En ciencia planetaria , la diferenciación planetaria es el proceso por el cual los elementos químicos de un cuerpo planetario se acumulan en diferentes zonas de ese 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 procedente de la desintegración de isótopos radiactivos y la acreción planetaria . La diferenciación planetaria se ha producido 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 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 forma una fase de metal fundido 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 realizan esta transición, ya que algunos elementos pesados calcófilos se unen formando compuestos de silicato y óxido de baja densidad, que se diferencian en la dirección opuesta.
Las principales zonas composicionalmente diferenciadas en la Tierra sólida son el núcleo metálico muy denso rico en hierro , el manto menos denso rico en silicato de magnesio y la corteza ligera y relativamente delgada compuesta principalmente de silicatos de aluminio , sodio , calcio y potasio . Aún más ligeras son la hidrosfera líquida acuosa y la atmósfera gaseosa rica en nitrógeno .
Los materiales más ligeros tienden a ascender a través de materiales con mayor densidad. Un mineral ligero como la plagioclasa subiría. 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 terrestre que se elevan a través de la roca circundante. En la corteza superior de la Tierra abundan los diapiros de rocas de silicato fundidas de baja densidad, como el granito . La serpentinita hidratada de baja densidad formada por la alteración del material del manto en las zonas de subducción también puede subir a la superficie en forma de diapiros. Otros materiales hacen lo mismo: un ejemplo de baja temperatura cercano a la superficie lo proporcionan los volcanes de lodo .
Aunque los materiales a granel se diferencian hacia afuera o hacia adentro según su densidad, los elementos que están químicamente unidos en ellos se fraccionan según sus afinidades químicas, "llevados" por 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 la rodeaba. El viento solar y la presión de la radiación obligaron a estos materiales de baja densidad a alejarse del Sol. Las rocas y los elementos que las componen fueron despojados de sus atmósferas primitivas, [2] pero ellas mismas permanecieron para acumularse 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 derritió partes de los protoplanetas a medida que crecían hasta convertirse en planetas . En las zonas derretidas, era posible que los materiales más densos se hundieran hacia el centro, mientras que los materiales más ligeros subían a la superficie. La composición de algunos meteoritos ( acondritas ) muestra que también se produjo diferenciación en algunos asteroides (p. ej. Vesta ), que son cuerpos parentales de meteoritos. 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 materiales, [4] y que los materiales blandos se extiendan sobre la superficie. Otra fuente de calor externa es la calefacción mareomotriz .
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 en estado líquido o hielo, o dióxido de carbono congelado . [5]
El magma en la Tierra se produce por la fusión parcial de una roca madre, en última instancia en el manto . La masa fundida extrae una gran parte de los "elementos incompatibles" de su fuente que no son estables en los principales minerales. Cuando el magma se eleva por encima de cierta profundidad, los minerales disueltos comienzan a cristalizar a presiones y temperaturas particulares. Los sólidos resultantes eliminan varios elementos de la masa fundida y, por tanto, la masa fundida se queda sin esos elementos. El estudio de los oligoelementos en las rocas ígneas nos da así información sobre de qué fuente se fundió, en qué cantidad se produjo magma y qué minerales se perdieron durante el derretimiento.
Cuando el material se calienta de manera desigual, el material más liviano 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 . Se puede obtener una comprensión más profunda de este proceso gracias a un estudio realizado en los lagos de lava hawaianos. La perforación de estos lagos permitió descubrir cristales formados dentro de frentes de magma. El magma que contiene concentraciones de estos grandes cristales o fenocristales demostró 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 , elementos de tierras raras y fósforo y que a menudo se denomina 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 en su océano de magma primitivo , y el basalto KREEP puede haber quedado atrapado como una diferencia química entre la corteza y el manto, con erupciones ocasionales a la superficie.
La Luna de la Tierra probablemente se formó a partir de material lanzado a su órbita por el impacto de un cuerpo grande contra 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 terrestre 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 5515 kg/ m3 .
La formación del núcleo utiliza varios mecanismos para controlar el movimiento de los metales hacia el interior de un cuerpo planetario. [3] Los ejemplos incluyen la percolación , la construcción de diques , el diapirismo y la entrega directa de impactos son mecanismos involucrados en este proceso. [3] La diferencia de densidad entre el metal y el silicato provoca la percolación o el movimiento de un metal hacia abajo. La construcción 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 ejercer una presión suficiente para que un metal pueda atravesar con éxito la tenacidad a la fractura del material circundante. El tamaño del metal que intruye y la viscosidad del material circundante determina 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 se produce 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 están formados por aleaciones de Fe-Ni. [4] El núcleo de la Tierra está compuesto principalmente por aleaciones de Fe-Ni. Basados en 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 acreción sentaron 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 tener una diferencia importante en el crecimiento del planeta. [3] Las zonas de alimentación y los eventos de atropello y fuga son características que pueden resultar después de la acumulación. [3]