Геодинамика - Geodynamics


Из Википедии, свободной энциклопедии

Геодинамика подполе геофизики , связанную с динамикой в Земле . Это касается физики, химии и математики для понимания того , как конвекция в мантии приводит к тектонике плит и геологические явления , такие как спрединга , горообразования , вулканов , землетрясений , разломов и так далее. Она также пытается исследовать внутреннюю активность путем измерения магнитных полей , гравитационных и сейсмических волн , а также минералогии пород и их изотопный состав . Методы геодинамики также применяются для исследования других планет.

обзор

Геодинамика , как правило , связана с процессами , которые перемещаются материалы по всей Земле. В интерьере Земли , движение происходит , когда камни плавиться или деформироваться и поток в ответ на поле напряжений . Эта деформация может быть хрупкой , эластичной , или из пластика , в зависимости от величины напряжения и физических свойств материала, особенно масштаба времени релаксации напряжений. Камни структурно и композиционно неоднородны и подвергаются переменным нагрузкам, поэтому часто можно увидеть различные типы деформации в тесной пространственной и временной близости. При работе с геологическими сроками и длинами, удобно использовать непрерывные аппроксимации и равновесие полех напряжений среднего рассмотреть средний ответ на среднее напряжение.

Эксперты в области геодинамики обычно используют данные из геодезического GPS , InSAR и сейсмологии , наряду с численными моделями для изучения эволюции земной литосферы , мантии и ядра .

Работа, выполненная geodynamicists может включать в себя:

Деформация горных пород

Камни и другие геологические материалы опыт деформации в соответствии с тремя различными режимами, упругой, пластмассы и ломкими , в зависимости от свойств материала и величины напряжений поля. Стресс определяется как среднее усилие на единицу площади , действующая на каждую часть скалы. Давление является частью стресса , который изменяет объем твердого вещества; напряжение сдвига изменяет форму. Если нет сдвига, жидкость находится в гидростатическом равновесии . Так, в течение длительного времени, камни легко деформироваться под давлением, Земля находится в гидростатическом равновесии с хорошим приближением. Давление на камне зависит только от веса породы выше, и это зависит от тяжести и плотности породы. В теле подобно Луны , плотность почти постоянна, поэтому профиль давления легко вычислить. В Земле, сжатие пород с глубиной является значительным, и уравнение состояния необходимо для расчета изменений в плотности породы , даже когда она имеет однородный состав.

Эластичный

Упругая деформация всегда обратима, что означает , что , если поле напряжений , связанное с упругой деформацией удаляется, материал вернется к своему предыдущему состоянию. Материалы только ведут себя упруго , когда относительное расположение вдоль оси рассматривается материальных компонентов (например , атомы или кристаллы) остается неизменной. Это означает , что величина напряжения не может превышать предел текучести материала, и временный масштаб напряжения не может приблизиться к времени релаксации материала. Если напряжение превышает предел текучести материала, облигации начинают разрушаться (и реформирование), что может привести к пластичному или хрупкой деформации.

пластичный

Ковкий или пластическая деформация происходит , когда температура системы достаточно высока , так что значительная часть материала микросостояние (рисунок 1) являются несвязанными, что означает , что большая часть химических связей в процессе сломаны и реформированы. В процессе пластической деформации, этот процесс атомной перестройки перераспределяет напряжения и деформацию к равновесию быстрее , чем они могут накапливаться. Примеры включают изгиб литосферы под вулканических островов или осадочных бассейнов и сгибая в океанических впадинах . Ковкий деформация происходит , когда процессы переноса , такие как диффузия и адвекция , которые полагаются на химических связях , чтобы разбить и реформировать штамм перераспределить примерно так же быстро , как он накапливается.

ломкий

При деформации локализуется быстрее , чем эти процессы релаксации могут распространять его, ломкая деформация происходит. Механизм хрупкого деформации включает в себя положительную обратную связь между накоплением или распространения дефектов , особенно тех , продуцируемых штаммом в зонах высокого напряжения и локализации деформации вдоль этих дислокаций и переломов. Другими словами, любой перелом, однако мало, имеет тенденцию сосредотачиваться напряжение на его передней кромке, что вызывает разрушение расширяться.

В общем, режим деформации контролируются не только количество стресса, но и распределение напряжения и деформации, связанные особенностей. Какой бы способ деформации, в конечном счете происходит, является результатом конкуренции между процессами, которые имеют тенденцию к локализации деформации, например, распространения трещины и релаксационных процессов, таких как отжиг, которые имеют тенденцию делокализуются напряжение.

Деформация структуры

Структурные геологи изучают результаты деформации, используя наблюдения породы, в особенности режима и геометрию деформации реконструировать поле напряжений , которые затрагивают камень с течением времени. Структурная геология является важным дополнением к геодинамики , поскольку он обеспечивает наиболее прямой источник данных о движении Земли. Различные режимы результате деформации в различных геологических структурах, например , хрупкое разрушение в горных породах или пластичное складывании.

Термодинамика

Физические характеристики горных пород , которые контролируют скорость и режим деформации, например, предел текучести или вязкость , зависят от термодинамического состояния породы и состава. Наиболее важные термодинамические переменные в данном случае являются температура и давление. Оба эти увеличения с глубиной, так что в первом приближении режим деформации могут быть поняты с точки зрения глубины. В верхней части литосферы, ломкие деформации является общим , так как при низких горных пород под давлением , имеют относительно низкую хрупкую прочность, в то же время при низкой температуре уменьшает вероятность потока пластичного. После переходной зоны хрупко-пластичной, пластичная деформация становится доминирующей. Упругая деформация происходит , когда временная масштаб стресса короче , чем время релаксации материала. Сейсмические волны являются общим примером такого типа деформации. При температурах , достаточно высоких , чтобы расплавить породы, пластичная прочность на сдвиге приближается к нулю, поэтому режим сдвига упругая деформация (S-волна) не будет распространяться через расплавы.

Динамика Земли

Главная движущая сила стресса на Земле обеспечиваются тепловой энергией от радиоизотопов распада, трения и остаточного тепла. Охлаждение на поверхности и тепла внутри Земли создают метастабильное температурный градиент от горячего ядра к относительно холодной литосферы. Эта тепловая энергия преобразуется в механическую энергию путем термического расширения. Более глубокий горячий и часто имеет более высокий термическое расширение и меньшую плотность по сравнению с вышележащими породами. С другой стороны, камень, который охлаждается на поверхности может стать менее стабильной, чем скалы под ним. В конечном счете это может привести к неустойчивости Рэлея-Тейлора (рисунок 2), или взаимопроникновение породы на разных сторонах контраста плавучести.

На рисунке 2 показана неустойчивость Рэлея-Тейлора в 2D с использованием модели Шань-Chen . Красная жидкость изначально находится в слое на верхней части голубой жидкости, и в меньшей степени , чем плавучесть синей жидкости. Через какое - то время, неустойчивость Рэлея-Тейлора возникает, а красная жидкость проникает в синий.

Отрицательное тепловое плавучесть океанических плит является основной причиной субдукционных и тектонических плит, в то время как положительная тепловая плавучесть может привести к плюмам, которые могли бы объяснить внутриплитовый вулканизм. Относительная важность выработки тепловой энергии по сравнению с потерями тепла для плавучей конвекции на протяжении всей Земли остается неопределенной и понимание деталей выталкивающей конвекции является ключевым направлением геодинамики.

методы

Геодинамика представляет собой широкое поле , которое сочетает в себе наблюдение из многих различных типов геологического изучения в широкую картину динамики Земли. Близко к поверхности Земли, данные включают в себя полевые наблюдения, геодезия, радиометрического датирования , петрологии , минералогии, буровых скважин и дистанционного зондирования техники. Тем не менее, за глубиной несколько километров, большинство из этих видов наблюдений становится непрактичным. Геологи , изучающие геодинамику мантии и ядра должны полностью полагаться на дистанционном зондировании, особенно сейсмологии и экспериментально воссоздать условия , найденные на Земле в экспериментах с высокой температурой под высоким давлением (см . Также уравнение Адамса-Williamson ).

Численное моделирование

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

Есть два основных способа геодинамического численного моделирования.

  1. Моделирование для воспроизведения конкретного наблюдения: Этот подход направлен на то, что ответ вызывает определенное состояние конкретной системы.
  2. Моделирование для производства основной гидрогазодинамики: Этот подхода направлено на ответ, как конкретная система работает в целом.

Базовое моделирование динамики жидкости может быть далее подразделено на мгновенные исследования, целью которых воспроизвести мгновенный поток в системе из-за заданное распределение плавучести, и зависящим от времени исследований, которые либо стремятся воспроизвести возможную эволюцию заданного начального состояния с течением времени или статистический (квази) в равновесном состоянии данной системы.

Смотрите также

Рекомендации

Список используемой литературы

внешняя ссылка