סימולציה של פלנטריים הפנים בידול תהליכים במעבדה

Summary

הניסויים בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה שתוארו כאן לחקות תהליכי התמיינות פנים כדור הארץ. התהליכים הם דמיינו ולהבין טובים יותר על ידי ההדמיה 3D ברזולוציה גבוהה ואנליזה כימית כמותית.

Abstract

פנים כוכבי הלכת הוא בתנאי לחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה ויש לו מבנה שכבתי. ישנם שני תהליכים חשובים שהובילו שלמבנה מרובד, (1) הפעפוע של מתכת נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה על ידי בידול כדור הארץ, ו (2) התגבשות גרעין פנימית של כדור הארץ שלאחר מכן קירור. אנו עורכים ניסויים בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה כדי לדמות שני התהליכים במעבדה. כינונה של ליבת כוכבי הלכת percolative תלוי ביעילות של הפעפוע להמיס, הנשלט על ידי זווית dihedral (הרטבה). הסימולציה החלחול כוללת חימום המדגם בלחץ גבוה לטמפרטורת יעד שבו סגסוגת ברזל גופרית היא מותכת ואילו סיליקט נותר מוצק, ולאחר מכן לקבוע את זווית dihedral הנכון כדי להעריך את הסגנון של הגירת נוזל במטריצת גבישים על ידי 3D להדמיה. 3D טיוח הנפח מושגת על ידי חיתוך המדגם התאושש עם אלומת יונים ממוקדת (FIB) ות"אתמונת המלך SEM של כל פרוסה עם מכשיר קורה FIB / SEM. הסט השני של ניסויים נועד להבין את חלוקת התגבשות ואלמנט הפנימית ליבה בין הליבה החיצונית נוזלית והליבה פנימית מוצקה על ידי קביעת טמפרטורת ההתכה ומחיצות אלמנט בלחץ גבוה. ניסויי ההיתוך מתבצעים במנגנון רב הסדן עד 27 GPA והוארכו ללחץ גבוה יותר בתא יהלומי סדן עם לייזר לחימום. פיתחנו טכניקות להתאושש דגימות מחוממות קטנות על ידי כרסום FIB הדיוק ולהשיג תמונות ברזולוציה גבוהה של לייזר במקום מחומם המציגים מרקם התכה בלחץ גבוה. על ידי ניתוח ההרכב הכימי של נוזל coexisting ושלבים מוצקים, אנחנו בדיוק לקבוע את עקומת liquidus, מתן הנתונים הדרושים כדי להבין את תהליך התגבשות הגרעין הפנימי.

Introduction

כוכבי הלכת ארציים כגון כדור הארץ, נוגה, מאדים, מרקורי הם גופים פלנטריים הבדיל הכוללים מעטפת סיליקט וליבה מתכתית. מודל ההיווצרות הכוכבי לכת המודרני מצביע על כך שכוכבי הלכת הארציים נוצרו מהתנגשויות של עוברים פלנטרית ירח למאדים בגודל גדלו מ planetesimals קילומטר בגודל או גדול דרך אינטראקציות כבידה ^1-2. Planetesimals סביר היו מובחן כבר פעם אחת סגסוגות הברזל מתכתיות הגיעו טמפרטורת התכה עקב חימום ממקורות כגון התפרקות רדיואקטיבית של איזוטופים קצרים חיים כגון ²⁶ אל ^ו60 פה, השפעה, ושחרורו של אנרגיה פוטנציאלית ^3. זה חשוב להבין כיצד המתכת נוזלית חלחלה דרך מטריצת סיליקט במהלך ההתמיינות המוקדמת.

בידול Planet יכול להמשיך דרך הפרדת נוזל נוזל יעילה או על ידי הפעפוע של מתכת נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה, בהתאםבגודל ובטמפרטורה פנימית של הגופים פלנטריים. הפעפוע של מתכת נוזלית במטריצת סיליקט המוצק עשוי תהליך דומיננטי בהתמיינות הראשונית כאשר הטמפרטורה אינה גבוהה מספיק כדי להמס את הגוף הפלנטרית כולה. היעילות של הפעפוע תלוי בזווית dihedral, נקבעה על ידי אנרגיות interfacial של הממשקים מוצקים מוצקים ומוצק לנוזל. אנחנו יכולים לדמות את התהליך הזה במעבדה על ידי ביצוע ניסויים בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה על תערובת של סגסוגת הברזל וסיליקט. מחקרים שנעשה לאחרונה ^4-7 חקרו את יכולת ההרטבה של סגסוגות ברזל נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה בלחץ וטמפרטורה גבוהים. הם השתמשו בשיטה קונבנציונלית למדידת הפצות שכיחות היחסית של זוויות dihedral לכאורה בין המתכת נוזלי הרווה והדגנים סיליקט בחתכים המלוטשים לקביעת זווית dihedral האמיתית. השיטה המקובלת מניבה UNC הגדול יחסיתertainties בזווית dihedral נמדדה והטיות אפשריות בהתאם לנתונים סטטיסטי הדגימה. כאן אנו מציגים טכניקת דימות חדשה כדי להמחיש את ההפצה של מתכת נוזלית במטריצת סיליקט בשלושה ממדים (3D) על ידי שילוב של טחינת FIB והדמיה SEM פליטת שדה ברזולוציה גבוהה. טכניקת דימות החדשה מספקת קביעה מדויקת של זווית dihedral ומדד כמותי של עוצמת השבר והקישוריות של השלב הנוזלי.

הליבה של כדור הארץ נוצרה בזמן קצר יחסית (<100 מ'שנים) ^8, ככל הנראה במצב נוזלי בהיסטוריה המוקדמת שלה. מאדים ומרקורי יש גם ליבות נוזלי המבוססות על עיוות גאות שמש מנתוני מארס גלובל מודד מעקב רדיו ⁹ ודפוסי רבב רדאר קשורים לסיבוב כוכבי הלכת ^10, בהתאמה. מודלים אבולוציה תרמית וניסויים התכה בלחץ גבוה על חומרי ליבה תומכים ליבה של מאדים נוזלי נוספים11-12. נתוני חללית Messenger אחרונים מספקים ראיות נוספות לליבה נוזלית של ¹³ מרקורי. סביר להניח שיש לו אפילו את הירח הקטן ליבה נוזלית קטנה המבוססת על ניתוח מחודש האחרון של seismograms הירחי Appollo ^14. ליבות פלנטריות נוזליים עולות בקנה אחד עם אנרגיה גבוהה הצטברות בשלב המוקדם של היווצרות כוכבית לכת. הקירור הבא עשוי להוביל להיווצרות של ליבה פנימית מוצקה לכמה כוכבי לכת. נתונים סייסמיים גילו כי כדור הארץ מורכבת מליבה חיצונית נוזלית וליבה פנימית מוצקה. יש היווצרות של הגרעין הפנימי יש השלכות חשובות על הדינמיקה של הליבה מונעת על ידי convections תרמית וההלחנה והדור של השדה המגנטי של כדור הארץ.

ההתמצקות של הליבה הפנימית נשלטת על ידי את טמפרטורת ההתכה של חומרי ליבה ואת האבולוציה התרמית של הליבה. היווצרות ליבה של כוכבי הלכת ארציים משותפת נתיבי הצטברות דומים, וההרכב הכימי של הליבות נחשב לbדואר נשלט על ידי ברזל עם כ -10 אלמנטי% קלים משקל כגון גופרית (S), סיליקון (Si), חמצן (O), פחמן (C), ומימן (H) ^15. זה חיוני להיות בעל ידע של יחסי ההיתוך במערכות רלוונטיות לליבה, כמו Fe-Fes, Fe-C, Fe-פיאו, Fe-סא, ולחץ גבוה Fe-FeSiat, על מנת להבין את ההרכב של הליבות פלנטרית. במחקר זה, נדגים ניסויים שנערכו במכשיר רב סדן ותא יהלומי סדן, מחקה את התנאים של הליבות פלנטרית. הניסויים מספקים מידע על רצף ההתגבשות ומחיצות אלמנט בין מוצק לנוזל מתכת, מה שמוביל להבנה טובה יותר לדרישות של התגבשות הגרעין הפנימית וההפצה של אלמנטי אור בין הגרעין הפנימי גבישים והליבה נוזלית החוצה. כדי להאריך את יחסי היתוך ללחצים גבוהים מאוד, פיתחנו טכניקות חדשות לנתח דגימות הרווה התאוששו מיהלומי לייזר מחומםניסויי תא nvil. עם טחינת FIB הדיוק של לייזר במקום חימום, אנו קובעים נמסו תוך שימוש בקריטריוני מרקם מרווה צילמו עם רזולוציה גבוהה SEM ואנליזה כימי כמותית עם גלאי להיסחף סיליקון ברזולוציה מרחבית submicron.

כאן אנו מתארים שני סטים של ניסויים לחקות היווצרות ליבת כוכבי הלכת על ידי הפעפוע של מתכת נמסו במטריצת סיליקט בהצטברות מוקדמת והתגבשות גרעין פנימית על ידי קירור לאחר מכן. הסימולציה נועדה כדי להבין את שני תהליכים חשובים באבולוציה של ליבת כוכבי הלכת.

Protocol

1. הכן את חומרי המוצא ולשכות לדוגמא להכין שני סוגים של חומרי מוצא, (1) תערובת של אוליבין סיליקט הטבעי ואבקת ברזל מתכתית עם 10 WT% גופרית (מתכת / יחסי סיליקט החל 4-30% WT) להדמיית הפעפוע של סגסוגת ברזל נוזלית במטריצת סיליקט מוצקה…

Representative Results

יש לנו ערכתי סדרה של ניסויים באמצעות תערובות של אוליבין סן קרלוס וסגסוגת מתכת Fe-פס עם יחס המתכת סיליקט שונה, כמו חומרי המוצא. תוכן S של המתכת הוא 10% במשקל ס כאן אנו מראים כמה תוצאות נציג מניסויים בלחץ גבוה שבוצעו ב-GPA 6 ו1,800 ° C, תוך שימוש במכלולים רב סדן מכויל היטב 15. …

Discussion

הטכניקות לניסויים רב הסדן מבוססים היטב, שהניבו לחץ וטמפרטורה לתקופה ממושכת של זמן ריצה יציבים והפקה גדולה יחסית נפח דגימה. זהו כלים רבי עוצמה כדי לדמות את התהליכים הפנימיים של כוכבי הלכת, במיוחד עבור ניסויים, כגון חלחול להמיס, שדורשים מסוים נפח דגימה. ההגבלה היא הלחץ …

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