Simulation der Planeteninnendifferenzierungsprozesse im Labor
Summary
Die hier beschriebenen Hochdruck-und Hochtemperatur-Experimenten imitieren Planeten Innendifferenzierungsprozesse. Die Prozesse werden durch hochauflösende 3D-Bildgebung und quantitative chemische Analyse visualisiert und besser verstanden werden.
Abstract
Ein Planeteninnen unter Hochdruck-und Hochtemperaturbedingungen und eine Schichtstruktur hat. Es gibt zwei wichtige Prozesse, die zu dieser Schichtstruktur geführt, (1) Versickerung von flüssigem Metall in einem festen Silikatmatrix von Planeten Differenzierung, und (2) Innenkern Kristallisation durch nachfolgende Planeten Kühlung. Wir führen Hochdruck-und Hochtemperatur-Experimenten, um beide Verfahren im Labor zu simulieren. Bildung perkolativen Planeten Kern hängt von der Effizienz der Schmelze Perkolation, die durch die V-Stellung (Benetzungswinkel) gesteuert wird. Die Perkolation Simulation umfasst Erwärmen der Probe bei hohem Druck auf eine Zieltemperatur, bei der Eisen-Schwefel-Legierung geschmolzen wird, während das Silikat fest bleibt, und dann der Bestimmung der wahren Raumwinkel, den Stil der Flüssigkeitswanderung in einer kristallinen Matrix von 3D-Visualisierung zu bewerten. Das 3D-Volumen-Rendering wird durch Schneiden des wiedergewonnenen Probe mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB) und ta erreichtKönig REM-Aufnahme von jeder Scheibe mit einem FIB / SEM Querbalken Instrument. Die zweite Reihe von Experimenten wurde entwickelt, um den inneren Kern Kristallisation und Elementverteilung zwischen der flüssigen äußeren Kern und festen inneren Kern durch die Bestimmung der Schmelztemperatur und Teilungselement unter hohem Druck zu verstehen. Die Versuchsschmelzen sind in der Mehrambossvorrichtung bis zu 27 GPa durchgeführt wird und der höhere Druck in der Diamant-Amboss-Zelle mit Lasererhitzung verlängert. Wir haben Techniken, um kleine erhitzten Proben durch Präzisionsfräsen FIB erholen und erhalten Bilder mit hoher Auflösung des Laser-Spot, der beheizte Schmelz Textur zeigen bei hohem Druck entwickelt. Durch Analysieren der chemischen Zusammensetzungen der koexistierenden flüssigen und festen Phasen, die wir genau bestimmen die Liquidus-Kurve, die Bereitstellung der erforderlichen Daten an den inneren Kern Kristallisationsverfahren zu verstehen.
Introduction
Terrestrische Planeten wie der Erde, Venus, Mars und Merkur sind differenzierte Planetenkörper, bestehend aus einem Silikatmantel und einem metallischen Kern. Die moderne Planetenentstehung Modell schlägt vor, dass die terrestrischen Planeten wurden von Kollisionen von Mond-to-Mars-großen Planeten-Embryos aus km großen oder größeren Kleinplaneten durch gravitative Wechselwirkung 02.01 gewachsen ist. Die Kleinplaneten wurden wahrscheinlich bereits differenzierten einmal die metallischen Eisenlegierungen erreicht Schmelztemperatur durch Erwärmung aus Quellen wie den radioaktiven Zerfall kurzlebiger Isotope wie 26 Al und 60 Fe, Auswirkungen, und die Freisetzung von potentieller Energie 3. Es ist wichtig zu verstehen, wie das flüssige Metall durch eine Silikatmatrix perkoliert während der frühen Differenzierung.
Planet Differenzierung konnte durch effiziente Flüssig-Flüssig-Trennung oder durch Versickerung von flüssigem Metall in einem festen Silikatmatrix gehen, jeGröße und Innentemperatur der Planetenkörper. Die Versickerung von flüssigem Metall in der festen Silikatmatrix ist wahrscheinlich eine dominante Prozess in der Anfangs Differenzierung, wenn die Temperatur nicht hoch genug ist, um den gesamten Planetenkörper schmelzen. Die Effizienz der Perkolation ist abhängig von der Flächenwinkel, der Grenzflächenenergie der Festkörper-Feststoff und Feststoff-Flüssigkeit-Grenzfläche bestimmt. Wir können dieses Verfahren im Labor zu simulieren, indem leitende Hochdruck-und Hochtemperatur-Experimente an einem Gemisch aus Eisenlegierung und Silikat. Aktuelle Studien 4-7 haben die Benetzungsfähigkeit der flüssigen Eisen-Legierungen in einem festen Silikatmatrix bei hohem Druck und Temperatur untersucht. Sie verwendet ein herkömmliches Verfahren, um die relativen Frequenzverteilungen der scheinbaren Flächenwinkel zwischen dem Flüssigmetall und abgeschreckt Silikatkörner auf den polierten Querschnitte zur Bestimmung der wahren Raumwinkel zu messen. Die herkömmliche Methode ergibt relativ große uncertainties in der gemessenen Flächenwinkel und mögliche Verzerrungen je nach Stichprobenstatistik. Hier präsentieren wir ein neues bildgebendes Verfahren, um die Verteilung von flüssigem Metall in der Silikatmatrix in drei Dimensionen (3D) durch eine Kombination von FIB-Fräs-und hochauflösenden Feldemissions-REM-Aufnahmen zu visualisieren. Die neue Abbildungstechnik eine präzise Bestimmung der Flächenwinkel und quantitatives Maß für die Volumenfraktion und Konnektivität der flüssigen Phase.
Kern der Erde wurde in relativ kurzer Zeit (<100 Millionen Jahre alt) 8 vermutlich in einem flüssigen Zustand bei seiner frühen Geschichte gebildet. Mars und Merkur haben auch flüssige Kerne auf Basis von Solar Gezeiten-Verformung von den Mars Global Surveyor Radio-Tracking-Daten 9 und Radar Speckle-Muster auf die Planetenrotation bzw. 10 gebunden. Thermische Evolution Modelle und Hochdruck-Schmelzexperimente auf Kernmaterialien weiter zu unterstützen einen flüssigen Kern Mars11-12. Neue Raumsonde Messenger Daten liefern weitere Beweise für einen flüssigen Kern des Merkur 13. Selbst der kleine Mond hat wahrscheinlich einen kleinen flüssigen Kern auf die jüngsten Re-Analyse von Appollo Mond Seismogramme 14. Flüssige Planetenkerne sind in der frühen Phase der Planetenentstehung in Einklang mit hohen Zuwachs Energie. Das anschließende Abkühlen kann zur Bildung von festen inneren Kern für einige Planeten führen. Seismische Daten haben ergeben, dass die Erde aus einem flüssigen äußeren Kern und einem festen inneren Kern. Die Bildung des inneren Kerns hat wichtige Auswirkungen auf die Dynamik des Kerns durch Wärme-und Zusammensetzungs Konvektion und die Erzeugung des magnetischen Feldes der Erde angetrieben.
Verfestigung des inneren Kerns wird durch die Schmelztemperatur der Kernmaterialien und der Wärmeentwicklung des Kerns gesteuert wird. Kernbildung von terrestrischen Planeten hatten ähnliche Akkretion Wege und die chemische Zusammensetzung der Kerne wird als be von Eisen mit etwa 10 Gew.% leichte Elemente wie Schwefel (S), Silizium (Si), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) 15 dominiert. Es ist wichtig, Kenntnis der Schmelz Beziehungen in der für den Kern, wie Fe-FeS, Fe-C, Fe-FeO, Fe-feh, und Fe-FeSiat Hochdrucksysteme haben, um die Zusammensetzung zu verstehen die Planetenkerne. In dieser Studie werden wir Experimente im Mehrambossvorrichtung und Diamant-Amboss-Zelle durchgeführt, zeigen, imitiert die Bedingungen der Planetenkerne. Die Experimente liefern Informationen über die Reihenfolge und Kristallisation Element Verteilung zwischen festen und flüssigen Metall, was zu einem besseren Verständnis für die Anforderungen des Innenkerns Kristallisation und der Verteilung der Lichtelemente zwischen dem kristallinen inneren Kern und Flüssigkeit aus Kern. Um die Schmelz Beziehungen sehr hohen Drücken zu verlängern, haben wir neue Techniken, um die abgeschreckten Proben aus laser erhitzte Diamant-a erholt analysieren entwickeltnvil Zellexperimenten. Mit Präzisions-FIB Fräsen der Lasererwärmung vor Ort ermitteln wir Schmelzen mit Löschkriterien Textur mit hochauflösenden SEM und quantitative chemische Analyse mit einem Silizium-Drift-Detektor bei Submikrometerbereich räumlicher Auflösung abgebildet.
Hier beschreiben wir zwei Sätze von Experimenten zur Kernplanetenbildung durch Versickerung von Metallschmelze in Mimik Silikatmatrix während der frühen Akkretion und inneren Kern Kristallisation durch anschließendes Abkühlen. Die Simulation wird das Ziel, die zwei wichtige Prozesse, während der Evolution von Planetenkern zu verstehen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Techniken für die Mehr Amboß Experimente sind gut etabliert, Erzeugen stabiler Druck und Temperatur für einen längeren Zeitraum der Laufzeit und zum Erzeugen relativ großen Probenvolumen. Es ist ein leistungsfähiges Werkzeug, um die inneren Abläufe des Planeten zu simulieren, insbesondere für Experimente, wie Schmelz Perkolation, die bestimmte Probenvolumen erforderlich. Die Begrenzung ist der maximal erreichbare Druck, bis zu 27 GPa mit Wolframcarbid (WC) Ambosse, das Erreichen der Kerndruck von Mars und Me…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der NASA und dem Zuschuss NNX11AC68G Carnegie Institution of Washington unterstützt. Ich danke Chi Zhang für seine Unterstützung bei der Datenerhebung. Ich danke auch Anat Shahar und Valerie Hillgren für hilfreiche Bewertungen dieses Manuskripts.
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 |
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