Summary

Simulazione del Planetary Interior differenziazione processi in Laboratorio

Published: November 15, 2013
doi:

Summary

Gli esperimenti ad alta pressione e alta temperatura descritte qui imitano processi di differenziazione interni pianeta. I processi sono visualizzati e meglio compresi da alta risoluzione di immagini 3D e analisi chimica quantitativa.

Abstract

Un interno planetario è in condizioni di alta pressione e ad alta temperatura ed ha una struttura a strati. Ci sono due importanti processi che hanno portato a tale struttura stratificata, (1) percolazione di metallo liquido in un solido matrice di silicato dalla differenziazione pianeta, e (2) cristallizzazione nucleo interno dalla successiva pianeta raffreddamento. Noi conduciamo esperimenti ad alta pressione e ad alta temperatura per simulare entrambi i processi in laboratorio. Formazione di percolativo nucleo planetario dipende dall'efficienza di percolazione melt, che è controllata dal diedro (wetting) angolo. La simulazione percolazione comprende riscaldamento del campione ad alta pressione ad una temperatura obiettivo a cui lega di ferro-zolfo è fuso mentre il silicato rimane solido e quindi determinare il vero angolo diedro di valutare lo stile di migrazione liquido in una matrice cristallina da visualizzazione 3D. Il volume rendering 3D si ottiene tagliando il campione recuperato con un raggio di ioni focalizzati (FIB) e tare SEM immagine di ogni fetta con uno strumento trave FIB / SEM. La seconda serie di esperimenti è progettata per comprendere il nucleo di cristallizzazione e elemento distribuzione interna tra il nucleo esterno liquido e solido interno determinando la temperatura di fusione e elemento di partizionamento ad alta pressione. Gli esperimenti sono condotti in fusione dell'apparato multi-incudine fino a 27 GPa ed estese a più alta pressione nella cella diamante-incudine con laser-riscaldamento. Abbiamo sviluppato tecniche per recuperare i piccoli campioni riscaldati con specificità FIB fresatura e ottenere immagini ad alta risoluzione dello spot laser-riscaldata che mostrano fusione struttura ad alta pressione. Analizzando la composizione chimica del liquido coesistenti e fasi solide, abbiamo appunto determinare la curva di liquidus, fornendo i dati necessari per comprendere il processo di cristallizzazione nucleo interno.

Introduction

Pianeti terrestri, come la Terra, Venere, Marte e Mercurio sono corpi planetari differenziati costituiti da un mantello di silicati e di un nucleo metallico. Il moderno modello di formazione dei pianeti suggerisce che i pianeti terrestri sono formate da collisioni di embrioni planetari Luna-to-Mars-sized cresciute da chilometri di dimensioni o più grande planetesimi attraverso le interazioni gravitazionali 1-2. I planetesimi erano probabilmente già differenziati una volta che le leghe di ferro metalliche raggiunto temperatura di fusione a causa del riscaldamento da fonti come il decadimento radioattivo di isotopi a vita breve come 26 Al 60 Fe, impatto, e il rilascio di energia potenziale 3. È importante capire come il metallo liquido percolato attraverso una matrice di silicato durante la prima differenziazione.

Pianeta differenziazione potrebbe procedere attraverso separazione liquido-liquido efficiente o per percolazione di metallo liquido in una matrice di silicato solido, a secondadelle dimensioni e della temperatura all'interno degli organismi planetari. La percolazione di metallo liquido nella matrice di silicato solido è probabile un processo dominante nella differenziazione iniziale quando la temperatura non è sufficientemente elevata per fondere l'intero corpo planetario. L'efficienza di percolazione dipende dall'angolo diedro, determinata dalle energie interfacciali delle interfacce solido-solido e solido-liquido. Possiamo simulare questo processo in laboratorio conducendo esperimenti ad alta pressione e ad alta temperatura su una miscela di lega di ferro e silicati. Recenti studi 4-7 hanno indagato la capacità bagnante di leghe di ferro liquido in una matrice di silicato solido ad alta pressione e temperatura. Hanno usato un metodo convenzionale per misurare la distribuzione di frequenza relativa di angoli diedri apparenti tra il metallo liquido da bonifica grani silicati sulle sezioni lucide per la determinazione del vero angolo diedro. Il metodo convenzionale produce relativamente grande uncertainties dell'angolo diedro misurato e possibili distorsioni seconda delle statistiche di campionamento. Qui presentiamo una nuova tecnica di imaging per visualizzare la distribuzione del metallo liquido nella matrice di silicato in tre dimensioni (3D) mediante combinazione di fresatura FIB ed alta risoluzione emissione di campo dell'imaging SEM. La nuova tecnica di imaging fornisce determinazione precisa dell'angolo diedro e misura quantitativa della frazione volumetrica e la connettività della fase liquida.

Il nucleo della Terra si è formata in un tempo relativamente breve (<100.000 mila anni) 8, presumibilmente in uno stato liquido a sua storia antica. Marte e Mercurio hanno anche nuclei liquidi a base di deformazione di marea solare dai dati di rilevamento della radio Mars Global Surveyor 9 e modelli di radar speckle legati alla rotazione planetaria 10, rispettivamente. Modelli di evoluzione termica ed esperimenti di fusione ad alta pressione sulle materie fondamentali sostenere ulteriormente un nucleo marziano liquido11-12. Dati recenti Messenger veicoli spaziali forniscono ulteriori prove per un nucleo liquido di Mercurio 13. Anche la piccola Luna ha probabilmente un piccolo nucleo liquido a base di recente ri-analisi dei sismogrammi APPOLLO lunari 14. Nuclei planetari liquidi sono coerenti con alta energia di accrescimento nella fase iniziale della formazione dei pianeti. Successivo raffreddamento può portare alla formazione di nucleo interno solido per alcuni pianeti. Dati sismici hanno rivelato che la Terra è costituito da un nucleo esterno liquido e un solido interno. La formazione del nucleo interno ha importanti implicazioni per la dinamica del nucleo guidato da convezione termica e composizione e la generazione del campo magnetico del pianeta.

Solidificazione del nucleo interno è controllata dalla temperatura di fusione dei materiali di base e l'evoluzione termica del nucleo. Formazione del nucleo di pianeti terrestri condiviso percorsi di accrescimento simili e la composizione chimica dei nuclei è considerato abe dominato dal ferro con circa 10% in peso elementi leggeri quali zolfo (S), silicio (Si), ossigeno (O), carbonio (C) e idrogeno (H) 15. E 'essenziale avere conoscenza delle relazioni di fusione nei sistemi pertinenti al nucleo, come Fe-FeS, Fe-C, Fe-FeO, Fe-FEh e alta pressione-Fe FeSiat, al fine di comprendere la composizione i nuclei planetari. In questo studio, dimostreremo esperimenti condotti nel dispositivo multi-incudine e cella di diamante-incudine, simulando le condizioni dei nuclei planetari. Gli esperimenti forniscono informazioni sulla sequenza di cristallizzazione e elemento di partizionamento tra metallo solido e liquido, portando ad una migliore comprensione per le esigenze della cristallizzazione nucleo interno e la distribuzione degli elementi leggeri tra il nucleo interno cristallino e liquido fuori centro. Per estendere i rapporti di fusione a pressioni molto elevate, abbiamo sviluppato nuove tecniche per analizzare i campioni temprati recuperati da laser-riscaldato diamante-aesperimenti sulle cellule nvil. Con precisione FIB fresatura dello spot laser-riscaldamento, determiniamo fusione con criteri trama tempra ripreso con alta risoluzione di SEM e analisi chimica quantitativa con un rivelatore a deriva di silicio al submicron risoluzione spaziale.

Qui delineare due serie di esperimenti per simulare la formazione di base planetaria da percolazione di metallica sciogliersi in matrice di silicato durante l'accrescimento precoce e nucleo interno cristallizzazione successivo raffreddamento. La simulazione è volto a comprendere le due importanti processi durante l'evoluzione del nucleo planetario.

Protocol

1. Preparare materiali di partenza e delle Camere di esempio Preparare due tipi di materiali di partenza, (1) una miscela di olivina silicato naturale e polvere di ferro metallico con 10% in peso di zolfo (metallo / rapporti silicato vanno da 4 a 30% in peso) per simulare percolazione di lega di ferro liquido in una matrice di silicato solido durante la formazione del nucleo iniziale di un piccolo corpo planetario, e (2) una miscela omogenea di ferro puro finemente a terra e solfuro di ferro per la determinaz…

Representative Results

Abbiamo condotto una serie di esperimenti usando miscele di San Carlos olivina e lega metallica Fe-FeS con diversi rapporti metallo-silicati, come materiali di partenza. Il contenuto di S del metallo è del 10% in peso S. Qui vi mostriamo alcuni risultati rappresentativi da esperimenti ad alta pressione eseguiti a 6 GPa e 1.800 ° C, con ben calibrati gruppi multi-incudine 15. Nelle condizioni sperimentali, la lega metallica Fe-FeS è completamente fuso e il silicato (San Carlos olivina) rimane cristallina. L…

Discussion

Le tecniche per gli esperimenti multi-incudine sono ben stabiliti, generando pressione stabile e temperatura per un periodo di tempo di funzionamento prolungato e producendo relativamente grande volume di campione. Si tratta di un potente strumento per simulare i processi interni di pianeti, in particolare per gli esperimenti, come fusione di percolazione, che richiedono un certo volume di campione. La limitazione è la pressione massima raggiungibile, fino a 27 GPa con carburo di tungsteno (WC) incudini, raggiungendo l…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato supportato dalla NASA concessione NNX11AC68G e Carnegie Institution di Washington. Ringrazio Chi Zhang per la sua assistenza con la raccolta dei dati. Ringrazio anche Anat Shahar e Valerie Hillgren per voti recensioni di questo manoscritto.

Materials

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

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

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