تقسيم المعادن سيليكات في ارتفاع الضغط ودرجة الحرارة: الطرق التجريبية وبروتوكول قمع بشدة Siderophile العنصر الادراج

Summary

We present a procedure to determine the metal-silicate partitioning of siderophile elements, emphasizing techniques that suppress the formation of metal inclusions in experiments for the noble metals. The results of these experiments are used to demonstrate the effect of core-formation on the highly siderophile element composition of the mantle.

Abstract

Estimates of the primitive upper mantle (PUM) composition reveal a depletion in many of the siderophile (iron-loving) elements, thought to result from their extraction to the core during terrestrial accretion. Experiments to investigate the partitioning of these elements between metal and silicate melts suggest that the PUM composition is best matched if metal-silicate equilibrium occurred at high pressures and temperatures, in a deep magma ocean environment. The behavior of the most highly siderophile elements (HSEs) during this process however, has remained enigmatic. Silicate run-products from HSE solubility experiments are commonly contaminated by dispersed metal inclusions that hinder the measurement of element concentrations in the melt. The resulting uncertainty over the true solubility and metal-silicate partitioning of these elements has made it difficult to predict their expected depletion in PUM. Recently, several studies have employed changes to the experimental design used for high pressure and temperature solubility experiments in order to suppress the formation of metal inclusions. The addition of Au (Re, Os, Ir, Ru experiments) or elemental Si (Pt experiments) to the sample acts to alter either the geometry or rate of sample reduction respectively, in order to avoid transient metal oversaturation of the silicate melt. This contribution outlines procedures for using the piston-cylinder and multi-anvil apparatus to conduct solubility and metal-silicate partitioning experiments respectively. A protocol is also described for the synthesis of uncontaminated run-products from HSE solubility experiments in which the oxygen fugacity is similar to that during terrestrial core-formation. Time-resolved LA-ICP-MS spectra are presented as evidence for the absence of metal-inclusions in run-products from earlier studies, and also confirm that the technique may be extended to investigate Ru. Examples are also given of how these data may be applied.

Introduction

ويعتقد أن تراكم الأرضية وقعت على شكل سلسلة من التصادمات بين الكويكبات مع تكوين الجزء الأكبر chondritic، تنتهي في مرحلة تأثير العملاقة يعتقد أنها المسؤولة عن تكوين القمر ^1،2. وكانت التدفئة من بروتو الأرض عن طريق الآثار واضمحلال النظائر قصيرة الأجل كافية للتسبب ذوبان واسع وتشكيل محيط الصهارة أو البرك التي من خلالها كثيفة يذوب المعدنية الحديد الغنية يمكن أن تنزل. عند الوصول إلى قاعدة محيط الصهارة، يذوب المعدنية تصادف الانسيابية الحدود، المماطلة، وتخضع النهائي توازن المعادن سيليكات قبل تنازلي نهاية المطاف من خلال عباءة صلبة حتى النخاع المتزايد ^2. الاتصالات الكيميائية مزيد من بين المعدن ومراحل السيليكات كما تذوب معدنية تقطع يعتقد أن الجزء الصلب من عباءة أن يمنع ذلك بسبب الحجم الكبير والنسب السريع لdiapirs المعادن ^3. هذا التمايز الأساسي من الأرض إلى نواة معدنية وMANT سيليكاتوكشفت جنيه اليوم الملاحظات الجيوفيزيائية والجيوكيميائية كلا ^4-6. تفسير هذه الملاحظات أن تحقق شروط معقولة للتوازن المعادن سيليكات في قاعدة محيط الصهارة، ومع ذلك، يتطلب وجود قاعدة بيانات مناسبة من النتائج التجريبية.

عباءة العليا البدائية (PUM) هي خزان افتراضية تتألف من بقايا السيليكات من تشكيل الأساسي، وبالتالي يعكس تكوينه سلوك العناصر النزرة خلال توازن المعادن سيليكات. يتم توزيع العناصر النزرة بين المعدن وسيليكات يذوب خلال فصل الأساسية على أساس قرابتهم الجيوكيميائية. حجم تفضيل العناصر للمرحلة معدن يمكن وصفها من قبل معامل تفريق معدن سيليكات

(1)

أين و دلالة على تركيز العنصر الأول في المعادن وسيليكات تذوب على التوالي. قيم > 1 تشير siderophile السلوك (المحبة الحديد) وهذه <1 lithophile (المحبة الصخور) السلوك. تنضب تقديرات المعرض تكوين PUM أن siderophile عناصر نسبة إلى chondrites ^7، والذي يعتبر عادة ممثلا من تكوين الأرض السائبة ^6،8. ومن المقرر أن عزل العناصر siderophile التي كتبها جوهر هذا الاستنزاف، وعناصر صهر حجمها ينبغي أن تعكس قيم مباشرة . لذا تسعى التجارب المعملية لتحديد قيم أكثر من رانجى من الضغط (P)، ودرجة الحرارة (T) وسرعة الزوال الأكسجين (و O ₂₎ الشروط التي لها صلة العزل المعادن من قاعدة محيط الصهارة. ومن ثم يمكن استخدام نتائج هذه التجارب لتحديد مناطق P – T – و O ₂ المساحة التي تتوافق مع وفرة PUM من عناصر siderophile متعددة (على سبيل المثال، ^9-11).

الضغوط العالية ودرجات الحرارة ذات الصلة لسيناريو محيط الصهارة يمكن صوغه في المختبر باستخدام مكبس اسطوانة أو اضغط متعدد سندان. يوفر جهاز مكبس الاسطوانة الوصول إلى ضغط معتدل (~ 2 جيد جدا) ودرجة حرارة عالية (~ 2573 K) الظروف، ولكن يمكن أحجام عينة كبيرة ومتنوعة من المواد كبسولة ليتم استخدامها بسهولة. يسمح معدل التبريد السريع أيضا تبريد مجموعة من المؤلفات ذوبان سيليكات إلى الزجاج، وبالتالي تبسيط تفسير التكوينية للمنتجات التشغيل.جهاز متعدد سندان عادة توظف أحجام عينات صغيرة ولكن مع تصاميم التجمع مناسبة يمكن تحقيق ضغوط تصل إلى ~ 27 جيغا ودرجات الحرارة ~ 3000 K. استخدام هذه الأساليب قد سمح البيانات التقسيم للعديد من متوسطة وطفيفة siderophile العناصر لتكون تجمع أكثر من مجموعة واسعة من P – شروط T. وتشير التوقعات لتكوين PUM بناء على هذه البيانات حدث توازن المعادن سيليكات بمتوسط ​​ظروف الضغط والحرارة التي تتجاوز 29 ~ برنامج العمل العالمي وK 3000 على التوالي، على الرغم من أن القيم هي بالضبط نموذج التابعة. من أجل تفسير وفرة PUM من العناصر الحساسة الأكسدة معينة (على سبيل المثال، V، CR) و في O ₂ ويعتقد أيضا أن تتطور خلال تراكم من ~ 4-2 وحدات سجل أقل من ذلك الذي تفرضه الحديد تتعايش وwüstite (فيو ) في ظروف PT أي ما يعادل (المخزن المؤقت الحديد wüstite) ^12.

على الرغم من وفرة PUM من ميمكن أن يعزى أي عناصر siderophile عليها توازن المعادن سيليكات في القاعدة من الصهارة أعماق المحيطات، فقد ثبت أنه من الصعب تقييم ما إذا كان ينطبق هذا الوضع أيضا إلى أكثر siderophile غاية العناصر (HSEs). تقارب الشديد في HSEs للحديد والمعادن المشار إليها بواسطة الضغط المنخفض (P ~ 0.1 ميجا باسكال) ودرجة الحرارة (T <1673 K) التجارب تشير إلى أن تستنفد بقوة الأرض سيليكات في هذه العناصر. تقديرات محتوى HSE لPUM، ومع ذلك، تشير فقط استنزاف قريب معتدلة إلى كوندريت (الشكل 1). حل افترض عادة إلى فائض الصحة والسلامة واضحا هو أن الأرض شهدت أواخر تراكم من المواد chondritic اللاحقة لتشكيل النواة ^13. ان هذه المواد في وقت متأخر من يتراكم ومختلطة مع PUM ورفع تركيزات HSE ولكن كان له تأثير يذكر على عناصر أكثر وفرة. بدلا من ذلك، فقد قيل أن طبيعة siderophile للغاية من HSEs أشارت بانخفاض P </em> – تجارب T لا تزال قائمة للشروط PT الحالية المرتفعة خلال النوى تشكيل ^14،15. من أجل اختبار هذه الفرضيات، يجب أن تتم التجارب لتحديد ذوبان والمعادن سيليكات تقسيم HSEs في الظروف المناسبة. تلوث الجزء سيليكات منتجات التشغيل مروي في العديد من الدراسات السابقة ومع ذلك، فقد تعقدت تحليل التشغيل المنتج وتحجب معاملات التقسيم الحقيقية لHSEs بين المعدن ويذوب السيليكات.

في تجارب التقسيم حيث هي موجودة في مستويات التركيز المناسبة لطبيعة HSEs، وتفضيل الشديد من هذه العناصر للالحديد معدن يمنع قياسها في ذوبان سيليكات. للتحايل على هذه المشكلة، يتم إجراء قياسات الذوبان التي تشبع ذوبان سيليكات في HSE المصالح والقيم يتم حسابها باستخدام الشكلية من بوريسوف وآخرونآل ^16. سيليكات مروي المنتجات التشغيل من HSE التجارب الذوبان أجريت في الحد من الظروف، ولكن في كثير من الأحيان عرض الأدلة على التلوث فرقت HSE ± الحديد الادراج ^17. على الرغم من كل مكان القريب من هذه الادراج في منخفض و O ₂ التجارب التي تحتوي على حزب العمال، عير، ونظام التشغيل، وإعادة رو، (على سبيل المثال، ^18-27)، هناك تفاوتا ملحوظا بين الدراسات في عرضها التكوينية. مقارنة على سبيل المثال يحيل الى ²² و ^26. وإن كان قد ثبت أن شوائب يمكن أن تشكل والتي هي مرحلة مستقرة في المدى شروط تجربة ^28، وهذا لا يمنع تشكيل الادراج كما هو مروي العينة. الغموض الذي يلف أصل الادراج يجعل العلاج من النتائج التحليلية صعبة، وأدى إلى غموض على الذوبان الحقيقي للHSEs في خفض سيليكات يذوب. مطلوبة منتجات المدى خالية من إدراج لتقييموقد اعتمد التي دراسات نهج تحليلي يمكن أن ينتج تركيزات HSE المنحل دقيقة. وقد تم الآن أظهرت تقدما كبيرا في قمع تشكيل المعادن الادراج في ظروف الحد في التجارب باستخدام جهاز مكبس الاسطوانة، التي تم تعديل تصميم عينة من الدراسات السابقة عن طريق إما الاتحاد الافريقي أو سي إلى المواد الأولية ^29-31. إضافة الاتحاد الافريقي أو عنصري سي إلى المواد الأولية يغير تطور عينة الهندسة أو و O ₂ التجربة على التوالي. وتهدف هذه الأساليب لقمع تشكيل إدراج المعدن عن طريق تغيير توقيت HSE في نشر مقابل الحد من العينة، ويتم مناقشتها في بينيت وآخرون. ^31. وخلافا لبعض المحاولات السابقة لتطهير ذوبان سيليكات من شوائب، مثل موازنة بمساعدة ميكانيكيا والطرد المركزي مكبس الاسطوانة، لا يمكن تنفيذ هذا البروتوكول دون appar المتخصصةatus وغير مناسبة لإجراء التجارب PT عالية.

وصفت بالتفصيل هنا هو النهج القائم على مكبس الاسطوانة لتحديد ذوبان رد، ونظام التشغيل، عير، رو، وحزب العمال والاتحاد الافريقي في ذوبان سيليكات في درجة حرارة عالية (> 1873 K)، 2 جيغا وو لO ₂ مماثلة لتلك التي المخزن المؤقت الحديد wüstite. تطبيق التصميم التجريبي مماثل قد يكون ناجحا أيضا في تجارب HSE في الضغوط الأخرى، وتوفير العلاقات المرحلة المطلوبة، ترطيب خصائص وتستمر العلاقات الحركية للشروط المختار. ومع ذلك البيانات الموجودة، غير كافية لتوقع ما إذا كان تصميم عينة لدينا وسوف يكون ناجحا في الضغوط المقابلة لالصهارة أعماق المحيطات. أوجز أيضا هو نهج عام يستخدم لتحديد عنصر siderophile متوسطة وطفيفة (MSE وSSE على التوالي) التقسيم باستخدام جهاز متعدد سندان. تمديد بيانات خالية من إدراج لHSEs إلى ارتفاع ضغط ومن المرجح أن استخدام وسائل متعددة سندان-مماثلة. أكسيالأثير، وتوفر هذه الإجراءات وسيلة لتقييد كل الشروط من النوى العزل ومراحل التنامي الأرضية.

Protocol

1) إعداد ابتداء من المواد الاصطناعية البازلت ملاحظة: يتم استخدام تركيبة بازلتية مثل سيليكات ابتداء من المواد والتراكيب أكثر depolymerized، على الرغم من أن أكثر ملاءمة لسيناريو محيط الصهارة، يصعب أو يستحيل لإرواء إلى ال?…

Representative Results

الأمثلة التالية والتركيز على مناقشة التجارب لتحديد HSE الذوبان في سيليكات يذوب في f منخفضة O 2. للحصول على أمثلة شاملة عن كيفية يمكن استخدام MSE والبيانات تقسيم SSE من تجارب متعددة السندان لتقييد P – T – و O 2 ظروف المعادن الأساسية العزل، وعلى ال…

Discussion

وقد سبق مقارنة نتائج التجارب الحرة إدراج تنفيذها باستخدام البروتوكولات المذكورة هنا مع بيانات الأدب في المراجع ²⁹ (OS، عير، والاتحاد الافريقي)، ³⁰ (إعادة والاتحاد الافريقي) و ³¹ (حزب العمال). حزب العمال هو الأكثر المفيد في إثبات جدوى المنتجات المدى خالي?…

Materials

G10 Epoxy/Fiberglass Sheet	Accurate plastics, Inc.	GEES.020N.3648
Powdered starting materials- -Oxides, metals, carbonates	Alfa Aesar	Specific to desired experiment
Castable 2-part MgO ceramic	Aremco	Ceramcast – 584
PTFE Dry Lubricant	Camie-Campbell	2000 TFE-Coat
Graphite resistance heaters	Carbone of America (Now owned by Mersen USA)	Custom Order
Barium Carbonate	Chemical Products Corporation	Custom Order	Calcined free-flowing (CFF) grade
C-Type Thermocouple Wire (W26%Re, W5%Re)	Concept Alloys	N/A	~0.25 mm diameter is suitable for most experiments
Zirconia Cement	Cotronics; Resbond 940 2-part cement	N/A	Use 100 parts powder for every 25 to 28 parts activator
Polyvinyl Acetate (PVA) Glue	e.g Bostik	N/A	Often sold as 'white glue'
Cyanoacrylate Glue	e.g Krazy Glue/Loctite	N/A
Piston cylinder pressure vessel and WC piston	Hi-Quality Carbide Tooling Inc.	Custom Order
Silica Glass Tubing	Quartz Plus	Custom Order
Crushable ZrO2 tubes	Saint-Gobain	Custom Order
Crushable MgO rods and tubes	Saint-Gobain	Custom Order
WC cubes for multi-anvil experiments	Tungaloy	Custom Order	Cubes are grade-F WC alloy
Single hole alumina tube for multi-anvil thermocouple	Vesuvius McDanel	AXS071730-04-06
4-hole alumina tube for piston cylinder thermocouple	Vesuvius McDanel	AXF1159–07-12
4-hole alumina tube for multi-anvil thermocouple	Vesuvius McDanel	AXF1159-04-06