Simulering av Planetary Interiør differensieringsprosesser i laboratoriet

Summary

Den høye trykk og høy temperatur eksperimenter er beskrevet her ligne planetens indre differensieringsprosesser. Prosessene er visualisert og bedre forstås av høyoppløselig 3D avbildning og kvantitativ kjemisk analyse.

Abstract

En planet indre står under høyt trykk og høye temperaturer, og det har en lagdelt struktur. Det er to viktige prosesser som førte til at lagdelt struktur, (1) filtrering av flytende metall på et fast silikat matriks av planet differensiering, og (2) indre kjerne krystallisering ved etterfølgende avkjøling planet. Vi utfører høyt trykk og høy temperatur eksperimenter for å simulere begge prosesser i laboratoriet. Dannelse av percolative planetkjernen avhenger av effektiviteten av smelte siling, som styres av det dieder (fukting) vinkel. Den perkolasjon simuleringen innbefatter oppvarming av prøven ved høyt trykk til en ønsket temperatur ved hvilken jern-svovel-legeringen er smeltet mens silikat forblir fast stoff, og deretter å bestemme den sanne dieder vinkel for å evaluere stil væskemigrerings i en krystallinsk matriks av 3D-visualisering. 3D volumgjengivelse oppnås ved å skjære den gjen prøven med en fokusert ion stråle (FIB) og taking SEM bilde av hver skive med en FIB / SEM crossbeam instrument. Det andre sett av eksperimenter er utformet for å forstå den indre kjerne krystallisering og elementfordeling mellom væske ytre kjerne og fast indre kjerne ved å bestemme smeltetemperaturen og element oppdeling ved høyt trykk. Smelte forsøk er utført i fler ambolten apparat inntil 27 GPa og utvides til høyere trykk i det diamant ambolten celle med laser-oppvarming. Vi har utviklet teknikker for å gjenopprette små oppvarmede prøver av presisjon FIB fresing og få høyoppløselige bilder av laser-oppvarmet sted som viser smelting tekstur ved høyt trykk. Ved å analysere de kjemiske sammensetningene i coexisting flytende og faste faser, vi nøyaktig bestemme likvidus-kurve, som gir nødvendige data for å forstå den indre kjerne krystalliseringsprosessen.

Introduction

Terrestriske planetene som Jorden, Venus, Mars, og Mercury er differensierte planet organer består av en mantel av silikater og en metallisk kjerne. Den moderne planetdannelse Modellen antyder at de terrestriske planetene ble dannet fra kollisjoner av Moon-til-Mars-sized planet embryoer vokst fra km-størrelse eller større planetesimaler gjennom gravitasjon ^1-2. De planetesimaler ble trolig differensiert allerede når de metalliske jernlegeringer nådd smeltetemperatur på grunn av oppvarming fra kilder som radioaktiv nedbrytning av kortlivede isotoper som ²⁶ Al og ⁶⁰ Fe, påvirkning, og frigjøring av potensiell energi ^tre. Det er viktig å forstå hvordan det flytende metall percolated gjennom en silikamatrise under den tidlige differensierings.

Planet differensiering kunne gå gjennom effektive væske-væske-separasjon eller ved siling av flytende metall i en faststoff-silikat matriks, avhengigav størrelsen og innvendig temperatur av planet organer. Denne filtrering av flytende metall i den faste silikat matriks er sannsynligvis en dominerende prosess i den første differensiering når temperaturen ikke er høy nok til å smelte hele planet kroppen. Effektiviteten av perkolasjon avhenger dieder vinkel, bestemt av de grenseflateenergiene for faststoff faststoff og faststoff-væskegrenseflater. Vi kan simulere denne prosessen i laboratoriet ved å gjennomføre høytrykks-og høytemperatur forsøk med en blanding av jern-legering og silikat. Nylige studier ^4-7 har undersøkt fukte evne av flytende jernlegeringer i en fast silikat matriks med høyt trykk og temperatur. De brukte en vanlig metode for å måle de relative frekvensfordelinger av åpen dieder vinklene mellom bråkjølt flytende metall og silikat frø på de polerte tverrsnitt for bestemmelse av den sanne dieder vinkel. Den konvensjonelle metoden gir relativt stor uncertainties i den målte dihedral vinkel og mulig skjevhet avhengig av prøvetakings statistikk. Her presenterer vi en ny avbildningsteknikk for å visualisere fordelingen av flytende metall i silikat matrise tredimensjonalt (3D) ved kombinasjon av FIB fresing og høy oppløsning felt-utslipp SEM bildebehandling. Den nye avbildningsteknikk gir presis bestemmelse av dieder vinkel og kvantitativ måling av volumfraksjonen og tilkobling av den flytende fase.

Den jordens kjerne ble dannet i løpet av relativt kort tid (<100 millioner år) ^8, formodentlig i flytende tilstand på det tidligere historie. Mars og Mercury har også flytende kjerner basert på solenergi tidevanns deformasjon fra Mars Global Surveyor radio sporingsdata ⁹ og radar prikkmønster knyttet til planetenes rotasjon ^10, hhv. Termiske evolution modeller og høytrykkssmelte eksperimenter på kjernematerialer ytterligere støtte en væske Martian kjerne11-12. Nye Messenger romfartøy data gir ytterligere bevis for en flytende kjerne av Mercury ^13. Selv den lille månen sannsynligvis har en liten flytende kjerne basert på nyere reanalyse av Appollo måne seismograms ^14. Flytende planet kjerner er forenlig med høy Tilveksten energi på et tidlig stadium av planetdannelse. Etterfølgende avkjøling kan føre til dannelse av fast indre kjerne for noen planeter. Seismiske data har vist at jorden består av en flytende ytre kjerne og en fast indre kjerne. Dannelsen av den indre kjerne har viktige implikasjoner for dynamikken i kjernen drevet av termiske og kompositoriske convections og generering av magnetfeltet til planeten.

Størkning av den indre kjerne er styrt av smeltetemperaturen til kjernematerialene og den termiske utviklingen av kjernen. Kjerne dannelse av terrestriske planetene delte lignende Akkresjonen baner, og den kjemiske sammensetning av kjernene er ansett å be dominert av jern med ca 10 vekt-% lette elementer som svovel (S), silisium (Si), oksygen (O), karbon (C) og hydrogen (H) ^15. Det er viktig å ha kjennskap til smelteforbindelser i systemene som er relevante for kjernen, som for eksempel Fe-FeS, Fe-C-, Fe-FeO, Fe-FeH og Fe-FeSiat høyt trykk, for å forstå sammensetningen av planetenes kjerner. I denne studien vil vi demonstrere eksperimenter utført i den multi-ambolten enheten og diamant-ambolten celle, etterligne forholdene på planet kjerner. Forsøkene gir informasjon om krystallisering sekvens og element ble skilt mellom fast og flytende metall, noe som fører til en bedre forståelse for kravene i den indre kjerne krystallisering og fordeling av lette elementer mellom det krystallinske indre kjerne og væske ut kjernen. Å utvide smelte relasjoner til svært høye trykk, har vi utviklet nye teknikker for å analysere de slukket prøvene utvinnes fra laser-oppvarmet diamant-ennvil celle eksperimenter. Med presisjon FIB fresing av laser-oppvarming spot, avgjør vi smelter ved hjelp slukke tekstur kriterier avbildes med høy oppløsning SEM og kvantitativ kjemisk analyse med en silisium drift detektor ved submikrometer romlig oppløsning.

Her vil vi skissere to sett av eksperimenter for å etterligne planetkjernedannelse ved siling av metallisk smelte i silikat matrise under tidlig Tilveksten og indre kjerne krystallisering av påfølgende avkjøling. Simuleringen er rettet mot å forstå de to viktige prosesser i utviklingen av planet kjerne.

Protocol

En. Forbered Starter Materials og Sample Chambers Forbered to typer av utgangsmaterialer, (1) en blanding av naturlig silikat olivin og metallisk jern-pulver med 10 vekt% svovel (metall / silikat-forhold varierende 4-30 vekt-%) for simulering av perkolasjon av flytende jern-legering i fast silikat matriks under den første kjernedannelse av en liten planet legeme, og (2) en homogen blanding av fint jordet rent jern-og jernsulfider for bestemmelse av planet indre kjerne krystallisering. Slip utgangsm…

Representative Results

Vi har utført en serie av forsøk under anvendelse av blandinger av San Carlos olivin og Fe-FeS metallegering med forskjellige metall-silikat-forholdstall, som startmateriale. Den S-innhold av metallet er 10 vekt-% S. Her viser noen representative resultater fra høytrykksforsøk utført ved 6 GPa og 1800 ° C, ved bruk av vel-kalibrerte fler ambolt sammenstillinger 15. Under de eksperimentelle betingelser, er Fe-FeS metallegering helt smeltet og silikat (San Carlos olivin) forblir krystallinsk. Hensikten me…

Discussion

Teknikkene for de multi-ambolt forsøk er godt etablert, genererer stabile trykk og temperatur i en lengre periode av driftstiden, og å produsere forholdsvis store prøvevolum. Det er et kraftig verktøy for å simulere de innvendige prosesser av planeter, spesielt for eksperimenter, slik som smelte perkolasjon, som krever bestemt prøvevolum. Begrensningen er maksimal oppnåelig trykk, opp til 27 GPa med wolframkarbid (WC) ambolter, nådde kjerne presset av Mars og Mercury, men altfor lavt trykk for å nå de kjernene…

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