Partitioning Metal-silicato em alta pressão e temperatura: Métodos experimentais e um protocolo para suprimir Altamente sidérophile Elemento Inclusões

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

Acreção terrestre é pensado para ter ocorrido como uma série de colisões entre planetesimais com uma composição de massa condritos, que termina numa fase de gigante impacto pensou responsável pela formação de lua ^1,2. Aquecimento da terra proto-o por impactos e o decaimento de isótopos de vida curta é suficiente para provocar a fusão e a grande formação de um magma oceano ou lagoas através do qual densa rica em Fe metálicos fundidos podia descer. Ao alcançar a base do oceano de magma, fundidos metálicos encontrar um limite reológico, tenda, e submeter-se o equilíbrio de silicato de metal final antes de, eventualmente, descendo através do manto sólido para o núcleo ² em crescimento. A eventual comunicação química entre o metal e as fases de silicato como material metálico fundido atravessa a parte sólida do manto é pensado para ser impedido devido ao tamanho grande e rápida descida de diapirs de metal ^3. Esta diferenciação primária da Terra em um núcleo metálico e mant silicatole é revelado hoje por ambas as observações geofísicas e geoquímicas ^4-6. Interpretação destas observações para proporcionar condições plausíveis para o equilíbrio de silicato de metal na base de um oceano de magma, no entanto, requer uma base de dados adequada dos resultados experimentais.

O manto superior primitivo (PUM) é um reservatório hipotético compreendendo o resíduo de silicato de formação de núcleo e sua composição reflete, portanto, o comportamento de elementos traço durante equilíbrio silicato-metal. Oligoelementos são distribuídos entre o metal eo silicato derrete durante a segregação núcleo com base na sua afinidade geoquímica. A magnitude de uma preferência de elementos para a fase de metal pode ser descrita pelo coeficiente de partição de metal-silicato

(1)

Onde e denota a concentração do elemento i, em metal e silicato de derreter respectivamente. Valores de > 1 indicam siderophile comportamento (-loving de ferro) e aqueles <1 lithophile (-loving rock) comportamento. Estimativas da composição mostra PUM que sidérophile elementos estão esgotados em relação ao chondrites ^7, geralmente consideradas como representativas da composição química da Terra ^6,8. Este esgotamento é devido ao sequestro de elementos siderófilos pelo núcleo, e por elementos refractários sua magnitude deve refletir diretamente os valores de . Experimentos em laboratório, portanto, procurar para determinar os valores de ao longo de um raESL de pressão (P), a temperatura (T) e fugacidade oxigénio _(O2 f) condições que são relevantes para a segregação de metal a partir da base de um oceano de magma. Os resultados destas experiências pode então ser usada para delinear as regiões de P – t – f _O2 espaço que são compatíveis com a abundância de PUM de múltiplos elementos siderófilos (por exemplo, ^9-11).

As altas pressões e temperaturas relevantes para um cenário de oceano de magma pode ser recriada em laboratório usando um pistão-cilindro ou prensa multi-bigorna. O aparelho de embolo-cilindro permite o acesso a uma pressão moderada (~ 2 GPa) e temperatura elevada (~ 2573 K) condições, mas permite que grandes volumes de amostra e uma variedade de materiais de cápsula que será utilizada facilmente. A taxa de arrefecimento rápido também permite a têmpera de uma gama de composições de fusão de silicato para um copo, simplificando assim a interpretação textural dos subprodutos de execução.O aparelho multi-bigorna emprega tipicamente volumes de amostras menores, mas com desenhos de montagem adequados podem atingir pressões de até ~ 27 GPa e temperaturas de ~ 3.000 K. O uso desses métodos tem permitido particionamento de dados para muitos dos moderadamente e levemente siderófilos elementos para ser reuniu mais de uma grande variedade de P – condições T. As previsões da composição PUM com base nesses dados sugerem equilíbrio silicato de metal ocorreu em condições médias de pressão e temperatura em excesso de ~ 29 GPa e 3000 K, respectivamente, embora os valores exactos dependem modelo. A fim de explicar a abundância de elementos sensíveis à PUM certo redox (por exemplo, V, Cr) a f O ₂ também é pensado para evoluir durante acréscimo de ~ 4-2 unidades log abaixo desse imposto pela co-existente de ferro e wustite (FeO ) em condições PT equivalentes (o tampão de ferro wustite) ^12.

Apesar da abundância de PUM mquaisquer elementos siderófilos pode ser explicada pelo equilíbrio silicato de metal na base de um oceano de magma profundo, revelou-se difícil avaliar se esta situação também se aplica aos elementos mais altamente siderophile (HSES). A extrema afinidade dos HSES para o ferro em metal indicado pela baixa pressão (P ~ 0.1 MPa) e temperatura (T <1.673 K) experimentos sugere o silicato de terra deve ser fortemente empobrecido nestes elementos. As estimativas do teor de SMS para PUM, no entanto, indicam apenas uma moderada depleção em relação ao condrito (Figura 1). Uma solução comumente posta ao excesso HSE aparente é que a Terra experimentou um fim de acreção de material condritos subseqüente ao core-formação ^13. Este material late-acrescidos teria misturado com o PUM e concentrações elevadas de SMS, mas teve um efeito insignificante sobre os elementos mais abundantes. Alternativamente, foi sugerido que a natureza extremamente siderophile de HSES indicado por baixo P </em> – Experimentos T não persiste para as altas condições PT presentes durante core-formação ^14,15. A fim de testar estas hipóteses, as experiências devem ser realizados para determinar a solubilidade e de metal-silicato de particionamento HSES em condições adequadas. Contaminação da parte de silicato de subprodutos funcionamento extinta em muitos estudos anteriores no entanto, tem complicado a análise do produto run e obscureceram os verdadeiros coeficientes de partição para HSES entre o metal eo derrete silicato.

Em experiências de separação onde os HSES estão presentes em níveis de concentração adequadas para a natureza, a preferência extremo destes elementos de metal de Fe-impede a sua medição na massa fundida de silicato. Para contornar este problema, as medições de solubilidade são feitas em que o silicato de fusão está saturado na HSE de interesse e os valores de são calculados utilizando o formalismo de Borisov etal. ^16. Subprodutos executados silicato extinta a partir de experimentos de solubilidade de SMS realizadas em condições de redução, no entanto, muitas vezes exibem evidência de contaminação por disperso HSE ± Fe inclusões ^17. Apesar de a quase omnipresença destas inclusões em baixo f O ₂ experimentos contendo Pt, Ir, Os, Re e Ru, (por exemplo, ^{18 – 27),} existe uma variabilidade notável entre os estudos em sua apresentação textural; comparar, por exemplo, faz referência ²² e ^26. Embora tenha sido demonstrado que as inclusões podem formar uma fase que são estáveis ​​nas condições de execução de uma experiência ^28, isto não exclui a formação de inclusões que a amostra é temperada. A incerteza que rodeia a origem de inclusões torna o tratamento dos resultados analíticos difícil, e levou a ambiguidade sobre a verdadeira solubilidade reduzida em HSES silicato derrete. Run-livre de produtos de inclusão são necessários para avaliarque estudos têm adotado uma abordagem analítica que produz concentrações HSE dissolvidos precisos. Um progresso considerável na supressão da formação de inclusões de metal-em condições redutoras foi agora demonstrada em experiências que utilizam um aparelho de embolo-cilindro, em que o desenho da amostra foi alterada a partir de estudos anteriores por adição ou Au ou Si para os materiais de partida ^29-31. A adição de Si elementar ou Au para os materiais de partida alteram a evolução geometria da amostra ou f S ₂ da experiência, respectivamente. Estes métodos destinam-se a suprimir a formação de inclusões de metal através da alteração da temporização da HSE na contra-difusão redução amostra, e são discutidos em Bennett et ai. ^31. Ao contrário de algumas tentativas anteriores para limpar a fusão de silicato de inclusões, tais como equilíbrio assistida mecanicamente eo pistão-cilindro centrifugação, o presente protocolo pode ser implementado sem appar especializadaatus e é adequado para experimentos de alta PT.

Descrito em pormenor aqui é uma abordagem baseada êmbolo-cilindro para determinar a solubilidade de Re, Os, Ir, Ru, Pt e Au, em massa fundida de silicato a alta temperatura (> 1873 K), 2 GPa e uma f ó ₂ semelhante ao da o buffer de-ferro wustite. Aplicação de um projeto experimental semelhante pode também ser bem sucedida em experimentos de SMS em outras pressões, fornecendo as relações de fase necessários, molhando propriedades e relacionamentos cinéticos persistem as condições escolhidas. Os dados existentes no entanto, são insuficientes para prever se a nossa concepção da amostra será bem sucedida a pressões correspondentes a um oceano de magma profundo. Também é delineada uma abordagem geral utilizada para determinar elemento moderadamente e levemente siderophile (MSE e SSE respectivamente) particionamento usando um dispositivo multi-bigorna. Extensão do conjunto de dados livre de inclusão para HSES a alta pressão é susceptível de empregar métodos multi-bigorna semelhantes. Trajeséter, estes procedimentos proporcionam um meio para limitar tanto as condições de núcleo-segregação e as fases de acreção terrestre.

Protocol

1) Preparação de Material de Partida Synthetic Basalto Nota: Uma composição de basalto é usado como material de partida o silicato na forma de composições mais despolimerizado, embora mais relevante para um cenário de oceano de magma, são difíceis ou impossíveis de se extinguir a um vidro de pistão-cilindro e experiências multi-bigorna. Pesar as quantidades desejadas de óxido ou carbonato de componente (Ca e de Na) em pó, com a excepção de Fe, e adicionar a um almofariz de ág…

Representative Results

Os exemplos a seguir e centrar o debate sobre experimentos para determinar HSE solubilidade em silicato funde a baixa f O 2. Para obter exemplos detalhados de como MSE e particionamento de dados SSE a partir de experimentos multi-bigorna pode ser usado para restringir o P – T – f O 2 condições de segregação de metal core, o leitor é remetido para referências. 9 – 11 Figura 7B-D mostra de volta imagens de elétrons dispersadas de …

Discussion

Os resultados dos experimentos livres de inclusão realizadas utilizando os protocolos descritos aqui foram previamente comparados com os dados da literatura em referências ²⁹ (Os, IR, Au), ³⁰ (Re, Au) e ³¹ (Pt). Pt é mais instrutivo para demonstrar a utilidade de run-livre de produtos de inclusão. Para as experiências executadas a baixa f ó _2, Ertel et ai. ⁴⁸ inclusões atribuído a uma origem estável e, portanto, redução de dados restrita…

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