Metal-silikat Partisjone ved høyt trykk og temperatur: Eksperimentelle metoder og en protokoll som skal utelates Meget Siderophile Element Slutninger

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 Tilveksten er antatt å ha oppstått som en serie av kollisjoner mellom planetesimalene med en chondritic bulk sammensetning, som ender i en gigantisk effekt fase trodde ansvarlig for moon formasjon ^1,2. Oppvarming av proto-jord av støt og nedbrytning av kortlivede isotoper var tilstrekkelig til å forårsake omfattende smelting og dannelse av et magma havet eller dammene gjennom hvilke tett Fe-rike metallsmelter kan stige. Ved å nå bunnen av magma havet, metalliske smelter møte en reologisk grense, stall, og gjennomgår endelig metall-silikat likevekt før slutt synkende gjennom solid mantelen til den voksende core ^2. Ytterligere kjemisk kommunikasjon mellom metall og silika faser som metallisk smelte går gjennom den faste del av mantelen er antatt å være avskåret på grunn av den store størrelsen og hurtig nedstigning av metall diapirs ^3. Denne primær differensiering av jorden i en metallisk kjerne og silikat mantle er avslørt i dag av både geofysiske og geokjemiske observasjoner ^4-6. Tolking av disse observasjonene for å gi plausible betingelser for metall-silikat likevekt ved bunnen av et hav magma, krever imidlertid en egnet database med eksperimentelle resultater.

Den primitive øvre mantelen (PUM) er et hypotetisk reservoar som omfatter silikat resten av kjernedannelse og dets sammensetning gjenspeiler derfor oppførselen av sporelementer i metall-silikat likevekt. Sporstoffer fordeles mellom metall og silika smelter ved kjerne segregering på grunnlag av deres affinitet geokjemiske. Størrelsen av en elementer preferanse for metallfasen kan beskrives ved den metall-silikat fordelingskoeffisienten

(1)

Hvor og betegne konsentrasjonen av elementet i i metall og silikat smelte respektivt. Verdier av > 1 indikerer siderophile (jern-elskende) atferd og de <1 lithophile (rockeelskende) atferd. Estimater av PUM sammensetning viser at siderophile elementer er oppbrukt i forhold til kondritter ^7, vanligvis ansett som representative for jordas bulk sammensetning ^6,8. Dette utarming skyldes lagring av siderophile elementer ved kjernen, og for ildfaste elementer dens størrelse bør direkte gjenspeile verdier av . Laboratorieeksperimenter søker derfor å bestemme verdiene av over en range av trykk (P), temperatur (T) og oksygen fugacity (f O ₂₎ forhold som er relevante for metall segregering fra bunnen av et magma havet. Resultatene av disse eksperimentene kan deretter brukes for å avgrense områder av P – T – f O _to rom som er kompatible med PUM overflod av flere siderophile elementer (for eksempel ^{9 – 11).}

De høye trykk og temperaturer som er relevante for et magma havet scenario kan gjenskapes i laboratoriet ved hjelp av enten en stempel-sylinder eller multi-ambolt pressen. Den stempel-sylinder-anordning gir adgang til moderat trykk (~ 2 GPa) og høy temperatur (~ 2573 K) betingelser, men gjør at store prøvevolum og et utvalg av kapselmaterialer lett kan anvendes. Den raske avkjølingshastighet tillater også bråkjøling i en serie av silikat smelte preparater til et glass, og dermed forenkle tekstur tolkning av kjøre-produkter.Den multi-ambolt apparat typisk benytter mindre prøvevolum, men med egnede monterings utførelser kan oppnå trykk opp til ~ 27 GPa og temperaturer på ~ 3000 K. Bruken av disse metoder har gjort det mulig partisjone data for mange av moderat og litt siderophile elementer å være samlet over et stort spekter av P – T forhold. Spådommer av PUM komposisjon basert på disse dataene tyder på metall-silikat likevekt skjedde ved gjennomsnittlig trykk- og temperaturforhold i overkant av ~ 29 GPa og 3000 K henholdsvis, selv om de eksakte verdiene er modellavhengig. For å ta hensyn til PUM overflod av visse redoks følsomme elementer (for eksempel V, Cr) f O ₂ er også tenkt å utvikle seg i løpet Tilveksten fra ~ 4-2 log enheter nedenfor som pålegges av co-eksisterende jern og wüstite (FeO ) ved ekvivalente PT forhold (jern-wüstite buffer) ^12.

Selv om PUM overflod av mnoen siderophile elementer kan forklares av metall-silikat likevekt i bunnen av en dyp magma havet, har det vist seg vanskelig å vurdere om denne situasjonen gjelder også for de høyest siderophile elementer (HSEs). Den ekstreme affiniteten til HSEs for jern-metall, indikert ved lavt trykk (P ~ 0,1 MPa) og temperatur (T <1673 K) eksperimenter antyder silikat jorden bør være sterkt utarmet på disse elementene. Estimater av HMS-innhold for PUM viser imidlertid bare en moderat uttømming forhold til Chondritter (figur 1). En vanlig hevdet løsning på den tilsynelatende HMS overmål er at Jorden opplevde en sen tilvekst av chondritic materiale i etterkant kjerne-formasjon ^13. Dette sen-accreted materialet ville ha blandet med PUM og forhøyet HMS konsentrasjoner, men hadde en ubetydelig effekt på mer tallrike elementene. Alternativt har det vært antydet at den ekstremt siderophile natur HSEs angitt med lav P </em> – T eksperimenter ikke vedvarer den høye PT betingelser som hersker under kjernedannelsen ^14,15. For å teste disse hypotesene, må forsøk utføres for å bestemme løseligheten og metall-silikat oppdeling av HSEs ved passende betingelser. Forurensning av silikat del av slukket run-produkter i mange tidligere studier, har imidlertid komplisert run-analyser og tåkela den sanne fordelingskoeffisienter for HSEs mellom metall og silikat smelter.

I skillevegg eksperimenter hvor HSEs er til stede i konsentrasjoner som passer til naturen, ekstreme preferanse av disse elementer for Fe-metall hindrer deres måling i silikatet smelten. For å omgå dette problemet, er løselighetsmålinger gjort i hvilken silikatet smelten er mettet i HMS av interesse og verdier av beregnes etter formalisme Borisov etal. ^16. Slukket silikat kjøre-produkter fra HMS løselighet eksperimenter utført på å redusere forholdene, men ofte vise bevis for forurensning av dispergert HMS ± Fe slutninger ^17. Til tross for nærheten ikonografisk av disse inneslutninger i lav f O _to eksperimenter som inneholder Pt, Ir, Os, Re og Ru, (f.eks ^{18 – 27),} er det bemerkelsesverdig variasjon mellom studier i sin stofflighet presentasjon; sammenligne for eksempel refererer ²² og ^26. Selv om det er blitt vist at inneslutninger kan danne som er en stabil fase ved kjøringsbetingelsene for en eksperiment ^28, er dette ikke til hinder for dannelse av inneslutninger som prøven er slukket. Usikkerhet rundt opprinnelsen slutninger gjør behandling av analyseresultater vanskelig, og har ført til tvetydighet over sanne løseligheten av HSEs i redusert silikat smelter. Inkluderingsfritt run-produkter er pålagt å vurderehvilke studier har vedtatt en analytisk tilnærming som gir nøyaktige oppløste HMS konsentrasjoner. Betydelig fremgang i å undertrykke dannelsen av metall-inneslutninger ved reduserende betingelser har nå blitt vist i eksperimenter ved hjelp av en stempel-sylinder-anordning, i hvilken prøven utforming endres fra tidligere studier ved å tilsette enten Au eller Si i utgangsmaterialene ^29-31. Tilsetningen av Au eller elementært Si til de utgangsmaterialer endrer prøven geometri eller f O ₂ utviklingen av forsøket respektivt. Disse metoder er ment å undertrykke metall inkludering dannelse ved å endre tidspunktet for HMS i-diffusjon versus sample reduksjon, og er omtalt i Bennett et al., ^31. I motsetning til noen tidligere forsøk på å rense smelten silikat av inneslutninger, slik som mekanisk assistert likevekt og sentrifuge stempel-sylinder, kan denne protokoll gjennomføres uten spesialisert stofAtus og er egnet for høy PT eksperimenter.

Beskrevet i detalj her er en stempel-sylinderbasert tilnærming for å bestemme løseligheten av Re, Os, Ir, Ru, Pt og Au i silikat smelte ved høy temperatur (> 1873 K), 2 GPa og en f O ₂ lik den i jern-wüstite buffer. Anvendelse av en lignende eksperimentell design kan også vise seg å være vellykket i HMS forsøk ved andre trykk, som gir de nødvendige faseforhold, fuktende egenskaper og kinetiske forbindelser fortsetter til de valgte betingelser. Eksisterende data er imidlertid ikke tilstrekkelig til å forutsi om vår sample design vil bli vellykket ved trykk tilsvarende en dyp magma havet. Også beskrevet er en generell fremgangsmåte som kan benyttes til å bestemme moderat og litt siderophile element (MSE og SSE henholdsvis) partisjonering ved anvendelse av en multi-amboltanordningen. Utvidelse av inkludering frie datasett for HSEs til høytrykks er sannsynlig å ansette lignende multi-ambolt metoder. Togeter, disse prosedyrene gi et middel for å begrense både betingelsene for kjerne segregering og stadier av terrestriske Tilveksten.

Protocol

1) Fremstilling av utgangsmaterialet Syntetisk Basalt Merk: En basal sammensetning anvendes som silikat-utgangsmateriale som mer depolymerisert preparater, selv om mer relevant for et magma hav scenario, er vanskelig eller umulig å slukke til et glass i stempel-sylinder og multi-Ambolt eksperimenter. Vei de ønskede mengder av komponent oksyd eller karbonat (Ca og Na) pulver, med unntak av Fe, og legge til en agatmorter (se eksempel i tabell 1). En Fe-fri blanding veiing ~ 4 …

Representative Results

De følgende eksempler og diskusjonen fokusere på eksperimenter for å bestemme HMS oppløselighet i silikat smelter ved lav f O 2. For omfattende eksempler på hvordan MSE og SSE partisjoneringsdata fra fler ambolt forsøk kan anvendes for å begrense P – T – f O 2 betingelser kjerne metall segregering, henvises leseren til referanser 9 -. 11 Figur 7B-D viser igjen spredte elektron bilder fra typiske eksperimentelle run-produkter. I …

Discussion

Resultatene av inklusjonsfritt eksperimenter utført ved hjelp av protokollene skissert her har tidligere blitt sammenlignet med litteraturdata i referanser ²⁹ (Os, IR, Au), ³⁰ (Re, Au) og ³¹ (Pt). Pt er mest lærerike i å demonstrere nytteverdien av inkluderings-free run-produkter. For eksperimenter kjører ved lav f O _2, Ertel et al. ⁴⁸ tildelt slutninger til en stabil opprinnelse og derfor begrenset datareduksjon til det laveste tellinger per s…

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