Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

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

Published: June 13, 2015 doi: 10.3791/52725

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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 משוואת 1

משוואה 2 (1)

איפה משוואה 3 ו משוואה 4 מציין את הריכוז של אלמנט מתכת ואני בסיליקט להמס בהתאמה. ערכים של משוואה 5 > 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 משוואה 5 . ניסויי מעבדה ולכן מבקשים לקבוע ערכים משוואה 5 על דלקת מפרקים שגרוניתnge של לחץ (P), טמפרטורה (T) וfugacity חמצן 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 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 משוואה 5 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1) הכנה של חומר מוצא

  1. 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-סדן.
    1. לשקול את הכמויות הרצויות של תחמוצת רכיב או קרבונט (Ca וNa) אבקות, למעט פה, ולהוסיף למרגמת אגת (ראה דוגמא בטבלה המס '1). משקל ~ 4 גרם תערובת Fe-חופשית אמורה לספק חומר התחלה מספיק לחבילה רחבה של ניסויים.
    2. להוסיף אתנול המרגמה הברקת עד האבקות שקועות אז לטחון לפחות 2 שעות באמצעות העלי ברקת לhomogenize שני גודל הרכב ותבואה של התערובת.
      הערה: ההומוגניות של יצירות קרקע מתחילה ניתן לבדוק על ידי בדיקת גלולה לחצה מתערובת האבקה עם מיקרופון אלקטרונים סורקroscope מצויד לניתוח הלחנה בספקטרוסקופיה רנטגן נפיצה אנרגיה.
    3. ברגע יסודיות הומוגני, למקם את המרגמה תחת מנורת חום 250 W, במרחק של ~ 20 סנטימטרים. לאחר שתערובת האבקה יבשה, אשר עשוי להימשך 20-60 דקות, להעביר אותו לאו אלומינה או mullite (alumino סיליקט) כור היתוך.
    4. לdecarbonate התערובת, מניח את כור ההיתוך עם תערובת האבקה לתוך כבשן תיבה ב RT ורמפה ל1,273 K במהלך 3-5 שעות. השאר את התערובת בתנור ב1,273 KO / N.
    5. הסר את תערובת decarbonated מתנור התיבה ולאפשר לו להתקרר לRT. ברגע מגניב, לשקול ולהוסיף ברזל לתערובת כמו גם FeO או Fe 2 O 3 אבקה (ראה טבלה 1). שינוי היחס של FeO לפה 2 O 3, תוך שמירה המוחלטת התוכן פה באותו מאפשר O F הסופי 2 של המדגם צריך להיות שונה. כדי לגשת ליותר הפחתת תנאים, ובכל הניסויים לחקור Pלא, גם להוסיף ~ .5-2.0% WT סי לתערובת. ברגע שFe (± Si) נוספו, מחדש homogenize התערובת על ידי שחיקה באתנול שוב עם מרגמה אגת ועלי.
    6. ייבש את התערובת הומוגני תחת מנורת חום ולאחר מכן להעביר אותו לבקבוקון פגז. חנות בתא ייבוש עד מוכן לטעון את כמוסת המדגם.
  2. שלב מתכתי: Re, Os, עיר, ניסויי Ru
    1. בניסויים שנועדו לחקור מחדש, Os, עיר או Ru, להכין 3: תערובת של Au וHSE של עניין, תוך שימוש באבקות מתכתיות טוהר גבוה: 1 על ידי משקל (1 לRu, כדי להסביר את ההבדל במסה אטומית 6) . תערובת במשקל ~ 500 מ"ג אמורה לספק חומר התחלה מספיק לחבילה רחבה של ניסויים.
    2. מעבירים את התערובת לתוך כור היתוך גרפיט ולכסות עם מכסה גרפיט. לאחר מכן למקם את כור ההיתוך המכוסה לתנור תיבה בטמפרטורה של 1,473 K ל~ 5 דקות. ברגע שהוסר מהתנור, משאיר את מכסה כור ההיתוך במקום עד לאסיפה יש COOהוביל לRT.
      זהירות: חימום של אוסמיום באוויר עלול לגרום להיווצרות של tetroxide אוסמיום התרכובת הרעיל. אוסמיום מתכת היא גם גירוי עור ידוע, לראות MSDS ל# 7440-04-2 CAS.
      הערה: תהליך זה נמס (נקודת ההתכה ~ 1,337 K) Au אבל לא HSE הנלווה, וכתוצאה מכך ההיווצרות של חרוז מתכתי שבי HSE עניין מוקף קליפה של Au.
    3. הסר את חרוז המתכתי מכור היתוך גרפיט ולהשתמש בסכין גילוח לחלק אותו לחתיכות קטנות יותר אשר מודדות ~ 1 מ"מ בממד הארוך ביותר שלהם. ברגע שחתך, למקם את חרוזים לתוך בקבוקון פגז וחנות בייבוש.
  3. שלב מתכתי: ניסויי Pt
    הערה: ניסויים לחקור Pt לא יכול להתבצע באמצעות טכניקת חרוז מצופה Au בשל miscibility המלא של Pt וAu בטמפרטורה גבוהה (> 2,042 K על 0.1 מגפ"ס 32). זה מונע גיאומטריה מדגם לפי Pt מופרד פיזי מלהמס סיליקט במהלך ניסוי על ידי קליפהשל Au.
    1. לערבב ביסודיות אבקות מתכתיות של Pt ועיר ביחס של 1: 1 על ידי משקל לעשות כולל של 500 מ"ג ~ של תערובת. לאחר מכן, להוסיף ~ 20 מ"ג של אבקה פה מתכתית, כך שFe כולל ~ 4 אחוזים במשקל של התערובת הכוללת.
    2. סרט תרגיל נקי ריק (לחלופין, השוק של תרגיל ניתן להשתמש במקום של ריק תרגיל) עד ​​לקצה של שולחן עבודה, כך ש~ 3 בולט מ"מ מהשולחן. מקם שפופרת זכוכית סיליקה, עם קוטר פנימי של ~ 2-3 מ"מ וקוטר חיצוני של ~ 4-6 מ"מ, על הקצה הבולט של התרגיל ריק.
    3. מניחים את תערובת PtIrFe לתוך צינור הזכוכית ולהכניס ריק תרגיל אחר מעליו. שני כדורי סרק התרגיל צריך להיות בקוטר יותר מ 0.1 מ"מ קטן יותר מאשר הקוטר הפנימי של צינור זכוכית סיליקה לא. קרה-עיתונות התערובת מתכתית על ידי לחיצה על החסר התרגיל יחד ביד (איור 2).
      זהירות: שימוש בכוח מופרז במהלך שלב לחיצה-הקר יכולה לגרום לזכוכית סיליקה לנפץ).
    4. שים את האבקות בכבישה קרות, עדיין בתוך שפופרת זכוכית סיליקה, לכור היתוך אלומינה ולהשעות בחלק מגניב של תנור צינור אנכי ללישת גז. להעלות את טמפרטורת התנור ל1,673 K ובאמצעות CO-CO 2 תערובות גז, להגדיר את O F התנור 2 לערך קרוב למאגר הברזל-wüstite.
      הערה: בלחץ הסביבה ו1,673 K, מאגר הברזל-wüstite המתאים לO ו 2 של 1.93 x 10 -10 אבא 33. ניתן למצוא הקשר בין CO-CO 2 ערבוב יחס, טמפרטורה וF O 2 בהתייחסות 34. לחיץ הברזל-wüstite ב1,673 K להשתמש בתערובת גז הכוללת CO 22.25% כרך 2 ו- CO% 77.75 כרך.
      1. ברגע שהם הגיעו לטמפרטורה וF O הרצוי 2, להוריד את כור היתוך אלומינה, כך שהוא מתגורר במקום החם התנור ולהשאיר O / N לאבקות לחצו כדי לחשל.
    5. הסר את crucible ולחץ אבקות מהתנור-ערבוב הגז ולאפשר להם להתקרר. אם שפופרת זכוכית סיליקה היא עדיין שלמה, להשתמש ריק תרגיל לדחוף את האבקה מרותק מהצינור. שימוש במספרי תיל, לשבור את האבקה מרותק לחתיכות קטנות מספיק כדי להתאים בתוך כמוסת המדגם נבחרה לניסוי.
    6. העבר את חתיכות מתכת לבקבוקון פגז וחנות בתא ייבוש עד נדרשים.
  4. שלב מתכתי: ניסויים רב-סדן
    1. בניסויים כדי לקבוע את חלוקת אלמנטי siderophile הבינוני ומעט, לערבב את אבקת בזלת סינתטית עם אבקת Fe-מתכת בשיעורים שווים.
      הערה: חלק חלק מפה ניתן להוסיף כסגסוגת Fe-סי, בדרך כלל, כך שSi כולל 8% WT של <החלק המתכתי. זה יבטיח O ו הניסיוני 2 נשאר נמוך.
    2. הוסף את יסודות קורט נבחרו כאבקות מתכת-תחמוצת לתערובת הבזלת בתוספת מתכת. Homogenize החומר המוצא של גרinding תחת אתנול עם מרגמה אגת ועלי. כמות יסודות קורט הוסיפו יהיו תלוי באלמנט המדויקת נחקרת, לעומת זאת, ריכוז נומינלי של כמה אלף עמודים לדקה עד 2% wt אופייני 10,35.
    3. ברגע שהומוגני, לייבש את החומר מוצא האבקה תחת מנורת חום, להעביר אותו לבקבוקון פגז אז חנות בתא ייבוש עד צורך.

2. הכנת רכיבי עצרת

  1. בוכנה צילינדר
    הערה: ההרכבה צילינדר הבוכנה מורכבת מכמוסת גרפיט שנתמכת בנקודה החמה של דוד התנגדות גרפיט באמצעות חתיכות מגנזיה פריכות. תרמי אלומינה עטוף ממוקם axially דרך החלק העליון של ההרכבה לניטור טמפרטורות בחלק העליון של המדגם. התנור מוקף לאחר מכן על ידי Baco 3 תאים הפועלים כשני בינוני לחץ ומבודד תרמית 36. ממדי ההרכבה מסופקים באיור 3 א. רשימה של חומרים המשמשים לדוגמה את הניסויים ומקורותיהם מסופקות בטבלה 2.
    1. מכונת חתיכות כמוסות גרפיט, חבר קצה גרפיט ותמיכת מגנזיה לממדים הנדרשים עם מחרטת מרכז, באמצעות מוטות גרפיט ומגנזיה טוהר גבוה או צינורות בהתאמה כחומרי מוצא (איור 3 א).
      הערה: ניסויים לחקור מחדש, Os ועיר, סגסוגות HSE-פה יכולות להיות תחליף לגרפיט כחומר הכמוסה 29,30.
    2. Sonicate כמוסות גרפיט באתנול ל~ 1 דקות ב RT, אז יבש תחת מנורת חום באותו אופן כפי שהורה לחומרי המוצא אבקה. לאחר יבש, להעביר את הכמוסות לבקבוקון פגז וחנות בתנור ייבוש או ייבוש עד נדרשים.
    3. מניחים את חתיכות תמיכת מגנזיה באו אלומינה או כור היתוך mullite ולחשל ב1,573 K בתנור תיבה לפחות 8 שעות. לאחר חישול, לאפשר החתיכות להתקרר ולאחר מכן חנותבייבוש נשמר תנור ב ~ 393 ק
    4. כדי להפוך את התאים פחמה בריום, לערבב ראשון Baco אבקה 3 ועותק טונר משומש ב -99: 1 פרופורציות לפי משקל. מינימום של 7.4 גרם של תערובת נדרש לניסוי אחד. מעיל החלק הפנימי של קוביית פלדה בגודל מתאימה (ראה איור 3 א לממדים של Baco 3 שרוולים) עם או חומר סיכה יבש מבוסס גרפיט או סוכן מבוסס PTFE שחרור עובש (טבלה 2).
    5. g 3.7 קרה-העיתונות של התערובת ל~ 250 מגפ"ס באמצעות למות פלדה ולחץ הידראולי. השאר את התערובת בלחץ 1 דקות לפני שחרור לחץ. זה יהיה לייצר שרוול עם גובה של 17 מ"מ. שני שרוולים נדרשים עבור כל הרכבה.
      הערה: הסדר 2 התאים שתואר לעיל ומשמש בחלק מהמחקרים קודמים מאי 29-31 להחליף לBaco 3 תא בודד מתן למות גודל מתאים הוא זמין.
    6. ברגע שהוסר מלמות, כונן את עותק הטונר על ידי חימום השרוולים מRT 923 K במהלך כמה שעות בתנור קופסא, אז מחזיק בטמפרטורה זו ל~ 30 דקות. שים לב לשינוי בצבע שחור לכתום פעם עותק הטונר הוסר. אחסן את השרוולים מרותק בייבוש נשמר תנור ב ~ 393 ק
  2. רב-סדן
    הערה: ההרכבה רבת-הסדן כוללת כמוסת מדגם שממוקמת בנקודה החמה של דוד התנגדות גרפיט גלילי באמצעות MgO הפריך או אל 2 O 3 חתיכות מילוי. דוד מוקף בשני תמניון הקרמיקה sintered או ניתנת ליציקה שפועל גם בינוני לחץ ומבודד תרמית. תרמי יכול להיות ממוקם גם צירי או רוחבי בהתאם לעיצוב ההרכבה. ישנם מספר רב של גדלים ועיצובים של הרכבה המשמשים לניסויים רב-סדן, בהתאם למטרה וP הרצוי -. תנאי T איור 4 מציג כsembly עיצוב השתמש בעבר כדי לבצע ניסויי מחיצות מתכת סיליקט ב -3.6 ו -7.7-GPA 35.
    1. הכן כמוסות גרפיט ומגנזיה פריכה או שרוולי zirconia מצינורות טוהר גבוהים באותו אופן כפי שצוין עבור ניסויי גליל בוכנה. הממדים הנדרשים מסופקים באיור 4 א.
    2. הפוך את תקע אלומינה מאורכו של מוט אלומיניום ירה קשה. להשתמש בקובץ יהלומים להבקיע את המוט שבו הוא להיות שבורים, ולאחר מכן הצמיד את המוט לאורך הנדרש ביד (ראה איור 4 א לממדים). השתמש בקובץ כדי להסיר כל קוצים הנובעים משבירת המוט. נקה את התקע על ידי sonicating זה באתנול ב RT.
    3. הכן octahedra עם אורך 18 מ"מ מתומנת קצה (OEL) באמצעות קרמיקה 2-חלק ניתנת ליציקה מבוססת MgO (ראה טבלה 2) ועובש בגודל המתאים. העובש כולל לנענע המחזיקה 8 קוביות קטועות, מופרד על ידי גיליונות עם עובי שווה לזה רצוי עבור הדואר נוצר מראש אטמים 37.
      1. לoctahedra עם 18 מ"מ OEL, קוביות שימוש עם מ"מ 11 נקטע קצה אורך (אביב) וגיליונות שהם 3 מ"מ עובי. השתמש באחת מאלומיניום או PVC לחומרי קובייה וגיליון. להרכיב את העובש, סיכה כל החלקים שייצרו קשר עם הקרמיקה ניתנת ליציקה עם גריז סיליקון. השאר קובייה אחת מפורקת לספק נקודת כניסה לתערובת קרמית.
      2. מערבבים את אבקת הקרמיקה וactivator הנוזלי ב100: 30 על ידי יחס משקל ומערבבים היטב. יוצקים את התערובת לתוך התבנית, להבטיח שאין כיסים לכודים של אוויר. הכנס את הקובייה שנותרה ולאפשר את התערובת להגדיר לפחות 2 שעות. כל תמניון דורש ~ 15 גרם של תערובת קרמית.
    4. לאחר הגדרה, להסיר את תמניון מהתבנית, ליבש ל~ יום 1 בתנור ייבוש ב393 K אז לחשל ב1,273-1,373 K בתנור קופסה ל~ 2 שעות.
    5. לאפשר תמניון להתקרר לRT באוויר, ואז לקדוח חור בקוטר 7.3 מ"מ כפי שצוין באיור 4 כדי להתאים את שרוול בידוד, דוד גרפיט ורכיבי מדגם שנותרו.
    6. חנות בתנור ייבוש ב ~ 393 K עד מוכן להרכיב את הניסוי.

3. אסיפה של הרכיבים

  1. עצרת של ניסוי הבוכנה הצילינדרים
    1. טען את כמוסת מדגם גרפיט על ידי החדרת מתכת HSE נושאות הראשונה ולאחר מכן הוספת אבקת בזלת סינתטית עד הכמוסה מלאה. שימוש בהסדר יציב בכוח הכביד ממזער את הסיכוי למהפך במהלך הניסוי ונועד למנוע פיזור של השלב המתכתי דרך פעולה מכאנית.
    2. מניחים כמות קטנה (בדרך כלל <50 מ"ג) של אבקת MgO היבשה בבסיס החלל שנועד להחזיק את כמוסת המדגם. זה משטח את פני השטח המחודדים נוצרו כאשר קידוח החור ובתורו מפחית כוחות גזירה במהלך דחיסת מדגם שעלולה לסדוק את הכמוסה.
    3. להרכיב את כל המשוגעים בעבררכיבים אלקטרוניים, כפי שמוצג באיור 3.
    4. לעטוף פיסת נייר עופרת עבה 30 מיקרומטר סביב ההרכבה, מתקפל חלק (~ 1.5 מ"מ) קטן של נייר כסף על הקצה החשוף של Baco 3 שרוול התחתון. הכנס את ההרכבה לכלי לחץ טונגסטן קרביד נשא 12.7 מ"מ, יחד עם התוספת בסיס (לעיל) ופלדת קצה חתיכה כפי שמוצג באיור 3 א (להלן).
      הערה: יש מנגנון בוכנה הצילינדרים טעון סוף שני אילים הידראוליים. גשר בפישוק האיל הנמוך מאפשר בוכנה טונגסטן קרביד להפעיל לחץ על החלק התחתון של המדגם. האיל העליון מתקן את המיקום של פני השטח המדגם העליונים וחל קצה עומס לכלי הלחץ שנותן תמיכה נוספת לליבת טונגסטן קרביד 38. איור 3 ג תערוכות מנגנון צילינדר בוכנה באוניברסיטת טורונטו עם הגשר במקום. חיכוך-תיקון -9% מוחל על חשבון על ההבדל בין לחץ המדגם הנומינליד שחווה על ידי המדגם 39.
    5. מקם את הגשר, כלי לחץ ובסיס צלחת בין האילים הידראוליים. הבא לעשות תרמי C-סוג באמצעות צינור אלומינה ירה קשה 4 חור-עם קוטר חיצוני של 1.6 מ"מ. צינור אלומינה יש לחתוך ארוך מספיק כדי לאפשר ~ 1-2 מ"מ של הצינור כדי לבלוט מעל פני השטח העליון של הראש-הצלחת.
    6. להאכיל את שני יצירות התיל (ראה טבלה 2) דרך חורים סמוכים בצינור, להפוך את הקצוות דרך 180 מעלות ולאבטח אותם בכך שהחורים המנוגדים החוטים לחצות. הכנס את הצמד התרמי באמצעות הצלחת העליונה ולהרכבה, כך שהצומת היא ישירות מעל המדגם. לבודד את שארית החוטים התרמי באמצעות צינורות טפלון גמישים, עוזב חלק 10-20 מ"מ נחשף בסוף.
    7. מניחים כל מפרידי מתכת נדרשות במקום בין הצלחת העליונה והאיל העליון. במהלך עצרת, גיליונות מיילר העמדה הן מעל כלי הלחץ וביןהעליון של ההרכבה והאיל העליון. גיליונות אלה חשמליים לבודד את מעגל חימום מדגם משאר מכשירים.
  2. עצרת של הניסוי רב-הסדן
    1. הפוך תרמי C-סוג באמצעות צינור אלומינה ירה קשה 4 חור-ידי האכלת שני החוטים דרך חורים בצינור סמוכים, הופכים את הקצוות דרך 180 מעלות ואבטחתם של החורים המנוגדים. לבודד את שארית החוטים באורך קצר (~ 20 מ"מ) של צינור אלומיניום ולאחר מכן חומר טפלון בידוד, עוזב חלק 10-20 מ"מ של חוט חשוף בסוף.
    2. הכנס את שרוול zirconia ודוד גרפיט לתמניון, ואז לחתוך חריצים כפי שצוין באיור 4. הכנס את הצמד התרמי לחלק העליון של תמניון ומקם את זרועות אלומינה מכוסות לתוך החריצים. השתמש מלט zirconia (ראה טבלה 2) כדי למלא את חלל הריק שמסביב התרמי ולאפשר לו להתייבש.
    3. כדי לבודד את ג'ו התרמימכמוסת גרפיט, להוסיף אבקת MgO מהבסיס של תמניון עד החוטים החשופים מכוסים. פחות מ -50 מ"ג של אבקה הוא בדרך כלל מספיק כדי להקיף את החוט החשוף. כדי להבטיח אריזה הדוקה של אבקת MgO, להשתמש ריק תרגיל ללסתום את האבקה הרופפת.
    4. לטעון כמוסת גרפיט עם חומר המדגם שהוכן קודם לכן ומניח לתמניון מהצד הפתוח. הכנס את תקע אלומינה כדי להשלים הרכבה של תמניון.
    5. על 4 לקוביות בב"ש (הטבלה 2) להשתמש אצטט פוליוויניל להדביק אורכים קצרים של לזה-עץ, אחד בכל אחד מפרצופי 3 בסמוך לפינה הקטומה של הקובייה. כל פיסה בלזה-עץ צריכה למדוד ~ 4.4 מ"מ בגובה ורוחב על ידי ~ 9.0 מ"מ אורך, לגודל תמניון שמוצג באיור 4. בכל פניה, למקם את החתיכות בלזה-העץ ברבע מול הקצה הקטום.
    6. להרכיב 4 של הקוביות כדי ליצור ריבוע במבט מטוס, 2 עם ובלי 2 woodeחתיכות n מצורפים. כוון את הקצוות הקטומים להתמודד מרכז הכיכר.
    7. מקם את תמניון במרכז הקוביות, כך שהיא נתמכת על ידי הקצוות הקטומים. אז זווית הנשק התרמי, כך שהם יוצאים מפינות נגדיות של הריבוע (איור 5 א ')
    8. מניחים את הקוביות בב"ש שנותרו לעמדה כדי ליצור קובייה עם תמניון במרכזו, על מנת להבטיח כי הקוביות עם חתיכות עץ מחוברים שאר על גבי קוביות שאין להם מפרידי עץ.
    9. דבק חתיכות מרובעות של ~ 0.5 מ"מ גיליון עבה G10 (ראה טבלה 2) לכל פנים של הקובייה נאספה באמצעות דבק cyanoacrylate-סוג. לקוביות בב"ש 32 מ"מ, ישתמש בגיליונות G10 מדידה ~ 55 מ"מ x 55 מ"מ. יש שתי הקוביות בב"ש truncations שקשר עם דוד ההתנגדות ובכך מהווה חלק ממעגל החימום החשמלי. לגיליונות שקשר עם קוביות אלה, לחתוך 2 חריצים צרים (<רוחב 1 מ"מ) כפי שצוינה באיור 5 ומניחים חתיכת רדיד נחושת כדי שלא מספק נקודת המגע בין סדני 1 ו 2 שלבים.
      הערה: המנגנון רב-הסדן מנצל מערכת 2 שלבים של סדנים בתוך טבעת שמירה. סדני השלב הראשונים מהווים 6 טריזים נשלפים היוצרים חלל מרכזי מעוקב. חלל זה מתאים 8 קוביות טונגסטן קרביד עם פינות קטומים (סדני שלב שני) המקיפים את תמניון הקרמיקה 40. כוח בכיוון אנכי פנה לסדני השלב הראשונים על ידי לחץ הידראולי מועבר אפוא לתמניון באופן שגורם לדחיסה מעין-ההידרוסטטי של המדגם. מערכת היחסים בין לחץ שמן בלחץ האיל ומדגם יכול להיות מכוילת להרכבה מתומנת יצוק 18 מ"מ OEL המתואר כאן באמצעות הנהלים שתוארו על ידי 41.
    10. חותך 2 גיליונות של מיילר העבה .076 מ"מ לממדים שמוצגים באיור 6 ומעיילם באמצעות חומר סיכה PTFE יבש.
      1. עמדה אחת של הגיליונות החתוכים מראש לטבעת החיזוק (קצה ישר בבסיס) והכנס את נמוך יותר שנקבע של 1 סדני -stage st, שהן עצמן מגובות עם מיילר העבה .076 מ"מ ומצופות בחומר הסיכה PTFE (איור 5). הסט התחתון של סדנים ניתן להשאיר במקום בין ריצות. הנח את הקובייה התאסף לתוך הסט התחתון של סדני 1 שלב-ולחבר את הנשק התרמי לחוטים תרמי מאוזנים שיציאת מודול הלחץ.
      2. מקם את גיליון 2 nd מראש לחתוך מיילר לטבעת שמירה (קצה ישר לראש) והכנס את הסט העליון של 1 סדני -stage st, שאמורה להיות מיילר מגובה ומשומן באותו אופן כפי שנקבע נמוך יותר. הסדר זה ​​מניב מיילר משומן למגע מיילר בין סדני 1 st -stage וטבעת שמירה המפחיתה את אובדן דחף איל לחיכוך על ידי ~ 30% בהשוואה להסדר גיליון מיילר אחת 37.
        הערה: עוביים ומידות של גיליון מיילר יהיו תלויות לאבשימוש שהוא עיצוב של מודול הלחץ מדויק. שתואר לעיל ובאיור 6 הם הממדים בשימוש במעבדה הגיאופיסי, מכון קרנגי בוושינגטון.

4. הפעלת הניסוי

  1. לאחר המדגם הוא הביא ללחץ הנדרש, החום בשיעור של 100 K / min עד שתגיע לטמפרטורה הרצויה להתעכב. במהלך שלב החימום, נפט באיל המדגם ייתכן שיצטרך להיות מותאם על מנת לשמור על לחץ שמן קבוע.
  2. לאחר התקופה להתעכב, להרוות את המדגם על ידי חיתוך כוח לתנור. ברגע שהמנגנון מתקרר לRT, לשחרר לחץ לאט המדגם.

מוצר הפעלת ניתוח 5.

  1. לניסויי גליל בוכנה, לחלץ את הניסוי המוגמר מכלי הלחץ באמצעות מנופים הידראוליים. עם זוג מספרי החובה כבדה להסיר את החלקים החיצוניים של ההרכבה כדי לשחרר את הקפסולה גרפיט (cylind בוכנהאה) או תנור מכיל כמוסת המדגם וחתיכות תמיכה (רב-סדן).
  2. הר המדגם באפוקסי (בדרך כלל כדי ליצור דיסקוס קוטר 25.4 מ"מ) (איור 7 א). באמצעות 320-600 חצץ נייר סיליקון קרביד, לטחון לתוך המדגם לחשוף את השלבים להמיס סיליקט ומתכתי הרווה. פולני המשטח החשוף או באמצעות אלומינה או השעיה יהלומים עם ירידה בגדלים חצץ החל ~ 15-0.3 מיקרומטר.
  3. מעיל פחמן פני השטח של המדגם המלוטש 42 ולנתח את הרכב המרכיב המרכזי של ריצה מוצרי סיליקט המתכת ועל ידי ניתוח מיקרו בדיקה אלקטרון (EPMA). השתמש בקוטר חסר מיקוד (10 מיקרומטר) קרן לניתוח סיליקט כדי למנוע הגירה של אלמנטי אלקלי מאלומת האלקטרונים. ניתן למצוא תנאים אנליטיים וסטנדרטים המשמשים לאפיון דגימות קודמות שנוצרו עם הפרוטוקול לעיל באזכור 29 - 31,35
    הערה: בניסויים לinvestigatMSE דואר ומחיצות SSE, EPMA יכולים גם להוכיח מתאימים לניתוח של האלמנטים נותב, בתנאי שהם נמצאים בריכוזים מספיקים.
  4. בעקבות ניתוח מרכיב מרכזי, להסיר את מעיל פחמן באמצעות 0.3 מיקרומטר חצץ אלומינה. השתמש אבלציה לייזר ספקטרומטריית מסת פלזמה בשילוב אינדוקטיבי (LA-ICPMS) כדי לקבוע את תוכן אלמנט עקבות של הריצה המוצרים. למבוא לניתוח לטעום ידי LA-ICPMS, אנא ראו התייחסות 43.
    הערה: מחקרי מסיסות איזוטופים HSE הקודמים של סידן וניקל שימש בהצלחה כסטנדרטים פנימיים כדי להפחית את הנתונים, תוך שימוש בשתי חומרי התייחסות גפרתי בהתאמה 29,30 זכוכית ו. כל הניתוחים יש קדמו לעבור יחיד של אבלציה, ואחרי שטיפת תא אבלציה לפחות 60 שניות. זה מבטיח שום זיהום פני השטח שיכול לנבוע מליטוש הריצה המוצרים הניסיוניים אינו משפיע על התוצאות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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 מציג גב תמונות אלקטרונים מפוזרות מריצת מוצרים ניסיוניים טיפוסיים. בניסויים המכילים Au, תכונות ההרטבה בין להמיס סיליקט, Au להמס וHSE המוצק (Re, Os, עיר, Ru) להכתיב את הגיאומטריה המדגם ולגרום להפרדה פיזית בין להמיס סיליקט וHSE המוצק. לניסויים לחקור Pt, סגסוגת PtIr נשארה בקשר ישיר עם להמיס סיליקט. חיתוך כוח לתנור בסוף הניסוי מבטיח קירור מהיר של המדגם ומרווה של יםilicate להמס. הפעל-מוצרים לכן מהווים גם שלבי סגסוגת 1 או 2 (HSE עשיר ± Au-העשיר) (משמש מתן הרכב הבזלת של טבלת 1) או זכוכית סיליקט.

זיהום של זכוכית סיליקט בO F הנמוך 2 ניסויי מסיסות HSE מזוהה ביותר בקלות על ידי הנוכחות של ההטרוגניות בזמן נפתרה ספקטרום LA-ICPMS. ההטרוגניות זה באה לידי ביטוי "פסגות" ו- "שקתות" בספקטרום הנובעים מאבלציה של פרופורציות משתנות של לעומת זכוכית ללא הכללה 17 נושאות הכללה. איור 8 א מציג את ספקטרום הזמן נפתרו לניסוי מסיסות Pt שלא להעסיק שיטות למניעת ההיווצרות של תכלילים מתכת. לשם השוואה, איורים ספקטרום אופייני לריצת מוצרי סיליקט מסונתז תוך שימוש בטכניקות המפורטים בפרוטוקול לעיל הזמן נפתרו תצוגת 8B-F. ההומוגניות של אינדיקה BF ספקטרוםTES העדר תכלילים HSE מפוזרים בחלק סיליקט של ריצה מוצרים ניסיוניים. בדיקה של זכוכית סיליקט ידי סריקה מיקרוסקופי אלקטרונים מאשרת היעדר מתכת-תכלילים נראים לעין בסיליקט הריצה המוצרים, תמיכה חוסר זיהום נוסף. הספקטרום מוצג באיור 8 א-E הוא מריצת מוצרים מסונתזים כחלק ממספר מחקרים קודמים 29 -. 31 איור 8F הוא מניסוי מסיסות Ru מבוצע בK 2273 ו- 2-GPA באמצעות טכניקת Au-בנוסף תוארה לעיל. ההומוגניות של ספקטרום זה מצביעה על כך שגישה זו היא גם מוצלחת בהימנעות ההיווצרות של מתכת-תכלילים מצאו בניסויי מסיסות Ru הקודמים שבוצעה באופן דומה הפחתת תנאים (~ IW + 2.5) 24.

איור 1
Compa 1. איורRison בין עליונה מעטפת ההרכב המשוער הפרימיטיבי (pum) ושנחזה על ידי התוצאות של ניסויי מסיסות בלחץ וטמפרטורה נמוכים. נתונים להרכב pum מet פישר-Gödde אל. 7. מקדמי החלוקה לHSE הם ברמה של 0.1 מגפ"ס, 1,573-1,673 K וIW-2 מניסויים Fe-בחינם על ידי 27 (Re), 44 (OS), 18 (עיר), 45 (Ru), 16 (Pd), 46 (Au), 21 (Pt וRh). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
הסדר 2. איור משמש לאבקות מתכתיות קרה-עיתונות. התרגיל התחתון ריק (או Shank) תחילה מודבק לקצה שולחן עבודה כדי לאפשר טעינה קלה של האבקות לt זכוכית סיליקהאובה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. חתך מפורט של ההרכבה צילינדר הבוכנה () הוכנס מייד לכלי הלחץ. לקבלת תוצאות עקביות, המרווח בין רכיבים בתוך תנור ההתנגדות צריך להיות בתוך 0.025 מ"מ של הערכים הנומינליים 38. Baco 3 תאים צריכים להיות בתוך ~ 0.13 מ"מ של הקטרים ​​הפנימיים וחיצוניים הנומינליים. פרטים לבנייה של קובייה מתאימה ניתן למצוא ב 47, למרות שהקוטר הפנימי התא צריך להיות שונה מהציורים בהתייחסות זו ל -7.9 מ"מ. נוהל (ב) לבניית ההרכבה מדגם גליל בוכנה. כך או דבק cyanoacrylate או ביתי מלט הוא suitable כדי לאבטח את תקע סוף גרפיט בשרוול Baco 3, לעומת זאת, לא יותר מ ~ 10 מ"ג צריך להיות מיושם. עיתונות גליל בוכנה באוניברסיטת טורונטו (C). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. חתך של הרכבה רבת-סדן מתאים לשימוש עם קוביות בב"ש שיש לי טל 11 מ"מ (). החלק העליון של הדמות מצויר כדי להראות עד כמה הנשק התרמי לצאת תמניון, כפי שנצפה שני ניצב-ולמטה הציר של החוט כפי שצוין. צפה לראש תמניון יציקה עם סנפירי אטם (ב '). חריצים לזרועות תרמי יש לחתוך לאזורים המסומנים באדום. שימו לב ששרוול מגנזיה הפנימי ואלומינה 4 חור-צינור שמוצג באיור לא צריך להיות במקום שבו החריצים נחתכים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. הסדר (א) לקוביות בב"ש סביב תמניון התאסף. סט תחתון של סדני 1 שלב (ב) וההסדר שלהם בתוך טבעת שמירה. ניסוי שהושלמו להציב לתוך מודול הלחץ עם 1 של קבוצתו העליונה של סדני 1 שלבים במקום (C). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 7
איור 7. (א) ריצה מוצר ניסויי רכוב באפוקסי, אז קרקע ומלוטשת. (ב) ו- (ג) גב מפוזר תמונות של אלקטרון ריצה מוצרים ניסיוניים מניסויים באמצעות Si-בנוסף (B) וAu-בנוסף (ג) טכניקות מתוארות בטקסט לניסויים כדי לקבוע מסיסות Pt וRu בהתאמה. תמונה (B) נדפס מיום 31 באישור Elsevier. (ד) תצוגה מוגדלת של האזור שמסומן באדום ב( ג) כדי להראות את הפרטים של חרוז AuRu וממשק המתכת סיליקט. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 8
איור 8. (א) זמן נפתרה LA-ICP-MS ספקטרה מניסוי PT-מסיסות נמוכה O ו 2 שלא לנקוט צעדים כדי לדכא את ההיווצרות של תכלילים מתכת. (BF) אופייני LA-ICP-MS ספקטרה מניסויים לRu, 31 Pt, Re 30 זמן נפתרו, Os ועיר 29 שבוצעו באמצעות ההליך המתואר בטקסט. כל הנתונים המוצגים הם מניסויים שבוצעו בK 2273 ו -2 GPA. הקו המקווקו האנכי בכל דמות מפריד האזור של אבלציה מאזור רכישת רקע.ז "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 9
איור 9. השינוי בD Met / סיל עם T לניסויים שבוצעו על ידי Brenan & מקדונו 29 (OS, עיר, Au), בנט וBrenan 30 (Re, Au) ונט et al. 31 (Pt) באמצעות ההליכים המתוארים כאן. כל הנתונים הם מניסויים שנעשו ב2 GPA. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 10
איור 10. המסיסות של אירידיום בלהמס בזלת בK 2273 ו- 2-GPA כפונקציה של f O <תת> 2 ביחס למאגר הברזל-wüstite (IW). הנתונים הם מBrenan & מקדונו 29. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

לפני Decarbonation לאחר Decarbonation
תחמוצות% WT / פחמתי; פה 2 + הרכב החל תחמוצות% WT / פחמתי; פה 2 + הרכב החל WT אוקסיד%; פה 2 + הרכב החל WT אוקסיד%; פה 3+ הרכב החל
SiO 2 47.92 47.40 SiO 2 51.87 51.26
אל 2 O 3 9.91 9.80 אל 2 O 3 10.73 10.60
קאקו 3 16.20 16.02 קאו 9.83 9.71
MgO 14.58 14.42 MgO 15.79 15.60
FeO 9.84 - FeO 10.66 -
פה 2 O 3 - 10.82 פה 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

טבלת 1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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 תכלילים למקור יציב ולכן מוגבלים הפחתת נתונים לאזור ספירה לשנייה הנמוך ביותר של ספקטרום LA-ICPMS זמן נפתרה. גישה זו מצמצמת את התרומה של תכלילים לריכוזים להמיס סיליקט נמדדו. נתונים מet al ארטל 48 ב ~ IW + 1 מסכים גם עם המגמה בין D Met / סיל ו 1 / T שהוגדרה על ידי ניסויים ללא הכללה מבוצעים בO F דומה 2.; המאשר כי הטיפול אנליטי הנבחר שלהם הוא יעיל בקביעת solubilities Pt האמיתי 31. יתר על כן, ניסויים שנעשו באמצעות פרוטוקול דיכוי-ההכללה המתוארת כאן יכולים לחקור יותר תנאי צמצום, שבו שיטת סינון הספקטרום הופכת פחות יעילה 17. במחקרים שרק להניח את נוכחותו של תכלילים להרוות קשור, יש הסכמה משתנה עם נתונים ללא הכללה. לדוגמא, הסכם טוב הוא ציין עם התוצאות של מאן et al. 49, ערכים עם זאת, הניסויים של קוטרל et al. 22 תצוגה שיטתית נמוכים של D Met / סיל מ ניסויים ללא הכללה 31. הדור של ניסויים ללא הכללה במגוון רחב של תנאים לכן חיוני כדי להעריך את האמינות של מדידות-מזוהם הכללה קודמת.

אף על פי הפרוטוקול המתואר כאן הוכיח את יעילותו על פני טווח של תנאים, זה לא תרופת פלא לבעיה של זיהום על ידי תכלילים מתכת. ניסויים בוצעו באמצעותהטכניקה של בנוסף Au מושפעת מההיווצרות של יצירות סגסוגת מורכבות בO F הנמוך מאוד 2. על מנת ליצור תנאים יותר באופן משמעותי מאשר צמצום מאגר הברזל-wüstite, Si יסודות מתווסף לחומרי המוצא. מוצרים לרוץ מרוב הפחתה של ניסויים אלה מכילים 2 סגסוגות קיימות שותף שיש מרקמי exsolution להרוות קשור נרחבים. Immiscibility בסגסוגת נראה להתעורר עקב הפתרון המשמעותי של Si לשלב מתכת בהפחתת תנאים. מחסור בנתונים פעילות-הרכב המתאימים ליצירות סגסוגת נוצרו בתנאים מאוד צמצום מונע את הפעילות פה וHSE בשלב סגסוגת מלהיות נחוש. זה מונע חישוב מדויק של f מדגם O 2 וריכוזי HSE בלהמס סיליקט בגבול המסיסות.

היעילות של Si-בנוסף כשיטה למניעת היווצרות של תכלילים Pt מופיעה להקטין בתחתוןטמפרטורות. בנט ואח '. יצוין, כי ביום 31 בניסויים שבוצעו ב1,873 ראיות K תצוגה לזיהום על ידי תכלילים מתכת, בעוד שאלו נעשו בטמפרטורות גבוהות יותר לא. זה יכול להיות בגלל שינוי במערכת היחסים בין הקינטית הפחתת המדגם וPT-דיפוזיה בטמפרטורות נמוכות יותר. שיקול נוסף לניסויים שבוצע בטכניקת סי-בנוסף הוא זה השפעה על הרכב להמיס הסופי. חמצון של Si יסודות בתחילת הניסוי מתרחש דרך התגובה הבאה עם FeO בלהמס:

סי (פגשה) + 2FeO (SIL) = SiO 2 (SIL) + 2Fe (פגש) (2)

תוספת של כמויות גדולות יותר של Si, כדי לגשת לתנאי צמצום יותר, ולכן תוצאות בהרכב להמיס SiO 2 מועשרים וFeO מדולדל יותר. על מנת לנהל ניסויים הכוללים O ו רחב 2 2 ל כל שומה של Si הוסיפה להרכב ההתחלה. צריך גם לציין כי חלק מהמחקרים מצאו את המופע של תכלילים מתכתיים גם תלוי בהרכב להמיס, בפרט אם להמס Fe-נושאת 50.

נתוני המסיסות המוענקים על ידי ריצה מוצרים מזוהמים מאפשר מקדמי מחיצת מתכת סיליקט מדויקים להיות מחושבים. בניסויים שבי HSE של העניין אינו נוכח כשלב טהור (כלומר, פעילות מתכת HSE <1), ריכוזים שנמדדו בשלב סיליקט מתוקנים לפעילות יחידה תוך שימוש בנתונים תרמודינמיים זמינים. למעט Au, סיכום שימושי של יחסי פעילות-הרכב הזמינים עבור HSEסגסוגות מסופקת בהתייחסות 49. נתונים מוגבל לסגסוגות Au-פה ניתן למצוא באזכור 46,51. ביחס הבא לאחר מכן נעשה שימוש כדי לקבוע ערכים של D Met / סיל מריכוזי HSE תוקנו בלהמס סיליקט 16

משוואה 6 (3)

איפה משוואה 7 הוא ריכוז HSE של סיליקט ברוויה בשלב HSE, היא שומה משקל מקדם המרה ו משוואה 8 הוא מקדם פעילות של HSE בחר בדילול אינסופי בנוזל Fe-מתכת. איור 9 מציג את השינוי בD Met / סיל עם T מחושב מניסויים שנעשו ב2 GPA וO 2 ו קרוב למאגר הברזל-wüstite. יישום אחד של נתונים אלה הואלהעריך את היכולת של שיווי משקל המתכת סיליקט בטמפרטורה גבוהה כדי להסביר את השפע המוערך הפרימיטיבי העליון המעטפת של רכיבים אלה. ערכים של D Met / סיל לHSE חייבים להקטין לערכים של 10 ~ 2 3 -10 בערך באותו הטמפרטורה אם שיווי משקל מתכת סיליקט אחראי להרכב pum. נתונים ממחקרים קודמים מוצגים באיור 9 מרמזים דרישה זו לא תיענה על ידי התוצאות של ניסויים שבוצעו בהפחתת תנאים 29-31.

מדידות מסיסות מריצת מוצרי סיליקט מזוהם שימושיות גם בחושף את התפצלות של HSEs מומס בלהמס סיליקט בF הנמוך O 2. מידע על התפצלות של מתכות אלה על פני טווח גדול של תנאי חיזור הוא שימושי לא רק להדרכת אקסטרפולציה של נתונים מעבר לטווח למד בניסוי, אלא גם בעיצוב יצר משקפיים עם תכונות אופטיות מיוחדות. שינויים במצב החמצון של מתכות מומסים עשויים להיות מלווה בשינויים בכימיה התיאום שלהם, שממנו הווריאציה במאפיינים כגון הספיגה אופטית עלולה להתעורר. לדוגמא הפירוק של פלטינה, בשימוש נרחב כחומר מיכל לסינתזת זכוכית מלהמס, עלולים להוביל למשקפיים בצבעים שונים בהתאם לתנאי חיזור של 52,53 להמיס. מצב החמצון של HSEs המומס ניתן להסיק מהשינוי במסיסות עם F O 2. לשקול פירוק של מתכת (M) כמיני תחמוצת בלהמס:

משוואה 10 (4)

כאשר n הוא מצב החמצון של המתכת מומסת. קבוע שיווי המשקל (K) בP ו- T למשוואה 3 ניתןעל ידי:

משוואה 9 (5)

השוואת LN K עם האנרגיה חופשית גיבס תגובה, וברוויה בשלב המתכת (M = 1), משוואה 4 הופכת להיות:

משוואה 11 (6)

השיפוע של מגמה בין מסיסות HSE וF O 2 ולכן תשואות n / 4, שממנו ניתן לקבל התפצלות. Brenan & מקדונו 29 נקבע המסיסות של עיר כפונקציה של f O 2 מניסויים שהשתמשו בטכניקות שתוארו כאן. התוצאות של ניסויים אלה מוצגות באיור 10 ולהניב שיפוע של 0.2, עולה בקנה אחד עם מידה רבה מדינת 1+ חמצון (מדרון חזוי של 0.25) לעיר בנמס סיליקט מופחת.

בניסוי מקדמי מחיצת מתכת סיליקט נחושה יכול לשמש כדי לקבוע את התנאים של שיווי משקל ליבה-מעטפת במהלך הצטברות יבשתית. גם תוצאות עבור אלמנטי siderophile מאוד יכולות לשמש כדי להעריך האם כדור הארץ חוותה מאוחר פורניר חומר chondritic לאחר היווצרות ליבה. מתואר כאן הם נהלים לביצוע ניסויי מחיצות ומסיסות-מתכת סיליקט במכשירים רב-סדן ובוכנת צילינדרים בהתאמה. טכניקות מתוארות גם המדכאות את ההיווצרות של תכלילים מתכת בניסויי מסיסות HSE ב2 GPA וטמפרטורות> 1,873 ק מקדמי המחיצה HSE מחושבים מצביעים על כך ששיווי משקל מתכת סיליקט בT הגבוה אינו מסביר את העודף לכאורה של HSEs במעטפת עליונה פרימיטיבית . עבודה בעתיד נשארה כדי לאשר אם המחיצות שצוינה על ידי ניסויים ב2-GPA התנהגות HSE נמשכת לP ו- T גבוהים יותר. זה ידרוש בדיקותפרוטוקולי דיכוי-ההכללה מתואר כאן בעיצוב ניסיון רב-סדן גבוה P.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

יש המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי למדעי הטבע והנדסת מועצת מחקר של קנדה ציוד, גילוי ומענקי Accelerator גילוי הוענקו לJMBNRB מודה תמיכה ממכון קרנגי בתכנית פוסט דוקטורט של וושינגטון. סטיבן Elardo גם הודה לסיועו לפני מצלם עם עיתונות בוכנה הצילינדרים במעבדה הגיאופיסי.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Canup, R. M. Dynamics of Lunar Formation. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 42, 441-475 (2004).
  2. Rubie, D., Nimmo, F., Melosh, H. Formation of Earth’s core. Treatise on geophysics. 9, 51-90 (2007).
  3. Karato, S., Murthy, V. R. Core formation and chemical equilibrium in the Earth Physical considerations. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 100, 61-79 (1997).
  4. Dziewonski, A. M., Anderson, D. L. Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 25, (4), 297-356 (1981).
  5. McDonough, W., Sun, S. The composition of the Earth. Chemical geology. 120, (3-4), 223-253 (1995).
  6. Palme, H., O’Neill, H. Cosmochemical estimates of mantle composition. Treatise on geochemistry. 2, 1-38 (2003).
  7. Fischer-Gödde, M., Becker, H., Wombacher, F. Rhodium, gold and other highly siderophile elements in orogenic peridotites and peridotite xenoliths. Chemical Geology. 280, (3-4), 365-383 (2011).
  8. Ringwood, A. E. Chemical evolution of the terrestrial planets. Geochimica et Cosmochimica Acta. 30, 41-104 (1966).
  9. Wood, B. J., Wade, J. Core formation and the oxidation state of the Earth. Earth and Planetary Science Letters. 236, (1-2), 78-95 (2005).
  10. Siebert, J., Corgne, A., Ryerson, F. Systematics of metal–silicate partitioning for many siderophile elements applied to Earth’s core formation. Geochimica et Cosmochimica Acta. 75, (6), 1451-1489 (2011).
  11. Righter, K. Prediction of metal–silicate partition coefficients for siderophile elements: an update and assessment of PT conditions for metal–silicate equilibrium during accretion of. Earth and Planetary Science Letters. 304, (1-2), 158-167 (2011).
  12. Wood, B. J., Walter, M. J., Wade, J. Accretion of the Earth and segregation of its core. Nature. 441, (7095), 825-833 (2006).
  13. Kimura, K. A. N., Lewis, R. O. Y. S., Anders, E. Distribution of gold and rhenium between nickel-iron and silicate melts: implications for the abundance of siderophile elements on the Earth and Moon. Geochimica et Cosmochimica Acta. 38, 683-701 (1974).
  14. Murthy, V. R. Early differentiation of the Earth and the problem of mantle siderophile elements: a new approach. Science. 253, (5017), 303-306 (1991).
  15. Righter, K., Humayun, M., Danielson, L. Partitioning of palladium at high pressures and temperatures during core formation. Nature Geoscience. 1, (5), 321-323 (2008).
  16. Borisov, A., Palme, H., Spettel, B. Solubility of palladium in silicate melts Implications for core formation in the Earth. Geochimica et Cosmochimica Acta. 58, (2), 705-716 (1994).
  17. Ertel, W., Dingwell, D. B., Sylvester, P. J. Siderophile elements in silicate melts — A review of the mechanically assisted equilibration technique and the nanonugget issue. Chemical Geology. 248, (3-4), 119-139 (2008).
  18. Borisov, A. L., Palme, H. The solubility of iridium in silicate melts: New data from experiments with lr10Pt90 alloys. Geochimica et Cosmochimica Acta. 59, (3), 481-485 (1995).
  19. Borisov, A., Palme, H. Experimental determination of Os metal/silicate partitioning. Neues Jahrbuch für Mineralogie - Abhandlungen. 172, (2-3), 347-356 (1998).
  20. Borisov, A., Palme, H. Experimental determination of the solubility of platinum in silicate melts. Geochimica et Cosmochimica Acta. 61, (20), 4349-4357 (1997).
  21. Ertel, W., O’Neill, H. S. C., Sylvester, P. J., Dingwell, D. B. Solubilities of Pt and Rh in a haplobasaltic silicate melt at 1300. C. Geochimica et Cosmochimica Acta. 63, (16), 2439-2449 (1999).
  22. Cottrell, E., Walker, D. Constraints on core formation from Pt partitioning in mafic silicate liquids at high temperatures. Geochimica et Cosmochimica Acta. 70, (6), 1565-1580 (2006).
  23. Yokoyama, T., Walker, D., Walker, R. J. Low osmium solubility in silicate at high pressures and temperatures. Earth and Planetary Science Letters. 279, (3-4), 165-173 (2009).
  24. Laurenz, V., Fonseca, O. C., Ballhaus, C., Peter, K., Heuser, A., Sylvester, P. J. The solubility of palladium and ruthenium in picritic melts: 2. The effect of sulfur. Geochimica et Cosmochimica Acta. 102, 172-183 (2013).
  25. Neill, H. S. C. Experimental petrochemisty of some highly siderophile elements at high temperatures, and some implications for core formation and the mantle’s early history. Chemical Geology. 120, (3-4), 255-273 (1995).
  26. Fortenfant, S. S., Dingwell, D. B., Ertel-Ingrisch, W., Capmas, F., Birck, J. L., Dalpé, C. Oxygen fugacity dependence of Os solubility in haplobasaltic melt. Geochimica et Cosmochimica Acta. 70, (3), 742-756 (2006).
  27. Ertel, W., O’Neill, H. S. C., Sylvester, P. J., Dingwell, D. B., Spettel, B. The solubility of rhenium in silicate melts: Implications for the geochemical properties of rhenium at high temperatures. Geochimica et Cosmochimica Acta. 65, (13), 2161-2170 (2001).
  28. Medard, E., Schmidt, M. W., Wahle, M., Keller, N. S., Gunther, D. Pt in Silicate Melts: Centrifuging Nanonuggets to Decipher Core Formation Processes. Lunar and Planetary Science Conference. 3-4 (2010).
  29. Brenan, J., McDonough, W. Core formation and metal–silicate fractionation of osmium and iridium from gold. Nature Geoscience. 2, (11), 798-801 (2009).
  30. Bennett, N. R., Brenan, J. M. Controls on the solubility of rhenium in silicate melt: Implications for the osmium isotopic composition of Earth’s mantle. Earth and Planetary Science Letters. 361, 320-332 (2013).
  31. Bennett, N., Brenan, J., Koga, K. The solubility of platinum in silicate melt under reducing conditions: Results from experiments without metal inclusions. Geochimica et Cosmochimica Acta. 133, 422-442 (2014).
  32. Okamoto, H., Massalski, T. B. The Au-Pt ( Gold-Platinum ) System. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 6, (1), 46-55 (1985).
  33. Neill, H., Pownceby, M. Thermodynamic data from redox reactions at high temperatures. I. An experimental and theoretical assessment of the electrochemical method using stabilized zirconia. Contributions to Mineralogy and Petrology. 114, (3), 296-314 (1993).
  34. Deines, P., Nafziger, R., Ulmer, G., Woermann, E. Temperature-oxygen fugacity tables for selected gas mixtures in the system CHO at one atmosphere total pressure. Bulletin of the Earth and Mineral Sciences Experiment Station. (88), Pennsylvania State University. University Park, Pennsylvania. (1974).
  35. Corgne, A., Keshav, S., Wood, B. J., McDonough, W. F., Fei, Y. Metal–silicate partitioning and constraints on core composition and oxygen fugacity during Earth accretion. Geochimica et Cosmochimica Acta. 72, (2), 574-589 (2008).
  36. Agee, C. B., Walker, D. Static compression and olivine flotation in ultrabasic silicate liquid. Journal of Geophysical Research. 93, (7), 3437-3449 (1988).
  37. Walker, D. Lubrication, gasketing, and precision in multianvil experiments. American Mineralogist. 76, (7-8), 1092-1100 (1991).
  38. Boyd, F., England, J. Apparatus for Phase-Equilibrium Measurements at Pressures up to 50 Kilobars and Temperatures up to 1750. C. Journal of Geophysical Research. 65, (2), 741-748 (1960).
  39. McDade, P., Wood, B. J., et al. Pressure corrections for a selection of piston-cylinder cell assemblies. Mineralogical Magazine. 66, (6), 1021-1028 (2002).
  40. Walker, D., Carpenter, M., Hitch, C. Some simplifications to multianvil devices for high pressure experiments. American Mineralogist. 75, (9-10), 1020-1028 (1990).
  41. Bertka, C. M., Fei, Y. Mineralogy of the Martian interior up to core-mantle boundary pressures. Journal of Geophysical Research. 102, (B3), 5251 (1997).
  42. Reed, S. J. B. Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology. Second edition, Cambridge University Press: . Cambridge, UK. (2005).
  43. Sylvester, P. J. Laser Ablation ICP-MS in the Earth Sciences: Current Practices and Outstanding Issues. Mineralogical Association of Canada. Quebec. (2008).
  44. Borisov, A., Walker, R. Os solubility in silicate melts: New efforts and results). American Mineralogist. 85, (7-8), 912-917 (2000).
  45. Borisov, A., Nachtweyh, K. Ru Solubility in Silicate Melts: Experimental Results in Oxidizing Region. Lunar and Planetary Science Conference. 77058, 1320 (1998).
  46. Borisov, A., Palme, H. Experimental determination of the solubility of Au in silicate melts. Mineralogy and Petrology. 56, (3-4), 297-312 (1996).
  47. Dunn, T. The Piston-Cylinder Apparatus. Short Course Handbook on Experiments at High Pressure and Applications to the Earth’s Mantle. 39-94 (1993).
  48. Ertel, W., Walter, M., Drake, M., Sylvester, P. Experimental study of platinum solubility in silicate melt to 14GPa and 2273K: implications for accretion and core formation in Earth. Geochimica et Cosmochimica Acta. 70, (10), 2591-2602 (2006).
  49. Mann, U., Frost, D., Rubie, D. Partitioning of Ru. Rh, Pf, Re, Ir and Pt between liquid metal and silicate at high pressures and high temperatures-Implications for the origin of highly siderophile element concentrations in the Earth’s mantle. Geochimica et Cosmochimica Acta. 84, 593-613 (2012).
  50. Laurenz, V., Fonseca, R. O. C., Ballhaus, C., Sylvester, P. J. Solubility of palladium in picritic melts 1 . The effect of iron. Geochimica et Cosmochimica Acta. 74, (10), 2989-2998 (2010).
  51. Liu, Y., Ge, Y., Yu, D. Thermodynamic descriptions for Au–Fe and Na–Zn binary systems. Journal of Alloys and Compounds. 476, (1-2), 79-83 (2009).
  52. Rindone, G. E., Rhoads, J. L. The Colors of Platinum, Palladium, and Rhodium in Simple Glasses. Journal of the American Ceramic Society. 39, (5), 173-180 (1956).
  53. Akai, T., Nishii, J., Yamashita, M., Yamanaka, H. Chemical behavior of platinum-group metals in oxide glasses. Journal of Non-Crystalline Solids. 222, (Special Issue), 304-309 (1997).
מחיצות מתכת סיליקט בלחץ גבוה וטמפרטורה: שיטות ניסיוניות ופרוטוקול לדיכוי מאוד תכלילים אלמנט Siderophile
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter