En la ciencia planetaria , la diferenciación planetaria es el proceso por el cual los elementos químicos de un cuerpo planetario se acumulan en diferentes zonas de dicho cuerpo, debido a su comportamiento físico o químico (p. ej. densidad y afinidades químicas). El proceso de diferenciación planetaria está mediado por la fusión parcial con calor proveniente 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 ).
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 es probable que forme una fase metálica fundida muy densa, tiende a congregarse hacia el interior planetario. Con él, muchos elementos siderófilos (es decir, materiales que se alean fácilmente con el hierro) también viajan hacia abajo. Sin embargo, no todos los elementos pesados hacen esta transición ya que algunos elementos pesados calcófilos se unen en compuestos de silicato y óxido de baja densidad, que se diferencian en la dirección opuesta.
Las principales zonas de composición diferenciada en 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 por silicatos de aluminio , sodio , calcio y potasio . Aún más ligeras son la hidrosfera líquida acuosa y la atmósfera gaseosa y rica en nitrógeno .
Los materiales más ligeros tienden a ascender a través de materiales con una mayor densidad. Un mineral ligero como la plagioclasa ascendería. Al hacerlo, pueden adoptar formas en forma de cúpula llamadas diapiros . En la Tierra, los domos de sal son diapiros de sal en la corteza que se elevan a través de la roca circundante. Los diapiros de rocas de silicato de baja densidad fundidas, 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 en forma de diapiros. Otros materiales hacen lo mismo: un ejemplo de baja temperatura, cerca de la superficie, lo proporcionan los volcanes de lodo .
Aunque los materiales a granel se diferencian hacia el exterior o hacia el interior según su densidad, los elementos que están unidos químicamente en ellos se fraccionan según sus afinidades químicas, "arrastrados" por los materiales más abundantes con los que están asociados. Por ejemplo, aunque el raro elemento uranio es muy denso como elemento puro, es químicamente más compatible como oligoelemento en la corteza ligera y rica en silicatos de la Tierra que en el denso núcleo metálico. [1]
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 del Sol. Las rocas y los elementos que las componían se despojaron de sus atmósferas primitivas, [2] pero ellos mismos permanecieron, acumulándose en protoplanetas .
Los protoplanetas tenían concentraciones más altas de elementos radiactivos al principio de su historia, cuya cantidad se ha reducido con el tiempo debido a la desintegración radiactiva . Por ejemplo, el sistema hafnio-tungsteno demuestra la desintegración de dos isótopos inestables y posiblemente forma una línea de tiempo para 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, fue posible que los materiales más densos se hundieran hacia el centro, mientras que los materiales más ligeros subían a la superficie. Las composiciones de algunos meteoritos ( acondritas ) muestran que la diferenciación también tuvo lugar en algunos asteroides (por ejemplo, Vesta ), que son cuerpos parentales de los meteoroides. El isótopo radiactivo de vida corta 26 Al 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 gravitacional en un cuerpo suficientemente grande crea presiones y temperaturas que son suficientes para fundir algunos de los materiales. Esto permite que las reacciones químicas y las diferencias de densidad mezclen y separen los materiales [4] y que los materiales blandos se esparzan por la superficie. Otra fuente de calor externa es el calentamiento por mareas .
En la Tierra , un gran trozo de hierro fundido es lo 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 en forma líquida o hielo, o dióxido de carbono congelado . [5]
El magma en la Tierra se produce por la fusión parcial de una roca madre, que se encuentra en el manto . La masa fundida extrae una gran parte de los "elementos incompatibles" de su fuente que no son estables en los minerales principales. Cuando el magma se eleva por encima de una determinada profundidad, los minerales disueltos comienzan a cristalizarse a determinadas presiones y temperaturas. Los sólidos resultantes eliminan varios elementos de la masa fundida, que se queda sin ellos. El estudio de los oligoelementos en las rocas ígneas nos proporciona información sobre qué fuente se ha fundido y en qué medida para producir un magma, y qué minerales se han perdido de la masa fundida.
Cuando el material se calienta de manera desigual, el material más ligero migra hacia zonas más calientes y el material más pesado migra hacia áreas más frías, lo que se conoce como termoforesis , termomigración o efecto Soret . Este proceso puede afectar la diferenciación en las cámaras de magma . Una comprensión más profunda de este proceso se puede remontar a un estudio realizado en los lagos de lava hawaianos. La perforación de estos lagos condujo al descubrimiento de cristales formados dentro de los frentes de magma. El magma que contiene concentraciones de estos grandes cristales o fenocristales demostró la diferenciación a través de la fusión química de los cristales.
En la Luna se ha encontrado un material basáltico distintivo que tiene un alto contenido de "elementos incompatibles", como potasio , tierras raras y fósforo , y que a menudo se conoce con 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 cristalizaron a partir de su océano de magma primigenio , y el basalto KREEP puede haber quedado atrapado como una diferenciación química entre la corteza y el manto, con erupciones ocasionales en la superficie.
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 mayoría 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 .
La formación de núcleos utiliza varios mecanismos para controlar el movimiento de metales hacia el interior de un cuerpo planetario. [3] Los ejemplos incluyen percolación , diqueo , diapirismo y la entrega directa de impactos son mecanismos involucrados en este proceso. [3] La diferencia de densidad de metal a silicato causa percolación o el movimiento de un metal hacia abajo. El diqueo 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 frágiles, el transporte puede ocurrir a través de grietas de fluido. [3] Se debe cumplir con una cantidad suficiente de presión para que un metal viaje con éxito a través de la tenacidad de fractura del material circundante. El tamaño del metal que se introduce 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 del asteroide o de un cuerpo planetario. Los cuerpos terrestres y los meteoritos de hierro consisten en aleaciones de Fe-Ni. [4] El núcleo de la Tierra está compuesto principalmente de aleaciones de Fe-Ni. Con base en los estudios de radionucleidos 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 azufre , 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. A continuación, se produciría una colisión y el cuerpo terrestre podría 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 choque y fuga son características que pueden surgir después de la acreción. [3]