مسحوق لجعل المواد الأولية مع محتويات S مختلفة. فمن الصعب أن انهيار الحديد مسحوق الحبوب إلى ميكرون الحجم مع أسس الميكانيكية. ونحن كثيرا ما نرى الاختلافات التركيبية من بقعة إلى بقعة التدفئة داخل العينة DAC نفسه. هذا لا يؤثر فقط علىالقدرة على التحكم في التراكيب ابتداء، ولكن أيضا موحدة الليزر اقتران مع العينة. من خلال العديد من محاولات، ونحن الآن جعل مخاليط متجانسة انطلاق بصهر الحديد مخاليط فاس ثم regrounding التهم لغرامة الحبوب وتلبد لهم مرة أخرى. هذا الإجراء يمكن أن يؤدي إلى تكوين متجانسة على المستوى ميكرومتر 2-3. التجانس في النطاق المكاني غرامة لا بد لتحقيق التدفئة موحدة والسيطرة بإحكام تكوين بدء التشغيل.
ويلاحظ والتقلبات في درجات الحرارة كبير على ذوبان شيوعا، والذي يحول دون تحديد دقيق لدرجة حرارة انصهار. ومن المقرر أن تذوب الحراري والهجرة عندما لا يكون هناك حاوية المادية للعينة ساخنة التقلبات في درجات الحرارة. قمنا بتصميم الحاويات عينة صغيرة مع قطر (15 ميكرون)، أصغر من بقعة الليزر (الشكل 7). مثل هذه الحاويات تقليل التدرجات الحرارية ومنعتذوب الهجرة أثناء التسخين. بالإضافة إلى ذلك، في كل حاوية عينات يمكن تسخينها إلى درجات حرارة مستهدفة مختلفة تسيطر عليها بشكل جيد، مما يزيد بشكل كبير من كفاءة التجارب. هذا التصميم هو أن تصبح ممكنة فقط مع الاكذوبه الصغرى تصنيع والعينات يمكن استردادها عن طريق التكنولوجيا الاكذوبه وتحليلها مع ارتفاع القرار ووزارة شؤون المرأة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
أعلن أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
وأيد هذا العمل من قبل وكالة ناسا منحة NNX11AC68G ومؤسسة كارنيجي في واشنطن. أشكر تشانغ تشي لمساعدته في جمع البيانات. وأود أيضا أن أشكر عنات شاهار وفاليري Hillgren للمشاركات مفيدة من هذه المخطوطة.
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 |
References
- Wetherill, G. W. Formation of the terrestrial planets. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 18, 77-113 (1980).
- Chambers, J. E. Planetary accretion in the inner Solar System. Earth and Planetary Science Letters. 223, 241-252 (2004).
- 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).
- 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).
- Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., &Langenhorst, F. Percolative core formation in planetesimals. Earth and Planetary Science Letters. 273, 132-137 (2008).
- 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).
- 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).
- Halliday, A. N., Wood, B. J. How did Earth accrete? Science. 325, 44-45 (2009).
- 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).
- 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).
- Fei, Y., Bertka, C. M. The interior of Mars. Science. 308, 1120-1121 (2005).
- Williams, J. -P., Nimmo, F. Thermal evolution of the Martian core: Implications for an early dynamo. Geology. 32, 97-100 (2004).
- Smith, D. E., Zuber, M. T., et al. Gravity field and internal structure of Mercury from MESSENGER. Science. 336, 214-217 (2012).
- Weber, R. C., Lin, P. -Y., Garnero, E. J., Williams, Q., Lognonné, P. Seismic detection of the Lunar core. Science. 331, 309-312 (2011).
- Li, J., Fei, Y. Experimental constraints on core composition. Geochemistry of the Mantle and Core. Carlson, R. W. , 521-546 (2007).
- Bertka, C. M., Fei, Y. Mineralogy of the Martian interior up to core-mantle boundary pressures. Journal of Geophysical Research. 102, 5251-5264 (1997).
- Tateno, S., Hirose, K., Ohishi, Y., Tatsumi, Y. The structure of iron in Earth's inner core. Science. 330, 359-361 (2010).
- 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).
- Minarik, W. G., Ryerson, F. J., Watson, E. B. Textural entrapment of core-forming melts. Science. 272, 530-533 (1996).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
