Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

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

Published: June 13, 2015 doi: 10.3791/52725
Automatic Translation
1,2, 1, 2
1Department of Earth Science, University of Toronto, 2Geophysical Laboratory, Carnegie Institution of Washington

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 Ekvation 1

Ekvation 2 (1)

Var Ekvation 3 och Ekvation 4 betecknar koncentrationen av elementet i i metall och silikat smälta respektive. Värden för Ekvation 5 > 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 Ekvation 5 . Lab experiment försöker därför att fastställa värden på Ekvation 5 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 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 Ekvation 5 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1) Framställning av utgångsmaterial

  1. 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.
    1. 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-fri blandning väger ~ 4 g bör ge tillräcklig utgångsmaterial för en omfattande svit av experiment.
    2. Lägg etanol till agatmortel tills pulvren är nedsänkta sedan slipa under åtminstone 2 h under användning av en agat mortelstöt för att homogenisera både sammansättning och kornstorleken hos blandningen.
      Kan kontrolleras Homogenitet av markstartkompositioner genom att undersöka en pressad pellet av den pulverformiga blandningen med ett svepelektron mic: Obsroscope utrustad för sammansättningsanalys genom energidispersiv röntgenspektroskopi.
    3. När väl homogeniserad, placera murbruk under 250 W värmelampa, på ett avstånd av ~ 20 cm. Efter den pulveriserade blandningen är torr, vilket kan ta 20-60 minuter, överför den till antingen en aluminiumoxid eller mullit (ett aluminiumsilikat) degel.
    4. För att decarbonate blandningen, placera degeln med pulverblandning i en låda ugn vid RT och ramp till 1273 K under loppet av 3-5 timmar. Låt blandningen i ugnen vid 1273 KO / N.
    5. Ta bort dekarboniserat blandningen ur lådan ugnen och låt den svalna till RT. När cool, väga och lägg järn till blandningen antingen som FeO eller Fe 2 O 3 pulver (se tabell 1). Variera förhållandet FeO till Fe 2 O 3 samtidigt som den totala Fe-halten samma tillåter den slutliga ^ O 2 av provet som ska ändras. För att komma åt mer reducerande förhållanden, och i alla experiment för att undersöka Pt, även lägga ~ 0,5-2,0 vikt% Si till blandningen. När Fe (± Si) har lagts till, återhomogenisera blandningen genom att återigen finfördelning med etanol med en agat mortel.
    6. Torka den homogeniserade blandningen under en värmelampa och sedan överföra det till ett skal flaska. Förvaras i en exsickator tills redo att ladda provet kapseln.
  2. Metallic Fas: Re, Os, Ir, Ru Experiment
    1. För experiment som syftar till att undersöka Re, Os, Ir eller Ru, förbereda en 3: 1 räknat på vikten (6: 1 för Ru, att ta hänsyn till skillnaden i atomvikt) blandning av Au och HSE av intresse, med användning av hög renhet metallpulver . En blandning som väger ~ 500 mg bör ge tillräcklig utgångsmaterial för en omfattande svit av experiment.
    2. Överför blandningen i en grafitdegel och täck med ett grafitlock. Placera sedan täckta degeln i en låda ugn vid en temperatur av 1473 K för ~ 5 min. När bort från ugnen, låt degeln locket på plats tills monterings har cooledde till RT.
      VARNING: Uppvärmning av osmium i luften kan leda till bildandet av den giftiga föreningen osmiumtetroxid. Osmium metall är också ett känt hudirriterande, se säkerhetsdatablad för CAS # 7440-04-2.
      Obs: Denna process smälter Au (smältpunkt ~ 1337 K) men inte den medföljande HSE, vilket resulterar i bildandet av en metallisk pärla där HSE av intresse är omgiven av en skorpa av Au.
    3. Ta bort metallpärla från grafitdegeln och använda ett rakblad att dela upp den i mindre bitar som mäter ~ 1 mm i deras längsta dimension. När klippa, placera pärlorna i ett skal flaska och förvara i en torkapparat.
  3. Metallic Fas: Pt Experiment
    Anm: Experiment för att undersöka Pt kan inte utföras med hjälp av Au-belagda pärlor teknik på grund av den fullständig blandbarhet av Pt och Au vid hög temperatur (> 2042 K vid 0,1 MPa 32). Detta utesluter en provgeometri där Pt är fysiskt separerad från silikat smältan under ett experiment med en kantAu.
    1. Blanda metallpulver av Pt och Ir i ett 1: 1 viktförhållande för att göra totalt ~ 500 mg av blandningen. Lägg sedan ~ 20 mg av metalliskt Fe pulver så att Fe består ~ 4 viktprocent av den totala blandningen.
    2. Tejp en ren borrämne (alternativt kan skaftet hos en borr användas istället för ett borrämne) till kanten av en arbetsbänk, så att ~ 3 mm skjuter ut från bordsskivan. Placera en kiseldioxid glasrör, med en innerdiameter av ~ 2-3 mm och ytterdiameter av ~ 4-6 mm, på den utskjutande änden av borrämnet.
    3. Placera PtIrFe blandningen i glasröret och sätta in en annan borrämne ovanför. Båda borrämnen bör ha en diameter som inte är mer än 0,1 mm mindre än den inre diametern av kiseldioxiden glasrör. Kallpressad metallblandningen genom att skjuta borrämnen ihop för hand (fig 2).
      VARNING: Användning av överdrivet våld under kallpressning steg kan orsaka kiseldioxidglas splittras).
    4. Sätt de kallpressade pulver, fortfarande inuti silikan glasrör, i en aluminiumoxiddegel och suspendera i den svala delen av en gas-blandning vertikal rörugn. Öka ugnstemperaturen till 1673 K och använda CO-CO 2 gasblandningar, ställ ugnen f O 2 till ett värde nära järn wustit buffert.
      Obs: Vid omgivningstryck och 1673 K, motsvarar järn wustit buffert till en f O 2 av 1,93 x 10 -10 Pa 33. Förhållandet mellan CO-CO 2 blandningsförhållande, temperatur och f O 2 kan återfinnas i hänvisning 34. För den järn wustit buffert vid 1673 K använda en gasblandning innefattande 22,25 vol-% CO2 och 77,75 vol% CO.
      1. När väl den önskade temperaturen och ^ O 2 nås, sänker aluminiumoxiddegel, så att den befinner sig i ugnen hot spöt och lämna O / N för de pressade pulvren att para.
    5. Ta bort crucligt och pressade pulver från gas-blandnings ugnen och låt dem svalna. Om kiseldioxid glasrör är fortfarande intakt, använda en borrämne för att trycka den glödgade pulvret ut ur röret. Använda avbitare, bryta glödgade pulvret i bitar små nog att passa i provkapseln valts för experimentet.
    6. Överför metallbitar till en mantelflaskan och förvara i en exsickator tills de behövs.
  4. Metallic Fas: Multi-städ Experiment
    1. För experiment för att bestämma uppdelning av måttligt och något siderophile element, blanda syntetiska basalt pulver med Fe-metallpulver i lika proportioner.
      Anm: Viss del av Fe kan tillsättas som en Fe-Si-legering, typiskt så att Si innefattar <8 vikt-% av den metalliska fraktionen. Detta kommer att säkerställa den experimentella f O 2 förblir låg.
    2. Lägg de valda spårämnen som metalloxidpulver till basalt plus metallblandning. Homogenisera utgångsmaterialet genom grinding under etanol med en agatmortel och mortelstöt. Den exakta mängden av spårämnen tillsätts beror på elementet utreds dock nominella koncentrationer av flera tusen ppm till 2 vikt-% är typiska 10,35.
    3. När homogeniserad, torka pulveriserade utgångsmaterialet under en värmelampa, överföra den till en mantelflaskan då butiken i en exsickator tills det behövs.

2. Framställning av monteringskomponenter

  1. Kolvcylinder
    Obs: Kolvcylinderenheten består av en grafit kapsel som stöds i hot spot av en grafitmotståndsvärmare med hjälp av krossbara magnesia bitar. En aluminiumoxid mantlad termoelement är placerat axiellt genom den övre delen av anordningen för att övervaka temperaturen vid toppen av provet. Ugnen omges sedan av BaCOs tre celler, vilka fungerar som både ett tryckmedium och termisk isolator 36. Monterings mått finns iFigur 3A. En lista med exempel på material som används för experiment och deras källor tillhandahålls i tabell 2.
    1. Machine grafit kapslar, grafit ändplugg och magnesiumstöddelar till de obligatoriska dimensioner med ett centrum svarv, med hög renhet grafit och magnesia stavar eller rör respektive som utgångsmaterial (Figur 3A).
      Obs: För experiment för att undersöka Re, Os och Ir, kan HSE-Fe-legeringar ersätta grafit som kapselmaterial 29,30.
    2. Sonikera grafit kapslarna i etanol för ~ 1 min vid RT, torka sedan under en värmelampa på samma sätt enligt anvisningarna för pulverformiga utgångsmaterial. När torr, överföra kapslarna till en mantelflaskan och förvara i en torkapparat eller torkugn tills de behövs.
    3. Placera magnesiumstödstyckena i antingen en aluminiumoxid eller mullit degel och glödgning vid 1573 K i en låda ugn under minst 8 timmar. Efter glödgning, låt bitarna svalna sedan lagrai en torkugn som hölls vid ~ 393 K.
    4. För att göra det bariumkarbonat cellerna, blanda först BaCOs 3 pulver och begagnat exemplar toner i 99: 1 viktproportioner. Krävs Minst 7,4 gram av blandningen under ett experiment. Coat den inre delen av en på lämpligt sätt dimensionerad stålmatris (se figur 3A för dimensionerna hos de BaCOs tre hylsorna) med antingen en grafitbaserat torrt smörjmedel eller PTFE-baserade formsläppmedel (tabell 2).
    5. Kall tryck 3,7 g av blandningen till ~ 250 MPa med användning av stålmatris och en hydraulisk press. Låt blandningen vid tryck under 1 min före dekompression. Detta kommer att producera en hylsa med en höjd på 17 mm. Två hylsor krävs för varje enhet.
      Anmärkning: 2-cellarrangemang som beskrivs ovan och används i vissa tidigare studier 29-31 maj tjäna som ersättning för en enda BaCOs 3 cell tillhandahåller en lämplig storlek munstycke är tillgänglig.
    6. När bort fråndö, drive-off kopierings toner genom upphettning hylsorna från RT till 923 K under loppet av flera timmar i en låda ugn, sedan hålla vid denna temperatur under ~ 30 min. Notera förändringen i färg från svart till orange när kopian toner har tagits bort. Förvara de hybridiserade ärmarna i en torkugn som hölls vid ~ 393 K.
  2. Fler städet
    Obs: Den fler mothållet innefattar en provkapsel som är placerad i den aktiva punkten av en cylindrisk grafitmotståndsvärmare med användning krossbara MgO eller Al 2 O 3 passbitar. Värmaren är omgivet av antingen en sintrad eller gjutbar keramik oktaedern som fungerar som både ett tryckmedium och termisk isolator. Termoelementet kan placeras antingen axiellt eller tvären beroende på monterings design. Det finns många storlekar och utföranden för montering används för multi-städ experiment, beroende på det eftersträvade målet och P -. T förhållanden Figur 4 visar en somtering Design tidigare använts för att utföra metall silikat partitione experiment vid 3,6 och 7,7 GPa 35.
    1. Förbered grafit kapslar och deformationsanordning magnesiumoxid eller zirkoniumoxid ärmar från högrena rör på samma sätt som anges för kolvcylinder experiment. De nödvändiga mått finns i figur 4A.
    2. Gör aluminium kontakten från en längd av hård eldade aluminiumstång. Använd en diamant fil att göra mål stången där den brytas, sedan knäppa staven till önskad längd för hand (se figur 4A för dimensioner). Använd filen för att ta bort eventuella grader som är resultatet av att bryta staven. Rengör kontakten genom sonicating det i etanol vid rumstemperatur.
    3. Förbered oktaedrar med en 18 mm oktaedrisk kantlängd (OEL) med användning av en MgO-baserad gjutbar 2-del keramik (se tabell 2) och lämplig storlek mögel. Formen innefattar en jigg som rymmer 8 stympade kuber, åtskilda av ark med en tjocklek som är lika med den önskade för the förformade packningar 37.
      1. För oktaedrar med en 18 mm OEL, använda kuber med en 11 mm trunkerade kantlängd (TEL) och blad som är 3 mm tjock. Använd antingen aluminium eller PVC för kuben och arkmaterial. Montera formen, smörj alla delar som kommer i kontakt med gjutbara keramiska med silikonfett. Lämna en kub omonterad för att ge en inkörsport för den keramiska blandningen.
      2. Kombinera pulver keramik och flytande aktivator i en 100: 30 viktförhållande och blanda väl. Häll blandningen i formen, se till att det inte finns några fångade luftfickor. Sätt den kvarvarande kuben och låt blandningen stelna under minst 2 timmar. Varje oktaedern kräver ~ 15 g keramisk blandning.
    4. Väl inställd, avlägsna oktaedern från formen, torkar för ~ 1 dag i en torkugn vid 393 K sedan glödgning vid 1,273-1,373 K i en låda ugn för ~ 2 timmar.
    5. Låt oktaedern svalna till RT i luft, därefter borra ett hål 7,3 mm i diameter som anges iFigur 4B för att rymma den isolerande hylsan, grafit värmare och återstående provkomponenter.
    6. Förvaras i en torkugn vid ~ 393 K tills redo att montera experimentet.

3. Montering av komponenter

  1. Montering av kolv-cylinder-experiment
    1. Ladda grafitprovkapseln genom att först sätta in HSE bärande metall- sedan tillsätta syntetiska basalt pulver tills kapseln är fylld. Användning av en gravitationsmässigt stabilt arrangemang minimerar risken för vältning under experimentet och är avsedd att förhindra dispersion av den metalliska fasen genom mekanisk inverkan.
    2. Placera en liten mängd (typiskt <50 mg) av torra MgO-pulver vid basen av håligheten utformade för att hålla provkapseln. Detta slätar den avsmalnande ytan skapas när du borrar hålet och i sin tur minskar skjuvkrafterna under prov komprimering som kan spricka kapseln.
    3. Montera alla tidigare galnae komponenter som visas i figur 3B.
    4. Linda en bit av 30 pm tjock blyfolie runt aggregatet, vikning en liten (~ 1,5 mm) portion av folie över den exponerade änden av den undre BaCOs 3 hylsan. Sätt enheten i en 12,7 mm hål volframkarbid tryckkärl, tillsammans med en bottenpluggen (ovan) och stål ändstycke (nedan), såsom visas i figur 3A.
      Obs: Slutbelastad kolv-cylinderapparaten har två hydraulcylindrar. En bro grenslar den nedre kolven tillåter en volframkarbid kolv för att applicera tryck till botten av provet. Den övre kolven fixerar läget för den övre provytan och tillämpar ett slut-belastning till tryckkärlet som ger ytterligare stöd till volframkarbid kärnan 38. Figur 3C visar en kolvcylinder-apparat vid University of Toronto med bron på plats. En friktions korrigering av -9% tillämpas för att ta hänsyn till skillnaden mellan det nominella provtrycket end som upplevs av provet 39.
    5. Placera bron, tryckkärl och bottenplatta mellan hydraulcylindrar. Nästa göra ett termoelement C-typ med användning av 4-håls hårt eldade aluminiumoxidrör med en yttre diameter av 1,6 mm. Den aluminiumoxidrör bör skäras tillräckligt lång för att ~ 1-2 mm av röret för att skjuta ut från den övre ytan av den övre plattan.
    6. Mata både tråd kompositioner (se tabell 2) genom intilliggande hål i röret, vrid ändarna 180 grader och fäst dem i de motsatta hålen så att trådarna korsar varandra. Sätt i termoelementet genom topplattan och in i aggregatet, så att förbindningen är direkt ovanför provet. Isolera återstoden av termoelementtrådarna med flexibla Teflon rör, vilket ger en 10-20 mm parti exponerat vid slutet.
    7. Placera alla nödvändiga metall distanser på plats mellan den övre plattan och den övre kolven. Vid montering, läge Mylar ark både ovanför tryckkärlet och mellantoppen av aggregatet och den övre kolven. Dessa ark isolerar elektriskt provvärmekretsen från resten av anordningen.
  2. Montering av Multi-städet Experiment
    1. Gör ett termoelement C-typ med användning av 4-håls hårt eldade aluminiumoxidrör genom matning båda trådarna genom intilliggande hål i röret, svarvning ändarna genom 180 ° och säkra dem i de motstående hålen. Isolera återstoden av trådarna med en kort längd (~ 20 mm) av aluminiumoxid rör och därefter teflon isolerande material, vilket ger en 10-20 mm del av exponerad tråd vid slutet.
    2. Sätt i zirconia hylsan och grafit värmare i oktaedern, sedan skära spår som visas i figur 4B. Sätt i termoelementet in i toppen av oktaedern och placera aluminiumoxid täckt armarna in i spåren. Använd zirconia cement (se tabell 2) för att fylla tomrum kring termoelement och låt torka.
    3. För att isolera termo join från grafit kapsel, lägg MgO-pulver från basen av oktaedern tills de exponerade trådarna är täckta. Mindre än 50 mg pulver är vanligtvis tillräckligt för att omge den exponerade tråden. För att säkerställa tät förpackning av MgO-pulver, använd en borr tom att packa ner löst puder.
    4. Ladda en grafit kapsel med den tidigare framställda provmaterialet och placera i oktaedern från den öppna sidan. Sätt aluminiumoxidplugg för att slutföra monteringen av octahedron.
    5. På 4 av WC-kuber (tabell 2) använd polyvinylacetat att limma korta längder av balsa-trä, en på vardera av de tre ytorna intill den stympade hörn av kuben. Varje balsa-trästycke bör mäta ~ 4.4 mm i höjd och bredd av ~ 9,0 mm i längd, för octahedron storlek som visas i Figur 4. På varje sida, placera balsa trä bitar i kvadranten motsatt den stympade kanten.
    6. Montera 4 av kuberna för att bilda en kvadrat i planvy, 2 med och 2 utan wooden bitar bifogas. Orientera stympade kanterna mot mitten av torget.
    7. Placera oktaedern i centrum av kuberna, så att den stöds av de stympade kanter. Sedan Vinkla termo armarna så att de dyker upp från motsatta hörn av torget (Figur 5A)
    8. Placera de återstående WC kuber på plats för att bilda en kub med oktaedern i centrum, att se till att de kuber med träbitar bifogas vila ovanpå kuber som inte har några trä distanser.
    9. Limma fyrkantiga bitar av ~ 0,5 mm tjock G10 arket (se tabell 2) till varje yta av den monterade kuben med användning av ett cyanoakrylat-bindemedel av. För 32 mm WC kuber, använda G10 ark som mäter ~ 55 mm x 55 mm. Två av WC kuberna har stympningar som kontaktar motståndsvärmare och således utgör en del av den elektriska värmekretsen. För ark som kommer i kontakt dessa kuber, skära 2 smala (<1 mm bredd) slitsar som anges i figur 5B och placera en bit av kopparfolie så att jagt ger en kontaktpunkt mellan 1: a och 2: a-stegs städ.
      Obs: Den fler städet apparat utnyttjar en två-stegssystem av mothåll som finns i en hållarring. Den första etappen städ omfattar 6 löstagbara kilar som bildar en central kubisk hålighet. Detta hålrum rymmer 8 volframkarbid kuber med stympade hörn (andra steget städ) som omger den keramiska oktaedern 40. Vertikalt orienterad kraft som anbringas till det första steget städ genom en hydraulisk press därför överförs till oktaedern på ett sätt som resulterar i kvasi-hydrostatisk komprimering av provet. Förhållandet mellan oljetrycket i kolven och provtrycket kan kalibreras för 18 mm OEL gjutna oktaedrisk aggregatet som beskrivs här med användning av de förfaranden som beskrivs av 41.
    10. Klipp 2 ark 0,076 mm tjock Mylar till de mått som visas i figur 6 och belägga dem med en torr PTFE smörjmedel.
      1. Placera en av de färdigskurna ark i denlåsringen (rak kant vid basen) och sätt det nedre uppsättning av 1 st -stage städ, som själva är backas upp med 0,076 mm tjock Mylar och belagda med PTFE smörjmedel (Figur 5B). Den nedre uppsättningen städ kan lämnas kvar på plats mellan körningarna. Placera den monterade kuben i den nedre uppsättningen av 1-stegs städ och anslut termo vapen till balanserade termo trådar som kommer ut ur tryckmodulen.
      2. Placera 2: a pre-cut Mylar ark i låsringen (rak till toppen) och sätt den övre uppsättningen av 1 st -stage städ, som bör vara Mylar backas och smörjas på samma sätt som den undre uppsättningen. Detta arrangemang ger en smord Mylar till Mylar kontakt mellan en st -stage mothåll och stoppringen som minskar förlusten av RAM dragkraft till friktion vid ~ 30% jämfört med en enda Mylar ark arrangemanget 37.
        Obs: Tjocklekar och dimensioner på Mylar-arket kommer att bero på than exakta utformningen av tryckmodulen som används. Beskrivs ovan och i figur 6 är måtten som används vid geofysiska Laboratory, Carnegie Institution of Washington.

4. Köra experimentet

  1. När provet bringas till den erfordrade tryck, värme med en hastighet av 100 K / min tills den önskade uppehållstemperaturen uppnås. Under uppvärmningssteget kan olja i provet kolven behöva justeras för att bibehålla ett konstant oljetryck.
  2. Efter uppehållsperioden, släcka provet genom att klippa strömmen till ugnen. Så snart anordningen har svalnat till RT, långsamt dekomprimera provet.

5. Kör-produktanalys

  1. För kolvcylinder experiment, extrahera den färdiga experimentet från tryckkärlet med användning av en hydraulisk kolv. Med ett par tunga fräsar bort de yttre delarna av aggregatet för att frigöra grafit kapseln (kolv Cylinder) eller ugn som innehåller provet kapseln och stöddelar (multi-städ).
  2. Montera provet i epoxi (typiskt för att bilda en puck 25,4 mm i diameter) (figur 7A). Använda 320-600 grit kiselkarbidpapper, slipa in provet för att exponera kylda silikat smälta och metallfaserna. Polera den exponerade ytan med hjälp av antingen aluminiumoxid eller diamant suspension med minskande kornstorlekar som sträcker sig från ~ 15 till 0,3 pm.
  3. Kol belägga ytan av den polerade provet 42 och analysera huvudkomponentinnehåll av metallen och silikat run-produkter från elektronsondmikroanalys (EPMA). Använd en defokuserad (10 ^ m) stråldiameter för silikatet analys för att undvika migrering av alkali-element bort från elektronstrålen. De analytiska villkor och normer som används för att karakterisera tidigare sampel genererats med ovanstående protokoll kan återfinnas i referenserna 29 - 31,35
    Obs: För experiment till investigate MSE och SSE partitionering kan EPMA också visa lämplig för analys av spårelement, förutsatt att de är närvarande vid tillräckliga koncentrationer.
  4. Efter stora elementanalys, ta bort kolet pälsen med hjälp av 0,3 pm aluminiumoxidkorn. Använd laserablation induktivt kopplad plasma masspektrometri (LA-ICPMS) för att bestämma halten spårämne i run-produkter. För en introduktion till analysprov av LA-ICPMS, vänligen se referens 43.
    Obs: För tidigare HSE löslighetsstudier isotoper av kalcium och nickel har med framgång använts som interna standarder för att minska data, med hjälp av både glas och sulfid referensmaterial respektive 29,30. Alla analyser bör föregås av en enda passage av ablation, följt av spolning ablation cellen under minst 60 sek. Detta säkerställer all kontaminering som kan uppstå från polering försöks run-produkter påverkar inte resultatet yta.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 som innehåller Au, vätningsegenskaperna mellan silikat smälta, Au smälta och fast HSE (Re, Os, Ir, Ru) diktera provgeometri och resulterar i fysisk separation mellan silikat smälta och fasta HSE. För experiment för att undersöka Pt förblir PtIr legeringen i direkt kontakt med silikat smältan. Skärkraft till ugnen vid slutet av experimentet säkerställer snabb kylning av provet och utsläckning av silicate smälta. Kör-produkter innefattar därför antingen 1 eller 2 legeringsfaserna (HSE-rika ± Au-rika) eller silikatglas (förutsatt att basalt sammansättningen i tabell 1 används).

Förorening av silikatglas med låg ^ O 2 HSE experiment löslighetsegenskaper lättast identifieras genom närvaron av heterogenitet i tidsupplösta LA-ICPMS spektra. Denna heterogenitet visar sig som "toppar" och "dalar" i spektrat som följer av ablation av varierande proportioner av integration bärande kontra integration fritt glas 17. Figur 8A visar tidsupplöst spektrum för en Pt löslighet experiment som inte anställer metoder för att förhindra bildningen av metallinneslutningar. Som jämförelse, figurer 8B-F visningstid upplöst spektra typiska för silikat run-produkter syntetiserade med hjälp av de tekniker som beskrivs i ovanstående protokoll. Homogeniteten av spektra bf indicates frånvaron av spridda HSE inneslutningar i silikat delen av experimentella run-produkter. Inspektion av silikatglas genom svepelektronmikroskopi bekräftar frånvaron av synliga metallinneslutningar i silikat run-produkter, vidare uppbär en brist på kontaminering. Spektra visas i figur 8A-E är från run-produkter syntetiserade som en del av flera tidigare studier 29 - Fig. 8F 31 är från en Ru löslighet experiment på 2273 K och 2 GPa använder Au-tillägg teknik som beskrivits ovan. Homogeniteten av denna spektra antyder att detta tillvägagångssätt är också framgångsrika i att undvika bildandet av metallinneslutningar som finns i tidigare experiment Ru löslighet utfördes vid liknande reducerande förhållanden (~ IW + 2,5) 24.

Figur 1
Figur 1. Compaförelse mellan det uppskattade primitiva övre manteln (PUM) sammansättning och som förutsägs av resultaten av experiment löslighet vid lågt tryck och temperatur. Uppgifterna för PUM kompositionen från Fischer-Gödde et al., 7. Fördelningskoefficienter för HSE är på 0,1 MPa, 1573-1673 K och IW-2 från Fe-fria experiment med 27 (Re), 44 (Os), 18 (Ir), 45 (Ru), 16 (Pd), 46 (Au), 21 (Pt och Rh). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2
Figur 2. Anordning som används för att kallpress metallpulver. Den nedre borrämne (eller skaft) initialt tejpas till kanten av en arbetsbänk för att möjliggöra enkel lastning av pulvren i kiseldioxidglas tUbe. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. (A) Detaljerad tvärsnitt av kolvcylinderaggregatet en gång insatt i tryckkärlet. För konsekventa resultat bör avståndet mellan komponenter inom motståndsugn ligga inom 0,025 mm av de nominella värdena 38. BaCOs tre celler bör vara inom ~ 0,13 mm från de nominella inre och yttre diametrar. Mer information om byggandet av en lämplig form kan återfinnas i 47, även om cellen innerdiameter bör ändras från ritningarna i denna referens till 7,9 mm. (B) Förfarande för att konstruera kolvcylindern provaggregat. Antingen ett cyanoakrylatlim eller hushållscement är suitable att säkra grafit ändplugg i Baco 3 hylsan, dock inte mer än ~ 10 mg bör tillämpas. (C) en kolvcylinder tryck vid University of Toronto. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4
Figur 4. (A) Tvärsnitt av fler mothållet är lämplig för användning med WC kuber som har en 11 mm TEL. Den översta delen av figuren dragés för att visa hur de termoelementarmarna lämnar oktaedern, sett både vinkelrätt mot och ner axeln av tråden, såsom anges. (B) Uppifrån av gjuten octahedron med packnings fenor. Spår för termo armarna bör skäras i de områden som är markerade i rött. Lägg märke till att den inre magnesiumhylsan och 4-håls aluminiumoxidröret som visas i figuren bör inte vara på plats när spåren skärs. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5
Figur 5. (A) Placering av WC kuber runt sammansatta oktaedern. (B) Nedre uppsättning 1-stegs städ och deras arrangemang inom stoppringen. (C) Färdig experiment placeras i tryckmodul med 1 av den övre uppsättningen av 1-stegsstäd på plats. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6
klicka gärna här för att se en större version av denna siffra.

Figur 7
Figur 7. (A) Försöks run-produkt monterad i epoxi, därefter slipas och poleras. (B) och (C) återspridda elektronbilder av experimentella run-produkter från experiment med Si-tillägg (B) och Au-tillägg (C) tekniker som beskrivs i texten för experiment för att bestämma Pt och Ru löslighet respektive. Bild (B) återges från 31 med tillstånd från Elsevier. (D) Förstorad bild av området beskrivs i rött på (C) för att visa detaljer i AuRu vulsten och metall-silikat gränssnitt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8
Figur 8. (A) Tid upplöst LA-ICP-MS-spektra från en låg ^ O 2 Pt-löslighet experiment som inte använder åtgärder för att undertrycka bildningen av metallinneslutningar. (BF) Typiskt tidsupplöst LA-ICP-MS-spektra från experiment för Ru, Pt 31, Re 30, Os och Ir 29 som utfördes med användning av det förfarande som beskrivs i texten. Alla uppgifter som visas är från experiment som utförts på 2273 K och 2 GPa. Den vertikala streckade linjen i varje figur separerar regionen av ablation från området för bakgrunds förvärvet.g "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 9
Figur 9. Ändringen i D Met / Sil med T för experiment utförda av Brenan & McDonough 29 (Os, Ir, Au), Bennett & Brenan 30 (Re, Au) och Bennett et al., 31 (Pt) under användning av förfarandena som beskrivits här. All data är från experiment gjorda på 2 GPa. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 10
Figur 10. Lösligheten för Iridium i basaltiskt smälta vid 2273 K och 2 GPa som en funktion av f O <sub> 2 i förhållande till järn wustit (IW) buffert. Uppgifterna kommer från Brenan & McDonough 29. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Innan Avkolning Efter Avkolning
vikt-% Oxider / Karbonater; Fe2 + Start Sammansättning vikt-% Oxider / Karbonater; Fe2 + Start Sammansättning vikt-% oxid; Fe2 + Start Sammansättning vikt-% oxid; Fe3 + Start Sammansättning
SiOa 2 47,92 470,40 SiOa 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

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 per sekund regionen av tidsupplöst LA-ICPMS spektra. Detta tillvägagångssätt minimerar bidrag inneslutningar till de uppmätta silikat smält koncentrationer. Data från Ertel et al 48 vid ~ IW + 1 överensstämmer väl med utvecklingen mellan D Met / Sil och 1 / T definieras av inneslutningsfria experiment utförda på liknande f O2. bekräftar att de valt analytisk behandling är effektiv för att bestämma sanna Pt löslighet 31. Vidare experiment utförda med användning av införandet undertryckande protokoll som beskrivs här kan sondera mer reducerande betingelser, i vilka spektrumfiltreringsmetod blir mindre effektiv 17. I studier som antar enbart förekomsten av härdrelaterade införanden, det är variabel överenskommelse med data införandet fria. Till exempel är god överensstämmelse observerats med resultaten av Mann et al., 49, emellertid experimenten i Cottrell et al., 22 visning systematiskt lägre värden på D Met / Sil än inneslutningsfria experiment 31. Alstringen av inneslutningsfria experiment vid ett brett spektrum av förhållanden är därför avgörande att bedöma tillförlitligheten av tidigare mätningar inklusionskroppar förorenad.

Fastän det protokoll som beskrivs här har visat sig vara framgångsrik över ett intervall av förhållanden, är det inte ett universalmedel för problemet med förorening genom metallinneslutningar. Experiment utfördes med användning avtekniken med Au tillsats påverkas av bildningen av komplexa legeringskompositioner vid mycket låg ^ O 2. För att skapa förutsättningar betydligt flera reduktions än järn-wustit buffert är elementär Si läggas till utgångsmaterial. Kör produkter från de mest minska dessa experiment innehåller 2 samexisterande legeringar som besitter omfattande dämpningsrelaterad exsolution texturer. Oblandbarhet i legeringen synes uppstå på grund av den betydande lösning av Si i metallfasen vid reducerande betingelser. Brist på lämpliga uppgifter aktivitets komposition för legeringskompositionerna bildas vid mycket reducerande betingelser hindrar Fe och HSE aktiviteter i legeringen fasen från bestäms. Detta förhindrar exakt beräkning av prov f O 2 och HSE koncentrationer i silikat smälta vid löslighetsgränsen.

Effekten av Si-tillsats som en metod för att förhindra bildning av Pt inklusioner förefaller minska vid lägretemperaturer. Et al. Bennett 31 noteras att experiment på 1873 K display bevis för förorening av metallinneslutningar, medan de gjort vid högre temperaturer inte. Detta kan bero på en förändring i den kinetiska förhållandet mellan minskning prov och Pt in-diffusion vid lägre temperaturer. Ett ytterligare övervägande för experiment utfördes med användning av Si-tillsatsen teknik är att det är effekt på slutsmältkompositionen. Oxidation av elementärt Si tidigt i försöket sker via följande reaktion med FeO i smältan:

Si (met) + 2FeO (sil) = SiO 2 (SIL) + 2Fe (met) (2)

Tillsats av större mängder av Si, för att få tillgång till mer reducerande betingelser, resulterar därför i en mer SiO 2 berikas och FeO utarmad smältkomposition. För att genomföra experiment som spänner över ett brett ^ O 2 2 för varje mol Si tillsättes till utgångskompositionen. Det bör också noteras att vissa studier har funnit förekomst av metalliska inneslutningar beror också på smältkomposition, i synnerhet om smältan Fe bärande 50.

De löslighetsdata ges genom icke kontaminerade run-produkter möjliggör exakta metall silikat fördelningskoefficienter som skall beräknas. För experiment där HSE av intresse inte är närvarande som en ren fas (dvs HSE metall aktivitet <1), koncentrationer som uppmätts i silikat fasen korrigeras till enhetens verksamhet med hjälp av tillgängliga termodynamiska data. Med undantag av Au, en användbar sammanfattning av de tillgängliga aktivitets sammansättning relationer för HSElegeringar ges i referens 49. Begränsade data för Au-Fe-legeringar kan återfinnas i referenser 46,51. Följande förhållande används sedan för att bestämma värden för D Met / Sil från de korrigerade HSE-koncentrationer i silikat smältan 16

Ekvation 6 (3)

Var Ekvation 7 är HSE koncentrationen av silikatet vid mättnad i HSE-fasen är A en mol till viktomvandlingsfaktor och Ekvation 8 är aktiviteten koefficienten för den valda HSE vid oändlig spädning i flytande Fe-metall. Figur 9 visar förändringen i D Met / Sil med T beräknas utifrån experiment gjorda vid 2 GPa och en f O2 nära järn wustit buffert. En tillämpning av dessa data är attbedöma förmågan hos hög temperatur metall-silikat jämvikt att ta hänsyn till den beräknade primitiva övre manteln överflöd av dessa element. Värden för D Met / Sil för HSE måste minska med värden på ~ 10 2 -10 3 vid ungefär samma temperatur, om metall-silikat jämvikt är ansvarig för PUM kompositionen. Uppgifterna från tidigare studier som visas i figur 9 antyder detta krav inte uppfylls av resultaten av experiment utförda vid reducerande betingelser 29-31.

Löslighet mätningar från förorenat silikat run-produkter är även användbara i att avslöja speciering av HSES upplösta i silikat smälta vid låg f O2. Information om artbildning av dessa metaller över ett stort utbud av redoxförhållanden är användbar inte bara för att styra extrapolering av data utanför experimentellt studerade intervallet, men också för informade utformningen av glasögon med särskilda optiska egenskaper. Förändringar i oxidationstillståndet av upplösta metaller kan åtföljas av förändringar i deras samordning kemi, från vilken variation i egenskaper såsom optisk absorbans kan uppstå. Exempelvis upplösning av platina, används i stor utsträckning som en behållare material för syntetisering glas från smälta, kan leda till olika färgade glasögon beroende på redoxförhållandena i smältan 52,53. Oxidationstillståndet löst HSES kan härledas ur förändringen i löslighet med f O2. Betrakta upplösning av en metall (M) som en oxid arter i smältan:

Ekvation 10 (4)

Där n är oxidationstillståndet hos den upplösta metallen. Jämviktskonstanten (K) vid P och T för ekvation 3 gesmed:

Ekvation 9 (5)

Likställa ln K med Gibbs fria energi för reaktionen, och vid mättning i metallfasen (en M = 1), ekvation 4 blir:

Ekvation 11 (6)

Lutningen av en trend mellan HSE löslighet och f O2 ger därför n / 4, varifrån artbildning kan erhållas. Brenan & McDonough 29 bestäms lösligheten av Ir som en funktion av ^ O 2 från experiment som använde de metoder som beskrivs här. Resultaten av dessa experiment visas i figur 10 och gav en lutning på 0,2, till stor del överensstämmer med en 1+ oxidationstillstånd (förutsagd lutning av 0,25) för Ir i reducerade silikat smältor.

Experimentellt bestämda metall silikat fördelningskoefficienter kan användas för att fastställa villkoren för kärnmantel jämvikt under mark tillskott. Resultat för de mycket siderophile elementen kan också användas för att bedöma om jorden upplevt en sen faner av chondritic material efter kärnbildning. Beskrivs här är förfaranden för att utföra metall silikat partitione och löslighet experiment i fler städ och kolv-cylinderanordningar respektive. Tekniker beskrivs också som undertrycker bildandet av metallinneslutningar i experiment HSE löslighet vid 2 GPa och temperaturer> 1873 K. De beräknade HSE fördelningskoefficienter tyder på att metall silikat jämvikt vid hög T förklarar inte den uppenbara överskott av HSES i primitiva övre mantel . Framtida arbete återstår att bekräfta om HSE partitione beteende indikeras av experiment vid 2 GPa fortsätter till högre P och T. Detta kommer att kräva testningprotokollen integration hämmande beskrivs här i en hög P flera städ experimentell design.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av naturvetenskaplig och teknisk forskning Council of Canada utrustning, Discovery och Discovery Accelerator bidrag tilldelas JMBNRB erkänner stöd från Carnegie Institution of Washington Postdoktor program. Stephen Elardo också tack för hans hjälp före filmning med kolv-cylinder-press vid 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Canup, R. M. Dynamics of Lunar Formation. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 42, 441-475 (2004).
  2. Rubie, D., Nimmo, F., Melosh, H. Formation of Earth’s core. Treatise on geophysics. 9, 51-90 (2007).
  3. 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).
  4. Dziewonski, A. M., Anderson, D. L. Preliminary reference Earth model. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 25 (4), 297-356 (1981).
  5. McDonough, W., Sun, S. The composition of the Earth. Chemical geology. 120 (3-4), 223-253 (1995).
  6. Palme, H., O’Neill, H. Cosmochemical estimates of mantle composition. Treatise on geochemistry. 2, 1-38 (2003).
  7. 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).
  8. Ringwood, A. E. Chemical evolution of the terrestrial planets. Geochimica et Cosmochimica Acta. 30, 41-104 (1966).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Wood, B. J., Walter, M. J., Wade, J. Accretion of the Earth and segregation of its core. Nature. 441 (7095), 825-833 (2006).
  13. 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).
  14. Murthy, V. R. Early differentiation of the Earth and the problem of mantle siderophile elements: a new approach. Science. 253 (5017), 303-306 (1991).
  15. Righter, K., Humayun, M., Danielson, L. Partitioning of palladium at high pressures and temperatures during core formation. Nature Geoscience. 1 (5), 321-323 (2008).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Borisov, A., Palme, H. Experimental determination of Os metal/silicate partitioning. Neues Jahrbuch für Mineralogie - Abhandlungen. 172 (2-3), 347-356 (1998).
  20. Borisov, A., Palme, H. Experimental determination of the solubility of platinum in silicate melts. Geochimica et Cosmochimica Acta. 61 (20), 4349-4357 (1997).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Brenan, J., McDonough, W. Core formation and metal–silicate fractionation of osmium and iridium from gold. Nature Geoscience. 2 (11), 798-801 (2009).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Okamoto, H., Massalski, T. B. The Au-Pt ( Gold-Platinum ) System. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 6 (1), 46-55 (1985).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Agee, C. B., Walker, D. Static compression and olivine flotation in ultrabasic silicate liquid. Journal of Geophysical Research. 93 (7), 3437-3449 (1988).
  37. Walker, D. Lubrication, gasketing, and precision in multianvil experiments. American Mineralogist. 76 (7-8), 1092-1100 (1991).
  38. 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).
  39. McDade, P., Wood, B. J., et al. Pressure corrections for a selection of piston-cylinder cell assemblies. Mineralogical Magazine. 66 (6), 1021-1028 (2002).
  40. Walker, D., Carpenter, M., Hitch, C. Some simplifications to multianvil devices for high pressure experiments. American Mineralogist. 75 (9-10), 1020-1028 (1990).
  41. Bertka, C. M., Fei, Y. Mineralogy of the Martian interior up to core-mantle boundary pressures. Journal of Geophysical Research. 102 (B3), 5251 (1997).
  42. Reed, S. J. B. Electron Microprobe Analysis and Scanning Electron Microscopy in Geology. , Second edition, Cambridge University Press: . Cambridge, UK. (2005).
  43. Sylvester, P. J. Laser Ablation ICP-MS in the Earth Sciences: Current Practices and Outstanding Issues. , Mineralogical Association of Canada. Quebec. (2008).
  44. Borisov, A., Walker, R. Os solubility in silicate melts: New efforts and results). American Mineralogist. 85 (7-8), 912-917 (2000).
  45. Borisov, A., Nachtweyh, K. Ru Solubility in Silicate Melts: Experimental Results in Oxidizing Region. Lunar and Planetary Science Conference. 77058, 1320 (1998).
  46. Borisov, A., Palme, H. Experimental determination of the solubility of Au in silicate melts. Mineralogy and Petrology. 56 (3-4), 297-312 (1996).
  47. Dunn, T. The Piston-Cylinder Apparatus. Short Course Handbook on Experiments at High Pressure and Applications to the Earth’s Mantle. , 39-94 (1993).
  48. 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).
  49. 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).
  50. 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).
  51. 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).
  52. 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).
  53. 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).

Tags

Kemi siderophile element geoengineering primitiv övre mantel (PUM) HSES terrestrial anhopning
Metall-silikat Partitione vid högt tryck och temperatur: Experimentella metoder och ett protokoll till Utelämna Mycket Siderophile Element som ingår
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bennett, N. R., Brenan, J. M., Fei,… More

Bennett, N. R., Brenan, J. M., Fei, Y. Metal-silicate Partitioning at High Pressure and Temperature: Experimental Methods and a Protocol to Suppress Highly Siderophile Element Inclusions. J. Vis. Exp. (100), e52725, doi:10.3791/52725 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter