Metall-silikat Partitione vid högt tryck och temperatur: Experimentella metoder och ett protokoll till Utelämna Mycket Siderophile Element som ingår

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 anhopning tros ha inträffat som en serie av kollisioner mellan planetesimaler med en chondritic bulk sammansättning, slutar i ett jätteslagfasen trodde ansvarig för månen bildning ^1,2. Värmning av proto-jorden av stötar och sönderfallet av kortlivade isotoper var tillräcklig för att orsaka omfattande smältning och bildning av en magma havet eller dammar genom vilka tät Fe-rika metalliska smältor kan sjunka. Vid ankomsten till basen av magma havet, metalliska smältor möter en reologisk gräns, stall, och genomgår slutliga metall-silikat jämvikt innan så småningom fallande genom den fasta manteln till den växande kärnan ^2. Ytterligare kemisk kommunikation mellan metall och silikat faser metallsmältan passerar den fasta delen av manteln tros vara utesluten på grund av den stora och snabba nedstigningen av metall diapirs ^3. Detta primära differentieringen av jorden i en metallisk kärna och silikat Mantle avslöjas idag av både geofysiska och geokemiska iakttagelser ^{4 – 6.} Tolka dessa observationer för att ge rimliga villkor för metall-silikat jämvikt vid basen av en magma hav kräver emellertid en lämplig databas av experimentella resultat.

Den primitiva övre mantel (PUM) är en hypotetisk reservoar innefattande silikat rester av kärnbildning och dess sammansättning speglar därför beteendet hos spårämnen under metall-silikat jämvikt. Spårämnen är fördelade mellan metall och silikat smälter under kärn segregering på grundval av deras geokemiska samhörighet. Storleken av ett element preferens för metallfasen kan beskrivas med den metall-silikatet fördelningskoefficient

(1)

Var och betecknar koncentrationen av elementet i i metall och silikat smälta respektive. Värden för > 1 indikerar siderophile (järn älskande) beteende och de <1 lithophile (rock älskande) beteende. Uppskattningar av PUM sammansättning visar att siderophile element utarmat relativt kondriter ^7, vanligtvis betraktas som representant för jordens bulk sammansättning ^6,8. Denna utarmning beror på upptag av siderophile element av kärnan, och för eldfasta element dess storlek bör direkt återspeglar värdena . Lab experiment försöker därför att fastställa värden på över en raNBE tryck (P), temperatur (T) och syre fugacitet (f O ₂₎ förhållanden som är relevanta för metall segregation från basen av en magma havet. Resultaten av dessa experiment kan sedan användas för att avgränsa områden av P – T – ^ O ₂ utrymme som är kompatibla med PUM överflöd av multipla siderophile element (t.ex. ^9-11).

De höga tryck och temperaturer som är relevanta för en magma hav scenario kan återskapas i laboratoriet med hjälp av antingen en kolv-cylinder eller flera städ press. Kolv-cylinder-anordning ger tillgång till måttligt tryck (~ 2 GPa) och hög temperatur (~ 2573 K) förhållanden, men möjliggör att stora volymer prov och en mängd olika kapselmaterial för att enkelt användas. Den snabba kylningshastigheten medger även släckning av ett intervall av silikat smältkompositioner till ett glas, vilket förenklar textural tolkning av run-produkter.Multi-städ apparat använder typiskt mindre provvolymer men med lämpliga monterings mönster kan uppnå tryck upp till ~ 27 GPa och temperaturer av ~ 3000 K. Användningen av dessa metoder har möjliggjort partitionedata för många av de måttligt och något siderophile element vara samlades över ett stort utbud av P – T förhållanden. Förutsägelser av PUM komposition baserad på dessa data tyder på metall-silikat jämvikt inträffade vid genomsnittliga tryck- och temperaturförhållanden som överstiger ~ 29 GPa och 3000 K respektive, även om exakta värden är modellberoende. För att ta hänsyn till PUM överflöd av vissa redox känsliga element (t.ex. V, Cr) f O ₂ är också tänkt att utvecklas under tillskott från ~ 4 till 2 log enheter under det infördes genom samexisterande järn och wustit (FeO ) vid ekvivalenta PT villkor (järn-wustit buffert) ^12.

Fastän PUM överflöd av mnågra siderophile element kan förklaras av metall-silikat jämvikt vid foten av en djup magma havet, har det visat sig svårt att bedöma om denna situation gäller även för de högst siderophile element (HSES). Den extrema affiniteten hos HSES för järn-metall indikeras med lågt tryck (P ~ 0,1 MPa) och temperatur (T <1673 K) experiment tyder silikatet jorden bör kraftigt utarmat på dessa element. Uppskattningar av HSE innehåll för PUM, tyder dock på endast en måttlig förbrukning i förhållande till kondrit (Figur 1). Ett vanligt belägen lösning på den uppenbara HSE överskottet är att jorden upplevt en sen anhopning av chondritic material efter kärnbildning ^13. Detta sent justeringen material skulle ha blandat med PUM och förhöjda HSE koncentrationer men hade en försumbar effekt på rikligare inslag. Alternativt har det föreslagits att den extremt siderophile natur HSES indikeras av lågt P </em> – T experiment inte kvarstår de höga PT villkoren närvarande vid kärnbildning ^14,15. För att testa dessa hypoteser måste experiment genomföras för att bestämma uppdelningen av HSES löslighet och metall-silikat vid lämpliga betingelser. Förorening av silikat delen av kylda run-produkter i många tidigare studier dock, har komplicerat run-produktanalys och fördunklat de verkliga fördelningskoefficienter för HSES mellan metall och silikat smälter.

I skilje experiment där HSES är närvarande vid koncentrationsnivåer som är lämpliga för naturen, förhindrar den extrema preferensen av dessa element för Fe-metall deras mätning i silikat smältan. För att kringgå detta problem, är mätningar löslighet görs där silikat smältan är mättad i HSE av intresse och värderingar beräknas med hjälp av formalism Borisov etal. ^16. Kylda silikat run-produkter från löslighetsegenskaper experiment HSE utförs vid reducerande betingelser, emellertid ofta visa bevis för förorening genom dispergerad HSE ± Fe inklusioner ^17. Trots den allmänt utbredda av dessa inneslutningar i låg ^ O ₂ experiment innehåller Pt, Ir, Os, Re och Ru, (t.ex., ^{18 till 27),} finns det anmärkningsvärda variationer mellan studier på deras textural presentationen; Jämför till exempel referenser ²² och ^26. Även om det har visats att inneslutningar kan bilda som är en stabil fas vid villkoren i ett experiment ²⁸ kör, detta inte hindrar bildandet av inneslutningar som provet släcktes. Osäkerheten kring ursprunget till inneslutningar gör behandlingen av analysresultat svårt, och har lett till oklarheter över den verkliga löslighet HSES i reducerad silikat smälter. Inneslutningsfria run-produkter är skyldiga att bedömavilka studier har antagit en analytisk metod som ger exakta lösta HSE koncentrationer. Betydande framsteg i att undertrycka bildandet av metallinneslutningar vid reducerande betingelser har nu visats i experiment med en kolv-cylinderapparat, i vilken provet designen ändrades från tidigare studier genom att lägga till antingen Au eller Si till utgångsmaterial ^29-31. Tillsatsen av Au eller elementärt Si till utgångsmaterialen förändrar provet geometri eller ^ O ₂ experimentets förlopp respektive. Dessa metoder är avsedda att undertrycka metall integration bildning genom att ändra tidpunkten för HSE in-diffusion kontra prov reduktion och diskuteras i Bennett et al. ^31. Till skillnad från vissa tidigare försök att rengöra silikat smälta av inneslutningar, såsom mekaniskt assisterad jämvikt och centrifugering kolv-cylinder, kan detta protokoll genomförs utan specialiserad apparATU-enheter och är lämpliga för höga PT experiment.

Beskrivs i detalj här är en kolv-cylinderbaserad metod för att bestämma lösligheten av Re, Os, Ir, Ru, Pt och Au i silikat smälta vid hög temperatur (> 1873 K), 2 GPa och en ^ O ₂ liknande den i järn-wustit buffert. Tillämpning av en liknande experimentell design kan också vara framgångsrika i HSE experiment vid andra tryck, vilket ger de nödvändiga fasrelationerna, vätningsegenskaper och kinetiska relationer kvarstår till de valda villkor. Befintliga data är dock otillräckliga för att förutsäga om vår urvalsdesign kommer att lyckas vid tryck som motsvarar en djup magma havet. Också skiss är en allmän metod som används för att bestämma måttligt och något siderophile element (MSE och SSE respektive) partitionering med en multi-städ enhet. Förlängning av införandet fria dataset för HSES till högtryck är sannolikt att använda liknande multi-städ metoder. Togeter, dessa förfaranden ger ett sätt att begränsa både villkoren för kärn segregation och stadier av mark anhopning.

Protocol

1) Framställning av utgångsmaterial Syntetisk Basalt Obs: Ett basaltiskt kompositionen används som silikatet utgångsmaterial som mer depolymeriserade kompositioner, även om mer relevant för en magma hav scenario, är svåra eller omöjliga att släcka till ett glas i kolv-cylinder och multi-städ experiment. Väg de önskade mängderna av komponent oxid eller karbonat (Ca och Na) pulver, med undantag av Fe, och lägga till en agatmortel (se exemplet i tabell 1). En Fe-fr…

Representative Results

Följande exempel och diskussion fokuserar på experiment för att bestämma HSE löslighet i silikat smälter vid låg f O2. För omfattande exempel på hur MSE och SSE partitione data från flera städ experiment kan användas för att begränsa P – T – f O 2 villkoren för kärnmetall segregation, hänvisas till referenser 9 -. 11 Figur 7B-D visar tillbaka spridda elektron bilder typiska experimentella run-produkter. I experiment so…

Discussion

Resultaten av inneslutningsfria experiment utförda med användning av de protokoll som beskrivs här har tidigare jämförts med litteraturdata i referenserna ²⁹ (Os, Ir, Au), ³⁰ (Re, Au) och ³¹ (Pt). Pt är mest lärorika att påvisa nyttan av inneslutningsfria run-produkter. För experiment som drivs vid låg ^ O _2, Ertel et al., ⁴⁸ tilldelade inneslutningar till en stabil ursprung och därför begränsad datareduktion till den lägsta räknas p…

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