Simulazione del Planetary Interior differenziazione processi in Laboratorio
Summary
Gli esperimenti ad alta pressione e alta temperatura descritte qui imitano processi di differenziazione interni pianeta. I processi sono visualizzati e meglio compresi da alta risoluzione di immagini 3D e analisi chimica quantitativa.
Abstract
Un interno planetario è in condizioni di alta pressione e ad alta temperatura ed ha una struttura a strati. Ci sono due importanti processi che hanno portato a tale struttura stratificata, (1) percolazione di metallo liquido in un solido matrice di silicato dalla differenziazione pianeta, e (2) cristallizzazione nucleo interno dalla successiva pianeta raffreddamento. Noi conduciamo esperimenti ad alta pressione e ad alta temperatura per simulare entrambi i processi in laboratorio. Formazione di percolativo nucleo planetario dipende dall'efficienza di percolazione melt, che è controllata dal diedro (wetting) angolo. La simulazione percolazione comprende riscaldamento del campione ad alta pressione ad una temperatura obiettivo a cui lega di ferro-zolfo è fuso mentre il silicato rimane solido e quindi determinare il vero angolo diedro di valutare lo stile di migrazione liquido in una matrice cristallina da visualizzazione 3D. Il volume rendering 3D si ottiene tagliando il campione recuperato con un raggio di ioni focalizzati (FIB) e tare SEM immagine di ogni fetta con uno strumento trave FIB / SEM. La seconda serie di esperimenti è progettata per comprendere il nucleo di cristallizzazione e elemento distribuzione interna tra il nucleo esterno liquido e solido interno determinando la temperatura di fusione e elemento di partizionamento ad alta pressione. Gli esperimenti sono condotti in fusione dell'apparato multi-incudine fino a 27 GPa ed estese a più alta pressione nella cella diamante-incudine con laser-riscaldamento. Abbiamo sviluppato tecniche per recuperare i piccoli campioni riscaldati con specificità FIB fresatura e ottenere immagini ad alta risoluzione dello spot laser-riscaldata che mostrano fusione struttura ad alta pressione. Analizzando la composizione chimica del liquido coesistenti e fasi solide, abbiamo appunto determinare la curva di liquidus, fornendo i dati necessari per comprendere il processo di cristallizzazione nucleo interno.
Introduction
Pianeti terrestri, come la Terra, Venere, Marte e Mercurio sono corpi planetari differenziati costituiti da un mantello di silicati e di un nucleo metallico. Il moderno modello di formazione dei pianeti suggerisce che i pianeti terrestri sono formate da collisioni di embrioni planetari Luna-to-Mars-sized cresciute da chilometri di dimensioni o più grande planetesimi attraverso le interazioni gravitazionali 1-2. I planetesimi erano probabilmente già differenziati una volta che le leghe di ferro metalliche raggiunto temperatura di fusione a causa del riscaldamento da fonti come il decadimento radioattivo di isotopi a vita breve come 26 Al 60 Fe, impatto, e il rilascio di energia potenziale 3. È importante capire come il metallo liquido percolato attraverso una matrice di silicato durante la prima differenziazione.
Pianeta differenziazione potrebbe procedere attraverso separazione liquido-liquido efficiente o per percolazione di metallo liquido in una matrice di silicato solido, a secondadelle dimensioni e della temperatura all'interno degli organismi planetari. La percolazione di metallo liquido nella matrice di silicato solido è probabile un processo dominante nella differenziazione iniziale quando la temperatura non è sufficientemente elevata per fondere l'intero corpo planetario. L'efficienza di percolazione dipende dall'angolo diedro, determinata dalle energie interfacciali delle interfacce solido-solido e solido-liquido. Possiamo simulare questo processo in laboratorio conducendo esperimenti ad alta pressione e ad alta temperatura su una miscela di lega di ferro e silicati. Recenti studi 4-7 hanno indagato la capacità bagnante di leghe di ferro liquido in una matrice di silicato solido ad alta pressione e temperatura. Hanno usato un metodo convenzionale per misurare la distribuzione di frequenza relativa di angoli diedri apparenti tra il metallo liquido da bonifica grani silicati sulle sezioni lucide per la determinazione del vero angolo diedro. Il metodo convenzionale produce relativamente grande uncertainties dell'angolo diedro misurato e possibili distorsioni seconda delle statistiche di campionamento. Qui presentiamo una nuova tecnica di imaging per visualizzare la distribuzione del metallo liquido nella matrice di silicato in tre dimensioni (3D) mediante combinazione di fresatura FIB ed alta risoluzione emissione di campo dell'imaging SEM. La nuova tecnica di imaging fornisce determinazione precisa dell'angolo diedro e misura quantitativa della frazione volumetrica e la connettività della fase liquida.
Il nucleo della Terra si è formata in un tempo relativamente breve (<100.000 mila anni) 8, presumibilmente in uno stato liquido a sua storia antica. Marte e Mercurio hanno anche nuclei liquidi a base di deformazione di marea solare dai dati di rilevamento della radio Mars Global Surveyor 9 e modelli di radar speckle legati alla rotazione planetaria 10, rispettivamente. Modelli di evoluzione termica ed esperimenti di fusione ad alta pressione sulle materie fondamentali sostenere ulteriormente un nucleo marziano liquido11-12. Dati recenti Messenger veicoli spaziali forniscono ulteriori prove per un nucleo liquido di Mercurio 13. Anche la piccola Luna ha probabilmente un piccolo nucleo liquido a base di recente ri-analisi dei sismogrammi APPOLLO lunari 14. Nuclei planetari liquidi sono coerenti con alta energia di accrescimento nella fase iniziale della formazione dei pianeti. Successivo raffreddamento può portare alla formazione di nucleo interno solido per alcuni pianeti. Dati sismici hanno rivelato che la Terra è costituito da un nucleo esterno liquido e un solido interno. La formazione del nucleo interno ha importanti implicazioni per la dinamica del nucleo guidato da convezione termica e composizione e la generazione del campo magnetico del pianeta.
Solidificazione del nucleo interno è controllata dalla temperatura di fusione dei materiali di base e l'evoluzione termica del nucleo. Formazione del nucleo di pianeti terrestri condiviso percorsi di accrescimento simili e la composizione chimica dei nuclei è considerato abe dominato dal ferro con circa 10% in peso elementi leggeri quali zolfo (S), silicio (Si), ossigeno (O), carbonio (C) e idrogeno (H) 15. E 'essenziale avere conoscenza delle relazioni di fusione nei sistemi pertinenti al nucleo, come Fe-FeS, Fe-C, Fe-FeO, Fe-FEh e alta pressione-Fe FeSiat, al fine di comprendere la composizione i nuclei planetari. In questo studio, dimostreremo esperimenti condotti nel dispositivo multi-incudine e cella di diamante-incudine, simulando le condizioni dei nuclei planetari. Gli esperimenti forniscono informazioni sulla sequenza di cristallizzazione e elemento di partizionamento tra metallo solido e liquido, portando ad una migliore comprensione per le esigenze della cristallizzazione nucleo interno e la distribuzione degli elementi leggeri tra il nucleo interno cristallino e liquido fuori centro. Per estendere i rapporti di fusione a pressioni molto elevate, abbiamo sviluppato nuove tecniche per analizzare i campioni temprati recuperati da laser-riscaldato diamante-aesperimenti sulle cellule nvil. Con precisione FIB fresatura dello spot laser-riscaldamento, determiniamo fusione con criteri trama tempra ripreso con alta risoluzione di SEM e analisi chimica quantitativa con un rivelatore a deriva di silicio al submicron risoluzione spaziale.
Qui delineare due serie di esperimenti per simulare la formazione di base planetaria da percolazione di metallica sciogliersi in matrice di silicato durante l'accrescimento precoce e nucleo interno cristallizzazione successivo raffreddamento. La simulazione è volto a comprendere le due importanti processi durante l'evoluzione del nucleo planetario.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le tecniche per gli esperimenti multi-incudine sono ben stabiliti, generando pressione stabile e temperatura per un periodo di tempo di funzionamento prolungato e producendo relativamente grande volume di campione. Si tratta di un potente strumento per simulare i processi interni di pianeti, in particolare per gli esperimenti, come fusione di percolazione, che richiedono un certo volume di campione. La limitazione è la pressione massima raggiungibile, fino a 27 GPa con carburo di tungsteno (WC) incudini, raggiungendo l…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato dalla NASA concessione NNX11AC68G e Carnegie Institution di Washington. Ringrazio Chi Zhang per la sua assistenza con la raccolta dei dati. Ringrazio anche Anat Shahar e Valerie Hillgren per voti recensioni di questo manoscritto.
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).
