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En ciencias planetarias , la diferenciación planetaria es el proceso por el cual los elementos químicos de un cuerpo planetario se acumulan en diferentes áreas de dicho cuerpo, debido a su comportamiento físico o químico (por ejemplo, densidad y afinidades químicas). El proceso de diferenciación planetaria está mediado por la fusión parcial con el calor de la desintegración de isótopos radiactivos y la acreción planetaria . La diferenciación planetaria ha ocurrido en planetas, planetas enanos , el asteroide 4 Vesta y satélites naturales (como la Luna ).
diferenciación física
Separación gravitacional
Los materiales de alta densidad tienden a hundirse a través de los materiales más ligeros. Esta tendencia se ve afectada por las resistencias estructurales relativas, pero dicha resistencia se reduce a temperaturas en las que ambos materiales son plásticos o fundidos. El hierro , el elemento más común que probablemente forme una fase metálica fundida muy densa, tiende a acumularse hacia el interior de los planetas. Con él, muchos elementos siderófilos (es decir, materiales que se alean fácilmente con el hierro) también se desplazan hacia abajo. Sin embargo, no todos los elementos pesados experimentan esta transición, ya que algunos elementos pesados calcófilos se unen para formar compuestos de silicato y óxido de baja densidad, que se diferencian en la dirección opuesta.
Las principales zonas composicionalmente diferenciadas de la Tierra sólida son el núcleo metálico, muy denso y rico en hierro; el manto , menos denso y rico en silicatos de magnesio; y la corteza , relativamente delgada y ligera, compuesta principalmente de silicatos de aluminio , sodio , calcio y potasio . Aún más ligeras son la hidrosfera líquida y la atmósfera gaseosa, rica en nitrógeno .
Los materiales más ligeros tienden a ascender a través de materiales con mayor densidad. Por lo tanto, un mineral ligero como la plagioclasa tiende a ascender. Al hacerlo, puede adoptar formas de domo llamadas diapiros . En la Tierra, los domos de sal son diapiros de sal en la corteza que ascienden a través de la roca circundante. Los diapiros de rocas de silicato fundidas de baja densidad, como el granito, son abundantes en la corteza superior de la Tierra. La serpentinita hidratada de baja densidad, formada por la alteración del material del manto en las zonas de subducción, también puede ascender a la superficie como diapiros. Otros materiales hacen lo mismo: un ejemplo de baja temperatura y cerca de la superficie lo proporcionan los volcanes de lodo .
diferenciación química
Aunque los materiales a granel se diferencian hacia afuera o hacia adentro según su densidad, los elementos que se encuentran químicamente ligados en ellos se fraccionan según sus afinidades químicas, siendo transportados por materiales más abundantes con los que están asociados. Por ejemplo, aunque el uranio, un elemento raro , es muy denso como elemento puro, es químicamente más compatible como oligoelemento en la corteza terrestre, ligera y rica en silicatos , que en el denso núcleo metálico. [ 1 ]
Calefacción
Cuando el Sol se encendió en la nebulosa solar , el hidrógeno , el helio y otros materiales volátiles se evaporaron en la región que lo rodeaba. El viento solar y la presión de la radiación expulsaron estos materiales de baja densidad lejos del Sol. Las rocas, y los elementos que las componen, fueron despojados de sus atmósferas primigenias, [ 2 ] pero ellos mismos permanecieron, para acumularse en protoplanetas .
Los protoplanetas presentaban concentraciones más elevadas de elementos radiactivos en sus inicios, cantidad que se ha reducido con el tiempo debido a la desintegración radiactiva . Por ejemplo, el sistema hafnio-tungsteno muestra la desintegración de dos isótopos inestables y posiblemente constituye una cronología de la acreción. El calentamiento debido a la radiactividad, los impactos y la presión gravitacional fundió partes de los protoplanetas a medida que crecían hasta convertirse en planetas . En las zonas fundidas, los materiales más densos podían hundirse hacia el centro, mientras que los más ligeros ascendían a la superficie. La composición de algunos meteoritos ( acondritas ) muestra que la diferenciación también tuvo lugar en algunos asteroides (por ejemplo, Vesta ) , que son cuerpos progenitores de meteoroides. El isótopo radiactivo de corta vida 26Al fue probablemente la principal fuente de calor. [ 3 ]
Cuando los protoplanetas acumulan más material, la energía del impacto provoca un calentamiento local. Además de este calentamiento temporal, la fuerza gravitatoria en un cuerpo suficientemente grande crea presiones y temperaturas suficientes para fundir parte de los materiales. Esto permite que las reacciones químicas y las diferencias de densidad mezclen y separen materiales, [ 4 ] y que los materiales blandos se extiendan sobre la superficie. Otra fuente de calor externa es el calentamiento por mareas .
En la Tierra , un gran trozo de hierro fundido es suficientemente más denso que el material de la corteza continental como para abrirse paso a través de la corteza hasta el manto . [ 3 ]
En el sistema solar exterior, puede tener lugar un proceso similar, pero con materiales más ligeros: pueden ser hidrocarburos como el metano , agua líquida o en forma de hielo, o dióxido de carbono congelado . [ 5 ]
Fusión fraccionada y cristalización
El magma terrestre se produce por la fusión parcial de una roca madre, ubicada en el manto . El magma extrae una gran parte de los elementos incompatibles de su fuente, los cuales no son estables en los minerales principales. Cuando el magma asciende por encima de cierta profundidad, los minerales disueltos comienzan a cristalizar a presiones y temperaturas específicas. Los sólidos resultantes eliminan diversos elementos del magma, empobreciéndolo así en dichos elementos. El estudio de los oligoelementos en las rocas ígneas nos proporciona información sobre la cantidad de roca madre que se fundió para producir el magma y qué minerales se perdieron durante la fusión.
difusión térmica
Cuando un material se calienta de forma desigual, el material más ligero migra hacia las zonas más calientes y el más pesado hacia las más frías, fenómeno conocido como termoforesis , termomigración o efecto Soret . Este proceso puede afectar la diferenciación en las cámaras magmáticas . Un estudio realizado en los lagos de lava de Hawái permite comprender mejor este proceso. La perforación de estos lagos condujo al descubrimiento de cristales formados en los frentes magmáticos. El magma que contenía concentraciones de estos grandes cristales o fenocristales demostró diferenciación mediante la fusión química de los cristales.
Lunar KREEP
En la Luna se ha encontrado un material basáltico distintivo con alto contenido de "elementos incompatibles" como potasio , elementos de tierras raras y fósforo , conocido comúnmente por la abreviatura KREEP . [ 6 ] También tiene un alto contenido de uranio y torio . Estos elementos están excluidos de los principales minerales de la corteza lunar, que cristalizó a partir de su océano de magma primigenio , y el basalto KREEP podría haber quedado atrapado como un diferenciador químico entre la corteza y el manto, con erupciones ocasionales a la superficie.
Diferenciación por colisión
La Luna de la Tierra probablemente se formó a partir de material arrojado a la órbita por el impacto de un cuerpo grande en la Tierra primitiva. [ 3 ] La diferenciación en la Tierra probablemente ya había separado muchos materiales más ligeros hacia la superficie, de modo que el impacto eliminó una cantidad desproporcionada de material de silicato de la Tierra y dejó atrás la mayor parte del metal denso. La densidad de la Luna es sustancialmente menor que la de la Tierra, debido a su falta de un gran núcleo de hierro. [ 3 ] En la Tierra , los procesos de diferenciación física y química llevaron a una densidad de la corteza de aproximadamente 2700 kg/m 3 en comparación con la densidad de 3400 kg/m 3 del manto de composición diferente justo debajo, y la densidad promedio del planeta en su conjunto es de 5515 kg/m 3 .
Mecanismos de formación del núcleo
La formación de núcleos utiliza varios mecanismos para controlar el movimiento de metales hacia el interior de un cuerpo planetario. [ 3 ] Ejemplos de mecanismos involucrados en este proceso incluyen la percolación , la formación de diques , el diapirismo y la entrega directa de impactos. [ 3 ] La diferencia de densidad entre el metal y el silicato causa la percolación o el movimiento de un metal hacia abajo. La formación de diques es un proceso en el que se forma una nueva formación rocosa dentro de una fractura de un cuerpo rocoso preexistente. Por ejemplo, si los minerales son fríos y quebradizos, el transporte puede ocurrir a través de grietas fluidas. [ 3 ] Se debe alcanzar una cantidad suficiente de presión para que un metal viaje con éxito a través de la tenacidad a la fractura del material circundante. El tamaño del metal intruso y la viscosidad del material circundante determinan la velocidad del proceso de hundimiento. [ 3 ] La entrega directa de impactos ocurre cuando un impactador de proporciones similares golpea el cuerpo planetario objetivo. [ 3 ] Durante el impacto, hay un intercambio de núcleos preexistentes que contienen material metálico. [ 3 ]
Se dice que el evento de diferenciación planetaria probablemente ocurrió después del proceso de acreción de un asteroide o un cuerpo planetario. Los cuerpos terrestres y los meteoritos de hierro están compuestos de aleaciones de Fe-Ni. [ 4 ] El núcleo de la Tierra está compuesto principalmente de aleaciones de Fe-Ni. Según los estudios de radionúclidos de vida corta , los resultados sugieren que el proceso de formación del núcleo ocurrió durante una etapa temprana del Sistema Solar . [ 4 ] Los elementos siderófilos como el níquel y el cobalto pueden disolverse en hierro fundido; estos elementos ayudan a la diferenciación de las aleaciones de hierro. [ 4 ]
Las primeras etapas de la acreción sientan las bases para la formación del núcleo. Primero, los cuerpos planetarios terrestres entran en la órbita de un planeta vecino. Luego, se produce una colisión y el cuerpo terrestre puede crecer o encogerse. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la acreción requiere múltiples colisiones de objetos de tamaño similar para que haya una diferencia importante en el crecimiento del planeta. [ 3 ] Las zonas de alimentación y los eventos de impacto y fuga son características que pueden resultar después de la acreción. [ 3 ]
Véase también
Referencias
- ↑ Hazen, Robert M.; Ewing, Rodney C.; Sverjensky, Dimitri A. (2009). "Evolución de los minerales de uranio y torio" . American Mineralogist . 94 (10): 1293– 1311. Bibcode : 2009AmMin..94.1293H . doi : 10.2138/am.2009.3208 . ISSN 1945-3027 . S2CID 4603681 .
- ↑ Ahrens, TJ (1993). "Erosión por impacto de atmósferas planetarias terrestres" . Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 21 (1): 525– 555. Bibcode : 1993AREPS..21..525A . doi : 10.1146/annurev.ea.21.050193.002521 . hdl : 2060/19920021677 . ISSN 0084-6597 .
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Nimmo, Francis; Kleine, Thorsten (2015), "Diferenciación temprana y formación del núcleo" , La Tierra primitiva: acreción y diferenciación , Serie de monografías geofísicas, Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc, pp. 83–102 , doi : 10.1002/9781118860359.ch5 , ISBN 9781118860359
- 1 2 3 4 Sohl, Frank; Breuer, Doris (2014), "Diferenciación planetaria" , en Amils, Ricardo; Gargaud, Muriel; Cernicharo Quintanilla, José; Cleaves, Henderson James (eds.), Enciclopedia de astrobiología , Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, pp. 1–5 , doi : 10.1007/978-3-642-27833-4_430-2 , ISBN 978-3-642-27833-4, consultado el 8 de noviembre de 2021
- ↑ Prialnik, Dina; Merk, Rainer (2008). "Crecimiento y evolución de pequeños cuerpos helados porosos con un código de evolución térmica de malla adaptativa: I. Aplicación a objetos del cinturón de Kuiper y Encélado" . Icarus . 197 (1): 211– 220. Bibcode : 2008Icar..197..211P . doi : 10.1016/j.icarus.2008.03.024 . ISSN 0019-1035 .
- ↑ Warren, Paul H.; Wasson, John T. (1979). "El origen de KREEP" . Reviews of Geophysics . 17 (1): 73– 88. Bibcode : 1979RvGSP..17...73W . doi : 10.1029/RG017i001p00073 . ISSN 1944-9208 .
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