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 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 g bør gi tilstrekkelig utgangsmateriale for en omfattende pakke med eksperimenter.
- Legg etanol til agatmorter til pulverne er nedsenket deretter slipe i minst 2 timer ved hjelp av en agat støter for å homogenisere både sammensetningen og kornstørrelsen av blandingen.
Note: homogenitet for bakkeutgangs preparater kan kontrolleres ved å undersøke en presset pellet av den pulveriserte blanding med et scanning-elektron microscope utstyrt for kompositorisk analyse av energi spredt røntgenspektroskopi. - Når grundig homogenisert, plasserer mørtelen under en 250 W varmelampe, i en avstand på 20 cm ~. Etter at det pulverformede blanding er tørr, noe som kan ta 20-60 min, overføre den til enten en aluminiumoksyd eller mullitt (et aluminium-silikat) digelen.
- Til decarbonate blandingen, plasserer digelen med den pulveriserte blandingen i en boks ovn ved RT og rampen til 1273 K i løpet av 3-5 timer. La blandingen i ovnen ved 1273 KO / N.
- Fjern decarbonated blanding fra boksen ovnen og la den avkjøles til romtemperatur. Når kald, veie og tilsette jern til blandingen enten som FeO eller Fe 2 O 3 pulver (se tabell 1). Å variere forholdet mellom FeO og Fe 2 O 3 samtidig som det totale Fe-innhold på samme gjør den endelige f O 2 av prøven som skal endres. For å få tilgang til mer reduserende forhold, og i alle eksperimenter for å undersøke Pt, også legge ~ 0,5-2,0 vekt% Si til blandingen. Når Fe (± Si) er blitt tilsatt, re-homogenisere blandingen ved igjen sliping henhold etanol med en agatmorter og pistill.
- Tørk homogenisert blanding under en varmelampe og deretter overføre den til et skall hetteglass. Oppbevares i en eksikator før du er klar til å laste prøven kapsel.
- Metallic Phase: Re, Os, IR, Ru Experiments
- For eksperimenter som skal undersøke Re, Os, Ir eller Ru, utarbeide en 3: 1 vekt (6: 1 for Ru, å gjøre rede for forskjellen i atommasse) blanding av Au og HMS av interesse, med høy renhets metallpulvere . En blanding som veier ~ 500 mg bør gi tilstrekkelig utgangsmateriale for en omfattende pakke med eksperimenter.
- Overfør blandingen i en grafittdigel og dekk med en grafitt lokk. Deretter plasserer dekket digel i en boks ovn ved en temperatur på 1473 K i ~ 5 min. Når den er fjernet fra ovnen, forlater digelen lokket på plass inntil sammenstillingen har COOførte til RT.
FORSIKTIG: Oppvarming av osmium i luft kan føre til dannelse av giftig stoff osmiumtetroksyd. Osmium metall er også en kjent hudirriterende, se HMS-datablad for CAS # 7440-04-2.
Merk: Denne prosessen smelter Au (smeltepunkt ~ 1337 K), men ikke den medfølgende HMS, noe som resulterer i dannelsen av et metallisk vulst der HSE av interesse er omgitt av et skall av Au. - Fjern metallisk perle fra grafitt smeltedigel og bruke et barberblad for å dele den i mindre biter som måler ~ 1 mm i sin lengste dimensjon. Når kuttet, plassere perler inn i et skall hetteglass og oppbevar i en eksikator.
- Metallic Fase: Pt Experiments
Merk: Eksperimenter for å undersøke Pt kan ikke utføres ved hjelp av Au-belagte perle teknikk på grunn av den fullstendig blandbarhet av Pt og Au ved høy temperatur (> 2042 K på 0,1 MPa 32). Dette utelukker en prøvegeometri hvor Pt er fysisk adskilt fra silikat- smelte i løpet av et eksperiment med et skallav Au.- Bland metalliske pulvere av Pt og Ir i et 1: 1 vektforhold for å lage en total på ~ 500 mg av blandingen. Deretter legger ~ 20 mg av metallisk Fe-pulver slik at Fe omfatter ~ 4 vektprosent av den totale blanding.
- Tape en ren bore blank (alternativt kan skaftet av en bore brukes i stedet for en bore blank) til kanten av en kjøkkenbenk, slik at ~ 3 mm stikker ut fra bordplaten. Plasser en silika glassrør med en indre diameter på ~ 2-3 mm og utvendig diameter på ~ 4-6 mm, på den utstikkende enden av bore blank.
- Plasser PtIrFe blandingen inn i glassrøret og setter inn en drill blank over den. Begge bore blanks bør ha en diameter som ikke er mer enn 0,1 mm mindre enn den indre diameter av silisiumdioksyd glassrør. Cold-pressen metallblandingen ved å skyve bore blanks sammen for hånd (figur 2).
FORSIKTIG: Bruk av for stor kraft i løpet av kulde trinnet kan føre til at silica glass til å knuse). - Sett kaldpresset pulver, fortsatt inne i silika glassrør inn i en aluminadigel og suspendere i den kjølige delen av en gassblanding vertikale rør ovn. Øke ovnstemperaturen til 1673 K, og ved hjelp av CO-CO to gassblandinger, setter ovnen f O 2 til en verdi nær den jern wüstite buffer.
Merk: Ved omgivelsestrykk og 1673 K, tilsvarer den jern wüstite buffer til en f O 2 av 1,93 x 10 -10 33 Pa. Forholdet mellom CO-CO 2 blandingsforhold, temperatur og f O 2 kan finnes i referanse 34. For jern-wüstite buffer på 1673 K bruke en gassblanding bestående 22,25 vol% CO 2 og 77,75 vol% CO.- Når ønsket temperatur og f O 2 er nådd, senk aluminadigel slik at den ligger i ovnen hot spot og la O / N for de pressede pulver til gløding.
- Fjern crucusynlige og presset pulver fra gassblanding ovnen og la dem avkjøles. Dersom silisiumdioksyd glassrøret fortsatt er intakt, bruke en drill tomt for å presse glødede pulveret ut av røret. Ved hjelp av wire cutters, bryte herdet pulveret i biter små nok til å passe inn i prøven kapsel valgt for forsøket.
- Overfør de metalliske bitene til et skall hetteglass og oppbevar i en eksikator før nødvendig.
- Metallic Fase: Multi-ambolt Eksperimenter
- For eksperimenter for å bestemme partisjonering av moderat og litt siderophile elementer, bland den syntetiske basalt pulver med Fe-metallpulver i like proporsjoner.
Merk: Det parti av Fe kan tilsettes som en Fe-Si-legering, typisk slik at Si omfatter <8 vekt% av den metalliske fraksjon. Dette vil sikre den eksperimentelle f O 2 er fortsatt lav. - Legg de valgte sporstoffer som metall-oksid pulver til basalt pluss metallblandingen. Homogenisere utgangsmaterialet av Grinding henhold etanol med en agatmorter og pistill. Den eksakte mengden av sporelementer tilsatt vil avhenge av elementet som undersøkes, men nominelle konsentrasjoner på flere tusen ppm til 2 vekt% er typisk 10,35.
- Når homogenisert, tørke pulverisert utgangsmaterialet under en varmelampe, overføre det til et skall ampulle så store i et tørke inntil nødvendig.
- For eksperimenter for å bestemme partisjonering av moderat og litt siderophile elementer, bland den syntetiske basalt pulver med Fe-metallpulver i like proporsjoner.
2. Utarbeidelse av Assembly Components
- Stempel
Merk: stempel forsamlingen består av en grafitt kapsel som støttes i et populært sted for en grafitt motstand varmeovnen med knusbare Magnesia stykker. En aluminiumoksyd omsluttet termoelement er plassert aksialt gjennom den øvre del av sammenstillingen for å overvåke temperaturen i toppen av prøven. Ovnen blir deretter omgitt av Baco 3-celler som tjener som både et trykkmedium og termisk isolator 36. Monterings dimensjoner er gitt iFigur 3A. En liste over eksempelmaterialer for eksperimentene og deres kilder er gitt i tabell 2.- Machine grafitt kapsler, grafitt slutten plug and magnesia støtte stykker til de nødvendige dimensjoner med et senter dreiebenk, ved hjelp av høy renhetsgrad grafitt og magnesium stenger eller rør henholdsvis som utgangsstoffer (figur 3A).
Merk: For eksperimenter for å undersøke Re, Os og Ir, kan HMS-Fe legeringer erstattes for grafitt som kapselen materialet 29,30. - Sonikere grafitt kapsler i etanol i ~ 1 min ved RT, deretter til tørrhet under en varmelampe på samme måte som angitt for pulverformede utgangsmaterialer. Når det er tørt, overføre kapsler til et skall hetteglass og oppbevar i en eksikator eller tørking ovn til nødvendig.
- Plasser magnesia støttestykkene i enten et aluminiumoksyd eller mullitt digel og glødning ved 1573 K i en boks ovn i minst 8 timer. Etter gløding, la bitene avkjøles deretter butikkeni en tørkeovn holdes ved ~ 393 K.
- For å gjøre bariumkarbonat celler, først blande Baco tre pulver og brukt kopi toner i 99: 1 proporsjoner etter vekt. Et minimum på 7,4 g av blandingen som kreves for et eksperiment. Belegge den indre del av en riktig størrelse stålform (se figur 3A for dimensjonene av Baco tre hylsene) med enten en grafittbasert tørt smøremiddel eller PTFE-baserte formslippmiddel (tabell 2).
- Cold-trykk 3,7 g av blandingen til ~ 250 MPa ved hjelp av stålform og en hydraulisk presse. La blandingen ved trykk i 1 min før dekompresjon. Dette vil gi en hylse med en høyde på 17 mm. To ermene er nødvendig for hver montering.
Merk: 2-celle som er beskrevet ovenfor, og som brukes i noen tidligere studier mai 29 til 31 kan erstatte en enkelt Baco 3 celle som gir en passende dimensjonert dyse er tilgjengelig. - Når den er fjernet fradør, drive-off kopien toner ved oppvarming av hylsene fra RT til 923 K i løpet av flere timer i en boks ovn, og deretter holdt ved denne temperatur i ~ 30 min. Legg merke til endringen i farge fra svart til oransje når kopien toner er fjernet. Oppbevar glødet hylsene i en tørkeovn holdes ved ~ 393 K.
- Machine grafitt kapsler, grafitt slutten plug and magnesia støtte stykker til de nødvendige dimensjoner med et senter dreiebenk, ved hjelp av høy renhetsgrad grafitt og magnesium stenger eller rør henholdsvis som utgangsstoffer (figur 3A).
- Multi-ambolt
Merk: Den multi-ambolt sammenstillingen omfatter en prøvekapsel som er plassert i den varme flekk av et sylindrisk grafittmotstandsvarmeovnen med knuses MgO eller Al 2 O 3 fyllstykker. Ovnen er omgitt av enten et sintret eller støpbart keramisk oktaeder som fungerer som både et trykkmedium og termisk isolator. Termoelementet kan være anordnet enten aksialt eller på tvers, avhengig av sammenstillingen design. Det finnes mange forskjellige størrelser og utførelser av sammenstillingen som brukes for multi-ambolt eksperimenter, avhengig av de ønskede mål og P -. T Forhold Figur 4 viser et eksempelForsamlingen designe tidligere brukt til å utføre metall-silikat partisjone eksperimenter på 3,6 og 7,7 GPa 35.- Forbered grafitt kapsler og knuses magnesia eller zirconia ermer fra høy renhet rør på samme måte som angitt for stempelsylinder eksperimenter. De nødvendige dimensjoner er gitt i figur 4A.
- Gjør pluggen alumina fra en lengde på hard-sparken stang alumina. Bruk en diamant fil å score stangen der det er å bli brutt, så snapper stangen til ønsket lengde for hånd (se figur 4A for dimensjoner). Bruk fil for å fjerne eventuelle grader som følge av å bryte stangen. Rengjør pluggen ved sonicating den i etanol ved RT.
- Forbered oktaeder med et 18 mm oktaedrisk kantlengde (AN) ved hjelp av en MgO-baserte støpbare to-delt keramisk (se tabell 2) og riktig størrelse mugg. Støpeformen består av en jigg som holder 8 avkortede kuber, adskilt av ark med en tykkelse lik den som er ønsket for the forformet pakninger 37.
- For oktaedre med en 18 mm norm, bruk kuber med en 11 mm avkortede kantlengde (TEL) og plater som er 3 mm tykk. Bruk enten aluminium eller PVC for kuben og platematerialer. Monter mold, smøre alle deler som vil kontakte castable keramiske med silikonfett. La én kube umontert for å gi en inngangsport for den keramiske blandingen.
- Kombiner pulveret keramikk og flytende aktivator i en 100: 30 vektforhold og bland godt. Hell blandingen i formen, slik at det ikke er noen innestengte lommer av luft. Sett resten kuben og la blandingen sette i minst 2 timer. Hver oktaeder krever ~ 15 g av keramiske blanding.
- Når det er satt, må du fjerne oktaeder fra formen, tørke for ~ 1 dag i et tørkeskap ved 393 K da gløding på 1,273-1,373 K i en boks ovn for ~ 2 timer.
- La oktaeder avkjøles til romtemperatur i luft, og deretter bore et 7,3 mm diameter hull, som angitt iFigur 4B å imøtekomme den isolerende ermet, grafitt bereder og gjenværende prøvekomponenter.
- Oppbevares i et tørkeskap ved ~ 393 K før du er klar til å montere eksperimentet.
3. Montering av komponenter
- Montering av Piston-sylindret Experiment
- Laste grafitt prøven kapselen ved først å sette HMS-bærende metall deretter tilsette syntetisk basalt pulver til kapselen fylles. Anvendelse av et gravitasjons stabilt arrangement minimaliserer sjansen for velte under forsøket og er ment å hindre spredning av den metalliske fase ved mekanisk virkning.
- Plassere en liten mengde (typisk <50 mg) i tørt MgO pulver på bunnen av hulrommet er utformet for å holde prøven kapselen. Dette flater skråflaten opprettes ved boring av hull og i sin tur reduserer skjærkrefter under prøve komprimering som kan sprekke kapselen.
- Monter alle tidligere made-komponenter som vist i figur 3b.
- Vikle et stykke av 30 mikrometer tykt bly folie rundt sammenstillingen, folding en liten (~ 1,5 mm) porsjon av folie over den blottlagte ende av den nedre Baco 3 hylsen. Sett sammenstillingen inn i en 12,7 mm boring wolframkarbid trykkbeholder, sammen med en base plugg (ovenfor) og stålendestykke (nedenfor) som vist i figur 3A.
Merk: Sluttbelastet stempel-sylinder Apparatet har to hydrauliske sylindre. En bro skrever over det nedre omslutningshode tillater en wolframkarbid stempel for å legge trykk på bunnen av prøven. Den øvre ram løser plasseringen av den øvre overflate og prøven gjelder en ende-belastning til trykkbeholderen som gir ytterligere støtte for hardmetallkjernen 38. Figur 3C viser en stempelsylinder apparat ved universitetet i Toronto med broen på plass. En friksjons korrigering av -9% er brukt på kontoen for forskjellen mellom pålydende prøvetrykket end som oppleves av prøven 39. - Plasser broen, trykktank og fotplaten mellom de hydrauliske sylindre. Neste foreta en C-type termoelement ved hjelp av fire hull vanskelig fyrt alumina rør med en ytre diameter på 1,6 mm. Røret alumina bør kuttes tilstrekkelig lang til å tillate ~ 1-2 mm av røret for å stikke frem fra den øvre overflaten av topp-platen.
- Mate begge trådsammensetninger (se tabell 2) gjennom tilstøtende hull i røret, slår endene gjennom 180 grader og feste dem i de motstående hull, slik at trådene krysser hverandre. Sett termo gjennom topp-platen og inn i sammenstillingen, slik at krysningspunktet ligger direkte over prøven. Isolere resten av termo ledninger som bruker fleksible Teflon rør, etterlot seg en 10-20 mm del utsatt på slutten.
- Plasser nødvendige metallmellomleggene på plass mellom topplaten og den øvre ram. Ved montering stilling Mylar ark både over trykkbeholderen og mellomtoppen av forsamlingen og øvre ram. Disse arkene elektrisk isolere prøven varmekretsen fra resten av apparaturen.
- Montering av Multi-ambolt Experiment
- Lag en C-type termoelement ved hjelp av 4-hulls hardt fyrte aluminiumoksydrør ved å mate begge ledningene gjennom tilstøtende hull i røret, vri endene gjennom 180 ° og feste dem i de motsatte hullene. Isoler resten av trådene med en kort lengde (~ 20 mm) av alumina rør og deretter Teflon isolerende materiale, slik at et parti av 10-20 mm eksponert tråden ved slutten.
- Sett zirkonia ermet og grafitt varmeapparat inn i octahedron, og deretter klippe sporene som vist i Figur 4B. Sett termoelement inn i toppen av oktaeder og posisjonere alumina dekket armene inn i sporene. Bruk zirkonia sement (se tabell 2) for å fylle tomrommet rundt termo og la tørke.
- For å isolere termoelementet Jofra grafitt kapsel, legge MgO pulver fra bunnen av oktaeder til ledningene er dekket. Mindre enn 50 mg pulver er vanligvis tilstrekkelig til å omgi den utsatte ledningen. For å sikre tett pakking av MgO pulver, bruk en drill tomt for å tamp ned løs pudder.
- Legg i en grafitt kapsel med tidligere utarbeidet prøvematerialet og plassere inn i octahedron fra den åpne siden. Sett støpselet alumina å fullføre montering av oktaeder.
- På 4 av WC kuber (tabell 2) bruk polyvinylacetat å lime korte lengder av balsa-tre, en på hver av de tre flater som grenser til den avkortede hjørne av kuben. Hver balsa-tre stykket skal måle ~ 4,4 mm i høyde og bredde ved ~ 9,0 mm i lengde, til de oktaeder størrelse vist i figur 4. På hver flate, plassere balsa-tre stykker i kvadranten motsatt den avkortede kant.
- Monter 4 av kuber å danne et kvadrat forfra, to med og to uten wooden stykker vedlagt. Orientere avkortede kantene for å møte midt på torget.
- Plasser octahedron i sentrum av kubene, slik at den støttes av de avkortede kantene. Deretter vinkle termo armene slik at de kommer fra motsatte hjørner av plassen (Figur 5A)
- Plasser de rester WC kuber i posisjon til å danne en kube med octahedron i midten, slik at de kuber med tre stykker festet resten oppå kuber som ikke har tre avstandsstykker.
- Lim firkantede stykker av ~ 0,5 mm tykt ark G10 (se tabell 2) til hver flate av den sammenstilte kuben ved hjelp av et cyanoakrylat-typen adhesiv. For 32 mm WC kuber, bruke G10-ark måler ~ 55 mm x 55 mm. To av WC kubene trunkeringer som kommer i kontakt motstandsvarmeren og således utgjør en del av den elektriske varmekretsen. For plater som er i kontakt disse kuber, kuttet to smale (<1 mm bredde) spaltene som vist i figur 5B og plasserer et stykke kobber folie slik at jegt gir et kontaktpunkt mellom første og andre-trinns ambolter.
Merk: Den multi-ambolt Apparatet anvender en to-trinns system med ambolter som finnes i en holdering. Den første fasen ambolter omfatter seks flytt kiler som danner et sentralt kubikk hulrom. Dette hulrom plass til 8 wolframkarbid kuber med avkortede hjørner (andre scene smier) som omgir den keramiske octahedron 40. Vertikalt rettede kraft som påføres til det første trinn amboltene av en hydraulisk presse blir derfor overført til oktaeder på en måte som resulterer i kvasihydrostatisk kompresjon av prøven. Forholdet mellom oljetrykk i ram og prøvetrykk kan kalibreres for 18 mm OEL cast octahedral montering beskrevet her etter prosedyrene beskrevet med 41. - Skjær to ark av 0,076 mm tykk Mylar til dimensjonene som er vist i figur 6, og belegge dem med et tørt smøremiddel PTFE.
- Posisjon en av de pre-cut ark inn ilåseringen (rett kant på bunnen) og sett nederst satt av en st -stage ambolter, som selv er støttet med 0,076 mm tykk Mylar og belagt med PTFE smøremiddel (Figur 5B). Den nedre sett ambolter kan stå på plass mellom kjøringer. Sett sammen kuben inn i den nedre sett første stadium ambolter og koble termo armene til balanserte termo ledninger som kommer ut av trykkmodulen.
- Plasser 2. pre-cut Mylar ark i låseringen (straight edge til toppen) og sett den øvre sett en st -stage ambolter, som bør være Mylar støttet og smøres på samme måte som den nedre settet. Dette arrangement gir en smurt Mylar til Mylar kontakt mellom en st -stage ambolter og holderingen som reduserer tapet av ram thrust til friksjonen ved ~ 30% i forhold til et enkelt ark Mylar arrangement 37.
Merk: tykkelser og dimensjoner av Mylar arket vil avhenge tHan nøyaktige utforming av trykkmodulen som brukes. Beskrevet ovenfor og i figur 6 er målene i bruk ved Geofysisk Laboratory, Carnegie Institution of Washington.
4. Start av Experiment
- Når prøven er brakt til ønsket trykk, varme med en hastighet på 100 K / min inntil den ønskede holdetemperatur er nådd. Under oppvarmingstrinnet, kan olje i prøven ram må justeres for å opprettholde et konstant oljetrykk.
- Etter hvileperiode, slukke prøven ved å kutte strømmen til ovnen. Når innretningen er avkjølt til romtemperatur, langsomt dekomprimerer prøven.
5. Kjør-produkt Analysis
- For stempel eksperimenter, ekstrahere den ferdige eksperimentet fra trykkbeholderen ved hjelp av en hydraulisk sylinder. Med et par kraftige kuttere fjerne de ytre deler av forsamlingen å frigjøre grafitt kapselen (stempel Yueguangbaoheere) eller ovn som inneholder prøven kapselen og støtte stykker (multi-ambolt).
- Montere prøven i epoxy (vanligvis for å danne en 25,4 mm diameter puck) (figur 7A). Ved hjelp 320-600 grit silisium-karbid papir, slipe inn i prøven for å eksponere den avkjølte smelte og silikat metalliske faser. Polere den eksponerte overflaten ved hjelp av enten alumina eller diamant suspensjon med avtagende kornstørrelser fra ~ 15 til 0,3 mikrometer.
- Carbon belegge overflaten av den polerte prøven 42 og analysere den viktigste element sammensetning av metall og silikat run-produkt ved elektron probe mikroanalyse (EPMA). Bruk en defokusert (10 um) strålediameter for silikatet analyse for å unngå migrering av alkalielementer bort fra elektronstråle. De analytiske betingelser og standarder som brukes til å karakterisere tidligere prøver genereres med den ovenfor angitte protokoll kan finnes i referanser 29 - 31,35
Merk: For eksperimenter til investigate MSE og SSE partisjonering, kan EPMA også vise seg å være egnet til analyse av sporelementer, forutsatt at de er til stede i tilstrekkelige konsentrasjoner. - Etter viktig element analyse, fjerne karbonet strøk bruker 0,3 mikrometer alumina grus. Bruke laser ablasjon induktivt koplet plasma massespektrometri (LA-ICPMS) for å bestemme sporstoffet innholdet i run-produkter. For en introduksjon til å smake på analyse av LA-ICPMS, vennligst se referanse 43.
Merk: For tidligere HMS løselighet studier isotoper av kalsium og nikkel har blitt brukt som interne standarder for å redusere dataene, ved hjelp av både glass og sulfid referansemateriale henholdsvis 29,30. Alle analyser bør innledes med en enkelt passering av ablasjon, etterfulgt av skylling ablasjon cellen i minst 60 sek. Dette sikrer all forurensing som kan oppstå fra polering de eksperimentelle run-produkter påvirker ikke resultatene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 forsøk som inneholder Au, fukt egenskaper mellom silikat smelten, Au smelte og faststoff HSE (Re, Os, Ir, Ru) diktere prøven geometri og resultere i fysisk skille mellom silikat- smelte og det faste HMS. For eksperimenter for å undersøke Pt, forblir PtIr legeringen i direkte kontakt med silikat smelten. Kutte strømmen til ovnen ved slutten av forsøket sikrer hurtig avkjøling av prøven og quenching av de silicate smelte. Kjør-produkter utgjør derfor enten en eller to legeringsfasene (HSE-rik ± Au-rik) eller silikat glass (som gir basalt sammensetningen ifølge tabell 1 blir brukt).
Forurensning av silikatglass ved lav f O 2 HMS løselighetsforsøk er mest lett identifiseres ved nærvær av heterogeniteten i tidsoppløst LA-ICPMS spektra. Dette heterogenitet manifesterer seg som "topper" og "bunner" i spektra som følge av ablasjon av varierende andeler av inkludering bærende versus inkludering fritt glass 17. Figur 8A viser tids løst spektrum for en Pt løselighet eksperiment som ikke benytter metoder for å forhindre dannelsen av metallinneslutninger. Til sammenligning, Figurene 8b-F skjerm tids-oppløst spektra typisk for silika run-produkter syntetisert ved anvendelse av teknikker beskrevet i ovennevnte protokoll. Homogenitet spektra bf indicates fravær av dispergerte HMS inklusjoner i silikat-delen av forsøkskjøringen biprodukter. Inspeksjon av silikatglass ved hjelp av skanning-elektronmikroskopi bekrefter fravær av synlige metall-inneslutninger i silikat kjøre-produkter, noe som ytterligere støtter en mangel på forurensning. Spektrene vist i figur 8A-E er fra kjøre-produkter fremstilt som en del av flere tidligere studier 29 -. 31 Figur 8F er fra en Ru løselighet eksperiment utført ved 2273 K og 2 GPa med Au-tillegg teknikken beskrevet ovenfor. Homogeniteten av denne spektra antyder at denne tilnærmingen er også lykkes i å unngå dannelse av metall-inneslutninger som finnes i tidligere Ru løselighetsforsøk utført på samme måte ved reduserende betingelser (~ IW + 2,5) 24.
Figur 1. Comparison mellom den estimerte primitive øvre mantelen (PUM) sammensetning og som forutsagt av resultatene av løselighets-forsøk ved lavt trykk og temperatur. Data for den PUM komposisjonen fra Fischer-Gödde et al. 7. Fordelingskoeffisienter for HMS er på 0,1 MPa, 1573-1673 K og IW-2 fra Fe-frie eksperimenter med 27 (Re), 44 (Os), 18 (Ir), 45 (Ru), 16 (Pd), 46 (Au), 21 (Pt og Rh). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Anordning som brukes til å kaldpresse metalliske pulvere. Den nedre bore blanke (eller skaft) er i utgangspunktet tapet til kanten av en arbeidsbenk for å tillate enkel lasting av pulverne inn i kvartsglass tube. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 (A) Detaljert tverrsnitt av stempelsylinderenheten først er ført inn i trykkbeholderen. For konsistente resultater, bør klaringen mellom komponenter i motstandsovn være innenfor 0,025 mm av de nominelle verdier 38. Baco 3-celler bør være innenfor ~ 0,13 mm av den nominelle indre og ytre diameter. Detaljer for konstruksjon av en egnet dyse, kan bli funnet i 47, selv om cellen indre diameter bør modifiseres av tegningene i denne referanse til 7,9 mm. (B) Fremgangsmåten for konstruksjon av stempelsylinderprøvesammenstilling. Enten en cyanoakrylatlim eller husholdning sement er egnet påle for å feste grafitt endepluggen i Baco hylsen 3, men ikke mer enn ~ 10 mg bør anvendes. (C) Et stempel trykk ved Universitetet i Toronto. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. (A) Tverrsnitt av multi-ambolt sammenstilling egnet for bruk med WC kuber som har en 11 mm TEL. Den øverste delen av figuren er tegnet for å vise hvordan de termo armene ut av octahedron, sett både vinkelrett til og nedover langs aksen av tråden som angitt. (B) ovenfra støpt oktaeder med pakning fins. Grooves for termo Armene skal kuttes i de områdene som er merket med rødt. Legg merke til at den indre magnesia ermet og 4-hulls aluminatube vist i figuren bør ikke være på plass når sporene er kuttet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. (A) Arrangement av WC kuber rundt montert octahedron. (B) Nedre sett første stadium ambolter og deres arrangement innen låseringen. (C) Fullført eksperiment plassert inn i trykkmodulen med en av øvre sett første-trinns ambolter på plass. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7. (A) Eksperimentell run-produkt montert i epoksy, og deretter slipt og polert. (B) og (C) tilbakespredte elektron bilder av eksperimentelle run-produkter fra eksperimenter ved hjelp av Si-tillegg (B) og Au-tillegg (C) teknikker beskrevet i teksten for eksperimenter for å bestemme Pt og Ru oppløselighet hhv. Image (B) er gjengitt fra 31 med tillatelse fra Elsevier. (D) Forstørret visning av området skissert i rødt på (C) for å vise detaljene i AuRu perle og metall-silikat grensesnitt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8. (A) Time-løst LA-ICP-MS spektra fra et lavt f O 2 Pt-løselighet eksperiment som ikke benytter tiltak for å undertrykke dannelsen av metallslutninger. (BF) Typisk tids-oppløst LA-ICP-MS-spektra fra eksperimenter for Ru, Pt 31, 30 Re, Os og Ir 29 som ble utført ved å bruke fremgangsmåten beskrevet i teksten. Alle data som vises er fra eksperimenter utført på 2273 K og 2 GPa. Den vertikale stiplede linjen i hver figur skiller området for ablasjon fra regionen av bakgrunns anskaffelse.g "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9. Endring i D Met / Sil med T for eksperimenter utført av Brenan & McDonough 29 (Os, Ir, Au), Bennett & Brenan 30 (Re, Au) og Bennett et al. 31 (Pt) ved hjelp av prosedyrene beskrevet her. Alle data er fra eksperimenter gjort på to GPa. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 10. Oppløseligheten av Iridium i basal smelte ved 2273 K og 2 GPa som en funksjon av f O <sub> 2 i forhold til jern-wüstite (IW) buffer. Dataene er hentet fra Brenan & McDonough 29. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Før Decarbonation | Etter Decarbonation | ||||
| vekt% Oksider / karbonater; Fe 2+ Starter Composition | vekt% Oksider / karbonater; Fe 2+ Starter Composition | vekt% Oxide; Fe 2+ Starter Composition | vekt% Oxide; Fe 3+ Starter Composition | ||
| SiO 2 | 47.92 | 47.40 | SiO 2 | 51.87 | 51.26 |
| Al 2 O 3 | 9,91 | 9,80 | Al 2 O 3 | 10.73 | 10.60 |
| CaCO 3 | 16.20 | 16.02 | CaO | 9.83 | 9,71 |
| MgO | 14.58 | 14.42 | MgO | 15.79 | 15.60 |
| FeO | 9,84 | - | FeO | 10.66 | - |
| Fe 2 O 3 | - | 10.82 | Fe 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 |
Tabell 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 sekund regionen i tids løst LA-ICPMS spektra. Denne tilnærmingen reduserer bidraget av inneslutninger til de målte silikat smelte konsentrasjoner. Data fra Ertel et al 48 på ~ IW + 1 enige godt med trenden mellom D Met / Sil og 1 / T definert av inklusjonsfrie eksperimenter utført på lignende f O 2.; bekrefter at deres valgte analytiske behandlingen er effektiv i å bestemme sanne Pt løselighet 31. Videre eksperimenter utført ved anvendelse av inklusjonsundertrykkende protokollen beskrevet her er i stand til å sondere flere reduserende betingelser, hvor spekteret filtreringsmetode blir mindre effektiv 17. I studier som antar bare tilstedeværelsen av kjølerelaterte slutninger, det er variabel avtale med inkluderfrie data. For eksempel er det observert god overensstemmelse med resultatene av Mann et al. 49, men eksperimenter Cottrell et al. 22 skjerm systematisk lavere verdier av D Met / Sil enn inklusjonsfritt 31 eksperimenter. Genereringen av inneslutningsfrie eksperimenter på et bredt spekter av tilstander er derfor avgjørende å vurdere påliteligheten av tidligere inklusjonsforurenset målinger.
Selv om det har vist seg protokollen beskrevet her vellykket over et område av betingelser, er det ikke et universalmiddel for problemet med forurensning av metallinneslutninger. Eksperimenter utført ved hjelpteknikken med Au tillegg påvirkes av dannelsen av komplekse legeringssammensetninger på meget lav f O 2. For å generere forhold vesentlig mer enn den reduserte jern wüstite buffer, blir elementært Si tilsettes til utgangsmaterialene. Kjør produkter fra de mest reduksjons av disse eksperimentene inneholde to co-eksisterende legeringer som besitter omfattende kjøle relatert exsolution teksturer. Ikke-blandbarhet i legeringen synes å oppstå på grunn av den betydelige løsning av Si i metallfasen ved reduserende betingelser. En mangel på egnede aktivitet-sammensetningsdata for de legeringsmaterialer som dannes ved meget reduserende betingelser hindrer Fe og HMS aktiviteter i legeringsfase blir fastslått. Dette forhindrer nøyaktig beregning av prøven f O 2 og HMS-konsentrasjoner i silikatet smelte ved løselighetsgrensen.
Effekten av Si-tilsetning som en metode for å forhindre dannelsen av Pt slutninger synes å avta ved laveretemperaturer. Bennett et al. 31 bemerkes at eksperimenter utført ved 1873 K skjerm bevis for forurensning av metallinneslutninger, mens de som utføres ved høyere temperaturer ikke. Dette kan være på grunn av en endring i forholdet mellom kinetisk reduksjon prøven og Pt i-diffusjon ved lavere temperaturer. En videre vurdering for eksperimenter utført ved hjelp av Si-tilsetning teknikk er det effekt på det endelige smelte-massen. Oksidasjon av elementært Si tidlig i eksperimentet skjer via den følgende reaksjon med FeO i smelte:
Si (oppfylt) + 2FeO (sil) = SiO 2 (sil) + 2FE (oppfylt) (2)
Tilsetning av større mengder Si, for å få tilgang til flere reduserende betingelser, resulterer således i en mer SiO 2 anriket og utarmet FeO smelte-massen. For å utføre eksperimenter som dekker et bredt f O 2 2 for hvert mol Si tilsettes til startblandingen. Det bør også bemerkes at noen studier har funnet at forekomsten av metalliske inneslutninger er også avhengig av smeltemasse, særlig om smeiten Fe-bærende 50.
Oppløseligheten data som gis av uforurensede run-produkter gir nøyaktig metall-silikat fordelingskoeffisienter som skal beregnes. For eksperimenter der HMS interesse ikke er til stede som en ren fase (dvs. HMS metall aktivitet <1), konsentrasjonene målt i silikatfasen er korrigert til enhet aktivitet ved hjelp av tilgjengelige termodynamiske data. Med unntak av Au, et nyttig sammendrag av de tilgjengelige aktivitets komposisjon relasjoner for HMSlegeringer er gitt i referanse 49. Begrensede data for Au-Fe legeringer kan finnes i referanser 46,51. Det følgende forhold blir så brukt til å bestemme verdier av D Met / Sil fra de korrigerte HMS konsentrasjoner silikat smelte 16
(3)
Hvor 
HMS er konsentrasjonen av silikat ved metning i HSE fase, A er en mol til vekt og konverteringsfaktor 
er aktiviteten koeffisient av valgt HMS ved uendelig fortynning i flytende Fe-metall. Figur 9 viser endring i D Met / Sil med T beregnet fra eksperimenter gjort på to GPa og en f O 2 nær jern wüstite buffer. En anvendelse av disse data er åvurdere evnen til høytemperatur-metall-silikat likevekt for å ta hensyn til den estimerte primitive øvre mantelen overflod av disse elementene. Verdier av D Met / Sil for HMS skal avta til verdier av ~ 10 2 -10 3 på omtrent samme temperatur om metall-silikat likevekt er ansvarlig for PUM sammensetning. Dataene fra tidligere studier som vises i figur 9 antyder dette krav ikke oppfylles av resultatene av forsøkene utført ved reduserende betingelser 29-31.
Løselighet målinger fra forurenset silikat kjøre-produkter er også nyttige for å avsløre den arts av HSEs oppløst i silikat smelte ved lav f O 2. Informasjon vedrørende arts av disse metallene over et stort spekter av redox-betingelser er nyttig ikke bare for å lede ekstrapolering av data utover den eksperimentelt undersøkt området, men også for den idannet utformingen av briller med spesielle optiske egenskaper. Endringer i oksidasjonstilstanden av oppløste metaller kan være ledsaget av endringer i sin koordinering kjemi, hvor variasjon i egenskaper, slik som optisk absorbans kan oppstå. For eksempel oppløsningen av platina, er mye brukt som en beholder materiale for syntetisering av glass fra smeltemassen kan føre til forskjellig fargede briller avhengig av de redoks betingelsene for smelten 52,53. Oksydasjonstilstanden oppløst HSEs kan utledes fra endringen i løselighet med f O 2. Betrakt oppløsning av et metall (M) som et oksyd arter i smelten:
(4)
Hvor n er oksidasjonstilstanden til det oppløste metall. Likevektskonstanten (K) ved P og T for ligning 3 er gittby:
(5)
Likhets ln K med Gibbs fri energi for reaksjon, og ved metning i metallfasen (A M = 1), blir ligning 4:
(6)
Skråningen av en trend mellom HSE løselighet og f O 2 gir således n / 4, hvorfra arts kan oppnås. Brenan og McDonough 29 bestemmes av løseligheten av Ir som en funksjon av f O 2 fra forsøk som brukte teknikkene som er beskrevet her. Resultatene av disse eksperimentene er vist i figur 10, og gi en helling på 0,2, stort sett i overensstemmelse med en 1+ oksidasjonstilstand (forutsagt helling på 0,25) for Ir i reduserte silikat smelter.
Eksperimentelt bestemte metall-silikat fordelingskoeffisienter kan brukes til å etablere betingelsene for kjerne-mantel likevekt under bakke Tilveksten. Resultatene for de svært siderophile elementene kan også brukes til å vurdere om Jorden opplevde en sen-ferniss av chondritic materiale i etterkant kjernedannelse. Skissert her er prosedyrer for å utføre metall-silikat partisjonering og løselighet eksperimenter i multi-ambolt og sylindere hhv. Teknikkene er også beskrevet som undertrykker dannelsen av metallslutninger i HMS løselighet eksperimenter ved 2 GPa og temperaturer> 1873 K. De beregnede HMS fordelingskoeffisienter tyder på at metall-silikat likevekt ved høy T ikke forklare den tilsynelatende overskudd av HSEs i primitive øvre mantelen . Fremtidig arbeid gjenstår for å bekrefte om HMS-partisjone atferd angitt med eksperimenter på 2 GPa vedvarer til høyere P og T. Dette vil kreve testinginklusjons-undertrykke protokoller skissert her i en høy P multi-ambolt eksperimentell design.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noe å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av naturvitenskap og Engineering Research Council of Canada Utstyr, Discovery og Discovery Accelerator Grants tildelt JMBNRB erkjenner støtte fra Carnegie Institution of Washington postdoktorstipendprogrammet. Stephen Elardo er også takket for hans assistanse før filming med stempel-sylinder trykk på Geophysical Lab.
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 |
References
- Canup, R. M. Dynamics of Lunar Formation. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 42, 441-475 (2004).
- Rubie, D., Nimmo, F., Melosh, H. Formation of Earth’s core. Treatise on geophysics. 9, 51-90 (2007).
- 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).
- Dziewonski, A. M., Anderson, D. L. Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 25 (4), 297-356 (1981).
- McDonough, W., Sun, S. The composition of the Earth. Chemical geology. 120 (3-4), 223-253 (1995).
- Palme, H., O’Neill, H. Cosmochemical estimates of mantle composition. Treatise on geochemistry. 2, 1-38 (2003).
- 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).
- Ringwood, A. E. Chemical evolution of the terrestrial planets. Geochimica et Cosmochimica Acta. 30, 41-104 (1966).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wood, B. J., Walter, M. J., Wade, J. Accretion of the Earth and segregation of its core. Nature. 441 (7095), 825-833 (2006).
- 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).
- Murthy, V. R. Early differentiation of the Earth and the problem of mantle siderophile elements: a new approach. Science. 253 (5017), 303-306 (1991).
- Righter, K., Humayun, M., Danielson, L. Partitioning of palladium at high pressures and temperatures during core formation. Nature Geoscience. 1 (5), 321-323 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Borisov, A., Palme, H. Experimental determination of Os metal/silicate partitioning. Neues Jahrbuch für Mineralogie - Abhandlungen. 172 (2-3), 347-356 (1998).
- Borisov, A., Palme, H. Experimental determination of the solubility of platinum in silicate melts. Geochimica et Cosmochimica Acta. 61 (20), 4349-4357 (1997).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Brenan, J., McDonough, W. Core formation and metal–silicate fractionation of osmium and iridium from gold. Nature Geoscience. 2 (11), 798-801 (2009).
- 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).
- 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).
- Okamoto, H., Massalski, T. B. The Au-Pt ( Gold-Platinum ) System. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 6 (1), 46-55 (1985).
- 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).
- 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).
- 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).
- Agee, C. B., Walker, D. Static compression and olivine flotation in ultrabasic silicate liquid. Journal of Geophysical Research. 93 (7), 3437-3449 (1988).
- Walker, D. Lubrication, gasketing, and precision in multianvil experiments. American Mineralogist. 76 (7-8), 1092-1100 (1991).
- 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).
- McDade, P., Wood, B. J., et al. Pressure corrections for a selection of piston-cylinder cell assemblies. Mineralogical Magazine. 66 (6), 1021-1028 (2002).
- Walker, D., Carpenter, M., Hitch, C. Some simplifications to multianvil devices for high pressure experiments. American Mineralogist. 75 (9-10), 1020-1028 (1990).
- Bertka, C. M., Fei, Y. Mineralogy of the Martian interior up to core-mantle boundary pressures. Journal of Geophysical Research. 102 (B3), 5251 (1997).
- Reed, S. J. B. Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology. , Second edition, Cambridge University Press: . Cambridge, UK. (2005).
- Sylvester, P. J. Laser Ablation ICP-MS in the Earth Sciences: Current Practices and Outstanding Issues. , Mineralogical Association of Canada. Quebec. (2008).
- Borisov, A., Walker, R. Os solubility in silicate melts: New efforts and results). American Mineralogist. 85 (7-8), 912-917 (2000).
- Borisov, A., Nachtweyh, K. Ru Solubility in Silicate Melts: Experimental Results in Oxidizing Region. Lunar and Planetary Science Conference. 77058, 1320 (1998).
- Borisov, A., Palme, H. Experimental determination of the solubility of Au in silicate melts. Mineralogy and Petrology. 56 (3-4), 297-312 (1996).
- Dunn, T. The Piston-Cylinder Apparatus. Short Course Handbook on Experiments at High Pressure and Applications to the Earth’s Mantle. , 39-94 (1993).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
