Diferenciação planetária -Planetary differentiation

As camadas da Terra , um corpo planetário diferenciado
Esta imagem mostra a diferenciação entre os elementos dentro de um meteorito.

Na ciência planetária , a diferenciação planetária é o processo pelo qual os elementos químicos de um corpo planetário se acumulam em diferentes áreas desse corpo, devido ao seu comportamento físico ou químico (por exemplo, densidade e afinidades químicas). O processo de diferenciação planetária é mediado pela fusão parcial com o calor do decaimento de isótopos radioativos e acreção planetária . A diferenciação planetária ocorreu em planetas, planetas anões , o asteroide 4 Vesta e satélites naturais (como a Lua ).

Diferenciação física

Separação gravitacional

Materiais de alta densidade tendem a afundar através de materiais mais leves. Essa tendência é afetada pelas resistências estruturais relativas, mas essa resistência é reduzida em temperaturas em que ambos os materiais são plásticos ou fundidos. O ferro , o elemento mais comum que provavelmente forma uma fase de metal fundido muito densa, tende a se concentrar no interior dos planetas. Com ele, muitos elementos siderófilos (ou seja, materiais que se ligam facilmente ao ferro) também viajam para baixo. No entanto, nem todos os elementos pesados ​​fazem essa transição, pois alguns elementos pesados ​​calcofílicos se ligam a compostos de silicato e óxido de baixa densidade, que se diferenciam na direção oposta.

As principais zonas composicionais diferenciadas na Terra sólida são o núcleo metálico muito denso rico em ferro, o manto menos denso rico em silicatos de magnésio e a crosta relativamente fina e leve composta principalmente por silicatos de alumínio , sódio , cálcio e potássio . Ainda mais leves são a hidrosfera líquida aquosa e a atmosfera gasosa rica em nitrogênio .

Materiais mais leves tendem a subir através de materiais com densidade mais alta. Um mineral leve como o plagioclásio subiria. Eles podem assumir formas em forma de cúpula chamadas diapiros ao fazê-lo. Na Terra, cúpulas de sal são diapiros de sal na crosta que se elevam através da rocha circundante. Diapiros de rochas de silicato de baixa densidade derretidas, como o granito , são abundantes na crosta superior da Terra. O serpentinito hidratado e de baixa densidade formado pela alteração do material do manto nas zonas de subducção também pode subir à superfície como diapiros. Outros materiais fazem o mesmo: um exemplo de baixa temperatura próximo à superfície é fornecido por vulcões de lama .

Diferenciação química

Embora os materiais a granel se diferenciem para fora ou para dentro de acordo com sua densidade, os elementos que estão quimicamente ligados a eles fracionam de acordo com suas afinidades químicas, "carregados" por materiais mais abundantes aos quais estão associados. Por exemplo, embora o elemento raro urânio seja muito denso como elemento puro, ele é quimicamente mais compatível como um oligoelemento na crosta leve e rica em silicatos da Terra do que no denso núcleo metálico.

Aquecimento

Quando o Sol se inflamou na nebulosa solar , hidrogênio , hélio e outros materiais voláteis evaporaram na região ao seu redor. O vento solar e a pressão da radiação forçaram esses materiais de baixa densidade para longe do Sol. As rochas e os elementos que as compõem foram despojados de suas atmosferas iniciais, mas permaneceram elas mesmas, para se acumularem em protoplanetas .

Os protoplanetas tinham concentrações mais altas de elementos radioativos no início de sua história, cuja quantidade foi reduzida ao longo do tempo devido ao decaimento radioativo . Por exemplo, o sistema háfnio-tungstênio demonstra o decaimento de dois isótopos instáveis ​​e possivelmente forma uma linha do tempo para acreção. O aquecimento devido à radioatividade, impactos e pressão gravitacional derreteu partes dos protoplanetas à medida que cresciam para se tornarem planetas . Nas zonas fundidas, era possível que materiais mais densos afundassem em direção ao centro, enquanto materiais mais leves subiam à superfície. As composições de alguns meteoritos ( acondritos ) mostram que a diferenciação também ocorreu em alguns asteróides (por exemplo , Vesta ), que são corpos parentais de meteoróides. O isótopo radioativo de vida curta 26 Al foi provavelmente a principal fonte de calor.

Quando os protoplanetas acumulam mais material, a energia do impacto causa aquecimento local. Além desse aquecimento temporário, a força gravitacional em um corpo suficientemente grande cria pressões e temperaturas suficientes para derreter alguns dos materiais. Isso permite que reações químicas e diferenças de densidade misturem e separem materiais, e materiais macios se espalhem sobre a superfície. Outra fonte externa de calor é o aquecimento das marés .

Na Terra , um grande pedaço de ferro fundido é suficientemente mais denso do que o material da crosta continental para forçar seu caminho através da crosta até o manto .

No Sistema Solar externo, um processo semelhante pode ocorrer, mas com materiais mais leves: podem ser hidrocarbonetos como o metano , água como líquido ou gelo ou dióxido de carbono congelado .

Fusão fracionada e cristalização

O magma na Terra é produzido pela fusão parcial de uma rocha geradora, em última análise, no manto . O fundido extrai de sua fonte grande parte dos "elementos incompatíveis" que não são estáveis ​​nos principais minerais. Quando o magma sobe acima de uma certa profundidade, os minerais dissolvidos começam a cristalizar em pressões e temperaturas específicas. Os sólidos resultantes removem vários elementos da massa fundida, e a massa fundida é, portanto, esgotada desses elementos. O estudo de oligoelementos em rochas ígneas nos dá informações sobre qual fonte derreteu, quanto produziu um magma e quais minerais foram perdidos com o derretimento.

Difusão térmica

Quando o material é aquecido de forma desigual, o material mais leve migra para zonas mais quentes e o material mais pesado migra para áreas mais frias, o que é conhecido como termoforese , termomigração ou efeito Soret . Este processo pode afetar a diferenciação em câmaras de magma . Uma compreensão mais profunda desse processo pode ser extraída de um estudo feito nos lagos de lava havaianos. A perfuração desses lagos levou à descoberta de cristais formados em frentes de magma. As concentrações contendo magma desses grandes cristais ou fenocristais demonstraram diferenciação através da fusão química dos cristais.

KREEP da lua

Na Lua, foi encontrado um material basáltico distinto que é rico em "elementos incompatíveis", como potássio , elementos de terras raras e fósforo e é frequentemente referido pela abreviatura KREEP . Também é rico em urânio e tório . Esses elementos são excluídos dos principais minerais da crosta lunar que cristalizaram de seu oceano de magma primitivo , e o basalto KREEP pode ter sido capturado como um diferencial químico entre a crosta e o manto, com erupções ocasionais na superfície.

Diferenciação por colisão

A Lua da Terra provavelmente se formou a partir de material lançado em órbita pelo impacto de um grande corpo na Terra primitiva. A diferenciação na Terra provavelmente já havia separado muitos materiais mais leves em direção à superfície, de modo que o impacto removeu uma quantidade desproporcional de material de silicato da Terra e deixou a maior parte do metal denso para trás. A densidade da Lua é substancialmente menor que a da Terra, devido à falta de um grande núcleo de ferro. Na Terra , os processos de diferenciação física e química levaram a uma densidade crustal de aproximadamente 2.700 kg/m 3 em comparação com a densidade de 3.400 kg/m 3 do manto de composição diferente logo abaixo, e a densidade média do planeta como um todo é de 5.515 kg /m 3 .

Mecanismos de formação do núcleo

A formação do núcleo utiliza vários mecanismos para controlar o movimento dos metais no interior de um corpo planetário. Exemplos incluem percolação , represamento, diapirismo e a entrega direta de impactos são mecanismos envolvidos neste processo. A diferença de densidade de metal para silicato causa percolação ou o movimento de um metal para baixo. Diking é um processo no qual uma nova formação rochosa se forma dentro de uma fratura de um corpo rochoso pré-existente. Por exemplo, se os minerais forem frios e quebradiços, o transporte pode ocorrer através de fissuras fluidas. Uma quantidade suficiente de pressão deve ser atendida para que um metal viaje com sucesso através da tenacidade à fratura do material circundante. O tamanho do metal intrusivo e a viscosidade do material circundante determinam a taxa do processo de afundamento. A entrega direta de impactos ocorre quando um impactor de proporções semelhantes atinge o corpo planetário alvo. Durante o impacto, ocorre a troca de núcleos pré-existentes contendo material metálico.

Diz-se que o evento de diferenciação planetária provavelmente ocorreu após o processo de acreção do asteróide ou de um corpo planetário. Corpos terrestres e meteoritos de ferro consistem em ligas Fe-Ni. O núcleo da Terra é composto principalmente por ligas Fe-Ni. Com base nos estudos de radionuclídeos de vida curta , os resultados sugerem que o processo de formação do núcleo ocorreu durante um estágio inicial do sistema solar. Elementos siderófilos como enxofre , níquel e cobalto podem se dissolver em ferro fundido; esses elementos auxiliam na diferenciação das ligas de ferro.

Os primeiros estágios de acreção estabelecem as bases para a formação do núcleo. Primeiro, os corpos planetários terrestres entram na órbita de um planeta vizinho. Em seguida, ocorreria uma colisão e o corpo terrestre poderia crescer ou encolher. No entanto, na maioria dos casos, a acreção requer múltiplas colisões de objetos de tamanho semelhante para ter uma grande diferença no crescimento do planeta. Zonas de alimentação e eventos de bater e correr são características que podem resultar após a acreção.

Veja também

Referências

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