Metal-silikat Partitionering ved højt tryk og temperatur: Eksperimentelle metoder og en protokol til Undertryk Meget Siderophile Element Indeslutninger

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

Terrestrisk tilvækst menes at have fundet sted som en række sammenstød mellem planetesimaler med en chondritic bulk-sammensætning, ender i en kæmpe effekt fase tænkte ansvarlig for månen dannelse ^1,2. Opvarmning af proto-Jorden ved stød og henfald af kortlivede isotoper var tilstrækkelig til at forårsage omfattende smeltning og dannelsen af ​​en magma havet eller damme, hvorigennem tætte Fe-rige metalliske smelter kunne stige ned. Efter at have nået bunden af magma ocean, metalliske smelter støder på en rheologisk grænse, stall, og undergår endelige metal-silikat ligevægt før til sidst ned gennem den faste kappe til den voksende kerne ^2. Yderligere kemisk kommunikation mellem metal og silikat faser som metallisk smelte gennemløber den faste del af kappen menes at være udelukket på grund af den store størrelse og hurtig nedstigning af metal diapirs ^3. Denne primære differentiering af Jorden ind i en metallisk kerne og silikat mantle er afsløret i dag af både geofysiske og geokemiske observationer ^{4 – 6.} Fortolkningen af ​​disse observationer til at give plausible betingelser for metal-silikat ligevægt i bunden af ​​en magma ocean, kræver imidlertid en passende database af forsøgsresultater.

Den primitive øvre kappe (PUM) er en hypotetisk reservoir omfatter silikat rest af core dannelse og dens sammensætning afspejler derfor adfærd sporstoffer under metal-silikat ligevægt. Sporstoffer er fordelt mellem metal og silikat smelter under core adskillelse på grundlag af deres geokemiske affinitet. Størrelsen af ​​en elementer præference for metalfasen kan beskrives ved den metal-silikat fordelingskoefficient

(1)

Hvor og betegne koncentrationen af elementet i i metal og silikat smelte hhv. Værdier af > 1 angiver siderophile (jern-elskende) adfærd, og dem <1 lithophile (rock-elskende) adfærd. Skøn over PUM sammensætning viser, at siderophile elementer er udtømte i forhold til chondrites ^7, typisk betragtes som repræsentative for Jordens bulk-sammensætning ^6,8. Denne udtynding skyldes binding af siderophile elementer fra kernen, og til ildfaste elementer dens størrelse direkte bør afspejle værdier . Lab forsøg derfor søge at bestemme værdierne af over en raNSÆ af tryk (P), temperatur (T) og ilt fugacitet (f O ₂₎ forhold, der er relevante for metal adskillelse fra bunden af et magma ocean. Resultaterne af disse eksperimenter kan derpå anvendes til at afgrænse regioner af P – T – f O ₂ plads, der er forenelige med PUM overflod af multiple siderophile elementer (fx ^9-11).

De høje tryk og temperaturer der er relevante for en magma ocean scenario kan genskabes i laboratoriet ved hjælp af enten en stempel-cylinder eller multi-ambolt presse. Apparatet stempel-cylinder giver adgang til moderat tryk (~ 2 GPa) og høj temperatur (~ 2.573 K) betingelser, men giver store prøvevolumener og en række kapselmaterialer til nemt at kunne anvendes. Den hurtige afkølingshastighed tillader også quenching af en række silikat melt sammensætninger til et glas og derved forenkle stofligt fortolkning af run-produkter.Den multi-ambolt apparater typisk beskæftiger mindre prøvevolumener men med egnede montage design kan opnå tryk op til ~ 27 GPa og temperaturer på ~ 3.000 K. Brugen af ​​disse metoder har tilladt partitionering data for mange af de moderat og lidt siderophile elementer til at være indsamlet over et stort udvalg af P – T betingelser. Forudsigelser af PUM sammensætning på grundlag af disse data antyder metal-silikat ligevægt forekom ved gennemsnitlige tryk- og temperaturforhold, der overstiger ~ 29 GPa og 3.000 K henholdsvis, selvom de nøjagtige værdier varierer alt efter model. For at tage højde for PUM overflod af visse redox følsomme elementer (f.eks, V, Cr) f O ₂ menes også at udvikle sig under tilvækst fra ~ 4-2 log enheder under der pålægges ved co-eksisterende jern- og Wustit (FeO ) ved ækvivalente PT betingelser (jern-Wustit buffer) ^12.

Selvom PUM overflod af meventuelle siderophile elementer kan forklares med metal-silikat ligevægt i bunden af ​​et dybt magma ocean, har det vist sig vanskeligt at vurdere, om denne situation gælder også for de højest siderophile elementer (HSEs). Den ekstreme affinitet HSEs for jern-metal angivet ved lavt tryk (P ~ 0,1 MPa) og temperatur (T <1.673 K) eksperimenter antyder silicatet jorden bør kraftigt udtømt i disse elementer. Estimater af HSE indhold til PUM dog indikere, kun en moderat udtømning i forhold til chondrit (figur 1). En almindeligt postuleret løsning på den tilsyneladende HSE overskydende er, at Jorden har oplevet en sen tilvækst af chondritic materiale efter core-formation ^13. Denne sene-accreted materiale ville have blandet med PUM og forhøjede HSE-koncentrationer, men havde en ubetydelig indvirkning på mere rigelige elementer. Alternativt er det blevet foreslået, at den meget siderophile karakter HSEs angivet ved lav P </em> – T eksperimenter ikke fortsætter de høje PT betingelser til stede under core-formation ^14,15. For at teste disse hypoteser, må forsøg udføres for at bestemme opløseligheden og metallegeringer silikat opdeling af HSEs ved passende betingelser. Forurening af silikat del af bratkølede run-produkter i mange tidligere undersøgelser dog har kompliceret run-produkt analyse og tilsløret de sande fordelingskoefficienter for HSEs mellem metal og silikat smelter.

I partitionering eksperimenter, hvor HSEs er til stede ved koncentrationsniveauer passende til naturen, den ekstreme præference af disse elementer til Fe-metal forhindrer deres måling i silikat smelte. For at omgå dette problem, er opløselighed målinger hvori silicat smelten er mættet i HSE af interesse og værdier er beregnet ved hjælp af formalisme Borisov etal. ^16. Slukket silikat køre-produkter fra HSE opløselighed eksperimenter udført på reducerende forhold, dog vise ofte evidens for forurening med spredte HSE ± Fe inklusioner ^17. På trods af den nær allestedsnærværende disse optagelser i lav f O ₂ eksperimenter, der indeholder Pt, Ir, Os, Re og Ru, (fx ^18-27), der er bemærkelsesværdig variation mellem studier i deres stoflige præsentation; sammenligne for eksempel referencer ²² og ^26. Selv om det er blevet påvist, at inklusioner kan danne som er en stabil fase ved køre betingelser for et eksperiment ^28, betyder det ikke, at dannelsen af indeslutninger som prøven slukket. Usikkerhed omkring oprindelsen af ​​indeslutninger gør behandlingen af ​​analyseresultater svært, og har ført til uklarhed over sande opløselighed HSEs i reduceret silikat smelter. Indlægningsfrie run-produkter skal vurderehvilke undersøgelser har vedtaget en analytisk tilgang, der giver præcise opløst HSE koncentrationer. Betydelige fremskridt i at undertrykke dannelsen af metal-optagelser på reducerende betingelser er nu blevet påvist i forsøg med en stempel-cylinder apparat, hvori prøve design blev ændret fra tidligere undersøgelser ved at tilføje enten Au eller Si til udgangsmaterialerne ^29-31. Tilføjelsen af Au eller elementært Si til udgangsmaterialerne ændrer prøven geometri eller f O ₂ evolution af eksperimentet hhv. Disse metoder er beregnet til at undertrykke metal dannelse inklusion ved at ændre timingen af HSE i-diffusion versus reduktion prøve, og er diskuteret i Bennett et al. ^31. I modsætning til nogle tidligere forsøg på at rense silikat smelte af indeslutninger, såsom mekanisk assisteret ligevægt og centrifugering af stempel-cylinder, kan denne protokol gennemføres uden specialiserede tilsynerater og er velegnet til høje PT eksperimenter.

Beskrevet detaljeret her er der en stempel-cylinder-tilgang for at bestemme opløseligheden af Re, Os, Ir, Ru, Pt og Au i silikat smelte ved høj temperatur (> 1.873 K), 2 GPa og en f O ₂ svarende til den i jern-Wustit buffer. Anvendelse af en lignende eksperimentel design kan også vise sig succes i HSE eksperimenter ved andre tryk, der giver de nødvendige fase relationer, fugteegenskaber og kinetiske relationer fortsætter til de valgte betingelser. Eksisterende data er imidlertid ikke tilstrækkelige til at forudsige, om vores prøve design vil blive en succes ved tryk, der svarer til et dybt magma ocean. Også skitseret er en generel tilgang, der anvendes til at bestemme moderat og let siderophile element (MSE og SSE henholdsvis) partitionering ved hjælp af en multi-ambolt enhed. Udvidelse af inklusion-fri datasæt for HSEs til højtryk vil sandsynligvis ansætte lignende multi-ambolt metoder. Together, disse procedurer giver et middel til at begrænse både betingelserne for kerne-segregation og stadier af jordbaserede tilvækst.

Protocol

1) Fremstilling af udgangsmateriale Syntetisk Basalt Bemærk: En basaltisk sammensætning anvendes som silicatet udgangsmateriale som mere depolymeriserede sammensætninger, skønt mere relevant for en magma ocean scenario, er vanskelige eller umulige at slukke til et glas i stempel-cylinder-og multi-ambolt eksperimenter. Afvej de ønskede mængder af oxid komponent eller carbonat (Ca og Na) pulvere, med undtagelse af Fe, og tilføje til en agatmorter (se tabel 1). En Fe-fri b…

Representative Results

De følgende eksempler og diskussion fokuserer på forsøg til bestemmelse af HSE opløselighed i silikat smelter ved lav f O 2. For omfattende eksempler på, hvordan MSE og SSE data partitionering fra multi-ambolt forsøg kan anvendes til at begrænse P – T – f O 2 betingelser core metal segregation, henvises læseren til referencer 9 -. 11 Figur 7B-D viser tilbage spredte elektron billeder fra typiske eksperimentelle run-produkter. I…

Discussion

Resultaterne af inklusion-fri forsøg udført ved anvendelse af de protokoller, der er beskrevet her, er tidligere blevet sammenlignet med data fra litteraturen i referencer ²⁹ (Os, Ir, Au), ³⁰ (Re, Au) og ³¹ (Pt). Pt er mest lærerigt at demonstrere nytten af ​​indlægningsfrie run-produkter. Til eksperimenter køre ved lav f O _2, Ertel et al. ⁴⁸ overdraget indeslutninger til en stabil oprindelse og derfor begrænset reduktion af data til det …

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