Simulazione del Planetary Interior differenziazione processi in Laboratorio

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.