Геодинамика - Geodynamics

Геодинамика подполе геофизики , связанную с динамикой в Земле . Он применяет физику, химию и математику для понимания того, как мантийная конвекция приводит к тектонике плит и геологическим явлениям, таким как распространение морского дна , горообразование , вулканы , землетрясения , разломы и так далее. Он также пытается исследовать внутреннюю активность путем измерения магнитных полей , силы тяжести и сейсмических волн , а также минералогии горных пород и их изотопного состава . Методы геодинамики применяются и для исследования других планет.

Обзор

Геодинамика обычно занимается процессами, которые перемещают материалы по Земле. В интерьере Земли , движение происходит , когда камни плавиться или деформироваться и поток в ответ на поле напряжений . Эта деформация может быть хрупкой , упругой или пластической , в зависимости от величины напряжения и физических свойств материала, особенно от шкалы времени релаксации напряжения. Породы структурно и композиционно неоднородны и подвержены переменным напряжениям, поэтому часто можно увидеть различные типы деформации в тесной пространственной и временной близости. При работе с геологическими временными масштабами и длинами удобно использовать приближение сплошной среды и поля равновесных напряжений для рассмотрения средней реакции на среднее напряжение.

Специалисты в области геодинамики обычно используют данные геодезической GPS , InSAR и сейсмологии наряду с численными моделями для изучения эволюции литосферы , мантии и ядра Земли .

Работы, выполняемые геодинамиками, могут включать:

Моделирование хрупкой и вязкой деформации геологических материалов.
Прогнозирование закономерностей континентальной аккреции и распада континентов и суперконтинентов
Наблюдение за деформацией и релаксацией поверхности из-за ледяных щитов и послеледникового отскока и создание связанных предположений о вязкости мантии.
Обнаружение и понимание движущих механизмов тектоники плит .

Деформация горных пород

Камни и другие геологические материалы подвергаются деформации в соответствии с тремя различными режимами: упругой, пластической и хрупкой в зависимости от свойств материала и величины поля напряжений . Напряжение определяется как средняя сила на единицу площади, приложенная к каждой части породы. Давление - это часть напряжения, которая изменяет объем твердого тела; напряжение сдвига изменяет форму. Если сдвига нет, жидкость находится в гидростатическом равновесии . Поскольку в течение длительных периодов горные породы легко деформируются под давлением, Земля в хорошем приближении находится в гидростатическом равновесии. Давление на скалу зависит только от веса скалы выше, а это зависит от силы тяжести и плотности скалы. В таком теле, как Луна , плотность почти постоянна, поэтому профиль давления легко рассчитывается. На Земле сжатие горных пород с глубиной является значительным, и уравнение состояния необходимо для расчета изменений плотности горных пород, даже если они имеют однородный состав.

Эластичный

Упругая деформация всегда обратима, что означает, что если поле напряжений, связанное с упругой деформацией, будет удалено, материал вернется в свое предыдущее состояние. Материалы ведут себя эластично только тогда, когда относительное расположение вдоль рассматриваемой оси компонентов материала (например, атомов или кристаллов) остается неизменным. Это означает, что величина напряжения не может превышать предел текучести материала, а временной масштаб напряжения не может приближаться ко времени релаксации материала. Если напряжение превышает предел текучести материала, связи начинают разрушаться (и восстанавливаться), что может привести к пластичной или хрупкой деформации.

Пластичный

Пластическая или пластическая деформация происходит, когда температура системы достаточно высока, так что значительная часть микросостояний материала (рис. 1) не связана, что означает, что большая часть химических связей находится в процессе разрыва и преобразования. Во время пластической деформации этот процесс перегруппировки атомов перераспределяет напряжение и деформацию в направлении равновесия быстрее, чем они могут накапливаться. Примеры включают изгиб литосферы под вулканическими островами или осадочными бассейнами и изгиб в океанических желобах . Податливая деформация возникает, когда процессы переноса, такие как диффузия и адвекция, основанные на разрыве и преобразовании химических связей, перераспределяют напряжение примерно так же быстро, как оно накапливается.

Хрупкий

Когда деформация локализуется быстрее, чем эти релаксационные процессы могут ее перераспределить, возникает хрупкая деформация . Механизм хрупкой деформации включает положительную обратную связь между накоплением или распространением дефектов, особенно тех, которые возникают в результате деформации в областях с высокой деформацией, и локализацией деформации вдоль этих дислокаций и трещин. Другими словами, любая трещина, даже самая маленькая, имеет тенденцию фокусировать деформацию на своей передней кромке, что приводит к расширению трещины.

В общем, режим деформации контролируется не только величиной напряжения, но также распределением деформации и связанных с ней характеристик. Какой бы режим деформации в конечном итоге ни происходил, это результат конкуренции между процессами, которые стремятся локализовать деформацию, такими как распространение трещин, и релаксационными процессами, такими как отжиг, которые имеют тенденцию делокализовать деформацию.

Деформационные конструкции

Структурные геологи изучают результаты деформации, используя наблюдения за горными породами, особенно за режимом и геометрией деформации, чтобы восстановить поле напряжений, которое влияло на породу с течением времени. Структурная геология является важным дополнением к геодинамике, поскольку она обеспечивает наиболее прямой источник данных о движениях Земли. Различные режимы деформации приводят к разным геологическим структурам, например, к хрупкому разрушению горных пород или пластической складчатости.

Термодинамика

Физические характеристики горных пород, которые контролируют скорость и режим деформации, такие как предел текучести или вязкость , зависят от термодинамического состояния породы и состава. Наиболее важными термодинамическими переменными в этом случае являются температура и давление. Оба они увеличиваются с глубиной, поэтому в первом приближении режим деформации можно понять с точки зрения глубины. В верхней части литосферы хрупкая деформация является обычным явлением, потому что при низком давлении породы имеют относительно низкую хрупкую прочность, в то время как в то же время низкая температура снижает вероятность пластичного течения. После перехода из хрупко-пластичной переходной зоны пластическая деформация становится доминирующей. Упругая деформация происходит, когда временной масштаб напряжения короче времени релаксации материала. Сейсмические волны - типичный пример такого типа деформации. При температурах, достаточно высоких для плавления горных пород, вязкая прочность на сдвиг приближается к нулю, поэтому упругая деформация в режиме сдвига (S-волны) не распространяется через расплавы.

Силы

Основная движущая сила напряжения в Земле обеспечивается тепловой энергией от распада радиоизотопа, трения и остаточного тепла. Охлаждение на поверхности и производство тепла внутри Земли создают метастабильный температурный градиент от горячего ядра к относительно холодной литосфере. Эта тепловая энергия преобразуется в механическую за счет теплового расширения. Более глубокие и горячие породы часто имеют более высокое тепловое расширение и более низкую плотность по сравнению с вышележащими породами. И наоборот, порода, которая охлаждается на поверхности, может стать менее плавучей, чем порода под ней. В конечном итоге это может привести к нестабильности Рэлея-Тейлора (рис. 2) или взаимному проникновению породы по разные стороны контраста плавучести.

На рисунке 2 показана неустойчивость Рэлея-Тейлора в 2D с использованием модели Шан-Чена . Красная жидкость изначально расположена в слое поверх синей жидкости и обладает меньшей плавучестью, чем синяя жидкость. Через некоторое время возникает неустойчивость Рэлея-Тейлора, и красная жидкость проникает в синюю.

Отрицательная тепловая плавучесть океанических плит является основной причиной субдукции и тектоники плит, в то время как положительная тепловая плавучесть может привести к образованию мантийных плюмов, которые могут объяснить внутриплитный вулканизм. Относительная важность производства тепла по сравнению с тепловыми потерями для плавучей конвекции на всей Земле остается неопределенной, и понимание деталей плавучей конвекции является ключевым направлением геодинамики.

Методы

Геодинамика - это обширная область, которая объединяет наблюдения из многих различных типов геологических исследований в общую картину динамики Земли. Вблизи поверхности Земли данные включают полевые наблюдения, геодезию, радиометрическое датирование , петрологию , минералогию, бурение скважин и методы дистанционного зондирования . Однако за пределами глубины в несколько километров большинство таких наблюдений становится непрактичным. Геологи, изучающие геодинамику мантии и ядра, должны полностью полагаться на дистанционное зондирование, особенно сейсмологию, и экспериментальное воссоздание условий, обнаруженных на Земле в экспериментах с высоким давлением и высокой температурой (см. Также уравнение Адамса – Вильямсона ).

Численное моделирование

Из-за сложности геологических систем компьютерное моделирование используется для проверки теоретических прогнозов геодинамики с использованием данных из этих источников.

Существует два основных способа численного геодинамического моделирования.

Моделирование для воспроизведения конкретного наблюдения: этот подход направлен на то, чтобы ответить на вопрос, что вызывает конкретное состояние конкретной системы.
Моделирование для создания базовой гидродинамики: этот подход направлен на то, чтобы ответить, как в целом работает конкретная система.

Базовое моделирование гидродинамики может быть далее разделено на мгновенные исследования, которые стремятся воспроизвести мгновенный поток в системе из-за заданного распределения плавучести, и исследования, зависящие от времени, которые либо стремятся воспроизвести возможное развитие данного начального состояния во времени. или статистическое (квази) установившееся состояние данной системы.

Смотрите также

Вычислительная инфраструктура для геодинамики - организация, развивающая науку о Земле

Languages

In other projects