Планетарная дифференциация -Planetary differentiation

Слои Земли , дифференцированное планетарное тело
На этой картинке показано различие между элементами внутри метеорита.

В планетарной науке планетарная дифференциация — это процесс, посредством которого химические элементы планетарного тела накапливаются в различных областях этого тела благодаря их физическому или химическому поведению (например, плотности и химическому сродству). Процесс планетарной дифференциации опосредуется 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 ).

Физическая дифференциация

Гравитационное разделение

Материалы с высокой плотностью имеют тенденцию проседать сквозь более легкие материалы. На эту тенденцию влияет относительная структурная прочность, но такая прочность снижается при температурах, когда оба материала являются пластичными или расплавленными. Железо , наиболее распространенный элемент, который, вероятно, образует очень плотную расплавленную металлическую фазу, имеет тенденцию собираться в недрах планет. При этом многие сидерофильные элементы (т.е. материалы, легко сплавляющиеся 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.

Основными дифференцированными по составу зонами твердой Земли являются очень плотное металлическое ядро , богатое железом, менее плотная мантия , богатая силикатами магния, 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 имеют тенденцию подниматься сквозь 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 земной коре, которые возвышаются над окружающими породами. Диапиры расплавленных силикатных пород низкой плотности, таких как гранит , широко распространены в верхней части земной коры. Гидратированный серпентинит низкой плотности , образованный изменением материала мантии в зонах субдукции, также может подниматься на поверхность в виде диапиров. Аналогично поступают и другие материалы: низкотемпературный приповерхностный пример дают грязевые вулканы .

Химическая дифференциация

Хотя объемные материалы дифференцируются наружу или внутрь в зависимости от их плотности, химически связанные в них элементы фракционируются в соответствии с их химическим сродством, «увлекаясь» более распространенными материалами, с которыми они связаны. Например, хотя редкий элемент уран очень плотный в чистом виде, он химически более совместим как микроэлемент в легкой, богатой силикатами коре Земли, чем в плотном металлическом ядре.

Обогрев

Когда Солнце воспламенялось в солнечной туманности , водород , гелий и другие летучие вещества испарялись в окружающей его области. Солнечный ветер и радиационное давление оттеснили эти материалы с низкой плотностью от Солнца. Горные породы и составляющие их элементы были лишены своей ранней атмосферы, но сами остались, чтобы собраться в протопланеты .

Протопланеты имели более высокие концентрации 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 аккреции. Нагрев из-за радиоактивности, ударов и гравитационного давления расплавлял части протопланет, когда они становились планетами . В расплавленных зонах более плотные материалы могли опускаться к центру, а более легкие подниматься на поверхность. Составы некоторых метеоритов ( ахондритов ) показывают, что дифференциация имела место и у некоторых астероидов (например , Веста ), являющихся родительскими телами метеороидов. Вероятно, основным источником тепла был короткоживущий радиоактивный изотоп 26 Al .

Когда протопланеты аккрецируют больше материала, энергия удара вызывает локальный нагрев. В дополнение к этому временному нагреву гравитационная сила 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, а мягкие материалы распределяться 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 в мантию .

Во внешней Солнечной системе может происходить аналогичный процесс, но с более легкими материалами: это могут быть углеводороды , такие как метан , вода в жидком состоянии или лед, или замороженный углекислый газ .

Фракционное плавление и кристаллизация

Магма в Земле образуется путем частичного плавления материнской породы, в конечном счете, в мантии . Расплав извлекает из своего источника большую часть «несовместимых элементов», нестабильных в основных минералах. Когда магма поднимается выше определенной глубины, растворенные минералы начинают кристаллизоваться при определенных давлениях и температурах. Образовавшиеся 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.

Термическая диффузия

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 влиять на дифференциацию магматических очагов . Более глубокое понимание этого процесса можно извлечь из исследования, проведенного на гавайских лавовых озерах. Бурение этих озер привело к открытию кристаллов, образовавшихся внутри магматических фронтов. Магма, содержащая скопления этих крупных кристаллов или вкрапленников , продемонстрировала дифференциацию через химический расплав кристаллов.

КРИП Луны

На Луне был обнаружен характерный базальтовый материал с высоким содержанием «несовместимых элементов», таких как калий , редкоземельные элементы и фосфор , который часто называют аббревиатурой KREEP . В нем также много урана и тория . Эти элементы исключены из основных минералов лунной коры, которые кристаллизовались из ее первобытного магматического океана , и базальт KREEP, возможно, был захвачен как химическое различие между корой и мантией со случайными извержениями на поверхность.

Дифференциация через столкновение

Земная Луна , вероятно, образовалась из материала, выброшенного на орбиту в результате удара большого тела о раннюю Землю. Дифференциация на Земле, вероятно, уже отделила многие более легкие материалы к поверхности, так что удар удалил непропорциональное количество силикатного материала с Земли и оставил большую часть плотного металла позади. Плотность Луны значительно меньше, чем у Земли, из-за отсутствия большого железного ядра. На Земле процессы физико-химической дифференциации привели к плотности земной коры примерно 2700 кг/м 3 по сравнению с плотностью 3400 кг/м 3 иной по составу мантии чуть ниже, а средняя плотность планеты в целом составляет 5515 кг. /м 3 .

Механизмы формирования ядра

При формировании ядра используется несколько механизмов для управления движением металлов внутрь планетарного тела. Примеры включают перколяцию , обваловку , диапиризм и прямое воздействие — механизмы, участвующие в этом процессе. Разница в плотности металла и силиката вызывает просачивание или движение металла вниз. Обваловка – это процесс, при котором новая горная порода образуется в трещине ранее существовавшего скального тела. Например, если минералы холодные и хрупкие, перенос может происходить через флюидные трещины. Чтобы металл успешно прошел сквозь вязкость разрушения окружающего материала, необходимо приложить достаточное давление. Размер внедряющегося металла и вязкость окружающего материала определяют скорость процесса погружения. Прямая доставка ударов происходит, когда ударник аналогичных размеров поражает планетарное тело-мишень. Во время удара происходит обмен уже существующими ядрами, содержащими металлический материал.

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. Ядро Земли в основном состоит из сплавов Fe-Ni. Результаты исследований короткоживущих радионуклидов позволяют предположить, что процесс формирования ядра происходил на ранней стадии Солнечной системы. Сидерофильные элементы, такие как сера , никель и кобальт , могут растворяться в расплавленном железе; эти элементы помогают дифференцировать сплавы железа.

Первые этапы аккреции заложили основу для формирования ядра. Сначала земные планетные тела выходят на орбиту соседней планеты. Далее произойдет столкновение, и земное тело может либо увеличиться, либо уменьшиться. Однако в большинстве случаев аккреция требует многократных столкновений объектов одинакового размера, чтобы иметь большую разницу в росте планеты. Зоны питания и события «ударил и убежал» - это характеристики, которые могут возникнуть после аккреции.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хазен, Роберт М .; Юинг, Родни С.; Сверженский, Дмитрий А. (2009). «Эволюция минералов урана и тория» . Американский минералог . 94 (10): 1293–1311. Бибкод : 2009AmMin..94.1293H . doi : 10.2138/am.2009.3208 . ISSN  1945-3027 . S2CID  4603681 .
  2. ^ Аренс, Т.Дж. (1993). «Ударная эрозия земных планетарных атмосфер» . Ежегодный обзор наук о Земле и планетах . 21 (1): 525–555. Бибкод : 1993AREPS..21..525A . doi : 10.1146/annurev.ea.21.050193.002521 . hdl : 2060/19920021677 . ISSN  0084-6597 .
  3. ^ a b c d e f g h i j k l Ниммо, Фрэнсис; Кляйне, Торстен (2015), «Ранняя дифференциация и формирование ядра» , Ранняя Земля: аккреция и дифференциация , серия геофизических монографий, Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 83–102, doi : 10.1002/9781118860359. ч.5 , ISBN 9781118860359
  4. ^ a b c d Золь, Франк; Брейер, Дорис (2014), «Дифференциация, планетарная» , у Амилса, Рикардо; Гарго, Мюриэль; Черничаро Кинтанилья, Хосе; Кливз, Хендерсон Джеймс (ред.), Энциклопедия астробиологии , Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 1–5, doi : 10.1007/978-3-642-27833-4_430-2 , ISBN 978-3-642-27833-4, получено 8 ноября 2021 г.
  5. ^ Приальник, Дина; Мерк, Райнер (2008). «Рост и эволюция небольших пористых ледяных тел с кодом тепловой эволюции с адаптивной сеткой: I. Приложение к объектам пояса Койпера и Энцеладу» . Икар . 197 (1): 211–220. Бибкод : 2008Icar..197..211P . doi : 10.1016/j.icarus.2008.03.024 . ISSN  0019-1035 .
  6. ^ Уоррен, Пол Х .; Уоссон, Джон Т. (1979). «Происхождение KREEP» . Обзоры геофизики . 17 (1): 73–88. Бибкод : 1979RvGSP..17...73W . DOI : 10.1029/ RG017i001p00073 . ISSN 1944-9208 .