प्रयोगात्मक विधियों और अति Siderophile तत्व Inclusions को दबाने के लिए एक प्रोटोकॉल: उच्च दबाव और तापमान में धातु सिलिकेट विभाजन

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

स्थलीय अभिवृद्धि चाँद गठन ^1,2 के लिए जिम्मेदार सोचा था कि एक विशाल प्रभाव चरण में समाप्त, एक chondritic थोक रचना के साथ planetesimals के बीच टकराव की एक श्रृंखला के रूप में हुई है सोचा है। प्रभावों से आद्य-पृथ्वी और अल्पकालिक आइसोटोप के क्षय के ताप व्यापक पिघलने और एक मैग्मा सागर या फे युक्त धातु पिघला देता उतर सकता घने जिसके माध्यम से तालाबों के गठन पैदा करने के लिए पर्याप्त था। मैग्मा सागर के आधार तक पहुँचने पर, धातु पिघला देता है एक रियोलॉजिकल सीमा, स्टाल मुठभेड़, और अंततः बढ़ रही कोर ² करने के लिए ठोस विरासत के माध्यम से उतरते पहले अंतिम धातु सिलिकेट संतुलन गुज़रना पड़ता है। धातु पिघल के रूप में धातु और सिलिकेट चरणों के बीच आगे रासायनिक संचार विरासत का ठोस भाग की वजह से बड़े आकार और धातु diapirs ³ का तेजी से वंश को रोका होने लगा है बहती है। एक धातु कोर और सिलिकेट mant में धरती का यह प्राथमिक भेदभाव^{6 –} Le दोनों भूभौतिकीय और geochemical टिप्पणियों ⁴ से आज पता चला है। एक मैग्मा सागर के आधार पर धातु सिलिकेट-संतुलन के लिए प्रशंसनीय शर्तों उपज के लिए इन टिप्पणियों की व्याख्या करना है, तथापि, प्रयोगात्मक परिणामों का एक उपयुक्त डेटाबेस की आवश्यकता है।

आदिम ऊपरी विरासत (पम) कोर के गठन की सिलिकेट अवशेषों को मिलाकर एक काल्पनिक जलाशय है और इसकी संरचना इसलिए धातु सिलिकेट संतुलन के दौरान तत्वों का पता लगाने के व्यवहार को दर्शाता है। तत्वों का पता लगाने उनके geochemical आत्मीयता के आधार पर कोर अलगाव के दौरान धातु और सिलिकेट पिघला देता है के बीच वितरित कर रहे हैं। धातु चरण के लिए एक तत्व वरीयता की भयावहता धातु सिलिकेट विभाजन गुणांक द्वारा वर्णित किया जा सकता है

(1)

जहाँ और मैं धातु और सिलिकेट में क्रमशः पिघल तत्व की एकाग्रता को दर्शाते हैं। का मान > 1 siderophile (लोहे को प्यार) व्यवहार और उन <1 lithophile (रॉक प्यार) व्यवहार से संकेत मिलता है। तत्वों siderophile कि पम रचना शो का अनुमान आम तौर पर पृथ्वी की थोक रचना ^6,8 के प्रतिनिधि के रूप में माना chondrites ^7, के सापेक्ष समाप्त हो रहे हैं। इस कमी कोर द्वारा siderophile तत्वों की ज़ब्ती की वजह से है, और आग रोक तत्वों के लिए अपने परिमाण सीधे के मूल्यों को प्रतिबिंबित करना चाहिए । प्रयोगशाला प्रयोगों इसलिए के मूल्यों को निर्धारित करने के लिए की तलाश एक आरए से अधिकदबाव (पी), तापमान (टी) और ऑक्सीजन fugacity (एफ ओ ₂₎ एक मैग्मा सागर के आधार से धातु अलगाव के लिए प्रासंगिक हैं कि शर्तों के nge। टी – – इन प्रयोगों के परिणामों तो पी के क्षेत्रों चित्रित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है एफ ओ कई siderophile तत्वों की पम बहुतायत के साथ संगत कर रहे हैं कि ₂ अंतरिक्ष (उदाहरण के लिए, ^{9 – 11)।}

उच्च दबाव और एक मैग्मा सागर परिदृश्य के लिए प्रासंगिक तापमान एक पिस्टन सिलेंडर या बहु निहाई प्रेस का उपयोग कर प्रयोगशाला में निर्मित किया जा सकता है। पिस्टन सिलेंडर तंत्र मध्यम दबाव (~ 2 GPA) और उच्च तापमान (~ 2573 कश्मीर) की स्थिति तक पहुँच प्रदान करता है, लेकिन बड़ा नमूना मात्रा और आसानी से इस्तेमाल किया जा करने के लिए कैप्सूल सामग्री की एक किस्म में सक्षम बनाता है। तेजी से ठंडा करने की दर भी इस प्रकार रन उत्पादों की गठनात्मक व्याख्या को सरल बनाने, एक गिलास के लिए सिलिकेट पिघल रचनाओं की एक सीमा के शमन के सभी देता है।बहु-निहाई तंत्र आम तौर पर छोटे नमूना संस्करणों को रोजगार लेकिन उपयुक्त विधानसभा डिजाइन के साथ दबाव के ~ 27 GPA और ~ 3,000 लालकृष्ण का तापमान इन तरीकों के इस्तेमाल के मामूली से कई के लिए विभाजन डेटा की अनुमति दी है और थोड़ा तत्व हो siderophile गया है प्राप्त कर सकते हैं टी शर्तों – पी की एक बड़ी रेंज पर एकत्र हुए। इन आंकड़ों के आधार पर पम रचना की भविष्यवाणियों सही मूल्यों मॉडल निर्भर कर रहे हैं, हालांकि धातु सिलिकेट संतुलन, क्रमशः ~ से अधिक में औसत तापमान और दबाव की स्थिति में 29 GPA और 3,000 कश्मीर हुई सुझाव देते हैं। (उदाहरण के लिए, वि, सीआर) ₂ भी सह मौजूदा लौह और wüstite द्वारा लगाया कि नीचे ~ 4-2 प्रवेश इकाइयों से अभिवृद्धि के दौरान विकसित करने के लिए सोचा है एफ ओ (कुछ रेडॉक्स संवेदनशील तत्वों की पम बहुतायत के लिए FeO खाते के क्रम में ) समकक्ष पीटी शर्तों (लौह wüstite बफर) में ^12।

हालांकि मीटर की पम बहुतायतकिसी भी siderophile तत्वों एक गहरी मैग्मा सागर के आधार पर धातु सिलिकेट संतुलन के हिसाब से किया जा सकता है, यह इस स्थिति में भी सबसे उच्च siderophile तत्वों (HSEs) पर लागू होता है अगर आकलन करना मुश्किल साबित हुआ है। कम दबाव (पी ~ 0.1 एमपीए) और तापमान (टी <1673 कश्मीर) के प्रयोगों ने संकेत दिया लौह धातु के लिए HSEs के चरम आत्मीयता सिलिकेट पृथ्वी दृढ़ता से इन तत्वों में समाप्त हो जाना चाहिए पता चलता है। पम के लिए एचएसई सामग्री का अनुमान है, तथापि, (चित्रा 1) chondrite करने के लिए केवल एक उदारवादी कमी रिश्तेदार संकेत मिलता है। स्पष्ट एचएसई अतिरिक्त करने के लिए एक सामान्य माना समाधान पृथ्वी कोर गठन ¹³ के लिए बाद में chondritic सामग्री की एक देर अभिवृद्धि का अनुभव करता है। यह देर-accreted सामग्री पम के साथ मिलाया जाता है और एचएसई सांद्रता ऊपर उठाया, लेकिन अधिक तत्व प्रचुर मात्रा पर प्रभाव नगण्य होता है। वैकल्पिक रूप से, यह HSEs की अत्यंत siderophile प्रकृति कम पी ने संकेत दिया है कि सुझाव दिया गया है </em> – टी प्रयोगों कोर गठन ^14,15 के दौरान मौजूद उच्च पीटी की स्थिति के लिए जारी रहती है नहीं करता है। इन परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए, प्रयोगों उपयुक्त परिस्थितियों में HSEs की घुलनशीलता और धातु सिलिकेट विभाजन निर्धारित करने के लिए किया जाना चाहिए। हालांकि पिछले कई अध्ययनों में बुझती रन उत्पादों की सिलिकेट हिस्से का संदूषण, रन-उत्पाद विश्लेषण जटिल और धातु और सिलिकेट पिघलने के बीच HSEs के लिए सच विभाजन गुणांक छिप गया है।

HSEs प्रकृति के लिए उपयुक्त एकाग्रता के स्तर पर मौजूद हैं, जहां विभाजन प्रयोगों में, फ़े-धातु के लिए इन तत्वों के चरम वरीयता सिलिकेट पिघल में उनकी माप को रोकता है। इस समस्या को दरकिनार करने के लिए, घुलनशीलता माप ब्याज और के मूल्यों की एचएसई में जिसमें सिलिकेट पिघल संतृप्त है बना रहे हैं बोरिसोव एट के रीतिवाद उपयोग कर की गणना कर रहे हैंअल। ^16। शर्तों को कम करने में प्रदर्शन एचएसई घुलनशीलता प्रयोगों से बुझती सिलिकेट रन उत्पादों, हालांकि, कई बार छितरी एचएसई ± फे द्वारा संदूषण के लिए सबूत प्रदर्शित ¹⁷ inclusions। कम एफ ओ में इन inclusions के पास सर्वव्यापकता के बावजूद पंडित, आईआर, ओएस, रे और आरयू युक्त ₂ प्रयोगों, (उदाहरण के लिए, ^18-27), उनके गठनात्मक प्रस्तुति में पढ़ाई के बीच उल्लेखनीय परिवर्तनशीलता है; उदाहरण के ^{लिए 22} और ²⁶ को संदर्भ के लिए की तुलना करें। यह inclusions के एक प्रयोग के ²⁸ रन की स्थिति में एक स्थिर चरण हैं जो फार्म कर सकते हैं कि प्रदर्शन किया गया है हालांकि नमूना बुझती है, के रूप में इस inclusions के गठन रोकता नहीं है। Inclusions की मूल आसपास अनिश्चितता विश्लेषणात्मक परिणामों के उपचार के लिए मुश्किल बना देता है, और कम सिलिकेट पिघला देता में HSEs का सच घुलनशीलता अधिक अस्पष्टता के लिए प्रेरित किया है। समावेशन मुक्त रन उत्पादों का आकलन करने के लिए आवश्यक हैंजो पढ़ाई सही भंग एचएसई सांद्रता कि पैदावार एक विश्लेषणात्मक दृष्टिकोण अपनाया है। ^{31 –} कम करने की स्थिति में धातु inclusions के गठन को दबाने में काफी प्रगति अब नमूना डिजाइन शुरू सामग्री ²⁹ Au या सी या तो जोड़कर पिछले अध्ययनों से संशोधन किया गया था जिसमें एक पिस्टन सिलेंडर तंत्र, का उपयोग करते हुए प्रयोगों में प्रदर्शन किया गया है। सामग्री शुरू करने के लिए Au या मौलिक सी के अलावा क्रमश प्रयोग का नमूना ज्यामिति या एफ ओ ₂ विकास को बदल देता है। इन तरीकों में-प्रसार नमूना कमी बनाम एचएसई के समय बदलकर धातु शामिल किए जाने के गठन को दबाने के लिए इरादा कर रहे हैं, और बेनेट एट अल। ³¹ में चर्चा कर रहे हैं। ऐसे यंत्रवत् सहायता प्रदान संतुलन और centrifuging पिस्टन सिलेंडर के रूप में inclusions के सिलिकेट पिघल को साफ करने के लिए कुछ पिछले प्रयासों के विपरीत, वर्तमान प्रोटोकॉल विशेष appar के बिना लागू किया जा सकता हैatus और उच्च पीटी प्रयोगों के लिए उपयुक्त है।

यहाँ विस्तार में वर्णित उच्च तापमान (> 1873 कश्मीर), 2 GPA और के समान एक एफ ओ ₂ में सिलिकेट पिघल में पुन, ओएस, आईआर, आरयू, पीटी और Au के घुलनशीलता निर्धारित करने के लिए एक पिस्टन सिलेंडर आधारित दृष्टिकोण है लौह wüstite बफर। एक ऐसी ही प्रयोगात्मक डिजाइन के आवेदन भी आवश्यक चरण संबंधों को उपलब्ध कराने के गुण गीला, अन्य के दबाव में एचएसई प्रयोगों में सफल साबित हो सकता है और गतिज रिश्तों को चुना शर्तों को जारी रहती है। हालांकि मौजूदा डेटा, हमारे नमूना डिजाइन एक गहरी मैग्मा सागर को इसी दबाव में सफल हो जाएगा कि क्या भविष्यवाणी करने के लिए अपर्याप्त हैं। इसके अलावा उल्लिखित मध्यम और थोड़ा siderophile तत्व (एमएसई और SSE क्रमशः) एक बहु निहाई डिवाइस का उपयोग कर विभाजन का निर्धारण किया जाता है एक सामान्य तरीका है। उच्च दबाव के HSEs के लिए शामिल किए जाने से मुक्त डाटासेट का विस्तार इसी तरह बहु निहाई तरीकों को रोजगार की संभावना है। कपड़ाईथर, इन प्रक्रियाओं कोर-अलगाव की स्थिति और स्थलीय अभिवृद्धि के चरणों दोनों विवश करने के लिए एक साधन प्रदान करते हैं।

Protocol

सामग्री शुरू की 1) तैयार सिंथेटिक बेसाल्ट नोट: बेसाल्ट रचना अधिक depolymerized रचनाओं के रूप में सामग्री शुरू सिलिकेट के रूप में प्रयोग किया जाता है, पिस्टन सिलेंडर और बहु ​​निहाई प्रयोगों में एक गिलास क?…

Representative Results

सिलिकेट कम एफ ओ 2 पर पिघला देता में प्रयोगों पर निम्न उदाहरण और चर्चा फोकस एचएसई घुलनशीलता निर्धारित करने के लिए। टी – – बहु-निहाई प्रयोगों से एमएसई और SSE विभाजन डेटा पी विवश करने के लिए इस्त?…

Discussion

यहाँ उल्लिखित प्रोटोकॉल का उपयोग कर प्रदर्शन में शामिल किए जाने से मुक्त प्रयोगों के परिणामों को पहले सन्दर्भ ²⁹ (ओएस, आईआर, एयू), ³⁰ (रे, एयू) और ³¹ (पं) में साहित्य डेटा के साथ तुलना की गई है। पं शा?…

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