Планетарна диференціація

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Шари Землі, диференційованого планетарного тіла

Планетарна диференціація — це процес, за допомогою якого хімічні елементи планетарного тіла накопичуються в різних частинах цього тіла завдяки їхній фізичній або хімічній поведінці (наприклад, щільності та хімічній спорідненості). Процес диференціації планет опосередковується частковим плавленням[en] теплом від розпаду радіоактивного ізотопу та акреції. Планетарна диференціація відбулася на планетах, карликових планетах, астероїді 4 Веста та природних супутниках (таких як Місяць).

Фізична диференціація[ред. | ред. код]

Гравітаційне розділення[ред. | ред. код]

Матеріали з високою щільностю мають тенденцію просідати через легші матеріали. На цю тенденцію впливає відносна структурна міцність, але така міцність знижується при температурах, коли обидва матеріали є пластичними або розплавленими. Залізо, найпоширеніший елемент, який, імовірно, утворює дуже щільну фазу розплавленого металу, має тенденцію збиратися всередину планети. З ним багато сидерофільних елементів (тобто матеріалів, які легко сплавляються із залізом) також рухаються вниз. Однак не всі важкі елементи здійснюють цей перехід, оскільки деякі халькофільні важкі елементи зв'язуються в силікати та оксиди низької щільності, які диференціюються у протилежному напрямку.

Основними структурно диференційованими зонами твердої Землі є дуже щільне металеве ядро, багате залізом, менш щільна мантія, багата силікатами магнію, і відносно тонка, легка кора, що складається переважно з силікатів алюмінію, натрію, кальцію та калію. Ще легшими є водяниста рідка гідросфера та газоподібна, багата азотом атмосфера.

Більш легкі матеріали мають тенденцію підніматися через матеріал з більшою щільністю. Легкий мінерал, такий як плагіоклаз, підніметься. При цьому вони можуть приймати куполоподібні форми, які називаються діапірами. На Землі соляні куполи — це соляні діапіри в земній корі, які піднімаються через навколишні породи. Діапіри розплавлених силікатних порід низької щільності, таких як граніт, поширені у верхній частині земної кори. Гідратований серпентиніт низької щільності, утворений зміною матеріалу мантії в зонах субдукції, також може підніматися на поверхню у вигляді діапірів. Інші матеріали роблять те ж саме: наприклад, низькотемпературні приповерхневі грязьові вулкани.

Хімічна диференціація[ред. | ред. код]

Хоча суцільні матеріали диференціюються назовні або всередину відповідно до їх щільності, елементи, які хімічно зв'язані в них, фракціонуються відповідно до їхньої хімічної спорідненості, бувши «перенесеними» більш поширеними матеріалами, з якими вони пов'язані. Наприклад, хоча рідкісний елемент уран дуже щільний як чистий елемент, він хімічно більш сумісний[en] як мікроелемент у легкій земній корі, багатій на силікати, ніж у щільному металевому ядрі.[1]

Нагрівання[ред. | ред. код]

Коли Сонце спалахнуло в сонячній туманності, водень, гелій та інші летючі речовини випаровувалися в області навколо нього. Сонячний вітер і радіаційний тиск змусили ці матеріали з низькою щільністю віддалятися від Сонця. Гірські породи та елементи, що їх утворюють, були позбавлені своєї ранньої атмосфери[2], але самі залишилися, щоб накопичуватися в протопланетах.

Протопланети мали вищі концентрації радіоактивних елементів на початку своєї історії, кількість яких з часом зменшилася через радіоактивний розпад. Наприклад, система гафній-вольфрам[en] демонструє розпад двох нестабільних ізотопів і, можливо, формує часову шкалу для акреції. Нагрівання від радіоактивності, ударів та гравітаційного тиску розплавили частини протопланет, коли вони росли до планет. У розплавлених зонах більш щільні матеріали могли опускатися до центру, тоді як легші матеріали піднімалися на поверхню. Композиції деяких метеоритів (ахондритів) показують, що диференціація також відбулася в деяких астероїдах (наприклад, Веста), які є батьківськими тілами для метеороїдів. Ймовірно, головним джерелом тепла був короткоживучий радіоактивний ізотоп 26Al.[3]

Коли протопланети накопичують більше матеріалу, енергія удару викликає локальне нагрівання. Окрім цього тимчасового нагрівання, гравітаційна сила у досить великому тілі створює тиск і температуру, достатню для розплавлення деяких матеріалів. Це дозволяє хімічним реакціям і різницям щільності змішувати та розділяти матеріали,[4] а м'яким матеріалам розповсюджуватись по поверхні. Ще одним зовнішнім джерелом тепла є припливне нагрівання.

На Землі великий шматок розплавленого заліза є достатньо щільнішим за матеріал континентальної кори, щоб пройти через кору до мантії.[3]

У зовнішній частині Сонячної системи може відбуватися подібний процес, але з більш легкими матеріалами: це можуть бути вуглеводні, такі як метан, вода у вигляді рідини чи льоду або замерзлий вуглекислий газ.[5]

Часткове плавлення і кристалізація[ред. | ред. код]

Магма на Землі утворюється шляхом часткового плавлення[en] вихідної породи, зрештою в мантії. Розплав витягує велику частину «несумісних елементів» зі свого джерела, які не є стабільними в основних мінералах. Коли магма піднімається вище певної глибини, розчинені мінерали починають кристалізуватися при певних тисках і температурах. Отримані тверді речовини видаляють різні елементи з розплаву, і розплав, таким чином, збіднюється цими елементами. Дослідження мікроелементів у магматичних породах, таким чином, дає нам інформацію про те, яке джерело на скільки розплавилося щоб утворилася магма, і які мінерали були втрачені з розплаву.

Термічна дифузія[ред. | ред. код]

Коли матеріал нагрівається нерівномірно, легший матеріал мігрує до більш гарячих зон, а важчий — до більш холодних областей, що відомо як термофорез, термоміграція або ефект Соре. Цей процес може впливати на диференціацію в магматичних камерах. Глибше розуміння цього процесу можна отримати з дослідження, проведеного на гавайських лавових озерах. Буріння цих озер призвело до виявлення кристалів, утворених у межах магматичних фронтів. Магма, що містить концентрації цих великих кристалів або фенокристів, продемонструвала диференціацію шляхом хімічного розплавлення кристалів.

Місячний KREEP[ред. | ред. код]

На Місяці було виявлено характерний базальтовий матеріал із високим вмістом «несумісних елементів», таких як калій, рідкоземельні елементи та фосфор, і його часто називають абревіатурою KREEP[en].[6] Він також має високий вміст урану та торію. Ці елементи виключені з основних мінералів місячної кори, які викристалізувалися з первісного магматичного океану[en], і базальт KREEP, можливо, був захоплений як хімічно диференційований матеріал між корою та мантією, та випадковими виверженнями винесений на поверхню.

Диференціація через зіткнення[ред. | ред. код]

Місяць, ймовірно, утворився з матеріалу, викинутого на орбіту внаслідок зіткнення великого тіла з ранньою Землею.[3] Диференціація на Землі, ймовірно, вже відокремила багато легших матеріалів до поверхні, тому удар усунув із Землі непропорційну кількість силікатного матеріалу та залишив більшість щільного металу. Щільність Місяця значно менша, ніж у Землі, через відсутність у нього великого залізного ядра.[3] На Землі фізичні та хімічні процеси диференціації призвели до щільності земної кори приблизно 2700 кг/м3 порівняно з 3400 кг/м3 щільності іншої за складом мантії трохи нижче, а середня щільність планети в цілому становить 5515 кг/м3.

Механізми формування ядра[ред. | ред. код]

При формуванні ядра виконуються кілька механізмів, які керують рухом металів у внутрішній частині планетарного тіла.[3] Перколяція, обвалування, діапіризм і пряме передавання ударів є механізмами, задіяними в цьому процесі.[3] Різниця в щільності металу та силікату викликає перколяцію або рух металу вниз. Обвалування — це процес, під час якого нова гірська формація утворюється всередині розлому попередньо існуючого тіла породи. Наприклад, якщо мінерали холодні та крихкі, транспортування може відбуватися через тріщини з рідиною.[3] Для того, щоб метал успішно проходив крізь в'язкість руйнування навколишнього матеріалу, має бути достатній тиск. Розмір металу, що проникає, і в'язкість навколишнього матеріалу визначає швидкість процесу опускання.[3] Безпосереднє передавання ударів відбувається, коли ударний елемент з подібними пропорціями вдаряється об цільове планетарне тіло.[3] Під час удару відбувається обмін раніше існуючих ядер, що містять металевий матеріал.[3]

Кажуть, що подія диференціації планет, швидше за все, відбулася після процесу акреції астероїда або планетарного тіла. Земні тіла і залізні метеорити складаються зі сплавів Fe-Ni.[4] Ядро Землі в основному складається з Fe-Ni сплавів. Результати досліджень короткоживучих радіонуклідів свідчать про те, що процес утворення ядра відбувався на ранній стадії Сонячної системи.[4] Сідерофільні елементи, такі як сірка, нікель і кобальт, можуть розчинятися в розплавленому залізі; ці елементи допомагають диференціювати сплави заліза.[4]

Перші етапи акреції створили основу для формування ядра. Спочатку планетарні тіла земної групи виходять на орбіту сусідньої планети. Далі відбулося б зіткнення, і земне тіло могло б рости або зменшуватися. Однак у більшості випадків аккреція потребує кількох зіткнень об'єктів подібного розміру, щоб мати істотну різницю у зростанні планети.[3]

Див. також[ред. | ред. код]

Примітки[ред. | ред. код]

  1. Hazen, Robert M.; Ewing, Rodney C.; Sverjensky, Dimitri A. (2009). Evolution of uranium and thorium minerals. American Mineralogist (англ.). 94 (10): 1293–1311. Bibcode:2009AmMin..94.1293H. ISSN 1945-3027. doi:10.2138/am.2009.3208. 
  2. Ahrens, T J (1993). Impact Erosion of Terrestrial Planetary Atmospheres. Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 21 (1): 525–555. Bibcode:1993AREPS..21..525A. ISSN 0084-6597. doi:10.1146/annurev.ea.21.050193.002521. 
  3. а б в г д е ж и к л м Nimmo, Francis; Kleine, Thorsten (2015), Early Differentiation and Core Formation, The Early Earth: Accretion and Differentiation, Geophysical Monograph Series (Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc): 83–102, ISBN 9781118860359, doi:10.1002/9781118860359.ch5 
  4. а б в г Sohl, Frank; Breuer, Doris (2014), Differentiation, Planetary, у Amils, Ricardo; Gargaud, Muriel; Cernicharo Quintanilla, José; Cleaves, Henderson James (ред.), Encyclopedia of Astrobiology (англ.) (Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg): 1–5, ISBN 978-3-642-27833-4, doi:10.1007/978-3-642-27833-4_430-2, процитовано 8 листопада 2021 
  5. Prialnik, Dina; Merk, Rainer (2008). Growth and evolution of small porous icy bodies with an adaptive-grid thermal evolution code: I. Application to Kuiper belt objects and Enceladus. Icarus (англ.). 197 (1): 211–220. Bibcode:2008Icar..197..211P. ISSN 0019-1035. doi:10.1016/j.icarus.2008.03.024. 
  6. Warren, Paul H.; Wasson, John T. (1979). The origin of KREEP. Reviews of Geophysics (англ.). 17 (1): 73–88. Bibcode:1979RvGSP..17...73W. ISSN 1944-9208. doi:10.1029/RG017i001p00073.