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Chemistry

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

Published: June 13, 2015 doi: 10.3791/52725
Automatic Translation
1,2, 1, 2
1Department of Earth Science, University of Toronto, 2Geophysical Laboratory, Carnegie Institution of Washington

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 Equation 1

Equation 2 (1)

Où Équation 3 et Equation 4 désigner la concentration de l'élément i en métal et silicate fondue respectivement. Les valeurs de Equation 5 > 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 Equation 5 . expériences de laboratoire cherchent donc à déterminer les valeurs de Equation 5 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 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 Equation 5 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.

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Protocol

1) Préparation du produit de départ

  1. 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.
    1. Peser les quantités désirées de l'oxyde ou carbonate composant (Ca et Na) de poudres, à l'exception de Fe, et à ajouter un mortier en agate (voir exemple dans le tableau 1). Un mélange Fe sans pesée ~ 4 g devrait fournir du matériel de départ suffisant pour une suite complète d'expériences.
    2. Ajouter de l'éthanol au mortier en agate jusqu'à ce que les poudres sont submergées puis moudre pendant au moins 2 heures à l'aide d'un pilon en agate à homogénéiser à la fois la taille de la composition et le grain du mélange.
      Note: L'homogénéité des compositions de base de départ peut être vérifiée en examinant une pastille pressée du mélange en poudre avec un micro électronique à balayageroscope équipé pour analyse de la composition par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie.
    3. Une fois homogénéise, placer le mortier sous une lampe thermique de 250 W, à une distance de ~ 20 cm. Après le mélange en poudre est sèche, ce qui peut prendre 20-60 minutes, transférer soit une alumine ou mullite (un silicate d'aluminium) creuset.
    4. Pour décarbonater le mélange, placer le creuset avec le mélange en poudre dans un four de boîte à température ambiante et la rampe de 1 273 K au cours de 3-5 heures. Laisser reposer le mélange dans le four à 1273 KO / N.
    5. Retirer le mélange décarbonatée de la boîte four et laisser refroidir à température ambiante. Une fois refroidi, peser et ajouter du fer au mélange soit comme FeO ou Fe 2 O 3 poudre (voir le tableau 1). Faire varier le rapport de FeO en Fe 2 O 3 tout en maintenant la teneur totale en Fe même permet à l'O 2 f finale de l'échantillon à être modifiée. Pour accéder plus des conditions réductrices, et dans toutes les expériences pour étudier Pt, également ajouter ~ 0,5 à 2,0% en poids de Si au mélange. Une fois Fe (± Si) a été ajouté, re-homogénéiser le mélange par broyage à nouveau sous l'éthanol avec un mortier d'agate et d'un pilon.
    6. Sécher le mélange homogénéisé sous une lampe de chaleur et la transférer ensuite dans un flacon de coquille. Conserver dans un dessiccateur jusqu'au moment de charger la capsule échantillon.
  2. Metallic Phase: Re, Os, Ir, Ru expériences
    1. Pour les expériences destinées à étudier Re, Os, Ir ou Ru, préparer un mélange 3: Au et le HSE d'intérêt, à l'aide de haute pureté des poudres métalliques: 1 en poids (1 pour Ru, pour tenir compte de la différence de masse atomique 6) . Un mélange de pesée ~ 500 mg devrait fournir du matériel de départ suffisant pour une suite complète d'expériences.
    2. Transférer le mélange dans un creuset en graphite et couvrir avec un couvercle en graphite. Ensuite, placer le creuset dans une boîte couverte four à une température de 1473 K à environ 5 min. Une fois retiré du four, laisser le couvercle creuset en place jusqu'à l'assemblée a cooconduit à la température ambiante.
      ATTENTION: Le chauffage de l'osmium dans l'air peut entraîner la formation de l'toxique composé tétroxyde d'osmium. Osmium métal est aussi un irritant connu de la peau, voir la fiche signalétique pour CAS # 7440-04-2.
      Remarque: Ce processus fait fondre le (point de ~ 1337 K de fusion) Au mais pas le HSE d'accompagnement, entraînant la formation d'une bille métallique où le HSE d'intérêt est entouré par une croûte de Au.
    3. Retirer le bourrelet métallique du creuset en graphite et en utilisant une lame de rasoir pour diviser en plus petits morceaux qui mesurent environ 1 mm dans leur plus grande dimension. Une fois coupé, placer les perles dans un flacon de coquille et de stocker dans un dessiccateur.
  3. Metallic Phase: expériences Pt
    Remarque: Des expériences pour étudier Pt ne peut pas être effectuée en utilisant la technique de talon Au-revêtue en raison de la miscibilité complète du Pt et Au à haute température (> 2042 K à 32 0,1 MPa). Cela empêche une géométrie de l'échantillon de sorte que Pt est physiquement séparé de la masse fondue de silicate lors d'une expérience par une zestede Au.
    1. Bien mélanger des poudres métalliques de Pt et Ir dans un rapport de 1: 1 en poids pour faire un total de ~ 500 mg de mélange. Ensuite, ajouter ~ 20 mg de poudre métallique de telle sorte que Fe Fe comprend ~ 4 pour cent en poids du mélange total.
    2. Collez un de forage propre vierge (alternativement, la tige d'un forage peut être utilisé à la place d'une ébauche de forage) au bord d'un plan de travail afin que ~ 3 mm dépasse de la table. Positionner un tube de verre de silice, avec un diamètre interne de ~ 2-3 mm et un diamètre externe de ~ 6.4 mm, sur l'extrémité en saillie de l'ébauche de foret.
    3. Placer le mélange PtIrFe dans le tube de verre et insérez une autre ébauche de foret au-dessus. Les deux flans de forage doivent avoir un diamètre non supérieur à 0,1 mm inférieur au diamètre interne du tube en verre de silice. Froid-presse le mélange métallique en poussant les ébauches de forage ensemble à la main (Figure 2).
      ATTENTION: L'utilisation d'une force excessive lors de l'étape de pressage à froid peut provoquer le verre de silice pour briser).
    4. Mettez les poudres pressées à froid, toujours à l'intérieur du tube de verre de silice, dans un creuset en alumine et de suspendre dans la partie froide d'un four vertical de tube de mélange de gaz. Augmenter la température du four à 1673 K et utilisant le CO-CO 2 mélanges de gaz, régler le four f O 2 à une valeur proche de la mémoire tampon de fer-wüstite.
      Remarque: Lors de la pression ambiante et 1673 K, la mémoire tampon de fer-wüstite correspond à une f O 2 de 1,93 x 10 -10 Pa 33. La relation entre CO-CO 2 rapport de mélange, température et f O 2 peut être trouvé dans la référence 34. Pour la mémoire tampon de fer-wüstite à 1673 K utiliser un mélange de gaz comprenant 22,25% en volume de CO 2 et de 77,75% en volume de CO.
      1. Une fois la température et f O 2 sont souhaitée atteinte, abaisser le creuset d'alumine de sorte qu'il réside dans le point chaud du four et laisser O / N pour les poudres pressées pour recuire.
    5. Retirez le CRUCible et pressé poudres du four de mélange de gaz et laissez-les refroidir. Si le tube de verre de silice est encore intacte, utiliser un espace de forage pour pousser la poudre recuite hors du tube. En utilisant des pinces coupantes, briser la poudre recuite en morceaux assez petits pour tenir dans la capsule de l'échantillon choisi pour l'expérience.
    6. Transférer les pièces métalliques à un flacon de la coquille et le ranger dans un dessiccateur jusqu'au moment.
  4. Metallic Phase: expériences multi-enclume
    1. Pour les expériences afin de déterminer la répartition des éléments modérément et légèrement sidérophiles, mélanger la poudre de basalte synthétique avec la poudre de Fe-métal dans des proportions égales.
      Remarque: Une partie du Fe peut être ajouté sous forme d'un alliage Fe-Si, typiquement de sorte que comporte Si <8% en poids de la fraction métallique. Cela permettra d'assurer le f expérimentale O 2 reste faible.
    2. Ajouter les oligo-éléments choisis que les poudres d'oxyde de métal au mélange de basalte, plus métal. Homogénéiser le matériau de départ par grrouver sous éthanol avec un mortier d'agate et d'un pilon. Le montant exact des éléments ajoutés dépendra l'élément de trace à l'étude, cependant, des concentrations nominales de plusieurs milliers de ppm à 2% en poids sont typiques 10,35.
    3. Une fois homogénéisé, sécher la matière première en poudre sous une lampe de chaleur, le transférer à un flacon de coquille puis stocker dans un dessiccateur jusqu'à ce que nécessaire.

2. Préparation des composants de l'Assemblée

  1. Piston Cylindre
    Remarque: L'ensemble cylindre-piston se compose d'une capsule de graphite qui est pris en charge dans le point chaud d'un chauffage à résistance de graphite en utilisant des morceaux de magnésie à écraser. Un thermocouple à gaine d'alumine est positionné axialement à travers la partie supérieure de l'ensemble pour surveiller la température dans la partie supérieure de l'échantillon. Le four est alors entouré par BaCO 3 cellules qui agissent à la fois comme un agent de pression et isolant thermique 36. Les dimensions de montage sont fournis dansLa figure 3A. Une liste d'exemples de matériaux utilisés pour les expériences et leurs sources sont fournies dans le tableau 2.
    1. Machine les capsules de graphite, bouchon d'extrémité de graphite et de soutien de la magnésie pièces aux dimensions requises avec un tour au centre, à l'aide de graphite et de magnésie tiges ou de tubes de haute pureté, respectivement comme matières de départ (figure 3A).
      Remarque: Pour des expériences pour étudier Re, Os et Ir, des alliages Fe-HSE peut être remplacé par du graphite comme matériau de capsule 29,30.
    2. Soniquer les capsules de graphite dans de l'éthanol pour ~ 1 min à température ambiante, puis séché sous une lampe thermique de la même manière que celle dirigée de matières de départ en poudre. Une fois sec, transférer les capsules dans un flacon de coquille et de stocker dans un four dessiccateur ou séchage jusqu'à ce que nécessaire.
    3. Placez les morceaux de soutien de la magnésie en soit une alumine ou un creuset mullite et recuit à 1573 K dans une boîte four pendant au moins 8 heures. Après recuit, les pièces permettent de refroidir puis magasinséchage dans un four maintenu à ~ 393 K.
    4. Pour rendre les cellules de carbonate de baryum, mélanger d'abord BaCO 3 poudre et utilisé copie toner dans 99: 1 proportions en poids. Un minimum de 7,4 grammes de mélange est nécessaire pour une expérience. Enduire la partie intérieure d'une matrice en acier de taille appropriée (voir la figure 3A pour les dimensions des BaCO 3 manches) soit avec un lubrifiant sec à base de graphite ou à base de PTFE agent de démoulage (tableau 2).
    5. Presse à froid 3,7 g du mélange à ~ 250 MPa en utilisant la matrice en acier et une presse hydraulique. Laisser reposer le mélange à la pression pendant 1 min avant de décompression. Ceci va produire un manchon avec une hauteur de 17 mm. Deux manchons sont nécessaires pour chaque assemblage.
      Remarque: La disposition 2-cellule décrite ci-dessus et utilisé dans certaines études antérieures 29 au 31 mai être remplacé par une seule cellule BaCO 3 fournit une matrice de taille appropriée est disponible.
    6. Une fois retiré de lamourir, conduire hors-la copie toner en chauffant les manches de la RT à 923 K au cours de plusieurs heures dans une boîte four, puis en maintenant à cette température pendant ~ 30 min. Notez le changement de couleur du noir à l'orange une fois la copie toner a été supprimé. Stocker les manches recuits dans un four de séchage maintenu à ~ 393 K.
  2. Multi-enclume
    Remarque: L'assemblage multi-enclume comprend un échantillon de capsule qui est positionné dans le point chaud d'un chauffage à résistance en graphite cylindrique utilisant MgO déformable ou Al 2 O 3 pièces de remplissage. Le dispositif de chauffage est entouré d'un octaèdre soit en céramique frittée ou coulable qui agit à la fois comme un agent de pression et isolant thermique. Le thermocouple peut être positionné axialement ou transversalement en fonction de la conception de l'assemblage. Il existe de nombreuses tailles et de conceptions d'assemblage utilisés pour des expériences multi-enclume, en fonction des objectifs et P souhaités -. Conditions T Figure 4 affiche un commeAssemblée modèle déjà utilisé pour effectuer des expériences de partitionnement silicate métaux à 3,6 et 7,7 GPa 35.
    1. Préparer des capsules de graphite et de la magnésie ou des manchons déformable à partir de tubes de zircone de haute pureté de la même manière, comme indiqué pour les expériences de cylindre de piston. Les dimensions requises sont fournies sur la figure 4A.
    2. Faites le bouchon d'alumine à partir d'une longueur de tige d'alumine dur tiré. Utilisez un fichier de diamant pour marquer la tige où il doit être cassé, puis enclenchez la tige à la longueur voulue à la main (voir la figure 4A pour les dimensions). Utilisez le fichier à supprimer les bavures qui résultent de la rupture de la tige. Nettoyer le bouchon par sonication dans de l'éthanol à température ambiante.
    3. Préparez octaèdres avec une longueur de 18 mm octaèdre de bord (OEL) en utilisant un béton réfractaire céramique 2 parties à base de MgO (voir le tableau 2) et le moule de taille appropriée. Le moule comprend un dispositif de serrage qui maintient huit cubes tronqués, séparés par des feuilles d'une épaisseur égale à celle souhaitée pour ee joints 37 préformée.
      1. Pour octaèdres avec un 18 mm OEL, utilisation cubes avec un 11 mm tronquées bord longueur (TEL) et les feuilles qui sont 3 mm d'épaisseur. Utilisez soit en aluminium ou en PVC pour les matériaux de cube et de feuilles. Assembler le moule, de lubrification toutes les pièces qui seront en contact avec la céramique coulable avec de la graisse de silicone. Laissez un cube démontées pour fournir un point pour le mélange céramique d'entrée.
      2. Combinez la céramique de poudre et de liquide activateur dans un ratio de 100: 30 en poids et bien mélanger. Verser le mélange dans le moule, assurant qu'il n'y a pas de poches d'air piégées. Insérez le cube restant et laisser le mélange reposer pendant au moins 2 h. Chaque octaèdre nécessite ~ 15 g de mélange de céramique.
    4. Une fois réglé, retirer l'octaèdre du moule, pour déshydrater ~ un jour dans un four de séchage à 393 K puis recuit à 1,273-1,373 K dans un four de boîte pour ~ 2 h.
    5. Laisser l'octaèdre refroidir à la température ambiante dans l'air, puis percer un trou de 7,3 mm de diamètre comme indiqué dansFigure 4B pour accueillir la gaine isolante, chauffe-graphite et des composants échantillon restant.
    6. Conserver dans un four de séchage à ~ 393 K jusqu'au moment d'assembler l'expérience.

3. Assemblée des composants

  1. Assemblée de l'Expérience cylindre-piston
    1. Chargez l'échantillon de graphite capsule en insérant d'abord le métal HSE-palier puis ajouter la poudre de basalte synthétique jusqu'à ce que la capsule est remplie. Utilisation d'un arrangement stable gravitationnellement minimise les chances de renversement lors de l'expérience et est destiné à éviter la dispersion de la phase métallique par une action mécanique.
    2. Placer une petite quantité (typiquement <50 mg) de poudre MgO sèche à la base de la cavité destinée à recevoir l'échantillon capsule. Cette aplatit la surface conique créé lors du forage du trou et à son tour réduit les forces de cisaillement lors de la compression de l'échantillon qui peuvent fissurer la capsule.
    3. Assemblez tous les précédemment folledes composants électroniques comme représenté sur la figure 3B.
    4. Enrouler un morceau de 30 um d'épaisseur feuille de plomb autour de l'assemblage, le pliage d'une petite (~ 1,5 mm) partie du film sur l'extrémité exposée de la partie inférieure BaCO 3 manches. Insérer l'ensemble dans un alésage tungstène récipient sous pression en carbure de 12,7 mm, et aussi d'un bouchon de base (ci-dessus) et de l'acier embout (ci-dessous), comme illustré sur la figure 3A.
      Remarque: Le dispositif piston-cylindre de bout a chargé deux vérins hydrauliques. Un pont enjambant le poinçon inférieur permet un piston de carbure de tungstène pour appliquer une pression au fond de l'échantillon. Le poinçon supérieur fixe la position de la surface de l'échantillon supérieur et applique une extrémité de la charge dans le récipient de pression qui donne un soutien supplémentaire à la base de carbure de tungstène 38. La figure 3C montre un dispositif de cylindre à piston à l'Université de Toronto avec le pont en place. Un frottement correction de -9% est appliquée pour tenir compte de la différence entre la pression nominale de l'échantillon d'und qui a connu par l'échantillon 39.
    5. Positionner le pont, cuve sous pression et la plaque de base entre les vérins hydrauliques. Suivant faire un thermocouple de type C en utilisant 4 trous dur tiré tube d'alumine d'un diamètre extérieur de 1,6 mm. Le tube d'alumine doit être coupé suffisamment longtemps pour permettre à ~ 1-2 mm du tube pour faire saillie à partir de la surface supérieure de la plaque supérieure.
    6. Nourrissez les deux compositions de fils (voir le tableau 2) à travers les trous adjacents dans le tube, tourner les extrémités de 180 degrés et fixez-les dans les trous opposés de sorte que les fils se croisent. Insérez le thermocouple à travers la plaque supérieure et dans l'ensemble, de sorte que la jonction est directement au-dessus de l'échantillon. Isoler le reste des fils de thermocouple à l'aide de tubes flexibles en téflon, en laissant une partie exposée de 10 à 20 mm à la fin.
    7. Placez les entretoises métalliques nécessaires en place entre la plaque supérieure et la mâchoire supérieure. Lors de l'assemblage, la position des feuilles de Mylar fois au-dessus du récipient sous pression et entre lehaut de l'assemblage et de la mâchoire supérieure. Ces feuilles d'isoler électriquement le circuit de chauffage de l'échantillon à partir du reste de l'appareil.
  2. Assemblée de l'expérience multi-enclume
    1. Faire un thermocouple de type C en utilisant 4 trous tube d'alumine dur tiré en alimentant deux fils à travers les trous adjacents dans le tube, en tournant les extrémités de 180 ° et les fixer dans les trous opposés. Isoler le reste des fils avec une longueur courte (~ 20 mm) d'un tube d'alumine et ensuite matériau isolant en téflon, en laissant une portion de 10 à 20 mm de fil dénudé à l'extrémité.
    2. Insérez le manchon de zircone et de graphite de chauffage dans l'octaèdre, puis rainures couper comme indiqué dans la figure 4B. Insérez le thermocouple dans la partie supérieure de l'octaèdre et positionner les bras d'alumine couvert dans les rainures. Utilisez zircone ciment (voir le tableau 2) pour remplir l'espace vide entourant le thermocouple et laisser sécher.
    3. Afin d'isoler le thermocouple joà partir de la capsule de graphite, poudre de MgO ajouter à la base de l'octaèdre jusqu'à ce que les fils dénudés sont couverts. Moins de 50 mg de poudre sont généralement suffisantes pour entourer le fil dénudé. Pour assurer emballage serré de la poudre de MgO, utiliser un espace de forage de tasser la poudre en vrac.
    4. Charger une capsule de graphite avec le matériau d'échantillon préalablement préparé et la placer dans l'octaèdre à partir du côté ouvert. Insérez la fiche de l'alumine pour terminer l'assemblage de l'octaèdre.
    5. Le 4 des cubes WC (Tableau 2) en utilisant de l'acétate de vinyle pour coller de courtes longueurs de balsa, une sur chacune des trois faces adjacentes à l'angle tronqué du cube. Chaque pièce en balsa devrait mesurer ~ 4.4 mm en hauteur et largeur par ~ 9,0 mm de longueur, pour la taille de l'octaèdre montre la figure 4. Sur chaque face, placez les morceaux de balsa-bois dans le quadrant opposé au bord tronqué.
    6. Assembler 4 des cubes pour former un carré en vue en plan, 2 avec et 2 sans wooden pièces jointes. Orientez les bords tronqués pour faire face au centre de la place.
    7. Positionner l'octaèdre dans le centre des cubes, de sorte qu'il est supporté par les bords tronqués. Puis angle les bras thermocouple afin qu'ils sortent de coins opposés du carré (figure 5A)
    8. Placez les cubes restants WC en position pour former un cube avec l'octaèdre en son centre, veiller à ce que les cubes avec des morceaux de bois attachés reste au sommet de cubes qui ne disposent pas de cales en bois.
    9. Collez morceaux carrés de ~ 0,5 mm d'épaisseur feuille G10 (voir tableau 2) à chaque face du cube assemblés à l'aide d'un adhésif de type cyanoacrylate. Pour 32 mm WC cubes, utiliser des feuilles de mesure G10 ~ 55 mm x 55 mm. Deux de ces cubes ont des troncatures WC qui entrent en contact avec l'élément chauffant à résistance et donc font partie du circuit de chauffage électrique. Pour les feuilles qui sont en contact ces cubes, couper 2 (<1 mm de largeur) fentes étroites, comme indiqué dans la figure 5B et placez un morceau de feuille de cuivre de sorte que jet fournit un point de contact entre les 1er et 2ème étages enclumes.
      Remarque: L'appareil multi-enclume utilise un système d'enclumes fournis sur un anneau de retenue 2 étapes. Les premiers enclumes de scène comprennent 6 pointes amovibles qui forment une cavité cubique central. Cette cavité peut accueillir 8 cubes de carbure de tungstène avec des coins tronqués (les enclumes de deuxième étape) qui entourent l'octaèdre céramique 40. Force orientée verticalement appliquée aux enclumes de premier étage d'une presse hydraulique est donc transférée à l'octaèdre d'une manière qui se traduit par la compression quasi-hydrostatique de l'échantillon. La relation entre la pression d'huile dans la pression de ram et l'échantillon peut être calibré pour le 18 mm OEL ensemble cast octaédrique décrit ici en utilisant les procédures décrites par 41.
    10. Couper 2 feuilles de 0,076 mm d'épaisseur Mylar les dimensions indiquées dans la figure 6 et les enduire en utilisant un lubrifiant de PTFE sec.
      1. Position une des feuilles pré-coupées dans lela bague de retenue (bord droit à la base) et insérez le bas-ensemble de 1 st enclumes Les chercheurs en, qui se sont soutenus avec 0.076 mm Mylar épais et revêtues de PTFE lubrifiant (figure 5B). L'ensemble inférieur de enclumes peut être laissé en place entre les courses. Placez le cube assemblé dans l'ensemble inférieur d'enclumes 1er stade et connecter les bras thermocouples à fils de thermocouple équilibrés qui sortent du module de pression.
      2. Placez la feuille de Mylar 2 ème pré-coupés dans l'anneau de retenue (bord droit vers le haut) et insérer l'ensemble supérieur de 1 st enclumes Les chercheurs en, qui devrait être soutenu Mylar et lubrifié de la même manière que l'ensemble inférieur. Cet arrangement donne un Mylar lubrifié à un contact Mylar entre les 1 er et enclumes Les chercheurs en la bague de retenue qui réduit la perte de ram poussée à friction en ~ 30% par rapport à un seul dispositif de feuille de Mylar 37.
        Remarque: Les épaisseurs et les dimensions de la feuille de Mylar dépendront til conception exacte du module de pression utilisé. Décrits ci-dessus et à la figure 6 sont les dimensions en usage au Laboratoire de géophysique, Carnegie Institution de Washington.

4. Exécution de l'expérience

  1. Une fois que l'échantillon est amené à la pression requise, de la chaleur à une vitesse de 100 K / min jusqu'à la température de maintien désirée soit atteinte. Au cours de l'étape de chauffage, de l'huile dans le vérin échantillon peut devoir être ajustée afin de maintenir une pression d'huile constante.
  2. Après la période de séjour, étancher l'échantillon en coupant l'alimentation à la fournaise. Une fois que l'appareil a refroidi à RT, décompresser lentement l'échantillon.

5. Exécuter-produit Analyse

  1. Pour les expériences de cylindre de piston, extraire l'expérience fini à partir du récipient sous pression au moyen d'un vérin hydraulique. Avec une paire de pinces lourds supprimer les parties extérieures de l'Assemblée pour libérer la capsule de graphite (piston cylinder) ou un four contenant la capsule d'échantillon et des pièces de support (multi-enclume).
  2. Monter l'échantillon dans de l'époxy (typiquement à former une rondelle de diamètre 25,4 mm) (Figure 7A). Utilisation 320-600 grain du papier au carbure de silicium, moudre dans l'échantillon pour exposer les fondus de silicate et métalliques phases trempés. Polir la surface exposée en utilisant soit l'alumine ou la suspension diamantée avec la diminution de granulométries allant de ~ 15 à 0,3 um.
  3. manteau de carbone de la surface de l'échantillon poli 42 et d'analyser la composition de l'élément majeur de la run-produits de silicate métallique et par l'analyse de micro sonde électronique (EPMA). Utiliser une (10 um) de diamètre de faisceau défocalisé pour l'analyse de silicate d'éviter la migration d'éléments alcalins à une distance à partir du faisceau d'électrons. Les conditions analytiques et critères utilisés pour caractériser les échantillons précédents générés par le protocole ci-dessus peuvent être trouvés dans les références 29 - 31,35
    Remarque: Pour les expériences à 'examinatione MSE et SSE partitionnement, EPMA peuvent également se révéler appropriée pour l'analyse des éléments traceurs, à condition qu'ils soient présents à des concentrations suffisantes.
  4. Après analyse des principaux éléments, enlever la couche de carbone en utilisant 0,3 um grain alumine. Utilisez ablation laser à couplage inductif spectrométrie de masse à plasma (LA-ICP-MS) pour déterminer la teneur en oligo-élément des run-produits. Pour une introduction à l'analyse par LA-ICP-MS échantillon, s'il vous plaît voir référence 43.
    Remarque: Pour HSE précédentes études de solubilité isotopes de calcium et de nickel ont été utilisés avec succès en tant que normes internes pour réduire les données, utilisant à la fois le verre et les matériaux de référence sulfures respectivement 29,30. Toutes les analyses devraient être précédées par un seul passage de l'ablation, suivie par le rinçage de la cellule d'ablation pendant au moins 60 secondes. Cela garantit toute contamination de surface qui peuvent découler de polir les run-produits expérimentaux ne pas affecter les résultats.

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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 7B-D affiche de retour images d'électrons dispersés de run-produits expérimentaux typiques. Dans des expériences contenant Au, les propriétés de mouillage entre le silicate fondu, Au fondent et solide HSE (Re, Os, Ir, Ru) dicter la géométrie de l'échantillon et entraîner une séparation physique entre la masse fondue et le silicate HSE solide. Pour les expériences d'enquêter Pt, l'alliage PTIR reste en contact direct avec la matière fondue de silicate. Puissance de coupe du four à la fin de l'expérience, assure un refroidissement rapide de l'échantillon et l'extinction des silicate masse fondue. Lancez-produits comprennent donc 1 ou 2 phases d'alliage (HSE riche ± Au-riche) ou verre de silicate (fournir la composition de basalte du tableau 1 est utilisé).

Contamination du verre de silicate en basse f O 2 expériences de solubilité HSE est plus facilement identifié par la présence d'hétérogénéité dans le temps résolu spectres LA-ICP-MS. Cette hétérogénéité se manifeste comme des «pics» et «creux» dans le spectre résultant de l'ablation des proportions variables d'inclusion portant contre verre sans inclusion-17. La figure 8A montre le spectre à résolution temporelle pour une expérience de solubilité Pt qui n'a pas employer procédés pour empêcher la formation d'inclusions métalliques. A titre de comparaison, les figures 8B-F en temps résolu affichage spectres typique pour run-produits silicate synthétisés en utilisant les techniques décrites dans le protocole ci-dessus. L'homogénéité des spectres bf indicaTES l'absence d'inclusions HSE dispersées dans la partie silicate de run-produits expérimentaux. L'inspection du verre de silicate par microscopie électronique à balayage confirme l'absence de métal-inclusions visibles dans le silicate-produits gérés, supportant en outre une absence de contamination. Le spectre affiché sur la figure 8A-E sont de run-produits synthétisés dans le cadre de plusieurs études antérieures 29 -. 31 La figure 8F provient d'un essai de solubilité Ru effectué à 2273 K et 2 GPa Au moyen de la technique d'addition décrit ci-dessus. L'homogénéité de cette spectres suggère que cette approche est aussi réussi à éviter la formation de métal-inclusions trouvées dans les précédentes expériences de solubilité Ru effectué à réduire de façon similaire conditions (~ IW + 2.5) 24.

Figure 1
Figure 1. CompaRison entre le manteau supérieur (PUM) composition primitive estimée et celle prédite par les résultats des expériences de solubilité à basse pression et de la température. Les données pour la composition de PUM de Fischer-Gödde et al. 7. Les coefficients de partage pour le HSE sont à 0,1 MPa, de 1573 à 1673 K et IW-2 à partir d'expériences Fe-libres par 27 (Re), 44 (Os), 18 (Ir), 45 (Ru), 16 (Pd), 46 (Au), 21 (Pt et Rh). S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Arrangement utilisé au froid-presse poudres métalliques. Le forage inférieure vierge (ou queue) est initialement attaché du ruban adhésif sur le bord d'une table de travail pour permettre le chargement facile des poudres dans le verre de silice tube. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. (A) en coupe détaillée de l'ensemble piston-cylindre, une fois inséré dans le récipient sous pression. Pour des résultats cohérents, le jeu entre les composants à l'intérieur du four de résistance doit être à moins de 0,025 mm des valeurs nominales 38. BaCO 3 cellules doivent être à l'intérieur de 0,13 mm ~ des diamètres intérieur et extérieur nominaux. Les détails de la construction d'une matrice appropriée peuvent être trouvés dans 47, bien que le diamètre intérieur de la cellule doit être modifiée d'après les dessins dans le présent référence à 7,9 mm. (B) Procédure pour la construction de l'ensemble piston-cylindre de l'échantillon. Soit une colle cyanoacrylate ou de ciment des ménages sont suitabpour fixer le bouchon d'extrémité en graphite dans le manchon BaCO3, toutefois, pas plus de ~ 10 mg doit être appliquée. (C) Un cylindre piston presse à l'Université de Toronto. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. (A) de la Croix-section de l'assemblage multi-enclume adapté pour une utilisation avec des cubes WC qui ont un 11 mm TEL. La partie supérieure de la figure est dessinée pour montrer comment les bras de thermocouple quitter l'octaèdre, comme on le voit à la fois perpendiculaire à l'axe et en bas du fil comme indiqué. (B) Vue du haut de fonte octaèdre avec des ailettes d'étanchéité. Rainures pour les bras de thermocouple doivent être coupés dans les zones marquées en rouge. On notera que le manchon interne et de la magnésie quatre trous aluminetube représenté dans la figure ne devrait pas être en place lorsque les rainures sont coupées. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5. (A) Disposition des cubes WC autour de l'octaèdre assemblé. (B) ensemble inférieur de enclumes 1er stade et leur disposition au sein de l'anneau de retenue. (C) de l'expérience Terminé placé dans le module de pression avec 1 de l'ensemble supérieur d'enclumes 1er stade en place. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 7
Figure 7. (A) d'exécution produit expérimental monté dans époxy, puis poncées et polies. (B) et (C) rétrodiffusée images électroniques de run-produits expérimentaux à partir d'expériences en utilisant le Si-addition (B) et les techniques décrites dans le texte pour des expériences pour déterminer Pt et Ru solubilité respectivement Au-addition (C). Image (B) est reproduit à partir de 31 avec la permission de Elsevier. (D) de la vue agrandie de la zone délimitée en rouge sur (C) pour afficher le détail de la perle Auru et interface métal-silicate. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8
Figure 8. (A) en temps résolu LA-ICP-MS spectres d'un f O 2 Pt expérience faible solubilité qui n'a pas employer des mesures pour supprimer la formation d'inclusions de métal. (BF) typique temps résolu LA-ICP-MS spectres d'expériences pour Ru, Pt 31, 30 Re, Os et Ir 29 qui ont été effectuées en utilisant la procédure décrite dans le texte. Toutes les données sont à partir d'expériences réalisées à 2273 K et 2 GPa. La ligne verticale en pointillés sur chaque figure sépare la région d'ablation de la région d'acquisition de fond.g "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 9
Figure 9. Le changement de D Met / Sil avec T pour les expériences réalisées par Brenan & McDonough 29 (Os, Ir, Au), Bennett & Brenan 30 (Re, Au) et Bennett et al. 31 (Pt) en utilisant les procédures décrites Ici. Toutes les données sont des expériences faites à 2 GPa. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 10
Figure 10. La solubilité de l'iridium à l'état fondu basaltique à 2273 K et 2 GPa en fonction de f O <sub> 2 par rapport à la mémoire tampon de fer wüstite (IW). Les données sont tirées Brenan & McDonough 29. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Avant de décarbonatation Après Décarbonatation
wt% d'oxydes / Carbonates; Fe 2+ composition de départ wt% d'oxydes / Carbonates; Fe 2+ composition de départ % en poids d'oxyde; Fe 2+ composition de départ % en poids d'oxyde; Fe 3+ composition de départ
SiO 2 47,92 47.40 SiO 2 51.87 51.26
Al 2 O 3 9,91 9.80 Al 2 O 3 10,73 10.60
CaCO 3 16.20 16.02 CaO 9,83 9,71
MgO 14.58 14.42 MgO 15.79 15.60
FeO 9,84 - FeO 10,66 -
Fe 2 O 3 - 10,82 Fe 2 O 3 - 11.71
MnO 0,06 0,06 MnO 0,07 0,07
Na 2 CO 3 1.20 1.19 Na 2 O 0,76 0,75
NiO 0,28 0,27 NiO 0,30 0,30

Tableau 1.

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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 la réduction de données à la région la plus basse comptes par seconde des spectres LA-ICP-MS en temps résolu. Cette approche réduit la contribution des inclusions aux concentrations mesurées de fusion silicate. Les données de Ertel et al 48 à ~ IW + 1 bon accord avec la tendance entre D Met / Sil et 1 / T définie par des expériences de libre-inclusion effectuées à f similaire O 2. confirmant que leur traitement analytique choisie est efficace dans la détermination de vrais solubilité Pt 31. De plus, des expériences effectuées en utilisant le protocole d'inclusion décrites ci-suppression sont capables de sonder plus des conditions réductrices, dans lequel le procédé de filtration de spectre 17 devient moins efficace. Dans les études qui supposent que la présence de trempe liés inclusions, il ya un accord de variable avec les données dépourvue d'inclusions. Par exemple, on observe un bon accord avec les résultats de Mann et al., 49, les valeurs toutefois, les expériences de Cottrell et al. 22 visualisation systématiquement inférieurs de D Met / Sil expériences que libre inclusion-31. La génération d'expériences sans inclusions à un large éventail de conditions est donc crucial pour évaluer la fiabilité des mesures d'inclusion contaminés précédents.

Bien que le protocole décrit ici a fait ses preuves sur une gamme de conditions, il est pas une panacée pour le problème de la contamination par des inclusions de métal. Des expériences effectuées à l'aidela technique de Au plus sont touchés par la formation de compositions d'alliage complexes à très basse f O 2. Afin de générer des conditions beaucoup plus réducteurs que le tampon de fer-wüstite, de Si élémentaire est ajouté aux matières de départ. Exécuter produits de la plus réducteurs de ces expériences contiennent 2 alliages coexistants qui possèdent de vastes liés trempe textures exsolution. Immiscibilité dans l'alliage semble se produire en raison de l'importante de solution de Si dans la phase métallique à des conditions réductrices. Le manque d'activité données-composition convenant pour les compositions d'alliages formées dans des conditions très réductrices empêche les activités HSE et Fe dans la phase d'alliage ne soit déterminé. Ceci permet d'éviter un calcul précis de l'échantillon f O 2 et HSE concentrations dans la masse fondue de silicate à la limite de solubilité.

L'efficacité de Si-addition en tant que procédé pour empêcher la formation d'inclusions Pt semble diminuer à basles températures. Bennett et al. 31 noter que les expériences effectuées à 1873 K preuves d'affichage pour la contamination par des inclusions de métal, tandis que ceux fait à des températures plus élevées ne le font pas. Cela peut être dû à un changement dans la relation entre la réduction de la cinétique échantillon et Pt en diffusion à des températures inférieures. Une autre considération pour les expériences effectuées en utilisant la technique d'addition de Si est son effet sur la composition à l'état fondu final. Oxydation des élémentaire Si au début de l'expérience se fait par la réaction suivante avec FeO dans la fusion:

Si (MET) + 2FeO (sil) = SiO 2 (SIL) + 2Fe (MET) (2)

Ajout de plus grandes quantités de Si, afin d'accéder à d'autres conditions réductrices, se traduit donc par une composition à l'état fondu plus SiO 2 enrichi et appauvri FeO. Afin de mener des expériences qui couvrent un large f O 2 2 pour chaque mole de Si ajouté à la composition de départ. Il convient également de noter que certaines études ont montré l'apparition d'inclusions métalliques dépend aussi de la composition à l'état fondu, en particulier si la fusion est ferrifère 50.

Les données de solubilité offertes par run-produits non contaminés permet de préciser les coefficients de partage silicate métalliques à être calculés. Pour les expériences dans lesquelles le HSE pas d'intérêt est présent sous forme d'une phase pure (à savoir, l'activité du métal SSE <1), les concentrations mesurées dans la phase de silicate sont corrigées à l'activité de l'unité en utilisant les données thermodynamiques disponibles. A l'exception de Au, un résumé utile des relations activité-composition disponibles pour HSEalliages sont fournis en référence 49. Des données limitées pour les alliages Au-Fe peuvent être trouvés dans les références 46,51. La relation suivante est ensuite utilisé pour déterminer les valeurs de D Met / Sil à partir des concentrations de HSE corrigées en liquide silicaté 16

Equation 6 (3)

Où Equation 7 HSE est la concentration du silicate à saturation dans la phase HSE, A est un poids molaire de facteur de conversion et Equation 8 est le coefficient de la HSE choisi d'activité à dilution infinie dans un liquide Fe-métal. Figure 9 affiche la variation D Met / Sil avec T calculé à partir des expériences réalisées à 2 GPa et une f O 2 à proximité de la mémoire tampon de fer-wüstite. Une application de ces données est deévaluer la capacité de haute température métal-silicate équilibre pour tenir compte de l'abondance primitive supérieure du manteau estimative de ces éléments. Des valeurs de D Met / Sil pour le HSE doit diminuer à des valeurs de 10 ~ 2 à 10 3 à environ la même température si l'équilibre métal-silicate est responsable de la composition de PUM. Les données d'études antérieures affichées sur la figure 9 indique cette condition n'a pas été satisfaite par les résultats des expériences réalisées à des conditions de réduction de 29 à 31.

mesures de solubilité de silicate intacte-produits gérés sont également utiles dans révélant la spéciation du HSE dissous dans liquide silicaté à basse f O 2. Les informations concernant la spéciation de ces métaux sur une large gamme de conditions redox est utile non seulement pour guider l'extrapolation des données au-delà de la gamme étudiée expérimentalement, mais aussi pour l'endessein formé de lunettes avec des propriétés optiques particulières. Les changements dans l'état de métaux dissous d'oxydation peuvent être accompagnés par des changements dans leur chimie de coordination, à partir de laquelle la variation des propriétés telles que l'absorbance optique peut survenir. Par exemple, la dissolution de platine, largement utilisé comme matériau de récipient pour la synthèse à partir de verre à l'état fondu, peut conduire à des verres colorés selon les conditions d'oxydo-réduction du bain de fusion 52,53. L'état de HSE dissous d'oxydation peut être déduite de la variation de la solubilité avec f O 2. Considérons dissolution d'un métal (M) comme une espèce d'oxyde à la masse fondue:

Équation 10 (4)

Où n est l'état du métal dissous de l'oxydation. La constante d'équilibre (K) à P et T pour l'équation 3 est donnéepar:

Equation 9 (5)

En assimilant K avec l'énergie libre de Gibbs de la réaction, et à saturation dans la phase métallique (M a = 1), l'équation 4 devient:

Equation 11 (6)

La pente d'une tendance solubilité entre HSE et f O 2 donne donc n / 4, à partir de laquelle la spéciation peut être obtenue. Brenan & McDonough 29 déterminé la solubilité de Ir en fonction de f O 2 à partir d'expériences qui ont utilisé les techniques décrites ici. Les résultats de ces expériences sont affichés dans la Figure 10 et donnent une pente de 0,2, largement compatible avec un état ​​d'oxydation 1+ (pente prédite de 0,25) pour Ir dans des masses fondues de silicate réduit.

Déterminées expérimentalement les coefficients de partage silicate métalliques peuvent être utilisés pour établir les conditions de noyau-manteau équilibre lors de l'accrétion terrestre. Résultats pour les éléments hautement sidérophiles peuvent également être utilisés pour évaluer si la Terre a connu une fin de placage de matériel chondritique après la formation de base. Décrites ici sont des procédures pour exécuter partitionnement et de solubilité expériences silicate métaux dans les dispositifs multi-enclume et le piston-cylindre respectivement. Techniques sont également décrites qui suppriment la formation d'inclusions de métal dans HSE expériences de solubilité à 2 GPa et des températures> 1873 K. Les coefficients de partage HSE calculés suggèrent que l'équilibre de silicate de métal à haute T ne explique pas l'excès apparent de HSE dans le manteau supérieur primitive . Les travaux à venir reste à confirmer si le comportement de partitionnement HSE indiqué par des expériences à 2 GPa persiste à P et T supérieur. Cela va exiger des testsles protocoles d'inclusion supprimant décrites ici dans une haute P conception expérimentale multi-enclume.

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Disclosures

Les auteurs ont rien à révéler.

Acknowledgments

Ce travail a été soutenu par le Conseil de recherches en génie du Canada Équipement, Découverte et subventions accélération à la découverte en sciences naturelles et attribués à JMBNRB reconnaît le soutien de la Carnegie Institution de programme de bourse post-doctorale Washington. Stephen Elardo est également remercié pour son aide avant le tournage avec la presse à piston-cylindre à la géophysique Lab.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 ~0.25 mm diameter is suitable for most experiments
Zirconia Cement Cotronics; Resbond 940 2-part cement Use 100 parts powder for every 25 to 28 parts activator
Polyvinyl Acetate (PVA) Glue e.g., Bostik Often sold as 'white glue'
Cyanoacrylate Glue e.g., Krazy Glue/Loctite
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

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Bennett, N. R., Brenan, J. M., Fei,… More

Bennett, N. R., Brenan, J. M., Fei, Y. Metal-silicate Partitioning at High Pressure and Temperature: Experimental Methods and a Protocol to Suppress Highly Siderophile Element Inclusions. J. Vis. Exp. (100), e52725, doi:10.3791/52725 (2015).

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