Wetenschappers hebben lang nagedacht over hoe rotsachtige lichamen in het zonnestelsel - inclusief onze eigen aarde - hun metalen kernen kregen. Volgens onderzoek uitgevoerd door de Universiteit van Texas in Austin, bewijs wijst op de neerwaartse percolatie van gesmolten metaal naar het centrum van de planeet door kleine kanaaltjes tussen rotskorrels.

De bevinding roept vraagtekens op bij de interpretatie van eerdere experimenten en simulaties die probeerden te begrijpen hoe metalen zich gedragen onder intense hitte en druk wanneer planeten zich vormen. Eerdere resultaten suggereerden dat grote delen van gesmolten metalen gevangen bleven in geïsoleerde poriën tussen de korrels. In tegenstelling tot, het nieuwe onderzoek suggereert dat zodra die geïsoleerde poriën groot genoeg worden om verbinding te maken, het gesmolten metaal begint te stromen, en het meeste ervan kan langs de korrelgrenzen sijpelen. Dit proces zou metaal door de mantel laten druppelen, ophopen in het centrum, en vormen een metalen kern, zoals de ijzeren kern in het hart van onze thuisplaneet.

"Wat we zeggen is dat zodra het smeltnetwerk is verbonden, het blijft verbonden totdat bijna al het metaal in de kern is, " zei co-auteur Marc Hesse, een universitair hoofddocent aan de UT Jackson School of Geosciences Department of Geological Sciences, en lid van het UT Institute for Computational Engineering and Sciences.

Het onderzoek werd op 4 december gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Het werk was het proefschrift van Soheil Ghanbarzadeh, die zijn Ph.D. terwijl een student in de UT afdeling Petroleum and Geosystems Engineering (nu de Hildebrand Department of Petroleum and Geosystems Engineering). Momenteel werkt hij als reservoiringenieur bij BP America. Soheil werd gezamenlijk geadviseerd door Hesse en Maša Prodanovic, een universitair hoofddocent bij de Hildebrand-afdeling en een co-auteur.

Planeten en planetesimalen (kleine planeten en grote asteroïden) worden voornamelijk gevormd uit silicaatgesteenten en metaal. Een deel van het planeetvormingsproces omvat de initiële materiaalmassa die zich scheidt in een metalen kern en een silicaatschil die bestaat uit de mantel en de korst. Om de percolatietheorie van kernvorming te laten werken, de overgrote meerderheid van het metaal in het planetaire lichaam moet zijn weg naar het centrum vinden.

In dit onderzoek, Ghanbarzadeh ontwikkelde een computermodel om de verdeling van gesmolten ijzer tussen gesteentekorrels te simuleren als porositeit, of smeltfractie, verhoogd of verlaagd. De simulaties zijn uitgevoerd in het Texas Advanced Computing Center. Onderzoekers ontdekten dat zodra het metaal begint te stromen, het kan blijven stromen, zelfs als de smeltfractie aanzienlijk afneemt. Dit in tegenstelling tot eerdere simulaties die ontdekten dat zodra het metaal begint te stromen, er is slechts een kleine duik in het smeltvolume nodig om de percolatie te stoppen.

"Mensen hebben aangenomen dat je de verbinding verbreekt bij dezelfde smeltfractie waarmee je in eerste instantie verbonden was... en het zou aanzienlijke hoeveelheden van het metaal achterlaten, "Zei Hesse. "Wat we hebben gevonden, is dat wanneer de metaalsmelt verbinding maakt en wanneer deze wordt verbroken, dit niet noodzakelijk hetzelfde is."

Volgens het computermodel slechts 1 tot 2 procent van het oorspronkelijke metaal zou in de silicaatmantel worden opgesloten wanneer de percolatie stopt, wat overeenkomt met de hoeveelheid metaal in de aardmantel.

De onderzoekers wijzen op de rangschikking van de rotskorrels om de verschillen te verklaren in hoe goed de ruimtes tussen de korrels met elkaar verbonden zijn. Eerder werk gebruikte een geometrisch patroon van regelmatige, identieke granen, terwijl dit werk gebaseerd was op simulaties met een onregelmatige korrelgeometrie, waarvan wordt gedacht dat het de omstandigheden in het echte leven beter weerspiegelt. De geometrie werd gegenereerd met behulp van gegevens van een polykristallijn titaniummonster dat werd gescand met behulp van röntgenmicrotomografie.

"Het numerieke model dat Soheil in zijn proefschrift ontwikkelde, maakte het voor het eerst mogelijk om driedimensionale smeltnetwerken van elke geometrische complexiteit te vinden, "Zei Prodanovic. "Het hebben van een driedimensionaal model is de sleutel tot het begrijpen en kwantificeren van hoe melt trapping werkt."

De moeite wierp zijn vruchten af ​​omdat onderzoekers ontdekten dat de geometrie een sterk effect heeft op de smeltconnectiviteit. In de onregelmatige korrels, de smeltkanalen variëren in breedte, en de grootste blijven verbonden, zelfs als het meeste metaal wegvloeit.

"Wat we hier anders hebben gedaan, was om het element van nieuwsgierigheid toe te voegen om te zien wat er gebeurt als je de smelt uit het poreuze, ductiel gesteente, ' zei Ghanbarzadeh.

De onderzoekers vergeleken hun resultaten ook met een metaalsmeltnetwerk bewaard in een anchondrietmeteoriet, een soort meteoriet die afkomstig was van een planetair lichaam dat zich onderscheidde in waarneembare lagen. Röntgenfoto's van de meteoriet genomen in de High-Resolution X-Ray CT Facility van de Jackson School onthulden een metaalverdeling die vergelijkbaar is met de berekende smeltnetwerken. Prodanovic zei dat deze vergelijking aantoont dat hun simulatie de kenmerken vastlegt die zijn waargenomen in de meteoriet.