研究室での惑星インテリア分化過程のシミュレーション
Summary
ここに記載の高圧及び高温の実験は、遊星内部分化プロセスを模倣する。プロセスは、高解像度の3Dイメージングおよび定量化学分析によって可視化し、よりよく理解される。
Abstract
遊星内部は、高圧及び高温の条件下であり、それは層状構造を有している。その層状構造、遊星分化によって固体シリケートマトリクス内の液体金属の（1）パーコレーション、冷却続く惑星（2）内側コアの結晶化をもたらした二つの重要なプロセスがある。我々は、実験室で両方のプロセスをシミュレートするために、高圧及び高温の実験を行う。パーコレーション惑星コアの形成は、二面（湿潤）の角度によって制御され、溶融浸透の効率に依存する。パーコレーションシミュレーションは、ケイ酸が固体のままの鉄 – 硫黄合金が溶融される目標温度に高い圧力で試料を加熱し、次いで3次元可視化により、結晶マトリクス内の液体の移行のスタイルを評価するために、真の二面角を決定することを含む。 3Dボリュームレンダリングは、集束イオンビーム（FIB）を用いて回収し、taの試料をスライスすることによって達成されるFIB / SEMクロスビーム測定器と各スライスの王SEM像。実験の第2のセットは高圧で溶融温度および要素分割を決定することによって液体の外核と固体との間の内側コア、内側コアの結晶化および素子の分布を理解するために設計されている。融解実験は、最大27 GPaでのマルチアンビル装置で行われ、レーザー加熱ダイヤモンドアンビルセル内の高い圧力に拡張されています。我々は、高精度のFIBミリングによって加熱された小さな試料を回収し、高圧で溶融テクスチャーを示すレーザー加熱スポットの高解像度画像を得る技術を開発した。共存する液相及び固相の化学組成を分析することによって、我々は正確に、内側コア結晶化プロセスを理解するために必要なデータを提供する、液相曲線を決定する。
Introduction
このような地球、金星、火星、水星などの惑星は、ケイ酸塩のマントルと金属コアからなる天体を区別している。近代的な惑星形成モデルでは、地球型惑星が重力相互作用を通して1〜2キロサイズ以上の微惑星から成長したムン·トゥ·マーズサイズの惑星胚の衝突から形成されたことを示唆している。金属鉄合金による放射性など26 Alおよび60 Feなどの短寿命の同位体の崩壊、衝撃、および潜在的なエネルギー3のリリースなどのソースからの加熱溶融温度に達した後、微惑星はおそらくすでに分化させた。それは、液体金属が早期に分化中にケイ酸マトリックスを通して濾過方法を理解することが重要です。
遊星分化は依存して、固体のケイ酸塩マトリックスに効率的な液 – 液分離を介して、または液体金属の浸出により進行することができ大きさや天体の内部の温度に。温度が全体遊星体を溶融するのに十分に高くない場合に固体シリケートマトリックス中の液体金属の浸出は、おそらく初期分化における支配的なプロセスである。パーコレーションの効率は、固体 – 固体および固体 – 液体界面の界面エネルギーによって決定される二面角に依存する。我々は、鉄合金及びシリケートの混合物を高圧高温実験を行うことにより、実験室でこのプロセスをシミュレートすることができる。最近の研究は4-7は 、高い圧力および温度で固体シリケートマトリックス中に液状の鉄合金の濡れ性を調べた。彼らは真の二面角の測定のために洗練された横断面上で急冷液体金属とケイ酸塩粒子間の見かけの二面角の相対頻度分布を測定するために、従来の方法を使用していました。従来の方法は、比較的大きいのuncを生じる測定された二面角と、サンプリング統計に応じて可能バイアスertainties。ここでは、FIBミリング、高解像度電界放出SEMイメージングの組み合わせによる三次元（3D）中のケイ酸塩マトリックス中に液体金属の分布を可視化するための新しいイメージング技術を提示する。新しいイメージング技術は二面角と液相の体積分率と接続性の定量的測定の正確な決定を提供しています。
地球の核は、おそらく、その初期の歴史で液体の状態で、比較的短い時間（<100万年）8に形成された。火星と水星も、それぞれの遊星回転10、に結び付けマーズ·グローバル·サーベイヤーのラジオトラッキングデータ9とレーダースペックルパターンから太陽潮の変形に基づく液体のコアを持っている。コア材料への熱進化モデルと高圧融解実験は、さらに、液体火星のコアをサポート11月12日。最近のメッセンジャー探査機データは、マーキュリー13の液体コアのための追加の証拠を提供する。小さ くても月はおそらくAppollo月の地震波形14の最近の再分析に基づいて少量の液体コアを有する。液体遊星コアは惑星形成の初期段階で高い付着エネルギーと一致する。その後の冷却は、いくつかの惑星のための強固な内部コアの形成につながる可能性があります。地震データは、地球が液体外核と固体内部コアで構成されていることを明らかにした。内核の形成は、熱および組成対流と地球の磁場の発生によって駆動コアのダイナミクスに重要な意味を持っています。
内側コアの凝固は、コア材料の融解温度とコアの熱的進化によって制御される。地球型惑星のコア形成は、同様の降着パスを共有し、コアの化学組成をBと考えられているeは、硫黄（S）、ケイ素（Si）、酸素（O）、炭素（C）及び水素（H）15と約10重量％の光素子と鉄が優勢。これは、組成物のを理解するために、例えばFe-FeSの、鉄-C、鉄のFeO、鉄FEH、およびFe-FeSiat高圧炉心として、関連するシステムでの溶融関係の知識を有することが必須である惑星のコア。本研究では、惑星のコアの条件を模倣、マルチアンビル装置内で行われた実験とダイヤモンドアンビルセルのデモンストレーションを行います。実験は、内部コアの結晶と結晶内核と外液体コア間の軽元素の分布の要件のためのより良い理解につながる、固体と液体金属との間の結晶配列と、元素分配に関する情報を提供します。非常に高い圧力に溶融関係を拡張するために、我々は、レーザー加熱ダイヤモンド-αから回収されたクエンチ試料を分析する新しい技術を開発したnvil細胞実験。レーザー加熱スポットの精密FIBミリングにより、我々はサブミクロンの空間分解能でのシリコンドリフト検出器での高分解能SEMおよび定量化学分析で撮像さ消光テクスチャ基準を使用して溶融決定する。
ここでは、その後の冷却による早期降着と内核結晶化の間にケイ酸マトリックス中の溶融金属の浸透によって惑星のコア形成を模倣する2組の実験の概要を説明します。シミュレーションは、惑星のコアの進化の過程で二つの重要なプロセスを理解することを目的とする。
Protocol
Representative Results
Discussion
マルチアンビル実験のための技術は、実行長期間安定した圧力及び温度を発生し、比較的大きな試料体積を生成、確立される。それは、特に、特定のサンプル量を必要とするような溶融パーコレーションなどの実験、、のため、惑星の内部のプロセスをシミュレートするための強力なツールです。制限は27炭化タングステン（WC）アンビルとGPaで、火星と水星のコア圧力に達したが、地球と金…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、米航空宇宙局（NASA）の許可NNX11AC68Gとワシントンのカーネギー研究所によってサポートされていました。私は、データの収集と彼の援助のためチーチャンに感謝します。私はまた、この原稿の参考になったレビューのためアナトシャハーとヴァレリーHillgrenに感謝します。
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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