Metall-Silikat-Partitionierung unter hohem Druck und Temperatur: Experimentelle Verfahren und ein Protokoll zum Unterdrücken von Hoch siderophile Element Einschlüsse

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 Akkretion wird gedacht, um als eine Reihe von Kollisionen zwischen planetesimals mit chondritischen Massenzusammensetzung stattgefunden haben, endet in einem riesigen Schlagphase dachte Mond ^1,2 Bildung verantwortlich. Erwärmung des Proto-Erde durch Stöße und dem Zerfall von kurzlebigen Isotopen war ausreichend, um umfangreiche Schmelzen und die Bildung einer Magmaozean oder Teichen, durch die dichten Fe-reichen metallischen Schmelzen steigen könnte verursachen. Bei Erreichen der Basis des Magmaozean, metallische Schmelzen Begegnung eine rheologische Grenze, stall, und final Metallsilikat Gleichgewicht, bevor er schließlich durch den Festmantel absteigend auf die wachsende Kern ² zu unterziehen. Weitere chemische Kommunikation zwischen Metall und Silikatphasen als metallische Schmelze durchläuft der feste Teil des Mantels wird angenommen, dass ausgeschlossen werden kann aufgrund der großen Größe und rasante Abfahrt von Metall diapirs ^3. Diese primäre Differenzierung der Erde in einen metallischen Kern und Silikat mant^{6 –} le wird heute sowohl von geophysikalischen und geochemischen Beobachtungen ⁴ offenbart. Interpretation dieser Beobachtungen auf plausible Bedingungen für Metallsilikat-Gleichgewicht an der Basis eines Magmaozean zu erhalten, erfordert jedoch eine entsprechende Datenbank von Versuchsergebnissen.

Die primitive oberen Mantels (PUM) ist eine hypothetische Reservoir, das die Silikatrest Kernbildung und seine Zusammensetzung spiegelt daher das Verhalten von Spurenelementen während der Metallsilikat Gleichgewicht. Spurenelemente werden zwischen Metall und Silikat schmilzt während der Kerntrennung auf der Basis ihrer Affinität geochemischen verteilt. Der Betrag eines Elemente Bevorzugung der Metallphase kann durch das Metallsilikat-Verteilungskoeffizienten beschrieben

(1)

Wo und bezeichnen die Konzentration des Elementes i in Metall und Silikatschmelze auf. Werte > 1 zeigen siderophile (Eisen-liebenden) Verhalten und jene <1 lithophile (rock-liebenden) Verhalten. Schätzungen der PUM Zusammensetzung zeigen, dass Elemente siderophile relativ Chondriten ^7, in der Regel als Vertreter der Groß Zusammensetzung der Erde ^6,8 als erschöpft. Dieser Abbau ist auf Sequestrierung von siderophile Elemente durch den Kern, und für feuerfeste Elemente seiner Größe sollte direkt Werte spiegeln . Laborexperimente daher versuchen, Werte zu bestimmen über einen range des Drucks (P), der Temperatur (T) und Sauerstofffugazität (f O ₂₎ Bedingungen, die für die Trennung von Metall mit der Basis eines Magmas Ozean sind. Die Ergebnisse dieser Experimente können dann verwendet werden, um Regionen des P beschreiben – T – f O ₂ Raum, der mit der PUM Fluss mehrerer siderophile Elemente kompatibel sind (beispielsweise ^9-11).

Die hohen Drücke und relevant für ein Magma Ozean Szenario Temperaturen können im Labor unter Verwendung entweder eines Kolben-Zylinder-oder mehrAmbossPresse neu erstellt werden. Die Kolben-Zylinder-Vorrichtung Zugriff auf mittlerem Druck (ca. 2 GPa) und hoher Temperatur (~ 2.573 K) Bedingungen, jedoch können große Probenvolumina und eine Vielzahl von Kapselmaterialien problemlos verwendet werden. Die rasche Abkühlgeschwindigkeit erlaubt auch Abschrecken einer Reihe von Silikatschmelzmassen zu einem Glas, damit strukturelle Auslegung der Einlauf Produkte vereinfacht.Die Mehr Amboßvorrichtung verwendet typischerweise kleiner Probenvolumina, aber mit geeigneten Montage Motive können Drücke bis zu ~ 27 GPa und Temperaturen von ca. 3.000 K. Die Verwendung dieser Verfahren zur Partitionierung für viele der mäßig erlaubt und leicht siderophile Elemente sein erreichen T Bedingungen – über einen großen Bereich von P gesammelt. Vorhersagen der PUM-Zusammensetzung auf der Basis dieser Daten lassen vermuten, Metallsilikat Gleichgewicht trat bei mittleren Druck und Temperaturbedingungen von über ~ 29 GPa und 3000 K sind, obwohl die genauen Werte sind modellabhängig. Um für die PUM Fülle von bestimmten Redox-sensitive Elemente berücksichtigen (zB V, Cr) der f O ₂ wird auch angenommen, während Akkretion von ~ 4-2 log-Einheiten unter dem durch Koexistenz Eisen und Wüstit auferlegt entwickeln (FeO ) bei äquivalenten PT Bedingungen (die Eisen Wüstit Puffer) ^12.

Obwohl die PUM Fülle von mirgendwelche siderophile Elemente können durch Metall-Silikat Gleichgewicht an der Basis eines tiefen Ozean Magma berücksichtigt werden, hat es sich als schwierig erwiesen, zu beurteilen, ob diese Situation gilt auch für den am höchsten siderophile Elemente (HSES). Die extreme Affinität der HSES für Eisen-Metall, das durch Niederdruck (P ~ 0,1 MPa) und der Temperatur (T <1.673 K) Experimente zeigten, schlägt die Silikaterde sollte stark in diesen Elementen erschöpft. Schätzungen der HSE Inhalte für PUM zeigen jedoch, nur eine mäßige Erschöpfung relativ zu Chondriten (Abbildung 1). Eine häufig postulierte Lösung des scheinbaren HSE Überschuss ist, dass die Erde erlebte eine spät Akkretion von chondritischen Material im Anschluss an Kernbildung ^13. Dieses spätgetretenen Materie würde mit der PUM vermischt haben und erhöht HSE Konzentrationen, hatte aber einen vernachlässigbaren Effekt auf reichlicher Elemente. Alternativ wurde vorgeschlagen, dass die extrem siderophile Natur HSES durch niedrige P angedeutet </em> – T Experimente nicht den hohen PT während der Kernbildung ^14,15 gegenwärtigen Bedingungen fortbestehen. Um diese Hypothese zu testen, müssen Experimente durchgeführt, um die Löslichkeit und Metallsilikat Partitionierung HSES bei geeigneten Bedingungen zu bestimmen. Verunreinigung des Silikat Teil abgeschreckt Laufprodukte in vielen früheren Studien hat jedoch Vorfeld Produktanalyse kompliziert und verdeckt die wahren Verteilungskoeffizienten für HSES zwischen Metall und Silikatschmelzen.

In Experimenten, bei denen die Teilungs HSES in Konzentrationen angemessen Natur vorhanden sind, die extreme Vorzug dieser Elemente von Fe-Metall verhindert ihre Messung in der Silikatschmelze. Um dieses Problem zu umgehen, werden die Löslichkeit Messungen vorgenommen, in dem die silikatische Schmelze in gesättigter HSE von Interesse und Werte werden mit dem Formalismus der Borisov et berechnetal. ^16. Abgeschreckt Silikat Laufprodukte aus HSE Löslichkeitsversuche bei reduzierenden Bedingungen durchgeführt wird, jedoch zeigen oft Beweise für Kontamination durch dispergiert HSE ± Fe Einschlüsse ^17. Trotz der in der Nähe von Allgegenwart dieser Einschlüsse in niedrigen f O ₂ Versuche, die Pt, Ir, Os, Re und Ru, (zB ^{18 – 27),} gibt es bemerkenswerte Variabilität zwischen den Studien in ihrer strukturellen Darstellung; vergleiche beispielsweise verweist auf ²² und ^26. Obwohl gezeigt wurde, dass Einschlüsse bilden, die eine stabile Phase bei den Ausführungsbedingungen des Experiments ²⁸ sind, schließt dies nicht die Bildung von Einschlüssen auszuschließen, wenn die Probe gequencht. Unsicherheit bezüglich der Herkunft von Einschlüssen macht die Behandlung von Analysenergebnissen schwierig und hat zu Unklarheiten über den wahren Löslichkeit HSES führte zu einer verringerten Silikat schmilzt. Inclusion-Freilauf-Produkte erforderlich sind, um zu bewertenwelche Studien haben einen analytischen Ansatz, die präzise gelöst HSE Konzentrationen ergibt angenommen. ^{31 –} erhebliche Fortschritte bei der Unterdrückung der Bildung von Metall-Einschlüsse reduzierenden Bedingungen hat sich nun in Versuchen unter Verwendung einer Kolben-Zylinder-Vorrichtung, in der die Probe wurde gemacht von früheren Studien entweder durch Zugabe von Au oder Si auf die Ausgangsstoffe ²⁹ geändert nachgewiesen. Die Zugabe von Au oder elementarem Si auf die Ausgangsmaterialien verändert die Probengeometrie oder f O _{2 -Entwicklung} des Experiments auf. Diese Verfahren sollen die Metalleinschlussbildung durch Änderung der Zeitsteuerung des HSE-Lichtstreuung gegenüber Probe Reduktion zu unterdrücken, und sind in Bennett et al. ³¹ diskutiert. Im Gegensatz zu einigen früheren Versuchen, die Silikatschmelze Einschlüsse wie mechanisch unterstützten Äquilibrierung und dem Zentrifugieren Kolben-Zylinder zu reinigen, kann das vorliegende Protokoll ohne spezialisierte appar umgesetzt werdenatus und ist für hohe PT Experimenten.

Hier im einzelnen beschrieben ist, ist ein Kolben-Zylinder-basierten Ansatz, um die Löslichkeit von Re, Os, Ir, Ru, Pt und Au in Silikatschmelze bei hoher Temperatur (> 1.873 K), 2 GPa und einem f O ₂ ähnlich der zu bestimmen, das Eisen-Wüstit Puffer. Anwendung einer ähnlichen Versuchsaufbau kann auch erfolgreich sein in HSE Versuche bei anderen Drücken, die Bereitstellung der erforderlichen Phasenbeziehungen, Benetzungseigenschaften und kinetischen Beziehungen bestehen zu den gewählten Bedingungen. Vorhandene Daten jedoch nicht ausreichen, um vorherzusagen, ob unsere Stichprobenplan wird bei Drücken, die einer tiefen Magmaozean erfolgreich. Auch umrissen ist ein allgemeiner Ansatz zur mäßig und leicht siderophile Element (MSE und SSE respectively) Partitionierung unter Verwendung eines Mehr Amboss Gerät. Erweiterung der Integration freien Datensatz für HSES Hochdruck wird wahrscheinlich ähnliche Mehr Amboss Verfahren verwenden. TogEther, diese Verfahren ein Mittel, um sowohl die Bedingungen der Kern-Segregation und die Phasen der terrestrischen Akkretion einzuschränken.

Protocol

1) Herstellung des Ausgangsmaterials Synthetische Basalt Anmerkung: Eine Zusammensetzung von Basalt als Silikatausgangsmaterial mehr depolymerisierten Zusammensetzungen verwendet werden, obwohl mehr relevant für ein Magma Ozean Szenario sind schwer oder gar nicht zu einem Glas in Kolben-Zylinder-und Multi-Amboss Experimente quenchen. Wiegen die gewünschten Mengen der Komponente Oxid oder Carbonat (Ca und Na) Pulver, mit Ausnahme von Fe, und in den einem Achatmörser (siehe Beispiel in <stron…

Representative Results

Die folgenden Beispiele und Diskussionen konzentrieren sich auf Experimente, um festzustellen, HSE Löslichkeit in Silikat bei niedrigen f O 2 schmilzt. Für umfangreiche Beispiele, wie MSE und SSE Partitionierung von Daten aus Multi-Amboss-Experimente verwendet werden, um den P beschränken werden – T – f O 2 Bedingungen der Kernmetall Segregation, wird der Leser auf Referenzen 9 bezeichnet -. 11 7B-D zeigt zurück gestreut…

Discussion

Die Ergebnisse der Einbeziehung freie Experimente durchgeführt unter Verwendung der hier beschriebenen Protokolle wurden bereits mit Literaturdaten in Artikeln ²⁹ (Os, Ir, Au), ³⁰ (Re, Au) und ³¹ (Pt) verglichen. Pt ist sehr lehrreich in Den Nutzen des Einschlusses freien Lauf-Produkte. Für Experimente bei niedrigen f O ₂ ausgeführt, Ertel et al. ⁴⁸ zu einer stabilen Ursprung zugeordnet Einschlüsse und damit eingeschränkten Datenreduktion auf …

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