Planetary İçişleri Farklılaşma Simülasyon Laboratuvarı Süreçleri
Summary
Burada anlatılan, yüksek basınç ve yüksek sıcaklık deneyleri gezegen iç farklılaşma süreçleri taklit. Süreçleri yüksek çözünürlüklü 3D görüntüleme ve kantitatif kimyasal analizi ile görüntülendi ve daha iyi anlaşılmaktadır.
Abstract
Bir planeter iç yüksek basınç ve yüksek sıcaklık koşulları altında ve katmanlı bir yapıya sahiptir. Bu tabakalı yapıya yol açan iki önemli süreçler, planet farklılaşma bir katı silikat matris içinde sıvı metalin (1) sızma ve daha sonraki soğutma planet tarafından (2) iç kısım kristalleştirme vardır. Biz laboratuvarda hem de süreçleri simüle, yüksek basınç ve yüksek sıcaklık deneyleri yaparlar. Percolative gezegen çekirdeğinin oluşumu dihedral (ıslatma) açısı ile kontrol edilir eriyik sızma, verimliliğine bağlıdır. Silikat sabit kalır, ve daha sonra 3 boyutlu görüntüleme ile bir kristal matris sıvı göç tarzı değerlendirmek için gerçek dihedral açısının belirlenmesi ise sızma simülasyon demir-sülfür erimiş alaşım olduğu bir hedef sıcaklığa yüksek basınçta ısıtılması örnek içerir. 3D hacim oluşturma odaklanmış iyon demeti (FİB) ve bunların TA ile kurtarılan örnek dilimleme ile elde edilmektedirbir yalan / SEM crossbeam alet ile her dilim kralı SEM görüntüsü. Deneylerin ikinci seti, sıvı, dış kısım ve yüksek basınç altında bir erime sıcaklığına ve element bölümleme belirleyerek katı bir iç kısım arasındaki iç çekirdek kristalleştirme ve element dağılımını anlamak için tasarlanmıştır. Erime deneyler kadar 27 GPa için çoklu örs cihazında gerçekleştirilmiştir ve lazer ısıtma ile elmas örs hücresinde daha yüksek bir basınca genişletilir. Biz hassas FIB öğütülmesi ile küçük ısıtmalı örnekleri kurtarmak ve yüksek basınçta erime doku göstermektedir lazer ısıtılmış nokta yüksek çözünürlüklü görüntüleri elde etmek için teknikler geliştirdik. Birlikte bulunan sıvı ve katı fazların kimyasal bileşimleri analiz ederek, tam olarak iç çekirdek kristalleşme süreci anlamak için gerekli veri sağlayan, sıvılaşma eğrisi belirlemek.
Introduction
Böyle Dünya, Venüs, Mars, Merkür gibi karasal gezegenleri bir silikat manto ve metalik bir çekirdekten oluşan farklılaşmış gezegen organları vardır. Modern gezegen oluşum modeli karasal gezegenler yerçekimsel etkileşimlerin 1-2 aracılığıyla km ölçekli veya daha büyük gezegenlerin büyüdü Ay-to-Mars büyüklüğünde gezegen embriyoların çarpışmalar meydana geldiğini göstermektedir. Gezegenciklere muhtemel metalik demir alaşımları örneğin 26 Al ve 60 Fe, etkisi gibi kısa ömürlü izotopların radyoaktif çürüme gibi kaynaklardan nedeniyle ısıtma erime sıcaklığı ulaştı kez zaten farklılaşmış edildi ve potansiyel enerji 3 sürümü. Bu, sıvı metal erken farklılaşması sırasında silikat matris boyunca süzülür, anlamak önemlidir.
Planet farklılaşma olarak, etkili bir sıvı-sıvı ayrımı ile ya da katı bir silikat matris içinde sıvı metalin sızma ile devam olabilirboyutu ve gezegen organlarının iç sıcaklığı. Sıcaklık tüm planet vücut eritmek için yeterince yüksek olmadığında, katı silikat matris içinde sıvı metalin sızma muhtemel başlangıç farklılaşmasında baskın bir süreçtir. Sızma etkinliği katı-katı ve katı-sıvı arayüzleri yüzey enerjileri tarafından belirlenen dihedral açı bağlıdır. Biz demir alaşımlı ve silikat karışımı yüksek basınç ve yüksek sıcaklık deneyler yaparak laboratuvarda bu süreci taklit edebilirsiniz. Son çalışmalar, 4-7, yüksek basınç ve sıcaklıkta bir katı silikat matris içinde sıvı demir alaşımları ıslatma yeteneğini araştırmıştır. Bunlar gerçek dihedral açısının belirlenmesi için söndürüldü, sıvı metal ile parlatılmış enine kesitlerinde silikat taneleri arasındaki belirgin dihedral açılar göreli frekans dağılımları ölçmek için geleneksel bir yöntem kullanılır. Geleneksel yöntem, nispeten büyük UNC verimleriölçülen dihedral açı ve örnekleme istatistik olarak mümkün önyargı ertainties. Burada FIB öğütme ve yüksek çözünürlüklü alan emisyonu SEM görüntüleme kombinasyonu ile üç boyutlu (3D) 'de silikat matriks içinde sıvı metalin dağılımını görselleştirmek için yeni bir görüntüleme tekniği sunar. Yeni görüntüleme tekniği dihedral açı ile sıvı fazın hacim fraksiyonu ve bağlantı nicel ölçü kesin belirleme sağlar.
Dünya'nın çekirdek muhtemelen erken tarihinin bir sıvı halde, nispeten kısa bir süre (<100 milyon yıl) 8 kuruldu. Mars ve Merkür de sırasıyla gezegen dönme 10, bağlı Mars Global Surveyor radyo veri izleme 9 ve radar benek desenler güneş gelgit deformasyon dayalı sıvı çekirdeğe sahip. Termal evrim modelleri ve çekirdek malzemelerin yüksek basınç erime deneyleri ayrıca sıvı Marslı temel destek11-12. Son Messenger uzay aracı veri Cıva 13 sıvı bir kısım için ek delil sağlar. Hatta küçük Ay muhtemel Appollo Aysal sismogramların 14 son reanalysis dayalı küçük sıvı çekirdeğe sahiptir. Sıvı gezegen çekirdek gezegen oluşumunun erken aşamada yüksek yığılma enerji ile tutarlıdır. Daha sonraki soğutma bir gezegen katı bir iç kısım bölgesinin oluşumuna yol açabilir. Sismik veriler Dünya bir sıvı dış çekirdek ve katı iç çekirdeğin ibaret olduğunu ortaya koymuştur. Iç çekirdeğin oluşumu ve termik kompozisyon ısı taşınımı ve dünyanın manyetik alanın üretilmesi ile tahrik edilen çekirdek dinamiklerine için önemli etkileri vardır.
Iç çekirdeğin katılaşması çekirdek malzemenin erime sıcaklığı ve iç kısmın termal evrimi ile kontrol edilir. Karasal gezegenlerin çekirdek oluşumu benzer katma yolları paylaşılan ve çekirdeklerin kimyasal bileşimi b kabul edilire 10 ağırlık% 'si ışık gibi sülfür (S) gibi elemanlar, silikon (Si), oksijen (O), C (C) ve hidrojen (H) 15 ile demir hakimdir. Bu bileşimin anlamak amacıyla, bu tür Fe-FeS, Fe,-C, Fe-FeO, Fe-Feh ve Fe-FeSiat yüksek basınç gibi çekirdek, ilgili sistemlerde erime ilişkiler bilgiye sahip esastır gezegen çekirdekler. Bu çalışmada, planeter çekirdeklerin koşullarını taklit eden, çok-örs cihaz ve elmas örs hücre içinde yapılan deneyler gösterecektir. Deneyler, iç çekirdek kristalleşme ve kristal bir iç kısım ve sıvı üzerinden çekirdek arasındaki açık elemanlarının dağılımının gereksinimleri için daha iyi bir anlaşılması için gerekli olan, katı ve sıvı metal arasındaki kristalleştirme dizisi ve element bölümleme hakkında bilgi verir. Erime ilişkileri çok yüksek basınçlar uzatmak için, lazer ısıtmalı elmas-a kurtarıldı söndürüldü örnekleri analiz etmek için yeni teknikler geliştirdilernvil hücre deneyleri. Lazer ısıtma nokta hassas FİB freze ile, yüksek çözünürlüklü SEM ve submikron mekansal çözünürlükte bir silikon sürüklenme dedektörü ile kantitatif kimyasal analizi ile görüntülü söndürme doku kriterleri kullanılarak eritme belirleyebilirler.
Burada daha sonraki soğutma ile, erken hacimce büyümesi ve iç kısım, kristalleşme sırasında silikat matrisi içinde eriyik metalik sızma ile planeter çekirdek oluşumunu taklit etmek için deneyler iki takım özetlemektedir. Simülasyon gezegen çekirdeğinin evrimi sırasında iki önemli süreçleri anlamak amaçlanmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Çoklu örs deneyler için teknikler iyi dengeli basıncı ve çalışma süresi uzun bir süre için sıcaklık üreten ve nispeten büyük bir örnek hacmi üreten kurulmuştur. Özellikle bazı örnek hacmi gerektiren bu tür eriyik sızma gibi deneyler, için, gezegenlerin iç süreçleri simüle güçlü bir araçtır. Sınırlama 27 tungsten karbür (WC) örslerdir ile GPa, Mars ve Merkür'ün çekirdek baskıları ulaşan, ancak Dünya ve Venüs'ün çekirdekleri ulaşmak için çok düşük basınç kada…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma NASA hibe NNX11AC68G ve Washington Carnegie Enstitüsü tarafından desteklenmiştir. Ben veri toplama ile yaptığı yardım için Chi Zhang teşekkür ederim. Ben de bu yazının yararlı yorumlar için Anat Shahar ve Valerie Hillgren teşekkür ederim.
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).
