Введение

Астрогеологическая концепция

В планетарной науке планетарная дифференциация — это процесс, в ходе которого химические элементы планетарного тела концентрируются в различных его частях в зависимости от их физических или химических свойств (например, плотности и химического сродства). Этот процесс обусловлен частичным плавлением, вызванным теплом от радиоактивного распада изотопов и планетарной аккреции. Планетарная дифференциация происходила на планетах, карликовых планетах, астероиде 4 Веста и естественных спутниках (например, Луне).

Гравитационное разделение

Материалы с высокой плотностью стремятся опускаться сквозь более легкие материалы. На эту тенденцию влияют относительные структурные прочности, но эти прочности снижаются при температурах, когда оба материала становятся пластичными или расплавленными. Железо, наиболее распространенный элемент, способный образовывать очень плотную расплавленную металлическую фазу, имеет тенденцию концентрироваться в недрах планет. Вместе с ним вниз перемещаются многие сидерофильные элементы (то есть материалы, легко сплавляющиеся с железом). Однако не все тяжелые элементы совершают такой переход, поскольку некоторые тяжелые халькофильные элементы образуют соединения в виде силикатов и оксидов низкой плотности, которые дифференцируются в противоположном направлении. Основными зонами, дифференцированными по составу, в твердой Земле являются очень плотное металлическое ядро, обогащенное железом, менее плотная мантия, обогащенная силикатами магния, и относительно тонкая, легкая кора, состоящая преимущественно из силикатов алюминия, натрия, кальция и калия. Еще более легкими являются водянистая жидкая гидросфера и газообразная атмосфера, богатая азотом. Более легкие материалы стремятся подниматься сквозь материалы с большей плотностью. Легкий минерал, такой как плагиоклаз, будет подниматься. При этом они могут приобретать куполообразные формы, называемые диапирами. На Земле соляные купола – это соляные диапиры в коре, поднимающиеся сквозь окружающие породы. Диапиры из расплавленных силикатных пород низкой плотности, таких как гранит, широко распространены в верхней части земной коры. Гидратированный серпентинит низкой плотности, образующийся в результате изменения материала мантии в зонах субдукции, также может подниматься к поверхности в виде диапиров. Другие материалы поступают аналогичным образом: пример низких температур, близких к поверхности, дают грязевые вулканы.

Химическая дифференциация

Хотя объемные материалы разделяются на фракции по плотности, элементы, химически связанные в них, распределяются по фракциям в соответствии со своими химическими сродствами, "переносимые" более распространенными материалами, с которыми они ассоциированы. Например, хотя редкий элемент уран очень плотен в чистом виде, он химически более совместим в качестве микроэлемента в легкой, богатой силикатами земной коре, чем в плотном металлическом ядре.

Нагрев

Когда Солнце зажглось в солнечной туманности, водород, гелий и другие летучие вещества испарились в окружающем пространстве. Солнечный ветер и давление излучения оттолкнули эти материалы низкой плотности от Солнца. Скалы и составляющие их элементы лишились своих первичных атмосфер, но сами остались, чтобы аккрецировать в протопланеты. Протопланеты в начале своей истории содержали 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, определяет временную шкалу аккреции. Нагрев, вызванный радиоактивностью, ударами и гравитационным давлением, расплавлял части протопланет по мере их роста в планеты. В расплавленных зонах более плотные материалы опускались к центру, а более легкие поднимались к поверхности. Состав некоторых метеоритов (ахондритов) указывает на то, что дифференциация происходила также в некоторых астероидах (например, Веста), являющихся родительскими телами для метеороидов. Короткоживущий радиоактивный изотоп 26Al, вероятно, был основным источником тепла, позволявшим мягким материалам распространяться по поверхности. Другим внешним источником тепла является приливный нагрев. На Земле большой объем расплавленного железа достаточно плотен, чтобы продавливаться сквозь кору в мантию.

Фракционное плавление и кристаллизация

Магма в Земле образуется в результате частичного плавления исходной породы, в конечном итоге в мантии. При этом расплав извлекает значительную часть "несовместимых элементов" из своей исходной породы, которые нестабильны в основных минералах. Когда магма поднимается на определенную глубину, растворенные минералы начинают кристаллизоваться при определенных давлениях и температурах. Образующиеся твердые вещества удаляют различные элементы из расплава, тем самым истощая его относительно этих элементов. Изучение микроэлементов в изверженных породах позволяет получить информацию о том, какая исходная порода плавилась и в какой степени, чтобы образовать магму, а также о том, какие минералы были удалены из расплава.

Термическая диффузия

Когда материал нагревается неравномерно, более легкий материал перемещается к более горячим зонам, а более тяжелый – к более холодным, что известно как термофорез, термомиграция или эффект Соре. Этот процесс может влиять на дифференциацию в магматических очагах. Более глубокое понимание этого процесса восходит к исследованию гавайских лавовых озер. Бурение этих озер позволило обнаружить кристаллы, образовавшиеся на границах магматических фронтов. Магма, содержащая концентрации этих крупных кристаллов, или фенокристаллов, продемонстрировала дифференциацию посредством химического плавления кристаллов.

Лунный КРЕП

На Луне обнаружен характерный базальтовый материал с высоким содержанием "несовместимых элементов", таких как калий, редкоземельные элементы и фосфор, который часто обозначают аббревиатурой KREEP. Он также богат ураном и торием. Эти элементы не включались в состав основных минералов лунной коры, образовавшихся при кристаллизации из первобытного океана магмы, и базальт KREEP мог остаться в качестве химического дифференциата между корой и мантией, периодически извергаясь на поверхность.

Дифференциация путем столкновения

Земная Луна, вероятно, образовалась из вещества, выброшенного на орбиту в результате столкновения крупного тела с ранней Землей. Дифференциация Земли, вероятно, уже отделила многие более легкие материалы к поверхности, поэтому столкновение удалило непропорционально большое количество силикатного материала с Земли, оставив основную массу плотных металлов. Плотность Луны существенно ниже, чем у Земли, из-за отсутствия крупного железного ядра. На Земле физические и химические процессы дифференциации привели к плотности коры около 2700 кг/м³ по сравнению с плотностью мантии, расположенной ниже и имеющей другой состав, – 3400 кг/м³, а средняя плотность планеты в целом составляет 5515 кг/м³.

Механизмы образования ядра

Формирование ядра использует несколько механизмов для контроля движения металлов во внутреннюю часть планетарного тела. Примеры включают просачивание, внедрение (дикинг), диапиризм, и прямое поступление вещества при ударах – все это механизмы, участвующие в этом процессе. Разница в плотности между металлом и силикатами вызывает просачивание, то есть движение металла вниз. Внедрение (дикинг) – это процесс, при котором новое горное образование формируется внутри трещины в существующей горной породе. Например, если минералы холодные и хрупкие, перенос может происходить через трещины, заполненные флюидами. Для успешного прохождения металла через сопротивление окружающего материала необходимо создать достаточное давление. Размер внедряющегося металла и вязкость окружающего материала определяют скорость процесса погружения. Прямое поступление вещества при ударах происходит, когда в планетарное тело попадает объект сопоставимых размеров. Во время удара происходит обмен уже существующими ядрами, содержащими металлический материал. Считается, что событие планетарной дифференциации, вероятнее 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. Исследования короткоживущих радионуклидов указывают на то, что процесс формирования ядра происходил на ранней стадии развития Солнечной системы. Сидерофильные элементы, такие как сера, никель и кобальт, могут растворяться в расплавленном железе, способствуя дифференциации железных сплавов. Первые стадии аккреции закладывают основу для формирования ядра. Сначала планетарные тела земного типа входят на орбиту соседней планеты. Затем происходит столкновение, в результате которого земное тело может либо увеличиваться в размерах, либо уменьшаться. Однако в большинстве случаев аккреция требует множественных столкновений объектов примерно одинакового размера, чтобы существенно повлиять на рост планеты. Зоны питания и столкновения с отрывом – характерные явления, возникающие после аккреции.