Геодинамика - Geodynamics

Геодезия
Azimutalprojektion-schief kl-cropped.png

Геодинамика является подполем геофизика иметь дело с динамика из земной шар. Он применяет физику, химию и математику к пониманию того, как мантийная конвекция приводит к тектоника плит и геологические явления, такие как распространение морского дна, горное строительство, вулканы, землетрясения, нарушение и так далее. Он также пытается исследовать внутреннюю активность путем измерения магнитные поля, гравитация и сейсмические волны, так же хорошо как минералогия скал и их изотопный состав. Методы геодинамики применяются и для исследования других планет.[1]

Обзор

Геодинамика обычно занимается процессами, которые перемещают материалы по всей Земле. в Земля внутри, движение происходит, когда качается таять или же деформировать и поток в ответ на поле напряжений.[2] Эта деформация может быть хрупкий, эластичный, или же пластик в зависимости от величины напряжения и физических свойств материала, особенно от шкалы времени релаксации напряжения. Породы структурно и композиционно неоднородны и подвергаются переменным напряжениям, поэтому часто можно увидеть различные типы деформации в тесной пространственной и временной близости.[3] При работе с геологическими временными масштабами и длинами удобно использовать приближение сплошной среды и поля равновесных напряжений для рассмотрения средней реакции на среднее напряжение.[4]

Специалисты по геодинамике обычно используют данные из геодезический GPS, InSAR, и сейсмология, вместе с числовые модели, чтобы изучить эволюцию земных литосфера, мантия и основной.

Работы, выполняемые геодинамиками, могут включать:

Деформация горных пород

Эта статья о деформации в геологии. Для более строгого обращения см. Деформация (механика).

Опыт работы с камнями и другими геологическими материалами напряжение в соответствии с тремя различными режимами: упругой, пластической и хрупкой в ​​зависимости от свойств материала и величины стресс поле. Напряжение определяется как средняя сила на единицу площади, приложенная к каждой части породы. Давление часть напряжения, изменяющая объем твердого тела; напряжение сдвига меняет форму. Если сдвига нет, жидкость находится в гидростатическое равновесие. Поскольку в течение длительного периода времени 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 теле, подобном Луна, плотность почти постоянна, поэтому профиль давления легко рассчитывается. На Земле сжатие горных пород с глубиной значительно, и уравнение состояния необходим для расчета изменения плотности породы, даже если она имеет однородный состав.[5]

Эластичный

Упругая деформация всегда обратим, 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.[6]

Пластичный

Пластичный 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.[6] Примеры включают изгиб литосферы под вулканические острова или же осадочные бассейны, и изгибая на океанические желоба.[5] 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 напряжение локализуется быстрее, чем эти релаксационные процессы могут его перераспределить, хрупкая деформация происходит. Механизм хрупкой деформации включает положительную обратную связь между накоплением или распространением дефектов, особенно возникающих в результате деформации в областях с высокой деформацией, и локализацией деформации вдоль этих дислокаций и трещин. Другими словами, любая трещина, какой бы небольшой она ни была, имеет тенденцию фокусировать деформацию на своей передней кромке, что вызывает расширение трещины.[6]

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 горной породой, 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 обеспечивает наиболее прямой источник данных о движениях Земли. Различные режимы деформации приводят к разным геологическим структурам, например хрупкое разрушение горных пород или пластичная складчатость.

Термодинамика

Физические характеристики горных пород, которые контролируют скорость и режим деформации, такие как предел текучести или же вязкость, зависят от термодинамическое состояние рока и композиции. 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.[2] Упругая деформация происходит, когда временной масштаб напряжения короче, чем время релаксации материала. Сейсмические волны - типичный пример деформации этого типа. 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.[7]

Силы

Основная движущая сила напряжения в Земле обеспечивается тепловой энергией распада радиоизотопа, трением и остаточным теплом.[8][9] Охлаждение на поверхности и производство тепла внутри Земли создают метастабильный температурный градиент от горячего ядра к относительно холодной литосфере.[10] Эта тепловая энергия преобразуется в механическую за счет теплового расширения. Глубже, горячее и часто имеют более высокое тепловое расширение и меньшую плотность по сравнению с вышележащими породами. И наоборот, порода, охлаждаемая 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 горных пород по разные стороны контраста плавучести.[2][11]

На рисунке 2 показан Неустойчивость Рэлея-Тейлора в 2D с помощью Модель Шань-Чен. 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,[12] в то время как положительная термальная плавучесть может привести к образованию мантийных плюмов, которые могут объяснить внутриплитный вулканизм.[13] 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.[2]

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, петрология, минералогия, бурение скважины и дистанционное зондирование техники. 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 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.[14]

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

Базовое моделирование гидродинамики можно далее разделить на мгновенные исследования, которые стремятся воспроизвести мгновенный поток в системе из-за заданного распределения плавучести, и исследования, зависящие от времени, которые либо направлены на воспроизведение возможного развития данного начального состояния во времени. или статистическое (квази) установившееся состояние данной системы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Исмаил-Заде и Такли 2010
  2. ^ а б c d Тюркотт, Д. Л. и Г. Шуберт (2014). «Геодинамика».
  3. ^ Уинтерс, Дж. Д. (2001). «Введение в коренную и метаморфическую петрологию».
  4. ^ Ньюман, В. И. (2012). «Механика сплошной среды в науках о Земле».
  5. ^ а б Turcotte & Schubert 2002
  6. ^ а б c Карато, Сюн-ичиро (2008). «Деформация материалов Земли: Введение в реологию твердой Земли».
  7. ^ Фол, У. Х., Дж. Д. Ф. Джеральд и И. Джексон (2004). «Затухание и дисперсия поперечной волны в расплавленном оливине.
  8. ^ Хагер, Б. Х. и Р. В. Клейтон (1989). «Ограничения на структуру мантийной конвекции с использованием сейсмических наблюдений, моделей потока и геоида». Гидравлическая механика астрофизики и геофизики 4.
  9. ^ Стейн, К. (1995). «Тепловой поток Земли».
  10. ^ Дзевонски, А. М. и Д. Л. Андерсон (1981). «Предварительная эталонная модель Земли». Физика Земли и планетных недр 25 (4): 297-356.
  11. ^ Рибе, Н. М. (1998). «Вытекание и выбор формы в плоскости при неустойчивости Рэлея-Тейлора смешивающихся вязких жидкостей». Журнал гидромеханики 377: 27-45.
  12. ^ Конрад, К. П. и К. Литгоу-Бертеллони (2004). «Временная эволюция движущих сил плит: важность« всасывания плиты »по сравнению с« вытягиванием плиты »в кайнозое». Журнал геофизических исследований 109 (B10): 2156-2202.
  13. ^ Б. Бурдон, Н. М. Риб, А. Страк, А. Е. Заал и С. П. Тернер (2006). «Понимание динамики мантийных плюмов из геохимии уранового ряда». Природа 444 (7): 713-716.
  14. ^ Tackley, Paul J .; Се, Шуньсин; Накагава, Такаши; Хернлунд, Джон В. (2005), "Численные и лабораторные исследования мантийной конвекции: философия, достижения, термохимическая структура и эволюция", Глубокая мантия Земли: структура, состав и эволюция, Американский геофизический союз, 160, стр. 83–99, Bibcode:2005GMS ... 160 ... 83 зуб., Дои:10,1029 / 160 г · м 07, ISBN  9780875904252
Библиография

внешняя ссылка