Planetendifferenzierung -Planetary differentiation

Die Schichten der Erde , ein differenzierter planetarischer Körper

Dieses Bild zeigt die Unterscheidung zwischen den Elementen innerhalb eines Meteoriten.

In der Planetenwissenschaft ist die Planetendifferenzierung der Prozess, durch den sich die chemischen Elemente eines Planetenkörpers aufgrund ihres physikalischen oder chemischen Verhaltens (z. B. Dichte und chemische Affinitäten) in verschiedenen Bereichen dieses Körpers ansammeln. Der Prozess der planetaren Differenzierung wird durch teilweises Schmelzen mit Wärme aus radioaktivem Isotopenzerfall und planetarer Akkretion vermittelt . Planetendifferenzierung ist auf Planeten, Zwergplaneten , dem Asteroiden 4 Vesta und natürlichen Satelliten (wie dem Mond ) aufgetreten.

Physische Differenzierung

Gravitationstrennung

Materialien mit hoher Dichte neigen dazu, durch leichtere Materialien zu sinken. Diese Tendenz wird durch die relative Strukturfestigkeit beeinflusst, aber eine solche Festigkeit wird bei Temperaturen verringert, bei denen beide Materialien plastisch oder geschmolzen sind. Eisen , das häufigste Element, das wahrscheinlich eine sehr dichte geschmolzene Metallphase bildet, neigt dazu, sich in Richtung des Planeteninneren anzusammeln. Damit wandern auch viele siderophile Elemente (also Materialien, die sich leicht mit Eisen legieren ) nach unten. Jedoch machen nicht alle schweren Elemente diesen Übergang, da einige chalkophile schwere Elemente zu Silikat- und Oxidverbindungen niedriger Dichte binden, die sich in die entgegengesetzte Richtung differenzieren.

Die wichtigsten kompositorisch differenzierten Zonen in der festen Erde sind der sehr dichte eisenreiche metallische Kern , der weniger dichte Magnesium-silikatreiche Mantel und die relativ dünne, leichte Kruste , die hauptsächlich aus Silikaten von Aluminium , Natrium , Kalzium und Kalium besteht . Noch leichter sind die wässrig-flüssige Hydrosphäre und die gasförmige, stickstoffreiche Atmosphäre .

Leichtere Materialien neigen dazu, durch Material mit einer höheren Dichte aufzusteigen. Ein leichtes Mineral wie Plagioklas würde aufsteigen. Dabei können sie kuppelförmige Formen annehmen, die Diapire genannt werden. Auf der Erde sind Salzstöcke Salzdiapire in der Kruste, die durch das umgebende Gestein aufsteigen. Diapire aus geschmolzenem Silikatgestein geringer Dichte wie Granit sind in der oberen Erdkruste reichlich vorhanden. Der hydratisierte Serpentinit geringer Dichte , der durch Veränderung des Mantelmaterials an Subduktionszonen gebildet wird, kann auch als Diapire an die Oberfläche steigen. Andere Materialien tun das Gleiche: Ein oberflächennahes Beispiel bei niedrigen Temperaturen sind Schlammvulkane .

Chemische Differenzierung

Schüttgüter unterscheiden sich zwar nach ihrer Dichte nach außen oder nach innen, aber die darin chemisch gebundenen Elemente fraktionieren sich nach ihrer chemischen Affinität, „mitgerissen“ von häufiger vorkommenden Stoffen, mit denen sie assoziiert sind. So ist das seltene Element Uran als reines Element zwar sehr dicht, aber als Spurenelement in der leichten, silikatreichen Erdkruste chemisch verträglicher als im dichten metallischen Kern.

Heizung

Als die Sonne im Sonnennebel zündete , wurden Wasserstoff , Helium und andere flüchtige Materialien in der Region um ihn herum verdampft. Der Sonnenwind und der Strahlungsdruck zwangen diese Materialien mit geringer Dichte von der Sonne weg. Felsen und die Elemente, aus denen sie bestehen, wurden ihrer frühen Atmosphäre beraubt, blieben aber selbst bestehen, um sich zu Protoplaneten anzusammeln .

Protoplaneten hatten zu Beginn ihrer Geschichte höhere Konzentrationen an radioaktiven Elementen, deren Menge im Laufe der Zeit aufgrund des radioaktiven Zerfalls abgenommen hat . Beispielsweise zeigt das Hafnium-Wolfram- System den Zerfall zweier instabiler Isotope und bildet möglicherweise eine Zeitachse für die Akkretion. Erwärmung durch Radioaktivität, Einschläge und Gravitationsdruck schmolzen Teile von Protoplaneten, als sie zu Planeten heranwuchsen . In geschmolzenen Zonen konnten dichtere Materialien zur Mitte hin absinken, während leichtere Materialien an die Oberfläche stiegen. Die Zusammensetzung einiger Meteoriten ( Achondriten ) zeigt, dass auch bei einigen Asteroiden (z. B. Vesta ), die Mutterkörper von Meteoroiden sind , eine Differenzierung stattfand . Das kurzlebige radioaktive Isotop ²⁶ Al war wahrscheinlich die Hauptwärmequelle.

Wenn Protoplaneten mehr Material ansammeln , verursacht die Aufprallenergie eine lokale Erwärmung. Zusätzlich zu dieser vorübergehenden Erwärmung erzeugt die Schwerkraft in einem ausreichend großen Körper Drücke und Temperaturen, die ausreichen, um einige der Materialien zu schmelzen. Dadurch können chemische Reaktionen und Dichteunterschiede Materialien mischen und trennen und weiche Materialien sich über die Oberfläche ausbreiten. Eine weitere externe Wärmequelle ist die Gezeitenheizung .

Auf der Erde ist ein großes Stück geschmolzenes Eisen ausreichend dichter als kontinentales Krustenmaterial , um sich seinen Weg durch die Kruste zum Erdmantel zu bahnen .

Im äußeren Sonnensystem kann ein ähnlicher Prozess stattfinden, aber mit leichteren Materialien: Es können Kohlenwasserstoffe wie Methan , Wasser als Flüssigkeit oder Eis oder gefrorenes Kohlendioxid sein .

Fraktioniertes Schmelzen und Kristallisation

Magma in der Erde entsteht durch teilweises Schmelzen eines Ausgangsgesteins, letztendlich im Erdmantel . Die Schmelze entzieht ihrer Quelle einen großen Teil der „inkompatiblen Elemente“, die in den Hauptmineralien nicht stabil sind. Wenn Magma über eine bestimmte Tiefe aufsteigt, beginnen die gelösten Mineralien bei bestimmten Drücken und Temperaturen zu kristallisieren. Die resultierenden Feststoffe entfernen verschiedene Elemente aus der Schmelze, und die Schmelze wird somit von diesen Elementen verarmt. Die Untersuchung von Spurenelementen in magmatischen Gesteinen gibt uns somit Informationen darüber, welche Quelle wie viel geschmolzen ist, um ein Magma zu produzieren, und welche Mineralien durch die Schmelze verloren gegangen sind.

Thermische Diffusion

Wenn Material ungleichmäßig erhitzt wird, wandert leichteres Material zu heißeren Zonen und schwereres Material wandert zu kälteren Bereichen, was als Thermophorese , Thermomigration oder Soret-Effekt bekannt ist . Dieser Prozess kann die Differenzierung in Magmakammern beeinflussen . Ein tieferes Verständnis dieses Prozesses kann auf eine Studie zurückgeführt werden, die an den hawaiianischen Lavaseen durchgeführt wurde. Das Bohren dieser Seen führte zur Entdeckung von Kristallen, die sich innerhalb von Magmafronten gebildet haben. Das Magma, das Konzentrationen dieser großen Kristalle oder Phenokristalle enthielt, zeigte eine Differenzierung durch die chemische Schmelze von Kristallen.

Monds KREEP

Auf dem Mond wurde ein charakteristisches Basaltmaterial gefunden, das reich an „inkompatiblen Elementen“ wie Kalium , Seltenerdelementen und Phosphor ist und oft mit der Abkürzung KREEP bezeichnet wird . Es ist auch reich an Uran und Thorium . Diese Elemente sind von den Hauptmineralien der Mondkruste ausgeschlossen, die aus ihrem urzeitlichen Magmaozean kristallisiert sind , und der KREEP-Basalt könnte als chemisches Unterscheidungsmerkmal zwischen der Kruste und dem Mantel eingeschlossen worden sein, mit gelegentlichen Eruptionen an die Oberfläche.

Unterscheidung durch Kollision

Der Erdmond entstand wahrscheinlich aus Material, das durch den Einschlag eines großen Körpers in die frühe Erde in die Umlaufbahn geschleudert wurde . Die Differenzierung auf der Erde hatte wahrscheinlich bereits viele leichtere Materialien zur Oberfläche hin getrennt, so dass der Aufprall eine unverhältnismäßig große Menge an Silikatmaterial von der Erde entfernte und den Großteil des dichten Metalls zurückließ. Die Dichte des Mondes ist aufgrund des Fehlens eines großen Eisenkerns wesentlich geringer als die der Erde. Auf der Erde führten physikalische und chemische Differenzierungsprozesse zu einer Krustendichte von etwa 2700 kg/m ³ im Vergleich zu 3400 kg/m ³ Dichte des zusammensetzungsmäßig unterschiedlichen Mantels direkt darunter, und die durchschnittliche Dichte des Planeten als Ganzes beträgt 5515 kg /m ³ .

Kernbildungsmechanismen

Die Kernbildung nutzt mehrere Mechanismen, um die Bewegung von Metallen in das Innere eines Planetenkörpers zu steuern. Beispiele sind Versickerung , Eindeichung, Diapirismus und die direkte Abgabe von Auswirkungen sind Mechanismen, die an diesem Prozess beteiligt sind. Der Dichteunterschied zwischen Metall und Silikat verursacht eine Perkolation oder die Bewegung eines Metalls nach unten. Diking ist ein Prozess, bei dem sich eine neue Gesteinsformation innerhalb eines Bruchs eines bereits bestehenden Gesteinskörpers bildet. Wenn beispielsweise Mineralien kalt und spröde sind, kann der Transport durch Flüssigkeitsrisse erfolgen. Ein ausreichender Druck muss aufgebracht werden, damit ein Metall die Bruchzähigkeit des umgebenden Materials erfolgreich durchdringen kann. Die Größe des eindringenden Metalls und die Viskosität des umgebenden Materials bestimmen die Geschwindigkeit des Absinkvorgangs. Die direkte Abgabe von Stößen erfolgt, wenn ein Impaktor ähnlicher Proportionen auf den Zielplanetenkörper trifft. Während des Aufpralls findet ein Austausch von bereits vorhandenen Kernen statt, die metallisches Material enthalten.

Das planetarische Differenzierungsereignis soll höchstwahrscheinlich nach dem Akkretionsprozess entweder des Asteroiden oder eines Planetenkörpers stattgefunden haben. Erdkörper und Eisenmeteorite bestehen aus Fe-Ni-Legierungen. Der Erdkern besteht hauptsächlich aus Fe-Ni-Legierungen. Basierend auf den Studien kurzlebiger Radionuklide deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Kernbildungsprozess in einem frühen Stadium des Sonnensystems stattfand. Siderophile Elemente wie Schwefel , Nickel und Kobalt können sich in geschmolzenem Eisen auflösen; diese Elemente helfen bei der Unterscheidung von Eisenlegierungen.

Die ersten Stadien der Akkretion bilden die Grundlage für die Kernbildung. Zuerst treten terrestrische Planetenkörper in die Umlaufbahn eines benachbarten Planeten ein. Als nächstes würde eine Kollision stattfinden und der Erdkörper könnte entweder wachsen oder schrumpfen. In den meisten Fällen erfordert Akkretion jedoch mehrere Kollisionen von Objekten ähnlicher Größe, um einen großen Unterschied im Wachstum des Planeten zu bewirken. Fresszonen und Hit-and-Run-Ereignisse sind Merkmale, die sich nach der Akkretion ergeben können.

Siehe auch

• Kern-Mantel-Differenzierung
• Eiserne Katastrophe
• Rain-out-Modell

Verweise