Перегородки силикатные: Силикатные или гипсовые плиты? — статьи завода «ЭКО», в Москве

Содержание

Силикатные перегородочные плиты — цене на плиты для перегородок МЗСК

Силикатные перегородочные плиты по цене производителя

Силикатные перегородочные плиты применяются для возведения межкомнатных и межквартирных перегородок в жилых домах и хозяйственных постройках. Их ключевые преимущества – доступность, низкий вес и высокая скорость строительства.

Для работы с этим материалом не нужно организовывать большую бригаду строителей. Всю работу можно сделать в одиночку или с 1-2 помощниками.

Купить силикатные перегородочные плиты по цене производителя можно на Михайловском заводе силикатного кирпича МЗСК.

Характеристики перегородочных плит

Изделия имеют оптимальный для строительства межкомнатных перегородок размеры – 500×120×188 мм. Их ширина на 10 мм больше минимальной рекомендуемой толщины стены между комнатами 70 мм.

Этот запас позволяет рассчитывать на качественную звукоизоляцию и надёжное крепление подвесных элементов: полок, навесных шкафов, телевизоров и т.д.

Изделия надёжно удерживаются в стене благодаря системе пазов по торцовой стороне. Важным требованием при этом является хорошо выровненная основа. Сами силикатные плиты для перегородок имеют идеальную геометрию – одно из преимуществ используемой на МЗСК технологии производства.

Преимущества строительства из силикатных перегородочных плит

Экономия

Снижение расходов на строительство, в сравнении с кирпичом, достигается за счёт трёх факторов:

  • Высокая скорость строительства. При той же высоте стен, требуется меньше элементов. Работа выполняется быстрее и её может сделать один человек.
  • Проще и дешевле доставка, за счёт низкой массы материала.
  • Меньше затрат на отделку. Изделия имеют идеальную геометрию, что позволяет сэкономить на выравнивании стены.

Экологическая безопасность

Изделия производятся из смеси извести и песка – традиционных и безопасных для здоровья человека материалов.

Высокая звукоизоляция

Силикатные перегородочные плиты при толщине 80-120 мм обладают хорошей способностью останавливать и рассеивать звуковые волны.

Купить силикатные перегородочные плиты по оптовой цене можно в службе сбыта МЗСК. Наберите номер +7(84463) 2-95-95, узнайте детали и оформите заказ прямо сегодня!


Перегородки из силикатных пазогребневых плит

В статье рассказывается о том, как возвести перегородки из пазогребневых плит. Написано на основе личного опыта!

Пазогребневые плиты – отличный материал для возведения межкомнатной перегородки. Они уже обычного кирпича и при этом достаточно прочные. В квартирах их часто используют при необходимости максимально сэкономить полезную площадь. Сегодня вы узнаете как правильно возводить такую перегородку.

Начнем с разметки

Без нее, вместо полноценного квадрата или прямоугольника можно запросто получить комнату с нарушенными пропорциями. А это наверняка в ваши планы не входит. Поэтому тщательно выполняем все замеры и делаем отметки на примыкающих к стенах.

Теперь следует определиться с дверным проемом. Вспомните, насколько удачно располагалась дверь в демонтированной перегородке? Может быть стоит ее немного сместить для более комфортного перемещения?

Примите во внимание тот факт, что пазогребневые блоки придется пилить с помощью болгарки. Поэтому постарайтесь подыграть так, чтобы с одной стороны вышли целые блоки. Это значительно ускорит работу и избавит от лишней пыли.

Выставляем первый ряд

Лучше всего выставлять первый ряд на обычный раствор. Во-первых, это более экономно, чем использовать для этой цели специальный клей. А во-вторых, намного удобнее, так как раствор в отличие от клея не так пластичен.

Разметочный ряд должен быть выложен очень качественно. Без перепадов и строго по уровню. Если одна плита будет выше или ниже соседней, значит, на следующих рядах шов будет играть, а это не правильно. Сгладить неровности можно при кирпичной кладке за счет толщины растворного шва. В отличие от традиционной кладки на силикатные пазогребневые плиты клей наносится тонким слоем.

Чтобы отдельные блоки не выступали, используйте капроновую нить, натянутую между крайними плитами. Она послужит вам ориентиром для ровной укладки горизонтальных рядов.

Клей лучше всего замешивать не вручную, а с помощью перфоратора, оснащенного миксерной насадкой. При использовании малой механизации он получается более однородный по составу и без комочков. Клей на плиты наносится шпателем или мастерком, кому как сподручнее.

Усиливаем перегородку

Берем строительный уровень и выводим карандашом на примыкающих стенах вертикаль. После чего сверлим неглубокие отверстия по высоте равной двум пазогребневым плитам с учетом швов. Они нужны для придания дополнительной прочности возводимой стене.


В эти отверстия вставляются небольшие обрезки арматуры или жесткая проволока сложенная вдвое. Последняя пускается прямо в шов. Если используется арматура, то в плите, которая будет над ней, прорезается болгаркой паз, иначе шов будет слишком толстым. Диаметр бура подбирается максимально приближенный к крепежам. Идеально, если кусок арматуры приходиться слегка забивать по месту.

По технологии при возведении перегородки из силикатных пазогребневых плит засверливаться нужно и в потолок. Но мы останемся в рамках здравого смысла и ограничимся качественным заполнением пространства между верхним рядом кладки и потолком клеем или раствором.

Теперь нам осталось запастись подрезками в необходимом количестве и можно приступать непосредственно к кладке.

Готовим подрезки

Для той части перегородки, где выходят целые элементы, нужно распилить несколько плит пополам.Поясним на примере.

Допустим, до дверного проема у нас выходит три целых блока. Значит, на втором ряду мы пускаем сначала половинку, затем две целые плиты и опять половинку. На третьем ряду у нас снова выходит три полноценные пазогребневые плиты. И так далее.

Таким образом, мы обеспечиваем кладке столь необходимую перевязку.

С той стороны перегородки, где подрезка избежать не удалось, нужно заготовить по одному на каждый ряд.

Поднимаем перегородку

Разметочный ряд у нас начинался с целой плиты и заканчивался подрезком около дверного проема. Значит, на втором ряду нужно поступить наоборот – начать с подрезка и продолжить целыми плитами. На третьем снова начинаем с полноценного блока и завершаем подрезком. В итоге цель достигнута – все плиты установлены в разбежку и перевязаны.

В процессе кладки не забывайте следить за дверным проемом с помощью отвеса. Незначительное отклонение в большую сторону вполне допустимо. А вот в меньшую – нет. Дверная коробка может не поместится в отведенное место. В случае ошибки проем с одной стороны придется подрезать болгаркой. Это достаточно трудоемкое занятие, поэтому лучше все сразу сделать правильно.

Читайте также: Межкомнатные перегородки – какими их делать? Часть первая


Перегородки. Из чего складывать, чтобы в помещениях была хорошая звукоизоляция?

Если вы планируете строительство и думаете, существует ли материал, который улучшит звуконепроницаемость перегородок и будет прост в установке, то у нас для вас хорошие новости. Такой материал существует.

Речь идет о силикатных блоках, которые производятся прямо здесь, в Эстонии, и которые изготавливаются только из натуральных материалов. Но давайте посмотрим подробнее, о чем идет речь.

Силикатные блоки выпускаются в трех размерах, чтобы можно было выбрать наиболее подходящий.

Силикатный блок 120 Slim: звуконепроницаемость 48 дБСиликатный блок 180 Strong: звуконепроницаемость 52 дБСиликатный блок 240 Silence: звуконепроницаемость 55 дБ

Перегородка из силикатного блока хорошо задерживает звук

Наверное, в своей жизни вы бывали в помещениях, где слышен каждый шорох за стенкой. Или знаете любимые песни и телепередачи соседей? Ужас в кубе – так это называется. О звуконепроницаемости стоит думать уже в ходе проектирования дома, чтобы потом не пришлось заново заниматься звукоизоляцией помещений. Хотя и это возможно, потому что устанавливать силикатные блоки просто. Если вы хотите возвести перегородку из силикатных блоков в уже готовом доме или квартире, рекомендуем проконсультироваться у специалиста.

Силикатный блок очень хорошо задерживает звук, индекс звукоизоляции строительного блока 240 Silence составляет целых 55 dB! Если этот показатель ни о чем вам не говорит, то для сравнения отметим, что стена из легкого бетона должна быть в два-три раза толще, чтобы получить такую же звуконепроницаемость! Поэтому советуем использовать силикатные блоки не только для частного дома, но и при строительстве перегородок в многоквартирных домах.

Силикатный блок изготовлен из натуральных материалов

Мы производим силикатные камни уже с 1910 года. Сегодня, 110 лет спустя, силикатные камни производятся таким же способом – путем прессования песка и извести в автоклаве под воздействием горячего пара. Никаких других веществ сомнительного происхождения туда не добавляется.

Стены из силикатного камня дышат, помещения не становятся душными, в них сохраняется хороший микроклимат. И, что самое важное, – летом помещение с силикатными стенами остается прохладным, а зимой теплым. Такова специфика материала.

Стена из силикатного блока требует минимальной отделки

Поскольку размеры наших блоков очень точны, из них можно сложить хорошую ровную стену, которую не требуется штукатурить, а можно просто покрасить.

 

Стена из силикатного камня выдерживает большие нагрузки

Такой материал, стены из которого ломаются под воздействием любой небольшой нагрузки, никуда не годится. К силикатной стене можно спокойно крепить, например, мебель или технику, не беспокоясь о том, что стена рухнет.

Не прибегая к сложным техническим терминам, скажем, что силикатный блок в среднем в 5 раз прочнее блока из легкого бетона. Но если мир цифр вас все же интересует, то технические данные блока можно найти здесь.

А теперь о деньгах!

Наверное, все приведенные выше доводы уже являются хорошими аргументами в пользу силикатного блока, но вишенкой на торте станет то обстоятельство, что строительство стены из силикатных блоков сэкономит ваши деньги. И, как мы упоминали выше, несколькими способами.

  • По причине небольших допусков в размерах перегородка из силиката не нуждается в оштукатуривании.  Разумеется, при желании вы можете это сделать, но достаточно лишь покраски. Попробуйте на небольшом участке! Если не понравится, можете использовать штукатурку.
Благодаря соединению «шпунт-паз», не потребуется заполнять вертикальные швы. На снимке 240 Silence.
  • Силикатные блоки не требуют армирования, заполнения вертикальных швов и заливки. По сути, отменяется три операции и использование нескольких дополнительных материалов – выигрыш одновременно и за счет рабочей силы, и за счет материалов. Поскольку силикатные блоки, как это видно на иллюстрации, имеют соединение «шпунт-паз», то не требуется заполнять вертикальные швы стены и использовать дополнительное армирование. Стена и без этого будет очень прочной.
  • Желоба для кабелей уже имеются. Видите полости внутри блоков? По ним очень удобно вести электрические кабели, и вам не потребуется делать специальные желоба для прокладки кабелей. Еще один вариант экономии!

Кстати. Хотя эта статья рассказывает о силикатных блоках как о хорошем материале для перегородок, они прекрасно подходят и для строительства наружных стен.

Если вы хотите определить количество необходимых вам блоков и раствора, воспользуйтесь нашим калькулятором количества продукта и отправьте запрос цены нам или ближайшему продавцу.

Силикатный блок для перегородок — Клуб строителей

Строительные материалы
Проектирование
Строительство

  • Главная »
  • Каталог »
  • Пазогребневые силикатные плиты
  • Газобетонные блоки
  • Пазогребневые силикатные плиты
  • Силикатные блоки
  • Силикатный кирпич
  • Железобетонные сваи
  • Пустотные плиты
Силикатные пазогребневые плиты для перегородок

Предлагаем купить у нас пазогребневые силикатные плиты ЭКО.

Существует две разновидности пазогребневых плит ЭКО: рядовая и рядовая пористая с включениями керамзита. Каждая разновидность выпускается в двух размерах: 498х70х248 мм и 498х115х248 мм. Плиты толщиной 70 мм – полнотелые, без внутренних полостей. Плиты толщиной 115 мм – пустотелые, имеют внутри цилиндрические пустоты для уменьшения веса и лучшей шумоизоляции.

Как мы работаем
  • Доставляем стройматериалы по Москве и Московской области, по Владимирской, Костромской, Тверской и Калужской областям.
  • Принимаем заявки без выходных, отгружаем материалы в любое удобное для Вас время.
    Телефон +7-495-105-97-59 доступен ежедневно с 9 часов утра до 8 вечера. Заказ обратного звонка – бесплатный.
  • Помогаем выбрать подходящий тип и размер плит, рассчитать необходимое минимальное количество материала, даем рекомендации по строительству. При необходимости специалист выезжает на объект для консультации на месте. Консультация по стройматериалам бесплатная.
  • Если в партии обнаружится брак, мы его немедленно заменим.
  • У нас можно купить любое количество плит, даже одну штуку.
  • Оказываем строительные услуги. Быстро и качественно построим любые конструкции на Вашем объекте.

Проект в подарок. Всем покупателям бесплатно предоставляется проектная документация на строительство коттеджа. Вы сможете выбрать для себя готовый проект частного дома.

Назначение пазогребневых плит

Пазогребневые силикатные плиты (ПСП) – разновидность пазогребневых блоков. Используются для межкомнатных и межквартирных перегородок при строительстве или перепланировке жилья.

Плиты толщиной 70 мм предназначены для межкомнатных перегородок, не выполняющих роль несущей конструкции. Тонкие перегородки меньше по весу, занимают меньше места, помогут сэкономить до 30% полезной площади.

Если нужна большая прочность стен, например, между квартирами, лучше брать толстые рядовые плиты 115 мм. Пористые плиты меньше весят, обеспечивают лучшую звукоизоляцию по сравнению с обычными рядовыми.

Достоинства ПСП

Стена из пазогребневых блоков возводится быстро и надежно: паз одной плиты входит в гребень другой. Для прочности в стык между плитами наносится слой клея. Сборка перегородок из ПГП настолько проста, что ее можно делать своими силами без привлечения профессиональных строителей.

Плиты режутся обычной ножовкой, в них легко просверлить отверстия для сантехники и электропроводки. Поверхность стенки получается ровной, не требует штукатурки, что позволяет сэкономить на услугах маляра.

Силикат прочнее гипсокартона, легче кирпича. Силикатные пазогребневые плиты безвредны для здоровья, огнестойки, дышат и держат тепло, не меняют форму при колебаниях температуры и влажности. Перегородка не потрескается и не вздуется со временем.

Строить из силикатных плит дешево. Это объясняется не только низкой ценой материала, но и экономичным расходом клея, уменьшением стоимости строительных и отделочных работ.

Характеристики

Толщина: от 7,0 до 11,5 см
Длина х высота: 49,8 х 24,8 см
Типы: рядовая и рядовая пористая с керамзитом
Цвет: белый
Огнестойкость: EI 90
Состав: песок, известь
Звукоизоляция: от 48 до 52 Дб

Сложите длины всех четырех сторон комнаты A + B + C + D и умножьте на высоту потолка комнаты h, ( A + B + C + D)* h

Например: если длина комнаты 5 метров, ширина 3 метра, а высота потолка комнаты 2,5 метра, нужно (5+3+5+3)*2,5 = 40 м², в итоге получаем 40 кв.м. по стенам.» data-text-left=»true»>Площадь по стенам, S (м²)

Крупный формат – меньше затрат

Клей в подарок!

Один материал – множество решений

  • Межкомнатные стены и перегородки
  • Помещения с повышенной влажностью

  • Наружные и внутренние стены коттеджей
  • Хозяйственные постройки

  • Многоквартирные дома
  • Административные здания
  • Промышленные сооружения

Готовый результат за 24 часа

Система «паз-гребень» предполагает отсутствие вертикальных швов, что позволяет экономить до 50% клея при укладке. Пазогребневое соединение надежно фиксирует блоки, обеспечивая их точное позиционирование в ряду.

Благодаря простоте, возведение стен из силикатных пазогребневых плит доступно даже для начинающих специалистов.

Крупный формат – тренд современного строительства. Один силикатный блок заменяет по площади 6 – 8 кирпичей, что ускоряет процесс укладки в 4-5 раз.

Силикатные пазогребневые плиты легко поддаются обработке и подрезке, что также уменьшает общее время строительных работ.

Только представьте: никакого цемента, никакой мокрой и грязной работы.

Укладывать пазогребневые блоки и плиты можно как на традиционный клеевой раствор, так и на полиуретановую клей-пену, что гораздо удобнее и аккуратнее.

Стены, построенные из блоков SLS, практически не дают усадки. В течение 24 часов кладка набирает прочность и уже готова к чистовой отделке.

Ровная поверхность стены сразу подготовлена для укладки плитки, а для оклейки обоев потребуется лишь отделка шпатлевкой.

Готовая конструкция стены через 24 часа становится монолитной благодаря высокой адгезии силикатной поверхности.

Минимальное количество швов придает конструкции прочность, которая продолжает усиливаться в течение последующих лет в результате карбонизации углекислым газом из воздуха.

Легче, чем собрать детский конструктор

Стройте на века, живите с комфортом

Производим строительные материалы более 11 лет

  • Новейшие немецкии производственные линии Massa Henke
  • Собственное сырьевая база

  • 2 года подряд мы №1 в области тяжелых строительных материалов, удостоены звания “Народная марка”
  • Стабильно высокое качество продукции подтверждено множеством сертификатов.

  • Погрузка продукции собственными силами на наших складах.
  • Доставка железнодорожным и автотранспортом по всему миру.

Для участия в акции оставьте в форме ниже свое имя и номер телефона. При оформлении заказа сообщите их продавцу.

Акция действует при первичной покупке силикатных пазогребневых блоков или плит SLS любого размера в количестве от двух поддонов при отгрузке поддонами на со склада SLS Group.

  • Наружные и внутренние стены коттеджей
  • Хозяйственные постройки

Межкомнатные перегородки из силикатных плит безопасны, потому, что экологически чистые. А высокая плотность материала обеспечивает прекрасную шумоизоляцию – 47 Дб при толщине перегородки всего 100 мм

  • Наружные и внутренние стены коттеджей
  • Хозяйственные постройки

Дома, построенные из силикатных блоков, отличаются рекордным сроком эксплуатации – до 150 лет. Плотность материала обеспечивает высокую прочность стен, отсутствует необходимость в усилении конструкции армопоясом.

  • Многоквартирные дома
  • Административные здания
  • Промышленные сооружения

Материал хорошо приспособлен к полуавтоматической системе укладки с использованием клещевого захвата. Это позволяет укладывать блоки рядами до двух метров за один подъем. Применение растворных салазок обеспечивает равномерную толщину клея и высокую скорость его нанесения. Скорость полуавтоматического возведения до 5 раз выше по сравнению со штучной укладкой.

Пазогребневые силикатные блоки – альтернатива привычным вариантам перегородок. Они прочнее всех аналогов, просты в монтаже, обеспечивают отличную звукоизоляцию и могут применяться в помещениях с любой влажностью. И при этом – дешевле! Единственный их недостаток – они достаточно тяжелые.

Силикатная пазогребневая плита имеет лучшую звукоизоляцию и более высокую прочность, по сравнению с ПГП.

Силикатная пазогребневая плита имеет лучшую звукоизоляцию и более высокую прочность, по сравнению с ПГП.

Утолщенный вариант перегородки. Силикатная пазогребневая плита имеет лучшую звукоизоляцию и более высокую прочность, по сравнению с ПГП.

Силикатные пазогребневые плиты (ПСП) – крупноформатные изделия для устройства перегородок. Имеют идеальную геометрию, ровную, гладкую поверхность. Торцевые части строительного материала оснащены соединением паз-гребень, что обеспечивает повышенную прочность кладки.

Характеристики

Пазогребневые плиты производятся автоклавным способом из извести, песка и воды – смесь прессуется и высушивается в специальных камерах под воздействием пара под высоким давлением. Мы продаем сертифицированную продукцию от завода-изготовителя КЗСМ, где строго соблюдается технология смешивания, прессования и сушки.

Силикат известен в строительстве высокими звукоизоляционными свойствами – индекс изоляции шума силикатной перегородки составляет от 48 до 52 дБ. Изделия имеют полнотелую структуру, низкое влагопоглощение, поэтому подходят для помещений с любым уровнем влажности.

Силикатные плиты для перегородок производятся таких размеров:

  • длина – 495 мм;
  • ширина – 298 мм;
  • толщина – 70 иЛи 80 мм.

Перегородка силикатная 498*249*70мм ГОСТ 379-95 (г.Бор)

Перегородка силикатная 498*249*70мм ГОСТ 379-95 (г.Бор)

Основные характеристики

Количество Шт на поддоне

96

Морозостойкость (циклов)

F50

Материал

Силикатный

Завод

Борский силикатный завод

Теплопроводность

0.54

Влагопоглащение

6%

Размер поддона

1000*850

Вес поддона

1500 кг

Вместимость поддонов в ТС (кузов 9х2.40)

10

Силикатные перегородки — Портал о строительстве

29/06/2014

Силикатные перегородки выполнены из специальных блоков, которые представляют собой современный стройматериал. Сейчас это становится очень модным за границей. Такие блоки подходят для возведения любого дома. Но почему же это стало так популярно? Чем силикатный блок лучше обычного кирпича?

Основная причина, по которой силикатные блоки очень распространились, это доступная цена. Стоимость их меньше чем любой керамики.

Причина низкой цены кроется в том, что для изготовления силикатных блоков достаточно  просто пропаривания, оно позволяет избавиться от лишней влаги. В изготовлении таких блоков не нужна глина, достаточно будет песка и извести. А для изготовления керамического кирпича требуется глина и обжигание, что достаточно дорогостоящее удовольствие.

Так же, очень важно достоинство блоков в том, что скорость их возведения намного выше, чем возведение обычного кирпича.  Блоки обладают большими размерами, и конструкции из таких блоков можно возводить всего за несколько дней.

За один раз специальная техника может уложить четыре блока. Чтобы построить огромную стену понадобится всего несколько часов времени.

Ну а если вам понадобились штукатурно малярные работы в Москве — посетите сайт ledpole.ru. Только там вам помогут заштукатурить ваши перегородки за разумную плату.

Элементы, которые входят в состав этих блоков, очень экономичны и доступны в цене. Но при этом расход силикатных блоков намного меньше, чем при кладке кирпича. Так как при кладке стыков получается намного меньше, то и раствора используется намного меньше, есть только горизонтальный шов, а вертикального нет.

На возведение домов из кирпича нужна уйма времени и сил, порой дома строятся годами, но зачем так мучится с таким материалом, если есть методы намного проще.

Силикатные блоки обладают достаточной теплоизоляцией и звукоизоляцией. В таком доме вы можете не боятся зимы, или проезжей части возле дома.

Так же блоки обладают достаточной влагостойкостью, что позволит такому дому стоять вечно, не боясь каких-то внешних факторов.

Итак, из всего выше сказанного можно сделать вывод, что силикатные блоки имеют свои большие преимущество по сравнению с кирпичом, они не только намного дешевле, но на постройку домов из таких блоков уйдет в два раза меньше времени. Такой материал может позволить себе каждый, и будет этим материалом очень доволен, так как помимо всего прочего, блоки имеет хорошее качество.

Монтаж пазогребневых перегородок своими руками: виды и особенности блоков

При осуществлении строительных работ минимизация временных и денежных расходов чаще всего имеет решающее значение. Практика показывает: применение пазогребневых плит (или ПГП) позволяет оперативно и с минимальными затратами реализовать необходимую модификацию жилого помещения. Монтаж блоков такого типа будет стоить на 15% дешевле построения кирпичной кладки и на 10% — установления гипсокартонной перегородки. Рассмотрим особенности возведения стен из пазогребневых блоков и их ключевые характеристики.

Пазогребневая плита – что это?

Для начала разберемся, что такое пазогребневая плита. В большинстве случаев она представляет собой гипсовый (силикатный) блок, который производится посредством формовки. По периметру гипсоблока располагаются пазовые впадины и гребневые выступы. Из-за технических особенностей ПГП используются, как правило, в ненесущих конструкциях и помещениях, и не подверженных сильному увлажнению в процессе эксплуатации.

Виды пазогребневых плит

По сырьевому материалу различают следующие виды ПГП:

  • Гипсовые. Технология производства требует использования гипса в качестве основного сырья. С целью получения дополнительных свойств (например, влагостойкости или прочности), к нему добавляются специальные вещества. Экологическая безвредность гипса позволяет монтировать такие стены из пазогребневых плит даже в помещениях, отведенных под детские комнаты;

  • Силикатные. Изготавливать эти плиты помогает силикатизация извести и песка кварца в герметичной емкости в условиях повышенных температур. Этот технологический процесс дает на выходе силикатную пазогребневую плиту, отличающуюся влагостойкостью.

Межкомнатные перегородки из пазогребневых плит возводятся блоками одного из двух типов:

  • Полнотелые (цельные). Производятся в виде монолитного блока. К монтажу стен из цельных плит прибегают для получения более высокой надежности конструкции;

  • Пустотелые, снабженные перфорированными отверстиями. Такая особенность конструкции способствует снижению веса блоков и удобству в процессе их укладки. Отверстия, имеющиеся в перегородках из пазогребневых блоков, иногда используют под каналы для электрических проводов, кроме того, они также улучшают показатели тепловой и звуковой изоляции.

Описание плюсов и минусов пазогребневых плит

Сначала рассмотрим преимущества ПГП, благодаря которым они станут удачным выбором при установке перегородок между жилыми помещениями:

  1. Доступность по средствам. Экономическая оправданность использования ПГП – один из главных «козырей» этих блоков. Покупка таких конструкций обойдется до 30% дешевле, чем материалы из пеногазосиликата, керамического кирпича или гипсокартона.

  2. Звукоизоляция. При условии правильного монтажа пазогребневых плит обеспечивается надежная защита от проникновения нежелательных звуков в соседние помещения. Утеплитель из минеральной ваты, расположенный между двумя гипсовыми блоками, гарантирует чуть ли не 100%-ную шумоизоляцию в смежных квартирах.

  3. Безопасность. В сырье, которое используется при изготовлении пазогребневых блоков, не содержится компонентов, могущих нанести ущерб здоровью человека. К тому же, эти конструкции не воспламеняются, а при нагревании не выделяют отравляющих испарений. Такие особенности допускают применение пазогребневых плит в кухнях и комнатах с отопительными установками.

  4. Простота монтажа. Наличие пазовых углублений и гребневых выступов позволяет без проблем установить перегородку из пазогребневой плиты своими руками даже человеку, не имеющему опыта строительно-монтажных работ. Все, что требуется, — это корректно произвести разметку и соблюдать прямолинейность при помощи правила.

  5. Персонализация пространства. Визуально светлые, элегантные стены из ПГП расширяют пространство и обеспечивают обстановку максимального комфорта.

  6. Легкость. Сравнительно малый вес конструкции (ПГП в два раза легче, чем кирпич) исключает чрезмерное давление на перекрытия между этажами.

Теперь перейдем к минусам ПГП:

  1. Необходимость правильной конфигурации основания. При возведении перегородок из ПГП крупноблочная структура препятствует надлежащему выравниванию примыкающих поверхностей. Такая особенность ПГП заставляет человека, собирающегося монтировать подобные перегородки, производить предварительное выравнивание всех плоскостей.

  2. Гигроскопичность (гипс). Перегородка из гипсовой пазогребневой плиты обладает свойством впитывать влагу, а в процессе высыхания часто подвергается деформации. Поэтому специалисты рекомендуют переходить к монтажу после окончания процессов, требующих задействования влаги.

  3. Подверженность ломкости. В условиях высоких нагрузок стена из пазогребневых блоков может лопнуть. Перед тем, как монтировать такую перегородку на деревянный пол, следует произвести его надежное укрепление. Особенной предусмотрительности требует установка ПГП в зданиях-новостройках: из-за того, что они могут дать усадку, применение демпфирующей ленты является абсолютной необходимостью.

Как устанавливать пазогребневые плиты: этапы технологии

Возводить пазогребневые перегородки можно только после окончания работ по штукатурке, установления санитарно-технических и электропроводящих коммуникаций, прокладкой черновых полов и заливкой стяжки. Для успешного результата монтажных работ нужно следить за влажностью (должна быть меньше 60%) и температурой (не допускать ее падения ниже 5 градусов). Монтаж перегородок из пазогребневых блоков предполагает следующие этапы:

Подготовка базы

Следует позаботиться об идеальной ровности основания под стены из пазогребневых плит. В случае наличия каких-либо трещин или шероховатостей, их лучше всего обработать раствором цемента, а образовавшиеся вследствие этого наплывы устранить шпателем. При наличии значительных искривлений рекомендуется применять бетонную стяжку.

На пол следует нанести разметку согласно заранее составленному проекту и обозначить места, в которых надлежит быть проемам дверей. Перенос линий на потолки и стены осуществляется лазерным осепостроителем. Для повышения характеристик пазогребневых плит, отвечающих за звукоизоляцию, эксперты рекомендуют зафиксировать эластичную прокладку на всех поверхностях, примыкающих к ПГП.

Закрепление перегородки

Инструментом крепежа для ПГП могут выступать скобы класса «С3» или «С2». Они прикручиваются к деревянным полам, потолку и стенам с помощью саморезов. В случае бетонного пола должную устойчивость обеспечит клеевой раствор. Однако самыми распространенными крепежными инструментами являются равнополочные уголки, а также подвесы по гипсокартону. Плиты, расположенные в углах, подлежат креплению посредством перфорированной ленты или подвеса для гипсокартонных листов.

Монтаж первого ряда пазогребневых плит

Перед тем, как устанавливать ПГП, необходимо дать им сутки на то, чтобы «отлежаться». За это время придут в норму показатели влажности и температуры.

В независимости от размера пазогребневых плит, нижний их ряд следует выкладывать с филигранной ровностью: так обеспечивается вертикальное положение для будущей перегородки. Есть два варианта укладки ПГП – вверх или вниз пазом. В первом случае наблюдается лучшее распределение растворной смеси. При выборе такого способа монтажа следует предварительно срезать гребень с нижней стороны блока с помощью ножовки.

При монтаже первого ряда перегородки из пазогребневых плит следует контролировать ровность кладки с помощью уровня и резиновой киянки. Выдавливающиеся излишки раствора необходимо сразу убирать.

Монтаж последующих рядов

В процессе дальнейшей выкладки ПГП нужно следить за тем, чтобы вертикальные швы верхних и нижних блоков не совпадали. Для повышенной прочности перегородки эксперты советуют располагать блоки с шагом в половину их длины. Каждый следующий уровень следует выкладывать только после того, как «схватится» клеевой слой предшествующего.

Установка последнего ряда

Между потолком и финальным перегородочным уровнем необходимо будет оставить просвет размером примерно 2 см. Надежное крепление возведенной стены к потолку обеспечат анкерные болты и скобы. В конце установочных работ оставленный зазор заполняется монтажной пеной.

«Первый стройцентр Сатурн-Р» является одной из передовых компаний на рынке строительных материалов, в ассортименте которой есть высококачественные и долговечные пазогребневые плиты фирмы ГИПСОПОЛИМЕР.

Согласование металлосиликатного разделения и поздней аккреции на Земле

Исходный материал

Исходным силикатом, использованным в этом исследовании, был природный базальт Срединно-океанического хребта (MORB) с Восточно-Тихоокеанского поднятия, который был подвергнут микромеханической обработке в небольшие диски. Его состав указан в дополнительной таблице 1. Базальтовый состав использовался в качестве заместителя для среднего состава магматического океана из-за его более низких кривых плавления по сравнению с перидотитом или пиролитическим стеклом 42 .Базальты плавятся при более низких температурах и образуют однородный силикат закалки. Кроме того, в предыдущих работах по разделению платины не сообщалось о значительном влиянии силикатного состава (например, 15 ).

Сплав (Fe, Pt) синтезирован на поршневом цилиндре. Эксперимент проводился в сверхликвидусных условиях, чтобы отделить металлический сгусток Fe – Pt от базальтового стекла. Металлические порошки Fe и Pt высокой чистоты смешивали в соотношении 1: 2 с порошкообразным натуральным MORB.Синтез проводили при 15 кбар и 1800 ° C с использованием стандартной сборки ячейки давления BaCO 3 ½ дюйма, с графитовой печью и капсулой из MgO. Извлеченный металлический шарик диаметром около 1 мм был отполирован и проанализирован с помощью SEM-EDX при 15 кэВ. Состав, усредненный по нескольким областям, показал, что пятно составляло примерно 50:50 мас.% Fe: Pt. Текстуры закалки в сплаве указывали на неоднородности, и он содержал небольшие количества других компонентов, таких как S. Небольшие кусочки металла были поцарапаны из основного сплава и измельчены в агатовой ступке, а затем спрессованы в фольгу толщиной около 10 мкм для загрузки в алмазные ячейки.

Эксперименты с ячейкой с алмазной наковальней с лазерным нагревом

Для каждого эксперимента фольга из сплава Fe-Pt была зажата между двумя базальтовыми дисками толщиной 20 мкм и помещена в камеру для образца рения. Прокладки были предварительно вдавлены до толщины ~ 30 мкм, а камеры для образцов диаметром ~ 80 мкм были сделаны с помощью лазерного сверла. Затем сборку образца сжимали между двумя алмазами (диаметр кюлет 200 или 300 мкм), чтобы увеличить давление в камере для образца. Небольшой рубиновый шарик, помещенный на один край каждой экспериментальной камеры, вдали от зоны нагрева, чтобы избежать загрязнения силикатного расплава Al 2 O 3 , использовали в качестве индикатора давления по флуоресценции рубина 43 .Сдвиг рамановского пика алмаза (1334 см, -1, при 1 бар) также использовался для проверки давления. Двухсторонняя система лазерного нагрева с использованием инфракрасного лазера мощностью 200 Вт ( λ max = 1070 нм) и размером пятна 10–20 мкм в диаметре фокусировалась на области контакта металла с силикатом и использовалась для нагрева. вверх и расплавить образец.

Спектры термоэмиссии получены с помощью объектива кассегрена без хроматических аберраций. Эти спектры снимались одновременно с каждой стороны ЦАП примерно каждые 2 с во время экспериментов.Их анализировали с помощью одноступенчатого монохроматора с ПЗС-детектором. Температуры определялись в ходе эксперимента путем подгонки спектра теплового излучения к функции Планка в диапазоне ~ 450–750 нм 44 . Измеренные температуры были средними для центральных 5 микрон горячей точки. При условии, что коэффициент излучения не зависит от длины волны в функции излучения Планка, температурные погрешности составляют порядка ± 200 К. Температурные градиенты присутствовали во время экспериментов LHDAC.У нас не было возможности (система 4-цветного изображения) для количественной оценки этого градиента, но эти вариации вместо этого учитываются в неопределенностях для измерений температуры, которые включают разницу между измеренными температурами на двух сторонах образца, аналитическую неопределенность 100 K 45 , и неопределенность, связанная с поправкой на осевые градиенты температуры 46 . Образцы состоят из тонкой фольги из сплава (Fe, Pt), зажатой между двумя дисками силикатного стекла с контролируемой геометрией.Градиенты температуры сильны на очень тонком пограничном слое между частично расплавленным образцом и холодным окружающим стекловидным материалом, который действует как химическая и термическая изоляция. Осевые градиенты температуры нельзя избежать в пределах нагреваемой области, но они сильно минимизированы из-за сверхжидкостных условий экспериментов 21,29,47 .

Указанные температуры соответствуют наивысшим средним температурам, достигнутым при плавлении с обеих сторон (например, дополнительный рис.1). Эксперименты были быстро прекращены при самых высоких температурах путем отключения питания лазера. Горячая точка каждого образца оставалась в условиях сверхжидкости до минуты, обеспечивая химическое равновесие между металлической и силикатной фазами. Предыдущие работы определили, что шкала времени для уравновешивания во время экспериментов по разделению металл-силикат при гораздо более низкой температуре для больших образцов составляет порядка нескольких десятков секунд 29,48 . Экстремальные температуры экспериментов LHDAC в условиях сверхжидкости сильно способствуют химической диффузии.Например, 49 , по оценкам, диффузионная длина Fe составляет ~ 40 мкм за 1 с в силикатном расплаве. Радиусы карманов расплава в наших экспериментах составляют около 15–20 мкм. В многочисленных предыдущих работах LHDAC 20,21,29,30,47,49,50 было показано, что химическое равновесие достигается за несколько секунд. Это хорошо подтверждается химической однородностью металлической и силикатной фаз в продуктах прогона этих экспериментов (где конечная T сохранялась более 10 с во всех экспериментах).

Давления были повторно измерены после закалки, и к рубину была применена поправка на тепловое давление и оценки давления комбинационного рассеяния 51 .Неопределенности давления отражают разницу в давлениях предварительного и последующего нагрева. Эксперименты проводились при давлениях от 43 до 111 ГПа и температурах от 3600 до 4300 К. Эксперименты, проведенные при более низких значениях P – T, не увенчались успехом из-за нестабильного нагрева и меньшей чувствительности ПЗС-детектора при низких температурах.

Подготовка и анализ образцов после прогона

После декомпрессии ламели размером ~ 5 × 20 × 30 мкм были извлечены из области каждой пробы, которая была расплавлена, с использованием сфокусированного ионного пучка Zeiss Cross-beam ( FIB) инструмент.Пучок Ga +, работающий при 30 кВ, был использован для получения поперечного сечения зоны закалки расплава. Каждую поверхность ламелей очищали при токе 2 нА и 200 пА для окончательной полировки поверхности. Каждую пластинку прикрепляли одним углом к ​​кончику иглы микроманипулятора с вольфрамом, а затем помещали плашмя на кремниевую пластину с использованием клея электронного отверждения от Kleindiek Nanotechnik (см. Рис. S2). Эта геометрия позволила перенести на другие аналитические инструменты.

Точный NanoSIMS-анализ образцов требовал размещения на плоской подложке, чтобы избежать артефактов сигнала от краевых эффектов (наблюдаемых при сварке участков с медной сеткой).Осаждение платины, которое часто используется для защиты нижележащего материала во время измельчения сфокусированными ионами, на этих образцах не применялось. Срезы были отполированы ионами с обеих сторон и имели одинаковую толщину по всей длине перед нанесением на пластину и прикреплением с помощью клея электронного отверждения. После размещения на кремниевой пластине углы образцов, прикрепленных к микроманипулятору, были вырезаны ионным фрезерованием. Плоскостность образца была подтверждена дальнейшими наблюдениями SEM перед измерениями NanoSIMS.Поверхность каждого образца снова очищалась при слабом токе (100–200 пА) для удаления любых загрязнений перед измерениями NanoSIMS. После анализа образцов NanoSIMS был проведен второй цикл FIB для секции, сначала извлеченной из цикла №1. Этот новый участок был приварен к медной сетке и отполирован при низком токе пучка Ga + до толщины менее 100 нм, чтобы можно было наблюдать и характеризовать наноструктуры закаленного образца с более высоким разрешением с помощью ПЭМ.

На изображениях образцов в отраженных электронах видны типичные текстуры закаленных жидкостей как для металлической, так и для силикатной фаз (рис.1). Общие аспекты результатов опытов были очень похожи на ранее описанные эксперименты по разделению закалочного металла и силиката, проведенные с LHDAC 21,23,30,47 . Металлические жидкости имеют неоднородную текстуру из-за присутствия фаз, богатых Fe-Si-O-Pt, которые выделяются во время закалки (рис. 1). Такие особенности в металле часто наблюдались в экспериментах по разделению как на прессе большого объема 52 , так и на DAC 21,30,53 . Небольшие размеры (<200 нм) этих распадов затрудняют их точное определение.Также наблюдались силикатные текстуры (более подробно обсуждаемые ниже в разделе ПЭМ), типичные для экспериментов с суперликвидом.

Анализ основных элементов

Состав основных элементов образцов был охарактеризован с помощью энергодисперсионного рентгеновского анализа на сканирующем электронном микроскопе Zeiss Cross-Beam, работающем при 15 кВ. Перед анализом каждый образец был покрыт тонким слоем углерода (~ 20 нм). Металлическая и силикатная фазы продуктов опыта были достаточно большими (≥ нескольких мкм) для получения надежных результатов анализа EDX.Более того, большая толщина участков ФИП (≥3 мкм) наряду с геометрией образца обеих фаз сделали эти образцы пригодными для анализа EDX. Несколько спектров EDX от силикатной и металлической фаз были записаны в течение 60 с интегрирования и количественно определены стандартами. Средние составы металлов и силикатов, а также погрешности приведены в дополнительных таблицах 1, S4. Силикатная и металлическая фазы каждого эксперимента однородны в масштабе EDX-анализа, что указывает на то, что химическое равновесие было достигнуто в условиях наших экспериментов.Закаленный силикат типичен по составу, о котором сообщалось в предыдущих экспериментах по плавлению базальтовых стекол, проведенных в LHDAC, поскольку он так же обогащен FeO по сравнению с исходным силикатным материалом 29,42 . Это обогащение FeO, вероятно, связано с разделением FeO в расплаве. Эксперименты по разделению расплава / твердого силиката сообщают о значениях от 2 до 3 для разделения Fe в пользу расплава (например, эксперименты по разделению расплав / Mg-перовскит 49 , аналогичные отношениям обогащения FeO, наблюдаемым в наших экспериментах.Это привело к тому, что окислительно-восстановительные условия экспериментов были более окислительными, чем ожидалось (между ΔIW-1,26 и ΔIW-0,67). Закалочный металл состоял из железа в диапазоне от 30,45 до 71,68 мас.%, В то время как содержание платины варьировалось от 11,1 до 59,92 мас.%. Легкие элементы кремний (от 0,85 до 3,51 мас.%), Кислород (от 4,34 до 6,86 мас.%), Сера (от 0,64 до 8,4 мас.%) И следы Mn, Al, Mg, Ti, Na также присутствовали в металл. Различные количества S в металлической фазе возникают из-за неоднородного содержания S в исходном (Fe, Pt) сплаве, природный MORB также содержит несколько тысяч ppm S.Было оценено возможное присутствие углерода в сплавах (Fe, Pt) продуктов эксперимента LH-DAC. Аналогично предыдущим экспериментам по разделению 30 измеренное содержание углерода в образцах из аналогичной серии экспериментов было ниже пределов обнаружения (оценивается около 1 вес.%) 29 .

Анализ платины с помощью NanoSIMS

Концентрация платины в силикатной области каждого исследуемого продукта была измерена с помощью CAMECA NanoSIMS 50 в Национальном музее естественной истории в Париже.Пучок Cs + с энергией 16 кэВ был использован для определения содержания Pt через вторичные ионы 28 Si , 194 Pt и 27 Al 16 O . Точно сфокусированный первичный луч (с током 23–26 пА) удалял верхние слои материала образца (из областей с полем зрения ~ 9 × 9 мкм 2 (карты высокого разрешения) или 30 × 30 мкм 2 (карты с более низким разрешением)) для получения вторичных ионов, которые затем анализировались с помощью многосекционного масс-спектрометра с двойной фокусировкой высокого разрешения 54 .Перед каждым анализом использовался сильноточный пучок Cs + для предварительного распыления больших участков образцов в течение до 10 мин. Время интегрирования составляло от 30 до 90 минут, в течение которых было собрано несколько десятков кадров данных (до 60), в которых регистрировались накопленные подсчеты. Кадры данных были скорректированы и выровнены, чтобы составить карту общих подсчетов за все циклы для каждого вида. При точном растрировании поверхности образца были получены ионные карты с разрешением ~ 300 нм. Пространственное разрешение карт зависит от нескольких факторов, включая энергию ионизации измеряемых частиц, концентрацию частиц и ток пучка (например,г., 55 ). Из-за относительно высокой энергии ионизации и низкого содержания платины требовался высокий ток первичного пучка, что ухудшало пространственное разрешение измерений по сравнению с предыдущими измерениями серы с помощью NanoSIMS в аналогичных образцах 23 . Карты NanoSIMS также выглядят немного искаженными по сравнению с электронными изображениями.

Для определения концентраций платины в силикате гашения на основе измерений NanoSIMS, стандартные калибровки проводились на силикатных стандартах во время каждого сеанса.Стандарты были предварительно определены количественно с помощью лазерной абляции ICPMS (см. Подраздел «Стандартизация» ниже) и калибровочной кривой, полученной в результате регрессионного анализа стандартных измерений (дополнительный рисунок 3). Обратную регрессию по методу 56 использовали для определения концентрации платины в охлаждающем силикате в каждом опыте. Эта модель прогнозирования включает большие экстраполяции концентраций между стандартами и образцами в конвертах прогноза. Высокое разрешение ионных карт (~ 300 нм) позволяло измерять концентрацию платины в локализованных областях, тем самым избегая загрязнения артефактами или неоднородностями, видимыми на электронных изображениях.Загрязнения из-за подповерхностных артефактов также удалось избежать, поскольку NanoSIMS измеряет только верхние 100 нм образцов. Концентрации платины в силикатных частях каждого образца были усреднены от четырех до восьми областей интереса (ROI) в диапазоне от 0,5 до 1 мкм размером 2 . Ошибки, указанные для концентраций платины в силикатах, основаны на стандартных отклонениях ROI.

Стандартизация

Сертифицированные стандарты NIST (NIST 612 и 610) 57 использовались в качестве силикатных стандартов для анализа состава.Собственные стандарты силикатного стекла также были синтезированы путем добавления следовых количеств платины к натуральному MORB (NMORB) или синтетическому MORB (FMORB). Гомогенные смеси готовили в агатовой ступке и плавили либо с помощью гидродинамического газового лазерного левитационного устройства при температурах от 1873 до 2273 К, либо в конвекционной печи при температурах до 1973 К. Закаленные продукты этих синтезов восстанавливали, помещали в эпоксидную смолу и применяли. полировка для композиционного анализа. Состав основных элементов был получен с помощью микрозонда Cameca SX100.Типичные рабочие условия включали ускоряющее напряжение 15 кэВ при токе пучка 10 нА. Время интеграции составляло от 10 до 60 с, в среднем по нескольким интеграциям. Некоторыми из стандартов, используемых для основных элементов, были диопсид (Si, Mg Ca), Fe 2 O 3 (Fe), ортоклаз (K, Al), альбит (Na), MnTiO 3 (Ti, Mn). , Cr 2 O 3 (Cr).

Анализ содержания микроэлементов в силикатных стандартах был проведен с помощью масс-спектрометра с лазерной абляцией и индуктивно связанной плазмой (LA-ICPMS) в Нантском университете.Для абляции образцов использовался Nd-YAG-лазер, работающий на длине волны 213 нм в импульсном режиме. Для элементного анализа использовался масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) Thermo Scientific Element XR с высокой элементной чувствительностью и точностью. Рабочие условия во время анализа включали диаметр луча 85 мкм, частоту лазера 5 Гц и энергию 83 мДж. Были измерены изотопы 195 Pt и 194 Pt (NIST 612 использовался в качестве стандарта для этих измерений). Однородность платины в силикатных стандартах была проверена в масштабе измерений LA-ICPMS и NanoSIMS.Образцы, использованные в качестве стандартов, не показали всплесков концентрации платины вдоль профилей, что свидетельствовало об отсутствии включений наночастиц. Дополнительная таблица 2 суммирует содержание платины в силикатных стандартах, измеренное с помощью LA-ICPMS. На дополнительном рисунке 3 показано содержание платины в эталонах силикатного стекла, измеренное с помощью LA-ICPMS и NanoSIMS, а также модель, соответствующая этим данным. Обратите внимание, что силикатные стандарты, содержащие высокое содержание Pt, трудно синтезировать из-за выделения Pt и образования самородков в условиях P – T стандартных синтезов.Используемые стандарты содержали ~ 0–16,38 частей на миллион Pt.

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)

ПЭМ JEOL 2100F, работающая при ускоряющем напряжении 200 кэВ, использовалась для анализа тонкого среза опыта №1 (рис. 1c – e). Пластинка была исследована с помощью изображения в темном поле с высоким углом для исследования текстуры закалки как в металле, так и в силикате. Основной металлический сгусток показал закалочные растворения (рис. 1c, d), скорее всего, из-за присутствия O и Si в металле в условиях экспериментов.Такие особенности металлической закалки наблюдались в других экспериментах по разделению LH-DAC 21,29,30 . Также наблюдались мелкие металлические частицы (50–500 нм), диспергированные в закалочном силикатном расплаве. Общий вид и распределение этих частиц также очень похожи на наблюдаемые в предыдущих экспериментах по разделению LH-DAC (например, 21,29 ) и, следовательно, не могут быть отнесены только к присутствию HSE. Как и в случае с этими работами, мы интерпретируем эти частицы как происходящие из распада во время закалки, а не как равновесные наночастицы платины.

Эта интерпретация подтверждается измерениями EDX и электронной дифракции, выполненными на этих небольших металлических пятнах в ПЭМ. Хотя было трудно назначить пространственную группу дифракционным картинам, полученным на этих включениях, из-за их малых размеров, дифракция, полученная от основного металлического пятна и небольших металлических включений, указывает на две разные структуры. Кроме того, EDX-анализы, выполненные с помощью ПЭМ на мелких металлических частицах, показывают очень разные составы (Fe / Pt ~ 12.5) от расплава центрального основного металлического расплава (Fe / Pt ~ 1,4) (рис. 1e и дополнительная таблица 6), чего не было бы, если бы частицы находились в равновесии с основной металлической каплей. Эти наблюдения убедительно свидетельствуют о том, что наночастицы, скорее всего, являются результатом закалки из-за высоких температур. Эти частицы также неравномерно расположены в образцах и, кажется, образуются на расстоянии более нескольких сотен нанометров от основного металлического пятна. {{met} / {sil}} \, = \, a \, + \, b \, + \, c \ frac {P} {T} \, + \, d \ varDelta {IW} \, + \, e {{\ rm {Log}}} ({1 \, — \, X} _ {S}) \, + \, f {\ rm {Log}} ({1 \, — \, X} _ {O}) \) (e.г., 15 ). Известно, что валентность платины в силикатном расплаве зависит от условий летучести кислорода в эксперименте 24 . Мы предположили состояние с нулевой валентностью для Pt в силикатном расплаве в соответствии с недавними работами, которые показали, что при летучести кислорода, аналогичных текущим экспериментам (ΔIW от -1,26 до -0,67), платина, вероятно, присутствует в силикатном расплаве в состояние нулевой валентности 15,24 . Более того, настоящий набор данных по разделению Pt не показывает какой-либо разрешимой зависимости с fO 2 экспериментов, согласующихся с состоянием с нулевой валентностью для Pt в силикатном расплаве.Было высказано предположение, что Pt может образовывать анионные частицы, такие как PtC, в силикатных расплавах в аналогичных окислительно-восстановительных условиях 15 из экспериментов, проведенных в LVP, в которых образцы были заключены в графитовые капсулы. Хотя наш анализ не может исключить присутствие PtC и других анионных частиц в закалочном силикате, не было никаких указаний на измерения TEM EDX, подтверждающих присутствие анионных частиц.

Анализ множественной линейной регрессии был проведен на наборе данных, который объединяет коэффициенты разделения, измеренные в этом исследовании, с коэффициентами из предыдущих работ 4,15,24,26 .Набор данных был адаптирован к параметризации выше, чтобы определить константы a, b, c, d и т. Д. Некоторые термины не были статистически значимыми и были удалены, а данные повторно подогнаны до тех пор, пока не остались только статистически значимые термины. Было обнаружено, что температура является единственной статистически значимой переменной (т.е. давление, металлический состав и fO 2 имеют неразрешимые эффекты на разделение Pt). Мы пришли к выводу, что температура, таким образом, оказывает доминирующее влияние на поведение разделения платины в диапазоне комбинированного набора данных (1–111 ГПа, 1700–4300 К).Это согласие убедительно указывает на то, что наши результаты согласуются с измерениями, полученными в экспериментах LVP, даже несмотря на то, что условия измерения не перекрываются напрямую. Этот результат также показывает, что измерения разделения из этой работы термодинамически согласуются с предыдущими работами, приводящими аргументы в пользу химического равновесия и соответствующих измерений Pt из текущих экспериментов LHDAC.

В условиях наших экспериментов (т. Е. При высоких температурах) присутствует значительное количество легких элементов (т.е.е., O, Si, S) в металле. С помощью параметризации мы смоделировали потенциальные эффекты металлического состава (наличия легких элементов) на разбиение Pt. Однако, как сообщается в рукописи, влияние O, Si и S на разделение Pt статистически незначительно. В недавней работе 58 сообщалось о решаемом отрицательном влиянии серы на распределение Pt. Этот эффект был выведен из экспериментов, содержащих большое количество S в сплавах (Fe, S) (т.е. содержание S выше эвтектического состава в системе Fe – S и даже в стехиометрических жидкостях Fe – S).В условиях наших экспериментов содержание серы в металле относительно невелико (~ 0,1 для четырех экспериментов и двух экспериментов, в которых содержание серы очень низкое, ниже 0,03 (т.е. <2 мас.%)). Существенного влияния серы на распределение Pt, особенно при низкосернистых составах в наших данных DAC, не ожидается 58 .

Моделирование образования ядра и аккреции

Это новое параметризованное разделение Pt было введено в непрерывные и многоступенчатые модели формирования ядра, в которых Земля растет в результате аккреции планетезималей и планетарных эмбрионов.Плавление протомантии происходит за счет ударного нагрева и выделения гравитационной энергии. По мере роста планеты глубина плавления увеличивается, и P – T условия равновесия ядро-мантия увеличиваются вдоль перидотитового солидуса – ликвидуса. Ядра падающих планетезималей рассеиваются и уравновешиваются в силикатном океане земной магмы перед слиянием с ядром Земли. Параметризованные модели формирования керна 27 широко использовались и модернизировались в нескольких недавних работах (например,г., 23,28,29,32,59,60,61 ).

В наших моделях аккреция дискретизируется большим количеством шагов. Первые 80% массы Земли прибавляются с постоянным приращением массы 0,1%. В последних 20% аккреции преобладают более крупные столкновения (прирост массы 2%) и последний прирост массы 10% (представляющий удар формирования луны). Такие сценарии роста были предложены динамическим моделированием 8 . Масса ( M ) увеличивается итеративно в (i) шагах (от нескольких сотен до 1000 шагов в зависимости от доли крупных ударов, учитываемых в моделях), при каждом добавлении ( δΜ i ) от общей массы Земли: M i = M i – 1 + δΜ i (Ур.S1).

Были дифференцированы все сросшиеся планетезимали и эмбрионы; ядро и мантия эмбрионов были полностью уравновешены в условиях P – T, рассчитанных как функция их массы. Предполагалось, что объемный состав был хондритовым на протяжении истории аккреции, а объемный состав растущей Земли был эквивалентен предполагаемому объемному составу Земли 62 .

Окончательная глубина магматического океана — важный параметр моделей. Чтобы оценить влияние этого параметра, модели рассматривают диапазон глубин между мелкими и глубокими магматическими океанами, который с точки зрения давления колеблется от 0 до 135 ГПа (современная глубина реликтового излучения).{1 / 1.9}) $$

(S4)

Уравнение (S2) соответствует солидусу перидотита после 22,33 . Уравнение (S3) — это горячий ликвидус после 22 , а уравнение (S4) — это промежуточный ликвидус, который соответствует среднему арифметическому S2 и S3.

Концентрации платины и других элементов в образующейся мантии и ядре были рассчитаны на основе выражений химического баланса массы для аккрецирующей Земли вместе с параметризациями разбиения, определенными в этом исследовании (уравнение.2) и из литературы 29,30,32 для умеренно (Ni, Co) и слабых (Cr, V) сидерофильных элементов и состава ядра в Si и O. очень восстановленный (ΔIW-4.5) до окисленного (ΔIW-1). Это охватывает диапазон предлагаемых начальных окислительно-восстановительных условий для аккреции и дифференциации Земли 27,28,30,32,63 . FO 2 в этих моделях должен был развиваться, чтобы соответствовать окончательному fO 2 существующей системы ядро-мантия (ΔIW-2.3).

Массовый баланс увеличивающегося эмбриона в элементе, c , определяется как:

$$ {c} _ {b} \, = \, F {c} _ {ce} \, + \, (1 \, — \, F) {c} _ {me} $$

(S5)

Где c me — концентрация в мантийном зародыше, c ce — концентрация в ядре эмбриона, а c b — его основной состав. F — массовая доля ядра тела, принимаемая равной 0.323 для Земли. Предполагается, что эффективное разделение видов в эмбрионах остается постоянным и определяется как:

$$ \ frac {{C} _ {ce}} {{C} _ {me}} \, = \, {\ rm {Dc}} $$

(S6)

Сохранение массы элемента, c , в аккрецирующем ядре Земли и мантии численно интегрировано в соответствии с подходами, разработанными в 61 :

$$ \ frac {d} {dt} ((1 \, — \, F) {{\ rm {Mc}}} _ {{\ rm {m}}}) \, = \, [(1 \, — \, F) {{{c}}} _ {{\ rm {me}}} \, + \, \, {\ varepsilon {F}} ({{{c}}} _ {{\ rm {ce}}} \, — \, {{{D}}} _ {{\ rm {c}}} {{{c}}} _ {{\ rm {m}}})] \ frac {dM} {dt} $$

(S7)

$$ \ frac {d} {dt} \, ({\ rm {FMc}} _ {{\ rm {c}}}) \, = \, + [{{\ varepsilon {FD}}} _ {{\ rm {c}}} {{{c}}} _ {{\ rm {m}}} \, + \, (1 \, — \, {{\ varepsilon}}) {{{Fc} }} _ {{\ rm {ce}}}] \ frac {dM} {dT} $$

(S8)

Где c m и c c — концентрация химических веществ в мантии и в ядре Земли.Для растущей Земли D c изменяется как функция P, T и других термодинамических переменных. Частичное уравновешивание из-за неполного перемешивания вводится в модель параметром ε , который определяет эффективность равновесия между металлом и силикатом (т. Е. Массообмен между металлом и силикатом, нормированный на его максимально возможное значение 61 .

Эффекты частичного уравновешивания были определены количественно в соответствии с формализмом, разработанным на основе результатов гидродинамических экспериментов 64 .Эффективное уравновешивание как металла, так и силиката требует, чтобы большие объемы железа из сердечников ударных элементов смешивались с расплавленными силикатами до небольших масштабов. Смешивание металла и силиката количественно оценивается турбулентным уносом 64 . После этой работы можно рассчитать коэффициент эффективности уравновешивания ( ε ) на каждом этапе аккреции и уравновешивания ядро-мантия на дне магматического океана. Этот параметр используется в нашем моделировании, и уравновешивание металла и силиката, соответственно, зависит от (1) сидерофильности рассматриваемого элемента в условиях P – T уравновешивания, (2) размера ударника, (3) глубины залегания magma, (4) коэффициент увлечения, взятый после 64 (т.е., α = 0,25). Член ε также рассчитан для последнего гигантского удара, рассматриваемого в этой работе, и, поскольку диаметр ядра ударника приближается к глубине магматического океана, прогнозируется низкая степень повторного уравновешивания. Напротив, ударные элементы с небольшими размерами относительно глубины магматического океана эффективно восстанавливают равновесие.

Для элемента с высокой сидерофильностью уравновешивание эффективно только в том случае, если металл смешивается с гораздо большей массой силиката (примерно в D раз больше массы силиката).Было показано, что эффективность уравновешивания металл-силикат сильно снижается, когда размер ударников приближается к толщине магматического океана 64 . Таким образом, только часть металла и силиката повторно уравновешивалась в P – T условиях основания магматического океана, особенно во время аккреции от гигантских ударов. Чтобы оценить влияние частичного уравновешивания на конечное содержание Pt в BSE, мы рассмотрели несколько различных сценариев, включая аккрецию Земли в основном от крупных столкновений (результаты обсуждаются ниже вместе с деталями моделирования частичного уравновешивания и показаны на дополнительном рис.4).

После каждого финального события уравновешивания ядра и мантии в каждом прогоне модели также оценивается дополнительная хондритовая масса поздней аккреции, чтобы учесть общее содержание платины в нынешней мантии 6 . Предполагается, что состав поздней аккреции аналогичен составу CI (например, 65 ), что подтверждается недавними работами, в которых утверждается, что углеродистые хондриты лучше всего соответствуют составам легколетучих элементов, таких как N, C и H 66,67 и избыток умеренно летучих элементов, таких как S, Se и Te 68,69 .Изотопные сигнатуры Os интерпретируются как поддерживающие составы H и CI 6,70 , в то время как изотопные сигнатуры Ru, как было показано, благоприятствуют как составу CI 40 , так и внутреннему происхождению солнечной системы 71 для компонентов поздней аккреции. Однако рассмотрение других типов хондритовых материалов (обычных или энстатитовых хондритов) в качестве возможных источников поздней аккреции лишь незначительно повлияет на оценки поздней аккреции, необходимые для учета содержания Pt в BSE, поскольку хондриты содержат довольно однородный состав Pt 62 .

Результаты модели

Полное уравновешивание ядро-мантия ( ε = 1) вдоль средней геотермы может объяснить содержание Pt в мантии, если уравновешивание ядро-мантия происходит между 54 и 59 ГПа (рис. 3a). Если уравновешивание происходит при P ~ 55 ГПа, требуемая добавка к поздней аккреции составляет ~ 0,38% M E , что совпадает с оценкой нижней границы массы поздней аккреции 2 . Выше ~ 55 ГПа уравновешивание ядро-мантия приводит к содержанию Pt, несовместимому с минимальным количеством поздней аккреции, необходимым для объяснения распространенности других HSE.Синяя горизонтальная линия на рис. 3a показывает позднюю аккреционную массу, оцененную с учетом относительного содержания хондритов в других HSE 5 .

На рис. 3b белые и красные кружки соответствуют минимальному количеству Pt, оставшемуся в мантии из моделей формирования ядра, которые учитывают набор умеренно и слабосидерофильных элементов (Ni, Co, V и Cr), которые имеют широко использовались в предыдущих работах для ограничения P, T и fO 2 условий формирования ядра Земли (например,г., 21, 29, 30 ). Все результаты моделирования для любых условий P – T – fO 2 попадают на эту черную линию. Например, если аккреция началась при ΔIW-4.5 вдоль холодной геотермы, минимальное количество Pt (0,8 частей на миллиард) может быть получено для конечного давления уравновешивания ядро-мантия при 48 ГПа, совместимого с наблюдаемым содержанием Ni – Co – V. –Cr БФБ. Но это решение дает ядро ​​Земли, содержащее небольшое количество O (0,5 мас.%) И Si (3,9 мас.%), Несовместимое с сейсмологией 32 .Модели, ведущие к приемлемому решению как для бюджета сидерофильных элементов (Ni, Co, V и Cr) в мантии, так и для легких элементов (O, Si) в ядре, все приводят к минимальным значениям, несовместимым с массой поздней аккреции, необходимой для учета для других изотопов HSE и Os. Это показывает, что дополнительные механизмы (например, диспропорционирование) были необходимы в ранних магматических океанах для удаления избытка Pt, оставшегося от образования ядра.

Частичное уравновешивание между металлическими ядрами ударников в магматическом океане может снизить количество платины, которая накапливается в мантии при заданном P – T состоянии.Во время частичного уравновешивания металлические ядра ударников не рассеиваются полностью, и большие куски металла секвестрируются в ядро ​​без химического взаимодействия с океаном магмы. Это происходит во время аккреции больших ударов, которая, как обычно считается, произошла на более поздних стадиях аккреции Земли (например, 8 ). Используя формализм частичного уравновешивания из 64 , формирование ядра может привести к 2–3 ppb Pt между 53 и 59 ГПа и может объяснить содержание Pt в BSE при более высоких давлениях, между 75 и 80 ГПа (дополнительный рис.4). Таким образом, в принципе частичное уравновешивание может привести к содержанию Pt, совместимому с добавлением поздней аккреции, если уравновешивание происходит между 53 и 59 ГПа. Однако, чтобы учесть умеренно сидерофильные элементы, конечное давление уравновешивания ядро-мантия должно быть смещено в сторону более высоких давлений, между 75 и 85 ГПа. Соответственно, частичное уравновешивание не может обеспечить самосогласованный механизм для снижения количества Pt в BSE из-за уравновешивания ядра и мантии. Модели всегда приводят к избытку Pt в пространстве решений P – T – fO 2 , что также может учитывать другие умеренно сидерофильные элементы.Выше 55 ГПа (полное уравновешивание, рис. 3a) или выше около 68 ГПа (частичное уравновешивание, дополнительный рис. 4) слишком много Pt и недостаточно компонентов позднего аккреции для учета всех HSE.

Огибающие ошибок для концентраций платины, представленные с результатами модели (рис. 3a, b и дополнительный рис. 4), основаны на неопределенностях регрессионного анализа для платины (см. Уравнение 2).

Удаление Pt из-за диспропорционирования Fe
2+

Содержание Pt в мантии рассчитывается после сегрегации различными количествами осажденного Fe (в результате диспропорционирования Fe 2+ до Fe 3+ и Fe 0 ) с использованием одноступенчатого расчета баланса массы на основе уравнения.(S5) 36 . В этом расчете c b — это платиновый состав мантии после образования ядра, а c me — конечная концентрация мантии после взаимодействия с фракцией F металлического железа. Коэффициент разделения эквивалентен c ce / c me , и используемые значения основаны на выражении разделения (основной текст уравнение 2). Отсутствие HSE и других примесей в осажденном Fe позволяет этому процессу эффективно удалять Pt даже в мелководном магматическом океане.Это контрастирует с ядрами поражающих планетизималей, которые уже содержат полный комплект HSE. В случае неэффективного перемешивания и уравновешивания капель Fe в магматическом океане потребуется больше осадков Fe для удаления HSE. Например, если смешивание является эффективным только на 50%, это примерно удвоит количество Fe, необходимое для удаления Pt, накопленного как в глубоких, так и в неглубоких условиях магматического океана (~ 1 мас.% Fe на 30 частей на миллиард Pt в глубоком магматическом океане). .

Эволюция Pt / Os и
186 Os / 188 Os мантии

Ожидаемое отношение Pt / Os в мантии до поздней аккреции было определено с использованием поведения распределения для Pt, определенного в этом исследовании (основные текст Ур.2) и выражение разделения для Os из более ранней работы 31 как одностадийный расчет формирования керна (на основе уравнения S5). Рассматриваемые значения P – T равновесия ядро-мантия составляют P = 60 ГПа и T = 3500 K. Начальные объемные концентрации Pt и Os на Земле основаны на хондритовой модели Земли 62 . 190 Pt распадается до 186 Os с очень длительным периодом полураспада (6,5 × 10 11 лет) и считается стабильной в масштабах времени образования Земли 39 .Отношение Pt / Os после формирования ядра колеблется от ~ 60 до 8,6, что со временем приведет к более высокому радиогенному содержанию 186 Os / 188 Os, чем BSE. BSE 186 Os / 188 Os похож на хондриты, но образцы, взятые из некоторых лав плюма, показывают супрахондритовые значения (рис. 4b). Мы вычислили средние значения 186 Os / 188 Os, которые были бы результатом смешения между современной верхней мантией и различными фракциями (от 10 до 30%) мантийного резервуара, сформированного до поздней фанеры, в котором не наблюдалось диспропорционирования.

Металл-силикатное разделение W и Mo и роль углерода в контроле их содержания в массивной силикатной земле

Разделение жидкий металл-жидкий силикат молибдена и вольфрама во время формирования ядра должно быть хорошо ограничено, чтобы понять эволюция Земли и других планетных тел, в частности потому, что изотопная система Hf – W используется для определения даты ранней планетной эволюции. Было высказано предположение, что коэффициенты распределения D Mo и D W зависят от давления, температуры, силикатного и металлического состава, хотя в предыдущих исследованиях были получены различные и противоречивые модели.Кроме того, высокие катионные заряды W и Mo в силикатных расплавах делают их коэффициенты распределения особенно чувствительными к летучести кислорода. Мы объединяем 48 новых экспериментальных результатов при высоких давлениях и температурах с обширной базой данных предыдущих экспериментов, чтобы пересмотреть систематику разделения Mo и W и произвести пересмотренные модели разделения из большого комбинированного набора данных. Разделение W особенно чувствительно к силикатным и металлическим составам расплавов и становится более сидерофильным с повышением температуры.Мы показываем, что W имеет степень окисления 6+ в силикатных расплавах в полном экспериментальном диапазоне f O 2 от ΔIW от -1,5 до -3,5. Мо имеет степень окисления 4+, и его распределение менее чувствительно к составу силикатного расплава, но также зависит от состава металлического расплава. D Mo остается примерно постоянным с увеличением глубины Земли. Как W, так и Mo становятся более сидерофильными с увеличением содержания C в металле: поэтому мы провели эксперименты с различными концентрациями C и подобрали параметры эпсилон-взаимодействия: εCMo = −7.03 ± 0,30 и εCW = −7,38 ± 0,57.

W и Mo вместе с C включены в комбинированную модель аккреции N-тел и дифференциации ядра и мантии, которая уже включает основные породообразующие элементы, а также S, а также элементы с умеренными и сильными сидерофилами. В этой модели градиенты окисления и летучести проходят через протопланетный диск, так что Земля срастается неоднородно. Эти градиенты, а также уравновешивающее давление металл-силикат, подбираются с использованием оптимизации наименьших квадратов, так что модель земной планеты воспроизводит состав массивной силикатной Земли (BSE) с точки зрения 17 смоделированных концентраций элементов (Mg, Fe , Si, Ni, Co, Nb, Ta, V, Cr, S, Pt, Pd, Ru, Ir, W, Mo и C).Включены эффекты взаимодействия W и Mo с Si, S, O и C в металле. Используя эту модель с шестью отдельными симуляторами аккреции планет земной группы, мы показываем, что W и Mo требуют, чтобы ранняя аккреция Земли была обеднена серой и обогащена углеродом, чтобы W и Mo эффективно разделялись в ядре Земли и не накапливались в мантии. В этом случае созданные планеты земного типа обладают составом мантии, соответствующим BSE для всех смоделированных элементов. Однако в литературе есть две отдельные группы оценок содержания углерода в основной массе мантии: низкая (∼100ppm) и высокая (∼800ppm), и все шесть моделей согласуются с более высокой оценкой содержания углерода.Низкое содержание C BSE может быть достигнуто, если учесть эффекты сегрегации дисперсных металлических капель, образующихся в глубоких магматических океанах, в результате диспропорционирования Fe 2+ до Fe 3+ плюс металлическое Fe.

Зависимость металл-силикатного разделения умеренно летучих элементов от летучести кислорода и содержания Si в металлическом Fe: последствия для их валентных состояний в силикатных жидкостях

https://doi.org/10.1016/j.gca.2018.06.022 Получить права и содержание

Abstract

Летучие сидерофильные элементы являются важными индикаторами доставки летучих элементов на Землю.Их концентрации в массиве силикатов Земли являются функцией относительного времени их аккреции и их секвестрации в ядре: поэтому требуется всестороннее понимание их поведения при разделении силикатов на металлы, чтобы сделать вывод об истории аккреции летучих элементов. Мы представляем новые данные о разделении жидкого металла и жидкого силиката при давлении 11 ГПа для ряда летучих сидерофильных элементов: Ag, As, Au, Cu, Ge, P, Pb, Sb, Sn. Мы уделяем особое внимание определению их валентных состояний и влиянию Si на разделение, которое требуется для экстраполяции экспериментальных условий на условия формирования ядра.Было обнаружено, что все элементы имеют параметры взаимодействия с Si от слабых до сильных положительных. При низком уровне f O 2 окислительно-восстановительные равновесия диктуют, что сидерофильные элементы должны стать более сидерофильными. Однако при низких значениях f O 2 Si также сильнее разделяется на металл. Учитывая отталкивающий характер взаимодействия между Si и интересующими элементами, повышенная концентрация Si при низком уровне f O 2 будет противодействовать ожидаемому увеличению коэффициента разделения, делая эти элементы менее сидерофильными, чем ожидалось в очень восстановительных условиях.Это приводит к тому, что линейная зависимость между f O 2 и log ( D ) становится нелинейной при низком уровне f O 2 , что мы учитываем, подбирая параметр взаимодействия между Si и элементами интерес. Это имеет значение для интерпретации экспериментальных результатов, потому что валентность не может быть определена из наклона логарифма ( D ) по сравнению с log f O 2 , если низкий f O 2 , высокий состав металлов с высоким содержанием Si работают без коррекции активности.Это также имеет значение для экстраполяции экспериментальных данных разделения на условия формирования ядра: условия восстановления на ранних стадиях формирования ядра не обязательно приводят к полному или даже сильному истощению сидерофильных элементов, когда Si присутствует в качестве легкого элемента в ядре. -формующая металлическая фаза.

Ключевые слова

Летучие сидерофильные элементы

Валентность

Разделение

Аккреция

Формирование ядра

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

© 2018 Elsevier Ltd.Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Разделение металлов / силикатов, образование расплавов, аккреция и образование ядра в Земле

Абстрактные

Формирование ядра на планетах земной группы происходило одновременно с аккрецией. Сигнатуры сидерофильных и халькофильных элементов в мантии планет являются результатом этих процессов. Для Земли содержание большинства сидерофильных и халькофильных элементов выше предсказаний, полученных на основе простых равновесий металл / силикат при низких давлениях [1].Это наблюдение привело к трем гипотезам о том, как эти содержания были установлены: гетерогенная аккреция [2], неэффективное формирование ядра [3] и равновесие металл / силикат при давлениях и температурах магматического океана [4]. Знание состава сидерофильных элементов в силикатных расплавах в равновесии с металлом может помочь различить эти гипотезы. Но есть некоторая неопределенность в отношении видообразования. Например, сообщалось, что Ni и Co присутствуют в силикатных расплавах в виде частиц с 1+ или нулевой валентностью в окислительно-восстановительных состояниях, подходящих для планетарной аккреции, а не в ожидаемом состоянии 2+ [5-7].Независимые эксперименты по разделению металл / силикат, проведенные тремя членами этой группы с использованием двух различных экспериментальных схем как для синтетических, так и для природных композиций, не показывают доказательств наличия Ni и Co в валентных состояниях, отличных от 2+, в широком диапазоне окислительно-восстановительных состояний. Например, коэффициенты распределения твердый металл / силикатный расплав для Ni при 1260 ° C, полученные VJH из экспериментов по изучению разделения Ni, Co, Mo, W и P, неотличимы от полученных JAD в аналогичных экспериментах по изучению разделения Ni. , Ge и Sn.2> 0,995. (Обратите внимание, что в обоих исследованиях fO2 рассчитывалось на основе термодинамических данных и фазового состава. Небольшое систематическое отклонение от истинного fO2, измеренного с помощью ячейки с твердым электролитом, одинаково влияет на оба уравнения, но не уменьшает их близкое соответствие.) Валентность Ni в силикатном расплаве получается путем умножения наклона кривой на -4, что указывает на двухвалентный Ni в обоих исследованиях. Эксперименты [8] между 1300 и 1550 градусами C и fO2 от воздуха до железного вюстита, в котором Ni и Co разделены между металлической Pt и силикатным расплавом CaO-Al2O3-SiO2, также показывают доказательства только валентности 2+.Capobianco et al. [1] отметили, что надежная экстраполяция текущих лабораторных температур (1190 ° C-1600 ° C) к температурам океана магмы невозможна. Гипотеза о том, что содержание сидерофильных и халькофильных элементов в мантии Земли было установлено равновесием металл / силикат при давлениях и температурах магматического океана, должна быть проверена с использованием прямых экспериментальных измерений при температурах и давлениях магматического океана. Такие эксперименты в настоящее время проводятся.Ссылки: [1] Capobianco et al. (1993) J. Geophys. Res., 98, 5433. [2] Wanke (1981) Phil. Пер. R. Soc. London, A303, 287. [3] Jones and Drake (1986) Nature, 322, 221. [4] Murthy (1991) Science, 253, 303. [5] Schmitt et al. (1989) GCA, 53, 173. [6] Ehlers et al. (1993) GCA, 56, 3733. [7] Colson (1992) Nature, 357, 65. [8] Capobianco and Amelin (1993) GCA, 56 (в печати).

Экспериментальные методы и протокол для подавления включений высоко сидерофильных элементов

J Vis Exp.2015; (100): 52725.

Нил Р. Беннет

1 Департамент наук о Земле, Университет Торонто

2 Геофизическая лаборатория, Вашингтонский институт Карнеги

Джеймс М. Бренан

1 Департамент Науки о Земле, Университет Торонто

Yingwei Fei

2 Геофизическая лаборатория, Вашингтонский институт Карнеги

1 Департамент наук о Земле, Университет Торонто

2 Геофизическая лаборатория Вашингтонского института

Copyright © Вашингтонский институт

2015, Journal of Visualized Experiments

Abstract

Оценки состава примитивной верхней мантии (PUM) показывают обеднение многих сидерофильных (железолюбивых) элементов, которое, как считается, является результатом их извлечения в ядро ​​во время земной аккреции.Эксперименты по изучению распределения этих элементов между металлическими и силикатными расплавами показывают, что состав PUM лучше всего подходит, если металл-силикатное равновесие происходит при высоких давлениях и температурах в глубокой среде магматического океана. Однако поведение наиболее высоко сидерофильных элементов (HSE) во время этого процесса остается загадочным. Силикатные продукты опытов по растворимости HSE обычно загрязнены дисперсными металлическими включениями, которые затрудняют измерение концентраций элементов в расплаве.Возникающая в результате неопределенность в отношении истинной растворимости и разделения этих элементов на силикаты металлов затрудняет прогнозирование их ожидаемого истощения в PUM. В последнее время в нескольких исследованиях были внесены изменения в схему экспериментов, используемых для экспериментов с растворимостью при высоких давлениях и температурах, чтобы подавить образование металлических включений. Добавление к образцу Au (эксперименты с Re, Os, Ir, Ru) или элементарного Si (эксперименты с Pt) изменяет либо геометрию, либо скорость восстановления образца, соответственно, во избежание временного перенасыщения силикатного расплава металлом.В этой статье описываются процедуры использования поршневого цилиндра и устройства с несколькими наковальнями для проведения экспериментов по растворимости и разделению силикатов металлов соответственно. Также описан протокол для синтеза незагрязненных продуктов опытов из экспериментов по растворимости HSE, в которых летучесть кислорода аналогична таковой во время формирования земного ядра. Спектры LA-ICP-MS с временным разрешением представлены в качестве доказательства отсутствия металлических включений в продуктах опытов из более ранних исследований, а также подтверждают, что метод может быть расширен для исследования Ru.Также приведены примеры того, как эти данные могут быть применены.

Ключевые слова: Химия, Выпуск 100, сидерофильные элементы, геоинженерия, примитивная верхняя мантия (PUM), HSE, земная аккреция

Введение

Считается, что земная аккреция произошла как серия столкновений планетезималей с хондритовой массой. композиция, завершающаяся фазой гигантского столкновения, мысль, ответственная за формирование луны 1,2 . Нагрев протоземли ударами и распад короткоживущих изотопов было достаточно, чтобы вызвать обширное плавление и образование магматического океана или водоемов, через которые могли спускаться плотные металлические расплавы, богатые железом.Достигнув основания магматического океана, металлические расплавы сталкиваются с реологической границей, останавливаются и претерпевают окончательное металл-силикатное равновесие, прежде чем в конечном итоге спуститься через твердую мантию к растущему ядру 2 . Считается, что дальнейшая химическая связь между металлической и силикатной фазами по мере того, как металлический расплав проходит через твердую часть мантии, невозможна из-за большого размера и быстрого опускания металлических диапиров 3 . Эта первичная дифференциация Земли на металлическое ядро ​​и силикатную мантию обнаруживается сегодня как геофизическими, так и геохимическими наблюдениями 4 6 .Однако интерпретация этих наблюдений для получения правдоподобных условий для равновесия металл-силикат в основании магматического океана требует соответствующей базы данных экспериментальных результатов.

Примитивная верхняя мантия (PUM) представляет собой гипотетический резервуар, содержащий силикатный остаток образования ядра, и поэтому его состав отражает поведение микроэлементов во время металл-силикатного равновесия. Микроэлементы распределяются между металлическими и силикатными расплавами во время сегрегации керна на основе их геохимического сродства.Величину предпочтения элементов для металлической фазы можно описать коэффициентом разделения металл-силикат

(1)

, где

и

обозначают концентрацию элементов и в металле и силикатном расплаве соответственно. Значения

> 1 указывают на сидерофильное (любящее железо) поведение и те <1 литофильное (любящее камень) поведение. Оценки состава PUM показывают, что сидерофильные элементы обеднены по сравнению с хондритами 7 , которые обычно рассматриваются как репрезентативные для валового состава Земли 6,8 .Это истощение связано с секвестрацией сидерофильных элементов сердечником, и для огнеупорных элементов его величина должна прямо отражать значения

. Лабораторные эксперименты поэтому стремятся определить значения

в диапазоне давления ( P ), температуры ( T ) и летучести кислорода ( f O 2 ) условий, которые имеют отношение к сегрегации металла от основания океан магмы. Затем результаты этих экспериментов могут быть использованы для выделения областей пространства P T f O 2 , которые совместимы с изобилием множества сидерофильных элементов в PUM ( e.г., 9 11 ).

Высокие давления и температуры, соответствующие сценарию магматического океана, можно воссоздать в лаборатории, используя поршневой цилиндр или пресс с несколькими наковальнями. Устройство поршневой цилиндр обеспечивает доступ к условиям умеренного давления (~ 2 ГПа) и высокой температуры (~ 2573 K), но позволяет легко использовать большие объемы образцов и различные материалы капсул. Высокая скорость охлаждения также позволяет закалку ряда составов силикатного расплава в стекло, что упрощает текстурную интерпретацию продуктов опыта.В аппарате с несколькими наковальнями обычно используются меньшие объемы образцов, но при подходящей конструкции сборки можно достичь давления до ~ 27 ГПа и температуры ~ 3000 К. Использование этих методов позволило разделить данные для многих умеренно и слабо сидерофильных элементов. собраны в большом диапазоне условий P T . Прогнозы состава PUM, основанные на этих данных, предполагают, что равновесие металл-силикат происходит при среднем давлении и температуре выше ~ 29 ГПа и 3000 К соответственно, хотя точные значения зависят от модели.Чтобы учесть содержание некоторых чувствительных к окислению-восстановлению элементов (, например, V, Cr) в PUM, также считается, что f O 2 эволюционирует во время аккреции с ~ 4 до 2 логарифмических единиц ниже, чем налагается сопутствующими факторами. существующее железо и вюстит (FeO) в эквивалентных условиях PT (железо-вюститовый буфер) 12 .

Хотя обилие PUM многих сидерофильных элементов можно объяснить равновесием металл-силикат в основании глубокого магматического океана, оказалось трудно оценить, применима ли эта ситуация также к наиболее сильно сидерофильным элементам (HSE).Чрезвычайное сродство HSE к железу и металлу, на которое указывают эксперименты при низком давлении ( P ~ 0,1 МПа) и температуре ( T <1,673 K), предполагает, что силикатная земля должна быть сильно обеднена этими элементами. Однако оценки содержания HSE для PUM указывают только на умеренное обеднение по сравнению с хондритом (, рис. 1, ). Обычно предполагаемое решение очевидного превышения HSE состоит в том, что Земля испытала позднюю аккрецию хондритового материала после образования ядра 13 .Этот материал с поздним нарастанием смешался бы с PUM и повышенными концентрациями HSE, но оказал бы незначительное влияние на более распространенные элементы. В качестве альтернативы было высказано предположение, что чрезвычайно сидерофильная природа HSE, показанная в экспериментах с низким значением P T , не сохраняется в условиях высокого уровня P-T , присутствующих во время формирования ядра 14,15 . Чтобы проверить эти гипотезы, необходимо провести эксперименты по определению растворимости и разделения силикатов металлов в HSE при соответствующих условиях.Загрязнение силикатной части продуктов закалки во многих предыдущих исследованиях, однако, усложнило анализ продуктов опыта и затруднило понимание истинных коэффициентов распределения HSE между металлическими и силикатными расплавами.

В экспериментах по разделению, где HSE присутствуют в концентрациях, соответствующих природе, крайнее предпочтение этих элементов металлическому железу препятствует их измерению в силикатном расплаве. Чтобы обойти эту проблему, проводят измерения растворимости, при которых силикатный расплав насыщается интересующим HSE, и значения

рассчитываются с использованием формализма Borisov et al. 16 . Однако продукты опытов с гашеным силикатом из экспериментов по растворимости HSE, проведенных в восстановительных условиях, часто демонстрируют свидетельства загрязнения диспергированными включениями HSE ± Fe 17 . Несмотря на почти повсеместное распространение этих включений в экспериментах с низким содержанием Pt, Ir, Os, Re и Ru с низким содержанием f O 2 ( например, 18 27 ), между исследованиями наблюдаются заметные различия в их текстурном представлении; сравните, например, позиции 22 и 26 .Хотя было продемонстрировано, что могут образовываться включения, которые являются стабильной фазой в условиях прогона эксперимента 28 , это не препятствует образованию включений при закалке образца. Неопределенность, связанная с происхождением включений, затрудняет обработку аналитических результатов и привела к неопределенности в отношении истинной растворимости HSE в восстановленных силикатных расплавах. Для оценки того, в каких исследованиях был применен аналитический подход, который дает точные концентрации растворенных HSE, требуются продукты, не содержащие включения.Значительный прогресс в подавлении образования металлических включений в восстановительных условиях теперь продемонстрирован в экспериментах с поршневым цилиндром, в которых конструкция образца была изменена по сравнению с предыдущими исследованиями путем добавления Au или Si к исходным материалам 29 31 . Добавление Au или элементарного Si к исходным материалам изменяет геометрию образца или эволюцию эксперимента соответственно. Эти методы предназначены для подавления образования металлических включений путем изменения времени диффузии HSE по сравнению с восстановлением образца и обсуждаются в Bennett et al. 31 . В отличие от некоторых предыдущих попыток очистки силикатного расплава от включений, таких как механическое уравновешивание и центрифугирование поршневой цилиндр, настоящий протокол может быть реализован без специального оборудования и подходит для экспериментов с высоким значением P-T .

Здесь подробно описан подход на основе поршневого цилиндра для определения растворимости Re, Os, Ir, Ru, Pt и Au в силикатном расплаве при высокой температуре (> 1873 K), 2 ГПа и f O 2 аналогичен буферу железо-вюстит.Применение подобной экспериментальной схемы может также оказаться успешным в экспериментах HSE при других давлениях, при условии сохранения требуемых фазовых соотношений, смачивающих свойств и кинетических соотношений в выбранных условиях. Однако имеющихся данных недостаточно, чтобы предсказать, будет ли наш дизайн образца успешным при давлениях, соответствующих глубинному магматическому океану. Также описан общий подход, используемый для определения разделения элементов с умеренной и незначительной сидерофильностью (MSE и SSE соответственно) с использованием устройства с несколькими наковальнями.Расширение набора данных без включения для HSE для высокого давления, вероятно, будет использовать аналогичные методы с несколькими наковальнями. Вместе эти процедуры обеспечивают средства ограничения как условий сегрегации ядра, так и стадий земной аккреции.

Протокол

1) Подготовка исходного материала

  1. Синтетический базальт Примечание: базальтовая композиция используется в качестве силикатного исходного материала, поскольку более деполимеризованные композиции, хотя и более подходящие для сценария магматического океана, трудно или невозможно остановить. стакан в экспериментах «поршень-цилиндр» и с несколькими наковальнями.

    1. Взвесьте желаемое количество порошков оксида или карбоната (Ca и Na), за исключением Fe, и добавьте в агатовый раствор (см. Пример в , таблица 1 ). Смесь без Fe весом ~ 4 г должна обеспечить достаточно исходного материала для обширного набора экспериментов.

    2. Добавьте этанол в агатовую ступку, пока порошки не погрузятся в воду, затем измельчите в течение не менее 2 часов, используя агатовый пестик, чтобы гомогенизировать как состав, так и размер зерен смеси.Примечание. Однородность измельченных исходных композиций можно проверить, исследуя прессованную таблетку порошкообразной смеси с помощью сканирующего электронного микроскопа, оборудованного для анализа состава, методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии.

    3. После тщательной гомогенизации поместите раствор под нагревательную лампу мощностью 250 Вт на расстоянии ~ 20 см. После высыхания порошковой смеси, что может занять 20-60 мин, перенесите ее в тигель из оксида алюминия или муллита (алюмосиликата).

    4. Для декарбонизации смеси поместите тигель с порошкообразной смесью в коробчатую печь при комнатной температуре и увеличьте температуру до 1 273 К в течение 3-5 часов.Оставьте смесь в печи при 1273 K O / N.

    5. Удалите декарбонизированную смесь из коробчатой ​​печи и дайте ей остыть до комнатной температуры. После охлаждения взвесьте и добавьте железо в смесь в виде порошка FeO или Fe 2 O 3 (см. Таблица 1 ). Изменение отношения FeO к Fe 2 O 3 при сохранении общего содержания Fe одним и тем же позволяет изменить окончательный f O 2 образца. Чтобы получить доступ к большему количеству восстановительных условий и во всех экспериментах для исследования Pt, также добавьте ~ 0.5-2,0 мас.% Si в смеси. После добавления Fe (± Si) повторно гомогенизируйте смесь путем повторного измельчения в этаноле с помощью агатовой ступки и пестика.

    6. Высушите гомогенизированную смесь под нагревательной лампой и затем перенесите ее во флакон с оболочкой. Хранить в эксикаторе до загрузки капсулы с образцом.

  2. Металлическая фаза: Re, Os, Ir, Ru. Эксперименты

    1. . для разницы в атомной массе) смесь Au и HSE, представляющая интерес, с использованием металлических порошков высокой чистоты.Смесь массой ~ 500 мг должна обеспечить достаточно исходного материала для обширного набора экспериментов.

    2. Перенести смесь в графитовый тигель и накрыть графитовой крышкой. Затем поместите закрытый тигель в коробчатую печь при температуре 1473 К на ~ 5 мин. После извлечения из печи оставьте крышку тигля на месте, пока сборка не остынет до комнатной температуры. ВНИМАНИЕ: Нагревание осмия на воздухе может привести к образованию токсичного соединения четырехокиси осмия.Металлический осмий также является известным раздражителем кожи, см. Паспорт безопасности материалов для CAS № 7440-04-2. Примечание. В этом процессе плавится Au (температура плавления ~ 1337 K), но не сопровождающий его HSE, в результате чего образуется металлический шарик, в котором интересующий HSE окружен коркой Au.

    3. Удалите металлический шарик из графитового тигля и с помощью лезвия бритвы разделите его на более мелкие части, длина которых составляет ~ 1 мм. После разрезания поместите бусинки во флакон с раковиной и храните в эксикаторе.

  3. Металлическая фаза: Pt Эксперименты Примечание. Эксперименты по исследованию Pt не могут быть выполнены с использованием метода нанесения шариков с золотым покрытием из-за полной смешиваемости Pt и Au при высокой температуре (> 2042 K при 0,1 МПа 32 ) . Это исключает такую ​​геометрию образца, при которой Pt физически отделяется от силикатного расплава во время эксперимента коркой золота.

    1. Тщательно перемешайте металлические порошки Pt и Ir в соотношении 1: 1 по весу, чтобы получить всего ~ 500 мг смеси.Затем добавляют ~ 20 мг металлического порошка Fe так, чтобы Fe составляло ~ 4 массовых процента от всей смеси.

    2. Приклейте чистую заготовку сверла (в качестве альтернативы, вместо заготовки сверла можно использовать хвостовик сверла) к краю рабочего стола так, чтобы на ~ 3 мм выступало из поверхности стола. Поместите трубку из кварцевого стекла с внутренним диаметром ~ 2-3 мм и внешним диаметром ~ 4-6 мм на выступающий конец сверла.

    3. Поместите смесь PtIrFe в стеклянную трубку и вставьте над ней другую заготовку сверла.Обе заготовки сверла должны иметь диаметр не более чем на 0,1 мм меньше внутреннего диаметра трубки из кварцевого стекла. Произведите холодное прессование металлической смеси, сдвинув заготовки сверла вручную ( Рисунок 2 ). ВНИМАНИЕ: чрезмерное усилие на этапе холодного прессования может привести к разрушению кварцевого стекла).

    4. Поместите порошки холодного прессования, все еще находящиеся внутри трубки из кварцевого стекла, в тигель из оксида алюминия и суспендируйте в прохладной части вертикальной трубчатой ​​печи для смешивания газов.Увеличьте температуру печи до 1 673 K и, используя газовые смеси CO-CO 2 , установите в печи f O 2 значение, близкое к железо-вюститному буферу. Примечание: при атмосферном давлении и 1673 К буфер железа-вюстита соответствует f O 2 1,93 x 10 -10 Па 33 . Связь между соотношением смеси CO-CO 2 , температурой и f O 2 можно найти в ссылке 34 . В качестве буфера железо-вюстит при 1673 К используйте газовую смесь, содержащую 22.25 об.% CO 2 и 77,75 об.% CO.

      1. Как только будет достигнута желаемая температура и f O 2 , опустите глиноземный тигель так, чтобы он оставался в горячей точке печи, и оставьте O / N прессованных порошков на отжиг.

    5. Извлеките тигель и прессованные порошки из газосмесительной печи и дайте им остыть. Если трубка из кварцевого стекла все еще не повреждена, используйте заготовку сверла, чтобы вытолкнуть отожженный порошок из трубки.Используя кусачки, разломайте отожженный порошок на достаточно мелкие кусочки, чтобы поместиться в капсулу с образцом, выбранную для эксперимента.

    6. Перенесите металлические детали во флакон со скорлупой и храните в эксикаторе до тех пор, пока он не понадобится.

  4. Металлическая фаза: Эксперименты с несколькими наковальнями

    1. Для экспериментов по определению разделения умеренно и слабо сидерофильных элементов смешайте синтетический базальтовый порошок с порошком Fe-металла в равных пропорциях.Примечание. Некоторая часть Fe может быть добавлена ​​в виде сплава Fe-Si, обычно так, чтобы Si составлял <8 мас.% Металлической фракции. Это гарантирует, что экспериментальный f O 2 останется низким.

    2. Добавьте выбранные микроэлементы в виде порошков оксидов металлов в смесь базальта и металла. Гомогенизируйте исходный материал путем измельчения в этаноле с помощью агатовой ступки и пестика. Точное количество добавленных микроэлементов будет зависеть от исследуемого элемента, однако номинальные концентрации от нескольких тысяч ppm до 2 мас.% Являются типичными 10,35 .

    3. После гомогенизации высушите порошкообразный исходный материал под нагревательной лампой, перенесите его во флакон с оболочкой, затем храните в эксикаторе до тех пор, пока он не понадобится.

2. Подготовка компонентов сборки

  1. Поршневой цилиндр Примечание. Узел поршневого цилиндра состоит из графитовой капсулы, которая поддерживается в горячей точке графитового резистивного нагревателя с помощью дробимых кусочков магнезии. Термопара в оболочке из оксида алюминия расположена в осевом направлении через верхнюю часть сборки для контроля температуры в верхней части образца.Затем печь окружают ячейки BaCO 3 , которые действуют как среда под давлением и как теплоизолятор 36 . Сборочные размеры указаны на Рис. 3A . Список примеров материалов, использованных для экспериментов, и их источники приведены в Таблице 2 .

    1. Обработайте графитовые капсулы, графитовую торцевую заглушку и опорные элементы из магнезии до требуемых размеров на центральном токарном станке, используя в качестве исходных материалов графитовые и магнезиальные стержни или трубки соответственно (, рис. 3A, ).Примечание. Для экспериментов по исследованию Re, Os и Ir сплавы HSE-Fe могут быть заменены графитом в качестве материала капсулы 29,30 .

    2. Обработайте графитовые капсулы ультразвуком в этаноле в течение ~ 1 мин при комнатной температуре, затем высушите под нагревательной лампой таким же образом, как и для порошкообразных исходных материалов. После высыхания перенесите капсулы во флакон с оболочкой и храните в эксикаторе или сушильном шкафу до тех пор, пока не потребуется.

    3. Поместите опорные элементы из магнезии в тигель из оксида алюминия или муллита и отожгите при 1573 К в коробчатой ​​печи в течение не менее 8 часов.После отжига дайте деталям остыть, затем храните в сушильном шкафу при температуре ~ 393 К.

    4. Для изготовления ячеек карбоната бария сначала смешайте порошок BaCO 3 и использованный копировальный тонер в пропорции 99: 1 по весу. На один эксперимент требуется минимум 7,4 грамма смеси. Покройте внутреннюю часть стального штампа подходящего размера (размеры гильз BaCO 3 см. На рис. , рис. 3A, ) либо сухой смазкой на основе графита, либо смазкой для форм на основе ПТФЭ (, таблица 2, ).

    5. Отжать 3,7 г смеси холодным прессованием до давления ~ 250 МПа, используя стальную матрицу и гидравлический пресс. Перед декомпрессией оставьте смесь под давлением на 1 мин. В результате получится рукав высотой 17 мм. Для каждой сборки требуется две втулки. Примечание. Двухэлементная компоновка, описанная выше и использованная в некоторых предыдущих исследованиях 29 31 , может быть заменена одной ячейкой BaCO 3 при наличии матрицы подходящего размера.

    6. После извлечения из матрицы удалите копировальный тонер, нагревая рукава от комнатной температуры до 923 K в течение нескольких часов в коробчатой ​​печи, а затем выдерживая при этой температуре в течение ~ 30 минут.Обратите внимание на изменение цвета с черного на оранжевый после удаления копировального тонера. Храните отожженные рукава в сушильном шкафу, поддерживающем температуру ~ 393 К.

  2. Мульти-наковальня Примечание. Узел с несколькими наковальнями состоит из капсулы с образцом, которая помещается в горячую точку цилиндрического графитового резистивного нагревателя с использованием измельчаемого MgO. или Al 2 O 3 присадочные детали. Нагреватель окружен октаэдром из спеченной или литой керамики, который действует как среда под давлением и как теплоизолятор.Термопара может быть расположена как в осевом, так и в поперечном направлении, в зависимости от конструкции сборки. Существует множество размеров и конструкций узлов, используемых для экспериментов с несколькими наковальнями, в зависимости от желаемой цели и условий P T . На рис. 4 показана конструкция узла, ранее использовавшаяся для проведения экспериментов по разделению силикатов металлов при 3,6 и 7,7 ГПа 35 .

    1. Приготовьте графитовые капсулы и измельчаемые магнезиальные или циркониевые втулки из трубок высокой чистоты таким же образом, как указано для экспериментов с поршневым цилиндром.Необходимые размеры указаны на Рис. 4A .

    2. Сделайте заглушку из оксида алюминия из отрезка твердо обожженного стержня из оксида алюминия. Используйте алмазный напильник, чтобы надрезать стержень в том месте, где он должен быть сломан, затем защелкните стержень до необходимой длины вручную (размеры см. На рис. 4A ). Воспользуйтесь напильником, чтобы удалить заусенцы, возникшие в результате поломки стержня. Очистите пробку, обработав ее ультразвуком в этаноле при комнатной температуре.

    3. Подготовьте октаэдры с октаэдрической длиной ребра 18 мм (OEL), используя отливку из двухкомпонентной керамики на основе MgO (см. , таблица 2 ) и форму соответствующего размера.Форма состоит из зажимного приспособления, вмещающего 8 усеченных кубиков, разделенных листами с толщиной, равной толщине, необходимой для предварительно сформованных прокладок 37 .

      1. Для октаэдров с OEL 18 мм используйте кубы с длиной усеченного края 11 мм (TEL) и листы толщиной 3 мм. Для кубиков и листов используйте алюминий или ПВХ. Соберите форму, смазав все детали, которые будут контактировать с литой керамикой, силиконовой смазкой. Оставьте один куб в разобранном виде, чтобы обеспечить вход для керамической смеси.

      2. Смешайте керамический порошок и жидкий активатор в соотношении 100: 30 по весу и тщательно перемешайте. Вылейте смесь в форму, следя за тем, чтобы не было воздушных карманов. Вставьте оставшийся кубик и дайте смеси застыть не менее 2 часов. На каждый октаэдр требуется ~ 15 г керамической смеси.

    4. После застывания выньте октаэдр из формы, обезвоживайте в течение ~ 1 дня в сушильном шкафу при 393 К, затем отожгите при 1273–1373 К в коробчатой ​​печи в течение ~ 2 часов.

    5. Дайте октаэдру остыть до комнатной температуры на воздухе, затем просверлите отверстие диаметром 7,3 мм, как показано на рисунке , рис. 4B , для размещения изоляционной втулки, графитового нагревателя и остальных компонентов образца.

    6. Хранить в сушильном шкафу при ~ 393 К до готовности к установке эксперимента.

3. Сборка компонентов

  1. Сборка поршневого цилиндра Эксперимент

    1. Загрузите графитовую капсулу с образцом, сначала вставив металл, несущий HSE, затем добавив синтетический базальтовый порошок до тех пор, пока капсула не будет заполнена .Использование гравитационно-стабильного устройства сводит к минимуму возможность опрокидывания во время эксперимента и предназначено для предотвращения рассеивания металлической фазы в результате механического воздействия.

    2. Поместите небольшое количество (обычно <50 мг) сухого порошка MgO в основание полости, предназначенной для размещения капсулы с образцом. Это сглаживает коническую поверхность, образовавшуюся при сверлении отверстия, и, в свою очередь, снижает усилия сдвига во время сжатия образца, которые могут привести к растрескиванию капсулы.

    3. Соберите все ранее изготовленные компоненты, как показано на рисунке Рисунок 3B .

    4. Оберните кусок свинцовой фольги толщиной 30 мкм вокруг сборки, загибая небольшой (~ 1,5 мм) кусок фольги на открытый конец нижнего рукава BaCO 3 . Вставьте сборку в сосуд высокого давления из карбида вольфрама диаметром 12,7 мм вместе с базовой заглушкой (вверху) и стальной заглушкой (внизу), как показано на , рис. 3A, . Примечание. Поршнево-цилиндровый аппарат с концевой нагрузкой имеет два гидроцилиндра. Мост, охватывающий нижний плунжер, позволяет поршню из карбида вольфрама оказывать давление на нижнюю часть образца.Верхний плунжер фиксирует положение верхней поверхности образца и прикладывает концевую нагрузку к сосуду высокого давления, который обеспечивает дополнительную поддержку сердечнику из карбида вольфрама 38 . На рис. 3C показан поршневой цилиндр в Университете Торонто с установленным мостом. Поправка на трение -9% применяется для учета разницы между номинальным давлением образца и давлением образца 39 .

    5. Установите мост, сосуд высокого давления и опорную плиту между гидроцилиндрами.Затем сделайте термопару C-типа, используя трубку из твердо обожженного оксида алюминия с 4 отверстиями и внешним диаметром 1,6 мм. Трубку из оксида алюминия следует отрезать достаточно длинной, чтобы она могла выступать из верхней поверхности верхней пластины на ~ 1-2 мм.

    6. Пропустите оба состава проволоки (см. Таблица 2 ) через соседние отверстия в трубке, поверните концы на 180 градусов и закрепите их в противоположных отверстиях так, чтобы проволока пересеклась. Вставьте термопару через верхнюю пластину в сборку так, чтобы спай находился прямо над образцом.Изолируйте оставшуюся часть проводов термопары гибкими тефлоновыми трубками, оставив на конце участок 10-20 мм.

    7. Поместите все необходимые металлические распорки между верхней пластиной и верхним гидроцилиндром. Во время сборки расположите листы майлара как над сосудом высокого давления, так и между верхней частью сборки и верхним плунжером. Эти листы электрически изолируют цепь нагрева образца от остальной части устройства.

  2. Эксперимент по сборке с несколькими наковальнями

    1. Сделайте термопару C-типа, используя твердо обожженную глиноземную трубку с 4 отверстиями, пропустив оба провода через соседние отверстия в трубке, повернув концы на 180 ° и закрепив их в противоположных отверстиях.Изолируйте оставшуюся часть проводов короткой (~ 20 мм) трубкой из оксида алюминия, а затем тефлоновым изоляционным материалом, оставив на конце 10-20 мм оголенный провод.

    2. Вставьте циркониевую втулку и графитовый нагреватель в октаэдр, затем вырежьте канавки, как показано на Рисунок 4B . Вставьте термопару в верхнюю часть октаэдра и поместите плечи, покрытые оксидом алюминия, в канавки. Используйте циркониевый цемент (см. , таблица 2, ), чтобы заполнить пустоты вокруг термопары и дать высохнуть.

    3. Чтобы изолировать соединение термопары от графитовой капсулы, добавьте порошок MgO из основания октаэдра до тех пор, пока не будут покрыты оголенные провода. Чтобы окружить оголенный провод, обычно достаточно менее 50 мг порошка. Чтобы обеспечить плотную упаковку порошка MgO, утрамбовывайте рассыпчатый порошок с помощью заготовки сверла.

    4. Загрузите графитовую капсулу с предварительно подготовленным материалом образца и поместите в октаэдр с открытой стороны. Вставьте заглушку из оксида алюминия, чтобы завершить сборку октаэдра.

    5. На 4 кубика WC ( Таблица 2 ) используйте поливинилацетат, чтобы приклеить короткие отрезки бальзового дерева, по одному на каждой из трех сторон, прилегающих к усеченному углу куба. Каждый кусок бальзового дерева должен иметь высоту ~ 4,4 мм и ширину на ~ 9,0 мм в длину для размера октаэдра, показанного на рисунке 4 . На каждой грани поместите кусочки бальзового дерева в квадрант напротив усеченного края.

    6. Соберите 4 кубика, чтобы сформировать квадрат на виде сверху, 2 с прикрепленными деревянными частями и 2 без них.Сориентируйте обрезанные края так, чтобы они смотрели в центр квадрата.

    7. Расположите октаэдр в центре кубов так, чтобы он опирался на усеченные края. Затем наклоните рычаги термопары так, чтобы они выходили из противоположных углов квадрата ( Рисунок 5A )

    8. Поместите оставшиеся кубики WC в положение, чтобы сформировать куб с октаэдром в его центре, убедившись, что кубики с деревянными деталями прикрепленная подставка поверх кубиков, у которых нет деревянных распорок.

    9. Приклейте квадратные кусочки листа G10 толщиной ~ 0,5 мм (см. Таблицу 2) к каждой грани собранного куба с помощью клея цианоакрилатного типа. Для кубиков унитаза 32 мм используйте листы G10 размером ~ 55 мм x 55 мм. Два куба WC имеют усеченные части, которые контактируют с резистивным нагревателем и, таким образом, образуют часть электрической цепи нагрева. Для листов, которые соприкасаются с этими кубиками, прорежьте 2 узких (шириной <1 мм) прорези, как показано на рисунке , рис. 5B , и поместите кусок медной фольги так, чтобы он обеспечивал точку контакта между наковальнями 1-й и 2-й ступеней.Примечание. В устройстве с несколькими наковальнями используется двухступенчатая система наковален, содержащихся в удерживающем кольце. Наковальни первой ступени состоят из 6 съемных клиньев, образующих центральную кубическую полость. Эта полость вмещает 8 кубиков карбида вольфрама с усеченными углами (наковальни второй ступени), которые окружают керамический октаэдр 40 . Таким образом, вертикально ориентированная сила, приложенная к наковальням первой ступени с помощью гидравлического пресса, передается на октаэдр таким образом, что приводит к квазигидростатическому сжатию образца.Взаимосвязь между давлением масла в плунжере и давлением образца может быть откалибрована для литой восьмигранной сборки OEL 18 мм, описанной здесь, с использованием процедур, изложенных в 41 .

    10. Вырежьте 2 листа майлара толщиной 0,076 мм до размеров, указанных на рис. 6 и нанесите на них сухую смазку из ПТФЭ.

      1. Поместите один из предварительно нарезанных листов в стопорное кольцо (прямая кромка у основания) и вставьте нижний набор 1 st -ступенчатых упоров, которые сами имеют 0.Майлар толщиной 076 мм, покрытый смазкой из ПТФЭ (, рис. 5В, ). Нижний комплект опор можно оставить на месте между прогонами. Поместите собранный куб в нижний набор опор 1-й ступени и подсоедините плечи термопары к сбалансированным проводам термопары, которые выходят из модуля давления.

      2. Поместите предварительно нарезанный лист майлара 2 и в стопорное кольцо (прямой кромкой к верху) и вставьте верхний набор 1 ступенчатых упоров st , которые должны иметь майларовую основу и смазываться таким же образом. манера как нижний набор.Эта компоновка обеспечивает смазанный майларовый контакт между наковальнями ступени 1 st и стопорным кольцом, что снижает потерю тяги толкателя на трение примерно на 30% по сравнению с одинарным майларовым листом 37 . Примечание. Толщина и размеры майларового листа будут зависеть от точной конструкции используемого модуля давления. Описано выше и в Рис. 6 — это размеры, используемые в Геофизической лаборатории Института Карнеги в Вашингтоне.

4. Проведение эксперимента

  1. После того, как образец будет доведен до необходимого давления, нагрейте его со скоростью 100 К / мин до тех пор, пока не будет достигнута желаемая температура выдержки. На этапе нагрева может потребоваться отрегулировать масло в толкателе для отбора проб, чтобы поддерживать постоянное давление масла.

  2. После периода выдержки закалите образец, отключив питание печи. Как только прибор остынет до комнатной температуры, медленно снимите давление на образец.

5. Анализ результатов прогона

  1. Для экспериментов с поршневым цилиндром извлеките законченный эксперимент из сосуда высокого давления с помощью гидроцилиндра. С помощью пары сверхмощных резцов удалите внешние части сборки, чтобы освободить графитовую капсулу (поршневой цилиндр) или печь, содержащую капсулу с образцом и опорные детали (многопозиционная наковальня).

  2. Закрепите образец эпоксидной смолой (как правило, чтобы сформировать шайбу диаметром 25,4 мм) ( Рисунок 7A ).Используя бумагу из карбида кремния с зернистостью от 320 до 600, растереть образец, чтобы обнажить закаленный силикатный расплав и металлические фазы. Отполируйте открытую поверхность с помощью суспензии оксида алюминия или алмаза с уменьшающимся размером зерна от ~ 15 до 0,3 мкм.

  3. Углерод покрывает поверхность полированного образца 42 и анализирует состав основных элементов металла и силикатных продуктов опытов с помощью электронно-зондового микроанализа (EPMA). Для силикатного анализа используйте расфокусированный (10 мкм) пучок, чтобы избежать миграции щелочных элементов из электронного пучка.Аналитические условия и стандарты, использованные для характеристики предыдущих образцов, созданных с помощью вышеуказанного протокола, можно найти в ссылках 29 31,35 Примечание: для экспериментов по исследованию разделения MSE и SSE EPMA также может оказаться подходящим для анализа трассирующие элементы при условии, что они присутствуют в достаточной концентрации.

  4. После анализа основных элементов удалите углеродное покрытие, используя зернистость оксида алюминия 0,3 мкм. Используйте масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой с лазерной абляцией (LA-ICPMS) для определения содержания микроэлементов в продуктах опытов.Для ознакомления с анализом проб с помощью LA-ICPMS см. Ссылку 43 . Примечание. В предыдущих исследованиях растворимости HSE изотопы кальция и никеля успешно использовались в качестве внутренних стандартов для сокращения данных с использованием стандартных образцов стекла и сульфидов соответственно 29,30 . Всем анализам должен предшествовать однократный проход абляции с последующей промывкой ячейки абляции в течение не менее 60 секунд. Это гарантирует, что любое поверхностное загрязнение, которое может возникнуть в результате полировки продуктов экспериментального опыта, не повлияет на результаты.

Типичные результаты

Следующие ниже примеры и обсуждение сосредоточены на экспериментах по определению растворимости HSE в силикатных расплавах при низком уровне f O 2 . Для исчерпывающих примеров того, как данные разделения MSE и SSE из экспериментов с несколькими наковальнями могут быть использованы для ограничения условий сегрегации основного металла в условиях сегрегации основного металла, читатель отсылается к ссылкам 9 11 . На рис. 7B-D показаны изображения в отраженных электронах типичных результатов экспериментов. В экспериментах, содержащих Au, смачивающие свойства между силикатным расплавом, расплавом Au и твердым HSE (Re, Os, Ir, Ru) определяют геометрию образца и приводят к физическому разделению между силикатным расплавом и твердым HSE. Для экспериментов по исследованию Pt сплав PtIr остается в прямом контакте с силикатным расплавом. Мощность резания печи в конце эксперимента обеспечивает быстрое охлаждение образца и закалку силикатного расплава.Таким образом, продукты цикла содержат либо 1, либо 2 фазы сплава (с высоким содержанием HSE ± богатое Au) или силикатное стекло (при условии, что базальтовый состав используется в таблице 1 ).

Загрязнение силикатного стекла в экспериментах с низкой растворимостью f O 2 HSE легче всего идентифицировать по наличию неоднородности в разрешенных во времени спектрах LA-ICPMS. Эта неоднородность проявляется в виде «пиков» и «впадин» в спектрах, которые возникают в результате абляции различных пропорций стекла с включениями и стекла без включений 17 . На фиг. 8A показан спектр с временным разрешением для эксперимента по растворимости Pt, в котором не использовались методы предотвращения образования металлических включений. Для сравнения, Фигуры 8B-F отображают спектры с временным разрешением, типичные для силикатных продуктов, синтезированных с использованием методов, изложенных в приведенном выше протоколе. Однородность спектров b-f свидетельствует об отсутствии дисперсных включений HSE в силикатной части продуктов опыта. Проверка силикатного стекла с помощью сканирующей электронной микроскопии подтверждает отсутствие видимых металлических включений в силикатных продуктах опытов, что дополнительно подтверждает отсутствие загрязнения.Спектры, представленные на рис. 8A-E , получены из продуктов прогона, синтезированных в рамках нескольких предыдущих исследований 29 31 . Фиг. 8F. взят из эксперимента по растворимости Ru, проведенного при 2273 К и 2 ГПа с использованием описанной выше методики добавления золота. Однородность этих спектров предполагает, что этот подход также позволяет избежать образования металлических включений, обнаруженных в предыдущих экспериментах по растворимости Ru, проведенных при аналогичных восстановительных условиях (~ IW + 2.5) 24 .

Рис. 1. Сравнение между оценочным составом примитивной верхней мантии (PUM) и составом, предсказанным по результатам экспериментов по растворимости при низком давлении и температуре. Данные по составу PUM из Fischer-Gödde et al. 7 . Коэффициенты распределения для HSE составляют 0,1 МПа, 1573-1673 K и IW-2 из экспериментов без Fe по 27 (Re), 44 (Os), 18 (Ir), 45 (Ru ), 16 (Pd), 46 (Au), 21 (Pt и Rh).Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 2. Устройство для холодного прессования металлических порошков. Нижняя заготовка сверла (или хвостовик) первоначально прикрепляется лентой к краю рабочего стола, чтобы облегчить загрузку порошков в трубку из кварцевого стекла. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 3. ( A ) Подробное сечение поршневого цилиндра в сборе после того, как он был вставлен в сосуд высокого давления. Для получения стабильных результатов зазор между компонентами в печи сопротивления должен быть в пределах 0.025 мм от номинала 38 . Ячейки BaCO 3 должны быть в пределах ~ 0,13 мм от номинального внутреннего и внешнего диаметров. Подробные сведения о конструкции подходящей матрицы можно найти в 47 , хотя внутренний диаметр ячейки должен быть изменен по чертежам в этой ссылке на 7,9 мм. ( B ) Процедура создания узла образца поршневого цилиндра. Для закрепления графитовой заглушки в гильзе BaCO 3 можно использовать цианоакрилатный клей или бытовой цемент, однако следует наносить не более ~ 10 мг.( C ) Пресс с поршневым цилиндром в Университете Торонто. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 4. ( A ) Поперечное сечение узла с несколькими опорами, подходящего для использования с кубиками WC, имеющими TEL 11 мм. Самая верхняя часть рисунка показана, чтобы показать, как плечи термопары выходят из октаэдра, если смотреть как перпендикулярно, так и вниз по оси провода, как показано. ( B ) Вид сверху литого октаэдра с ребрами уплотнения.Канавки для плеч термопар должны быть прорезаны в областях, отмеченных красным. Обратите внимание, что внутренняя магнезиальная втулка и трубка из оксида алюминия с 4 отверстиями, показанные на рисунке, не должны находиться на своих местах при прорезании канавок. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 5. ( A ) Расположение кубиков WC вокруг собранного октаэдра. ( B ) Нижний комплект опор 1-й ступени и их расположение внутри стопорного кольца. ( C ) Завершенный эксперимент помещен в модуль давления с установленной одной из верхних опор 1-й ступени.Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6. Размеры майларового листа, описанные в шаге 3.2.10. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 7. ( A ) Экспериментальный продукт, смонтированный на эпоксидной смоле, затем отшлифованный и отполированный. ( B ) и ( C ) Изображения в отраженных электронах экспериментальных продуктов из экспериментов с использованием методов добавления Si ( B ) и Au ( C ), описанных в тексте для экспериментов по определить растворимость Pt и Ru соответственно.Изображение ( B ) перепечатано с номера 31 с разрешения Elsevier. ( D ) Увеличенный вид области, обведенной красным на ( C ), чтобы показать детали гранулы AuRu и границы раздела металл-силикат. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 8. ( A ) Спектры LA-ICP-MS с временным разрешением из эксперимента с низкой растворимостью Pt f O 2 , в котором не применялись меры для подавления образования металлических включений.( B-F ) Типичные спектры LA-ICP-MS с временным разрешением из экспериментов для Ru, Pt 31 , Re 30 , Os и Ir 29 , которые были выполнены с использованием процедуры, изложенной в тексте. Все показанные данные получены из экспериментов, проведенных при 2273 К и 2 ГПа. Вертикальная пунктирная линия на каждом рисунке отделяет область абляции от области получения фона. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 9. Изменение D Met / Sil на T для экспериментов, проведенных Brenan & McDonough 29 (Os, Ir, Au), Bennett & Brenan 30 (Re, Au) и Bennett et al. 31 (Pt), используя описанные здесь процедуры. Все данные взяты из экспериментов, проведенных при 2 ГПа. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 10. Зависимость растворимости иридия в базальтовом расплаве при 2273 К и 2 ГПа от f O 2 относительно железо-вюститового (IW) буфера. Данные взяты из Brenan & McDonough 29 . Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Перед декарбонизацией После декарбонизации
мас.% Оксидов / карбонатов; Fe 2+ Исходный состав мас.% Оксидов / карбонатов; Fe 2+ Исходный состав мас.% Оксида; Fe 2+ Исходный состав мас.% Оксида; Fe 3+ Исходный состав
SiO 2 47.92 47,40 SiO 2 51,87 51,26
Al 2 O 3 9,91 Al 9,80 Al 9139
CaCO 3 16,20 16,02 CaO 9,83 9,71
MgO 14,58 14,42 MgO79 15,60
FeO 9,84 FeO 10,66
Fe 2 O 3 80 3 11,71
MnO 0,06 0,06 MnO 0,07 0,07
Na 2
Na 2 913 3 913 CO.20 1,19 Na 2 O 0,76 0,75
NiO 0,28 0,27 NiO 0,30 0,30
Таблица 1.

Обсуждение

Результаты экспериментов без включения, выполненных с использованием описанных здесь протоколов, ранее сравнивались с литературными данными в ссылках 29 (Os, Ir, Au), 30 (Re, Au) и 31 (Пт).Pt наиболее поучительно демонстрирует полезность запускаемых продуктов без включения. Для экспериментов, проводимых при низком уровне f O 2 , Ertel et al. 48 приписал включениям стабильное происхождение и, следовательно, ограничил обработку данных областью с наименьшим количеством импульсов в секунду разрешенных во времени спектров LA-ICPMS. Такой подход сводит к минимуму вклад включений в измеренные концентрации силикатного расплава. Данные Ertel et al. 48 при ~ IW + 1 хорошо согласуется с трендом между D Met / Sil и 1/ T , определенным экспериментами без включения, выполненными при аналогичных f O 2 ; подтверждение того, что выбранная ими аналитическая обработка эффективна для определения истинной растворимости Pt 31 .Кроме того, эксперименты, проводимые с использованием описанного здесь протокола подавления включений, могут исследовать большее количество восстанавливающих условий, в которых метод спектральной фильтрации становится менее эффективным 17 . В исследованиях, которые предполагают только присутствие включений, связанных с закалкой, наблюдается различное согласие с данными без включений. Например, наблюдается хорошее согласие с результатами Mann et al. 49 , однако эксперименты Cottrell et al. 22 отображают систематически более низкие значения D Met / Sil , чем эксперименты без включений 31 .Таким образом, создание экспериментов без включения в широком диапазоне условий имеет решающее значение для оценки надежности предыдущих измерений загрязненных включениями.

Хотя описанный здесь протокол оказался успешным в ряде условий, он не является панацеей от проблемы загрязнения металлическими включениями. На эксперименты, проведенные с использованием метода добавления Au, влияет образование сложных составов сплавов при очень низких значениях f O 2 .Чтобы создать условия, значительно более восстанавливающие, чем буфер железо-вюстит, в исходные материалы добавляют элементарный Si. Продукты прогона из наиболее восстановительных из этих экспериментов содержат 2 сосуществующих сплава, которые обладают обширной текстурой распада, связанной с закалкой. Несмешиваемость сплава, по-видимому, возникает из-за значительного растворения Si в металлической фазе в восстановительных условиях. Отсутствие подходящих данных по активному составу для составов сплавов, образованных в очень восстановительных условиях, не позволяет определить активности Fe и HSE в фазе сплава.Это не позволяет точно рассчитать концентрацию образца f O 2 и HSE в силикатном расплаве на пределе растворимости.

Эффективность добавления Si как метода предотвращения образования включений Pt, по-видимому, снижается при более низких температурах. Bennett et al. 31 отметил, что эксперименты, проведенные при 1873 К, демонстрируют доказательства загрязнения металлическими включениями, тогда как эксперименты, проведенные при более высоких температурах, этого не показывают. Это может быть связано с изменением кинетической зависимости между восстановлением образца и диффузией Pt при более низких температурах.Еще одним соображением при проведении экспериментов, проводимых с использованием метода добавления Si, является его влияние на окончательный состав расплава. Окисление элементарного Si в начале эксперимента происходит через в следующей реакции с FeO в расплаве:

Si ( met ) + 2FeO ( sil ) = SiO 2 ( sil ) + 2Fe ( соответствует ) (2)

Добавление большего количества Si для достижения большего количества восстановительных условий, таким образом, приводит к более обогащенному SiO 2 и обедненному FeO составу расплава.Для проведения экспериментов, которые охватывают широкий диапазон f O 2 , но имеют небольшие вариации в составе расплава, необходимо произвести соответствующую корректировку силикатного исходного материала, чтобы компенсировать реакцию 6. В общем, это может быть выполнено. добавлением 2 моль FeO и удалением 1 моль SiO 2 на каждый моль Si, добавленного к исходной композиции. Следует также отметить, что некоторые исследования показали, что наличие металлических включений также зависит от состава расплава, в частности от того, является ли расплав Fe-содержащим 50 .

Данные о растворимости, полученные для незагрязненных продуктов опытов, позволяют точно рассчитать коэффициенты разделения металл-силикат. Для экспериментов, в которых интересующий HSE не присутствует в виде чистой фазы (, т.е. HSE с активностью металла <1), концентрации, измеренные в силикатной фазе, корректируются до единицы активности с использованием доступных термодинамических данных. За исключением Au, полезная сводка доступных соотношений активность-состав для HSE-сплавов приведена в ссылке 49 .Ограниченные данные для сплавов Au-Fe можно найти в ссылках 46,51 . Следующее соотношение затем используется для определения значений D Met / Sil из скорректированных концентраций HSE в силикатном расплаве 16

(3)

, где

— концентрация HSE силиката при насыщении в Фаза HSE, A — коэффициент преобразования моль в вес, а

— коэффициент активности выбранной HSE при бесконечном разбавлении жидким железом-металлом. На рис. 9 показано изменение D Met / Sil с T , рассчитанное на основе экспериментов, проведенных при 2 ГПа и f O 2 , близком к железо-вюститному буферу. Одним из применений этих данных является оценка способности высокотемпературного металл-силикатного равновесия учитывать оценочную распространенность этих элементов в примитивной верхней мантии. Значения D Met / Sil для HSE должны уменьшиться до значений ~ 10 2 –10 3 примерно при той же температуре, если металл-силикатное равновесие отвечает за состав PUM.Данные предыдущих исследований, представленные на рис. 9 , предполагают, что это требование не удовлетворяется результатами экспериментов, проведенных в восстанавливающих условиях 29 31 .

Измерения растворимости незагрязненных силикатных продуктов опытов также полезны для выявления состава HSE, растворенных в силикатном расплаве при низком уровне f O 2 . Информация о составе этих металлов в широком диапазоне окислительно-восстановительных условий полезна не только для руководства экстраполяцией данных за пределы экспериментально изученного диапазона, но также для обоснованного проектирования стекол с определенными оптическими свойствами.Изменения в степени окисления растворенных металлов могут сопровождаться изменениями в их химическом составе, из-за чего могут возникать вариации таких свойств, как оптическое поглощение. Например, растворение платины, широко используемой в качестве материала контейнера для синтеза стекла из расплава, может привести к разному цвету стекла в зависимости от окислительно-восстановительных условий расплава 52,53 . О степени окисления растворенных HSE можно судить по изменению растворимости с f O 2 .Рассмотрим растворение металла (M) как разновидности оксида в расплаве:

(4)

, где n — степень окисления растворенного металла. Константа равновесия ( K ) при P и T для уравнения 3 определяется как:

(5)

Приравнивая ln K к свободной энергии реакции Гиббса, и при насыщении в металлической фазе ( a M = 1) уравнение 4 принимает следующий вид:

(6)

Наклон тренда между растворимостью HSE и f O 2 , следовательно, дает n /4, из которого видообразование может быть получен.Brenan & McDonough 29 определила растворимость Ir как функцию f O 2 в экспериментах, в которых использовались описанные здесь методы. Результаты этих экспериментов показаны на Рис. 10 и дают наклон 0,2, что в значительной степени соответствует степени окисления 1+ (прогнозируемый наклон 0,25) для Ir в восстановленных силикатных расплавах.

Экспериментально определенные коэффициенты разделения металл-силикат могут быть использованы для установления условий равновесия ядро-мантия во время земной аккреции.Результаты для элементов с высоким содержанием сидерофилов также могут быть использованы для оценки того, испытала ли Земля позднюю облицовку хондритового материала после образования ядра. Здесь изложены процедуры для проведения экспериментов по разделению силикатов металлов и растворимости в устройствах с несколькими наковальнями и поршнем-цилиндром соответственно. Также описаны методы, которые подавляют образование металлических включений в экспериментах по растворимости HSE при 2 ГПа и температурах> 1873 K. Рассчитанные коэффициенты распределения HSE предполагают, что равновесие металл-силикат при высоком T не объясняет очевидного избытка HSE в примитивных верхняя мантия.Дальнейшая работа остается для подтверждения того, сохраняется ли поведение разделения HSE, показанное экспериментами при 2 ГПа, до более высоких P и T . Это потребует тестирования протоколов подавления включений, описанных здесь, в экспериментальной схеме с высокими P с несколькими наковальнями.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Выражение признательности

Эта работа была поддержана Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канадского совета по ускорителям оборудования, открытий и открытий, присужденным Дж.М.Б. N.R.B благодарит за поддержку программу постдокторских стипендий Вашингтонского института Карнеги. Стивен Элардо также благодарит за его помощь перед съемкой поршнево-цилиндрического пресса в геофизической лаборатории.

Каталожные номера

  • Canup RM. Динамика формирования Луны. Ежегодный обзор астрономии и астрофизики. 2004. 42: 441–475. [Google Scholar]
  • Руби Д., Ниммо Ф., Мелош Х. Формирование ядра Земли. Трактат по геофизике. 2007; 9: 51–90. [Google Scholar]
  • Карато С., Мурти В.Р.Формирование ядра и химическое равновесие с точки зрения физики Земли. Физика Земли и планетных недр. 1997; 100: 61–79. [Google Scholar]
  • Дзевонски А.М., Андерсон Д.Л. Предварительная эталонная модель Земли. Физика Земли и планетных недр. 1981. 25 (4): 297–356. [Google Scholar]
  • McDonough W., Sun S. Состав Земли. Химическая геология. 1995; 120 (3-4): 223–253. [Google Scholar]
  • Пальме Х., О’Нил Х. Космохимические оценки состава мантии.Трактат по геохимии. 2003; 2: 1–38. [Google Scholar]
  • Фишер-Гёдде М., Беккер Х., Вомбахер Ф. Родий, золото и другие высоко сидерофильные элементы в орогенных перидотитах и ​​ксенолитах перидотитов. Химическая геология. 2011; 280 (3-4): 365–383. [Google Scholar]
  • Ringwood AE. Химическая эволюция планет земной группы. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1966; 30: 41–104. [Google Scholar]
  • Вуд Б.Дж., Уэйд Дж. Формирование ядра и степень окисления Земли. Письма о Земле и планетологии.2005. 236 (1-2): 78–95. [Google Scholar]
  • Зиберт Дж., Корн А., Райерсон Ф. Систематика металл-силикатного разделения многих сидерофильных элементов применительно к образованию ядра Земли. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2011. 75 (6): 1451–1489. [Google Scholar]
  • Righter K. Прогнозирование коэффициентов разделения металл-силикат для сидерофильных элементов: обновление и оценка условий ПК для равновесия металл-силикат во время аккреции. Письма о Земле и планетологии. 2011; 304 (1-2): 158–167.[Google Scholar]
  • Вуд Б.Дж., Уолтер М.Дж., Уэйд Дж. Аккреция Земли и сегрегация ее ядра. Природа. 2006. 441 (7095): 825–833. [PubMed] [Google Scholar]
  • Кимура Кан, Льюис РОЙС, Андерс Э. Распределение золота и рения между никель-железным и силикатным расплавами: последствия для изобилия сидерофильных элементов на Земле и Луне. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1974; 38: 683–701. [Google Scholar]
  • Мурти VR. Ранняя дифференциация Земли и проблема сидерофильных элементов мантии: новый подход.Наука. 1991. 253 (5017): 303–306. [PubMed] [Google Scholar]
  • Righter K, Humayun M, Danielson L. Разделение палладия при высоких давлениях и температурах во время формирования ядра. Природа Геонауки. 2008. 1 (5): 321–323. [Google Scholar]
  • Борисов А., Пальме Х., Спеттель Б. Растворимость палладия в силикатных расплавах Влияние на формирование ядра Земли. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1994. 58 (2): 705–716. [Google Scholar]
  • Эртель В., Дингвелл Д. Б., Сильвестр П. Дж. Сидерофильные элементы в силикатных расплавах — обзор метода механического уравновешивания и проблемы нанонагнетателей.Химическая геология. 2008. 248 (3-4): 119–139. [Google Scholar]
  • Борисов А.Л., Пальме Х. Растворимость иридия в силикатных расплавах: новые данные экспериментов со сплавами lr10Pt90. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1995. 59 (3): 481–485. [Google Scholar]
  • Борисов А., Пальме Х. Экспериментальное определение разделения металл / силикат Os. Neues Jahrbuch für Mineralogie — Abhandlungen. 1998. 172 (2-3): 347–356. [Google Scholar]
  • Борисов А., Пальме Х. Экспериментальное определение растворимости платины в силикатных расплавах.Geochimica et Cosmochimica Acta. 1997. 61 (20): 4349–4357. [Google Scholar]
  • Эртель В., O’Neill HSC, Сильвестр П.Дж., Dingwell DB. Растворимость Pt и Rh в гаплобазальтовом силикатном расплаве при 1300. C. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1999. 63 (16): 2439–2449. [Google Scholar]
  • Коттрелл Э., Уокер Д. Ограничения на образование ядра из-за разделения Pt в основных силикатных жидкостях при высоких температурах. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2006. 70 (6): 1565–1580. [Google Scholar]
  • Yokoyama T, Walker D, Walker RJ.Низкая растворимость осмия в силикате при высоких давлениях и температурах. Письма о Земле и планетологии. 2009. 279 (3-4): 165–173. [Google Scholar]
  • Laurenz V, Fonseca OC, Ballhaus C, Peter K, Heuser A, Sylvester PJ. Растворимость палладия и рутения в пикритовых расплавах: 2. Влияние серы. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2013; 102: 172–183. [Google Scholar]
  • Neill HSC. Экспериментальная петрохимия некоторых высокосидерофильных элементов при высоких температурах и некоторые последствия для формирования ядра и ранней истории мантии.Химическая геология. 1995; 120 (3-4): 255–273. [Google Scholar]
  • Fortenfant SS, Dingwell DB, Ertel-Ingrisch W., Capmas F, Birck JL, Dalpé C. Зависимость растворимости Os в гаплобазальтовом расплаве от летучести кислорода. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2006. 70 (3): 742–756. [Google Scholar]
  • Эртель В., О’Нил HSC, Сильвестр П.Дж., Дингвелл Д.Б., Спеттель Б. Растворимость рения в силикатных расплавах: влияние на геохимические свойства рения при высоких температурах. Geochimica et Cosmochimica Acta.2001. 65 (13): 2161–2170. [Google Scholar]
  • Медард Э., Шмидт М.В., Уол М., Келлер Н.С., Гюнтер Д. Пт в силикатных расплавах: центрифугирование нанонагнетателей для расшифровки процессов образования керна. Конференция по изучению Луны и планет. 2010. С. 3–4.
  • Бренан Дж., МакДоноу В. Формирование керна и металл-силикатное фракционирование осмия и иридия из золота. Природа Геонауки. 2009. 2 (11): 798–801. [Google Scholar]
  • Беннет Н. Р., Бренан Дж. М.. Контроль растворимости рения в силикатном расплаве: последствия для изотопного состава осмия мантии Земли.Письма о Земле и планетологии. 2013; 361: 320–332. [Google Scholar]
  • Беннетт Н., Бренан Дж., Кога К. Растворимость платины в силикатном расплаве в восстановительных условиях: результаты экспериментов без металлических включений. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2014; 133: 422–442. [Google Scholar]
  • Окамото Х., Массальский ТБ. Система Au-Pt (золото-платина). Бюллетень фазовых диаграмм сплавов. 1985. 6 (1): 46–55. [Google Scholar]
  • Neill H, Pownceby M. Термодинамические данные окислительно-восстановительных реакций при высоких температурах.I. Экспериментальная и теоретическая оценка электрохимического метода с использованием стабилизированного диоксида циркония. Вклад в минералогию и петрологию. 1993. 114 (3): 296–314. [Google Scholar]
  • Deines P, Nafziger R, Ulmer G, Woermann E. Таблицы температуры и летучести кислорода для выбранных газовых смесей в системе CHO при общем давлении в одну атмосферу. Вестник экспериментальной станции наук о Земле и минералах. 88. Юниверсити-Парк, Пенсильвания: Государственный университет Пенсильвании; 1974. [Google Scholar]
  • Corgne A, Keshav S, Wood BJ, McDonough WF, Fei Y.Металл-силикатное разделение и ограничения на состав ядра и летучесть кислорода во время аккреции Земли. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2008. 72 (2): 574–589. [Google Scholar]
  • Эйджи С.Б., Уокер Д. Статическое сжатие и флотация оливина в ультраосновной силикатной жидкости. Журнал геофизических исследований. 1988. 93 (7): 3437–3449. [Google Scholar]
  • Уокер Д. Смазка, прокладки и точность в экспериментах с несколькими наковальнями. Американский минералог. 1991; 76 (7-8): 1092–1100. [Google Scholar]
  • Бойд Ф., Англия Дж.Аппарат для измерения фазового равновесия при давлении до 50 килобар и температуре до 1750. С. Журнал геофизических исследований. 1960. 65 (2): 741–748. [Google Scholar]
  • McDade P, Wood BJ, et al. Поправки на давление для выбора узлов поршневой цилиндр. Минералогический журнал. 2002. 66 (6): 1021–1028. [Google Scholar]
  • Уокер Д., Карпентер М., Хитч С. Некоторые упрощения многоярусных устройств для экспериментов с высоким давлением. Американский минералог. 1990; 75 (9-10): 1020-1028.[Google Scholar]
  • Бертка С.М., Фей Ю. Минералогия внутренних частей Марса вплоть до давления на границе ядро-мантия. Журнал геофизических исследований. 1997; 102 (B3): 5251. [Google Scholar]
  • Reed SJB. Электронно-микрозондовый анализ и сканирующая электронная микроскопия в геологии. Второе издание. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета :; 2005. [Google Scholar]
  • Sylvester PJ. Лазерная абляция ICP-MS в науках о Земле: современные практики и нерешенные проблемы. Квебек: Минералогическая ассоциация Канады; 2008 г.[Google Scholar]
  • Борисов А., Уокер Р. Растворимость Ос в силикатных расплавах: новые усилия и результаты) Американский минералог. 2000; 85 (7-8): 912–917. [Google Scholar]
  • Борисов А., Нахтвейх К. Ру Растворимость в силикатных расплавах: экспериментальные результаты в окислительной области. Конференция по изучению Луны и планет. 1998; 77058: 1320. [Google Scholar]
  • Борисов А., Пальме Х. Экспериментальное определение растворимости золота в силикатных расплавах. Минералогия и петрология. 1996. 56 (3-4): 297–312.[Google Scholar]
  • Данн Т. Поршнево-цилиндровый аппарат. Краткое руководство по экспериментам при высоком давлении и приложениям к мантии Земли. 1993. С. 39–94.
  • Эртель В., Уолтер М., Дрейк М., Сильвестр П. Экспериментальное исследование растворимости платины в силикатном расплаве до 14 ГПа и 2273 К: последствия для аккреции и формирования ядра на Земле. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2006. 70 (10): 2591–2602. [Google Scholar]
  • Манн У., Фрост Д., Руби Д. Разделение Ru.Rh, Pf, Re, Ir и Pt между жидким металлом и силикатом при высоких давлениях и высоких температурах — последствия для происхождения высоких концентраций сидерофильных элементов в мантии Земли. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2012; 84: 593–613. [Google Scholar]
  • Laurenz V, Fonseca ROC, Ballhaus C, Sylvester PJ. Растворимость палладия в пикритовых расплавах 1. Эффект железа. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2010. 74 (10): 2989–2998. [Google Scholar]
  • Лю Й, Джи Й, Ю. Д. Термодинамические описания двойных систем Au – Fe и Na – Zn.Журнал сплавов и соединений. 2009. 476 (1-2): 79–83. [Google Scholar]
  • Rindone GE, Rhoads JL. Цвета платины, палладия и родия в простых очках. Журнал Американского керамического общества. 1956; 39 (5): 173–180. [Google Scholar]
  • Акаи Т., Нишии Дж., Ямасита М., Яманака Х. Химическое поведение металлов платиновой группы в оксидных стеклах. Журнал некристаллических твердых тел. 1997; 222 (специальный выпуск): 304–309. [Google Scholar]

Экспериментальные методы и протокол для подавления включений высоко сидерофильных элементов

J Vis Exp.2015; (100): 52725.

Нил Р. Беннет

1 Департамент наук о Земле, Университет Торонто

2 Геофизическая лаборатория, Вашингтонский институт Карнеги

Джеймс М. Бренан

1 Департамент Науки о Земле, Университет Торонто

Yingwei Fei

2 Геофизическая лаборатория, Вашингтонский институт Карнеги

1 Департамент наук о Земле, Университет Торонто

2 Геофизическая лаборатория Вашингтонского института

Copyright © Вашингтонский институт

2015, Journal of Visualized Experiments

Abstract

Оценки состава примитивной верхней мантии (PUM) показывают обеднение многих сидерофильных (железолюбивых) элементов, которое, как считается, является результатом их извлечения в ядро ​​во время земной аккреции.Эксперименты по изучению распределения этих элементов между металлическими и силикатными расплавами показывают, что состав PUM лучше всего подходит, если металл-силикатное равновесие происходит при высоких давлениях и температурах в глубокой среде магматического океана. Однако поведение наиболее высоко сидерофильных элементов (HSE) во время этого процесса остается загадочным. Силикатные продукты опытов по растворимости HSE обычно загрязнены дисперсными металлическими включениями, которые затрудняют измерение концентраций элементов в расплаве.Возникающая в результате неопределенность в отношении истинной растворимости и разделения этих элементов на силикаты металлов затрудняет прогнозирование их ожидаемого истощения в PUM. В последнее время в нескольких исследованиях были внесены изменения в схему экспериментов, используемых для экспериментов с растворимостью при высоких давлениях и температурах, чтобы подавить образование металлических включений. Добавление к образцу Au (эксперименты с Re, Os, Ir, Ru) или элементарного Si (эксперименты с Pt) изменяет либо геометрию, либо скорость восстановления образца, соответственно, во избежание временного перенасыщения силикатного расплава металлом.В этой статье описываются процедуры использования поршневого цилиндра и устройства с несколькими наковальнями для проведения экспериментов по растворимости и разделению силикатов металлов соответственно. Также описан протокол для синтеза незагрязненных продуктов опытов из экспериментов по растворимости HSE, в которых летучесть кислорода аналогична таковой во время формирования земного ядра. Спектры LA-ICP-MS с временным разрешением представлены в качестве доказательства отсутствия металлических включений в продуктах опытов из более ранних исследований, а также подтверждают, что метод может быть расширен для исследования Ru.Также приведены примеры того, как эти данные могут быть применены.

Ключевые слова: Химия, Выпуск 100, сидерофильные элементы, геоинженерия, примитивная верхняя мантия (PUM), HSE, земная аккреция

Введение

Считается, что земная аккреция произошла как серия столкновений планетезималей с хондритовой массой. композиция, завершающаяся фазой гигантского столкновения, мысль, ответственная за формирование луны 1,2 . Нагрев протоземли ударами и распад короткоживущих изотопов было достаточно, чтобы вызвать обширное плавление и образование магматического океана или водоемов, через которые могли спускаться плотные металлические расплавы, богатые железом.Достигнув основания магматического океана, металлические расплавы сталкиваются с реологической границей, останавливаются и претерпевают окончательное металл-силикатное равновесие, прежде чем в конечном итоге спуститься через твердую мантию к растущему ядру 2 . Считается, что дальнейшая химическая связь между металлической и силикатной фазами по мере того, как металлический расплав проходит через твердую часть мантии, невозможна из-за большого размера и быстрого опускания металлических диапиров 3 . Эта первичная дифференциация Земли на металлическое ядро ​​и силикатную мантию обнаруживается сегодня как геофизическими, так и геохимическими наблюдениями 4 6 .Однако интерпретация этих наблюдений для получения правдоподобных условий для равновесия металл-силикат в основании магматического океана требует соответствующей базы данных экспериментальных результатов.

Примитивная верхняя мантия (PUM) представляет собой гипотетический резервуар, содержащий силикатный остаток образования ядра, и поэтому его состав отражает поведение микроэлементов во время металл-силикатного равновесия. Микроэлементы распределяются между металлическими и силикатными расплавами во время сегрегации керна на основе их геохимического сродства.Величину предпочтения элементов для металлической фазы можно описать коэффициентом разделения металл-силикат

(1)

, где

и

обозначают концентрацию элементов и в металле и силикатном расплаве соответственно. Значения

> 1 указывают на сидерофильное (любящее железо) поведение и те <1 литофильное (любящее камень) поведение. Оценки состава PUM показывают, что сидерофильные элементы обеднены по сравнению с хондритами 7 , которые обычно рассматриваются как репрезентативные для валового состава Земли 6,8 .Это истощение связано с секвестрацией сидерофильных элементов сердечником, и для огнеупорных элементов его величина должна прямо отражать значения

. Лабораторные эксперименты поэтому стремятся определить значения

в диапазоне давления ( P ), температуры ( T ) и летучести кислорода ( f O 2 ) условий, которые имеют отношение к сегрегации металла от основания океан магмы. Затем результаты этих экспериментов могут быть использованы для выделения областей пространства P T f O 2 , которые совместимы с изобилием множества сидерофильных элементов в PUM ( e.г., 9 11 ).

Высокие давления и температуры, соответствующие сценарию магматического океана, можно воссоздать в лаборатории, используя поршневой цилиндр или пресс с несколькими наковальнями. Устройство поршневой цилиндр обеспечивает доступ к условиям умеренного давления (~ 2 ГПа) и высокой температуры (~ 2573 K), но позволяет легко использовать большие объемы образцов и различные материалы капсул. Высокая скорость охлаждения также позволяет закалку ряда составов силикатного расплава в стекло, что упрощает текстурную интерпретацию продуктов опыта.В аппарате с несколькими наковальнями обычно используются меньшие объемы образцов, но при подходящей конструкции сборки можно достичь давления до ~ 27 ГПа и температуры ~ 3000 К. Использование этих методов позволило разделить данные для многих умеренно и слабо сидерофильных элементов. собраны в большом диапазоне условий P T . Прогнозы состава PUM, основанные на этих данных, предполагают, что равновесие металл-силикат происходит при среднем давлении и температуре выше ~ 29 ГПа и 3000 К соответственно, хотя точные значения зависят от модели.Чтобы учесть содержание некоторых чувствительных к окислению-восстановлению элементов (, например, V, Cr) в PUM, также считается, что f O 2 эволюционирует во время аккреции с ~ 4 до 2 логарифмических единиц ниже, чем налагается сопутствующими факторами. существующее железо и вюстит (FeO) в эквивалентных условиях PT (железо-вюститовый буфер) 12 .

Хотя обилие PUM многих сидерофильных элементов можно объяснить равновесием металл-силикат в основании глубокого магматического океана, оказалось трудно оценить, применима ли эта ситуация также к наиболее сильно сидерофильным элементам (HSE).Чрезвычайное сродство HSE к железу и металлу, на которое указывают эксперименты при низком давлении ( P ~ 0,1 МПа) и температуре ( T <1,673 K), предполагает, что силикатная земля должна быть сильно обеднена этими элементами. Однако оценки содержания HSE для PUM указывают только на умеренное обеднение по сравнению с хондритом (, рис. 1, ). Обычно предполагаемое решение очевидного превышения HSE состоит в том, что Земля испытала позднюю аккрецию хондритового материала после образования ядра 13 .Этот материал с поздним нарастанием смешался бы с PUM и повышенными концентрациями HSE, но оказал бы незначительное влияние на более распространенные элементы. В качестве альтернативы было высказано предположение, что чрезвычайно сидерофильная природа HSE, показанная в экспериментах с низким значением P T , не сохраняется в условиях высокого уровня P-T , присутствующих во время формирования ядра 14,15 . Чтобы проверить эти гипотезы, необходимо провести эксперименты по определению растворимости и разделения силикатов металлов в HSE при соответствующих условиях.Загрязнение силикатной части продуктов закалки во многих предыдущих исследованиях, однако, усложнило анализ продуктов опыта и затруднило понимание истинных коэффициентов распределения HSE между металлическими и силикатными расплавами.

В экспериментах по разделению, где HSE присутствуют в концентрациях, соответствующих природе, крайнее предпочтение этих элементов металлическому железу препятствует их измерению в силикатном расплаве. Чтобы обойти эту проблему, проводят измерения растворимости, при которых силикатный расплав насыщается интересующим HSE, и значения

рассчитываются с использованием формализма Borisov et al. 16 . Однако продукты опытов с гашеным силикатом из экспериментов по растворимости HSE, проведенных в восстановительных условиях, часто демонстрируют свидетельства загрязнения диспергированными включениями HSE ± Fe 17 . Несмотря на почти повсеместное распространение этих включений в экспериментах с низким содержанием Pt, Ir, Os, Re и Ru с низким содержанием f O 2 ( например, 18 27 ), между исследованиями наблюдаются заметные различия в их текстурном представлении; сравните, например, позиции 22 и 26 .Хотя было продемонстрировано, что могут образовываться включения, которые являются стабильной фазой в условиях прогона эксперимента 28 , это не препятствует образованию включений при закалке образца. Неопределенность, связанная с происхождением включений, затрудняет обработку аналитических результатов и привела к неопределенности в отношении истинной растворимости HSE в восстановленных силикатных расплавах. Для оценки того, в каких исследованиях был применен аналитический подход, который дает точные концентрации растворенных HSE, требуются продукты, не содержащие включения.Значительный прогресс в подавлении образования металлических включений в восстановительных условиях теперь продемонстрирован в экспериментах с поршневым цилиндром, в которых конструкция образца была изменена по сравнению с предыдущими исследованиями путем добавления Au или Si к исходным материалам 29 31 . Добавление Au или элементарного Si к исходным материалам изменяет геометрию образца или эволюцию эксперимента соответственно. Эти методы предназначены для подавления образования металлических включений путем изменения времени диффузии HSE по сравнению с восстановлением образца и обсуждаются в Bennett et al. 31 . В отличие от некоторых предыдущих попыток очистки силикатного расплава от включений, таких как механическое уравновешивание и центрифугирование поршневой цилиндр, настоящий протокол может быть реализован без специального оборудования и подходит для экспериментов с высоким значением P-T .

Здесь подробно описан подход на основе поршневого цилиндра для определения растворимости Re, Os, Ir, Ru, Pt и Au в силикатном расплаве при высокой температуре (> 1873 K), 2 ГПа и f O 2 аналогичен буферу железо-вюстит.Применение подобной экспериментальной схемы может также оказаться успешным в экспериментах HSE при других давлениях, при условии сохранения требуемых фазовых соотношений, смачивающих свойств и кинетических соотношений в выбранных условиях. Однако имеющихся данных недостаточно, чтобы предсказать, будет ли наш дизайн образца успешным при давлениях, соответствующих глубинному магматическому океану. Также описан общий подход, используемый для определения разделения элементов с умеренной и незначительной сидерофильностью (MSE и SSE соответственно) с использованием устройства с несколькими наковальнями.Расширение набора данных без включения для HSE для высокого давления, вероятно, будет использовать аналогичные методы с несколькими наковальнями. Вместе эти процедуры обеспечивают средства ограничения как условий сегрегации ядра, так и стадий земной аккреции.

Протокол

1) Подготовка исходного материала

  1. Синтетический базальт Примечание: базальтовая композиция используется в качестве силикатного исходного материала, поскольку более деполимеризованные композиции, хотя и более подходящие для сценария магматического океана, трудно или невозможно остановить. стакан в экспериментах «поршень-цилиндр» и с несколькими наковальнями.

    1. Взвесьте желаемое количество порошков оксида или карбоната (Ca и Na), за исключением Fe, и добавьте в агатовый раствор (см. Пример в , таблица 1 ). Смесь без Fe весом ~ 4 г должна обеспечить достаточно исходного материала для обширного набора экспериментов.

    2. Добавьте этанол в агатовую ступку, пока порошки не погрузятся в воду, затем измельчите в течение не менее 2 часов, используя агатовый пестик, чтобы гомогенизировать как состав, так и размер зерен смеси.Примечание. Однородность измельченных исходных композиций можно проверить, исследуя прессованную таблетку порошкообразной смеси с помощью сканирующего электронного микроскопа, оборудованного для анализа состава, методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии.

    3. После тщательной гомогенизации поместите раствор под нагревательную лампу мощностью 250 Вт на расстоянии ~ 20 см. После высыхания порошковой смеси, что может занять 20-60 мин, перенесите ее в тигель из оксида алюминия или муллита (алюмосиликата).

    4. Для декарбонизации смеси поместите тигель с порошкообразной смесью в коробчатую печь при комнатной температуре и увеличьте температуру до 1 273 К в течение 3-5 часов.Оставьте смесь в печи при 1273 K O / N.

    5. Удалите декарбонизированную смесь из коробчатой ​​печи и дайте ей остыть до комнатной температуры. После охлаждения взвесьте и добавьте железо в смесь в виде порошка FeO или Fe 2 O 3 (см. Таблица 1 ). Изменение отношения FeO к Fe 2 O 3 при сохранении общего содержания Fe одним и тем же позволяет изменить окончательный f O 2 образца. Чтобы получить доступ к большему количеству восстановительных условий и во всех экспериментах для исследования Pt, также добавьте ~ 0.5-2,0 мас.% Si в смеси. После добавления Fe (± Si) повторно гомогенизируйте смесь путем повторного измельчения в этаноле с помощью агатовой ступки и пестика.

    6. Высушите гомогенизированную смесь под нагревательной лампой и затем перенесите ее во флакон с оболочкой. Хранить в эксикаторе до загрузки капсулы с образцом.

  2. Металлическая фаза: Re, Os, Ir, Ru. Эксперименты

    1. . для разницы в атомной массе) смесь Au и HSE, представляющая интерес, с использованием металлических порошков высокой чистоты.Смесь массой ~ 500 мг должна обеспечить достаточно исходного материала для обширного набора экспериментов.

    2. Перенести смесь в графитовый тигель и накрыть графитовой крышкой. Затем поместите закрытый тигель в коробчатую печь при температуре 1473 К на ~ 5 мин. После извлечения из печи оставьте крышку тигля на месте, пока сборка не остынет до комнатной температуры. ВНИМАНИЕ: Нагревание осмия на воздухе может привести к образованию токсичного соединения четырехокиси осмия.Металлический осмий также является известным раздражителем кожи, см. Паспорт безопасности материалов для CAS № 7440-04-2. Примечание. В этом процессе плавится Au (температура плавления ~ 1337 K), но не сопровождающий его HSE, в результате чего образуется металлический шарик, в котором интересующий HSE окружен коркой Au.

    3. Удалите металлический шарик из графитового тигля и с помощью лезвия бритвы разделите его на более мелкие части, длина которых составляет ~ 1 мм. После разрезания поместите бусинки во флакон с раковиной и храните в эксикаторе.

  3. Металлическая фаза: Pt Эксперименты Примечание. Эксперименты по исследованию Pt не могут быть выполнены с использованием метода нанесения шариков с золотым покрытием из-за полной смешиваемости Pt и Au при высокой температуре (> 2042 K при 0,1 МПа 32 ) . Это исключает такую ​​геометрию образца, при которой Pt физически отделяется от силикатного расплава во время эксперимента коркой золота.

    1. Тщательно перемешайте металлические порошки Pt и Ir в соотношении 1: 1 по весу, чтобы получить всего ~ 500 мг смеси.Затем добавляют ~ 20 мг металлического порошка Fe так, чтобы Fe составляло ~ 4 массовых процента от всей смеси.

    2. Приклейте чистую заготовку сверла (в качестве альтернативы, вместо заготовки сверла можно использовать хвостовик сверла) к краю рабочего стола так, чтобы на ~ 3 мм выступало из поверхности стола. Поместите трубку из кварцевого стекла с внутренним диаметром ~ 2-3 мм и внешним диаметром ~ 4-6 мм на выступающий конец сверла.

    3. Поместите смесь PtIrFe в стеклянную трубку и вставьте над ней другую заготовку сверла.Обе заготовки сверла должны иметь диаметр не более чем на 0,1 мм меньше внутреннего диаметра трубки из кварцевого стекла. Произведите холодное прессование металлической смеси, сдвинув заготовки сверла вручную ( Рисунок 2 ). ВНИМАНИЕ: чрезмерное усилие на этапе холодного прессования может привести к разрушению кварцевого стекла).

    4. Поместите порошки холодного прессования, все еще находящиеся внутри трубки из кварцевого стекла, в тигель из оксида алюминия и суспендируйте в прохладной части вертикальной трубчатой ​​печи для смешивания газов.Увеличьте температуру печи до 1 673 K и, используя газовые смеси CO-CO 2 , установите в печи f O 2 значение, близкое к железо-вюститному буферу. Примечание: при атмосферном давлении и 1673 К буфер железа-вюстита соответствует f O 2 1,93 x 10 -10 Па 33 . Связь между соотношением смеси CO-CO 2 , температурой и f O 2 можно найти в ссылке 34 . В качестве буфера железо-вюстит при 1673 К используйте газовую смесь, содержащую 22.25 об.% CO 2 и 77,75 об.% CO.

      1. Как только будет достигнута желаемая температура и f O 2 , опустите глиноземный тигель так, чтобы он оставался в горячей точке печи, и оставьте O / N прессованных порошков на отжиг.

    5. Извлеките тигель и прессованные порошки из газосмесительной печи и дайте им остыть. Если трубка из кварцевого стекла все еще не повреждена, используйте заготовку сверла, чтобы вытолкнуть отожженный порошок из трубки.Используя кусачки, разломайте отожженный порошок на достаточно мелкие кусочки, чтобы поместиться в капсулу с образцом, выбранную для эксперимента.

    6. Перенесите металлические детали во флакон со скорлупой и храните в эксикаторе до тех пор, пока он не понадобится.

  4. Металлическая фаза: Эксперименты с несколькими наковальнями

    1. Для экспериментов по определению разделения умеренно и слабо сидерофильных элементов смешайте синтетический базальтовый порошок с порошком Fe-металла в равных пропорциях.Примечание. Некоторая часть Fe может быть добавлена ​​в виде сплава Fe-Si, обычно так, чтобы Si составлял <8 мас.% Металлической фракции. Это гарантирует, что экспериментальный f O 2 останется низким.

    2. Добавьте выбранные микроэлементы в виде порошков оксидов металлов в смесь базальта и металла. Гомогенизируйте исходный материал путем измельчения в этаноле с помощью агатовой ступки и пестика. Точное количество добавленных микроэлементов будет зависеть от исследуемого элемента, однако номинальные концентрации от нескольких тысяч ppm до 2 мас.% Являются типичными 10,35 .

    3. После гомогенизации высушите порошкообразный исходный материал под нагревательной лампой, перенесите его во флакон с оболочкой, затем храните в эксикаторе до тех пор, пока он не понадобится.

2. Подготовка компонентов сборки

  1. Поршневой цилиндр Примечание. Узел поршневого цилиндра состоит из графитовой капсулы, которая поддерживается в горячей точке графитового резистивного нагревателя с помощью дробимых кусочков магнезии. Термопара в оболочке из оксида алюминия расположена в осевом направлении через верхнюю часть сборки для контроля температуры в верхней части образца.Затем печь окружают ячейки BaCO 3 , которые действуют как среда под давлением и как теплоизолятор 36 . Сборочные размеры указаны на Рис. 3A . Список примеров материалов, использованных для экспериментов, и их источники приведены в Таблице 2 .

    1. Обработайте графитовые капсулы, графитовую торцевую заглушку и опорные элементы из магнезии до требуемых размеров на центральном токарном станке, используя в качестве исходных материалов графитовые и магнезиальные стержни или трубки соответственно (, рис. 3A, ).Примечание. Для экспериментов по исследованию Re, Os и Ir сплавы HSE-Fe могут быть заменены графитом в качестве материала капсулы 29,30 .

    2. Обработайте графитовые капсулы ультразвуком в этаноле в течение ~ 1 мин при комнатной температуре, затем высушите под нагревательной лампой таким же образом, как и для порошкообразных исходных материалов. После высыхания перенесите капсулы во флакон с оболочкой и храните в эксикаторе или сушильном шкафу до тех пор, пока не потребуется.

    3. Поместите опорные элементы из магнезии в тигель из оксида алюминия или муллита и отожгите при 1573 К в коробчатой ​​печи в течение не менее 8 часов.После отжига дайте деталям остыть, затем храните в сушильном шкафу при температуре ~ 393 К.

    4. Для изготовления ячеек карбоната бария сначала смешайте порошок BaCO 3 и использованный копировальный тонер в пропорции 99: 1 по весу. На один эксперимент требуется минимум 7,4 грамма смеси. Покройте внутреннюю часть стального штампа подходящего размера (размеры гильз BaCO 3 см. На рис. , рис. 3A, ) либо сухой смазкой на основе графита, либо смазкой для форм на основе ПТФЭ (, таблица 2, ).

    5. Отжать 3,7 г смеси холодным прессованием до давления ~ 250 МПа, используя стальную матрицу и гидравлический пресс. Перед декомпрессией оставьте смесь под давлением на 1 мин. В результате получится рукав высотой 17 мм. Для каждой сборки требуется две втулки. Примечание. Двухэлементная компоновка, описанная выше и использованная в некоторых предыдущих исследованиях 29 31 , может быть заменена одной ячейкой BaCO 3 при наличии матрицы подходящего размера.

    6. После извлечения из матрицы удалите копировальный тонер, нагревая рукава от комнатной температуры до 923 K в течение нескольких часов в коробчатой ​​печи, а затем выдерживая при этой температуре в течение ~ 30 минут.Обратите внимание на изменение цвета с черного на оранжевый после удаления копировального тонера. Храните отожженные рукава в сушильном шкафу, поддерживающем температуру ~ 393 К.

  2. Мульти-наковальня Примечание. Узел с несколькими наковальнями состоит из капсулы с образцом, которая помещается в горячую точку цилиндрического графитового резистивного нагревателя с использованием измельчаемого MgO. или Al 2 O 3 присадочные детали. Нагреватель окружен октаэдром из спеченной или литой керамики, который действует как среда под давлением и как теплоизолятор.Термопара может быть расположена как в осевом, так и в поперечном направлении, в зависимости от конструкции сборки. Существует множество размеров и конструкций узлов, используемых для экспериментов с несколькими наковальнями, в зависимости от желаемой цели и условий P T . На рис. 4 показана конструкция узла, ранее использовавшаяся для проведения экспериментов по разделению силикатов металлов при 3,6 и 7,7 ГПа 35 .

    1. Приготовьте графитовые капсулы и измельчаемые магнезиальные или циркониевые втулки из трубок высокой чистоты таким же образом, как указано для экспериментов с поршневым цилиндром.Необходимые размеры указаны на Рис. 4A .

    2. Сделайте заглушку из оксида алюминия из отрезка твердо обожженного стержня из оксида алюминия. Используйте алмазный напильник, чтобы надрезать стержень в том месте, где он должен быть сломан, затем защелкните стержень до необходимой длины вручную (размеры см. На рис. 4A ). Воспользуйтесь напильником, чтобы удалить заусенцы, возникшие в результате поломки стержня. Очистите пробку, обработав ее ультразвуком в этаноле при комнатной температуре.

    3. Подготовьте октаэдры с октаэдрической длиной ребра 18 мм (OEL), используя отливку из двухкомпонентной керамики на основе MgO (см. , таблица 2 ) и форму соответствующего размера.Форма состоит из зажимного приспособления, вмещающего 8 усеченных кубиков, разделенных листами с толщиной, равной толщине, необходимой для предварительно сформованных прокладок 37 .

      1. Для октаэдров с OEL 18 мм используйте кубы с длиной усеченного края 11 мм (TEL) и листы толщиной 3 мм. Для кубиков и листов используйте алюминий или ПВХ. Соберите форму, смазав все детали, которые будут контактировать с литой керамикой, силиконовой смазкой. Оставьте один куб в разобранном виде, чтобы обеспечить вход для керамической смеси.

      2. Смешайте керамический порошок и жидкий активатор в соотношении 100: 30 по весу и тщательно перемешайте. Вылейте смесь в форму, следя за тем, чтобы не было воздушных карманов. Вставьте оставшийся кубик и дайте смеси застыть не менее 2 часов. На каждый октаэдр требуется ~ 15 г керамической смеси.

    4. После застывания выньте октаэдр из формы, обезвоживайте в течение ~ 1 дня в сушильном шкафу при 393 К, затем отожгите при 1273–1373 К в коробчатой ​​печи в течение ~ 2 часов.

    5. Дайте октаэдру остыть до комнатной температуры на воздухе, затем просверлите отверстие диаметром 7,3 мм, как показано на рисунке , рис. 4B , для размещения изоляционной втулки, графитового нагревателя и остальных компонентов образца.

    6. Хранить в сушильном шкафу при ~ 393 К до готовности к установке эксперимента.

3. Сборка компонентов

  1. Сборка поршневого цилиндра Эксперимент

    1. Загрузите графитовую капсулу с образцом, сначала вставив металл, несущий HSE, затем добавив синтетический базальтовый порошок до тех пор, пока капсула не будет заполнена .Использование гравитационно-стабильного устройства сводит к минимуму возможность опрокидывания во время эксперимента и предназначено для предотвращения рассеивания металлической фазы в результате механического воздействия.

    2. Поместите небольшое количество (обычно <50 мг) сухого порошка MgO в основание полости, предназначенной для размещения капсулы с образцом. Это сглаживает коническую поверхность, образовавшуюся при сверлении отверстия, и, в свою очередь, снижает усилия сдвига во время сжатия образца, которые могут привести к растрескиванию капсулы.

    3. Соберите все ранее изготовленные компоненты, как показано на рисунке Рисунок 3B .

    4. Оберните кусок свинцовой фольги толщиной 30 мкм вокруг сборки, загибая небольшой (~ 1,5 мм) кусок фольги на открытый конец нижнего рукава BaCO 3 . Вставьте сборку в сосуд высокого давления из карбида вольфрама диаметром 12,7 мм вместе с базовой заглушкой (вверху) и стальной заглушкой (внизу), как показано на , рис. 3A, . Примечание. Поршнево-цилиндровый аппарат с концевой нагрузкой имеет два гидроцилиндра. Мост, охватывающий нижний плунжер, позволяет поршню из карбида вольфрама оказывать давление на нижнюю часть образца.Верхний плунжер фиксирует положение верхней поверхности образца и прикладывает концевую нагрузку к сосуду высокого давления, который обеспечивает дополнительную поддержку сердечнику из карбида вольфрама 38 . На рис. 3C показан поршневой цилиндр в Университете Торонто с установленным мостом. Поправка на трение -9% применяется для учета разницы между номинальным давлением образца и давлением образца 39 .

    5. Установите мост, сосуд высокого давления и опорную плиту между гидроцилиндрами.Затем сделайте термопару C-типа, используя трубку из твердо обожженного оксида алюминия с 4 отверстиями и внешним диаметром 1,6 мм. Трубку из оксида алюминия следует отрезать достаточно длинной, чтобы она могла выступать из верхней поверхности верхней пластины на ~ 1-2 мм.

    6. Пропустите оба состава проволоки (см. Таблица 2 ) через соседние отверстия в трубке, поверните концы на 180 градусов и закрепите их в противоположных отверстиях так, чтобы проволока пересеклась. Вставьте термопару через верхнюю пластину в сборку так, чтобы спай находился прямо над образцом.Изолируйте оставшуюся часть проводов термопары гибкими тефлоновыми трубками, оставив на конце участок 10-20 мм.

    7. Поместите все необходимые металлические распорки между верхней пластиной и верхним гидроцилиндром. Во время сборки расположите листы майлара как над сосудом высокого давления, так и между верхней частью сборки и верхним плунжером. Эти листы электрически изолируют цепь нагрева образца от остальной части устройства.

  2. Эксперимент по сборке с несколькими наковальнями

    1. Сделайте термопару C-типа, используя твердо обожженную глиноземную трубку с 4 отверстиями, пропустив оба провода через соседние отверстия в трубке, повернув концы на 180 ° и закрепив их в противоположных отверстиях.Изолируйте оставшуюся часть проводов короткой (~ 20 мм) трубкой из оксида алюминия, а затем тефлоновым изоляционным материалом, оставив на конце 10-20 мм оголенный провод.

    2. Вставьте циркониевую втулку и графитовый нагреватель в октаэдр, затем вырежьте канавки, как показано на Рисунок 4B . Вставьте термопару в верхнюю часть октаэдра и поместите плечи, покрытые оксидом алюминия, в канавки. Используйте циркониевый цемент (см. , таблица 2, ), чтобы заполнить пустоты вокруг термопары и дать высохнуть.

    3. Чтобы изолировать соединение термопары от графитовой капсулы, добавьте порошок MgO из основания октаэдра до тех пор, пока не будут покрыты оголенные провода. Чтобы окружить оголенный провод, обычно достаточно менее 50 мг порошка. Чтобы обеспечить плотную упаковку порошка MgO, утрамбовывайте рассыпчатый порошок с помощью заготовки сверла.

    4. Загрузите графитовую капсулу с предварительно подготовленным материалом образца и поместите в октаэдр с открытой стороны. Вставьте заглушку из оксида алюминия, чтобы завершить сборку октаэдра.

    5. На 4 кубика WC ( Таблица 2 ) используйте поливинилацетат, чтобы приклеить короткие отрезки бальзового дерева, по одному на каждой из трех сторон, прилегающих к усеченному углу куба. Каждый кусок бальзового дерева должен иметь высоту ~ 4,4 мм и ширину на ~ 9,0 мм в длину для размера октаэдра, показанного на рисунке 4 . На каждой грани поместите кусочки бальзового дерева в квадрант напротив усеченного края.

    6. Соберите 4 кубика, чтобы сформировать квадрат на виде сверху, 2 с прикрепленными деревянными частями и 2 без них.Сориентируйте обрезанные края так, чтобы они смотрели в центр квадрата.

    7. Расположите октаэдр в центре кубов так, чтобы он опирался на усеченные края. Затем наклоните рычаги термопары так, чтобы они выходили из противоположных углов квадрата ( Рисунок 5A )

    8. Поместите оставшиеся кубики WC в положение, чтобы сформировать куб с октаэдром в его центре, убедившись, что кубики с деревянными деталями прикрепленная подставка поверх кубиков, у которых нет деревянных распорок.

    9. Приклейте квадратные кусочки листа G10 толщиной ~ 0,5 мм (см. Таблицу 2) к каждой грани собранного куба с помощью клея цианоакрилатного типа. Для кубиков унитаза 32 мм используйте листы G10 размером ~ 55 мм x 55 мм. Два куба WC имеют усеченные части, которые контактируют с резистивным нагревателем и, таким образом, образуют часть электрической цепи нагрева. Для листов, которые соприкасаются с этими кубиками, прорежьте 2 узких (шириной <1 мм) прорези, как показано на рисунке , рис. 5B , и поместите кусок медной фольги так, чтобы он обеспечивал точку контакта между наковальнями 1-й и 2-й ступеней.Примечание. В устройстве с несколькими наковальнями используется двухступенчатая система наковален, содержащихся в удерживающем кольце. Наковальни первой ступени состоят из 6 съемных клиньев, образующих центральную кубическую полость. Эта полость вмещает 8 кубиков карбида вольфрама с усеченными углами (наковальни второй ступени), которые окружают керамический октаэдр 40 . Таким образом, вертикально ориентированная сила, приложенная к наковальням первой ступени с помощью гидравлического пресса, передается на октаэдр таким образом, что приводит к квазигидростатическому сжатию образца.Взаимосвязь между давлением масла в плунжере и давлением образца может быть откалибрована для литой восьмигранной сборки OEL 18 мм, описанной здесь, с использованием процедур, изложенных в 41 .

    10. Вырежьте 2 листа майлара толщиной 0,076 мм до размеров, указанных на рис. 6 и нанесите на них сухую смазку из ПТФЭ.

      1. Поместите один из предварительно нарезанных листов в стопорное кольцо (прямая кромка у основания) и вставьте нижний набор 1 st -ступенчатых упоров, которые сами имеют 0.Майлар толщиной 076 мм, покрытый смазкой из ПТФЭ (, рис. 5В, ). Нижний комплект опор можно оставить на месте между прогонами. Поместите собранный куб в нижний набор опор 1-й ступени и подсоедините плечи термопары к сбалансированным проводам термопары, которые выходят из модуля давления.

      2. Поместите предварительно нарезанный лист майлара 2 и в стопорное кольцо (прямой кромкой к верху) и вставьте верхний набор 1 ступенчатых упоров st , которые должны иметь майларовую основу и смазываться таким же образом. манера как нижний набор.Эта компоновка обеспечивает смазанный майларовый контакт между наковальнями ступени 1 st и стопорным кольцом, что снижает потерю тяги толкателя на трение примерно на 30% по сравнению с одинарным майларовым листом 37 . Примечание. Толщина и размеры майларового листа будут зависеть от точной конструкции используемого модуля давления. Описано выше и в Рис. 6 — это размеры, используемые в Геофизической лаборатории Института Карнеги в Вашингтоне.

4. Проведение эксперимента

  1. После того, как образец будет доведен до необходимого давления, нагрейте его со скоростью 100 К / мин до тех пор, пока не будет достигнута желаемая температура выдержки. На этапе нагрева может потребоваться отрегулировать масло в толкателе для отбора проб, чтобы поддерживать постоянное давление масла.

  2. После периода выдержки закалите образец, отключив питание печи. Как только прибор остынет до комнатной температуры, медленно снимите давление на образец.

5. Анализ результатов прогона

  1. Для экспериментов с поршневым цилиндром извлеките законченный эксперимент из сосуда высокого давления с помощью гидроцилиндра. С помощью пары сверхмощных резцов удалите внешние части сборки, чтобы освободить графитовую капсулу (поршневой цилиндр) или печь, содержащую капсулу с образцом и опорные детали (многопозиционная наковальня).

  2. Закрепите образец эпоксидной смолой (как правило, чтобы сформировать шайбу диаметром 25,4 мм) ( Рисунок 7A ).Используя бумагу из карбида кремния с зернистостью от 320 до 600, растереть образец, чтобы обнажить закаленный силикатный расплав и металлические фазы. Отполируйте открытую поверхность с помощью суспензии оксида алюминия или алмаза с уменьшающимся размером зерна от ~ 15 до 0,3 мкм.

  3. Углерод покрывает поверхность полированного образца 42 и анализирует состав основных элементов металла и силикатных продуктов опытов с помощью электронно-зондового микроанализа (EPMA). Для силикатного анализа используйте расфокусированный (10 мкм) пучок, чтобы избежать миграции щелочных элементов из электронного пучка.Аналитические условия и стандарты, использованные для характеристики предыдущих образцов, созданных с помощью вышеуказанного протокола, можно найти в ссылках 29 31,35 Примечание: для экспериментов по исследованию разделения MSE и SSE EPMA также может оказаться подходящим для анализа трассирующие элементы при условии, что они присутствуют в достаточной концентрации.

  4. После анализа основных элементов удалите углеродное покрытие, используя зернистость оксида алюминия 0,3 мкм. Используйте масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой с лазерной абляцией (LA-ICPMS) для определения содержания микроэлементов в продуктах опытов.Для ознакомления с анализом проб с помощью LA-ICPMS см. Ссылку 43 . Примечание. В предыдущих исследованиях растворимости HSE изотопы кальция и никеля успешно использовались в качестве внутренних стандартов для сокращения данных с использованием стандартных образцов стекла и сульфидов соответственно 29,30 . Всем анализам должен предшествовать однократный проход абляции с последующей промывкой ячейки абляции в течение не менее 60 секунд. Это гарантирует, что любое поверхностное загрязнение, которое может возникнуть в результате полировки продуктов экспериментального опыта, не повлияет на результаты.

Типичные результаты

Следующие ниже примеры и обсуждение сосредоточены на экспериментах по определению растворимости HSE в силикатных расплавах при низком уровне f O 2 . Для исчерпывающих примеров того, как данные разделения MSE и SSE из экспериментов с несколькими наковальнями могут быть использованы для ограничения условий сегрегации основного металла в условиях сегрегации основного металла, читатель отсылается к ссылкам 9 11 . На рис. 7B-D показаны изображения в отраженных электронах типичных результатов экспериментов. В экспериментах, содержащих Au, смачивающие свойства между силикатным расплавом, расплавом Au и твердым HSE (Re, Os, Ir, Ru) определяют геометрию образца и приводят к физическому разделению между силикатным расплавом и твердым HSE. Для экспериментов по исследованию Pt сплав PtIr остается в прямом контакте с силикатным расплавом. Мощность резания печи в конце эксперимента обеспечивает быстрое охлаждение образца и закалку силикатного расплава.Таким образом, продукты цикла содержат либо 1, либо 2 фазы сплава (с высоким содержанием HSE ± богатое Au) или силикатное стекло (при условии, что базальтовый состав используется в таблице 1 ).

Загрязнение силикатного стекла в экспериментах с низкой растворимостью f O 2 HSE легче всего идентифицировать по наличию неоднородности в разрешенных во времени спектрах LA-ICPMS. Эта неоднородность проявляется в виде «пиков» и «впадин» в спектрах, которые возникают в результате абляции различных пропорций стекла с включениями и стекла без включений 17 . На фиг. 8A показан спектр с временным разрешением для эксперимента по растворимости Pt, в котором не использовались методы предотвращения образования металлических включений. Для сравнения, Фигуры 8B-F отображают спектры с временным разрешением, типичные для силикатных продуктов, синтезированных с использованием методов, изложенных в приведенном выше протоколе. Однородность спектров b-f свидетельствует об отсутствии дисперсных включений HSE в силикатной части продуктов опыта. Проверка силикатного стекла с помощью сканирующей электронной микроскопии подтверждает отсутствие видимых металлических включений в силикатных продуктах опытов, что дополнительно подтверждает отсутствие загрязнения.Спектры, представленные на рис. 8A-E , получены из продуктов прогона, синтезированных в рамках нескольких предыдущих исследований 29 31 . Фиг. 8F. взят из эксперимента по растворимости Ru, проведенного при 2273 К и 2 ГПа с использованием описанной выше методики добавления золота. Однородность этих спектров предполагает, что этот подход также позволяет избежать образования металлических включений, обнаруженных в предыдущих экспериментах по растворимости Ru, проведенных при аналогичных восстановительных условиях (~ IW + 2.5) 24 .

Рис. 1. Сравнение между оценочным составом примитивной верхней мантии (PUM) и составом, предсказанным по результатам экспериментов по растворимости при низком давлении и температуре. Данные по составу PUM из Fischer-Gödde et al. 7 . Коэффициенты распределения для HSE составляют 0,1 МПа, 1573-1673 K и IW-2 из экспериментов без Fe по 27 (Re), 44 (Os), 18 (Ir), 45 (Ru ), 16 (Pd), 46 (Au), 21 (Pt и Rh).Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 2. Устройство для холодного прессования металлических порошков. Нижняя заготовка сверла (или хвостовик) первоначально прикрепляется лентой к краю рабочего стола, чтобы облегчить загрузку порошков в трубку из кварцевого стекла. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 3. ( A ) Подробное сечение поршневого цилиндра в сборе после того, как он был вставлен в сосуд высокого давления. Для получения стабильных результатов зазор между компонентами в печи сопротивления должен быть в пределах 0.025 мм от номинала 38 . Ячейки BaCO 3 должны быть в пределах ~ 0,13 мм от номинального внутреннего и внешнего диаметров. Подробные сведения о конструкции подходящей матрицы можно найти в 47 , хотя внутренний диаметр ячейки должен быть изменен по чертежам в этой ссылке на 7,9 мм. ( B ) Процедура создания узла образца поршневого цилиндра. Для закрепления графитовой заглушки в гильзе BaCO 3 можно использовать цианоакрилатный клей или бытовой цемент, однако следует наносить не более ~ 10 мг.( C ) Пресс с поршневым цилиндром в Университете Торонто. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 4. ( A ) Поперечное сечение узла с несколькими опорами, подходящего для использования с кубиками WC, имеющими TEL 11 мм. Самая верхняя часть рисунка показана, чтобы показать, как плечи термопары выходят из октаэдра, если смотреть как перпендикулярно, так и вниз по оси провода, как показано. ( B ) Вид сверху литого октаэдра с ребрами уплотнения.Канавки для плеч термопар должны быть прорезаны в областях, отмеченных красным. Обратите внимание, что внутренняя магнезиальная втулка и трубка из оксида алюминия с 4 отверстиями, показанные на рисунке, не должны находиться на своих местах при прорезании канавок. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 5. ( A ) Расположение кубиков WC вокруг собранного октаэдра. ( B ) Нижний комплект опор 1-й ступени и их расположение внутри стопорного кольца. ( C ) Завершенный эксперимент помещен в модуль давления с установленной одной из верхних опор 1-й ступени.Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6. Размеры майларового листа, описанные в шаге 3.2.10. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 7. ( A ) Экспериментальный продукт, смонтированный на эпоксидной смоле, затем отшлифованный и отполированный. ( B ) и ( C ) Изображения в отраженных электронах экспериментальных продуктов из экспериментов с использованием методов добавления Si ( B ) и Au ( C ), описанных в тексте для экспериментов по определить растворимость Pt и Ru соответственно.Изображение ( B ) перепечатано с номера 31 с разрешения Elsevier. ( D ) Увеличенный вид области, обведенной красным на ( C ), чтобы показать детали гранулы AuRu и границы раздела металл-силикат. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 8. ( A ) Спектры LA-ICP-MS с временным разрешением из эксперимента с низкой растворимостью Pt f O 2 , в котором не применялись меры для подавления образования металлических включений.( B-F ) Типичные спектры LA-ICP-MS с временным разрешением из экспериментов для Ru, Pt 31 , Re 30 , Os и Ir 29 , которые были выполнены с использованием процедуры, изложенной в тексте. Все показанные данные получены из экспериментов, проведенных при 2273 К и 2 ГПа. Вертикальная пунктирная линия на каждом рисунке отделяет область абляции от области получения фона. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 9. Изменение D Met / Sil на T для экспериментов, проведенных Brenan & McDonough 29 (Os, Ir, Au), Bennett & Brenan 30 (Re, Au) и Bennett et al. 31 (Pt), используя описанные здесь процедуры. Все данные взяты из экспериментов, проведенных при 2 ГПа. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 10. Зависимость растворимости иридия в базальтовом расплаве при 2273 К и 2 ГПа от f O 2 относительно железо-вюститового (IW) буфера. Данные взяты из Brenan & McDonough 29 . Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Перед декарбонизацией После декарбонизации
мас.% Оксидов / карбонатов; Fe 2+ Исходный состав мас.% Оксидов / карбонатов; Fe 2+ Исходный состав мас.% Оксида; Fe 2+ Исходный состав мас.% Оксида; Fe 3+ Исходный состав
SiO 2 47.92 47,40 SiO 2 51,87 51,26
Al 2 O 3 9,91 Al 9,80 Al 9139
CaCO 3 16,20 16,02 CaO 9,83 9,71
MgO 14,58 14,42 MgO79 15,60
FeO 9,84 FeO 10,66
Fe 2 O 3 80 3 11,71
MnO 0,06 0,06 MnO 0,07 0,07
Na 2
Na 2 913 3 913 CO.20 1,19 Na 2 O 0,76 0,75
NiO 0,28 0,27 NiO 0,30 0,30
Таблица 1.

Обсуждение

Результаты экспериментов без включения, выполненных с использованием описанных здесь протоколов, ранее сравнивались с литературными данными в ссылках 29 (Os, Ir, Au), 30 (Re, Au) и 31 (Пт).Pt наиболее поучительно демонстрирует полезность запускаемых продуктов без включения. Для экспериментов, проводимых при низком уровне f O 2 , Ertel et al. 48 приписал включениям стабильное происхождение и, следовательно, ограничил обработку данных областью с наименьшим количеством импульсов в секунду разрешенных во времени спектров LA-ICPMS. Такой подход сводит к минимуму вклад включений в измеренные концентрации силикатного расплава. Данные Ertel et al. 48 при ~ IW + 1 хорошо согласуется с трендом между D Met / Sil и 1/ T , определенным экспериментами без включения, выполненными при аналогичных f O 2 ; подтверждение того, что выбранная ими аналитическая обработка эффективна для определения истинной растворимости Pt 31 .Кроме того, эксперименты, проводимые с использованием описанного здесь протокола подавления включений, могут исследовать большее количество восстанавливающих условий, в которых метод спектральной фильтрации становится менее эффективным 17 . В исследованиях, которые предполагают только присутствие включений, связанных с закалкой, наблюдается различное согласие с данными без включений. Например, наблюдается хорошее согласие с результатами Mann et al. 49 , однако эксперименты Cottrell et al. 22 отображают систематически более низкие значения D Met / Sil , чем эксперименты без включений 31 .Таким образом, создание экспериментов без включения в широком диапазоне условий имеет решающее значение для оценки надежности предыдущих измерений загрязненных включениями.

Хотя описанный здесь протокол оказался успешным в ряде условий, он не является панацеей от проблемы загрязнения металлическими включениями. На эксперименты, проведенные с использованием метода добавления Au, влияет образование сложных составов сплавов при очень низких значениях f O 2 .Чтобы создать условия, значительно более восстанавливающие, чем буфер железо-вюстит, в исходные материалы добавляют элементарный Si. Продукты прогона из наиболее восстановительных из этих экспериментов содержат 2 сосуществующих сплава, которые обладают обширной текстурой распада, связанной с закалкой. Несмешиваемость сплава, по-видимому, возникает из-за значительного растворения Si в металлической фазе в восстановительных условиях. Отсутствие подходящих данных по активному составу для составов сплавов, образованных в очень восстановительных условиях, не позволяет определить активности Fe и HSE в фазе сплава.Это не позволяет точно рассчитать концентрацию образца f O 2 и HSE в силикатном расплаве на пределе растворимости.

Эффективность добавления Si как метода предотвращения образования включений Pt, по-видимому, снижается при более низких температурах. Bennett et al. 31 отметил, что эксперименты, проведенные при 1873 К, демонстрируют доказательства загрязнения металлическими включениями, тогда как эксперименты, проведенные при более высоких температурах, этого не показывают. Это может быть связано с изменением кинетической зависимости между восстановлением образца и диффузией Pt при более низких температурах.Еще одним соображением при проведении экспериментов, проводимых с использованием метода добавления Si, является его влияние на окончательный состав расплава. Окисление элементарного Si в начале эксперимента происходит через в следующей реакции с FeO в расплаве:

Si ( met ) + 2FeO ( sil ) = SiO 2 ( sil ) + 2Fe ( соответствует ) (2)

Добавление большего количества Si для достижения большего количества восстановительных условий, таким образом, приводит к более обогащенному SiO 2 и обедненному FeO составу расплава.Для проведения экспериментов, которые охватывают широкий диапазон f O 2 , но имеют небольшие вариации в составе расплава, необходимо произвести соответствующую корректировку силикатного исходного материала, чтобы компенсировать реакцию 6. В общем, это может быть выполнено. добавлением 2 моль FeO и удалением 1 моль SiO 2 на каждый моль Si, добавленного к исходной композиции. Следует также отметить, что некоторые исследования показали, что наличие металлических включений также зависит от состава расплава, в частности от того, является ли расплав Fe-содержащим 50 .

Данные о растворимости, полученные для незагрязненных продуктов опытов, позволяют точно рассчитать коэффициенты разделения металл-силикат. Для экспериментов, в которых интересующий HSE не присутствует в виде чистой фазы (, т.е. HSE с активностью металла <1), концентрации, измеренные в силикатной фазе, корректируются до единицы активности с использованием доступных термодинамических данных. За исключением Au, полезная сводка доступных соотношений активность-состав для HSE-сплавов приведена в ссылке 49 .Ограниченные данные для сплавов Au-Fe можно найти в ссылках 46,51 . Следующее соотношение затем используется для определения значений D Met / Sil из скорректированных концентраций HSE в силикатном расплаве 16

(3)

, где

— концентрация HSE силиката при насыщении в Фаза HSE, A — коэффициент преобразования моль в вес, а

— коэффициент активности выбранной HSE при бесконечном разбавлении жидким железом-металлом. На рис. 9 показано изменение D Met / Sil с T , рассчитанное на основе экспериментов, проведенных при 2 ГПа и f O 2 , близком к железо-вюститному буферу. Одним из применений этих данных является оценка способности высокотемпературного металл-силикатного равновесия учитывать оценочную распространенность этих элементов в примитивной верхней мантии. Значения D Met / Sil для HSE должны уменьшиться до значений ~ 10 2 –10 3 примерно при той же температуре, если металл-силикатное равновесие отвечает за состав PUM.Данные предыдущих исследований, представленные на рис. 9 , предполагают, что это требование не удовлетворяется результатами экспериментов, проведенных в восстанавливающих условиях 29 31 .

Измерения растворимости незагрязненных силикатных продуктов опытов также полезны для выявления состава HSE, растворенных в силикатном расплаве при низком уровне f O 2 . Информация о составе этих металлов в широком диапазоне окислительно-восстановительных условий полезна не только для руководства экстраполяцией данных за пределы экспериментально изученного диапазона, но также для обоснованного проектирования стекол с определенными оптическими свойствами.Изменения в степени окисления растворенных металлов могут сопровождаться изменениями в их химическом составе, из-за чего могут возникать вариации таких свойств, как оптическое поглощение. Например, растворение платины, широко используемой в качестве материала контейнера для синтеза стекла из расплава, может привести к разному цвету стекла в зависимости от окислительно-восстановительных условий расплава 52,53 . О степени окисления растворенных HSE можно судить по изменению растворимости с f O 2 .Рассмотрим растворение металла (M) как разновидности оксида в расплаве:

(4)

, где n — степень окисления растворенного металла. Константа равновесия ( K ) при P и T для уравнения 3 определяется как:

(5)

Приравнивая ln K к свободной энергии реакции Гиббса, и при насыщении в металлической фазе ( a M = 1) уравнение 4 принимает следующий вид:

(6)

Наклон тренда между растворимостью HSE и f O 2 , следовательно, дает n /4, из которого видообразование может быть получен.Brenan & McDonough 29 определила растворимость Ir как функцию f O 2 в экспериментах, в которых использовались описанные здесь методы. Результаты этих экспериментов показаны на Рис. 10 и дают наклон 0,2, что в значительной степени соответствует степени окисления 1+ (прогнозируемый наклон 0,25) для Ir в восстановленных силикатных расплавах.

Экспериментально определенные коэффициенты разделения металл-силикат могут быть использованы для установления условий равновесия ядро-мантия во время земной аккреции.Результаты для элементов с высоким содержанием сидерофилов также могут быть использованы для оценки того, испытала ли Земля позднюю облицовку хондритового материала после образования ядра. Здесь изложены процедуры для проведения экспериментов по разделению силикатов металлов и растворимости в устройствах с несколькими наковальнями и поршнем-цилиндром соответственно. Также описаны методы, которые подавляют образование металлических включений в экспериментах по растворимости HSE при 2 ГПа и температурах> 1873 K. Рассчитанные коэффициенты распределения HSE предполагают, что равновесие металл-силикат при высоком T не объясняет очевидного избытка HSE в примитивных верхняя мантия.Дальнейшая работа остается для подтверждения того, сохраняется ли поведение разделения HSE, показанное экспериментами при 2 ГПа, до более высоких P и T . Это потребует тестирования протоколов подавления включений, описанных здесь, в экспериментальной схеме с высокими P с несколькими наковальнями.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Выражение признательности

Эта работа была поддержана Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канадского совета по ускорителям оборудования, открытий и открытий, присужденным Дж.М.Б. N.R.B благодарит за поддержку программу постдокторских стипендий Вашингтонского института Карнеги. Стивен Элардо также благодарит за его помощь перед съемкой поршнево-цилиндрического пресса в геофизической лаборатории.

Каталожные номера

  • Canup RM. Динамика формирования Луны. Ежегодный обзор астрономии и астрофизики. 2004. 42: 441–475. [Google Scholar]
  • Руби Д., Ниммо Ф., Мелош Х. Формирование ядра Земли. Трактат по геофизике. 2007; 9: 51–90. [Google Scholar]
  • Карато С., Мурти В.Р.Формирование ядра и химическое равновесие с точки зрения физики Земли. Физика Земли и планетных недр. 1997; 100: 61–79. [Google Scholar]
  • Дзевонски А.М., Андерсон Д.Л. Предварительная эталонная модель Земли. Физика Земли и планетных недр. 1981. 25 (4): 297–356. [Google Scholar]
  • McDonough W., Sun S. Состав Земли. Химическая геология. 1995; 120 (3-4): 223–253. [Google Scholar]
  • Пальме Х., О’Нил Х. Космохимические оценки состава мантии.Трактат по геохимии. 2003; 2: 1–38. [Google Scholar]
  • Фишер-Гёдде М., Беккер Х., Вомбахер Ф. Родий, золото и другие высоко сидерофильные элементы в орогенных перидотитах и ​​ксенолитах перидотитов. Химическая геология. 2011; 280 (3-4): 365–383. [Google Scholar]
  • Ringwood AE. Химическая эволюция планет земной группы. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1966; 30: 41–104. [Google Scholar]
  • Вуд Б.Дж., Уэйд Дж. Формирование ядра и степень окисления Земли. Письма о Земле и планетологии.2005. 236 (1-2): 78–95. [Google Scholar]
  • Зиберт Дж., Корн А., Райерсон Ф. Систематика металл-силикатного разделения многих сидерофильных элементов применительно к образованию ядра Земли. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2011. 75 (6): 1451–1489. [Google Scholar]
  • Righter K. Прогнозирование коэффициентов разделения металл-силикат для сидерофильных элементов: обновление и оценка условий ПК для равновесия металл-силикат во время аккреции. Письма о Земле и планетологии. 2011; 304 (1-2): 158–167.[Google Scholar]
  • Вуд Б.Дж., Уолтер М.Дж., Уэйд Дж. Аккреция Земли и сегрегация ее ядра. Природа. 2006. 441 (7095): 825–833. [PubMed] [Google Scholar]
  • Кимура Кан, Льюис РОЙС, Андерс Э. Распределение золота и рения между никель-железным и силикатным расплавами: последствия для изобилия сидерофильных элементов на Земле и Луне. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1974; 38: 683–701. [Google Scholar]
  • Мурти VR. Ранняя дифференциация Земли и проблема сидерофильных элементов мантии: новый подход.Наука. 1991. 253 (5017): 303–306. [PubMed] [Google Scholar]
  • Righter K, Humayun M, Danielson L. Разделение палладия при высоких давлениях и температурах во время формирования ядра. Природа Геонауки. 2008. 1 (5): 321–323. [Google Scholar]
  • Борисов А., Пальме Х., Спеттель Б. Растворимость палладия в силикатных расплавах Влияние на формирование ядра Земли. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1994. 58 (2): 705–716. [Google Scholar]
  • Эртель В., Дингвелл Д. Б., Сильвестр П. Дж. Сидерофильные элементы в силикатных расплавах — обзор метода механического уравновешивания и проблемы нанонагнетателей.Химическая геология. 2008. 248 (3-4): 119–139. [Google Scholar]
  • Борисов А.Л., Пальме Х. Растворимость иридия в силикатных расплавах: новые данные экспериментов со сплавами lr10Pt90. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1995. 59 (3): 481–485. [Google Scholar]
  • Борисов А., Пальме Х. Экспериментальное определение разделения металл / силикат Os. Neues Jahrbuch für Mineralogie — Abhandlungen. 1998. 172 (2-3): 347–356. [Google Scholar]
  • Борисов А., Пальме Х. Экспериментальное определение растворимости платины в силикатных расплавах.Geochimica et Cosmochimica Acta. 1997. 61 (20): 4349–4357. [Google Scholar]
  • Эртель В., O’Neill HSC, Сильвестр П.Дж., Dingwell DB. Растворимость Pt и Rh в гаплобазальтовом силикатном расплаве при 1300. C. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1999. 63 (16): 2439–2449. [Google Scholar]
  • Коттрелл Э., Уокер Д. Ограничения на образование ядра из-за разделения Pt в основных силикатных жидкостях при высоких температурах. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2006. 70 (6): 1565–1580. [Google Scholar]
  • Yokoyama T, Walker D, Walker RJ.Низкая растворимость осмия в силикате при высоких давлениях и температурах. Письма о Земле и планетологии. 2009. 279 (3-4): 165–173. [Google Scholar]
  • Laurenz V, Fonseca OC, Ballhaus C, Peter K, Heuser A, Sylvester PJ. Растворимость палладия и рутения в пикритовых расплавах: 2. Влияние серы. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2013; 102: 172–183. [Google Scholar]
  • Neill HSC. Экспериментальная петрохимия некоторых высокосидерофильных элементов при высоких температурах и некоторые последствия для формирования ядра и ранней истории мантии.Химическая геология. 1995; 120 (3-4): 255–273. [Google Scholar]
  • Fortenfant SS, Dingwell DB, Ertel-Ingrisch W., Capmas F, Birck JL, Dalpé C. Зависимость растворимости Os в гаплобазальтовом расплаве от летучести кислорода. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2006. 70 (3): 742–756. [Google Scholar]
  • Эртель В., О’Нил HSC, Сильвестр П.Дж., Дингвелл Д.Б., Спеттель Б. Растворимость рения в силикатных расплавах: влияние на геохимические свойства рения при высоких температурах. Geochimica et Cosmochimica Acta.2001. 65 (13): 2161–2170. [Google Scholar]
  • Медард Э., Шмидт М.В., Уол М., Келлер Н.С., Гюнтер Д. Пт в силикатных расплавах: центрифугирование нанонагнетателей для расшифровки процессов образования керна. Конференция по изучению Луны и планет. 2010. С. 3–4.
  • Бренан Дж., МакДоноу В. Формирование керна и металл-силикатное фракционирование осмия и иридия из золота. Природа Геонауки. 2009. 2 (11): 798–801. [Google Scholar]
  • Беннет Н. Р., Бренан Дж. М.. Контроль растворимости рения в силикатном расплаве: последствия для изотопного состава осмия мантии Земли.Письма о Земле и планетологии. 2013; 361: 320–332. [Google Scholar]
  • Беннетт Н., Бренан Дж., Кога К. Растворимость платины в силикатном расплаве в восстановительных условиях: результаты экспериментов без металлических включений. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2014; 133: 422–442. [Google Scholar]
  • Окамото Х., Массальский ТБ. Система Au-Pt (золото-платина). Бюллетень фазовых диаграмм сплавов. 1985. 6 (1): 46–55. [Google Scholar]
  • Neill H, Pownceby M. Термодинамические данные окислительно-восстановительных реакций при высоких температурах.I. Экспериментальная и теоретическая оценка электрохимического метода с использованием стабилизированного диоксида циркония. Вклад в минералогию и петрологию. 1993. 114 (3): 296–314. [Google Scholar]
  • Deines P, Nafziger R, Ulmer G, Woermann E. Таблицы температуры и летучести кислорода для выбранных газовых смесей в системе CHO при общем давлении в одну атмосферу. Вестник экспериментальной станции наук о Земле и минералах. 88. Юниверсити-Парк, Пенсильвания: Государственный университет Пенсильвании; 1974. [Google Scholar]
  • Corgne A, Keshav S, Wood BJ, McDonough WF, Fei Y.Металл-силикатное разделение и ограничения на состав ядра и летучесть кислорода во время аккреции Земли. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2008. 72 (2): 574–589. [Google Scholar]
  • Эйджи С.Б., Уокер Д. Статическое сжатие и флотация оливина в ультраосновной силикатной жидкости. Журнал геофизических исследований. 1988. 93 (7): 3437–3449. [Google Scholar]
  • Уокер Д. Смазка, прокладки и точность в экспериментах с несколькими наковальнями. Американский минералог. 1991; 76 (7-8): 1092–1100. [Google Scholar]
  • Бойд Ф., Англия Дж.Аппарат для измерения фазового равновесия при давлении до 50 килобар и температуре до 1750. С. Журнал геофизических исследований. 1960. 65 (2): 741–748. [Google Scholar]
  • McDade P, Wood BJ, et al. Поправки на давление для выбора узлов поршневой цилиндр. Минералогический журнал. 2002. 66 (6): 1021–1028. [Google Scholar]
  • Уокер Д., Карпентер М., Хитч С. Некоторые упрощения многоярусных устройств для экспериментов с высоким давлением. Американский минералог. 1990; 75 (9-10): 1020-1028.[Google Scholar]
  • Бертка С.М., Фей Ю. Минералогия внутренних частей Марса вплоть до давления на границе ядро-мантия. Журнал геофизических исследований. 1997; 102 (B3): 5251. [Google Scholar]
  • Reed SJB. Электронно-микрозондовый анализ и сканирующая электронная микроскопия в геологии. Второе издание. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета :; 2005. [Google Scholar]
  • Sylvester PJ. Лазерная абляция ICP-MS в науках о Земле: современные практики и нерешенные проблемы. Квебек: Минералогическая ассоциация Канады; 2008 г.[Google Scholar]
  • Борисов А., Уокер Р. Растворимость Ос в силикатных расплавах: новые усилия и результаты) Американский минералог. 2000; 85 (7-8): 912–917. [Google Scholar]
  • Борисов А., Нахтвейх К. Ру Растворимость в силикатных расплавах: экспериментальные результаты в окислительной области. Конференция по изучению Луны и планет. 1998; 77058: 1320. [Google Scholar]
  • Борисов А., Пальме Х. Экспериментальное определение растворимости золота в силикатных расплавах. Минералогия и петрология. 1996. 56 (3-4): 297–312.[Google Scholar]
  • Данн Т. Поршнево-цилиндровый аппарат. Краткое руководство по экспериментам при высоком давлении и приложениям к мантии Земли. 1993. С. 39–94.
  • Эртель В., Уолтер М., Дрейк М., Сильвестр П. Экспериментальное исследование растворимости платины в силикатном расплаве до 14 ГПа и 2273 К: последствия для аккреции и формирования ядра на Земле. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2006. 70 (10): 2591–2602. [Google Scholar]
  • Манн У., Фрост Д., Руби Д. Разделение Ru.Rh, Pf, Re, Ir и Pt между жидким металлом и силикатом при высоких давлениях и высоких температурах — последствия для происхождения высоких концентраций сидерофильных элементов в мантии Земли. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2012; 84: 593–613. [Google Scholar]
  • Laurenz V, Fonseca ROC, Ballhaus C, Sylvester PJ. Растворимость палладия в пикритовых расплавах 1. Эффект железа. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2010. 74 (10): 2989–2998. [Google Scholar]
  • Лю Й, Джи Й, Ю. Д. Термодинамические описания двойных систем Au – Fe и Na – Zn.Журнал сплавов и соединений. 2009. 476 (1-2): 79–83. [Google Scholar]
  • Rindone GE, Rhoads JL. Цвета платины, палладия и родия в простых очках. Журнал Американского керамического общества. 1956; 39 (5): 173–180. [Google Scholar]
  • Акаи Т., Нишии Дж., Ямасита М., Яманака Х. Химическое поведение металлов платиновой группы в оксидных стеклах. Журнал некристаллических твердых тел. 1997; 222 (специальный выпуск): 304–309. [Google Scholar]

Экспериментальные методы и протокол для подавления включений высоко сидерофильных элементов

J Vis Exp.2015; (100): 52725.

Нил Р. Беннет

1 Департамент наук о Земле, Университет Торонто

2 Геофизическая лаборатория, Вашингтонский институт Карнеги

Джеймс М. Бренан

1 Департамент Науки о Земле, Университет Торонто

Yingwei Fei

2 Геофизическая лаборатория, Вашингтонский институт Карнеги

1 Департамент наук о Земле, Университет Торонто

2 Геофизическая лаборатория Вашингтонского института

Copyright © Вашингтонский институт

2015, Journal of Visualized Experiments

Abstract

Оценки состава примитивной верхней мантии (PUM) показывают обеднение многих сидерофильных (железолюбивых) элементов, которое, как считается, является результатом их извлечения в ядро ​​во время земной аккреции.Эксперименты по изучению распределения этих элементов между металлическими и силикатными расплавами показывают, что состав PUM лучше всего подходит, если металл-силикатное равновесие происходит при высоких давлениях и температурах в глубокой среде магматического океана. Однако поведение наиболее высоко сидерофильных элементов (HSE) во время этого процесса остается загадочным. Силикатные продукты опытов по растворимости HSE обычно загрязнены дисперсными металлическими включениями, которые затрудняют измерение концентраций элементов в расплаве.Возникающая в результате неопределенность в отношении истинной растворимости и разделения этих элементов на силикаты металлов затрудняет прогнозирование их ожидаемого истощения в PUM. В последнее время в нескольких исследованиях были внесены изменения в схему экспериментов, используемых для экспериментов с растворимостью при высоких давлениях и температурах, чтобы подавить образование металлических включений. Добавление к образцу Au (эксперименты с Re, Os, Ir, Ru) или элементарного Si (эксперименты с Pt) изменяет либо геометрию, либо скорость восстановления образца, соответственно, во избежание временного перенасыщения силикатного расплава металлом.В этой статье описываются процедуры использования поршневого цилиндра и устройства с несколькими наковальнями для проведения экспериментов по растворимости и разделению силикатов металлов соответственно. Также описан протокол для синтеза незагрязненных продуктов опытов из экспериментов по растворимости HSE, в которых летучесть кислорода аналогична таковой во время формирования земного ядра. Спектры LA-ICP-MS с временным разрешением представлены в качестве доказательства отсутствия металлических включений в продуктах опытов из более ранних исследований, а также подтверждают, что метод может быть расширен для исследования Ru.Также приведены примеры того, как эти данные могут быть применены.

Ключевые слова: Химия, Выпуск 100, сидерофильные элементы, геоинженерия, примитивная верхняя мантия (PUM), HSE, земная аккреция

Введение

Считается, что земная аккреция произошла как серия столкновений планетезималей с хондритовой массой. композиция, завершающаяся фазой гигантского столкновения, мысль, ответственная за формирование луны 1,2 . Нагрев протоземли ударами и распад короткоживущих изотопов было достаточно, чтобы вызвать обширное плавление и образование магматического океана или водоемов, через которые могли спускаться плотные металлические расплавы, богатые железом.Достигнув основания магматического океана, металлические расплавы сталкиваются с реологической границей, останавливаются и претерпевают окончательное металл-силикатное равновесие, прежде чем в конечном итоге спуститься через твердую мантию к растущему ядру 2 . Считается, что дальнейшая химическая связь между металлической и силикатной фазами по мере того, как металлический расплав проходит через твердую часть мантии, невозможна из-за большого размера и быстрого опускания металлических диапиров 3 . Эта первичная дифференциация Земли на металлическое ядро ​​и силикатную мантию обнаруживается сегодня как геофизическими, так и геохимическими наблюдениями 4 6 .Однако интерпретация этих наблюдений для получения правдоподобных условий для равновесия металл-силикат в основании магматического океана требует соответствующей базы данных экспериментальных результатов.

Примитивная верхняя мантия (PUM) представляет собой гипотетический резервуар, содержащий силикатный остаток образования ядра, и поэтому его состав отражает поведение микроэлементов во время металл-силикатного равновесия. Микроэлементы распределяются между металлическими и силикатными расплавами во время сегрегации керна на основе их геохимического сродства.Величину предпочтения элементов для металлической фазы можно описать коэффициентом разделения металл-силикат

(1)

, где

и

обозначают концентрацию элементов и в металле и силикатном расплаве соответственно. Значения

> 1 указывают на сидерофильное (любящее железо) поведение и те <1 литофильное (любящее камень) поведение. Оценки состава PUM показывают, что сидерофильные элементы обеднены по сравнению с хондритами 7 , которые обычно рассматриваются как репрезентативные для валового состава Земли 6,8 .Это истощение связано с секвестрацией сидерофильных элементов сердечником, и для огнеупорных элементов его величина должна прямо отражать значения

. Лабораторные эксперименты поэтому стремятся определить значения

в диапазоне давления ( P ), температуры ( T ) и летучести кислорода ( f O 2 ) условий, которые имеют отношение к сегрегации металла от основания океан магмы. Затем результаты этих экспериментов могут быть использованы для выделения областей пространства P T f O 2 , которые совместимы с изобилием множества сидерофильных элементов в PUM ( e.г., 9 11 ).

Высокие давления и температуры, соответствующие сценарию магматического океана, можно воссоздать в лаборатории, используя поршневой цилиндр или пресс с несколькими наковальнями. Устройство поршневой цилиндр обеспечивает доступ к условиям умеренного давления (~ 2 ГПа) и высокой температуры (~ 2573 K), но позволяет легко использовать большие объемы образцов и различные материалы капсул. Высокая скорость охлаждения также позволяет закалку ряда составов силикатного расплава в стекло, что упрощает текстурную интерпретацию продуктов опыта.В аппарате с несколькими наковальнями обычно используются меньшие объемы образцов, но при подходящей конструкции сборки можно достичь давления до ~ 27 ГПа и температуры ~ 3000 К. Использование этих методов позволило разделить данные для многих умеренно и слабо сидерофильных элементов. собраны в большом диапазоне условий P T . Прогнозы состава PUM, основанные на этих данных, предполагают, что равновесие металл-силикат происходит при среднем давлении и температуре выше ~ 29 ГПа и 3000 К соответственно, хотя точные значения зависят от модели.Чтобы учесть содержание некоторых чувствительных к окислению-восстановлению элементов (, например, V, Cr) в PUM, также считается, что f O 2 эволюционирует во время аккреции с ~ 4 до 2 логарифмических единиц ниже, чем налагается сопутствующими факторами. существующее железо и вюстит (FeO) в эквивалентных условиях PT (железо-вюститовый буфер) 12 .

Хотя обилие PUM многих сидерофильных элементов можно объяснить равновесием металл-силикат в основании глубокого магматического океана, оказалось трудно оценить, применима ли эта ситуация также к наиболее сильно сидерофильным элементам (HSE).Чрезвычайное сродство HSE к железу и металлу, на которое указывают эксперименты при низком давлении ( P ~ 0,1 МПа) и температуре ( T <1,673 K), предполагает, что силикатная земля должна быть сильно обеднена этими элементами. Однако оценки содержания HSE для PUM указывают только на умеренное обеднение по сравнению с хондритом (, рис. 1, ). Обычно предполагаемое решение очевидного превышения HSE состоит в том, что Земля испытала позднюю аккрецию хондритового материала после образования ядра 13 .Этот материал с поздним нарастанием смешался бы с PUM и повышенными концентрациями HSE, но оказал бы незначительное влияние на более распространенные элементы. В качестве альтернативы было высказано предположение, что чрезвычайно сидерофильная природа HSE, показанная в экспериментах с низким значением P T , не сохраняется в условиях высокого уровня P-T , присутствующих во время формирования ядра 14,15 . Чтобы проверить эти гипотезы, необходимо провести эксперименты по определению растворимости и разделения силикатов металлов в HSE при соответствующих условиях.Загрязнение силикатной части продуктов закалки во многих предыдущих исследованиях, однако, усложнило анализ продуктов опыта и затруднило понимание истинных коэффициентов распределения HSE между металлическими и силикатными расплавами.

В экспериментах по разделению, где HSE присутствуют в концентрациях, соответствующих природе, крайнее предпочтение этих элементов металлическому железу препятствует их измерению в силикатном расплаве. Чтобы обойти эту проблему, проводят измерения растворимости, при которых силикатный расплав насыщается интересующим HSE, и значения

рассчитываются с использованием формализма Borisov et al. 16 . Однако продукты опытов с гашеным силикатом из экспериментов по растворимости HSE, проведенных в восстановительных условиях, часто демонстрируют свидетельства загрязнения диспергированными включениями HSE ± Fe 17 . Несмотря на почти повсеместное распространение этих включений в экспериментах с низким содержанием Pt, Ir, Os, Re и Ru с низким содержанием f O 2 ( например, 18 27 ), между исследованиями наблюдаются заметные различия в их текстурном представлении; сравните, например, позиции 22 и 26 .Хотя было продемонстрировано, что могут образовываться включения, которые являются стабильной фазой в условиях прогона эксперимента 28 , это не препятствует образованию включений при закалке образца. Неопределенность, связанная с происхождением включений, затрудняет обработку аналитических результатов и привела к неопределенности в отношении истинной растворимости HSE в восстановленных силикатных расплавах. Для оценки того, в каких исследованиях был применен аналитический подход, который дает точные концентрации растворенных HSE, требуются продукты, не содержащие включения.Значительный прогресс в подавлении образования металлических включений в восстановительных условиях теперь продемонстрирован в экспериментах с поршневым цилиндром, в которых конструкция образца была изменена по сравнению с предыдущими исследованиями путем добавления Au или Si к исходным материалам 29 31 . Добавление Au или элементарного Si к исходным материалам изменяет геометрию образца или эволюцию эксперимента соответственно. Эти методы предназначены для подавления образования металлических включений путем изменения времени диффузии HSE по сравнению с восстановлением образца и обсуждаются в Bennett et al. 31 . В отличие от некоторых предыдущих попыток очистки силикатного расплава от включений, таких как механическое уравновешивание и центрифугирование поршневой цилиндр, настоящий протокол может быть реализован без специального оборудования и подходит для экспериментов с высоким значением P-T .

Здесь подробно описан подход на основе поршневого цилиндра для определения растворимости Re, Os, Ir, Ru, Pt и Au в силикатном расплаве при высокой температуре (> 1873 K), 2 ГПа и f O 2 аналогичен буферу железо-вюстит.Применение подобной экспериментальной схемы может также оказаться успешным в экспериментах HSE при других давлениях, при условии сохранения требуемых фазовых соотношений, смачивающих свойств и кинетических соотношений в выбранных условиях. Однако имеющихся данных недостаточно, чтобы предсказать, будет ли наш дизайн образца успешным при давлениях, соответствующих глубинному магматическому океану. Также описан общий подход, используемый для определения разделения элементов с умеренной и незначительной сидерофильностью (MSE и SSE соответственно) с использованием устройства с несколькими наковальнями.Расширение набора данных без включения для HSE для высокого давления, вероятно, будет использовать аналогичные методы с несколькими наковальнями. Вместе эти процедуры обеспечивают средства ограничения как условий сегрегации ядра, так и стадий земной аккреции.

Протокол

1) Подготовка исходного материала

  1. Синтетический базальт Примечание: базальтовая композиция используется в качестве силикатного исходного материала, поскольку более деполимеризованные композиции, хотя и более подходящие для сценария магматического океана, трудно или невозможно остановить. стакан в экспериментах «поршень-цилиндр» и с несколькими наковальнями.

    1. Взвесьте желаемое количество порошков оксида или карбоната (Ca и Na), за исключением Fe, и добавьте в агатовый раствор (см. Пример в , таблица 1 ). Смесь без Fe весом ~ 4 г должна обеспечить достаточно исходного материала для обширного набора экспериментов.

    2. Добавьте этанол в агатовую ступку, пока порошки не погрузятся в воду, затем измельчите в течение не менее 2 часов, используя агатовый пестик, чтобы гомогенизировать как состав, так и размер зерен смеси.Примечание. Однородность измельченных исходных композиций можно проверить, исследуя прессованную таблетку порошкообразной смеси с помощью сканирующего электронного микроскопа, оборудованного для анализа состава, методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии.

    3. После тщательной гомогенизации поместите раствор под нагревательную лампу мощностью 250 Вт на расстоянии ~ 20 см. После высыхания порошковой смеси, что может занять 20-60 мин, перенесите ее в тигель из оксида алюминия или муллита (алюмосиликата).

    4. Для декарбонизации смеси поместите тигель с порошкообразной смесью в коробчатую печь при комнатной температуре и увеличьте температуру до 1 273 К в течение 3-5 часов.Оставьте смесь в печи при 1273 K O / N.

    5. Удалите декарбонизированную смесь из коробчатой ​​печи и дайте ей остыть до комнатной температуры. После охлаждения взвесьте и добавьте железо в смесь в виде порошка FeO или Fe 2 O 3 (см. Таблица 1 ). Изменение отношения FeO к Fe 2 O 3 при сохранении общего содержания Fe одним и тем же позволяет изменить окончательный f O 2 образца. Чтобы получить доступ к большему количеству восстановительных условий и во всех экспериментах для исследования Pt, также добавьте ~ 0.5-2,0 мас.% Si в смеси. После добавления Fe (± Si) повторно гомогенизируйте смесь путем повторного измельчения в этаноле с помощью агатовой ступки и пестика.

    6. Высушите гомогенизированную смесь под нагревательной лампой и затем перенесите ее во флакон с оболочкой. Хранить в эксикаторе до загрузки капсулы с образцом.

  2. Металлическая фаза: Re, Os, Ir, Ru. Эксперименты

    1. . для разницы в атомной массе) смесь Au и HSE, представляющая интерес, с использованием металлических порошков высокой чистоты.Смесь массой ~ 500 мг должна обеспечить достаточно исходного материала для обширного набора экспериментов.

    2. Перенести смесь в графитовый тигель и накрыть графитовой крышкой. Затем поместите закрытый тигель в коробчатую печь при температуре 1473 К на ~ 5 мин. После извлечения из печи оставьте крышку тигля на месте, пока сборка не остынет до комнатной температуры. ВНИМАНИЕ: Нагревание осмия на воздухе может привести к образованию токсичного соединения четырехокиси осмия.Металлический осмий также является известным раздражителем кожи, см. Паспорт безопасности материалов для CAS № 7440-04-2. Примечание. В этом процессе плавится Au (температура плавления ~ 1337 K), но не сопровождающий его HSE, в результате чего образуется металлический шарик, в котором интересующий HSE окружен коркой Au.

    3. Удалите металлический шарик из графитового тигля и с помощью лезвия бритвы разделите его на более мелкие части, длина которых составляет ~ 1 мм. После разрезания поместите бусинки во флакон с раковиной и храните в эксикаторе.

  3. Металлическая фаза: Pt Эксперименты Примечание. Эксперименты по исследованию Pt не могут быть выполнены с использованием метода нанесения шариков с золотым покрытием из-за полной смешиваемости Pt и Au при высокой температуре (> 2042 K при 0,1 МПа 32 ) . Это исключает такую ​​геометрию образца, при которой Pt физически отделяется от силикатного расплава во время эксперимента коркой золота.

    1. Тщательно перемешайте металлические порошки Pt и Ir в соотношении 1: 1 по весу, чтобы получить всего ~ 500 мг смеси.Затем добавляют ~ 20 мг металлического порошка Fe так, чтобы Fe составляло ~ 4 массовых процента от всей смеси.

    2. Приклейте чистую заготовку сверла (в качестве альтернативы, вместо заготовки сверла можно использовать хвостовик сверла) к краю рабочего стола так, чтобы на ~ 3 мм выступало из поверхности стола. Поместите трубку из кварцевого стекла с внутренним диаметром ~ 2-3 мм и внешним диаметром ~ 4-6 мм на выступающий конец сверла.

    3. Поместите смесь PtIrFe в стеклянную трубку и вставьте над ней другую заготовку сверла.Обе заготовки сверла должны иметь диаметр не более чем на 0,1 мм меньше внутреннего диаметра трубки из кварцевого стекла. Произведите холодное прессование металлической смеси, сдвинув заготовки сверла вручную ( Рисунок 2 ). ВНИМАНИЕ: чрезмерное усилие на этапе холодного прессования может привести к разрушению кварцевого стекла).

    4. Поместите порошки холодного прессования, все еще находящиеся внутри трубки из кварцевого стекла, в тигель из оксида алюминия и суспендируйте в прохладной части вертикальной трубчатой ​​печи для смешивания газов.Увеличьте температуру печи до 1 673 K и, используя газовые смеси CO-CO 2 , установите в печи f O 2 значение, близкое к железо-вюститному буферу. Примечание: при атмосферном давлении и 1673 К буфер железа-вюстита соответствует f O 2 1,93 x 10 -10 Па 33 . Связь между соотношением смеси CO-CO 2 , температурой и f O 2 можно найти в ссылке 34 . В качестве буфера железо-вюстит при 1673 К используйте газовую смесь, содержащую 22.25 об.% CO 2 и 77,75 об.% CO.

      1. Как только будет достигнута желаемая температура и f O 2 , опустите глиноземный тигель так, чтобы он оставался в горячей точке печи, и оставьте O / N прессованных порошков на отжиг.

    5. Извлеките тигель и прессованные порошки из газосмесительной печи и дайте им остыть. Если трубка из кварцевого стекла все еще не повреждена, используйте заготовку сверла, чтобы вытолкнуть отожженный порошок из трубки.Используя кусачки, разломайте отожженный порошок на достаточно мелкие кусочки, чтобы поместиться в капсулу с образцом, выбранную для эксперимента.

    6. Перенесите металлические детали во флакон со скорлупой и храните в эксикаторе до тех пор, пока он не понадобится.

  4. Металлическая фаза: Эксперименты с несколькими наковальнями

    1. Для экспериментов по определению разделения умеренно и слабо сидерофильных элементов смешайте синтетический базальтовый порошок с порошком Fe-металла в равных пропорциях.Примечание. Некоторая часть Fe может быть добавлена ​​в виде сплава Fe-Si, обычно так, чтобы Si составлял <8 мас.% Металлической фракции. Это гарантирует, что экспериментальный f O 2 останется низким.

    2. Добавьте выбранные микроэлементы в виде порошков оксидов металлов в смесь базальта и металла. Гомогенизируйте исходный материал путем измельчения в этаноле с помощью агатовой ступки и пестика. Точное количество добавленных микроэлементов будет зависеть от исследуемого элемента, однако номинальные концентрации от нескольких тысяч ppm до 2 мас.% Являются типичными 10,35 .

    3. После гомогенизации высушите порошкообразный исходный материал под нагревательной лампой, перенесите его во флакон с оболочкой, затем храните в эксикаторе до тех пор, пока он не понадобится.

2. Подготовка компонентов сборки

  1. Поршневой цилиндр Примечание. Узел поршневого цилиндра состоит из графитовой капсулы, которая поддерживается в горячей точке графитового резистивного нагревателя с помощью дробимых кусочков магнезии. Термопара в оболочке из оксида алюминия расположена в осевом направлении через верхнюю часть сборки для контроля температуры в верхней части образца.Затем печь окружают ячейки BaCO 3 , которые действуют как среда под давлением и как теплоизолятор 36 . Сборочные размеры указаны на Рис. 3A . Список примеров материалов, использованных для экспериментов, и их источники приведены в Таблице 2 .

    1. Обработайте графитовые капсулы, графитовую торцевую заглушку и опорные элементы из магнезии до требуемых размеров на центральном токарном станке, используя в качестве исходных материалов графитовые и магнезиальные стержни или трубки соответственно (, рис. 3A, ).Примечание. Для экспериментов по исследованию Re, Os и Ir сплавы HSE-Fe могут быть заменены графитом в качестве материала капсулы 29,30 .

    2. Обработайте графитовые капсулы ультразвуком в этаноле в течение ~ 1 мин при комнатной температуре, затем высушите под нагревательной лампой таким же образом, как и для порошкообразных исходных материалов. После высыхания перенесите капсулы во флакон с оболочкой и храните в эксикаторе или сушильном шкафу до тех пор, пока не потребуется.

    3. Поместите опорные элементы из магнезии в тигель из оксида алюминия или муллита и отожгите при 1573 К в коробчатой ​​печи в течение не менее 8 часов.После отжига дайте деталям остыть, затем храните в сушильном шкафу при температуре ~ 393 К.

    4. Для изготовления ячеек карбоната бария сначала смешайте порошок BaCO 3 и использованный копировальный тонер в пропорции 99: 1 по весу. На один эксперимент требуется минимум 7,4 грамма смеси. Покройте внутреннюю часть стального штампа подходящего размера (размеры гильз BaCO 3 см. На рис. , рис. 3A, ) либо сухой смазкой на основе графита, либо смазкой для форм на основе ПТФЭ (, таблица 2, ).

    5. Отжать 3,7 г смеси холодным прессованием до давления ~ 250 МПа, используя стальную матрицу и гидравлический пресс. Перед декомпрессией оставьте смесь под давлением на 1 мин. В результате получится рукав высотой 17 мм. Для каждой сборки требуется две втулки. Примечание. Двухэлементная компоновка, описанная выше и использованная в некоторых предыдущих исследованиях 29 31 , может быть заменена одной ячейкой BaCO 3 при наличии матрицы подходящего размера.

    6. После извлечения из матрицы удалите копировальный тонер, нагревая рукава от комнатной температуры до 923 K в течение нескольких часов в коробчатой ​​печи, а затем выдерживая при этой температуре в течение ~ 30 минут.Обратите внимание на изменение цвета с черного на оранжевый после удаления копировального тонера. Храните отожженные рукава в сушильном шкафу, поддерживающем температуру ~ 393 К.

  2. Мульти-наковальня Примечание. Узел с несколькими наковальнями состоит из капсулы с образцом, которая помещается в горячую точку цилиндрического графитового резистивного нагревателя с использованием измельчаемого MgO. или Al 2 O 3 присадочные детали. Нагреватель окружен октаэдром из спеченной или литой керамики, который действует как среда под давлением и как теплоизолятор.Термопара может быть расположена как в осевом, так и в поперечном направлении, в зависимости от конструкции сборки. Существует множество размеров и конструкций узлов, используемых для экспериментов с несколькими наковальнями, в зависимости от желаемой цели и условий P T . На рис. 4 показана конструкция узла, ранее использовавшаяся для проведения экспериментов по разделению силикатов металлов при 3,6 и 7,7 ГПа 35 .

    1. Приготовьте графитовые капсулы и измельчаемые магнезиальные или циркониевые втулки из трубок высокой чистоты таким же образом, как указано для экспериментов с поршневым цилиндром.Необходимые размеры указаны на Рис. 4A .

    2. Сделайте заглушку из оксида алюминия из отрезка твердо обожженного стержня из оксида алюминия. Используйте алмазный напильник, чтобы надрезать стержень в том месте, где он должен быть сломан, затем защелкните стержень до необходимой длины вручную (размеры см. На рис. 4A ). Воспользуйтесь напильником, чтобы удалить заусенцы, возникшие в результате поломки стержня. Очистите пробку, обработав ее ультразвуком в этаноле при комнатной температуре.

    3. Подготовьте октаэдры с октаэдрической длиной ребра 18 мм (OEL), используя отливку из двухкомпонентной керамики на основе MgO (см. , таблица 2 ) и форму соответствующего размера.Форма состоит из зажимного приспособления, вмещающего 8 усеченных кубиков, разделенных листами с толщиной, равной толщине, необходимой для предварительно сформованных прокладок 37 .

      1. Для октаэдров с OEL 18 мм используйте кубы с длиной усеченного края 11 мм (TEL) и листы толщиной 3 мм. Для кубиков и листов используйте алюминий или ПВХ. Соберите форму, смазав все детали, которые будут контактировать с литой керамикой, силиконовой смазкой. Оставьте один куб в разобранном виде, чтобы обеспечить вход для керамической смеси.

      2. Смешайте керамический порошок и жидкий активатор в соотношении 100: 30 по весу и тщательно перемешайте. Вылейте смесь в форму, следя за тем, чтобы не было воздушных карманов. Вставьте оставшийся кубик и дайте смеси застыть не менее 2 часов. На каждый октаэдр требуется ~ 15 г керамической смеси.

    4. После застывания выньте октаэдр из формы, обезвоживайте в течение ~ 1 дня в сушильном шкафу при 393 К, затем отожгите при 1273–1373 К в коробчатой ​​печи в течение ~ 2 часов.

    5. Дайте октаэдру остыть до комнатной температуры на воздухе, затем просверлите отверстие диаметром 7,3 мм, как показано на рисунке , рис. 4B , для размещения изоляционной втулки, графитового нагревателя и остальных компонентов образца.

    6. Хранить в сушильном шкафу при ~ 393 К до готовности к установке эксперимента.

3. Сборка компонентов

  1. Сборка поршневого цилиндра Эксперимент

    1. Загрузите графитовую капсулу с образцом, сначала вставив металл, несущий HSE, затем добавив синтетический базальтовый порошок до тех пор, пока капсула не будет заполнена .Использование гравитационно-стабильного устройства сводит к минимуму возможность опрокидывания во время эксперимента и предназначено для предотвращения рассеивания металлической фазы в результате механического воздействия.

    2. Поместите небольшое количество (обычно <50 мг) сухого порошка MgO в основание полости, предназначенной для размещения капсулы с образцом. Это сглаживает коническую поверхность, образовавшуюся при сверлении отверстия, и, в свою очередь, снижает усилия сдвига во время сжатия образца, которые могут привести к растрескиванию капсулы.

    3. Соберите все ранее изготовленные компоненты, как показано на рисунке Рисунок 3B .

    4. Оберните кусок свинцовой фольги толщиной 30 мкм вокруг сборки, загибая небольшой (~ 1,5 мм) кусок фольги на открытый конец нижнего рукава BaCO 3 . Вставьте сборку в сосуд высокого давления из карбида вольфрама диаметром 12,7 мм вместе с базовой заглушкой (вверху) и стальной заглушкой (внизу), как показано на , рис. 3A, . Примечание. Поршнево-цилиндровый аппарат с концевой нагрузкой имеет два гидроцилиндра. Мост, охватывающий нижний плунжер, позволяет поршню из карбида вольфрама оказывать давление на нижнюю часть образца.Верхний плунжер фиксирует положение верхней поверхности образца и прикладывает концевую нагрузку к сосуду высокого давления, который обеспечивает дополнительную поддержку сердечнику из карбида вольфрама 38 . На рис. 3C показан поршневой цилиндр в Университете Торонто с установленным мостом. Поправка на трение -9% применяется для учета разницы между номинальным давлением образца и давлением образца 39 .

    5. Установите мост, сосуд высокого давления и опорную плиту между гидроцилиндрами.Затем сделайте термопару C-типа, используя трубку из твердо обожженного оксида алюминия с 4 отверстиями и внешним диаметром 1,6 мм. Трубку из оксида алюминия следует отрезать достаточно длинной, чтобы она могла выступать из верхней поверхности верхней пластины на ~ 1-2 мм.

    6. Пропустите оба состава проволоки (см. Таблица 2 ) через соседние отверстия в трубке, поверните концы на 180 градусов и закрепите их в противоположных отверстиях так, чтобы проволока пересеклась. Вставьте термопару через верхнюю пластину в сборку так, чтобы спай находился прямо над образцом.Изолируйте оставшуюся часть проводов термопары гибкими тефлоновыми трубками, оставив на конце участок 10-20 мм.

    7. Поместите все необходимые металлические распорки между верхней пластиной и верхним гидроцилиндром. Во время сборки расположите листы майлара как над сосудом высокого давления, так и между верхней частью сборки и верхним плунжером. Эти листы электрически изолируют цепь нагрева образца от остальной части устройства.

  2. Эксперимент по сборке с несколькими наковальнями

    1. Сделайте термопару C-типа, используя твердо обожженную глиноземную трубку с 4 отверстиями, пропустив оба провода через соседние отверстия в трубке, повернув концы на 180 ° и закрепив их в противоположных отверстиях.Изолируйте оставшуюся часть проводов короткой (~ 20 мм) трубкой из оксида алюминия, а затем тефлоновым изоляционным материалом, оставив на конце 10-20 мм оголенный провод.

    2. Вставьте циркониевую втулку и графитовый нагреватель в октаэдр, затем вырежьте канавки, как показано на Рисунок 4B . Вставьте термопару в верхнюю часть октаэдра и поместите плечи, покрытые оксидом алюминия, в канавки. Используйте циркониевый цемент (см. , таблица 2, ), чтобы заполнить пустоты вокруг термопары и дать высохнуть.

    3. Чтобы изолировать соединение термопары от графитовой капсулы, добавьте порошок MgO из основания октаэдра до тех пор, пока не будут покрыты оголенные провода. Чтобы окружить оголенный провод, обычно достаточно менее 50 мг порошка. Чтобы обеспечить плотную упаковку порошка MgO, утрамбовывайте рассыпчатый порошок с помощью заготовки сверла.

    4. Загрузите графитовую капсулу с предварительно подготовленным материалом образца и поместите в октаэдр с открытой стороны. Вставьте заглушку из оксида алюминия, чтобы завершить сборку октаэдра.

    5. На 4 кубика WC ( Таблица 2 ) используйте поливинилацетат, чтобы приклеить короткие отрезки бальзового дерева, по одному на каждой из трех сторон, прилегающих к усеченному углу куба. Каждый кусок бальзового дерева должен иметь высоту ~ 4,4 мм и ширину на ~ 9,0 мм в длину для размера октаэдра, показанного на рисунке 4 . На каждой грани поместите кусочки бальзового дерева в квадрант напротив усеченного края.

    6. Соберите 4 кубика, чтобы сформировать квадрат на виде сверху, 2 с прикрепленными деревянными частями и 2 без них.Сориентируйте обрезанные края так, чтобы они смотрели в центр квадрата.

    7. Расположите октаэдр в центре кубов так, чтобы он опирался на усеченные края. Затем наклоните рычаги термопары так, чтобы они выходили из противоположных углов квадрата ( Рисунок 5A )

    8. Поместите оставшиеся кубики WC в положение, чтобы сформировать куб с октаэдром в его центре, убедившись, что кубики с деревянными деталями прикрепленная подставка поверх кубиков, у которых нет деревянных распорок.

    9. Приклейте квадратные кусочки листа G10 толщиной ~ 0,5 мм (см. Таблицу 2) к каждой грани собранного куба с помощью клея цианоакрилатного типа. Для кубиков унитаза 32 мм используйте листы G10 размером ~ 55 мм x 55 мм. Два куба WC имеют усеченные части, которые контактируют с резистивным нагревателем и, таким образом, образуют часть электрической цепи нагрева. Для листов, которые соприкасаются с этими кубиками, прорежьте 2 узких (шириной <1 мм) прорези, как показано на рисунке , рис. 5B , и поместите кусок медной фольги так, чтобы он обеспечивал точку контакта между наковальнями 1-й и 2-й ступеней.Примечание. В устройстве с несколькими наковальнями используется двухступенчатая система наковален, содержащихся в удерживающем кольце. Наковальни первой ступени состоят из 6 съемных клиньев, образующих центральную кубическую полость. Эта полость вмещает 8 кубиков карбида вольфрама с усеченными углами (наковальни второй ступени), которые окружают керамический октаэдр 40 . Таким образом, вертикально ориентированная сила, приложенная к наковальням первой ступени с помощью гидравлического пресса, передается на октаэдр таким образом, что приводит к квазигидростатическому сжатию образца.Взаимосвязь между давлением масла в плунжере и давлением образца может быть откалибрована для литой восьмигранной сборки OEL 18 мм, описанной здесь, с использованием процедур, изложенных в 41 .

    10. Вырежьте 2 листа майлара толщиной 0,076 мм до размеров, указанных на рис. 6 и нанесите на них сухую смазку из ПТФЭ.

      1. Поместите один из предварительно нарезанных листов в стопорное кольцо (прямая кромка у основания) и вставьте нижний набор 1 st -ступенчатых упоров, которые сами имеют 0.Майлар толщиной 076 мм, покрытый смазкой из ПТФЭ (, рис. 5В, ). Нижний комплект опор можно оставить на месте между прогонами. Поместите собранный куб в нижний набор опор 1-й ступени и подсоедините плечи термопары к сбалансированным проводам термопары, которые выходят из модуля давления.

      2. Поместите предварительно нарезанный лист майлара 2 и в стопорное кольцо (прямой кромкой к верху) и вставьте верхний набор 1 ступенчатых упоров st , которые должны иметь майларовую основу и смазываться таким же образом. манера как нижний набор.Эта компоновка обеспечивает смазанный майларовый контакт между наковальнями ступени 1 st и стопорным кольцом, что снижает потерю тяги толкателя на трение примерно на 30% по сравнению с одинарным майларовым листом 37 . Примечание. Толщина и размеры майларового листа будут зависеть от точной конструкции используемого модуля давления. Описано выше и в Рис. 6 — это размеры, используемые в Геофизической лаборатории Института Карнеги в Вашингтоне.

4. Проведение эксперимента

  1. После того, как образец будет доведен до необходимого давления, нагрейте его со скоростью 100 К / мин до тех пор, пока не будет достигнута желаемая температура выдержки. На этапе нагрева может потребоваться отрегулировать масло в толкателе для отбора проб, чтобы поддерживать постоянное давление масла.

  2. После периода выдержки закалите образец, отключив питание печи. Как только прибор остынет до комнатной температуры, медленно снимите давление на образец.

5. Анализ результатов прогона

  1. Для экспериментов с поршневым цилиндром извлеките законченный эксперимент из сосуда высокого давления с помощью гидроцилиндра. С помощью пары сверхмощных резцов удалите внешние части сборки, чтобы освободить графитовую капсулу (поршневой цилиндр) или печь, содержащую капсулу с образцом и опорные детали (многопозиционная наковальня).

  2. Закрепите образец эпоксидной смолой (как правило, чтобы сформировать шайбу диаметром 25,4 мм) ( Рисунок 7A ).Используя бумагу из карбида кремния с зернистостью от 320 до 600, растереть образец, чтобы обнажить закаленный силикатный расплав и металлические фазы. Отполируйте открытую поверхность с помощью суспензии оксида алюминия или алмаза с уменьшающимся размером зерна от ~ 15 до 0,3 мкм.

  3. Углерод покрывает поверхность полированного образца 42 и анализирует состав основных элементов металла и силикатных продуктов опытов с помощью электронно-зондового микроанализа (EPMA). Для силикатного анализа используйте расфокусированный (10 мкм) пучок, чтобы избежать миграции щелочных элементов из электронного пучка.Аналитические условия и стандарты, использованные для характеристики предыдущих образцов, созданных с помощью вышеуказанного протокола, можно найти в ссылках 29 31,35 Примечание: для экспериментов по исследованию разделения MSE и SSE EPMA также может оказаться подходящим для анализа трассирующие элементы при условии, что они присутствуют в достаточной концентрации.

  4. После анализа основных элементов удалите углеродное покрытие, используя зернистость оксида алюминия 0,3 мкм. Используйте масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой с лазерной абляцией (LA-ICPMS) для определения содержания микроэлементов в продуктах опытов.Для ознакомления с анализом проб с помощью LA-ICPMS см. Ссылку 43 . Примечание. В предыдущих исследованиях растворимости HSE изотопы кальция и никеля успешно использовались в качестве внутренних стандартов для сокращения данных с использованием стандартных образцов стекла и сульфидов соответственно 29,30 . Всем анализам должен предшествовать однократный проход абляции с последующей промывкой ячейки абляции в течение не менее 60 секунд. Это гарантирует, что любое поверхностное загрязнение, которое может возникнуть в результате полировки продуктов экспериментального опыта, не повлияет на результаты.

Типичные результаты

Следующие ниже примеры и обсуждение сосредоточены на экспериментах по определению растворимости HSE в силикатных расплавах при низком уровне f O 2 . Для исчерпывающих примеров того, как данные разделения MSE и SSE из экспериментов с несколькими наковальнями могут быть использованы для ограничения условий сегрегации основного металла в условиях сегрегации основного металла, читатель отсылается к ссылкам 9 11 . На рис. 7B-D показаны изображения в отраженных электронах типичных результатов экспериментов. В экспериментах, содержащих Au, смачивающие свойства между силикатным расплавом, расплавом Au и твердым HSE (Re, Os, Ir, Ru) определяют геометрию образца и приводят к физическому разделению между силикатным расплавом и твердым HSE. Для экспериментов по исследованию Pt сплав PtIr остается в прямом контакте с силикатным расплавом. Мощность резания печи в конце эксперимента обеспечивает быстрое охлаждение образца и закалку силикатного расплава.Таким образом, продукты цикла содержат либо 1, либо 2 фазы сплава (с высоким содержанием HSE ± богатое Au) или силикатное стекло (при условии, что базальтовый состав используется в таблице 1 ).

Загрязнение силикатного стекла в экспериментах с низкой растворимостью f O 2 HSE легче всего идентифицировать по наличию неоднородности в разрешенных во времени спектрах LA-ICPMS. Эта неоднородность проявляется в виде «пиков» и «впадин» в спектрах, которые возникают в результате абляции различных пропорций стекла с включениями и стекла без включений 17 . На фиг. 8A показан спектр с временным разрешением для эксперимента по растворимости Pt, в котором не использовались методы предотвращения образования металлических включений. Для сравнения, Фигуры 8B-F отображают спектры с временным разрешением, типичные для силикатных продуктов, синтезированных с использованием методов, изложенных в приведенном выше протоколе. Однородность спектров b-f свидетельствует об отсутствии дисперсных включений HSE в силикатной части продуктов опыта. Проверка силикатного стекла с помощью сканирующей электронной микроскопии подтверждает отсутствие видимых металлических включений в силикатных продуктах опытов, что дополнительно подтверждает отсутствие загрязнения.Спектры, представленные на рис. 8A-E , получены из продуктов прогона, синтезированных в рамках нескольких предыдущих исследований 29 31 . Фиг. 8F. взят из эксперимента по растворимости Ru, проведенного при 2273 К и 2 ГПа с использованием описанной выше методики добавления золота. Однородность этих спектров предполагает, что этот подход также позволяет избежать образования металлических включений, обнаруженных в предыдущих экспериментах по растворимости Ru, проведенных при аналогичных восстановительных условиях (~ IW + 2.5) 24 .

Рис. 1. Сравнение между оценочным составом примитивной верхней мантии (PUM) и составом, предсказанным по результатам экспериментов по растворимости при низком давлении и температуре. Данные по составу PUM из Fischer-Gödde et al. 7 . Коэффициенты распределения для HSE составляют 0,1 МПа, 1573-1673 K и IW-2 из экспериментов без Fe по 27 (Re), 44 (Os), 18 (Ir), 45 (Ru ), 16 (Pd), 46 (Au), 21 (Pt и Rh).Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 2. Устройство для холодного прессования металлических порошков. Нижняя заготовка сверла (или хвостовик) первоначально прикрепляется лентой к краю рабочего стола, чтобы облегчить загрузку порошков в трубку из кварцевого стекла. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 3. ( A ) Подробное сечение поршневого цилиндра в сборе после того, как он был вставлен в сосуд высокого давления. Для получения стабильных результатов зазор между компонентами в печи сопротивления должен быть в пределах 0.025 мм от номинала 38 . Ячейки BaCO 3 должны быть в пределах ~ 0,13 мм от номинального внутреннего и внешнего диаметров. Подробные сведения о конструкции подходящей матрицы можно найти в 47 , хотя внутренний диаметр ячейки должен быть изменен по чертежам в этой ссылке на 7,9 мм. ( B ) Процедура создания узла образца поршневого цилиндра. Для закрепления графитовой заглушки в гильзе BaCO 3 можно использовать цианоакрилатный клей или бытовой цемент, однако следует наносить не более ~ 10 мг.( C ) Пресс с поршневым цилиндром в Университете Торонто. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 4. ( A ) Поперечное сечение узла с несколькими опорами, подходящего для использования с кубиками WC, имеющими TEL 11 мм. Самая верхняя часть рисунка показана, чтобы показать, как плечи термопары выходят из октаэдра, если смотреть как перпендикулярно, так и вниз по оси провода, как показано. ( B ) Вид сверху литого октаэдра с ребрами уплотнения.Канавки для плеч термопар должны быть прорезаны в областях, отмеченных красным. Обратите внимание, что внутренняя магнезиальная втулка и трубка из оксида алюминия с 4 отверстиями, показанные на рисунке, не должны находиться на своих местах при прорезании канавок. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 5. ( A ) Расположение кубиков WC вокруг собранного октаэдра. ( B ) Нижний комплект опор 1-й ступени и их расположение внутри стопорного кольца. ( C ) Завершенный эксперимент помещен в модуль давления с установленной одной из верхних опор 1-й ступени.Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6. Размеры майларового листа, описанные в шаге 3.2.10. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 7. ( A ) Экспериментальный продукт, смонтированный на эпоксидной смоле, затем отшлифованный и отполированный. ( B ) и ( C ) Изображения в отраженных электронах экспериментальных продуктов из экспериментов с использованием методов добавления Si ( B ) и Au ( C ), описанных в тексте для экспериментов по определить растворимость Pt и Ru соответственно.Изображение ( B ) перепечатано с номера 31 с разрешения Elsevier. ( D ) Увеличенный вид области, обведенной красным на ( C ), чтобы показать детали гранулы AuRu и границы раздела металл-силикат. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 8. ( A ) Спектры LA-ICP-MS с временным разрешением из эксперимента с низкой растворимостью Pt f O 2 , в котором не применялись меры для подавления образования металлических включений.( B-F ) Типичные спектры LA-ICP-MS с временным разрешением из экспериментов для Ru, Pt 31 , Re 30 , Os и Ir 29 , которые были выполнены с использованием процедуры, изложенной в тексте. Все показанные данные получены из экспериментов, проведенных при 2273 К и 2 ГПа. Вертикальная пунктирная линия на каждом рисунке отделяет область абляции от области получения фона. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 9. Изменение D Met / Sil на T для экспериментов, проведенных Brenan & McDonough 29 (Os, Ir, Au), Bennett & Brenan 30 (Re, Au) и Bennett et al. 31 (Pt), используя описанные здесь процедуры. Все данные взяты из экспериментов, проведенных при 2 ГПа. Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рис. 10. Зависимость растворимости иридия в базальтовом расплаве при 2273 К и 2 ГПа от f O 2 относительно железо-вюститового (IW) буфера. Данные взяты из Brenan & McDonough 29 . Щелкните здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Перед декарбонизацией После декарбонизации
мас.% Оксидов / карбонатов; Fe 2+ Исходный состав мас.% Оксидов / карбонатов; Fe 2+ Исходный состав мас.% Оксида; Fe 2+ Исходный состав мас.% Оксида; Fe 3+ Исходный состав
SiO 2 47.92 47,40 SiO 2 51,87 51,26
Al 2 O 3 9,91 Al 9,80 Al 9139
CaCO 3 16,20 16,02 CaO 9,83 9,71
MgO 14,58 14,42 MgO79 15,60
FeO 9,84 FeO 10,66
Fe 2 O 3 80 3 11,71
MnO 0,06 0,06 MnO 0,07 0,07
Na 2
Na 2 913 3 913 CO.20 1,19 Na 2 O 0,76 0,75
NiO 0,28 0,27 NiO 0,30 0,30
Таблица 1.

Обсуждение

Результаты экспериментов без включения, выполненных с использованием описанных здесь протоколов, ранее сравнивались с литературными данными в ссылках 29 (Os, Ir, Au), 30 (Re, Au) и 31 (Пт).Pt наиболее поучительно демонстрирует полезность запускаемых продуктов без включения. Для экспериментов, проводимых при низком уровне f O 2 , Ertel et al. 48 приписал включениям стабильное происхождение и, следовательно, ограничил обработку данных областью с наименьшим количеством импульсов в секунду разрешенных во времени спектров LA-ICPMS. Такой подход сводит к минимуму вклад включений в измеренные концентрации силикатного расплава. Данные Ertel et al. 48 при ~ IW + 1 хорошо согласуется с трендом между D Met / Sil и 1/ T , определенным экспериментами без включения, выполненными при аналогичных f O 2 ; подтверждение того, что выбранная ими аналитическая обработка эффективна для определения истинной растворимости Pt 31 .Кроме того, эксперименты, проводимые с использованием описанного здесь протокола подавления включений, могут исследовать большее количество восстанавливающих условий, в которых метод спектральной фильтрации становится менее эффективным 17 . В исследованиях, которые предполагают только присутствие включений, связанных с закалкой, наблюдается различное согласие с данными без включений. Например, наблюдается хорошее согласие с результатами Mann et al. 49 , однако эксперименты Cottrell et al. 22 отображают систематически более низкие значения D Met / Sil , чем эксперименты без включений 31 .Таким образом, создание экспериментов без включения в широком диапазоне условий имеет решающее значение для оценки надежности предыдущих измерений загрязненных включениями.

Хотя описанный здесь протокол оказался успешным в ряде условий, он не является панацеей от проблемы загрязнения металлическими включениями. На эксперименты, проведенные с использованием метода добавления Au, влияет образование сложных составов сплавов при очень низких значениях f O 2 .Чтобы создать условия, значительно более восстанавливающие, чем буфер железо-вюстит, в исходные материалы добавляют элементарный Si. Продукты прогона из наиболее восстановительных из этих экспериментов содержат 2 сосуществующих сплава, которые обладают обширной текстурой распада, связанной с закалкой. Несмешиваемость сплава, по-видимому, возникает из-за значительного растворения Si в металлической фазе в восстановительных условиях. Отсутствие подходящих данных по активному составу для составов сплавов, образованных в очень восстановительных условиях, не позволяет определить активности Fe и HSE в фазе сплава.Это не позволяет точно рассчитать концентрацию образца f O 2 и HSE в силикатном расплаве на пределе растворимости.

Эффективность добавления Si как метода предотвращения образования включений Pt, по-видимому, снижается при более низких температурах. Bennett et al. 31 отметил, что эксперименты, проведенные при 1873 К, демонстрируют доказательства загрязнения металлическими включениями, тогда как эксперименты, проведенные при более высоких температурах, этого не показывают. Это может быть связано с изменением кинетической зависимости между восстановлением образца и диффузией Pt при более низких температурах.Еще одним соображением при проведении экспериментов, проводимых с использованием метода добавления Si, является его влияние на окончательный состав расплава. Окисление элементарного Si в начале эксперимента происходит через в следующей реакции с FeO в расплаве:

Si ( met ) + 2FeO ( sil ) = SiO 2 ( sil ) + 2Fe ( соответствует ) (2)

Добавление большего количества Si для достижения большего количества восстановительных условий, таким образом, приводит к более обогащенному SiO 2 и обедненному FeO составу расплава.Для проведения экспериментов, которые охватывают широкий диапазон f O 2 , но имеют небольшие вариации в составе расплава, необходимо произвести соответствующую корректировку силикатного исходного материала, чтобы компенсировать реакцию 6. В общем, это может быть выполнено. добавлением 2 моль FeO и удалением 1 моль SiO 2 на каждый моль Si, добавленного к исходной композиции. Следует также отметить, что некоторые исследования показали, что наличие металлических включений также зависит от состава расплава, в частности от того, является ли расплав Fe-содержащим 50 .

Данные о растворимости, полученные для незагрязненных продуктов опытов, позволяют точно рассчитать коэффициенты разделения металл-силикат. Для экспериментов, в которых интересующий HSE не присутствует в виде чистой фазы (, т.е. HSE с активностью металла <1), концентрации, измеренные в силикатной фазе, корректируются до единицы активности с использованием доступных термодинамических данных. За исключением Au, полезная сводка доступных соотношений активность-состав для HSE-сплавов приведена в ссылке 49 .Ограниченные данные для сплавов Au-Fe можно найти в ссылках 46,51 . Следующее соотношение затем используется для определения значений D Met / Sil из скорректированных концентраций HSE в силикатном расплаве 16

(3)

, где

— концентрация HSE силиката при насыщении в Фаза HSE, A — коэффициент преобразования моль в вес, а

— коэффициент активности выбранной HSE при бесконечном разбавлении жидким железом-металлом. На рис. 9 показано изменение D Met / Sil с T , рассчитанное на основе экспериментов, проведенных при 2 ГПа и f O 2 , близком к железо-вюститному буферу. Одним из применений этих данных является оценка способности высокотемпературного металл-силикатного равновесия учитывать оценочную распространенность этих элементов в примитивной верхней мантии. Значения D Met / Sil для HSE должны уменьшиться до значений ~ 10 2 –10 3 примерно при той же температуре, если металл-силикатное равновесие отвечает за состав PUM.Данные предыдущих исследований, представленные на рис. 9 , предполагают, что это требование не удовлетворяется результатами экспериментов, проведенных в восстанавливающих условиях 29 31 .

Измерения растворимости незагрязненных силикатных продуктов опытов также полезны для выявления состава HSE, растворенных в силикатном расплаве при низком уровне f O 2 . Информация о составе этих металлов в широком диапазоне окислительно-восстановительных условий полезна не только для руководства экстраполяцией данных за пределы экспериментально изученного диапазона, но также для обоснованного проектирования стекол с определенными оптическими свойствами.Изменения в степени окисления растворенных металлов могут сопровождаться изменениями в их химическом составе, из-за чего могут возникать вариации таких свойств, как оптическое поглощение. Например, растворение платины, широко используемой в качестве материала контейнера для синтеза стекла из расплава, может привести к разному цвету стекла в зависимости от окислительно-восстановительных условий расплава 52,53 . О степени окисления растворенных HSE можно судить по изменению растворимости с f O 2 .Рассмотрим растворение металла (M) как разновидности оксида в расплаве:

(4)

, где n — степень окисления растворенного металла. Константа равновесия ( K ) при P и T для уравнения 3 определяется как:

(5)

Приравнивая ln K к свободной энергии реакции Гиббса, и при насыщении в металлической фазе ( a M = 1) уравнение 4 принимает следующий вид:

(6)

Наклон тренда между растворимостью HSE и f O 2 , следовательно, дает n /4, из которого видообразование может быть получен.Brenan & McDonough 29 определила растворимость Ir как функцию f O 2 в экспериментах, в которых использовались описанные здесь методы. Результаты этих экспериментов показаны на Рис. 10 и дают наклон 0,2, что в значительной степени соответствует степени окисления 1+ (прогнозируемый наклон 0,25) для Ir в восстановленных силикатных расплавах.

Экспериментально определенные коэффициенты разделения металл-силикат могут быть использованы для установления условий равновесия ядро-мантия во время земной аккреции.Результаты для элементов с высоким содержанием сидерофилов также могут быть использованы для оценки того, испытала ли Земля позднюю облицовку хондритового материала после образования ядра. Здесь изложены процедуры для проведения экспериментов по разделению силикатов металлов и растворимости в устройствах с несколькими наковальнями и поршнем-цилиндром соответственно. Также описаны методы, которые подавляют образование металлических включений в экспериментах по растворимости HSE при 2 ГПа и температурах> 1873 K. Рассчитанные коэффициенты распределения HSE предполагают, что равновесие металл-силикат при высоком T не объясняет очевидного избытка HSE в примитивных верхняя мантия.Дальнейшая работа остается для подтверждения того, сохраняется ли поведение разделения HSE, показанное экспериментами при 2 ГПа, до более высоких P и T . Это потребует тестирования протоколов подавления включений, описанных здесь, в экспериментальной схеме с высокими P с несколькими наковальнями.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Выражение признательности

Эта работа была поддержана Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канадского совета по ускорителям оборудования, открытий и открытий, присужденным Дж.М.Б. N.R.B благодарит за поддержку программу постдокторских стипендий Вашингтонского института Карнеги. Стивен Элардо также благодарит за его помощь перед съемкой поршнево-цилиндрического пресса в геофизической лаборатории.

Каталожные номера

  • Canup RM. Динамика формирования Луны. Ежегодный обзор астрономии и астрофизики. 2004. 42: 441–475. [Google Scholar]
  • Руби Д., Ниммо Ф., Мелош Х. Формирование ядра Земли. Трактат по геофизике. 2007; 9: 51–90. [Google Scholar]
  • Карато С., Мурти В.Р.Формирование ядра и химическое равновесие с точки зрения физики Земли. Физика Земли и планетных недр. 1997; 100: 61–79. [Google Scholar]
  • Дзевонски А.М., Андерсон Д.Л. Предварительная эталонная модель Земли. Физика Земли и планетных недр. 1981. 25 (4): 297–356. [Google Scholar]
  • McDonough W., Sun S. Состав Земли. Химическая геология. 1995; 120 (3-4): 223–253. [Google Scholar]
  • Пальме Х., О’Нил Х. Космохимические оценки состава мантии.Трактат по геохимии. 2003; 2: 1–38. [Google Scholar]
  • Фишер-Гёдде М., Беккер Х., Вомбахер Ф. Родий, золото и другие высоко сидерофильные элементы в орогенных перидотитах и ​​ксенолитах перидотитов. Химическая геология. 2011; 280 (3-4): 365–383. [Google Scholar]
  • Ringwood AE. Химическая эволюция планет земной группы. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1966; 30: 41–104. [Google Scholar]
  • Вуд Б.Дж., Уэйд Дж. Формирование ядра и степень окисления Земли. Письма о Земле и планетологии.2005. 236 (1-2): 78–95. [Google Scholar]
  • Зиберт Дж., Корн А., Райерсон Ф. Систематика металл-силикатного разделения многих сидерофильных элементов применительно к образованию ядра Земли. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2011. 75 (6): 1451–1489. [Google Scholar]
  • Righter K. Прогнозирование коэффициентов разделения металл-силикат для сидерофильных элементов: обновление и оценка условий ПК для равновесия металл-силикат во время аккреции. Письма о Земле и планетологии. 2011; 304 (1-2): 158–167.[Google Scholar]
  • Вуд Б.Дж., Уолтер М.Дж., Уэйд Дж. Аккреция Земли и сегрегация ее ядра. Природа. 2006. 441 (7095): 825–833. [PubMed] [Google Scholar]
  • Кимура Кан, Льюис РОЙС, Андерс Э. Распределение золота и рения между никель-железным и силикатным расплавами: последствия для изобилия сидерофильных элементов на Земле и Луне. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1974; 38: 683–701. [Google Scholar]
  • Мурти VR. Ранняя дифференциация Земли и проблема сидерофильных элементов мантии: новый подход.Наука. 1991. 253 (5017): 303–306. [PubMed] [Google Scholar]
  • Righter K, Humayun M, Danielson L. Разделение палладия при высоких давлениях и температурах во время формирования ядра. Природа Геонауки. 2008. 1 (5): 321–323. [Google Scholar]
  • Борисов А., Пальме Х., Спеттель Б. Растворимость палладия в силикатных расплавах Влияние на формирование ядра Земли. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1994. 58 (2): 705–716. [Google Scholar]
  • Эртель В., Дингвелл Д. Б., Сильвестр П. Дж. Сидерофильные элементы в силикатных расплавах — обзор метода механического уравновешивания и проблемы нанонагнетателей.Химическая геология. 2008. 248 (3-4): 119–139. [Google Scholar]
  • Борисов А.Л., Пальме Х. Растворимость иридия в силикатных расплавах: новые данные экспериментов со сплавами lr10Pt90. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1995. 59 (3): 481–485. [Google Scholar]
  • Борисов А., Пальме Х. Экспериментальное определение разделения металл / силикат Os. Neues Jahrbuch für Mineralogie — Abhandlungen. 1998. 172 (2-3): 347–356. [Google Scholar]
  • Борисов А., Пальме Х. Экспериментальное определение растворимости платины в силикатных расплавах.Geochimica et Cosmochimica Acta. 1997. 61 (20): 4349–4357. [Google Scholar]
  • Эртель В., O’Neill HSC, Сильвестр П.Дж., Dingwell DB. Растворимость Pt и Rh в гаплобазальтовом силикатном расплаве при 1300. C. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1999. 63 (16): 2439–2449. [Google Scholar]
  • Коттрелл Э., Уокер Д. Ограничения на образование ядра из-за разделения Pt в основных силикатных жидкостях при высоких температурах. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2006. 70 (6): 1565–1580. [Google Scholar]
  • Yokoyama T, Walker D, Walker RJ.Низкая растворимость осмия в силикате при высоких давлениях и температурах. Письма о Земле и планетологии. 2009. 279 (3-4): 165–173. [Google Scholar]
  • Laurenz V, Fonseca OC, Ballhaus C, Peter K, Heuser A, Sylvester PJ. Растворимость палладия и рутения в пикритовых расплавах: 2. Влияние серы. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2013; 102: 172–183. [Google Scholar]
  • Neill HSC. Экспериментальная петрохимия некоторых высокосидерофильных элементов при высоких температурах и некоторые последствия для формирования ядра и ранней истории мантии.Химическая геология. 1995; 120 (3-4): 255–273. [Google Scholar]
  • Fortenfant SS, Dingwell DB, Ertel-Ingrisch W., Capmas F, Birck JL, Dalpé C. Зависимость растворимости Os в гаплобазальтовом расплаве от летучести кислорода. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2006. 70 (3): 742–756. [Google Scholar]
  • Эртель В., О’Нил HSC, Сильвестр П.Дж., Дингвелл Д.Б., Спеттель Б. Растворимость рения в силикатных расплавах: влияние на геохимические свойства рения при высоких температурах. Geochimica et Cosmochimica Acta.2001. 65 (13): 2161–2170. [Google Scholar]
  • Медард Э., Шмидт М.В., Уол М., Келлер Н.С., Гюнтер Д. Пт в силикатных расплавах: центрифугирование нанонагнетателей для расшифровки процессов образования керна. Конференция по изучению Луны и планет. 2010. С. 3–4.
  • Бренан Дж., МакДоноу В. Формирование керна и металл-силикатное фракционирование осмия и иридия из золота. Природа Геонауки. 2009. 2 (11): 798–801. [Google Scholar]
  • Беннет Н. Р., Бренан Дж. М.. Контроль растворимости рения в силикатном расплаве: последствия для изотопного состава осмия мантии Земли.Письма о Земле и планетологии. 2013; 361: 320–332. [Google Scholar]
  • Беннетт Н., Бренан Дж., Кога К. Растворимость платины в силикатном расплаве в восстановительных условиях: результаты экспериментов без металлических включений. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2014; 133: 422–442. [Google Scholar]
  • Окамото Х., Массальский ТБ. Система Au-Pt (золото-платина). Бюллетень фазовых диаграмм сплавов. 1985. 6 (1): 46–55. [Google Scholar]
  • Neill H, Pownceby M. Термодинамические данные окислительно-восстановительных реакций при высоких температурах.I. Экспериментальная и теоретическая оценка электрохимического метода с использованием стабилизированного диоксида циркония. Вклад в минералогию и петрологию. 1993. 114 (3): 296–314. [Google Scholar]
  • Deines P, Nafziger R, Ulmer G, Woermann E. Таблицы температуры и летучести кислорода для выбранных газовых смесей в системе CHO при общем давлении в одну атмосферу. Вестник экспериментальной станции наук о Земле и минералах. 88. Юниверсити-Парк, Пенсильвания: Государственный университет Пенсильвании; 1974. [Google Scholar]
  • Corgne A, Keshav S, Wood BJ, McDonough WF, Fei Y.Металл-силикатное разделение и ограничения на состав ядра и летучесть кислорода во время аккреции Земли. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2008. 72 (2): 574–589. [Google Scholar]
  • Эйджи С.Б., Уокер Д. Статическое сжатие и флотация оливина в ультраосновной силикатной жидкости. Журнал геофизических исследований. 1988. 93 (7): 3437–3449. [Google Scholar]
  • Уокер Д. Смазка, прокладки и точность в экспериментах с несколькими наковальнями. Американский минералог. 1991; 76 (7-8): 1092–1100. [Google Scholar]
  • Бойд Ф., Англия Дж.Аппарат для измерения фазового равновесия при давлении до 50 килобар и температуре до 1750. С. Журнал геофизических исследований. 1960. 65 (2): 741–748. [Google Scholar]
  • McDade P, Wood BJ, et al. Поправки на давление для выбора узлов поршневой цилиндр. Минералогический журнал. 2002. 66 (6): 1021–1028. [Google Scholar]
  • Уокер Д., Карпентер М., Хитч С. Некоторые упрощения многоярусных устройств для экспериментов с высоким давлением. Американский минералог. 1990; 75 (9-10): 1020-1028.[Google Scholar]
  • Бертка С.М., Фей Ю. Минералогия внутренних частей Марса вплоть до давления на границе ядро-мантия. Журнал геофизических исследований. 1997; 102 (B3): 5251. [Google Scholar]
  • Reed SJB. Электронно-микрозондовый анализ и сканирующая электронная микроскопия в геологии. Второе издание. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета :; 2005. [Google Scholar]
  • Sylvester PJ. Лазерная абляция ICP-MS в науках о Земле: современные практики и нерешенные проблемы. Квебек: Минералогическая ассоциация Канады; 2008 г.[Google Scholar]
  • Борисов А., Уокер Р. Растворимость Ос в силикатных расплавах: новые усилия и результаты) Американский минералог. 2000; 85 (7-8): 912–917. [Google Scholar]
  • Борисов А., Нахтвейх К. Ру Растворимость в силикатных расплавах: экспериментальные результаты в окислительной области. Конференция по изучению Луны и планет. 1998; 77058: 1320. [Google Scholar]
  • Борисов А., Пальме Х. Экспериментальное определение растворимости золота в силикатных расплавах. Минералогия и петрология. 1996. 56 (3-4): 297–312.[Google Scholar]
  • Данн Т. Поршнево-цилиндровый аппарат. Краткое руководство по экспериментам при высоком давлении и приложениям к мантии Земли. 1993. С. 39–94.
  • Эртель В., Уолтер М., Дрейк М., Сильвестр П. Экспериментальное исследование растворимости платины в силикатном расплаве до 14 ГПа и 2273 К: последствия для аккреции и формирования ядра на Земле. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2006. 70 (10): 2591–2602. [Google Scholar]
  • Манн У., Фрост Д., Руби Д. Разделение Ru.Rh, Pf, Re, Ir и Pt между жидким металлом и силикатом при высоких давлениях и высоких температурах — последствия для происхождения высоких концентраций сидерофильных элементов в мантии Земли. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2012; 84: 593–613. [Google Scholar]
  • Laurenz V, Fonseca ROC, Ballhaus C, Sylvester PJ. Растворимость палладия в пикритовых расплавах 1. Эффект железа. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2010. 74 (10): 2989–2998. [Google Scholar]
  • Лю Й, Джи Й, Ю. Д. Термодинамические описания двойных систем Au – Fe и Na – Zn.Журнал сплавов и соединений. 2009. 476 (1-2): 79–83. [Google Scholar]
  • Rindone GE, Rhoads JL. Цвета платины, палладия и родия в простых очках.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    [an error occurred while processing the directive]