تمايز اللب والوشاح

تمايز اللب والوشاح هو مجموعة العمليات التي حدثت خلال مرحلة التراكم ^{[ 1 ]} من تطور الأرض (أو بشكل أعم، الكواكب الصخرية )، والتي نتج عنها انفصال مواد غنية بالحديد تُشكل في النهاية لبًا معدنيًا محاطًا بوشاح صخري . وفقًا لنموذج سافرونوف ^{[ 3 ]} ، تشكلت الكواكب الأولية نتيجة تصادم أجسام أصغر ( الكواكب الصغيرة )، والتي تكثفت سابقًا من حطام صلب موجود في السديم الأصلي . احتوت الكواكب الصغيرة على الحديد والسيليكات، إما متمايزة مسبقًا أو مختلطة معًا. في كلتا الحالتين، من المرجح جدًا أن موادها قد تجانست بعد اصطدامها بالأرض الأولية. في هذه المرحلة، كان حجم الأرض الأولية على الأرجح بحجم المريخ. تلا ذلك انفصال وتطبق مكونات الأرض الأولية، مدفوعًا بشكل أساسي باختلافات كثافتها. لقد شاركت عوامل مثل الضغط ودرجة الحرارة والأجسام الناتجة عن الاصطدام في محيط الصهارة البدائي ^{[ 4 ]} في عملية التمايز.

تُعزى عملية التمايز إلى الكثافة العالية للحديد مقارنةً بالصخور السيليكاتية، إلا أن انخفاض درجة انصهار الحديد يُعد عاملاً مهماً. في الواقع، بمجرد انصهار الحديد، يمكن أن يحدث التمايز سواءً انصهرت الصخور السيليكاتية تماماً أم لا. ^{[ 1 ]} بناءً على هذه السيناريوهات المحتملة، طُرحت عدة نماذج لتفسير تمايز اللب والوشاح بعد مرحلة تكوين السديم في النظام الشمسي . ^{[ 4 ]} ويمكن تلخيصها في ثلاث آليات: 1) تسرب سبيكة الحديد عبر بلورات السيليكات؛ 2) انفصال المعدن عن الصخر في محيط الصهارة البدائي؛ 3) هجرة قباب أو سدود الحديد عبر الوشاح. ^{[ 1 ] [ 5 ]}

بافتراض وجود غلاف صلب ومزيج من الحديد المنصهر، تتضمن آلية الترشيح تدفق المعدن على طول حدود حبيبات بلورات الغلاف الصلب باتجاه مركز الأرض. تفترض هذه الفرضية أن المواد الصخرية تبقى صلبة أو لينة، بينما يكون الحديد منصهرًا. لا يمكن أن يكون التوتر السطحي لقطرات الحديد أكبر من قوة السحب التي يمارسها الغلاف الأكثر لزوجة نسبيًا، مما يحد من حجم قطرات الحديد. ^{[ 6 ]}

تفترض فرضية الترشيح أن البلورات في الوشاح لا تتخذ اتجاهًا مفضلًا. ^{[ 1 ]} وبالمثل، يتطلب الترشيح أن تكون الزاوية ثنائية السطوح بين الصهارة والبلورات أقل من 60 درجة للحفاظ على الترابط. ^{[ 1 ] [ 5 ]} ومع ذلك، تشير القياسات على السطح إلى أن الزاوية ثنائية السطوح غالبًا ما تكون أكبر من 60 درجة، مما يحد من حدوث الترشيح، ^{[ 5 ]} على الرغم من أنه من غير المؤكد ما إذا كانت أقل من 60 درجة في الوشاح السفلي. ^{[ 7 ]} لم تُلاحظ آثار للحديد في الوشاح العلوي ، وهو ما كان متوقعًا لو كان الترشيح هو الآلية السائدة هناك. ^{[ 7 ]} ومن الحجج الأخرى ضد الترشيح كآلية سائدة لهجرة الحديد أنه يتطلب بقاء درجة الحرارة ضمن هامش ضيق، أعلى من درجة انصهار الحديد ولكن أقل من درجة انصهار الصخور. ^{[ 7 ]}

قد يكون إطلاق الطاقة أثناء اصطدام الأجسام الكبيرة قد أدى إلى انصهار جزئي أو كلي للأرض، مُنتجًا محيطًا من الصهارة، وربما أكثر من مرة خلال تكوين الأرض. ^{[ 8 ]} حتى لو اقتصر الانصهار الأولي على منطقة الاصطدام فقط، فإن التوازن الإيزوستاتيكي سيعيد توزيع الصهارة عالميًا، مع أن النطاق الزمني لإعادة التوزيع هذه، مقارنةً بالنطاق الزمني لتكوين سيليكات الحديد، لا يزال غير مؤكد. ^{[ 1 ]} بمجرد انصهار كل من الصخور والمعادن، يحدث الانفصال بسهولة مدفوعًا باختلاف الكثافة. ^{[ 1 ]} تشير النماذج إلى أن الانصهار ربما يكون قد حدث بمجرد أن يصل نصف قطر الكوكب إلى ما بين 2000 و3000  كيلومتر. وبالمثل، تتوقع بعض النماذج وجود محيطات من الصهارة على أعماق تصل إلى 300  كيلومتر. ^{[ 5 ]} ربما لم ينصهر الوشاح السفلي بالكامل أبدًا لأن درجة حرارة انصهاره ترتفع بمعدل كلفن واحد لكل كيلومتر. ^{[ 7 ]} لا يزال من غير المؤكد ما إذا كان محيط الصهارة قد تشكل في مرحلة واحدة طويلة الأمد، أم أنه قد تشكل في عدة مراحل من محيطات الصهارة سريعة التبريد خلال أحداث اصطدام دورية. ^{[ 7 ]} تشير التجارب إلى أن لزوجة محيط الصهارة كانت منخفضة، مما يعني وجود تدفق حراري مضطرب يبدد الحرارة بسرعة. إذا صحّ ذلك، فلا بد أن محيط الصهارة لم يدم إلا لبضعة آلاف من السنين. ^{[ 1 ]}

تتواجد قطرات الحديد في محيط الصهارة بأحجام متنوعة تبعًا لحجم الأجسام التي تصطدم بالأرض. في الحالة المنصهرة، تميل الأجسام الكبيرة إلى التفتت، بينما تميل الأجسام الصغيرة إلى الاندماج. يُحدد التوازن بواسطة رقم ويبر الذي يوفر وسيلة لحساب القطر المستقر لقطرات الحديد السائل، والذي يُعادل 10  سم. ^{[ 1 ] [ 5 ] [ 6 ]} بعد تكوّن قطرات الحديد، تنفصل عن السيليكات المحيطة بها وتتساقط على شكل " مطر ". ^{[ 1 ] [ 5 ]}

لا تستطيع قوى الحمل الحراري في الوشاح البدائي سحب كتل الحديد الكبيرة، لذا لا يتوفر لها الوقت الكافي للوصول إلى حالة التوازن الهيدروديناميكي والحجم المستقر. ومن ثم، تترسب عند حدود ريولوجية (مثل حدود الغلاف الصخري والغلاف المائع الحالية )، مُشكلةً بركًا من الحديد. وفي نهاية المطاف، يغوص الحديد المتجمع في السيليكات الأقل كثافة نسبيًا أسفله. ^{[ 5 ]} يُعتقد أن هذه الآلية تُشبه قباب الملح . ^{[ 1 ]} ومع ذلك، وبالرغم من أن الوشاح الذي يقع أسفل محيط الصهارة ليس هشًا، فإنه وفقًا لبعض الدراسات ^{[ 9 ]} من المحتمل أن يكون الفرق في اللزوجة بين برك الحديد والوشاح كافيًا للسماح بتكوين السدود بدلًا من القباب. ^{[ 1 ]} في ظل الظروف الحالية، تم ابتكار سدود الحديد كاستراتيجية فعالة لإرسال مسبار لدراسة باطن الأرض. ^{[ 10 ]}