Войти
Слои Земли, дифференцированного планетарного тела В планетологии, планетарная дифференциация - это процесс разделения различных составных частей планетарного тела в результате их физического или химического поведения, при котором тело развивается на отдельные по составу слои; более плотные материалы планеты опускаются к центру, тогда как менее плотные материалы поднимаются на поверхность, как правило, в магматическом океане. Такой процесс имеет тенденцию создавать ядро и мантию. Иногда поверх мантии образуется химически отличная кора. Процесс планетарной дифференциации происходил на планетах, карликовых планетах, астероиде 4 Веста и естественных спутниках (таких как Луна ).
Когда Солнце загорелся в солнечной туманности, водород, гелий и другие летучие вещества испарились в области вокруг него. солнечный ветер и радиационное давление оттолкнули эти материалы с низкой плотностью от Солнца. Камни и элементы, составляющие их, были лишены своих ранних атмосфер, но сами остались, чтобы накапливаться в протопланетах.
Протопланеты имели более высокие концентрации радиоактивных элементов в начале своей истории, количество который со временем уменьшился из-за радиоактивного распада. Нагрев из-за радиоактивности, ударов и гравитационного давления расплавил части протопланет по мере их превращения в планеты. В зонах плавления более плотные материалы могли опускаться к центру, тогда как более легкие материалы поднимались на поверхность. Состав некоторых метеоритов (ахондритов ) показывает, что дифференциация также имела место в некоторых астероидах (например, Веста ), которые являются родительскими телами. для метеороидов. Короткоживущий радиоактивный изотоп Al, вероятно, был основным источником тепла.
Когда протопланеты срастают 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 плотности смешивать и разделять материалы, а мягкие материалы распределяются по поверхности.
На Земле большой кусок расплавленного железа достаточно плотнее, чем материал континентальной коры, чтобы пробиться вниз через кору к мантия. Во внешней Солнечной системе может происходить аналогичный процесс, но с более легкими материалами: это могут быть углеводороды, такие как метан, вода в виде жидкости или льда, или замороженные. диоксид углерода.
Несмотря на то, что объемные материалы различаются по плотности снаружи и внутри, химически связанные в них элементы разделяются в соответствии с их химическим сродством ", увлекаются "более многочисленными материалами, с которыми они связаны. Например, хотя редкий элемент уран очень плотен как чистый элемент, он химически более совместим в качестве микроэлемента в световой силикатной -богатой коре, чем в плотной металлический сердечник.
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 являются пластичными или расплавленными. Железо, наиболее распространенный элемент, который может образовывать очень плотную фазу расплавленного металла, имеет тенденцию собираться к внутренним планетам. С его помощью многие сидерофильные элементы (т.е. материалы, которые легко сплавить 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 в твердой Земле являются очень плотное металлическое ядро , богатое железом, и менее плотная магниево-силикатная -богатая мантия и относительно тонкая светлая корка, состоящая в основном из силикатов алюминия, натрия, кальция и калия. Еще более легкими являются водянистая жидкость гидросфера и газообразная, богатая азотом атмосфера.
Более легкие материалы имеют тенденцию подниматься сквозь материал с более высокой плотностью. При этом они могут принимать куполообразную форму, называемую диапирами. На Земле соляные купола - это соляные диапиры в коре, которые поднимаются сквозь окружающие породы. Диапиры расплавленных силикатных пород низкой плотности, таких как гранит, широко распространены в верхней коре Земли. Гидратированный серпентинит с низкой плотностью, образованный в результате изменения материала мантии в зонах субдукции, также может подниматься на поверхность в виде диапиров. Аналогичным образом поступают и другие материалы: пример низкотемпературных приповерхностных слоев - грязевые вулканы.
На Луне был обнаружен характерный базальтовый материал. с высоким содержанием «несовместимых элементов», таких как калий, редкоземельные элементы и фосфор, и часто обозначается аббревиатурой KREEP. В нем также много урана и тория. Эти элементы исключены из основных минералов лунной коры, кристаллизовавшихся из ее первобытного магматического океана, а базальт KREEP, возможно, был захвачен как химическое различие между корой и мантией, со случайными извержениями, поверхность.
Магма на Земле производится частичным плавлением материнской породы, в конечном итоге в мантии. Расплав извлекает из своего источника большую часть «несовместимых элементов», которые нестабильны в основных минералах. Когда магма поднимается на определенную глубину, растворенные минералы начинают кристаллизоваться при определенных давлениях и температурах. Полученные твердые частицы 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, сколько образовалась магма, и какие минералы были потеряны из расплава.
Когда материал нагревается неравномерно, более легкий материал перемещается в более горячие зоны, а более тяжелый - в более холодные области, что известно как термофорез, термомиграция или Эффект Соре. Этот процесс может повлиять на дифференциацию в магматических очагах.
Земля Луна, вероятно, сформированная из материала, выброшенного на орбиту в результате удара большого тела в ранняя Земля. Дифференциация на Земле, вероятно, уже отделила многие более легкие материалы к поверхности, так что удар удалил непропорционально большое количество силикатного материала с Земли и оставил большую часть плотного металла. Плотность Луны существенно меньше плотности Земли из-за отсутствия большого железного ядра.
На Земле физическая и химическая дифференциация Эти процессы привели к плотности земной коры примерно 2700 кг / м3 по сравнению с плотностью 3400 кг / м3 мантии с другим составом чуть ниже, а средняя плотность планеты в целом составляет 5515 кг / м3.
