La diferenciación núcleo-manto es el conjunto de procesos que tuvieron lugar durante la etapa de acreción [1] de la evolución de la Tierra (o más generalmente, de los planetas rocosos ) que da como resultado la separación de materiales ricos en hierro que eventualmente conformarían un núcleo metálico , rodeado por un manto rocoso . Según el modelo de Safronov [3] , los protoplanetas se formaron como resultado de colisiones de cuerpos más pequeños ( planetesimales ), que previamente se condensaron a partir de restos sólidos presentes en la nebulosa original . Los planetesimales contenían hierro y silicatos ya diferenciados o mezclados. De cualquier manera, después de impactar con la Proto-Tierra sus materiales muy probablemente se homogeneizaron. En esta etapa, la Proto-Tierra probablemente tenía el tamaño de Marte. A continuación siguió la separación y estratificación de los constituyentes de la Proto-Tierra, impulsada principalmente por sus contrastes de densidad. Factores como la presión, la temperatura y los cuerpos de impacto en el océano de magma primordial [4] estuvieron involucrados en el proceso de diferenciación.
El proceso de diferenciación está impulsado por la mayor densidad del hierro en comparación con las rocas de silicato, pero el punto de fusión más bajo del primero constituye un factor importante. De hecho, una vez que el hierro se ha fundido, la diferenciación puede tener lugar independientemente de que las rocas de silicato estén completamente fundidas o no. [1] Sobre la base de estos escenarios plausibles, se han propuesto varios modelos para explicar la diferenciación núcleo-manto después de la etapa de formación nebular del Sistema Solar . [4] Se pueden resumir en tres mecanismos: 1) Percolación de la aleación de hierro a través de cristales de silicato; 2) Separación del metal de la roca en un océano de magma primordial; 3) Migración de diapiros o diques de hierro a través del manto. [1] [5]
Partiendo de la base de que el manto es sólido y la mezcla de hierro fundido, el mecanismo de percolación implica que el metal fluye a lo largo de los límites de los granos de cristal del manto sólido hacia el centro de la Tierra. Esta hipótesis supone que los materiales rocosos permanecen sólidos o blandos, mientras que el hierro está fundido. La tensión superficial de las gotas de hierro no puede ser físicamente mayor que el arrastre [ vague ] ejercido por el manto comparativamente más viscoso, lo que limita el tamaño de las gotas de hierro. [6]
La hipótesis de la percolación supone que los cristales en el manto no tienen una orientación preferida. [1] Del mismo modo, la percolación requiere que el ángulo diedro entre el material fundido y los cristales sea inferior a 60 grados para mantener la conectividad. [1] [5] Sin embargo, las mediciones en la superficie sugieren que el ángulo diedro es con frecuencia mayor a 60 grados, lo que limita la ocurrencia de la percolación, [5] aunque no se sabe si puede ser menor a 60 grados en el manto inferior. [7] No se han observado rastros de hierro en el manto superior , lo que se esperaría si la percolación hubiera dominado allí. [7] Otro argumento contra la percolación como mecanismo dominante de migración de hierro es que requiere que la temperatura se mantenga dentro de un margen estrecho, por encima del sólido de hierro pero por debajo del sólido de roca. [7]
La liberación de energía durante el impacto de cuerpos grandes podría haber derretido parcial o totalmente la Tierra produciendo un océano de magma, posiblemente más de una vez durante la formación de la Tierra. [8] Incluso si la fusión inicial rodea solo el área de impacto, el equilibrio isostático redistribuiría globalmente el magma, aunque la escala de tiempo de dicha redistribución en comparación con la escala de tiempo de la diferenciación de hierro-silicato sigue siendo incierta. [1] Una vez que tanto la roca como el metal se funden, la separación se produce fácilmente impulsada por el contraste de densidad. [1] Los modelos sugieren que la fusión podría haber ocurrido tan pronto como el radio de un planeta llega a ser de ~ 2000 a 3000 km. Asimismo, algunos modelos predicen la aparición de océanos de magma a profundidades de hasta 300 km. [5] El manto inferior puede no haberse derretido nunca por completo porque su temperatura de fusión aumenta a una velocidad de 1 Kelvin/km. [7] Todavía sigue siendo incierto si tuvo lugar un océano de magma de larga duración de una sola etapa, o más bien varios episodios de océanos de magma de enfriamiento rápido durante eventos de impacto periódicos. [7] Los experimentos sugieren que la viscosidad del océano de magma era baja, lo que implica un flujo convectivo turbulento que disipa rápidamente el calor. De ser así, el océano de magma solo pudo haber existido durante unos pocos miles de años. [1]
Las gotas de hierro en el océano de magma existían en una variedad de tamaños dependiendo del tamaño de los cuerpos que impactaban la Tierra. En estado fundido, los cuerpos grandes tienden a romperse, mientras que los cuerpos pequeños tienden a fusionarse. El equilibrio se encuentra mediante el número de Weber que proporciona una media para calcular el diámetro estabilizado de las gotas de hierro líquido, que corresponde a 10 cm. [1] [5] [6] Después de formarse, las gotas de hierro se segregan de los silicatos circundantes y precipitan en una " lluvia ". [1] [5]
Las grandes masas de hierro no pueden ser arrastradas por las fuerzas convectivas en el manto primordial, por lo que no tienen tiempo suficiente para equilibrarse hidrodinámicamente y alcanzar el tamaño estabilizado. Por lo tanto, se depositan en un límite reológico (como el límite actual entre la litosfera y la astenosfera ), formando charcas de hierro. Con el tiempo, el hierro estancado se hundiría en los silicatos comparativamente menos densos que se encuentran debajo de ellas. [5] Se cree que el mecanismo se asemeja a los diapiros de sal . [1] Sin embargo, a pesar del hecho de que el manto subyacente al océano de magma no es frágil, según algunos estudios [9] es posible que la diferencia de viscosidad entre las charcas de hierro y el manto fuera suficiente para permitir la formación de diques en lugar de diapiros. [1] Para las condiciones actuales, la formación de diques de hierro se ha ideado como una estrategia viable para enviar una sonda a estudiar el interior de la Tierra. [10]
Los modelos de temperatura predicen la fusión de la aleación de hierro diseminada mientras las rocas de silicato se ablandan en el nivel superior. La fuente de calor es la desintegración radiactiva. El hierro líquido migró hacia abajo a niveles donde las temperaturas más frías mantuvieron los silicatos solidificados, formando una capa de hierro sobre un núcleo de material indiferenciado y debajo del manto primordial en el que se desarrolla el flujo de convección inducido por el impacto. A partir de esta etapa, las agregaciones de hierro desencadenadas por las inestabilidades de Rayleigh-Taylor migraron a través del núcleo primordial en un proceso de largo plazo (cientos de millones de años). [2] [11]
En lugar de las agregaciones de hierro propuestas por Elsasser, este modelo propone que la capa de hierro se fundió en el límite con el núcleo primordial y permeó a través de este último en estado líquido en lugar de agregarse en bulbos de hierro como se propone en el modelo de Safronov. El núcleo primordial ascendería en cuerpos del tamaño de un grano hasta incorporarse al manto. La escala de tiempo para la formación del núcleo es del orden de mil millones de años. [12] [2]
Un escenario plausible es que el núcleo de silicato frío primordial se fragmentó en respuesta a las inestabilidades inducidas por la capa de hierro circundante más densa. Al final, trozos de ese núcleo fragmentado ("rockbergs") migraron hacia arriba y se incorporaron al manto, mientras que la aleación de hierro se asentó en el centro de la Tierra. [2] Este proceso se llevaría a cabo más rápido que los dos modelos mencionados anteriormente. [2]