Metal-silicaat Partitioning bij hoge druk en temperatuur: experimentele methoden en een protocol bij Highly onderdrukken Siderophile Element Inbegrepen

Terrestrial accretie wordt gedacht te hebben plaatsgevonden als een reeks botsingen tussen planetesimalen met een chondritic bulk samenstelling, eindigend in een gigantische impact fase gedacht verantwoordelijk voor de vorming van de maan ^1,2. Verwarming van de proto-aarde door impact en het verval van kortlevende isotopen was voldoende om uitgebreide smelten en de vorming van een magma oceaan of de vijvers waardoor dichte Fe-rijke metallic smelt kon afdalen veroorzaken. Bij het ​​bereiken van de bodem van de oceaan magma, metallic melts geconfronteerd met een reologisch grens, box, ondergaan uiteindelijke metaal- silicaat equilibrium voordat uiteindelijk dalen tot onder het vaste mantel aan de groeiende kern ^2. Verdere chemische communicatie tussen metaal en silicaat fasen metaalsmelt doorkruist het vaste gedeelte van de mantel wordt gedacht te worden uitgesloten vanwege de grote omvang en snelle afdaling van metaal diapirs ^3. Deze primaire differentiatie van de aarde in een metalen kern en silicaat mantle wordt vandaag onthuld door zowel geofysische en geochemische waarnemingen ^4-6. Het interpreteren van deze waarnemingen om plausibele omstandigheden opleveren voor metal-silicaat evenwicht aan de basis van een magma oceaan, vereist echter een adequate database van experimentele resultaten.

De primitieve bovenmantel (PUM) is een hypothetische reservoir bestaande uit de silicaat rest van de kern de vorming en de samenstelling weerspiegelt dan ook het gedrag van sporenelementen tijdens metal-silicaat evenwicht. Spoorelementen zijn verdeeld metaal en silicaat smelt tijdens kern segregatie op grond van hun geochemische affiniteit. De grootte van de elementen voorkeur voor metaalfase kan worden beschreven door de metaal-silicaat verdelingscoëfficiënt

(1)

Waarin en geven de concentratie van element i in metalen en silicaat respectievelijk smelten. Waarden van > 1 geven siderophile (ijzer-liefhebbende) gedrag en die <1 lithophile (rock-liefdevolle) gedrag. Schattingen van de PUM samenstelling tonen aan dat elementen siderophile zijn uitgeput ten opzichte chondrites ^7, meestal beschouwd als vertegenwoordiger van bulk samenstelling van de Aarde ^6,8. Deze uitputting is te wijten aan opslag van siderophile elementen van de kern, en voor vuurvaste elementen zijn omvang moet rechtstreeks weerspiegelen waarden van . Experimenten Lab daarom streven naar waarden te bepalen over een raNSE druk (P), temperatuur (T) en zuurstof fugaciteit (f O ₂₎ aandoeningen die metalen gescheiden van de voet van een magma oceaan relevant zijn. De resultaten van deze experimenten kan dan worden gebruikt om gebieden van P bakenen – T – f O ₂ ruimte die met de PUM overvloed aan verschillende siderophile elementen (bijvoorbeeld ^9-11).

De hoge druk en temperatuur naar een magma oceaan scenario relevant kan worden herschapen in het laboratorium met behulp van een zuiger-cilinder of multi-aambeeld pers. De zuiger-cilinderinrichting toegang tot matige druk (~ 2 GPa) en hoge temperatuur (~ 2573 K) condities, maar maakt grote monstervolumes en diverse capsulematerialen gemakkelijk gebruikt kan worden. De snelle afkoeling tarief maakt ook blussen van een reeks silicaat smelt composities om een ​​glas, waardoor de vereenvoudiging van textuur interpretatie van de run-producten.De multi-aambeeld inrichting kenmerkend gebruik van kleinere monstervolumes maar met geschikte samenstel gemaakte drukken tot ~ 27 GPa en een temperatuur van ~ 3000 K. Het gebruik van deze werkwijzen heeft het mogelijk afscherming data voor veel van de matig en licht siderophile elementen te verwezenlijken verzameld over een groot bereik van P – T omstandigheden. Voorspellingen van de PUM samenstelling op basis van deze gegevens suggereren metal-silicaat evenwicht opgetreden bij gemiddelde druk en temperatuur van meer dan ~ 29 GPa en 3.000 K, respectievelijk, hoewel de exacte waarden zijn afhankelijk van het model. Om rekening te houden met de PUM overvloed van bepaalde redox gevoelige elementen (bijvoorbeeld, V, Cr) de f O ₂ is ook gedacht om te evolueren tijdens de aanwas van ~ 4-2 log eenheden lager dan die opgelegd door co-bestaande ijzer en wustiet (FeO ) bij equivalente PT condities (ijzer-wustiet buffer) ^12.

Hoewel de PUM overvloed aan melke siderophile elementen kan worden verklaard door metaal-silicaat evenwicht op de basis van een diepe magma oceaan, is het moeilijk gebleken om te beoordelen of deze situatie eveneens geldt voor de meest siderophile elementen (HSEs). De extreme affiniteit van de HSEs voor ijzer-metaal wordt aangegeven door lage druk (P ~ 0,1 MPa) en temperatuur (T <1673 K) experimenten suggereert het silicaat aarde moeten sterk worden uitgeput in deze elementen. Schattingen van de HSE inhoud voor PUM wijzen echter slechts een matige afname ten opzichte chondrite (figuur 1). Een vaak geponeerd oplossing voor de schijnbare HSE overtollige is dat de aarde kende een late-aanwas van chondritic materiaal na kern-formatie ^13. Dit laat-opgelopen materiaal zou hebben gemengd met de PUM en verhoogde concentraties HSE maar had een verwaarloosbaar effect op meer overvloedig elementen. Ook is gesuggereerd dat de extreem siderophile aard van HSEs aangegeven door lage P </em> – T experimenten niet aanhouden van de hoge PT voorwaarden aanwezig zijn tijdens kern-formatie ^14,15. Om deze hypothese te testen, moeten proeven worden uitgevoerd om de oplosbaarheid en metaal silicaat verdeling van HSEs bepalen in geschikte omstandigheden. Verontreiniging van de silicaat deel van uitgeblust run-producten in vele eerdere studies heeft echter run-product analyse ingewikkeld en verduisterd de ware verdelingscoëfficiënten voor HSEs tussen metaal en silicaat smelt.

In partitionering experimenten waarbij de HSEs aanwezig in concentratieniveaus geschikt om de natuur te zijn, de extreme voorkeur van deze elementen voor Fe-metal verhindert hun metingen in de silicaat smelt. Om dit probleem te omzeilen, worden oplosbaarheid metingen waarin het silicaat smelt is verzadigd in de HSE van belang en waarden van worden berekend op basis van het formalisme van Borisov etal. ^16. Afgeschrikt silicaat run-producten van HSE oplosbaarheid experimenten uitgevoerd bij reducerende omstandigheden echter vaak bewijs voor verontreiniging weergeven door gedispergeerd HSE ± Fe insluitsels ^17. Ondanks de bijna alomtegenwoordigheid van deze insluitsels in lage f O ₂ experimenten met Pt, Ir, Os, Re en Ru, (bijvoorbeeld ^18-27), is er aanzienlijke variatie tussen studies in de textuur presentatie; Vergelijk bijvoorbeeld referenties ²² en ^26. Hoewel is aangetoond dat insluitsels kan vormen, die een stabiele fase bij de aanloop voorwaarden van een experiment ²⁸ zijn, betekent dit niet dat de vorming van insluitingen als het monster is uitgedoofd. Onzekerheid omtrent de herkomst van insluitsels maakt de behandeling van de analyseresultaten moeilijk, en heeft geleid tot onduidelijkheid over de werkelijke oplosbaarheid van HSEs in verminderde silicaat smelt. -Inclusion free run-producten zijn vereist om te beoordelendie studies hebben een analytische benadering die accurate opgeloste HSE concentraties oplevert aangenomen. Aanzienlijke vooruitgang bij het ​​onderdrukken van de vorming van metaal-insluitsels bij reducerende omstandigheden is nu aangetoond in experimenten met een zuiger-cilinderinrichting, waarbij het ​​monster ontwerp werd aangepast van eerdere studies door toevoeging of Au of Si aan de uitgangsmaterialen ^29-31. De toevoeging van Au of elementair Si de uitgangsmaterialen wijzigt de monstergeometrie of f O ₂ ontwikkeling van het experiment respectievelijk. Deze methoden zijn bedoeld om vorming metal inclusie onderdrukken door het wijzigen van de timing van HSE-diffusie versus monster verminderen, en worden beschreven in Bennett et al. ^31. In tegenstelling tot sommige eerdere pogingen om het silicaat smelt insluitsels, zoals mechanische hulpmiddelen equilibratie en centrifugeren zuiger-cilinder te reinigen, kan de onderhavige protocol zonder speciale appar geïmplementeerdAtus en is geschikt voor hoge PT experimenten.

Beschreven in detail hier is een zuiger-cilinder benadering de oplosbaarheid van Re, Os, Ir, Ru, Pt en Au in silicaat smelt bepalen bij hoge temperatuur (> 1873 K), 2 GPa en een fo ₂ vergelijkbaar met die van ijzer-wustiet buffer. Toepassing van een vergelijkbare experimentele opzet kan ook succesvol blijken in HSE experimenten op andere druk, het verstrekken van de vereiste fase relaties, bevochtigingseigenschappen en kinetische relaties blijven op de gekozen omstandigheden. De bestaande gegevens zijn echter onvoldoende om te voorspellen of onze steekproef ontwerp succesvol bij een druk die overeenkomt met een diepe magma oceaan zal zijn. Ook beschreven is een algemene benadering wordt gebruikt om matig en licht siderophile element (MSE en SSE respectievelijk) partitioneren met behulp van een multi-aambeeld apparaat. Uitbreiding van de opname-vrije dataset voor HSEs aan hoge druk is waarschijnlijk dezelfde multi-aambeeld methoden gebruiken. Together, deze procedures een middel om zowel de voorwaarden van de kern-segregatie en de stadia van de aardse aanwas beperken.