Metal-silicaat Partitioning bij hoge druk en temperatuur: experimentele methoden en een protocol bij Highly onderdrukken Siderophile Element Inbegrepen

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

Terrestrial accretie wordt gedacht te hebben plaatsgevonden als een reeks botsingen tussen planetesimalen met een chondritic bulk samenstelling, eindigend in een gigantische impact fase gedacht verantwoordelijk voor de vorming van de maan ^1,2. Verwarming van de proto-aarde door impact en het verval van kortlevende isotopen was voldoende om uitgebreide smelten en de vorming van een magma oceaan of de vijvers waardoor dichte Fe-rijke metallic smelt kon afdalen veroorzaken. Bij het ​​bereiken van de bodem van de oceaan magma, metallic melts geconfronteerd met een reologisch grens, box, ondergaan uiteindelijke metaal- silicaat equilibrium voordat uiteindelijk dalen tot onder het vaste mantel aan de groeiende kern ^2. Verdere chemische communicatie tussen metaal en silicaat fasen metaalsmelt doorkruist het vaste gedeelte van de mantel wordt gedacht te worden uitgesloten vanwege de grote omvang en snelle afdaling van metaal diapirs ^3. Deze primaire differentiatie van de aarde in een metalen kern en silicaat mantle wordt vandaag onthuld door zowel geofysische en geochemische waarnemingen ^4-6. Het interpreteren van deze waarnemingen om plausibele omstandigheden opleveren voor metal-silicaat evenwicht aan de basis van een magma oceaan, vereist echter een adequate database van experimentele resultaten.

De primitieve bovenmantel (PUM) is een hypothetische reservoir bestaande uit de silicaat rest van de kern de vorming en de samenstelling weerspiegelt dan ook het gedrag van sporenelementen tijdens metal-silicaat evenwicht. Spoorelementen zijn verdeeld metaal en silicaat smelt tijdens kern segregatie op grond van hun geochemische affiniteit. De grootte van de elementen voorkeur voor metaalfase kan worden beschreven door de metaal-silicaat verdelingscoëfficiënt

(1)

Waarin en geven de concentratie van element i in metalen en silicaat respectievelijk smelten. Waarden van > 1 geven siderophile (ijzer-liefhebbende) gedrag en die <1 lithophile (rock-liefdevolle) gedrag. Schattingen van de PUM samenstelling tonen aan dat elementen siderophile zijn uitgeput ten opzichte chondrites ^7, meestal beschouwd als vertegenwoordiger van bulk samenstelling van de Aarde ^6,8. Deze uitputting is te wijten aan opslag van siderophile elementen van de kern, en voor vuurvaste elementen zijn omvang moet rechtstreeks weerspiegelen waarden van . Experimenten Lab daarom streven naar waarden te bepalen over een raNSE druk (P), temperatuur (T) en zuurstof fugaciteit (f O ₂₎ aandoeningen die metalen gescheiden van de voet van een magma oceaan relevant zijn. De resultaten van deze experimenten kan dan worden gebruikt om gebieden van P bakenen – T – f O ₂ ruimte die met de PUM overvloed aan verschillende siderophile elementen (bijvoorbeeld ^9-11).

De hoge druk en temperatuur naar een magma oceaan scenario relevant kan worden herschapen in het laboratorium met behulp van een zuiger-cilinder of multi-aambeeld pers. De zuiger-cilinderinrichting toegang tot matige druk (~ 2 GPa) en hoge temperatuur (~ 2573 K) condities, maar maakt grote monstervolumes en diverse capsulematerialen gemakkelijk gebruikt kan worden. De snelle afkoeling tarief maakt ook blussen van een reeks silicaat smelt composities om een ​​glas, waardoor de vereenvoudiging van textuur interpretatie van de run-producten.De multi-aambeeld inrichting kenmerkend gebruik van kleinere monstervolumes maar met geschikte samenstel gemaakte drukken tot ~ 27 GPa en een temperatuur van ~ 3000 K. Het gebruik van deze werkwijzen heeft het mogelijk afscherming data voor veel van de matig en licht siderophile elementen te verwezenlijken verzameld over een groot bereik van P – T omstandigheden. Voorspellingen van de PUM samenstelling op basis van deze gegevens suggereren metal-silicaat evenwicht opgetreden bij gemiddelde druk en temperatuur van meer dan ~ 29 GPa en 3.000 K, respectievelijk, hoewel de exacte waarden zijn afhankelijk van het model. Om rekening te houden met de PUM overvloed van bepaalde redox gevoelige elementen (bijvoorbeeld, V, Cr) de f O ₂ is ook gedacht om te evolueren tijdens de aanwas van ~ 4-2 log eenheden lager dan die opgelegd door co-bestaande ijzer en wustiet (FeO ) bij equivalente PT condities (ijzer-wustiet buffer) ^12.

Hoewel de PUM overvloed aan melke siderophile elementen kan worden verklaard door metaal-silicaat evenwicht op de basis van een diepe magma oceaan, is het moeilijk gebleken om te beoordelen of deze situatie eveneens geldt voor de meest siderophile elementen (HSEs). De extreme affiniteit van de HSEs voor ijzer-metaal wordt aangegeven door lage druk (P ~ 0,1 MPa) en temperatuur (T <1673 K) experimenten suggereert het silicaat aarde moeten sterk worden uitgeput in deze elementen. Schattingen van de HSE inhoud voor PUM wijzen echter slechts een matige afname ten opzichte chondrite (figuur 1). Een vaak geponeerd oplossing voor de schijnbare HSE overtollige is dat de aarde kende een late-aanwas van chondritic materiaal na kern-formatie ^13. Dit laat-opgelopen materiaal zou hebben gemengd met de PUM en verhoogde concentraties HSE maar had een verwaarloosbaar effect op meer overvloedig elementen. Ook is gesuggereerd dat de extreem siderophile aard van HSEs aangegeven door lage P </em> – T experimenten niet aanhouden van de hoge PT voorwaarden aanwezig zijn tijdens kern-formatie ^14,15. Om deze hypothese te testen, moeten proeven worden uitgevoerd om de oplosbaarheid en metaal silicaat verdeling van HSEs bepalen in geschikte omstandigheden. Verontreiniging van de silicaat deel van uitgeblust run-producten in vele eerdere studies heeft echter run-product analyse ingewikkeld en verduisterd de ware verdelingscoëfficiënten voor HSEs tussen metaal en silicaat smelt.

In partitionering experimenten waarbij de HSEs aanwezig in concentratieniveaus geschikt om de natuur te zijn, de extreme voorkeur van deze elementen voor Fe-metal verhindert hun metingen in de silicaat smelt. Om dit probleem te omzeilen, worden oplosbaarheid metingen waarin het silicaat smelt is verzadigd in de HSE van belang en waarden van worden berekend op basis van het formalisme van Borisov etal. ^16. Afgeschrikt silicaat run-producten van HSE oplosbaarheid experimenten uitgevoerd bij reducerende omstandigheden echter vaak bewijs voor verontreiniging weergeven door gedispergeerd HSE ± Fe insluitsels ^17. Ondanks de bijna alomtegenwoordigheid van deze insluitsels in lage f O ₂ experimenten met Pt, Ir, Os, Re en Ru, (bijvoorbeeld ^18-27), is er aanzienlijke variatie tussen studies in de textuur presentatie; Vergelijk bijvoorbeeld referenties ²² en ^26. Hoewel is aangetoond dat insluitsels kan vormen, die een stabiele fase bij de aanloop voorwaarden van een experiment ²⁸ zijn, betekent dit niet dat de vorming van insluitingen als het monster is uitgedoofd. Onzekerheid omtrent de herkomst van insluitsels maakt de behandeling van de analyseresultaten moeilijk, en heeft geleid tot onduidelijkheid over de werkelijke oplosbaarheid van HSEs in verminderde silicaat smelt. -Inclusion free run-producten zijn vereist om te beoordelendie studies hebben een analytische benadering die accurate opgeloste HSE concentraties oplevert aangenomen. Aanzienlijke vooruitgang bij het ​​onderdrukken van de vorming van metaal-insluitsels bij reducerende omstandigheden is nu aangetoond in experimenten met een zuiger-cilinderinrichting, waarbij het ​​monster ontwerp werd aangepast van eerdere studies door toevoeging of Au of Si aan de uitgangsmaterialen ^29-31. De toevoeging van Au of elementair Si de uitgangsmaterialen wijzigt de monstergeometrie of f O ₂ ontwikkeling van het experiment respectievelijk. Deze methoden zijn bedoeld om vorming metal inclusie onderdrukken door het wijzigen van de timing van HSE-diffusie versus monster verminderen, en worden beschreven in Bennett et al. ^31. In tegenstelling tot sommige eerdere pogingen om het silicaat smelt insluitsels, zoals mechanische hulpmiddelen equilibratie en centrifugeren zuiger-cilinder te reinigen, kan de onderhavige protocol zonder speciale appar geïmplementeerdAtus en is geschikt voor hoge PT experimenten.

Beschreven in detail hier is een zuiger-cilinder benadering de oplosbaarheid van Re, Os, Ir, Ru, Pt en Au in silicaat smelt bepalen bij hoge temperatuur (> 1873 K), 2 GPa en een fo ₂ vergelijkbaar met die van ijzer-wustiet buffer. Toepassing van een vergelijkbare experimentele opzet kan ook succesvol blijken in HSE experimenten op andere druk, het verstrekken van de vereiste fase relaties, bevochtigingseigenschappen en kinetische relaties blijven op de gekozen omstandigheden. De bestaande gegevens zijn echter onvoldoende om te voorspellen of onze steekproef ontwerp succesvol bij een druk die overeenkomt met een diepe magma oceaan zal zijn. Ook beschreven is een algemene benadering wordt gebruikt om matig en licht siderophile element (MSE en SSE respectievelijk) partitioneren met behulp van een multi-aambeeld apparaat. Uitbreiding van de opname-vrije dataset voor HSEs aan hoge druk is waarschijnlijk dezelfde multi-aambeeld methoden gebruiken. Together, deze procedures een middel om zowel de voorwaarden van de kern-segregatie en de stadia van de aardse aanwas beperken.

Protocol

1) Voorbereiding van het uitgangsmateriaal Synthetische Basalt Opmerking: Een basalt samenstelling wordt toegepast als het uitgangsmateriaal als silicaat meer gedepolymeriseerde samenstellingen, hoewel relevanter een magma oceaan scenario zijn moeilijk of onmogelijk te blussen met een glas zuiger-cilinder en meerdere aambeeld experimenten. Weeg de gewenste hoeveelheid component oxide of carbonaat (Ca en Na) poeders, behalve Fe en aan een agaat mortier (zie voorbeeld tabel 1). …

Representative Results

De volgende voorbeelden en bespreking gericht op experimenten HSE oplosbaarheid te bepalen silicaat smelt bij lage f O 2. Voor uitgebreide voorbeelden van MSE en SSE afscherming data van meerdere aambeeld experimenten worden gebruikt om de P beperken – T – f O 2 voorwaarden kernmetaal segregatie wordt verwezen naar referenties 9 -. 11 Afbeelding 7B-D toont back verstrooide elektron beelden van typische experimentele run-producten. In e…

Discussion

De resultaten van inclusie vrije experimenten uitgevoerd volgens de hieronder beschreven protocollen eerder vergeleken met literatuurgegevens in referenties ²⁹ (Os, Ir, Au), ³⁰ (Re, Au) en ³¹ (Pt). Pt is het meest leerzaam bij het aantonen van het nut van-inclusie free run-producten. Voor experimenten uitgevoerd op lage f O _2, Ertel et al. ⁴⁸ toegewezen insluitsels om een stabiele oorsprong en daarom beperkt datareductie tot de laagste tellingen pe…

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