partitionnement de Metal-silicate à haute pression et température: méthodes expérimentales et un protocole à réprimer fortement sidérophile Element Inclusions

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

Accrétion terrestre est censé s'être produit comme une série de collisions entre planétésimaux avec une composition en vrac chondritique, se terminant par une phase de géante impact pensait responsable de la formation de la lune ^1,2. Le chauffage de la proto-Terre par des impacts et de la désintégration des isotopes de courte durée était suffisante pour provoquer une vaste fusion et la formation d'un océan de magma ou étangs à travers lequel denses riches en Fe fond métalliques pourraient descendre. En arrivant au pied de l'océan de magma, fondues métalliques rencontrent une limite rhéologique, décrochage, et subissent finale équilibre silicate de métal avant de finalement descendre à travers le manteau solide pour le noyau de plus en plus ^2. En outre la communication chimique entre le métal et silicate phases comme fondue métallique traverse la partie solide du manteau est pensé pour être exclu en raison de la grande taille et la descente rapide de diapirs métalliques ^3. Cette différenciation primaire de la Terre dans un noyau métallique et Mant silicatele est révélé aujourd'hui par les deux observations géophysiques et géochimiques ^{4 – 6.} L'interprétation de ces observations pour obtenir des conditions plausibles pour l'équilibre de silicate de métal à la base d'un océan de magma, cependant, nécessite une base de données appropriée des résultats expérimentaux.

Le manteau supérieur primitive (PUM) est un réservoir hypothétique comprenant le résidu de silicate de la formation de base et sa composition reflète donc le comportement des éléments traces pendant équilibre silicate de métal. Les oligo-éléments sont répartis entre le métal et silicate fond pendant noyau ségrégation sur la base de leur affinité géochimique. L'ampleur de préférence un des éléments de la phase métallique peut être décrite par le coefficient de partage métal-silicate

(1)

Où et désigner la concentration de l'élément i en métal et silicate fondue respectivement. Les valeurs de > 1 indiquent sidérophile comportement (fer-aimant) et ceux <1 lithophile (rock-aimant) comportement. Les estimations de la composition spectacle de PUM que sidérophile éléments sont épuisés par rapport à chondrites ^7, généralement considérés comme représentatifs de la composition en vrac de la Terre ^6,8. Cet appauvrissement est due à la séquestration des éléments sidérophiles par le noyau, et pour les éléments réfractaires son ampleur devrait refléter directement les valeurs de . expériences de laboratoire cherchent donc à déterminer les valeurs de sur un range de pression (P), la température (T) et la fugacité de l'oxygène (O ₂ f) les conditions qui sont pertinents pour la séparation des métaux à partir de la base d'un océan de magma. Les résultats de ces expériences peuvent alors être utilisées pour délimiter les régions de P – T – f O ₂ l'espace qui sont compatibles avec l'abondance de PUM de plusieurs éléments sidérophiles (par exemple, ^{9 – 11).}

Les pressions et températures élevées pertinentes à un scénario magma de l'océan peuvent être recréées en laboratoire en utilisant soit un piston-cylindre ou presse multi-enclume. Dispositif à cylindre et piston permet d'accéder à une pression modérée (~ 2 GPa) et une température élevée (~ 2573 K) conditions, mais permet aux grands volumes d'échantillon et une variété de matériaux de la capsule pour être facilement utilisés. Le taux de refroidissement rapide permet également trempe d'une gamme de compositions thermofusibles à un verre de silicate, simplifiant ainsi l'interprétation de la texture de la course-produits.L'appareil multi-enclume emploie généralement des volumes d'échantillons plus petits, mais avec des dessins d'assemblage appropriés peut atteindre des pressions allant jusqu'à ~ 27 GPa et des températures de ~ 3000 K. L'utilisation de ces méthodes a permis des données de partitionnement pour beaucoup de l'modérément et légèrement sidérophiles éléments soient recueillies sur une large gamme de conditions P – T. Prédictions de la composition de PUM basé sur ces données suggèrent équilibre silicate de métal produite dans des conditions de pression et de température moyenne de plus de ~ 29 GPa et 3000 K respectivement, bien que les valeurs exactes dépendent du modèle. Afin de tenir compte de l'abondance de PUM de certains redox éléments sensibles (par exemple, V, Cr), le f O ₂ est également pensé pour évoluer au cours de l'accrétion de ~ 4 à 2 unités de log ci-dessous celle imposée par le fer et wüstite co-existante (FeO ) à des conditions équivalentes PT (le tampon de fer-wüstite) ^12.

Bien que l'abondance de PUM de mtous les éléments de sidérophiles peuvent être comptabilisés par l'équilibre de silicate de métal à la base d'un océan de magma en profondeur, il a été difficile d'évaluer si cette situation vaut également pour les éléments les plus hautement sidérophiles (HSE). L'affinité des HSE extrême de fer-métal indiqué par une faible pression (P ~ 0,1 MPa) et la température (T <1673 K) expériences suggèrent la terre de silicate doit être fortement appauvri en ces éléments. Les estimations de la teneur HSE pour PUM, cependant, indiquent qu'une déplétion modérée par rapport à chondrite (Figure 1). Une solution couramment posée à l'excès apparent HSE est que la Terre a connu une fin de l'accrétion de matière chondritique à la suite de la formation de ^base-13. Ce matériau fin-accrétion aurait mélangé avec le PUM et des concentrations élevées HSE mais a eu un effet négligeable sur les éléments les plus abondants. Alternativement, il a été suggéré que la nature extrêmement sidérophile de HSE indiqué par une faible P </em> – T expériences ne persistent pas dans les conditions PT élevés présents lors de la formation de ^base-14,15. Afin de tester ces hypothèses, les expériences doivent être menées afin de déterminer la solubilité et métal-silicate partitionnement du HSE dans des conditions appropriées. La contamination de la partie silicate de run-produits trempés dans cependant de nombreuses études antérieures, a compliqué l'analyse run-produit et occulté les véritables coefficients de partition pour HSE entre métal et silicates fondus.

Dans les expériences de séparation où les HSE sont présents à des niveaux appropriés à la nature de concentration, l'extrême préférence de ces éléments pour Fe-métal empêche leur mesure dans le liquide silicaté. Pour contourner ce problème, des mesures de solubilité sont réalisées dans laquelle la masse fondue de silicate est saturé dans la HSE d'intérêt et les valeurs de sont calculées en utilisant le formalisme de Borisov et. ¹⁶ al. Silicate trempé run-produits de HSE expériences de solubilité réalisées à des conditions de réduction, cependant, affichent souvent des preuves de contamination par dispersé HSE ± Fe inclusions ^17. Malgré la quasi-omniprésence de ces inclusions en basse f O ₂ expériences contenant Pt, Ir, Os, Re et Ru, (par exemple, ^{18 – 27),} il ya une variabilité notable entre les études dans leur présentation de texture; comparer par exemple référence ²² et ^26. Bien qu'il ait été démontré que les inclusions peuvent se former qui sont dans une phase stable aux conditions d'exécution d'une expérience ^{de 28,} cela ne fait pas obstacle à la formation d'inclusions que l'échantillon est trempé. L'incertitude entourant l'origine des inclusions rend le traitement des résultats d'analyse difficile, et a conduit à l'ambiguïté sur la véritable solubilité du HSE en silicate réduit fond. run-produits sans-inclusion sont nécessaires pour évaluerque des études ont adopté une approche analytique qui donne des concentrations de HSE dissous précises. Des progrès considérables dans la suppression de la formation de métal-inclusions à des conditions réductrices a été démontré dans des expériences en utilisant un appareil à piston-cylindre, dans laquelle la conception de l'échantillon a été modifiée à partir d'études précédentes en ajoutant soit Au ou Si les matériaux de départ ^{de 29 à 31.} L'addition de Au ou de Si élémentaire pour les matières de départ, respectivement, modifie la géométrie de l'échantillon ou f O ₂ évolution de l'expérience. Ces méthodes ont pour but de supprimer la formation de l'inclusion de métal en modifiant le moment de la HSE en diffusion par rapport à la réduction de l'échantillon, et sont discutés dans Bennett et al. ^31. Contrairement à certaines tentatives précédentes pour nettoyer la fonte de silicate d'inclusions, telles que l'équilibrage assistée mécaniquement et le piston-cylindre centrifugation, le présent protocole peut être mis en œuvre sans appar spécialiséeatus et est adapté pour des expériences de haute PT.

Décrit en détail ici est une approche fondée sur piston-cylindre pour déterminer la solubilité de Re, Os, Ir, Ru, Pt et Au en liquide silicaté à haute température (> 1873 K), 2 GPa et une f O ₂ similaire à celle de le tampon de fer-wüstite. L'application d'un modèle expérimental similaire peut également se révéler succès dans les expériences HSE à d'autres pressions, en fournissant les relations de phase requis, propriétés de mouillage et les relations cinétiques persister dans les conditions choisies. Les données existantes sont cependant insuffisantes pour prédire si notre conception de l'échantillon sera couronnée de succès à des pressions correspondant à un océan de magma en profondeur. Aussi décrit est une approche générale utilisée pour déterminer modérément et légèrement élément sidérophile (MSE et SSE respectivement) partitionnement en utilisant un dispositif multi-enclume. Extension de l'ensemble de données sans-inclusion pour HSE à haute pression est susceptible d'employer des méthodes multi-enclume similaires. Togéther, ces procédures constituent un moyen de contraindre les deux conditions de base-ségrégation et les étapes de l'accrétion terrestre.

Protocol

1) Préparation du produit de départ Synthétique Basalt Remarque: Une composition basaltique on utilise comme produit de départ un silicate sous forme de compositions dépolymérisés plus, bien que plus pertinente pour un scénario magma de l'océan, sont difficiles ou impossibles à étancher à un verre à piston-cylindre et des expériences multi-enclume. Peser les quantités désirées de l'oxyde ou carbonate composant (Ca et Na) de poudres, à l'exception de Fe, et à ajou…

Representative Results

Les exemples suivants et les débats se concentrent sur ​​des expériences pour déterminer HSE solubilité dans silicate fond à faible f O 2. Pour des exemples détaillés de la façon dont MSE et les données de partitionnement de l'ESS à partir d'expériences multi-enclume peuvent être utilisés pour contraindre le P – T – f O 2 conditions de base ségrégation de métal, le lecteur est renvoyé aux références 9 -. 11 Figure…

Discussion

Les résultats des expériences réalisées libre-inclusion en utilisant les protocoles décrits ici ont déjà été comparés avec les données de la littérature dans les références ²⁹ (Os, Ir, Au), ³⁰ (Re, Au) et ³¹ (Pt). Pt est le plus instructif dans la démonstration de l'utilité de run-produits sans inclusion. Pour les expériences fonctionnent à faible f O _2, Ertel et al. ⁴⁸ inclusions affecté à une origine stable et donc limité…

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