Нет

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 20240 (2022) Цитировать эту статью

704 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Синтезы под высоким давлением и при высоких температурах, в которых используются водные жидкости, содержащие летучие вещества, обычно осуществляются путем помещения образцов в газонепроницаемые сварные закрывающиеся капсулы из благородного металла, из которых необходимо извлечь основное содержание летучих веществ для анализа с помощью масс-спектроскопии, что позволяет получить анализ невоспроизводимый. Здесь мы описываем новый неразрушающий метод, который обеспечивает идентификацию и количественную оценку летучих веществ непосредственно в герметичной капсуле, уделяя особое внимание жидким смесям H2O–CO2, уравновешенным графитом в условиях, представляющих геологический интерес (1 ГПа, 800 ° C). Мы использовали высокоэнергетическое (77 кэВ) синхротронное рентгеновское излучение в сочетании с криостатом для получения рентгенограмм и рентгеновских дифракционных микротомографических сечений летучих содержащих образцов при температуре до –180 °C, таким образом охватывая условия образования кристаллических фаз — твердого СО2 и клатрата (гидрата СО2). Неопределенность метода составляет <15 мол%, что отражает разницу между долей летучих веществ, оцененной как с помощью уточнения Ритвельда дифракционных данных, так и с помощью анализа изображений микротомограмм, и эталонным значением, измеренным с помощью квадрупольной масс-спектрометрии. Таким образом, наш метод может быть надежно применен для анализа замороженных смесей H2O–CO2 и, более того, потенциально может быть распространен на экспериментальные жидкости, представляющие геологический интерес, содержащие другие летучие вещества, такие как CH4, SO2 и H2S.

Углекислый газ, основной парниковый газ Земли, циркулирует между твердой Землей и атмосферой в течение длительного времени (> 1 млн лет назад) посредством множества естественных процессов. Диффузная дегазация и вулканические выбросы являются заключительным звеном в длинной цепи реакций выхода летучих веществ, происходящих в недрах Земли1. Окисление органического углеродистого вещества (вскоре трансформируемого в графитовый углерод) и декарбонизация осадочных карбонатных минералов2 в субдуцированной литосфере являются, пожалуй, важнейшими процессами, поставляющими CO2 в глубокий углеродный цикл. Это было показано, например, в экспериментах с высоким давлением и высокой температурой, воспроизводящих условия окружающей среды, в которых, как предполагается, на глубине3–5 происходят реакции с выделением CO2. Последние достижения в синтезе и анализе CO2-содержащих водных жидкостей, полученных окислением графита в контролируемых окислительно-восстановительных условиях, позволили изучить широкий спектр композиционных систем. В C–O–H, наиболее простой системе, описывающей водные жидкости, содержащие углерод, было продемонстрировано, что состав жидкостей, находящихся в равновесии с чистым графитом, соответствует термодинамическим предсказаниям6–8. Однако непредсказуемое поведение графита при окислении было описано в более сложных системах, содержащих силикаты3, карбонаты5, неупорядоченные формы графита6 или неупорядоченные окислительно-восстановительные буферные материалы (например, NiO8). В этих экспериментальных исследованиях окислительно-восстановительное состояние во время синтеза жидкости неизменно ограничивалось с использованием так называемого метода двойной капсулы9, который доказал свою надежность и надежность. Двойные капсулы состоят из внутренней сварной закрывающейся капсулы, обычно изготовленной из проницаемого для водорода сплава благородных металлов (например, сплавов, содержащих Pt или Pd) и содержащей экспериментальный заряд, и внешней сварной закрывающейся капсулы, содержащей окислительно-восстановительный буферный минерал. сборка (обычно металл + оксид металла или оксид металла + силикат металла, где металл имеет разные степени окисления), вымоченная в воде. Во время эксперимента при высоком давлении и температуре окислительно-восстановительные реакции в буферном минеральном комплексе в сочетании с диссоциацией воды ограничивают fO2 и fH2 во внешней капсуле. Из-за проницаемости для H2 такое же значение fH2 ожидается и во внутренней капсуле. При окислении графита fH2 контролирует количество CO2, образующегося во внутренней капсуле, содержащей графит и воду (см. «Методы»).