Partizionamento metallo-silicato ad alta pressione e temperatura: metodi sperimentali e un protocollo per sopprimere altamente Siderophile Element Inclusioni

Accrescimento terrestre si pensa che si sono verificati una serie di collisioni fra planetesimi con una composizione di massa chondritic, terminante con una fase di gigante impatto ritenuta responsabile per la formazione di luna ^1,2. Riscaldamento del proto-Terra da impatti e il decadimento degli isotopi di breve durata era sufficiente a provocare gravi fusione e la formazione di un oceano magma o stagni attraverso cui denso fusi metallici Fe-ricchi potevano scendere. Dopo aver raggiunto la base del magma mare, fonde metalliche incontrano un confine reologico, stallo, e sottoposti equilibrio metallo-silicati finale prima infine scendere attraverso il mantello solido alla crescente nucleo ^2. Ulteriori comunicazione chimica tra metallo e fasi silicati come metallo fuso attraversa la parte solida del mantello è pensato per essere preclusa a causa delle grandi dimensioni e rapida discesa del diapirs metallici ^3. Questa differenziazione primario della Terra in un nucleo metallico e mant silicatole viene rivelato oggi da entrambe le osservazioni geofisiche e geochimiche ^4-6. Interpretazione queste osservazioni per produrre condizioni plausibili di equilibrio metallo-silicati alla base di un magma mare, tuttavia, richiede un adeguato database di risultati sperimentali.

Il mantello superiore primitiva (PUM) è un serbatoio ipotetico comprendente il residuo di silicato di formazione del nucleo e la sua composizione riflette quindi il comportamento di oligoelementi durante equilibrio metallo-silicati. Gli oligoelementi sono distribuiti tra il metallo e fusi silicatici durante nucleo segregazione sulla base della loro affinità geochimica. La grandezza di una preferenza elementi per la fase di metallo può essere descritta dal coefficiente di ripartizione metallo-silicati

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Dove e indicare la concentrazione dell'elemento i in metallo e silicato sciogliere rispettivamente. Valori di > 1 indicano siderophile comportamento (ferro amante) e quelle <1 litofili (-rock amante) comportamento. Le stime della composizione mostrano PUM che siderophile elementi sono esauriti rispetto al condriti ^7, tipicamente considerati come rappresentativi della composizione massa della Terra ^6,8. Questo è dovuto alla deplezione sequestro di elementi siderophile dal nucleo, e per gli elementi refrattari sua magnitudine deve riflettere direttamente valori . Esperimenti di laboratorio quindi cercano di determinare i valori di nel corso di un raESN di pressione (P), la temperatura (T) e fugacità di ossigeno (O ₂ f) condizioni che sono rilevanti per la segregazione metallica dalla base di un oceano di magma. I risultati di questi esperimenti possono quindi essere utilizzati per delimitare le regioni di P – T – f O ₂ spazio che sono compatibili con l'abbondanza PUM più elementi (es siderophile, ^{9 – 11).}

Le alte pressioni e temperature pertinenti ad uno scenario oceano di magma è possibile ricreare in laboratorio utilizzando un pistone-cilindro o stampa multi-incudine. L'apparato pistone-cilindro fornisce accesso a pressione moderata (~ 2 GPa) e ad alta temperatura (~ 2.573 K) condizioni, ma consente grandi volumi di campione e una varietà di materiali capsula da utilizzare facilmente. Il tasso di raffreddamento rapido consente anche tempra di un campo di composizioni melt silicato ad un bicchiere, semplificando così l'interpretazione strutturale dei run-prodotti.L'apparato multi-incudine impiega tipicamente piccoli volumi di campione, ma con i disegni di montaggio adatti può raggiungere pressioni fino a ~ 27 GPa e temperature di circa 3000 K. L'uso di questi metodi ha permesso dati partizionamento per molti dei moderatamente e leggermente siderophile elementi siano riuniti su una vasta gamma di P – condizioni T. Le previsioni di composizione PUM sulla base di questi dati suggeriscono equilibrio metallo-silicati avvenuto a condizioni medie di pressione e temperatura in eccesso di ~ 29 GPa e 3.000 K, rispettivamente, anche se i valori esatti dipendono dal modello. Per tenere conto per l'abbondanza PUM di elementi sensibili certo redox (ad esempio, V, Cr) O f ₂ è anche pensato di evolvere durante accrescimento da ~ 4-2 unità logaritmiche di sotto di tale imposta da co-esistente ferro e wüstite (FeO ) a condizioni equivalenti PT (il buffer di ferro-wüstite) ^12.

Nonostante l'abbondanza PUM di mtutti gli elementi siderophile possono essere valutate con equilibrio metallo silicato alla base di un profondo oceano di magma, si è dimostrato difficile valutare se questa situazione vale anche per gli elementi più altamente siderophile (HSES). L'affinità estremo dei HSES per ferro metallico indicato da bassa pressione (P ~ 0,1 MPa) e temperatura (T <1.673 K) esperimenti suggerisce il silicato di terra deve essere fortemente impoverito in questi elementi. Le stime del contenuto HSE per PUM, tuttavia, indicano solo un moderato impoverimento relativo di condrite (Figura 1). Una soluzione comunemente ipotizzato per l'eccesso HSE evidente è che la Terra ha subito un ritardo-accrescimento di materiale chondritic successive al core-formazione ^13. Questo materiale tardo-maturato avrebbe mescolato con la PUM ed elevate concentrazioni di HSE, ma ha avuto un effetto trascurabile sugli elementi più abbondanti. In alternativa, è stato suggerito che la natura estremamente siderophile di HSES dimostrato dai bassi P </em> – T esperimenti non persistono le elevate condizioni PT presenti durante nucleo formazione ^14,15. Per testare queste ipotesi, esperimenti devono essere eseguite per determinare la solubilità e metallo-silicati compartimentazione HSES in condizioni appropriate. La contaminazione della porzione di silicato di run-prodotti bonificati in molti studi precedenti però, ha complicato l'analisi di run-prodotto e oscurato i coefficienti di ripartizione veri per HSES tra metallo e fusi silicatici.

In esperimenti di partizionamento dove sono presenti a concentrazioni appropriate per la natura delle HSES, l'estrema preferenza di questi elementi per Fe-metallo impedisce loro misura nella massa fusa di silicato. Per aggirare questo problema, misurazioni di solubilità sono realizzati in cui la massa fusa di silicato è saturo nel HSE di interesse e valori sono calcolati utilizzando il formalismo di Borisov etal. ^16. Silicato Temprato run-prodotti dagli esperimenti di solubilità HSE effettuati alle condizioni riducenti, tuttavia, spesso mostrano evidenza di contaminazione da disperso HSE ± Fe inclusioni ^17. Nonostante il vicino onnipresenza di queste inclusioni in bassa f O ₂ esperimenti contenenti Pt, Ir, Os, Re e Ru, (ad esempio, ^{18 – 27),} non vi è notevole variabilità tra gli studi nella loro presentazione strutturale; confrontare per esempio si fa riferimento ²² e ^26. Sebbene sia stato dimostrato che le inclusioni possono formare che sono una fase stabile nelle condizioni di esecuzione di un esperimento ^28, ciò non preclude la formazione di inclusioni come campione si spegne. L'incertezza che circonda l'origine delle inclusioni rende il trattamento dei risultati analitici difficile, e ha portato ad ambiguità sulla vera solubilità in HSES ridotta fusi silicatici. Run-prodotti privi di inclusione sono tenuti a valutareche gli studi hanno adottato un approccio analitico che produce concentrazioni precise disciolti HSE. Notevoli progressi nel sopprimere la formazione di metallo-inclusioni a condizioni riducenti è stata ora dimostrata in esperimenti utilizzando un apparato cilindro-pistone, in cui il disegno campione è stato modificato da studi precedenti tramite l'aggiunta di Au o Si alle materie prime ^{29 – 31.} L'aggiunta di Au o elementale Si ai materiali di partenza altera l'evoluzione geometria campione o f O ₂ dell'esperimento rispettivamente. Questi metodi hanno lo scopo di sopprimere la formazione inclusione metallo modificando i tempi di HSE in-diffusione contro la riduzione del campione, e sono discussi in Bennett et al. ^31. A differenza di alcuni precedenti tentativi di ripulire la fusione di silicato di inclusioni, come equilibrio assistito meccanicamente e la centrifugazione cilindro-pistone, il presente protocollo può essere attuata senza appar specializzatoatus ed è adatto per esperimenti di alta PT.

Descritto in dettaglio qui è un approccio basato pistone-cilindro per determinare la solubilità di Re, Os, Ir, Ru, Pt e Au in silicato di massa fusa ad alta temperatura (> 1.873 K), 2 GPa e una O f ₂ simile a quella di il buffer di ferro-wüstite. L'applicazione di un modello sperimentale simile può anche rivelarsi di successo in esperimenti HSE in altre pressioni, fornendo le relazioni di fase necessari, bagnando le proprietà e le relazioni cinetiche persistono le condizioni scelte. Dati comunque esistenti, sono sufficienti per prevedere se il nostro campione di progettazione avrà successo a pressioni corrispondenti ad un profondo oceano di magma. Anche delineato è un approccio generale utilizzato per determinare moderatamente e leggermente elemento siderophile (MSE e SSE rispettivamente) partizionamento utilizzando un dispositivo multi-incudine. Estensione del set di dati libera-inclusion per HSES ad alta pressione è in grado di utilizzare simili metodi multi-incudine. Togetere, queste procedure forniscono un mezzo per vincolare entrambe le condizioni di core-segregazione e dalle fasi di accrescimento terrestre.