실험 방법 및 높은 Siderophile 요소 흠을 억제하는 프로토콜 : 높은 압력과 온도에서 금속 규산염 분할

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

지상파 증가는 달의 형성 ^{1, 2에} 대한 책임을 생각 거대한 충격 단계에서 종료, chondritic 벌크 조성 행성 체 사이의 충돌의 시리즈로 발생한 것으로 생각된다. 충격에 의한 원시 지구와 수명이 짧은 동위 원소의 붕괴 난방 광범위한 용융 마그마 바다와 철 풍부한 금속의 용융이 내려 수 조밀 통해 연못의 형성을 야기하기에 충분했다. 마그마 바다의 바닥에 도달하면, 금속 용융은 유동 학적 경계, 실속 발생, 결국 성장 코어 ² 고체 맨틀을 통해 내려 전에 최종 금속 규산염 평형을받을. 용융 금속과 같은 금속 실리케이트 상간 또한 화학 통신 맨틀의 중실 부 인해 대형 금속 다이아 퍼 ^(3)의 급속한 하강에 배제되는 것으로 생각된다 횡단. 금속 코어 및 규산염 녀 mant에 지구의이 차 분화^{6 –} 제작은 모두 지구 물리학 및 지구 화학적 관찰 ^(4)에 의해 오늘 공개된다. 마그마 바다의 바닥에 금속 규산염 평형에 대한 설득력있는 조건을 산출하기 위해 이러한 관찰을 해석하지만, 실험 결과의 적절한 데이터베이스가 필요합니다.

프리미티브 상부 맨틀 (PUM)는 코어 형성 실리케이트 잔기를 갖는 가상의 저장이며 따라서 그 조성은 금속 규산염 평형 중에 미량 원소의 동작을 반영한다. 미량 원소는 그 화학적 친화도에 근거하여 코어 편 중에 용융 금속 규산염 사이에 분포된다. 금속 상에 대한 기본 요소의 크기는 금속 실리케이트 분배 계수에 의해 설명 될 수 있습니다

(1)

어디에 과 나는 금속 규산염 각각 녹아 원소의 농도를 나타낸다. 의 값 > 1 siderophile (철 사랑)의 행동과 그 <1 lithophile (바위 사랑) 동작을 나타냅니다. 요소를 siderophile PUM 조성 쇼의 추정은 일반적으로 지구의 대량 구성 ^6,8의 대표로 간주 구립 운석 ^7에 상대적으로 고갈된다. 이 고갈 핵심으로 siderophile 요소의 격리로 인해, 내화물 요소의 크기는 직접 값을 반영해야 . 실험실 실험은 따라서의 값을 결정하고자 RA 이상압력 (P), 온도 (T)와 산소 분압 (f를 O ₂₎ 마그마 바다의 기지에서 금속 분리와 관련된 조건의 NGE. T – -이 실험의 결과는 다음의 P 영역을 서술하기 위해 사용될 수있다 F의 O를 여러 siderophile 소자 PUM 풍부와 _호환이 공간 (예를 들어, ^9-11).

높은 압력과 마그마 바다 시나리오에 관련된 온도는 피스톤 실린더 또는 다중 모루 프레스를 사용하여 실험실에서 재현 할 수 있습니다. 피스톤 실린더 장치는 중간 압 (~ 2 GPA) 및 고온 (2573 ~ K)의 조건에 대한 액세스를 제공하지만, 대규모 샘플 볼륨과 용이하게 사용될 수있는 캡슐 재료의 다양성을 가능하게한다. 빠른 냉각 속도는 따라서 런 제품의 조직 해석을 단순화로 실리케이트 유리 조성물의 용융 범위의 소광을 허용한다.멀티 모루 장치는 일반적으로 작은 샘플 볼륨을 사용하지만 적절한 어셈블리 설계와 압력에 ~ 27 GPa의와 ~ 3,000 케이의 온도 이러한 방법의 사용은 적당히의 많은 파티션의 데이터를 허용하고 약간 요소가 될 siderophile있다을 달성 할 수있다 T 조건 – (P)의 넓은 범위에 걸쳐 모였다. 이들 데이터에 기초 PUM 조성물의 예측 모델이 정확한 값 의존하더라도 금속 규산염 평형 각각 ~ 초과 평균 압력 및 온도 조건에서 29 GPa 인 3000 K를 발생 시사한다. (예를 들면, V, CR) _2는 또한 공존 철, 위스 타이트에 의해 부과 된 그 아래 ~ 4-2 로그 단위에서 증가하는 동안 진화를 생각하는 f를 O (특정 산화 환원에 민감한 요소의 PUM의 풍요 로움에 대한 FeO의를 설명하기 위해 ) 상당 PT 조건 (철 위스 타이트 버퍼) ^12.

비록 M의 PUM 풍부어떤 siderophile 요소가 깊은 마그마 바다의 바닥에 금속 규산염 평형에 의해 설명 될 수 있습니다, 그것은이 상황이 또한 가장 높은 siderophile 요소 (HSES)에 적용하는 경우 평가하기 어려운 입증했다. 낮은 압력 (P ~ 0.1 MPa의) 및 온도 (T <1673 K) 실험에 의해 표시 철 금속 HSES의 극단적 인 친 화성 규산 지구가 강하게 이러한 요소 고갈해야합니다 제안합니다. PUM위한 HSE 콘텐츠의 추정은, 그러나, (도 1) 콘드 라이트 만 적당한 공핍 대하여 나타낸다. 명백한 HSE 초과에 일반적으로 상정 솔루션은 지구가 핵심 형성 ⁽¹³⁾ 이후 chondritic 재료의 늦은 증가를 경험한다는 것이다. 이 늦은 인한이자 재료는 PUM와 혼합 HSE 농도를 상승하지만, 더 풍부한 요소에 무시할 영향을했을 것이다. 또는, HSES의 매우 낮은 자연 siderophile P로 나타낸 것이 제안되었다 </em> – T 실험 코어 형성 ^{14, 15} 중에 존재하는 높은 PT 상태로 유지되지 않습니다. 이러한 가설을 검증하기 위하여, 실험은 적절한 조건에서 HSES의 용해도 및 금속 실리케이트 분할을 결정하기 위해 수행되어야한다. 그러나 많은 선행 연구에서 담금질 실행 제품의 규산염 부분의 오염, 실행 제품 분석을 복잡하고 금속과 규산염 용융물 사이 HSES에 대한 진정한 분배 계수를 가려있다.

HSES 자연에 적합한 농도 수준에 존재하는 파티션 실험에서, 철 금속에 대한 이러한 요소의 극단적 인 기본 설정은 규산염 용융 자신의 측정을 방지 할 수 있습니다. 이 문제를 회피하기 위해, 용해도 측정은 관심의 값 HSE에있는 규산염 용융물이 포화 만들어진다 보리 소프의 등의 형식주의를 사용하여 계산등. ^(16). 환원 조건에서 수행 HSE 용해도 실험으로부터 담금질 실리케이트 런 제품, 그러나 종종 분산 HSE ± 철에 의한 오염에 대한 근거를 표시하는 ¹⁷ 개재물. 낮은 F 오에서 이러한 개재물의 가까운 편재에도 불구하고 태평양 표준시의 Ir, O를, 다시와의 Ru를 _{포함하는이} 실험은, (예를 들어, ^18-27), 자신의 조직 프레젠테이션의 연구 사이에 주목할만한 변화가있다; 예를 들어 ^{22, 26} 참조를 비교합니다. 이 개재물은 실험 ^28의 실행 조건에서 안정한 상을 형성 할 수있는 것으로 입증되었지만, 샘플 켄칭 될 때,이 개재물의 형성을 배제하는 것은 아니다. 개재물의 원점 주변 불확실성 분석 결과의 처리가 곤란하게하고, 감소 된 실리케이트 녹에 HSES의 진정한 용해도 이상 모호하게되었다. 포함이없는 실행 제품은 평가해야합니다어떤 연구는 정확한 용해 HSE 농도를 산출 분석 접근 방식을 채택하고있다. ^{31 –} 환원 조건에서 금속 개재물의 형성을 억제하는데 상당한 진전 이제 샘플 디자인이 원료 ^(29)의 Au 또는 Si를 추가하여 기존의 연구에서 개정하는 피스톤 – 실린더 장치를 이용한 실험에서 입증되었다. 출발 물질에 금이나 원소의 Si 첨가는 각각의 실험 샘플 기하학 또는 F O ₂ 진화를 바꾼다. 이들 방법은 샘플에 확산 환원 대 HSE의 타이밍을 변경하여 금속 개재물 형성을 억제하도록 구성되며, 베넷 외. ^(31)에서 논의된다. 이러한 기계적으로 지원 평형 및 원심 분리 피스톤 실린더와 같은 내포물의 규산염 용융물을 정화하는 몇 가지 이전의 시도와는 달리, 본 프로토콜은 전문 appar없이 구현 될 수있다ATUS과 높은 PT 실험에 적합합니다.

여기에 상세히 기재된 고온 (> 1873 K), 2 GPa의과 유사한 F의 O _2에서 규산염 용융물에 재현하여 OS,의 Ir, Ru로, Pt 및 Au로의 용해도를 결정하기 위해 피스톤 – 실린더 기반 접근법 철 위스 타이트 버퍼. 유사한 실험 설계의 응용 프로그램은 또한, 요구되는 위상 관계를 제공하는 특성을 습윤제, 다른 압력에서 HSE 실험에서 성공적인 증명할 수 있고 운동 관계는 선택 조건으로 유지. 그러나 기존 데이터는, 우리의 샘플 디자인은 깊은 마그마 바다에 해당하는 압력에서 성공 여부를 예측하기에 충분하다. 또한 윤곽 적당히 약간 siderophile 소자 (MSE와 각각 SSE) 멀티 앤빌 장치를 사용하여 분할을 결정하는 데 사용되는 일반적인 접근법이다. 높은 압력 HSES의 포함이없는 데이터 세트의 확장과 유사한 멀티 모루 방법을 채택 할 가능성이있다. 옷에테르, 이러한 절차는 코어 – 분리의 조건으로 지상파 증가의 단계 모두를 제한하는 수단을 제공한다.

Protocol

출발 물질의 1)의 제조 합성 현무암 참고 : 현무암 조성물은 더 탈 중합 조성물로 출발 물질 규산염으로 사용, 피스톤 실린더 및 멀티 모루 실험에서 유리 해소하기 어렵거나 불가능 마그마 바다 시나리오에 더 관련이 있지만. 철을 제외한 성분 산화물 또는 카보네이트 (칼슘 및 NA) 분말의 원하는 양을 계량하고, 마노 막자 사발에 추가 (표 1의 예를 참조). ~ 4g 체중?…

Representative Results

규산이 낮은 F의 O 2에서 용융에서 실험에 다음 예제와 토론의 초점은 HSE의 용해도를 결정합니다. T – – 멀티 앤빌 실험 MSE 및 SSE 분할 데이터 P 제한하기 위하여 사용될 수있는 방법의 포괄적 인 예를 들어 F를 O 코어 금속 분리 2 조건을, 독자는 참조 9 칭한다 -. 11도 7B-D는 다시 표시 전형적인 실험 실행 제품에서 흩어?…

Discussion

여기에 설명 된 프로토콜을 사용하여 수행 포함없는 실험의 결과는 이전의 ^{참조도 29의} (O를 · IR), 금 (Au), ⁽³⁰⁾ (재), 금 (Au) 및 ⁽³¹⁾ (PT)의 문헌 데이터와 비교되었다. 백금은 포함이없는 실행 제품의 유용성을 입증에 가장 유익하다. 로우 F의 O ₂ 실행 실험을 위해, Ertel 외. ^(48)는 안정적으로 원점 개재물을 할당하므로 시분 LA-ICPMS 스펙트럼 최저 ?…

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