행성 내부의 분화의 시뮬레이션 실험실에서 처리
Summary
여기에 설명 된 고압 및 고온 실험 행성 내부 분화 과정을 모방. 공정은 고해상도 3D 이미징 및 정량적 화학 분석에 의해 시각 나은 이해된다.
Abstract
유성 내부는 고압 및 고온 조건이며 적층 구조를 갖는다. 그 층 구조에지도 두 가지 중요한 프로세스, 행성의 분화에 의해 고체 규산염 매트릭스에 액체 금속 (1) 여과 및 냉각 이후의 행성 (2) 내부 코어의 결정화가 있습니다. 우리 실험실에서 두 프로세스를 시뮬레이션하기 위해 고압 및 고온 실험을 수행. percolative 행성 코어의 형성이면 각 (오줌) 각도에 의해 제어되는 용융 여과의 효율성에 따라 달라집니다. 실리케이트 고체 유지하다가 3D 시각화에 의해 결정 매트릭스에 액체 이주의 스타일을 평가하는 진정한 면각 각도를 결정하는 동안 퍼콜 시뮬레이션은 철 – 황 합금이 용융되는 목표 온도까지 높은 압력에서 시료를 가열 포함한다. 3 차원 볼륨 렌더링은 집속 이온 빔 (FIB) 및 TA로 회수 시료를 슬라이스함으로써 달성된다FIB / SEM 대들보 악기와 각 조각의 왕 SEM 이미지. 실험의 두 번째 세트는 액체 아우터 코어와 높은 압력에서 용융 온도 및 요소 분할을 결정함으로써 고체 내부 코어 사이 내핵 결정화 소자 분포를 이해할 수 있도록 설계된다. 용융 실험은 최대 27 GPa의에 멀티 모루 장치에서 실시 및 레이저 가열 다이아몬드 앤빌 셀에 높은 압력으로 확장됩니다. 우리는 정밀 FIB 밀링으로 작은 가열 된 샘플들을 복구하고 높은 압력에서 용융 감촉을 발휘 레이저 가열 된 스폿의 고해상도 이미지를 얻는 기술을 개발했다. 공존 액상 및 고체상의 화학 성분을 분석함으로써, 우리는 정확하게 내핵 결정화 과정을 이해하는 데 필요한 데이터를 제공하고, 액상 곡선을 결정한다.
Introduction
같은 지구, 금성, 화성, 수성 등 지상파 행성은 규산염 맨틀과 금속 코어로 구성된 차별화 된 천체이다. 현대 행성 형성 모델은 지상파 행성이 중력의 상호 작용을 통해 1 ~ 2 km 떨어진 지점 규모 이상의 planetesimals에서 성장 문 – 투 – 화성 크기의 행성 배아의 충돌에서 형성하는 것이 좋습니다. planetesimals은 가능성이 금속 철 합금 등과 같은 26 알, 60 철, 충격으로 단명 한 동위 원소의 방사성 붕괴와 같은 소스에서 기인 가열 온도를 용융에 도달하면 이미 분화 하였다 잠재적 인 에너지 3의 릴리스. 그것은 액체 금속은 초기 분화시 실리케이트 매트릭스를 통해 침출 방법을 이해하는 것이 중요합니다.
행성 차별화 따라 효율적으로 액체 – 액체 분리를 통해 또는 고체 규산염 매트릭스의 액체 금속의 여과에 의해 수행 할 수크기와 천체의 내부 온도에. 온도가 전체 유성 본체를 용융 할 정도로 높지 않을 때 고체 실리케이트 매트릭스 내의 액체 금속의 퍼콜 가능성 초기 분화 과정 지배적이다. 퍼콜의 효율은 고체 – 고체 및 고체 – 액체 인터페이스의 계면 에너지에 의해 결정 면각 각도에 의존한다. 우리는 철 합금 및 실리케이트의 혼합물을 고압 및 고온 실험을 실시하여 실험실에서 이러한 공정을 시뮬레이션 할 수있다. 최근 연구 4-7 고온 고압에서 고체 실리케이트 매트릭스 내의 액체 철 합금의 습윤 능력을 조사 하였다. 그들은 진정한 면각 각도 결정 용 급냉 액체 금속과 연마 단면에 규산 입자 간의 명백한 면각 각도의 상대 빈도 분포를 측정하는 종래의 방법을 사용했다. 종래의 방법은 비교적 큰 UNC를 산출측정 면각 각도와 샘플링 통계에 의존 할 수있는 바이어스 ertainties. 여기에서 우리는 FIB 밀링 및 고해상도 필드 방출 SEM 영상의 조합에 의해 세 가지 차원 (3D)의 실리케이트 매트릭스의 액체 금속의 분포를 시각화하는 새로운 이미징 기술을 제시한다. 새로운 이미징 기술은 면각 각도 및 액상의 체적 분율 및 연결의 정량 측정 값의 정확한 결정을 제공한다.
지구의 핵심은 아마도 그것의 초기 역사에서 액체 상태로, 비교적 짧은 시간 (<100,000,000년) 8 년에 설립되었습니다. 화성과 수성은 각각 유성 회전 (10)에 연결 마스 글로벌 서베이어 무선 추적 데이터 9 레이더 스페 클 패턴에서 태양 조수의 변형에 따라 액체 코어가. 화력 발전 모델과 코어 물질에 고압의 용융 실험은 상기 액체 화성 코어를 지원11-12. 최근 메신저 우주선 데이터는 수성 (13)의 액체 코어에 대한 추가 증거를 제공합니다. 심지어 작은 달 가능성이 Appollo 달 seismograms 14의 최근 재분석에 따라 작은 액체 코어를 가지고 있습니다. 액체 유성 코어 행성 형성 초기 단계에서 높은 강착 에너지와 일치한다. 이후 냉각은 어떤 행성 고체 내부 코어의 형성으로 이어질 수 있습니다. 지진 데이터는 지구가 액체 외부 코어와 고체 내부 코어로 구성되어 있음을 밝혀냈다. 내부 코어의 형성은 열 및 조성 대류와 행성의 자기장의 생성에 의해 구동되는 코어의 역학에 중요한 영향을 미칠 수있다.
내부 코어의 응고는 코어 물질의 용융 온도 및 코어의 열 발전에 의해 제어된다. 지상파 행성의 코어 형성은 유사한 증대 경로를 공유하고 코어의 화학적 조성은 B로 간주됩니다E는 약 10 중량 % 광 황 (S) 등의 요소, 실리콘 (Si), 산소 (O), 탄소 (C), 수소 (H) (15)와 철을 지배. 이 조성물을 이해하기 위해, 예컨대 철 – 페스, 철 – C, 철-FeO의, 철 – 페 및 철 – FeSiat 고압 같은 코어, 관련된 시스템의 융점 관계의 지식이 필수적 행성의 코어. 이 연구에서, 우리는 행성의 코어의 조건을 흉내 낸, 다 모루 장치와 다이아몬드 앤빌 셀에서 실시 실험을 보여줍니다. 실험은 내부 코어 결정화 및 결정 성 내핵 및 축소 액체 코어 간의 광 소자의 분포 요건에 대한 더 나은 이해를 선도, 고체 및 액체 금속 간의 결정화 시퀀스 소자 파티션에 대한 정보를 제공한다. 용융 관계에 매우 높은 압력을 확장하기 위해, 우리는 레이저 가열 다이아몬드에서 복구 침묵 샘플을 분석 할 수있는 새로운 기술을 개발했습니다nvil 세포 실험. 레이저 가열 자리의 정밀도 FIB 밀링, 우리는 고해상도 SEM 및 서브 마이크론 공간 해상도의 실리콘 드리프트 검출기 정량적 화학 분석 군데 담금질 텍스처 기준을 사용하여 용융 결정합니다.
여기에서 우리는 다음 냉각에 의해 초기 증대 및 내부 코어의 결정화시 실리케이트 매트릭스에 용융 금속의 여과에 의해 행성 코어 형성을 모방하는 실험의 두 세트를 설명합니다. 시뮬레이션은 행성의 코어의 진화하는 동안 두 가지 중요한 프로세스를 이해하는 것을 목표로하고 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
멀티 앤빌 실험 기술들은 잘 안정한 압력 및 실행 시간의 연장 된 기간에 대한 온도를 생성하고, 상대적으로 큰 샘플 부피를 제조, 확립된다. 그것은 특히 특정 샘플 볼륨을 필요로 같은 용융 여과 등의 실험을 위해, 행성의 내부 프로세스를 시뮬레이션 할 수있는 강력한 도구입니다. 제한은 27 텅스텐 카바이드 (WC) 앤빌 GPa로, 화성과 수성의 핵심 압력에 도달하지만 지구와 금성의 코어에 도달하기…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 NASA 부여 NNX11AC68G 워싱턴의 카네기 연구소에 의해 지원되었다. 나는 데이터 수집을 가진 그의 도움을 치 장 감사합니다. 또한이 원고의 도움이 리뷰를 아나 트 샤 하르와 발레리 Hillgren 감사합니다.
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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