Différenciation planétaire -Planetary differentiation

Les couches de la Terre , un corps planétaire différencié
Cette image montre la différenciation entre les éléments d'une météorite.

En science planétaire , la différenciation planétaire est le processus par lequel les éléments chimiques d'un corps planétaire s'accumulent dans différentes zones de ce corps, en raison de leur comportement physique ou chimique (par exemple densité et affinités chimiques). Le processus de différenciation planétaire est médié par la fusion partielle avec la chaleur de la désintégration des isotopes radioactifs et l'accrétion planétaire . La différenciation planétaire s'est produite sur les planètes, les planètes naines , l'astéroïde 4 Vesta et les satellites naturels (comme la Lune ).

Différenciation physique

Séparation gravitationnelle

Les matériaux à haute densité ont tendance à couler à travers les matériaux plus légers. Cette tendance est affectée par les résistances structurelles relatives, mais cette résistance est réduite à des températures où les deux matériaux sont plastiques ou fondus. Le fer , l'élément le plus commun susceptible de former une phase de métal en fusion très dense, a tendance à se rassembler vers les intérieurs planétaires. Avec lui, de nombreux éléments sidérophiles (c'est-à-dire des matériaux qui s'allient facilement avec le fer) se déplacent également vers le bas. Cependant, tous les éléments lourds ne font pas cette transition car certains éléments lourds chalcophiles se lient en composés de silicate et d'oxyde de faible densité, qui se différencient dans la direction opposée.

Les principales zones de composition différenciée de la Terre solide sont le noyau métallique très dense riche en fer , le manteau moins dense riche en silicate de magnésium et la croûte relativement mince et légère composée principalement de silicates d' aluminium , de sodium , de calcium et de potassium . Encore plus légères sont l' hydrosphère liquide aqueuse et l' atmosphère gazeuse riche en azote .

Les matériaux plus légers ont tendance à s'élever à travers des matériaux de densité plus élevée. Un minéral léger comme le plagioclase remonterait. Ils peuvent prendre des formes en forme de dôme appelées diapirs ce faisant. Sur Terre, les dômes de sel sont des diapirs de sel dans la croûte qui s'élèvent à travers la roche environnante. Les diapirs de roches silicatées fondues de faible densité telles que le granit sont abondants dans la croûte supérieure de la Terre. La serpentinite hydratée de faible densité formée par altération du matériau du manteau dans les zones de subduction peut également remonter à la surface sous forme de diapirs. D'autres matériaux font de même: un exemple à basse température et proche de la surface est fourni par les volcans de boue .

Différenciation chimique

Si les matériaux massifs se différencient vers l'extérieur ou vers l'intérieur selon leur densité, les éléments qui y sont liés chimiquement se fractionnent selon leurs affinités chimiques, « entraînés » par les matériaux plus abondants auxquels ils sont associés. Par exemple, bien que l' uranium , un élément rare, soit très dense en tant qu'élément pur, il est chimiquement plus compatible en tant qu'oligo-élément dans la croûte terrestre légère et riche en silicate que dans le noyau métallique dense.

Chauffage

Lorsque le Soleil s'est enflammé dans la nébuleuse solaire , de l'hydrogène , de l'hélium et d'autres matières volatiles se sont évaporés dans la région qui l'entoure. Le vent solaire et la pression de rayonnement ont éloigné ces matériaux de faible densité du Soleil. Les roches, et les éléments qui les composent, ont été dépouillées de leurs premières atmosphères, mais elles sont restées, pour s'accumuler en protoplanètes .

Les protoplanètes avaient des concentrations plus élevées d' éléments radioactifs au début de leur histoire, dont la quantité a diminué au fil du temps en raison de la désintégration radioactive . Par exemple, le système hafnium-tungstène démontre la désintégration de deux isotopes instables et forme éventuellement une ligne de temps pour l'accrétion. Le chauffage dû à la radioactivité, aux impacts et à la pression gravitationnelle a fait fondre des parties de protoplanètes au fur et à mesure qu'elles devenaient des planètes . Dans les zones fondues, il était possible que des matériaux plus denses descendent vers le centre, tandis que des matériaux plus légers remontent à la surface. Les compositions de certaines météorites ( achondrites ) montrent que la différenciation a également eu lieu chez certains astéroïdes (par exemple Vesta ), qui sont des corps parentaux pour les météoroïdes. L'isotope radioactif à courte durée de vie 26 Al était probablement la principale source de chaleur.

Lorsque les protoplanètes accumulent plus de matière, l'énergie de l'impact provoque un échauffement local. En plus de cet échauffement temporaire, la force gravitationnelle dans un corps suffisamment grand crée des pressions et des températures suffisantes pour faire fondre une partie des matériaux. Cela permet aux réactions chimiques et aux différences de densité de mélanger et de séparer les matériaux, et aux matériaux mous de se répandre sur la surface. Une autre source de chaleur externe est le chauffage des marées .

Sur Terre , un gros morceau de fer en fusion est suffisamment plus dense que le matériau de la croûte continentale pour se frayer un chemin à travers la croûte jusqu'au manteau .

Dans le système solaire externe, un processus similaire peut avoir lieu mais avec des matériaux plus légers : il peut s'agir d' hydrocarbures tels que le méthane , l'eau sous forme liquide ou de glace, ou de dioxyde de carbone gelé .

Fusion fractionnée et cristallisation

Le magma dans la Terre est produit par la fusion partielle d'une roche mère, finalement dans le manteau . La fonte extrait une grande partie des "éléments incompatibles" de sa source qui ne sont pas stables dans les principaux minéraux. Lorsque le magma s'élève au-dessus d'une certaine profondeur, les minéraux dissous commencent à cristalliser à des pressions et des températures particulières. Les solides résultants éliminent divers éléments de la masse fondue, et la masse fondue est ainsi appauvrie de ces éléments. L'étude des oligo-éléments dans les roches ignées nous donne ainsi des informations sur quelle source a fondu par combien pour produire un magma, et quels minéraux ont été perdus à cause de la fonte.

Diffusion thermique

Lorsque le matériau est chauffé de manière inégale, le matériau plus léger migre vers les zones plus chaudes et le matériau plus lourd migre vers les zones plus froides, ce que l'on appelle la thermophorèse , la thermomigration ou l' effet Soret . Ce processus peut affecter la différenciation dans les chambres magmatiques . Une compréhension plus profonde de ce processus peut être tirée d'une étude réalisée sur les lacs de lave hawaïens. Le forage de ces lacs a conduit à la découverte de cristaux formés au sein des fronts magmatiques. Le magma contenant des concentrations de ces gros cristaux ou phénocristaux a démontré une différenciation par la fonte chimique des cristaux.

KREEP de la lune

Sur la Lune, un matériau basaltique distinctif a été trouvé qui est riche en "éléments incompatibles" tels que le potassium , les éléments de terres rares et le phosphore et est souvent désigné par l'abréviation KREEP . Il est également riche en uranium et en thorium . Ces éléments sont exclus des principaux minéraux de la croûte lunaire qui se sont cristallisés à partir de son océan de magma primitif , et le basalte KREEP peut avoir été piégé en tant que différenciation chimique entre la croûte et le manteau, avec des éruptions occasionnelles à la surface.

Différenciation par collision

La Lune de la Terre s'est probablement formée à partir de matière projetée en orbite par l'impact d'un gros corps sur la Terre primitive. La différenciation sur Terre avait probablement déjà séparé de nombreux matériaux plus légers vers la surface, de sorte que l'impact a retiré une quantité disproportionnée de silicate de la Terre et a laissé la majorité du métal dense derrière. La densité de la Lune est nettement inférieure à celle de la Terre, en raison de son absence d'un gros noyau de fer. Sur Terre , les processus de différenciation physique et chimique ont conduit à une densité crustale d'environ 2700 kg/m 3 par rapport à la densité de 3400 kg/m 3 du manteau de composition différente juste en dessous, et la densité moyenne de la planète dans son ensemble est de 5515 kg /m 3 .

Mécanismes de formation du noyau

La formation du noyau utilise plusieurs mécanismes afin de contrôler le mouvement des métaux à l'intérieur d'un corps planétaire. Les exemples incluent la percolation , la digue , le diapirisme et la livraison directe des impacts sont des mécanismes impliqués dans ce processus. La différence de densité entre le métal et le silicate provoque la percolation ou le mouvement d'un métal vers le bas. L'endiguement est un processus dans lequel une nouvelle formation rocheuse se forme dans une fracture d'un corps rocheux préexistant. Par exemple, si les minéraux sont froids et cassants, le transport peut se produire à travers des fissures fluides. Une quantité suffisante de pression doit être satisfaite pour qu'un métal traverse avec succès la ténacité à la rupture du matériau environnant. La taille du métal pénétrant et la viscosité du matériau environnant déterminent la vitesse du processus d'enfoncement. La livraison directe des impacts se produit lorsqu'un impacteur de proportions similaires frappe le corps planétaire cible. Lors de l'impact, il se produit un échange de noyaux préexistants contenant du matériau métallique.

On dit que l'événement de différenciation planétaire s'est produit très probablement après le processus d'accrétion de l'astéroïde ou d'un corps planétaire. Les corps terrestres et les météorites de fer sont constitués d'alliages Fe-Ni. Le noyau terrestre est principalement composé d'alliages Fe-Ni. Sur la base des études de radionucléides à vie courte , les résultats suggèrent que le processus de formation du noyau s'est produit au cours d'une phase précoce du système solaire. Les éléments sidérophiles tels que le soufre , le nickel et le cobalt peuvent se dissoudre dans le fer fondu ; ces éléments aident à la différenciation des alliages de fer.

Les premières étapes de l'accrétion ont jeté les bases de la formation du noyau. Premièrement, les corps planétaires terrestres entrent dans l'orbite d'une planète voisine. Ensuite, une collision aurait lieu et le corps terrestre pourrait soit grossir, soit rétrécir. Cependant, dans la plupart des cas, l'accrétion nécessite de multiples collisions d'objets de taille similaire pour avoir une différence majeure dans la croissance de la planète. Les zones de ravitaillement et les délits de fuite sont des caractéristiques qui peuvent survenir après l'accrétion.

Voir également

Les références

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