Geodinamika

Geodinamika je podoblast geofizike koja se bavi dinamikom planete Zemlje. Primjenjuje fiziku, hemiju i matematiku za razumijevanje kako konvekcija plašta dovodi do tektonike ploča i geoloških pojava poput širenje morskog dna, građe planina, vulkana, zemljotresia i tako dalje. Takođe pokušava da ispita unutrašnju aktivnost, mjerenjem magnetnog polja, gravitacije i seizmičkog podrhtavanja, kao i mineralogije stijena i njihovog izotopskog sastava. Metodi geodinamike primenjuju se i za istraživanje drugih planeta.^[1]

Pregled

Geodinamika se uglavnom bavi procesima koji premještaju materijale širom Zemlje. U Zemljinoj unutrašnjosti kretanje se događa kada se stijene rastope ili deformiraju), kao odgovor na stresno polje .^[2] This deformation may be brittle, elastic, or plastic, depending on the magnitude of the stress and the material's physical properties, especially the stress relaxation time scale. Rocks are structurally and compositionally heterogeneous and are subjected to variable stresses, so it is common to see different types of deformation in close spatial and temporal proximity.^[3] When working with geological timescales and lengths, it is convenient to use the continuous medium approximation and equilibrium stress fields to consider the average response to average stress.^[4] Ova deformacija može biti krhka, elastična ili plastična, ovisno o snazi stresa i fizičkih svojsatva materijala, posebno vremenske skale za opuštanje. Stijene su strukturno i kompozicijski heterogene i izložene su promjenjivim naponima, pa je uobičajeno vidjeti različite vrste deformacija u uskoj prostornoj i vremenskoj blizini.^[5] Prilikom rada s geološkim vremenskim razmjerima i dužinama, prikladno je upotrijebiti polja kontinuirane aproksimacije medija i ravnoteže naprezanja, kako bi se uzeo u obzir prosječni odgovor na prosječni stres.^[6] Stručnjaci za geodinamiku obično koriste podatke iz geodetskih sistema GPS, InSAR i seizmologije, zajedno sa numeričkim modelima, za proučavanje evolucije Zemljine litosfere, plašta i jezgra.

Rad koji obavljaju geodinamičari može obuhvatati:

Modeliranje krhke i duktilne deformacije geoloških materijala;
Predviđanje obrazaca kontinentalne akreije i raspada kontinenataa i superkontinenta;
Promatranje deformacije i opuštanja površine zbog ledenih ploča i postledenih odbojnika, te analiza povezanih pretpostavki o viskoznosti plašta;
Pronalaženje i razumijevanje pokretačkih mehanizama iza tektonskih pomjeranja ploča.^[7]

Deformacija stijena

Stijene i drugi geološki materijali doživljavaju naprezanje u skladu s tri različita obrasca: elastičnim, plastičnim i krhkim, ovisno o svojstvima materijala i veličini stresnog poljA. Naprezanje se definira kao prosječna sila po jedinici površine na svaki dio stijene. Pritisak je dio naprezanja koji mijenja volumen krutine; smicanje mijenja oblik. Ako nema smicanja, tekućina je u hidrostatskoj ravnoteži. Budući da se tokom dugog perioda stijene lako deformiraju pod pritiskom, Zemlja je u hidrostatskoj ravnoteži do dobre aproksimacije. Pritisak na stijenu zavisi samo od težine stijene iznad, a to zavisi od gravitacije i gustoće stijene. U tijelu poput Mjeseca, gustoća je gotovo stalna, pa se lahko izračunava pritisak. U Zemlji je kompresija stijena dubinom značajna, a da bi se izračunale promjene gustoće stijena potrebna je jednačina stanja, čak i kada su jednoličnog sastava.^[8]

Elastična deformacija

Elastična deformacija uvijek je reverzibilna, što znači da ako se ukloni polje napona koje je povezano s elastičnom deformacijom, materijal će se vratiti u svoje prethodno stanje. Materijali se ponašaju elastično samo kada relativni raspored duž osi koja se smatra materijalnim komponentama (npr. atomi ili kristali) ostane nepromijenjen. To znači da veličina napona ne može premašiti čvrstoću popuštanja materijala, a vremenska skala naprezanja ne može se približiti vremenu opuštanja materijala. Ako stres prelazi čvrstoću materijala, veze se počinju razbijati (i reformirati), što može dovesti do duktilne ili krhke deformacije.

Duktilna ili plastičn deformacija

Duktilna ili plastična deformacija događa se kada je temperatura sistema dovoljno visoka da značajan udio materijalnih mikroćelija (slika 1) nije povezan, što znači da je veliki udio materijala hemijske veze u procesu raspada i reformi. Tokom duktilne deformacije, ovaj proces preusmjeravanja atoma preraspodjeljuje stres i naprezanje prema ravnoteži brže nego što se mogu akumulirati.^[7] Primjeri uključuju savijanje litosfere ispod vulkanskog otoka s ili sedimentnih bazena i savijanje u okeanskim brazdama.^[8] Duktilna deformacija se događa kada se transportni procesi poput difuzije i advekcije, koji se oslanjaju na hemijske veze, moraju razbiti i reformirati kako bi se naprezanje prerasporedilo onoliko brzo koliko se akumulira.

Krhka deformacija

Kada se sloj lokalizira brže nego što ga ovi procesi opuštanja mogu redistribuirati, dolazi do krhke deformacije. Mehanizam krhke deformacije uključuje pozitivnu povratnu spregu između nakupljanja ili širenja defekata, posebno onih koji nastaju u područjima visokog naprezanja i lokalizacije naprezanja duž tih dislokacija i lomova. Drugim riječima, svaki prijelom, koliko god bio mali, ima tendenciju da se fokusira na njenoj vodećoj ivici, što uzrokuje da se prijelom produži.^[7] Općenito, način deformacije kontroliraju, ne samo količina naprezanja, nego i distribucija nihovih svojstava i sopstvena deformacija. Bez obzira na način na koji se deformacija na kraju dogodi, rezultat je nadmetanja između procesa koji imaju tendenciju lokalizacije naprezanja, poput širenja loma, i relaksacijskih procesa, koji imaju tendenciju delokalizacije naprezanja.

Deformacijske strukture

Strukturna geologija proučava rezultate deformacije, koristeći opažanja na stijenama, posebno način i geometriju deformacije kako bi rekonstruirali polje napona koje je vremenom uticalo na stijenu. Strukturna geologija važan je dodatak geodinamici jer pruža najdirektniji izvor podataka o kretanju Zemlje. Različiti načini deformacija rezultiraju različitim geološkim strukturama, npr. krhkim lomom u stijenama ili duktilnim nagibom.

Termodinamika

Fizičke karakteristike stijena koje kontroliraju brzinu i način naprezanja, kao što su snaga prinosa ili viskoznost, ovise o termodinamičkom stanju stijene i njenom sastavu. Najvažnije termodinamičke varijable u ovom slučaju su temperatura i pritisak. Obje se povećavaju s dubinom, tako da se, do prve aproksimacije, način deformacije može shvatiti u smislu dubine. Unutar gornje litosfere česta je krhka deformacija jer stijene pod niskim pritiskom imaju relativno malu čvrstoću krhkosti, dok istovremeno niska temperatura smanjuje vjerovatnoću duktilnog strujanja. Nakon krhkoduktilne tranzicijske zone, duktilna deformacija postaje dominantna.^[2] Elastična deformacija događa se kada je vremenska skala naprezanja kraća od vremena opuštanja materijala. Seizmički talasi su uobičajeni primjer ove vrste deformacije. Na temperaturama dovoljno visokim da rastope stijene, duktilna čvrstoća približava se nuli, zbog čega se elastična deformacija smicanja (S-talasi) neće širiti kroz otopljenu masu.^[9]

Dinamika Zemlje

Glavna pokretačka sila koja iza stresa u Zemlji osigurava toplinsku energiju koja dolazi od raspada radioizotopa, trenja i zaostale topline. Hlađenjem na površini i proizvodnjom topline unutar Zemlje stvaraju se metastabilni toplinski gradijenti od vrućeg jezgra do relativno hladne litosfere. Ova toplotna energija se toplotnom ekspanzijom pretvara u mehaničku energiju. Dublji slojevi su topliji i često imaju veću toplinsku ekspanziju i manju gustoću u odnosu na nadzemne stijene. Suprotno tome, stijena koja se hladi na površini može postati manje razijena od stijene ispod nje. To eventualno može dovesti do nestabilnosti Rayleigh-Taylorovog pokazatelja (slika 2), ili do prodora stijena na različitim stranama kontrasta uzgona.

Slika 2 prikazuje Rayleigh-Taylorovu nestabilnost u 2D pomoću Shan-Chen modela. Crvena tečnost se u početku nalazi u sloju na vrhu plave tečnosti i manje je plutajuća od plave. Nakon nekog vremena dolazi do nestabilnosti Rayleigh-Taylora i crvena tečnost prodire kroz plavu.

Negativna toplinska provodljivsost okeanskih ploča je glavni uzrok subdukcije i tektonike ploča, dok pozitivna toplotna plovnost može dovesti do plasteničkog plašta, što bi moglo objasniti unutarpločni vulkanizam.^[10] Relativna važnost proizvodnje topline u odnosu na gubitak topline za plutajuću konvekciju u cijeloj Zemlji ostaje neizvjesna, a razumijevanje detalja pobuđujuće konvekcije ključni je fokus geodinamike.^[2]

Metodi

Geodinamika je široko polje koje objedinjuje opažanja iz mnogih različitih vrsta geoloških studija u široku sliku dinamike Zemlje. Podaci o stanjima blizu površine Zemlje, uključuju terenska opažanja, geodeziju, radiometrijsko datiranje, petrologiju, mineralogiju, pravljenje bušotina i tehnike. daljinskog istraživanja, Međutim, izvan dubine od nekoliko kilometara, većina ovakvih opažanja postaje nepraktična. Geolozi koji proučavaju geodinamiku plašta i jezgra moraju se u potpunosti oslanjati na daljinsko istraživanje, posebno seizmologiju, i eksperimentalno rekreirati uvjete koje se nalaze u Zemlji, u eksperimentima pod visokim pritiskom (vidi također Adams-Williamsonova jednadžba).

Numeričko modeliranje

Zbog složenosti geoloških sistema, za testiranje teorijskih predviđanja o geodinamici, koristi se računarsko modeliranje, uključujući i podatke iz ovih izvora. Postoje dva glavna načina geodinamičkog numeričkog modeliranja.^[11]

Modeliranje radi reprodukcije određenog zapažanja: cilj ovog pristupa je da nađe uzroke određenog stanja datog sistema.
Modeliranje za proizvodnju osnovne dinamike fluida traži odgovore na pitanja na koji način funkcioniše određeni sistem.

Modeliranje osnovne dinamike fluida može se dalje podijeliti u trenutne studije, koje imaju za cilj reprodukciju trenutnog protoka u sistenuu zbog date raspodjele plutanja, i vremenski ovisne studije, koje žele reproducirati moguću evoluciju određenog početnog stanja tokom vremena ili statistički (kvazi)ustaljenog stanja datog sistema.

Također opogledajte

Reference

^ Ismail-Zadeh i Tackley 2010
^ ^a ^b ^c Turcotte, D. L. and G. Schubert (2014). "Geodynamics."
^ Winters, J. D. (2001). "An introduction to igenous and metamorphic petrology."
^ Newman, W. I. (2012). "Continuum Mechanics in the Earth Sciences."
^ Winters, JD (2001). "Uvod u prirodu i metamorfnu petrologiju."
^ Newman, WI (2012). "Mehanika kontinuiteta u naukama o Zemlji."
^ ^a ^b ^c Karato, Shun-ichiro (2008). "Deformation of Earth Materials: An Introduction to the Rheology of Solid Earth."
^ ^a ^b Turcotte i Schubert 2002
^ Faul, U. H., J. D. F. Gerald and I. Jackson (2004). "Shear wave attenuation and dispersion in melt-bearing olivine
^ Bourdon, B., N. M. Ribe, A. Stracke, A. E. Saal and S. P. Turner (2006). "Insights into the dynamics of mantle plumes from uranium-series geochemistry." Nature 444(7): 713-716.
^ Tackley, Paul J. (2005), "Numerical and laboratory studies of mantle convection: Philosophy, accomplishments, and thermochemical structure and evolution", Earth's Deep Mantle: Structure, Composition, and Evolution (jezik: engleski), American Geophysical Union, 160, str. 83–99, doi:10.1029/160gm07

Bibliografija

Ismail-Zadeh, Alik; Tackley, Paul J. (2010). Computational methods for geodynamics. Cambridge University Press. ISBN 9780521867672.CS1 održavanje: ref=harv (link)
Jolivet, Laurent; Nataf, Henri-Claude; Aubouin, Jean (1998). Geodynamics. Taylor & Francis. ISBN 9789058092205.CS1 održavanje: ref=harv (link)
Turcotte, D.; Schubert, G. (2002). Geodynamics (2nd izd.). New York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-66186-7.CS1 održavanje: ref=harv (link)

Vanjski linkovi

[Ismail-Zadeh2010-1] Ismail-Zadeh i Tackley 2010

[Turcotte2014-2] Turcotte, D. L. and G. Schubert (2014). "Geodynamics."

[3] Winters, J. D. (2001). "An introduction to igenous and metamorphic petrology."

[4] Newman, W. I. (2012). "Continuum Mechanics in the Earth Sciences."

[5] Winters, JD (2001). "Uvod u prirodu i metamorfnu petrologiju."

[6] Newman, WI (2012). "Mehanika kontinuiteta u naukama o Zemlji."

[Karato2008-7] Karato, Shun-ichiro (2008). "Deformation of Earth Materials: An Introduction to the Rheology of Solid Earth."

[Turcotte2002-8] Turcotte i Schubert 2002

[9] Faul, U. H., J. D. F. Gerald and I. Jackson (2004). "Shear wave attenuation and dispersion in melt-bearing olivine

[10] Bourdon, B., N. M. Ribe, A. Stracke, A. E. Saal and S. P. Turner (2006). "Insights into the dynamics of mantle plumes from uranium-series geochemistry." Nature 444(7): 713-716.

[11] Tackley, Paul J. (2005), "Numerical and laboratory studies of mantle convection: Philosophy, accomplishments, and thermochemical structure and evolution", Earth's Deep Mantle: Structure, Composition, and Evolution (jezik: engleski), American Geophysical Union, 160, str. 83–99, doi:10.1029/160gm07

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]