מחיצות מתכת סיליקט בלחץ גבוה וטמפרטורה: שיטות ניסיוניות ופרוטוקול לדיכוי מאוד תכלילים אלמנט Siderophile

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

הוא חשב הצטברות יבשתית שהתרחשה כסדרה של התנגשויות בין גרמי-שמים עם הרכב בתפזורת chondritic, מסתיים בשלב ענק השפעה חשבה אחראי להיווצרות ירח ^1,2. חימום של פרוטו-האדמה על ידי השפעות והדעיכה של איזוטופים קצרי ימים היה מספיק כדי לגרום להתכה נרחבת והיווצרות של אוקיינוס ​​מאגמה או בריכות שדרכו צפופות נמס מתכתי פה עשיר יכול לרדת. כשהגעתי לבסיס של האוקיינוס ​​מאגמה, נמס מתכתי נתקל גבול, דוכן rheological, ולעבור לשיווי משקל מתכת סיליקט האחרון לפני סופו של דבר יורד דרך המעטפת המוצקה לליבה גדלה ^2. תקשורת כימית בין מתכת ועוד שלבי סיליקט כלהמס מתכתי חוצה הוא חשב את החלק המוצק של המעטפת ליימנע בשל הגודל הגדול וירידה מהירה של diapirs מתכת ^3. בידול עיקרי זה של כדור הארץ לליבה מתכתית וmant סיליקטle מתגלה היום על ידי שני תצפיות גיאופיסי וגיאוכימיים ^4-6. פירוש תצפיות אלה להניב תנאים מתקבלים על הדעת לשיווי משקל מתכת סיליקט בבסיס אוקיינוס ​​מאגמה, לעומת זאת, דורש מסד הנתונים מתאימים של תוצאות ניסויים.

המעטפת הפרימיטיבית העליונה (pum) היא מאגר היפותטי המרכיב את שאריות סיליקט של היווצרות ליבה וההרכב שלה ולכן משקף את ההתנהגות של יסודות קורט בשיווי משקל מתכת סיליקט. יסודות קורט מופצים בין המתכת וסיליקט נמס בהפרדת ליבה על בסיס הזיקה גיאוכימיים. סדר הגודל של העדפת אלמנטים לשלב המתכת יכול להיות מתואר על ידי מקדם מחיצת המתכת סיליקט

(1)

איפה ו מציין את הריכוז של אלמנט מתכת ואני בסיליקט להמס בהתאמה. ערכים של > 1 מצביע siderophile התנהגות (שוחרי ברזל) והתנהגות אלה <lithophile 1 (אוהבי רוק). אומדנים של מופע הרכב pum שsiderophile אלמנטים מתרוקנים ביחס לchondrites ^7, נחשב בדרך כלל כנציג של הרכב בתפזורת של כדור הארץ ^6,8. הדלדול זאת בשל תפיסה של אלמנטי siderophile ידי הליבה, ולאלמנטים עקשן הגודל שלה צריך ישירות משקף את הערכים של . ניסויי מעבדה ולכן מבקשים לקבוע ערכים על דלקת מפרקים שגרוניתnge של לחץ (P), טמפרטורה (T) וfugacity חמצן (ו O ₂₎ תנאים שרלוונטיים להפרדת מתכת מהבסיס של אוקיינוס ​​מאגמה. התוצאות של ניסויים אלה עשויים לשמש להתוות אזורים של P – T – O ו ₂ מרחב התואמים את שפע pum של אלמנטי siderophile מרובים (למשל, ^{9 – 11).}

לחצים ובטמפרטורות רלוונטיות לתרחיש אוקיינוס ​​מאגמה הגבוהים ניתן ליצור מחדש במעבדה או באמצעות בוכנה צילינדרים או לחץ רב-סדן. מנגנון הבוכנה הצילינדרים מספק גישה ללחץ מתון (~ 2 GPA) וטמפרטורה גבוהה (~ 2,573 K) תנאים, אך מאפשר כרכי מדגם גדולים ומגוון של חומרי כמוסה לשמש בקלות. שיעור הקירור המהיר גם מאפשר מרווה של מגוון רחב של יצירות להמיס סיליקט לזכוכית, ובכך לפשט פרשנות מרקם של הריצה המוצרים.המנגנון רב-הסדן בדרך כלל מעסיק כרכי מדגם קטנים יותר אבל עם עיצובי הרכבה מתאימים יכול להשיג בלחץ של עד 27 ~ GPA וטמפרטורות של ~ 3,000 ק השימוש בשיטות אלה אפשר נתונים מחיצות עבור רבים מבינוניים ומעט siderophile אלמנטים להיות נאסף על פני טווח גדול של P – תנאי T. תחזיות של הרכב pum מבוסס על נתונים אלה מצביעים על שיווי משקל מתכת סיליקט התרחש בתנאי לחץ וטמפרטורה ממוצע בעודף של 29 ~ GPA ו3,000 K בהתאמה, למרות שהערכים המדויקים תלויים מודל. כדי להסביר את שפע pum של אלמנטים רגישים חיזור מסוים (למשל, V, Cr) O ו ₂ חשבו גם להתפתח במהלך הצטברות מ~ 4-2 יחידות יומן מתחת לזה שהוטל על ידי ברזל קיים שיתוף וwüstite (FeO ) בתנאים שווי ערך PT (חיץ הברזל-wüstite) ^12.

למרות השפע של pum מ 'כל אלמנטי siderophile יכולים להיות מוסבר על ידי שיווי משקל מתכת סיליקט בבסיס אוקיינוס ​​מאגמה עמוק, זה הוכיח קשה להעריך אם מצב זה חל גם על האלמנטים הכי siderophile מאוד (HSEs). הזיקה הקיצונית של HSEs ברזל-מתכת שצוינה על ידי לחץ נמוך (P ~ 0.1 MPA) וטמפרטורה (T <1,673 K) ניסויים מצביעה על האדמה סיליקט צריכה להיות מדולדלת מאוד ברכיבים אלה. אומדנים של תוכן HSE לpum, לעומת זאת, רק מציינים מתון יחסית לדלדול chondrite (איור 1). פתרון נפוץ הניח לעודף HSE לכאורה הוא שכדור הארץ חוותה מאוחר הצטברות של חומר chondritic לאחר ליבה-היווצרות ^13. חומר צמח מאוחר זה היה מעורבב עם pum ומוגבה ריכוזי HSE אבל הייתה השפעה זניחה על אלמנטים שופעים יותר. לחלופין, הוצע כי האופי מאוד siderophile של HSEs שצוין על ידי P הנמוך </em> – ניסויי T לא יתמידו לתנאי PT הגבוהים הנוכחים בליבה-ההיווצרות ^14,15. על מנת לבחון השערות אלה, חייבים להתבצע ניסויים כדי לקבוע את חלוקת המסיסות והמתכת סיליקט של HSEs בתנאים מתאימים. זיהום של חלק סיליקט של ריצה מוצרים הרווה במחקרים קודמים רבים, עם זאת, סיבך ניתוח הריצה מוצר וטשטש את מקדמי מחיצה האמיתיים לHSEs בין המתכת ונמס סיליקט.

בניסויים שבי מחיצות HSEs נמצאים ברמות הריכוז מתאימות לטבע, ההעדפה הקיצונית של אלמנטים אלה לפה-מתכת מונעת מדידתם בלהמס סיליקט. כדי לעקוף בעיה זו, מדידות מסיסות נעשות בי להמיס סיליקט רווי בHSE של עניין וערכים של מחושבים באמצעות הפורמליזם של אח בוריסובאל. ^16. סיליקט הרווה ריצה מוצרים מניסויי מסיסות HSE מבוצעים בהפחתת תנאים, עם זאת, לעתים קרובות להציג ראיות לזיהום על ידי HSE ± פה התפזר תכלילים ^17. למרות המצאות בכל מקום ליד של תכלילים אלה בO F הנמוך ₂ ניסויים המכילים Pt, עיר, Os, הנדון וRu, (לדוגמא, ^{18 – 27),} יש שונות בולטות בין לימודים במצגת המרקם שלהם; להשוות למשל מפנה ²² ו ^-26. למרות שזה כבר הוכיח כי תכלילים יכולים ליצור אשר שלב יציב בתנאי הפעלה של ניסוי ^28, זה אינו מונע את ההיווצרות של תכלילים כמדגם הוא הרווה. חוסר ודאות האופף את מוצאו של תכלילים הופך את הטיפול בתוצאות אנליטיות קשה, והוביל לעמימות על המסיסות האמיתית של HSEs בסיליקט המופחת נמס. ריצה מוצרים ללא הכללה נדרשים להעריךשמחקרים אימצו גישה האנליטית שמניבה ריכוזי HSE מומסים מדויקים. התקדמות ניכרת בדיכוי ההיווצרות של מתכת-תכלילים בתנאי צמצום עתה הוכיחה בניסויים באמצעות מנגנון בוכנה צילינדרים, שבעיצוב המדגם תוקן ממחקרים קודמים על ידי הוספה או Au או סי לחומרי המוצא ^29-31. התוספת של Au או Si יסודות לחומרים החל משנה את האבולוציה O הגיאומטריה מדגם F או ₂ של ניסוי בהתאמה. שיטות אלה נועדו לדכא היווצרות הכללת מתכת על ידי שינוי התזמון של HSE ב- דיפוזיה לעומת ירידת מדגם, והם דנו בנט ואח אל. ^31. בניגוד לכמה ניסיונות קודמים כדי לטהר את להמיס סיליקט של תכלילים, כגון איזון סייע מכאני ובוכנת הצילינדרים צנטריפוגה, הפרוטוקול הנוכחי יכול להיות מיושם ללא appar מיוחדatus ומתאים לניסויי PT גבוהים.

תאר בפירוט כאן היא גישה מבוססת בוכנה צילינדרים כדי לקבוע את המסיסות של הנדון, Os, עיר, Ru, Pt וAu בלהמס סיליקט בטמפרטורה גבוהה (> 1,873 K), 2 GPA וO ו ₂ דומה לזה של מאגר הברזל-wüstite. יישום של תכנון ניסוי דומה עשוי גם להוכיח מוצלח בניסויי HSE בלחצים אחרים, מתן יחסי שלב הנדרשים, הרטבת תכונות ויחסים הקינטית להתמיד לתנאים שנבחרו. קיימים נתונים עם זאת, אין בם כדי לחזות אם עיצוב המדגם שלנו יהיה מוצלח בלחצים המתאימים לאוקיינוס ​​מאגמה עמוק. כמו כן מתואר הוא גישה כללית המשמשת לקביעת מרכיב siderophile הבינוני ומעט (MSE וSSE בהתאמה) מחיצות באמצעות מכשיר רב-סדן. סיומת של בסיס הנתונים ללא הכללה לHSEs ללחץ גבוה עלולה להעסיק שיטות רב-סדן דומה. לְהַלבִּישׁאתר, נהלים אלה מספקים אמצעים להגבלת שני התנאים של ליבה-הפרדה ושלבי גדילה יבשתית.

Protocol

1) הכנה של חומר מוצא בזלת סינתטית הערה: הרכב בזלת משמש כחומר מוצא סיליקט כיצירות depolymerized יותר, למרות שרלוונטיים יותר לתרחיש אוקיינוס ​​מאגמה, קשים או בלתי אפשריים כדי להרוות לזכוכית בבוכנת צילינדרים וניסויים רב-ס?…

Representative Results

דוגמאות הבאות ומוקד דיון על ניסויים כדי לקבוע מסיסות HSE בסיליקט נמס בO F הנמוך 2. לדוגמאות מקיפות של כמה MSE ונתונים מחיצות SSE מניסויים רב-סדן עשוי לשמש כדי להגביל את P – T – O ו 2 תנאים של הפרדה מתכת ליבה, הקורא נקרא אזכור 9 -. 11 איור 7-D</s…

Discussion

התוצאות של ניסויים ללא הכללה בוצעו באמצעות הפרוטוקולים שתוארו כאן בעבר בהשוואה לנתוני ספרות באזכור ²⁹ (OS, עיר, Au), ³⁰ (Re, Au) ו- ³¹ (Pt). Pt הוא מאלף ביותר בהוכחת התועלת של ריצה מוצרים ללא הכללה. לניסויים לרוץ בO F הנמוך _2, ארטל et al. ⁴⁸ שהוקצו ת?…

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