Simulation de la différenciation planétaire Intérieur processus dans le laboratoire
Summary
Les expériences à haute pression et à haute température décrits ici imitent les processus de différenciation intérieur de la planète. Les processus sont visualisées et mieux compris par imagerie à haute résolution en 3D et l'analyse chimique quantitative.
Abstract
A l'intérieur planétaire est dans des conditions de haute pression et à haute température et il a une structure en couches. Il ya deux processus importants qui ont conduit à cette structure en couches, (1) la percolation de métal liquide dans une matrice de silicate solide par la différenciation de la planète, et (2) intérieure cristallisation de base par planète refroidissement subséquent. Nous menons des expériences à haute pression et à haute température pour simuler les processus dans le laboratoire. Formation de noyau planétaire percolation dépend de l'efficacité de la percolation à l'état fondu, qui est commandé par le dièdre (mouillant) angle. La simulation de percolation comprend le chauffage de l'échantillon à une pression élevée à une température cible à laquelle l'alliage fer-soufre est fondu alors que le silicate reste solide, et ensuite la détermination de l'angle réel de dièdre pour évaluer le style de la migration de liquide dans une matrice cristalline de visualisation 3D. Le rendu de volume 3D est obtenue par tranchage de l'échantillon récupéré avec un faisceau focalisé d'ions (FIB) et tal'image roi SEM de chaque tranche avec un instrument traverse FIB / SEM. La deuxième série d'expériences est destinée à comprendre la distribution de la cristallisation et de l'élément noyau intérieur entre le noyau externe liquide et solide noyau interne par la détermination de la température de fusion et l'élément de séparation sous haute pression. Les expériences de fusion sont effectuées dans le dispositif multi-enclume jusqu'à 27 GPa et étendus à une pression plus élevée dans la cellule de type diamant enclume avec laser de chauffage. Nous avons développé des techniques pour récupérer les petits échantillons chauffés par FIB précision de fraisage et obtenir des images à haute résolution de la tache laser-chauffée qui montrent texture fondante à haute pression. En analysant les compositions chimiques du liquide coexistante et des phases solides, on détermine avec précision la courbe de liquidus, donnant des données nécessaires à la compréhension du processus de cristallisation de l'âme interne.
Introduction
Les planètes telluriques comme la Terre, Vénus, Mars et Mercure sont des corps planétaires dissociés, d'un manteau de silicate et un noyau métallique. Le modèle de la formation des planètes moderne suggère que les planètes terrestres ont été formés par des collisions d'embryons planétaires-Lune-Mars à taille issues de kilomètres taille ou plus planétésimaux par des interactions gravitationnelles 1-2. Les planétésimaux ont probablement déjà différenciées fois les alliages métalliques en fer atteint la température de fusion en raison de chauffage à partir de sources telles que la désintégration radioactive des isotopes de courte durée tels que 26 Al et 60 Fe, l'impact, et la libération de l'énergie potentielle 3. Il est important de comprendre la façon dont le métal liquide percolé à travers une matrice de silicate au cours de la différenciation précoce.
différenciation de la planète pourrait passer par efficace séparation liquide-liquide ou par infiltration de métal liquide dans une matrice de silicate solide, en fonction dede la taille et de la température intérieure des corps planétaires. La percolation de métal liquide dans la matrice de silicate solide est probablement un processus dominant dans la différenciation initiale lorsque la température n'est pas assez élevée pour faire fondre la totalité du corps planétaire. L'efficacité de la percolation dépend de l'angle dièdre, déterminées par les énergies interfaciales des interfaces solide-solide et solide-liquide. Nous pouvons simuler ce processus en laboratoire en réalisant des expériences à haute pression et à haute température d'un mélange d'alliage de fer et de silicate. Des études récentes ont étudié 4-7 la capacité de mouillage des alliages de fer liquide dans une matrice de silicate solide à haute pression et de la température. Ils ont utilisé une méthode classique pour mesurer les distributions de fréquences relatives des angles dièdres apparentes entre le métal liquide refroidi et grains de silicate sur les sections polies pour la détermination de la véritable dièdre. La méthode classique donne relativement importante uncertainties dans l'angle dièdre mesurée et biais possibles selon les statistiques de l'échantillonnage. Ici, nous présentons une nouvelle technique d'imagerie pour visualiser la distribution de métal liquide dans la matrice silicate en trois dimensions (3D) par combinaison de FIB fraisage et haute résolution à émission de champ SEM imagerie. La nouvelle technique d'imagerie permet une détermination précise de l'angle dièdre et mesure quantitative de la fraction volumique et la connectivité de la phase liquide.
Le noyau de la Terre a été formée en un temps relativement court (<100 millions d'années) 8, vraisemblablement dans un état liquide à son histoire ancienne. Mars et Mercure ont également noyaux liquides à base de déformation de marée solaire de Mars Global Surveyor données de suivi de la radio et 9 modèles radar de tavelures liés à la rotation planétaire 10, respectivement. Modèles d'évolution thermique et des expériences de fusion à haute pression sur les matériaux de base soutiennent en outre un noyau martien liquide11-12. Des données récentes de l'engin spatial Messenger fournissent une preuve supplémentaire d'un noyau liquide de Mercure 13. Même la petite lune a probablement un petit noyau liquide à base d'une nouvelle analyse récente de Appollo sismogrammes lunaires 14. Noyaux planétaires liquides sont compatibles avec haute énergie d'accrétion au stade précoce de la formation des planètes. Un refroidissement ultérieur peut conduire à la formation de noyau interne solide pour certaines planètes. Les données sismiques ont révélé que la Terre se compose d'un noyau externe liquide et un noyau interne solide. La formation du noyau interne a des implications importantes pour la dynamique du noyau entraînée par convections thermiques et de composition et la génération du champ magnétique de la planète.
La solidification du noyau interne est contrôlée par la température de fusion des matériaux d'âme et de l'évolution thermique de l'âme. Formation de noyau planètes terrestres partagé chemins d'accrétion similaires et la composition chimique des noyaux est considéré à be dominé par le fer avec environ 10% de poids d'éléments d'éclairage tels que le soufre (S), le silicium (Si), l'oxygène (O), le carbone (C) et hydrogène (H) 15. Il est essentiel d'avoir une connaissance des relations de fusion dans les systèmes pertinents à l'âme, comme Fe-FeS, Fe-C, Fe-FeO, Fe-FeH et Fe-FeSiat haute pression, afin de comprendre la composition de les noyaux planétaires. Dans cette étude, nous allons démontrer les expériences menées dans le dispositif multi-enclume et cellule enclume de diamant, mimant les conditions des noyaux planétaires. Les expériences fournissent des informations sur la séquence de la cristallisation et la séparation entre l'élément métallique solide et liquide, ce qui conduit à une meilleure compréhension des exigences de la cristallisation de l'âme interne et la distribution des éléments lumineux entre le noyau interne et le noyau cristallin liquide à l'extérieur. Pour étendre les relations de fusion à des pressions très élevées, nous avons développé de nouvelles techniques pour analyser les échantillons trempés récupérés laser chauffée diamant-unexpériences sur les cellules nvil. Avec une précision FIB fraisage de la tache laser de chauffage, nous déterminons la fusion en utilisant trempe critères de texture de représentation à haute résolution SEM et analyse chimique quantitative avec un détecteur de dérive de silicium à une résolution spatiale inférieure au micron.
Nous présentons ici deux séries d'expériences pour imiter la formation de base planétaire par percolation de métallique fondre dans la matrice silicate pendant accrétion début et la cristallisation de noyau interne par refroidissement ultérieur. La simulation vise à comprendre les deux processus importants au cours de l'évolution de noyau planétaire.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les techniques pour les expériences multi-enclume sont bien établies, de génération de pression et de température pendant une longue période de temps de fonctionnement stable et pour produire le volume relativement important de l'échantillon. Il est un outil puissant pour simuler les processus intérieurs de planètes, en particulier pour les expériences, tels que la fonte percolation, qui nécessitent un certain volume de l'échantillon. La limitation est la pression maximale possible, jusqu'à 27 G…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la NASA subvention NNX11AC68G et la Carnegie Institution de Washington. Je remercie Chi Zhang pour son aide dans la collecte de données. Je remercie également Anat Shahar et Valerie Hillgren les avis utiles de ce manuscrit.
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 |
References
- Wetherill, G. W. Formation of the terrestrial planets. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 18, 77-113 (1980).
- Chambers, J. E. Planetary accretion in the inner Solar System. Earth and Planetary Science Letters. 223, 241-252 (2004).
- Greenwood, R. C., Franchi, I. A., Jambon, A., Buchanan, P. C. Widespread magma oceans on asteroidal bodies in the early Solar System. Nature. 435, 916-918 (2005).
- Mann, U., Frost, D. J., Rubie, D. C. The wetting ability of Si-bearing liquid Fe-alloys in a solid silicate matrix-percolation during core formation under reducing conditions. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 167 (1-2), 1-7 (2008).
- Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., &Langenhorst, F. Percolative core formation in planetesimals. Earth and Planetary Science Letters. 273, 132-137 (2008).
- Walte, N. P., Becker, J. K., Bons, P. D., Rubie, D. C., Frost, D. J. Liquid-distribution and attainment of textural equilibrium in a partially-molten crystalline system with a high-dihedral-angle liquid phase. Earth and Planetary Science Letters. 262, 517-532 (2007).
- Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. Interconnectivity of Fe-O-S liquid in polycrystalline silicate perovskite at lower mantle conditions. Physics of Earth and Planetary Interiors. 161, 170-176 (2007).
- Halliday, A. N., Wood, B. J. How did Earth accrete?. Science. 325, 44-45 (2009).
- Yoder, C. F., Konopliv, A. S., Yuan, D. N., Standish, E. M., Folkner, W. M. Fluid core size of Mars from detection of the solar tide. Science. 300, 299-303 (2003).
- Margot, J. L., Peale, S. J., Jurgens, R. F., Slade, M. A., Holin, I. V. Large longitude libration of Mercury reveals a molten core. Science. 316, 710-714 (2007).
- Fei, Y., Bertka, C. M. The interior of Mars. Science. 308, 1120-1121 (2005).
- Williams, J. -. P., Nimmo, F. Thermal evolution of the Martian core: Implications for an early dynamo. Geology. 32, 97-100 (2004).
- Smith, D. E., Zuber, M. T., et al. Gravity field and internal structure of Mercury from MESSENGER. Science. 336, 214-217 (2012).
- Weber, R. C., Lin, P. -. Y., Garnero, E. J., Williams, Q., Lognonné, P. Seismic detection of the Lunar core. Science. 331, 309-312 (2011).
- Li, J., Fei, Y., Carlson, R. W. Experimental constraints on core composition. Geochemistry of the Mantle and Core. , 521-546 (2007).
- Bertka, C. M., Fei, Y. Mineralogy of the Martian interior up to core-mantle boundary pressures. Journal of Geophysical Research. 102, 5251-5264 (1997).
- Tateno, S., Hirose, K., Ohishi, Y., Tatsumi, Y. The structure of iron in Earth’s inner core. Science. 330, 359-361 (2010).
- Prakapenka, V. B., Kubo, A., et al. Advanced flat top laser heating system for high pressure research at GSECARS: application to the melting behavior of germanium. High Pressure Research. 28, 225-235 (2008).
- Minarik, W. G., Ryerson, F. J., Watson, E. B. Textural entrapment of core-forming melts. Science. 272, 530-533 (1996).
- Terasaki, H., Frost, D. J., Rubie, D. C., Langenhorst, F. The effect of oxygen and sulphur on the dihedral angle between Fe-O-S melt and silicate minerals at high pressure: Implications for Martian core formation. Earth and Planetary Science Letters. 232, 379-392 (2005).
- Fei, Y., Bertka, C. M., Finger, L. W. High-pressure iron-sulfur compound, Fe3S2, and melting relations in the system Fe-FeS at high pressure. Science. 275, 1621-1623 (1997).
- Fei, Y., Li, J., Bertka, C. M., Prewitt, C. T. Structure type and bulk modulus of Fe3S, a new iron-sulfur compound. American Mineralogist. 85, 1830-1833 (2000).
- Li, J., Fei, Y., Mao, H. K., Hirose, K., Shieh, S. Sulfur in the Earth’s inner core. Earth and Planetary Science Letters. 193, 509-514 (2001).
- Chen, B., Li, J., Hauck, S. A. Non-ideal liquidus curve in the Fe-S system and Mercury’s snowing core. Geophysical Research Letter. 35, L07201 (2008).
- Buono, A. S., Walker, D. The Fe-rich liquidus in the Fe-FeS system from 1 bar to 10 GPa. GeochimicaCosmochimicaActa. 75, 2072-2087 (2011).
- Ito, E., Yamazaki, D., et al. Pressure generation and investigation of the post-perovskite transformation in MgGeO3by squeezing the Kawai-cell equipped with sintered diamond anvils. Earth and Planetary Science Letters. 293 (1-2), 84-89 (2010).
- Roberts, J. J., Kinney, J. H., Siebert, J., Ryerson, F. J. Fe-Ni-S melt permeability in olivine: implications for planetary core formation. Geophysical Research Letter. 34, L14306 (2007).
- Wang, Y., Lesher, C., Fiquet, G., Rivers, M., Nishiyama, N., Siebert, J., Roberts, J., Morard, G., Gaudio, S., Clark, A., Watson, H., Menguy, N., Guyot, F. In-situ high P, T X-ray microtomographic imaging during large deformation: a newtechnique for studying mechanical behavior of multi-phase composites. Geosphere. 7, 40-45 (2011).
- Watson, H. C., Roberts, J. J. Connectivity of core forming melts: Experimental constraints from electrical conductivity and X-ray tomography. Physics of Earth and Planetary Interiors. 186, 172-182 (2011).
- Fei, Y., Ricolleau, A., Frank, M., Mibe, K., Shen, G., Prakapenka, V. Toward an internally consistent pressure scale. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 9182-9186 (2007).
