В планетарной науке планетарная дифференциация — это процесс, при котором 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 под действием тепла от распада радиоактивных изотопов и планетарной аккреции . Планетная дифференциация произошла на планетах, карликовых планетах , астероиде 4 Веста и естественных спутниках (таких как Луна ).
Материалы с высокой плотностью имеют тенденцию тонуть сквозь более легкие материалы. Эта тенденция зависит от относительной структурной прочности, но такая прочность снижается при температурах, когда оба материала пластичны или расплавлены. Железо , наиболее распространенный элемент, который, вероятно, образует очень плотную фазу расплавленного металла, имеет тенденцию собираться в направлении недр планеты. Вместе с ним многие сидерофильные элементы (т. е. материалы, которые легко сплавляются с железом) также перемещаются вниз. Однако не все тяжелые элементы совершают этот переход, поскольку некоторые халькофильные тяжелые элементы связываются в силикатные и оксидные соединения низкой плотности, которые дифференцируются в противоположном направлении.
Главные композиционно дифференцированные зоны в твердой Земле - это очень плотное богатое железом металлическое ядро , менее плотная богатая магнием и силикатами мантия и относительно тонкая, легкая кора, состоящая в основном из силикатов алюминия , натрия , кальция и калия . Еще легче - водянистая жидкая гидросфера и газообразная, богатая азотом атмосфера .
Более легкие материалы, как правило, поднимаются через материал с более высокой плотностью. Легкий минерал, такой как плагиоклаз, поднимется. При этом они могут принимать куполообразные формы, называемые диапирами . На Земле соляные купола представляют собой соляные диапиры в коре, которые поднимаются через окружающую породу. Диапиры расплавленных силикатных пород низкой плотности, таких как гранит, широко распространены в верхней коре Земли. Гидратированный серпентинит низкой плотности, образованный путем изменения мантийного материала в зонах субдукции , также может подниматься на поверхность в виде диапиров. Другие материалы поступают так же: низкотемпературный, приповерхностный пример — грязевые вулканы .
Хотя объемные материалы различаются наружу или внутрь в зависимости от их плотности, химически связанные в них элементы фракционируются в зависимости от их химического сродства, «увлекаемые» более распространенными материалами, с которыми они связаны. Например, хотя редкий элемент уран очень плотный как чистый элемент, он химически более совместим как следовой элемент в легкой, богатой силикатами земной коре, чем в плотном металлическом ядре. [1]
Когда Солнце зажглось в солнечной туманности , водород , гелий и другие летучие вещества испарились в области вокруг него. Солнечный ветер и давление излучения вытеснили эти материалы с низкой плотностью от Солнца. Камни и элементы, из которых они состоят, были лишены своих ранних атмосфер, [2] но сами остались, чтобы аккумулироваться в протопланеты .
Протопланеты имели более высокую концентрацию радиоактивных элементов в начале своей истории, количество которых со временем уменьшилось из-за радиоактивного распада . Например, система гафний-вольфрам демонстрирует распад двух нестабильных изотопов и, возможно, формирует временную шкалу для аккреции. Нагрев из-за радиоактивности, ударов и гравитационного давления расплавлял части протопланет по мере того, как они росли, превращаясь в планеты . В расплавленных зонах более плотные материалы могли опускаться к центру, в то время как более легкие материалы поднимались на поверхность. Составы некоторых метеоритов ( ахондритов ) показывают, что дифференциация также имела место в некоторых астероидах (например, Веста ), которые являются родительскими телами для метеороидов. Короткоживущий радиоактивный изотоп 26 Al, вероятно, был основным источником тепла. [3]
Когда протопланеты аккрецируют больше материала, энергия удара вызывает локальный нагрев. В дополнение к этому временному нагреву, гравитационная сила в достаточно большом теле создает давления и температуры, достаточные для расплавления некоторых материалов. Это позволяет химическим реакциям и разнице плотностей смешивать и разделять материалы, [4] а мягким материалам распространяться по поверхности. Другим внешним источником тепла является приливный нагрев .
На Земле большой кусок расплавленного железа достаточно плотнее, чем материал континентальной коры, чтобы пробиться сквозь кору в мантию . [3]
Во внешней Солнечной системе может происходить аналогичный процесс, но с более легкими материалами: это могут быть углеводороды, такие как метан , вода в жидком виде или в виде льда, или замороженный диоксид углерода . [5]
Магма в Земле образуется в результате частичного плавления исходной породы, в конечном итоге в мантии . Расплав извлекает из своего источника большую часть «несовместимых элементов», которые нестабильны в основных минералах. Когда магма поднимается выше определенной глубины, растворенные минералы начинают кристаллизоваться при определенных давлениях и температурах. Образующиеся твердые частицы удаляют различные элементы из расплава, и расплав, таким образом, обедняется этими элементами. Таким образом, изучение следовых элементов в магматических породах дает нам информацию о том, какой источник расплавился на сколько, чтобы произвести магму, и какие минералы были потеряны из расплава.
Когда материал нагревается неравномерно, более легкий материал мигрирует в более горячие зоны, а более тяжелый материал мигрирует в более холодные области, что известно как термофорез , термомиграция или эффект Соре . Этот процесс может влиять на дифференциацию в магматических камерах . Более глубокое понимание этого процесса можно получить, обратившись к исследованию, проведенному на гавайских лавовых озерах. Бурение этих озер привело к обнаружению кристаллов, образовавшихся в пределах магматических фронтов. Магма, содержащая концентрации этих крупных кристаллов или вкрапленников, продемонстрировала дифференциацию посредством химического расплава кристаллов.
На Луне был обнаружен характерный базальтовый материал, который богат «несовместимыми элементами», такими как калий , редкоземельные элементы и фосфор , и часто обозначается аббревиатурой KREEP . [6] Он также богат ураном и торием . Эти элементы исключены из основных минералов лунной коры, которые кристаллизовались из ее первичного магматического океана , и базальт KREEP мог быть захвачен как химическая дифференциация между корой и мантией, с периодическими 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 много более легких материалов к поверхности, так что удар удалил непропорционально большое количество силикатного материала с Земли и оставил большую часть плотного металла позади. Плотность Луны существенно меньше, чем у Земли, из-за отсутствия у нее большого железного ядра. [3] На Земле физические и химические процессы дифференциации привели к плотности коры приблизительно 2700 кг/м 3 по сравнению с плотностью 3400 кг/м 3 составно-различной мантии чуть ниже, а средняя плотность планеты в целом составляет 5515 кг/м 3 .
Формирование ядра использует несколько механизмов для управления перемещением металлов во внутреннюю часть планетарного тела. [3] Примерами являются просачивание , образование дамб , диапиризм и прямая доставка ударов, которые являются механизмами, участвующими в этом процессе. [3] Разница в плотности металла и силиката вызывает просачивание или перемещение металла вниз. Образование дамб — это процесс, в котором новая горная порода образуется внутри трещины уже существующего скального тела. Например, если минералы холодные и хрупкие, транспортировка может происходить через трещины жидкости. [3] Для того чтобы металл успешно прошел через вязкость разрушения окружающего материала, должно быть соблюдено достаточное давление. Размер внедряющегося металла и вязкость окружающего материала определяют скорость процесса погружения. [3] Прямая доставка ударов происходит, когда ударник схожих размеров ударяет по целевому планетарному телу. [3] Во время удара происходит обмен уже существующими ядрами, содержащими металлический материал. [3]
Событие планетарной дифференциации, как говорят, скорее всего, произошло после процесса аккреции либо астероида, либо планетарного тела. Земные тела и железные метеориты состоят из сплавов Fe-Ni. [4] Ядро Земли в основном состоит из сплавов Fe-Ni. Результаты, основанные на исследованиях короткоживущих радионуклидов , предполагают, что процесс формирования ядра произошел на ранней стадии солнечной системы. [4] Сидерофильные элементы, такие как сера , никель и кобальт , могут растворяться в расплавленном железе; эти элементы способствуют дифференциации железных сплавов. [4]
Первые этапы аккреции закладывают основу для формирования ядра. Сначала земные планетные тела входят на орбиту соседней планеты. Затем происходит столкновение, и земное тело может либо вырасти, либо уменьшиться. Однако в большинстве случаев аккреция требует множественных столкновений объектов схожего размера, чтобы иметь существенную разницу в росте планеты. [3] Зоны питания и события «удар-бег» являются характеристиками, которые могут возникнуть после аккреции. [3]