Аналоговое моделирование (геология)

Модель надвигов в чисто сдвиговой песочнице формирования

Аналоговое моделирование — это лабораторный экспериментальный метод, использующий несложные физические модели (например, «песочницу») с определенными простыми масштабами времени и длины для моделирования геологических сценариев и моделирования геодинамической эволюции.

Существует множество ограничений, влияющих на непосредственное изучение Земли. Во-первых, временные рамки геодинамических процессов исключительно велики (миллионы лет), и большинство процессов начались задолго до человеческих записей. Во-вторых, масштабы геодинамических процессов огромны (тысячи километров), и большинство из них происходит на глубине Земли. Таким образом, ученые начали создавать пропорциональные мелкомасштабные симуляции особенностей мира природы для проверки геологических идей. Аналоговые модели могут напрямую отображать всю структуру конструкции в 3D и в поперечном сечении. Они помогают понять внутреннюю структуру и прогрессивное развитие деформирующихся регионов Земли.

Аналоговое моделирование широко используется для геодинамического анализа и иллюстрации развития различных геологических явлений . Модели могут исследовать мелкомасштабные процессы, такие как складчатость и разломы , или крупномасштабные процессы, такие как тектонические движения и внутренние структуры Земли.

История

Машина бокового сжатия, созданная Джеймсом Холлом для моделирования геологической складчатости. Эта машина до сих пор присутствует в Королевском обществе Эдинбурга . Материалы, сжатые в коробке, представляют собой одеяла или слои глины.

Аналоговое моделирование имеет историю развития, насчитывающую более 200 лет.

Его использовали, по крайней мере, с 1812 года, когда Джеймс Холл сжимал слои глины, чтобы создать складки, подобные тем, которые он изучал на обнажении породы . Эта идея моделирования привела ко многим другим мелкомасштабным исследованиям, таким как кратность распространения разломов , неисправность тяги , и складки в конце 19 века. Все эти исследования были качественными.

Кинг Хубберт придумал теорию масштабирования в 1937 году, а это означает, что изучение аналогового моделирования стало количественным . Количественный подход впоследствии был развит многими учеными. По мере расширения области геодинамических исследований увеличивалось аналоговое моделирование, особенно для крупномасштабных геологических процессов. Примеры включают прото-субдукцию. субдукция в тектонике плит , столкновении , диапиризм , и рифтинг .

Компоненты

Аналоговая модель образования кальдеры с использованием муки для изображения верхней части коры и воздушного шара для изображения надувающегося магматического очага.

Масштабирование

В 1937 году Кинг Хабберт описал ключевые принципы масштабирования аналоговых моделей. Он определил три типа подобия моделей и мира природы: геометрическое, кинематическое и динамическое.

Геометрическое сходство

Чтобы быть геометрически подобными, длины в модели и натуральном примере должны быть пропорциональны , а углы должны быть равны. Когда длина естественного прототипа (p) равна $l_{n}^{p}$ (n=1, 2, 3...) и угол равен $\alpha _{n}^{p}$. Соответственно длина в модели (м) равна $l_{n}^{m}$ и угол $\alpha _{n}^{m}$. Они должны соответствовать следующим формулам:

${\frac {l_{1}^{m}}{l_{1}^{p}}}={\frac {l_{2}^{m}}{l_{2}^{p}}}={\frac {l_{3}^{m}}{l_{3}^{p}}}={\frac {l_{n}^{m}}{l_{n}^{p}}}$ & $\alpha _{n}^{m}=\alpha _{n}^{p}$

Например, 1 сантиметр в модели соответствует 1 километру в природе.

Кинематическое подобие

Чтобы быть кинематически подобными, они должны быть подобны геометрически, а время, необходимое для возникновения изменений, должно быть пропорциональным . Когда необходимое время для замены $t_{n}$:

${\frac {t_{1}^{m}}{t_{1}^{p}}}={\frac {t_{2}^{m}}{t_{2}^{p}}}={\frac {t_{3}^{m}}{t_{3}^{p}}}={\frac {t_{n}^{m}}{t_{n}^{p}}}$

Например, 1 секунда в модели соответствует 1 тысяче лет в природе.

Как известно: $v={\frac {l}{t}}$, скорости ( $v$) можно масштабировать с помощью следующего уравнения:

$v^{p}=v^{m}{\frac {l^{p}t^{m}}{l^{m}t^{p}}}$

Динамическое сходство

Когда модели и мир природы геометрически и кинематически схожи, динамическое подобие дополнительно требует, чтобы различные силы, действующие на точку модели, были пропорциональны силам в соответствующей точке природы. Когда силы ( $F_{n}$) действующие на систему $F_{g}$ ( гравитация ), $F_{v}$ ( вязкая сила ) и $F_{f}$ ( трение ):

${\frac {F_{g}^{m}}{F_{g}^{p}}}={\frac {F_{v}^{m}}{F_{v}^{p}}}={\frac {F_{f}^{m}}{F_{f}^{p}}}={\frac {F_{n}^{m}}{F_{n}^{p}}}$

Однако, поскольку силы, действующие в природе, неизмеримы, невозможно напрямую масштабировать силы и напряжения. Ученые использовали различные формулы для преобразования сил в параметры, которые можно измерить. Уравнение импульса Коши обычно используется для показа взаимосвязи между силами и плотностями ( $\rho$ плотность):

${\frac {F^{m}}{F^{p}}}={\frac {\rho ^{m}(l^{m})^{3}}{\rho ^{p}(l^{p})^{3}}}$(Получается из уравнения импульса Коши )

Закон Стокса обычно используется для демонстрации взаимосвязи между силами и контрастами плотности ( $\Delta \rho$ постоянная плотности):

${\frac {F^{m}}{F^{p}}}={\frac {\Delta \rho ^{m}(l^{m})^{3}}{\Delta \rho ^{p}(l^{p})^{3}}}$(Получается из закона Стокса )

(Хотя гравитационное ускорение $g^{m}=g^{p}$)

Поскольку плотности и контрасты плотностей пропорциональны или масштабировать плотности легко контрасты плотностей . силам и напряжениям, вместо масштабирования сил и напряжений

Однако эти два уравнения могут привести к разным масштабам топографии.

Простое аналоговое моделирование системы складчато-упорных поясов, выполненное в физической лаборатории Нанкинского университета. Белый и синий материалы представляют собой кварцевые пески.

Экспериментальная установка

Различные геодинамические процессы моделируются различной экспериментальной аппаратурой.

Например, машины бокового сжатия обычно используются для моделирования деформаций, связанных с укорочением литосферы, таких как складчатость , надвиговые разломы , коллизии и субдукции . Для разрыва пласта обычно используются машины продольного сжатия. Существует большое разнообразие устройств, основанных на различных источниках сил, приложенных к материалу. Некоторые устройства имеют несколько систем принуждения, поскольку природа неоднородна.

Лабораторная среда

Системы

Для экспериментальных систем энергия может подводиться извне (на границе) и изнутри ( плавучести силы ). Если деформация вызвана только внутренними силами, это закрытая система . И наоборот, если деформации вызваны внешними силами или сочетанием внутренних и внешних сил, это открытая система .

В открытой системе силы выдавливания или растяжения применяются извне. Однако силы плавучести могут создаваться как снаружи, так и внутри. Материалы и тепловую энергию можно добавлять в систему или удалять из нее. В закрытой системе в систему не добавляются энергия и материалы. Таким образом, все деформации вызваны внутренними силами плавучести. В закрытой системе можно моделировать только деформацию, вызванную плавучестью.

Гравитационное поле

Простое аналоговое моделирование зоны субдукции . Материалы, которые использует эта модель, — это песчаная смесь и силиконовая замазка для континентальной коры (слева, слоистая коричневая) и океанической коры (справа, слоистая коричневая), а также глюкозный сироп для астеносферы (зеленовато-голубая жидкость в стеклянном резервуаре). В баке имеется ТЭН для подогрева жидкости.

Поскольку основным исследовательским объектом аналогового моделирования является Земля, гравитационное поле , которое используется в большинстве экспериментов, обычно является гравитационным полем Земли. Однако многие модели выполняются с использованием имитации гравитации, например, с помощью центрифуги . Эти технологии обычно используются при изучении развития структур, управляемых гравитацией, таких как формирование купола , и диапиризм .

Материалы

Для аналогового моделирования используются различные материалы , такие как песок , глина , силикон и парафин . стали использоваться разные материалы Для количественного анализа экспериментов по аналоговому моделированию по сравнению с качественным анализом . До появления теории масштабирования Хабберта ученые использовали природные материалы (например, глину, почву и песок) для аналогового моделирования. Для крупномасштабного моделирования аналоговое моделирование должно иметь геометрическое, кинематическое и динамическое сходство с натурой. Если модель имеет эти сходства, результаты моделирования будут более точными. Все эти различные материалы представляют собой естественные особенности Земли (такие как кора, мантия и реки). Выбор аналоговых материалов затруднен из-за деформации, в значительной степени зависящей от реологии , и непостоянной реологии, находящейся под влиянием температурного градиента в природе. Реологическая характеристика внутренней слоистости разработана на основе исследований сейсмологии и геохимии .

Для моделирования слоев с разными свойствами выбираются разные материалы:

Материалы для аналогового моделирования

Категории		Примеры	Моделирование
Гранулированные материалы (различные по плотности, форме и размеру)		Кварцевый песок, стеклянные микрошарики, порошок полевого шпата.	Хрупкая верхняя корка
Маловязкие материалы		Вода, сахарный раствор, мед	Астеносфера , Подлитосферная мантия
		Кукурузный сироп, сироп глюкозы	Тонущие плиты
Высоколинейные вязкие материалы		Сироп, силиконовая шпаклевка	Пластичная литосфера
Вязкоэластичные материалы		Аморфные полимеры, биополимеры , битумы
Нелинейные вязкие материалы	Пластиковые материалы	Пластилин
	Вязко-пластические материалы	Воск , парафин
	Вязкоупругопластические материалы	Желатин

Преимущества

Аналоговое моделирование обладает множеством полезных свойств:

1. Аналоговые модели могут напрямую отображать целые геодинамические процессы от начала до конца.
2. Геодинамические процессы можно остановить в любой момент для исследования, что позволяет изучать трехмерные структуры.
3. Масштабами модели можно управлять в практически возможном для лаборатории диапазоне.
4. Моделирование может показывать различные результаты геодинамических процессов за счет изменения параметров, при этом выясняется влияние каждого параметра.
5. Результаты аналогового моделирования могут быть непосредственно использованы для интерпретации природы, если точность модели высока.
6. Аналоговое моделирование может обеспечить новый подход к геологическим проблемам.

Недостатки

Поскольку аналоговое моделирование предполагает упрощение геодинамических процессов, оно также имеет ряд недостатков и ограничений:

1. Изучение свойств природных горных пород все еще требует дополнительных исследований. Чем точнее входные данные, тем точнее аналоговое моделирование.
2. В природе существует еще множество факторов, влияющих на геодинамические процессы (таких как изостатическая компенсация и эрозия ), и это, скорее всего, гетерогенные системы. Таким образом, они сложны для моделирования (некоторые факторы даже неизвестны).
3. Вариативность природных пород больше, чем у искусственных материалов; поэтому сложно полностью смоделировать реальную ситуацию.
4. Аналоговое моделирование не может моделировать химические реакции .
5. Существуют систематические ошибки в работе аппарата и случайные ошибки, вызванные человеческим фактором.

Приложения

Простое аналоговое моделирование роста и эрозии орогенного клина. Это моделирование выполняется в стеклянном резервуаре со слоями различных гранулированных материалов, которые представляют собой корку. [1]

Аналоговое моделирование может использоваться для моделирования различных геодинамических процессов и геологических явлений, таких как мелкомасштабные задачи – складчатость , трещиноватость, будинаж и зона сдвига , и крупномасштабные задачи – субдукция , коллизия, диапиризм и мантийная конвекция . Ниже приведены некоторые примеры применения аналогового моделирования.

Тектоника сжатия

Первую аналоговую модель построил Джеймс Холл для имитации складок . Для моделирования он использовал машину бокового сжатия, и эта машина до сих пор выставляется в Королевском обществе Эдинбурга . Конечный результат модели весьма близок к наблюдениям за побережьем Бервикшира . Хотя модель, которую он использовал, проще нынешних, идея продолжает использоваться.

Использование более сложных машин сжатия существенно увеличивает количество моделей тектоники сжатия, включая субдукцию , столкновение, сокращение литосферы, образование трещин, надвиг и аккреционный клин . Если моделирование фокусируется только на верхней части земной коры, модель всегда строится в стеклянном ящике (или двух боковых стеклянных стенках) с поршнем и/или клиньями для приложения сил к слоям зернистого материала (обычно называемого песочницей). В зависимости от различных природных особенностей в модель могут быть включены эрозия (удаление верхних материалов под определенным углом), декольте (вставленные слои с низким сцеплением, обычно стеклянные микрошарики) и любые другие параметры, дающие различные результаты.

Моделирование мантийных влияний различается. Из-за различных физических и химических свойств астеносферы и литосферы вязкие материалы и нагреватель (для мантийной конвекции ). также используются

Простое аналоговое моделирование тектоники растяжения, показывающее формирование сброса и соляного купола (диапиризма). Данная модель выполнена в стеклянном корпусе. Более темный сероватый слой представляет собой силикон, который представляет собой соль, а коричневатые слои — это сухие кварцевые пески, которые представляют собой хрупкие осадочные породы. [2]

Тектоника растяжения

Машины сжатия также могут использоваться в обратном направлении для моделирования тектоники растяжения , такой как растяжение литосферы, образование рифтов , нормальных разломов , будинажа и диапиров . Эти модели также могут быть встроены в стеклянный ящик, аналогичный описанному выше, но вместо силы тяги растягивающая сила . применяется

Сдвиговая тектоника

Упрощенная аналоговая настройка моделирования сдвиговой деформации. Эта модель построена на двух отдельных горизонтальных пластинах. Коричневатые слои представляют собой сухой песок, влажную глину и вязкие материалы, такие как силикон или полидиметилсилоксан.

Сдвиговая тектоника отличается от преимущественно вертикальных движений коры, связанных с сокращением и растяжением, имея преимущественно горизонтальный характер (в относительном отношении лево- или правостороннее ). Такое горизонтальное движение создаст зону сдвига и несколько типов трещин и разломов. Типичная модель, используемая для сдвиговой тектоники, имеет две (или более) горизонтальные базальные плиты, движущиеся в противоположных направлениях (или перемещают только одну из плит, остальные неподвижны). Визуальные результаты показаны с высоты птичьего полета. Ученые использовали КТ -анализ для сбора изображений поперечного сечения для наблюдения за наиболее пострадавшей областью во время моделирования.

См. также

• Геологическое моделирование
• Численное моделирование (геология)
• Аналог Земли