-Metal silicato de particionamiento a alta presión y temperatura: Métodos experimentales y un Protocolo para Reprimir altamente sidérophile Element Inclusiones

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

Acreción Terrestre se cree que han ocurrido como una serie de colisiones entre planetesimales con una composición mayor condrítico, que termina en una fase de gigante impacto cree responsable de la formación de la Luna ^1,2. El calentamiento de la proto-Tierra por impactos y la desintegración de los isótopos de vida corta era suficiente para causar una amplia fusión y la formación de un océano de magma o estanques a través del cual densa Fe-ricos se derrite metálicos podrían descender. Al llegar a la base del océano de magma, masas fundidas metálicas encuentran con un límite reológico, parada, y se someten a equilibrio de silicato de metal final antes de eventualmente descendente a través del manto sólido a la creciente núcleo ^2. Además la comunicación química entre el metal y las fases de silicato como fusión metálica atraviesa la parte sólida del manto se cree que está excluida debido al gran tamaño y rápido descenso de diapiros metálicos ^3. Esta diferenciación primaria de la Tierra en un núcleo metálico y mant silicatole es revelado hoy por ambas observaciones geofísicas y geoquímicas ^4-6. Interpretación de estas observaciones para producir condiciones plausibles para el equilibrio-silicato de metal en la base de un océano de magma, sin embargo, requiere una base de datos adecuada de los resultados experimentales.

El manto superior primitiva (PUM) es un depósito hipotético que comprende el residuo de silicato de formación de núcleo y su composición, por tanto, refleja el comportamiento de los elementos traza en el equilibrio de metal-silicato. Los elementos traza se distribuyen entre el metal y el silicato se derrite durante la segregación núcleo sobre la base de su afinidad geoquímica. La magnitud de una preferencia elementos para la fase de metal puede ser descrita por el coeficiente de partición de metal-silicato

(1)

Dónde y denotan la concentración del elemento i en metal y silicato derrito respectivamente. Los valores de > 1 indican siderophile comportamiento (hierro amante) y los <1 lithophile (rock amante) comportamiento. Las estimaciones de la composición espectáculo PUM que sidérophile elementos se agotan en relación con las condritas ^7, normalmente considerados como representativos de la composición mayor de la Tierra ^6,8. Este agotamiento es debido al secuestro de elementos siderófilos por el núcleo, y por elementos refractarios su magnitud debe reflejar directamente valores de . Por lo tanto, los experimentos de laboratorio tratan de determinar los valores de durante un raESN de la presión (P), temperatura (T) y la fugacidad de oxígeno (O ₂ f) las condiciones que son relevantes para la segregación de metal de la base de un océano de magma. Los resultados de estos experimentos pueden usarse entonces para delinear las regiones de P – T – f O ₂ espacio que son compatibles con la abundancia PUM de múltiples elementos siderófilos (por ejemplo, ^9-11).

Las altas presiones y temperaturas correspondientes a un escenario océano de magma se puede recrear en el laboratorio utilizando un pistón de cilindro o de prensa multi-yunque. El aparato de cilindro y pistón proporciona acceso a las condiciones de presión moderada (~ 2 GPa) y alta temperatura (~ 2573 K), pero permite que grandes volúmenes de muestra y una variedad de materiales de cápsula para ser utilizado fácilmente. La tasa de enfriamiento rápido también permite extinción de una gama de composiciones de fusión de silicato a un vaso, lo que simplifica la interpretación de textura de los run-productos.El aparato multi-yunque emplea normalmente volúmenes de muestra más pequeños pero con diseños de montaje adecuados puede alcanzar presiones de hasta ~ 27 GPa y temperaturas de ~ 3000 K. El uso de estos métodos ha permitido que los datos de partición para muchos de los moderadamente y ligeramente siderófilos elementos sean reunidos en una gran gama de P – condiciones T. Las predicciones de la composición PUM basado en estos datos sugieren equilibrio de silicato de metal ocurrió a las condiciones de presión y temperatura promedio en exceso de ~ 29 GPa y 3000 K, respectivamente, aunque los valores exactos dependen del modelo. Con el fin de dar cuenta de la abundancia de elementos sensibles PUM cierta redox (por ejemplo, V, Cr) el ₂ también se cree que evolucionar durante la acreción de ~ 4 a 2 unidades logarítmicas por debajo de la impuesta por co-existente hierro y wüstite f O (FeO ) en condiciones PT equivalentes (el tampón de hierro wüstite) ^12.

Aunque la abundancia de PUM mcualquier elemento siderófilos pueden explicarse por el equilibrio de metal de silicato en la base de un océano de magma profundo, ha resultado difícil evaluar si esta situación también se aplica a los elementos más altamente siderophile (HSE). La afinidad extrema de los HSE para el hierro metálico indicado por baja presión (P ~ 0,1 MPa) y la temperatura (T <1673 K) experimentos sugiere la tierra de silicato debe ser fuertemente empobrecido en estos elementos. Las estimaciones sobre el contenido de HSE para PUM, sin embargo, sólo indican una disminución moderada con respecto a condrita (Figura 1). Una solución comúnmente postulado al exceso HSE evidente es que la Tierra experimentó una tarde-acreción de material condrítico posterior al núcleo de formación de ^13. Este material-acretado tarde habría mezclado con el PUM y elevadas concentraciones de HSE, pero tenía un efecto insignificante sobre los elementos más abundantes. Alternativamente, se ha sugerido que la naturaleza extremadamente siderophile de HSE indicado por P baja </em> – Experimentos T no persisten las altas condiciones PT presentes durante núcleo de formación de ^14,15. Con el fin de probar estas hipótesis, los experimentos deben llevarse a cabo para determinar la solubilidad y metal-silicato de partición de HSE en condiciones apropiadas. La contaminación de la parte de silicato de encontronazos productos templados en muchos estudios previos sin embargo, ha complicado el análisis previo del producto y oscurecido los verdaderos coeficientes de reparto de HSE entre metal y se derrite silicato.

En experimentos de partición, donde los HSE están presentes a niveles de concentración apropiados a la naturaleza, el extremo preferencia de estos elementos para Fe-metálico impide su medición en la masa fundida de silicato. Para sortear este problema, se realizan mediciones de solubilidad en el que la masa fundida de silicato está saturado en el HSE de interés y los valores de se calculan utilizando el formalismo de Borisov etal., ^16. Silicato Templado ejecutar subproductos de experimentos de solubilidad HSE realizadas en condiciones de reducción, sin embargo, a menudo muestran evidencia de contaminación por dispersa HSE ± Fe inclusiones ^17. A pesar de la ubicuidad cerca de estas inclusiones en bajo f O ₂ experimentos que contienen Pt, Ir, Os, Re y Ru, (por ejemplo, ^{18 – 27),} no es notable variabilidad entre los estudios en su presentación de textura; comparar, por ejemplo, hace referencia a ²² y ^26. Aunque se ha demostrado que las inclusiones pueden formar que son una fase estable a las condiciones de ejecución de un experimento ^28, esto no impide la formación de inclusiones como se extingue la muestra. La incertidumbre que rodea el origen de inclusiones hace que el tratamiento de los resultados analíticos difícil, y ha dado lugar a la ambigüedad sobre la verdadera solubilidad de HSE en la reducción de silicato se derrita. Run-productos-de inclusión gratuita son necesarios para evaluarque los estudios han adoptado un enfoque analítico que produce concentraciones de HSE disueltos precisos. Un progreso considerable en la supresión de la formación de metal-inclusiones en condiciones reductoras ahora se ha demostrado en experimentos que utilizan un aparato de pistón-cilindro, en el que el diseño de la muestra fue modificado a partir de estudios anteriores, ya sea mediante la adición de Au o Si a los materiales de partida ^29-31. La adición de Au o elemental Si a los materiales de partida altera la geometría de la muestra o f O ₂ evolución del experimento respectivamente. Estos métodos están destinados a suprimir la formación de la inclusión de metal mediante la alteración de la temporización de HSE in-difusión versus la reducción de la muestra, y se discuten en Bennett et al. ^31. A diferencia de algunos intentos anteriores para limpiar la masa fundida de silicato de inclusiones, tales como equilibración asistida mecánicamente y la centrifugación de pistón-cilindro, el presente protocolo puede implementarse sin appar especializadoATUS y es adecuado para experimentos de alta PT.

Descrito en detalle aquí es un enfoque basado en pistón-cilindro para determinar la solubilidad de Re, Os, Ir, Ru, Pt y Au en masa fundida de silicato a alta temperatura (> 1873 K), 2 GPa y un f O ₂ similar a la de el tampón de hierro wüstite. Aplicación de un diseño experimental similar también puede resultar exitosa en experimentos de HSE en otras presiones, proporcionando las relaciones de fase requeridos, humectantes y relaciones cinéticas persistir las condiciones elegidas. Sin embargo los datos existentes no son suficientes para predecir si nuestro diseño de la muestra tendrá éxito a presiones correspondientes a un océano de magma profundo. También se indica es un enfoque general que se utiliza para determinar el elemento siderophile moderada y ligeramente (MSE y SSE respectivamente) partición utilizando un dispositivo multi-yunque. Ampliación del conjunto de datos inclusión libre para HSE a alta presión es probable que el empleo de métodos múltiples yunque similares. Togéter, estos procedimientos proporcionan un medio para limitar tanto las condiciones de core-segregación y las etapas de acreción terrestre.

Protocol

1) Preparación del material de partida Sintético Basalto Nota: Una composición basáltica se utiliza como el silicato de material de partida en forma de composiciones más despolimerizados, aunque más relevantes para un escenario océano de magma, son difíciles o imposibles de saciar a un vaso en pistón-cilindro y experimentos multi-yunque. Pesar las cantidades deseadas de óxido o carbonato de componente (Ca y Na) polvos, con la excepción de Fe, y añadir a un mortero de ágata (véase…

Representative Results

Los siguientes ejemplos y centrar el debate en los experimentos para determinar HSE solubilidad en silicato funde a baja f O 2. Para ejemplos completos de cómo se pueden usar MSE y datos de partición SSE a partir de experimentos multi-yunque para restringir el P – T – f O 2 condiciones de segregación de metal base, se remite al lector a las referencias. 9 – 11 Figura 7B-D muestra la espalda imágenes de electrones dispersos de encon…

Discussion

Los resultados de los experimentos de inclusión gratuita realizados utilizando los protocolos descritos aquí anteriormente se han comparado con los datos de la literatura en las referencias ²⁹ (Os, Ir, Au), ³⁰ (Re, Au) y ³¹ (Pt). Pt es muy instructivo para demostrar la utilidad de run-productos-de inclusión gratuita. Para los experimentos dirigidos a baja f O _2, Ertel y col. ⁴⁸ asignados inclusiones a un origen estable y, por tanto, limita la re…

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