В планетологии планетарная дифференциация — это процесс, посредством которого химические элементы планетарного тела накапливаются в различных областях этого тела из-за их физического или химического поведения (например, плотности и химического сродства). Процесс планетарной дифференциации опосредован частичным плавлением с выделением тепла от распада радиоактивных изотопов и планетарной аккреции . Планетарная дифференциация произошла на планетах, карликовых планетах , астероиде 4 Веста и естественных спутниках (таких как Луна ).
Материалы с высокой плотностью имеют тенденцию просачиваться сквозь более легкие материалы. На эту тенденцию влияет относительная прочность конструкции, но такая прочность снижается при температурах, когда оба материала пластичны или расплавлены. Железо , наиболее распространенный элемент, который, вероятно, образует очень плотную расплавленную металлическую фазу, имеет тенденцию собираться в недрах планет. Вместе с ним вниз перемещаются и многие сидерофильные элементы (т.е. материалы, которые легко сплавляются с железом). Однако не все тяжелые элементы совершают этот переход, поскольку некоторые халькофильные тяжелые элементы связываются с силикатными и оксидными соединениями низкой плотности, которые дифференцируются в противоположном направлении.
Основными дифференцированными по составу зонами в твердой Земле являются очень плотное, богатое железом металлическое ядро , менее плотная, богатая магнием-силикатами мантия и сравнительно тонкая, легкая кора , состоящая преимущественно из силикатов алюминия , натрия , кальция и калия . Еще легче водянистая жидкая гидросфера и газообразная, богатая азотом атмосфера .
Более легкие материалы имеют тенденцию подниматься сквозь материал с более высокой плотностью. Легкий минерал, такой как плагиоклаз, поднимется. При этом они могут принимать куполообразную форму, называемую диапирами . На Земле соляные купола представляют собой соляные диапиры в земной коре, которые поднимаются сквозь окружающие породы. Диапиры расплавленных силикатных пород низкой плотности, таких как гранит, широко распространены в верхней коре Земли. Гидратированный серпентинит низкой плотности , образовавшийся в результате изменения мантийного материала в зонах субдукции, также может подниматься на поверхность в виде диапиров. Другие материалы действуют аналогичным образом: низкотемпературным приповерхностным примером являются грязевые вулканы .
Хотя объемные материалы дифференцируются наружу или внутрь в зависимости от их плотности, элементы, химически связанные в них, фракционируются в соответствии с их химическим сродством, «уносимые» более распространенными материалами, с которыми они связаны. Например, хотя редкий элемент уран очень плотен в чистом виде, он химически более совместим в качестве микроэлемента в легкой, богатой силикатами коре Земли, чем в плотном металлическом ядре. [1]
Когда Солнце вспыхнуло в солнечной туманности , водород , гелий и другие летучие вещества испарились в области вокруг него. Солнечный ветер и радиационное давление вытеснили эти материалы с низкой плотностью от Солнца. Горные породы и элементы, составляющие их, были лишены своей ранней атмосферы [2] , но сами остались, чтобы накопиться в протопланетах .
В начале своей истории на протопланетах наблюдались более высокие концентрации радиоактивных элементов, количество которых со временем уменьшилось из-за радиоактивного распада . Например, система гафний-вольфрам демонстрирует распад двух нестабильных изотопов и, возможно, формирует временную шкалу аккреции. Нагрев из-за радиоактивности, ударов и гравитационного давления расплавил части протопланет, когда они превратились в планеты . В расплавленных зонах более плотные материалы могли опускаться к центру, а более легкие поднимались на поверхность. Составы некоторых метеоритов ( ахондритов ) показывают, что дифференциация имела место и у некоторых астероидов (например, Весты ), являющихся родительскими телами для метеороидов. Короткоживущий радиоактивный изотоп 26 Al, вероятно, был основным источником тепла. [3]
Когда протопланеты аккумулируют больше материала, энергия удара вызывает локальный нагрев. В дополнение к этому временному нагреву сила гравитации в достаточно большом теле создает давление и температуру, достаточные для плавления некоторых материалов. Это позволяет химическим реакциям и различиям в плотности смешивать и разделять материалы, [4] а мягкие материалы распределяются по поверхности. Еще одним внешним источником тепла является приливное отопление .
На Земле большой кусок расплавленного железа достаточно плотнее материала континентальной коры , чтобы пробиться сквозь кору к мантии . [3]
Во внешней части Солнечной системы может происходить аналогичный процесс, но с более легкими материалами: это могут быть углеводороды , такие как метан , вода в жидком виде или лед, или замороженный углекислый газ . [5]
Магма на Земле образуется в результате частичного плавления материнской породы, в конечном итоге в мантии . Расплав извлекает из своего источника большую часть «несовместимых элементов», которые не стабильны в основных минералах. Когда магма поднимается выше определенной глубины, растворенные минералы начинают кристаллизоваться при определенных давлениях и температурах. Образующиеся твердые вещества удаляют из расплава различные элементы, и, таким образом, расплав обедняется этими элементами. Таким образом , изучение микроэлементов в магматических породах дает нам информацию о том, какой источник расплавился, насколько сильно образовалась магма, и какие минералы были потеряны из расплава.
Когда материал нагревается неравномерно, более легкий материал мигрирует к более горячим зонам, а более тяжелый материал мигрирует к более холодным областям, что известно как термофорез , термомиграция или эффект Соре . Этот процесс может повлиять на дифференциацию магматических очагов . Для более глубокого понимания этого процесса можно обратиться к исследованию лавовых озер на Гавайях. Бурение этих озер привело к открытию кристаллов, образовавшихся внутри фронтов магмы. Магма, содержащая концентрации этих крупных кристаллов или вкрапленников , продемонстрировала дифференциацию за счет химического расплава кристаллов.
На Луне был обнаружен характерный базальтовый материал с высоким содержанием «несовместимых элементов», таких как калий , редкоземельные элементы и фосфор , и его часто называют аббревиатурой KREEP . [6] В нем также много урана и тория . Эти элементы исключены из основных минералов лунной коры, которые кристаллизовались из первобытного магматического океана , а базальт KREEP, возможно, оказался в ловушке как химическое различие между корой и мантией, с редкими извержениями на поверхность.
Луна Земли , вероятно, образовалась из материала, выброшенного на орбиту в результате удара большого тела о раннюю Землю. [3] Дифференциация на Земле, вероятно, уже отделила множество более легких материалов к поверхности, так что удар удалил непропорциональное количество силикатного материала с Земли и оставил большую часть плотного металла позади. Плотность Луны существенно меньше плотности Земли из-за отсутствия у нее большого железного ядра. [3] На Земле процессы физической и химической дифференциации привели к плотности земной коры примерно 2700 кг/м 3 по сравнению с плотностью 3400 кг/м 3 чуть ниже по составу иной мантии и средней плотностью планеты в целом. составляет 5515 кг/м 3 .
При формировании ядра используется несколько механизмов, позволяющих контролировать движение металлов внутрь планетарного тела. [3] Примеры включают просачивание , обвалование , диапиризм, а прямое воздействие является механизмом, участвующим в этом процессе. [3] Разница плотностей металлов и силикатов вызывает просачивание или движение металла вниз. Дайкинг — это процесс, при котором новая горная порода формируется внутри трещины ранее существовавшей породы. Например, если минералы холодные и хрупкие, перенос может происходить через жидкостные трещины. [3] Для того чтобы металл мог успешно преодолеть вязкость разрушения окружающего материала, необходимо оказать достаточное давление. Размер внедряющегося металла и вязкость окружающего материала определяют скорость процесса опускания. [3] Прямое воздействие происходит, когда ударник аналогичных пропорций поражает целевое планетарное тело. [3] Во время удара происходит обмен ранее существовавшими ядрами, содержащими металлический материал. [3]
Говорят, что событие планетарной дифференциации, скорее всего, произошло после процесса аккреции либо астероида, либо планетарного тела. Земные тела и железные метеориты состоят из сплавов Fe-Ni. [4] Ядро Земли состоит в основном из сплавов Fe-Ni. Результаты , основанные на исследованиях короткоживущих радионуклидов , позволяют предположить, что процесс формирования ядра происходил на ранней стадии существования Солнечной системы. [4] Сидерофильные элементы, такие как сера , никель и кобальт , могут растворяться в расплавленном железе; эти элементы помогают дифференцировать сплавы железа. [4]
Первые этапы аккреции заложили основу для формирования ядра. Сначала на орбиту соседней планеты выходят земные планетные тела. Далее произойдет столкновение, и земное тело сможет либо увеличиться, либо сжаться. Однако в большинстве случаев аккреция требует множественных столкновений объектов одинакового размера, чтобы существенно повлиять на рост планеты. [3] Зоны питания и события «нападай и беги» — это характеристики, которые могут возникнуть после прироста. [3]