Simulering af Planetary Interiør differentieringsprocesser i laboratoriet

Summary

Højtryks-og højtemperatur-eksperimenter er beskrevet her efterligne planet interiør differentieringsprocesser. Processerne visualiseres og bedre forstået af høj opløsning 3D billedbehandling og kvantitativ kemisk analyse.

Abstract

Et planetarisk indre står under højt tryk og høje temperaturer, og det har en lagdelt struktur. Der er to vigtige processer, der førte til, at lagdelt struktur, (1) nedsivning af flydende metal i en fast silikat matrix ved planet differentiering og (2) indre kerne krystallisering ved efterfølgende planet køling. Vi gennemfører højt tryk og høj temperatur eksperimenter for at simulere begge processer i laboratoriet. Dannelse af percolative planetariske kerne afhænger af effektiviteten af ​​smelte nedsivning, som styres af dihedral (befugtning) vinkel. Nedsivning simulering omfatter opvarmning af prøven ved højt tryk til et mål temperatur, hvor jern-svovl-legering er smeltet, mens silikat fortsat solid, og derefter bestemme den sande toplansvinklen at evaluere stil flydende migration i en krystallinsk matrix af 3D-visualisering. 3D volumen rendering opnås ved skæring den genvundne prøve med en fokuseret ion beam (FIB) og takonge SEM billede af hver skive med en FIB / SEM tværbjælken instrument. Det andet sæt af eksperimenter er designet til at forstå den indre kerne krystallisation og element fordeling mellem væsken ydre kerne og fast indre kerne ved at bestemme smeltetemperaturen og element opdeling ved højt tryk. De smeltende eksperimenter er udført i multi-ambolt apparat op til 27 GPa og udvides til højere tryk i diamant-ambolten celle med laser-opvarmning. Vi har udviklet teknikker til at inddrive små opvarmede prøver ved præcision FIB fræsning og få billeder af laser-opvarmede spot, der viser smeltende tekstur ved højt tryk med høj opløsning. Ved at analysere de kemiske sammensætninger af sameksisterende flydende og faste faser, vi præcist at afgøre, liquidus-kurve, der giver de nødvendige data for at forstå den indre kerne krystalliseringsproces.

Introduction

Terrestriske planeter såsom Jorden, Venus, Mars og Merkur er differentierede planetariske organer bestående af et silikat kappe og en metallisk kerne. Den moderne planet dannelse model tyder på, at de terrestriske planeter blev dannet fra kollisioner af Moon-til-Mars-størrelse planetariske embryoner dyrket fra km-størrelse eller større planetesimaler gennem tyngde-vekselvirkninger ^1-2. De planetesimalerne blev sandsynligvis differentieret allerede når de metalliske jernlegeringer nåede smeltetemperatur på grund af opvarmning fra kilder såsom radioaktivt henfald af kortlivede isotoper, såsom ²⁶ Al og ⁶⁰ Fe, virkning, og frigivelse af potentiel energi ^3. Det er vigtigt at forstå, hvordan det flydende metal perkoleret gennem en silikatmatrix i begyndelsen differentiering.

Planet differentiering kunne foregå via en effektiv væske-væske-separation eller ved filtrering af flydende metal i en fast silikatmatrix afhængigtstørrelse og indvendig temperatur planetariske organer. Nedsivning af flydende metal i fast silikatmatrix er sandsynligvis en dominerende proces i den indledende differentiering, når temperaturen ikke er høj nok til at smelte hele planetariske krop. Effektiviteten af ​​nedsivning afhænger toplansvinklen, bestemt ved grænseflademidler energier fast stof og væske-faststof-grænseflader. Vi kan simulere denne proces i laboratoriet ved at gennemføre højtryks-og højtemperatur-forsøg på en blanding af jern-legering og silikat. Nylige undersøgelser ^4-7 har undersøgt befugtningsevne af flydende jern legeringer i en fast silikatmatrix ved højt tryk og temperatur. De brugte en konventionel metode til at måle den relative hyppighed fordelinger af tilsyneladende toplansvinkler mellem slukket flydende metal og silikat kerner på de polerede tværsnit til bestemmelse af den sande toplansvinkel. Den konventionelle metode giver relativt stor UNCertainties i den målte toplansvinklen og mulig skævhed afhængigt af prøveudtagningsstatistikkerne. Her præsenterer vi en ny imaging teknik til at visualisere fordelingen af ​​flydende metal i silikatmatrix i tre dimensioner (3D) ved en kombination af FIB fræsning og høj opløsning field-emission SEM billeddannelse. Den nye imaging teknik giver nøjagtig bestemmelse af den to-plans vinkel og kvantitativ måling af volumenfraktion og tilslutning af den flydende fase.

Jordens kerne blev dannet i relativt kort tid (<100 millioner år) mange ^8, formentlig i en flydende tilstand ved sin tidlige historie. Mars og Merkur har også flydende kerner baseret på sol tidevands deformation fra Mars Global Surveyor radio sporingsdata ⁹ og radar speckle mønstre bundet til den planetariske rotation ^10, hhv. Termiske evolution modeller og højtryks-smeltende eksperimenter på kernematerialer endvidere støtte en flydende Mars kerne11-12. Seneste Messenger rumfartøjer data giver yderligere beviser for en flydende kerne af Mercury ^13. Selv den lille Månen sandsynligvis har en lille flydende kerne baseret på den seneste reanalyse af Appollo månens seismogrammer ^14. Flydende planetsystemer kerner er i overensstemmelse med høj tilvækst energi på det tidlige stadium af planet dannelse. Efterfølgende afkøling kan føre til dannelse af fast indre kerne for nogle planeter. Seismiske data har vist, at jorden består af en flydende ydre kerne og en fast indre kerne. Dannelsen af ​​den indre kerne har stor betydning for dynamikken i drevet af termiske og kompositoriske Konvektionsriste og generering af det magnetiske felt af planeten kerne.

Størkning af den indre kerne styres af smeltetemperaturen af ​​kernematerialer og den termiske udvikling af kernen. Core dannelse af terrestriske planeter delte lignende tilvækst stier og den kemiske sammensætning af kernerne anses for at be domineret af jern med omkring 10 vægt% lys elementer som svovl (S), silicium (Si), ilt (O), kulstof (C) og brint (H) ^15. Det er vigtigt at have kendskab til de smeltende relationer i de systemer, der er relevante for kernen, såsom Fe-Fes, Fe-C, Fe-FeO, FE-Femern og Fe-FeSiat højt tryk, for at forstå sammensætningen af planeternes kerner. I denne undersøgelse vil vi demonstrere eksperimenter udført i multi-ambolt enhed og diamant-ambolt celle, efterligne betingelserne i planetariske kerner. Forsøgene giver oplysninger om krystallisering sekvens og element fordeling mellem fast og flydende metal, der fører til en bedre forståelse for kravene i den indre kerne krystallisering og fordelingen af ​​lette elementer mellem den krystallinske indre kerne og væske ud kerne. At udvide smeltende relationer til meget høje tryk, har vi udviklet nye teknikker til at analysere den bratkølede prøver inddrives fra laser-opvarmede diamant-anvil celle eksperimenter. Med præcision FIB fræsning af laser-opvarmning stedet, fastlægge vi smelter hjælp quenching tekstur kriterier filmede med høj opløsning SEM og kvantitativ kemisk analyse med en silicium afdrift detektor ved submicron rumlig opløsning.

Her har vi skitsere to sæt eksperimenter for at efterligne planetariske kerne dannelse ved nedsivning af metallisk smelte i silikatmatricen under tidlig tilvækst og indre kerne krystallisation ved efterfølgende afkøling. Simuleringen har til formål at forstå de to vigtige processer i udviklingen af ​​planetariske kerne.

Protocol

1.. Forbered udgangsmaterialer og prøvekamre Forbered to typer af udgangsmaterialer, (1) en blanding af naturlige silikat olivin og metallisk jernpulver med 10 vægt-% svovl (metal / silikat forhold fra 4 til 30 vægt%) til simulering af nedsivning af flydende jern-legering i en fast silikatmatrix under den indledende kerne dannelse af en lille planetarisk krop, og (2) en homogen blanding af fint jordet rent jern og jern sulfid til bestemmelse af planetariske indre kerne krystallisering. Grind udga…

Representative Results

Vi har gennemført en række forsøg med blandinger af San Carlos olivin og Fe-FeS metallegering med forskellige metal-silikat nøgletal, som udgangsmaterialer. Indholdet af metallet S er 10 vægt% S. Her viser vi nogle repræsentative resultater fra højtryks-eksperimenter udført ved 6 GPa og 1.800 ° C ved anvendelse af vel-kalibrerede multi-ambolt samlinger 15. Under de eksperimentelle betingelser Fe-FeS metallegering, er helt smeltet og silikat (San Carlos olivin) forbliver krystallinsk. Formålet med fo…

Discussion

Teknikkerne til multi-ambolt eksperimenter er veletablerede, genererer stabilt tryk og temperatur i en længere periode af køretid og producerer relativt stort prøvevolumen. Det er et kraftfuldt værktøj til at simulere de indvendige processer af planeter, især for eksperimenter, såsom smelte nedsivning, der kræver sikker prøvevolumen. Begrænsningen er den maksimalt opnåelige tryk, op til 27 GPa med hårdmetal (WC) ambolte, nåede de centrale presset fra Mars og Merkur, men alt for lavt tryk for at nå de kerne…

Materials

Multi-anvil apparatus	Geophysical Lab	Home Builder
Diamond-anvil cell	Geophysical Lab	Home Builder
Laser-heating system	APS GSECARS	Designed by beamline staff	Public beamline
FIB/SEM Crossbeam	Carl Zeiss Ltd.	Auriga
Avizo 3D software	VSG	Fire for materials science