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惑星科学において、惑星分化とは、惑星を構成する化学元素が、その物理的または化学的性質（密度や化学的親和性など）の違いによって、惑星の異なる領域に蓄積していく過程のことである。惑星分化の過程は、放射性同位体の崩壊による熱を伴う部分融解と惑星形成によって媒介される。惑星分化は、惑星、準惑星、小惑星4ベスタ、そして自然衛星（月など）で起こっている。
高密度の物質は、より軽い物質を突き抜けて沈む傾向がある。この傾向は相対的な構造強度によって影響を受けるが、両方の物質が塑性状態または溶融状態にある温度では、その強度は低下する。最も一般的な元素であり、非常に高密度の溶融金属相を形成しやすい鉄は、惑星内部に向かって集まる傾向がある。鉄とともに、多くの親鉄元素（すなわち、鉄と容易に合金化する物質）も下方へ移動する。しかし、すべての重元素がこの遷移を起こすわけではなく、一部の親硫元素は低密度のケイ酸塩および酸化物化合物に結合し、逆方向に分化する。
地球の固体部分における主な組成的に異なる領域は、非常に密度の高い鉄を豊富に含む金属核、密度が低いマグネシウムケイ酸塩を豊富に含むマントル、そしてアルミニウム、ナトリウム、カルシウム、カリウムのケイ酸塩を主成分とする比較的薄く軽い地殻である。さらに軽いのが、水からなる液体の水圏と、窒素を豊富に含む気体の大気である。
軽い物質は密度の高い物質を突き抜けて上昇する傾向がある。そのため、斜長石のような軽い鉱物は上昇する傾向がある。その際、ダイアピルと呼ばれるドーム状の形をとることがある。地球上では、岩塩ドームは地殻内の岩塩ダイアピルであり、周囲の岩石を突き抜けて上昇する。花崗岩のような低密度の溶融ケイ酸塩岩のダイアピルは、地球の上部地殻に豊富に存在する。沈み込み帯でマントル物質が変質して形成された水和低密度蛇紋岩も、ダイアピルとして地表に上昇することがある。他の物質も同様の現象を起こす。低温で地表近くの例としては、泥火山が挙げられる。
バルク物質は密度に応じて外側または内側に分化するが、それらに化学的に結合している元素は、より豊富に存在する物質に「運ばれながら」、化学的親和性に応じて分画する。例えば、希少元素であるウランは純粋な元素としては非常に密度が高いが、地球の軽いケイ酸塩に富む地殻では、密度の高い金属核よりも微量元素としての方が化学的に適合性が高い。[ 1 ]
太陽が太陽星雲で点火すると、水素、ヘリウム、その他の揮発性物質がその周辺領域で蒸発した。太陽風と放射圧によって、これらの低密度物質は太陽から遠ざけられた。岩石とその構成元素は初期の大気を剥ぎ取られたが、岩石自体は残り、原始惑星へと集積した。[ 2 ]
原始惑星は、その歴史の初期には放射性元素の濃度が高かったが、放射性崩壊により時間の経過とともにその量は減少した。例えば、ハフニウム-タングステン系は2つの不安定な同位体の崩壊を示しており、集積のタイムラインを形成している可能性がある。放射能、衝突、重力による加熱により、原始惑星は惑星へと成長するにつれて一部が溶融した。溶融した領域では、密度の高い物質が中心に向かって沈み、密度の低い物質が表面に上昇することができた。一部の隕石（無コンドライト）の組成は、隕石の母天体である一部の小惑星（例えばベスタ）でも分化が起こったことを示している。短寿命の放射性同位体26Alが主な熱源であったと考えられる。[ 3 ]
原始惑星がさらに物質を集積すると、衝突のエネルギーによって局所的な加熱が発生します。この一時的な加熱に加えて、十分に大きな天体では重力によって圧力と温度が上昇し、一部の物質が溶融します。これにより、化学反応と密度差によって物質が混ざり合ったり分離したり、[ 4 ]柔らかい物質が表面に広がるようになります。もう1つの外部熱源は潮汐加熱です。
地球上では、溶融鉄の大きな塊は大陸地殻物質よりも十分に密度が高いため、地殻を突き抜けてマントルまで到達することができる。[ 3 ]
太陽系の外縁部では、同様のプロセスが起こる可能性があるが、より軽い物質が使われる。それらはメタンなどの炭化水素、液体または氷の水、あるいは凍った二酸化炭素である可能性がある。[ 5 ]
地球内部のマグマは、マントルにおいて、源岩が部分的に溶融することによって生成されます。溶融した岩石は、主要鉱物中で安定しない「不適合元素」の大部分を源岩から抽出します。マグマが一定の深さまで上昇すると、溶解した鉱物は特定の圧力と温度で結晶化し始めます。生成された固体は溶融物から様々な元素を除去し、その結果、溶融物からそれらの元素が枯渇します。したがって、火成岩中の微量元素を研究することで、マグマを生成するためにどの源岩がどれだけ溶融したか、そして溶融物からどの鉱物が失われたかについての情報を得ることができます。
物質が不均一に加熱されると、軽い物質は高温の領域へ、重い物質は低温の領域へと移動します。これは熱泳動、熱移動、またはソレー効果として知られています。このプロセスはマグマ溜まりの分化に影響を与える可能性があります。このプロセスをより深く理解するには、ハワイの溶岩湖で行われた研究が参考になります。これらの湖の掘削により、マグマ前線内で形成された結晶が発見されました。これらの大きな結晶、すなわち斑晶が集中しているマグマは、結晶の化学的融解による分化を示していました。
月には、カリウム、希土類元素、リンなどの「不適合元素」を多く含む特徴的な玄武岩質物質が発見されており、しばしばKREEPという略称で呼ばれています。[ 6 ]また、ウランとトリウムも多く含まれています。これらの元素は、原始マグマオーシャンから結晶化した月の地殻の主要鉱物には含まれておらず、KREEP玄武岩は地殻とマントルの間の化学的境界として閉じ込められ、時折地表に噴出した可能性があります。
地球の月は、初期の地球に大きな天体が衝突して軌道上に飛び散った物質から形成されたと考えられています。[ 3 ]地球では、分化によってすでに多くの軽い物質が表面に向かって分離されていたため、衝突によって地球から不均衡な量のケイ酸塩物質が取り除かれ、密度の高い金属の大部分が残されました。月の密度は、大きな鉄の核がないため、地球よりもかなり低くなっています。[ 3 ]地球では、物理的および化学的な分化プロセスにより、地殻の密度は約 2700 kg/m 3となり、そのすぐ下にある組成の異なるマントルの密度は3400 kg/m 3で、惑星全体の平均密度は 5515 kg/m 3です。
核形成は、惑星体の内部への金属の移動を制御するためにいくつかのメカニズムを利用します。[ 3 ]このプロセスに関与するメカニズムの例としては、浸透、ダイキング、ダイアピリズム、および直接的な衝突による移動が挙げられます。[ 3 ]金属とケイ酸塩の密度差により、浸透、つまり金属が下方へ移動します。ダイキングは、既存の岩体の亀裂内に新しい岩石層が形成されるプロセスです。たとえば、鉱物が冷たく脆い場合、流体亀裂を通して輸送されることがあります。[ 3 ]金属が周囲の物質の破壊靭性を乗り越えて移動するには、十分な圧力が必要です。侵入する金属のサイズと周囲の物質の粘度によって、沈降プロセスの速度が決まります。[ 3 ]直接的な衝突による移動は、同様の大きさの衝突体が目標の惑星体に衝突したときに発生します。[ 3 ] 衝突中、金属物質を含む既存の核が交換されます。[ 3 ]
惑星分化イベントは、小惑星または惑星の集積過程の後に起こった可能性が最も高いと言われています。地球型天体と鉄隕石はFe-Ni合金で構成されています。[ 4 ]地球の核は主にFe-Ni合金で構成されています。短寿命放射性核種 の研究に基づくと、核形成過程は太陽系の初期段階で起こったことが示唆されています。[ 4 ]ニッケルやコバルトなどの親鉄元素は溶融鉄に溶解することができ、これらの元素は鉄合金の分化を助けます。[ 4 ]
集積の最初の段階では、核形成の基礎が築かれます。まず、地球型惑星が近隣の惑星の軌道に入ります。次に、衝突が起こり、地球型惑星は成長したり縮小したりします。しかし、ほとんどの場合、集積によって惑星の成長に大きな違いが生じるには、同サイズの天体の複数回の衝突が必要です。[ 3 ]集積後に生じる可能性のある特徴としては、摂食ゾーンとヒットアンドラン現象があります。[ 3 ]