Геодинамика

Геодинамика - это подполет геофизики занимающейся динамикой Земли , . Это применяет физику, химию и математику к пониманию того, как мантийная конвекция приводит к тектонике пластин и геологическим явлениям, таким как распространение морского дна , горное здание , вулканы , землетрясения , неисправность . Он также пытается исследовать внутреннюю активность, измеряя магнитные поля , гравитацию и сейсмические волны , а также минералогию пород и их изотопной композиции . Методы геодинамики также применяются для исследования других планет. ^{[ 1 ]}

Обзор

Геодинамика, как правило, связана с процессами, которые перемещают материалы по всей земле. В внутренней части Земли движение происходит, когда камни платят или деформируются и текут в ответ на поле напряжения . ^{[ 2 ]} Эта деформация может быть хрупкой , упругим или пластиком , в зависимости от величины напряжения и физических свойств материала, особенно шкалы времени расслабления напряжений . Скалы являются структурно и композиционно гетерогенными и подвергаются переменным напряжениям, поэтому часто видно различные типы деформации в тесной пространственной и временной близости. ^{[ 3 ]} При работе с геологическими временными масштабами и длиной удобно использовать поля непрерывного среднего приближения и равновесного напряжения, чтобы рассмотреть средний ответ на среднее напряжение. ^{[ 4 ]}

Эксперты в геодинамике обычно используют данные геодезических GPS , Insar и сейсмологии , а также численные модели Земли , для изучения эволюции литосферы , мантии и ядра .

Работа, выполняемая геодинамиками, может включать в себя:

Моделирование хрупкой и пластичной деформации геологических материалов
Прогнозирование закономерностей континентальной аккреции и распада континентов и суперконденций
Наблюдая за деформацией поверхности и расслаблением из-за ледяных щитов и после окончательного отскока и делая связанные предположения о вязкости мантии
Поиск и понимание механизмов вождения, лежащих в основе тектоники пластины .

Деформация камней

Скалы и другие геологические материалы испытывают напряжение в соответствии с тремя различными режимами: упругими, пластиковыми и хрупкими в зависимости от свойств материала и величины поля напряжения . Стресс определяется как средняя сила на единицу площади, оказываемой на каждой части скалы. Давление - это часть напряжения, которая изменяет объем твердого вещества; Напряжение сдвига меняет форму. Если нет сдвига, жидкость находится в гидростатическом равновесии . Поскольку в течение длительных периодов породы легко деформируются под давлением, Земля находится в гидростатическом равновесии до хорошего приближения. Давление на скалу зависит только от веса скалы выше, и это зависит от гравитации и плотности скалы. В таком теле, как луна , плотность почти постоянна, поэтому профиль давления легко рассчитывается. В Земле сжатие пород с глубиной является значительным, и уравнение состояния , даже если оно имеет однородную композицию. для расчета плотности породы необходимо ^{[ 5 ]}

Эластичный

Упругая деформация всегда обратима, что означает, что если поле стресса, связанное с упругой деформацией, удаляется, материал вернется в его предыдущее состояние. Материалы ведут себя упруго только тогда, когда относительное расположение вдоль оси, рассматриваемой из материалов, компонентов (например, атомов или кристаллов) остается неизменным. Это означает, что величина напряжения не может превышать прочность урожая материала, а шкала времени напряжения не может приблизиться к времени релаксации материала. Если стресс превышает силу доходности материала, облигации начинают нарушать (и реформировать), что может привести к пластичной или хрупкой деформации. ^{[ 6 ]}

Герцоги

Проводимость или пластическая деформация происходит, когда температура системы достаточно высока, так что значительная доля материалов микросотатов (рис. 1) несвязана, что означает, что большая часть химических связей находится в процессе разбиты и реформирования. Во время пластичной деформации этот процесс атомной перестройки перераспределяет напряжение и напрягается в направлении равновесия быстрее, чем они могут накапливаться. ^{[ 6 ]} Примеры включают изгиб литосферы на вулканических островах или осадочных бассейнах и изгиб в океанических траншеях . ^{[ 5 ]} Проводная деформация происходит, когда транспортные процессы, такие как диффузия и адвекция, которые полагаются на разбитые химические связи и реформированное напряжение перераспределения примерно так же быстро, как она накапливается.

Хрупкий

Когда штамм локализуется быстрее, чем эти процессы релаксации могут перераспределить его, хрупкая деформация происходит . Механизм хрупкой деформации включает в себя положительную обратную связь между накоплением или распространением дефектов, особенно тех, которые получают деформацию в областях высокого напряжения, и локализацией деформации вдоль этих дислокаций и переломов. Другими словами, любой перелом, хотя и небольшой, имеет тенденцию фокусировать напряжение на его переднем крае, что приводит к расширению перелома. ^{[ 6 ]}

В целом, способ деформации контролируется не только количеством напряжения, но и путем распределения связанных с деформационными характеристиками. Какой бы режим деформации в конечном итоге не произошел, это результат конкуренции между процессами, которые имеют тенденцию локализовать деформацию, такие как распространение переломов, и релаксационные процессы, такие как отжигание, которые имеют тенденцию к делокализовой деформации.

Деформационные структуры

Структурные геологи изучают результаты деформации, используя наблюдения за породой, особенно режим и геометрия деформации для восстановления поля стресса, которое повлияло на породу с течением времени. Структурная геология является важным дополнением к геодинамике, поскольку она предоставляет наиболее прямой источник данных о движениях Земли. Различные способы деформации приводят к различным геологическим структурам, например, хрупким переломам в породах или пластичной складывании.

Термодинамика

Физические характеристики пород, которые контролируют скорость и режим деформации, такие как прочность урожая или вязкость , зависят от термодинамического состояния породы и композиции. Наиболее важными термодинамическими переменными в этом случае являются температура и давление. Оба из них увеличиваются с глубиной, поэтому к первому приближению, режим деформации может быть понят с точки зрения глубины. В пределах верхней литосферы хрупкая деформация распространена, потому что при пород с низким давлением имеют относительно низкую хрупкую силу, в то же время низкая температура снижает вероятность протокового потока. После хрупко-плановой переходной зоны проводная деформация становится доминирующей. ^{[ 2 ]} Упругая деформация происходит, когда временная масштаба стресса короче времени релаксации для материала. Сейсмические волны являются распространенным примером такого типа деформации. При температурах достаточно высоких, чтобы расплавлять камни, прочность на сдвиг прохождение сдвига приближается к нулю, поэтому упругая деформация режима сдвига (S-волны) не будет распространяться через расплав. ^{[ 7 ]}

Силы

Основная мотивная сила, стоящая за напряжением в Земле, обеспечивается тепловой энергией от распада радиоизотопа, трения и остаточного тепла. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} Охлаждение на поверхности и производстве тепла в земле создает метастабильный термосродец от горячего ядра до относительно прохладной литосферы. ^{[ 10 ]} Эта тепловая энергия превращается в механическую энергию путем термического расширения. Более глубокие и горячие породы часто имеют более высокое тепловое расширение и более низкую плотность по сравнению с вышележащими породами. И наоборот, скала, которая охлаждена на поверхности, может стать менее плавучей, чем скала под ней. В конечном итоге это может привести к нестабильности Рэлея-Тейлора (рис. 2) или интерпетрации породы с разных сторон контраста плавучести. ^{[ 2 ]}^{[ 11 ]}

Отрицательная термическая плавучесть океанических пластин является основной причиной субдукции и тектоники пластины, ^{[ 12 ]} В то время как положительная термоплауйанность может привести к мантийным шлейфам, что может объяснить внутриплиту вулканизма. ^{[ 13 ]} Относительная важность производства тепла в зависимости от потери тепла для плавучной конвекции по всей земле остается неопределенной, и понимание деталей плавучной конвекции является ключевым направлением геодинамики. ^{[ 2 ]}

Методы

Геодинамика - это широкое поле, которое объединяет наблюдения из многих различных типов геологических исследований в широкую картину динамики Земли. Вблизи поверхности Земли данные включают в себя полевые наблюдения, геодезию, радиометрическое датирование , петрологию , минералогию, бурные скважины и дистанционного зондирования методы . Тем не менее, на глубине нескольких километров большинство этих видов наблюдений становятся непрактичными. Геологи, изучающие геодинамику мантии и ядра, должны полностью полагаться на дистанционное зондирование, особенно сейсмологию, и экспериментально воссоздавая условия, обнаруженные в экспериментах с высокой температурой высокого давления (см. Также уравнение Адамс -Уильямсона ).

Численное моделирование

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

Есть два основных способа геодинамического численного моделирования. ^{[ 14 ]}

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

Основное моделирование динамики жидкости может быть дополнительно разделено на мгновенные исследования, которые направлены на воспроизведение мгновенного потока в системе из-за данного распределения плавучести, и зависимых от времени исследований, которые либо направлены на воспроизведение возможной эволюции заданного начального условия во времени. или статистическое (квази) устойчивое состояние данной системы.

Смотрите также

Вычислительная инфраструктура для геодинамики - организация, которая продвигает науку о земле
Цитеродинамика

Ссылки

^ Ismail-Zadeh & Tackley 2010
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Turcotte, DL и G. Schubert (2014). «Геодинамика».
^ Winters, JD (2001). «Введение в игеновую и метаморфическую петрологию».
^ Newman, WI (2012). Механика континуума в науках о Земле . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521562898 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Turcotte & Schubert 2002
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Карато, Шун-Ичиро (2008). «Деформация земных материалов: введение в реологию твердой земли».
^ FAUL, UH, JDF Джеральд и И. Джексон (2004). "Ослабление и рассеяние волн сдвига в растворенном оливине
^ Hager, BH и RW Clayton (1989). «Ограничения на структуру мантийной конвекции с использованием сейсмических наблюдений, моделей потока и геоида». Жидкая механика астрофизики и геофизики 4.
^ Stein, C. (1995). «Тепловой поток земли».
^ Dziewonski, AM и DL Anderson (1981). «Предварительная эталонная модель Земли». Физика Земли и планетарных интерьеров 25 (4): 297-356.
^ Ribe, NM (1998). «Выбор и выбор плана в нестабильности Рэлея - Тейлора смешных вязких жидкостей». Журнал механики жидкости 377: 27-45.
^ Конрад, CP и C. Lithgow-Bertelloni (2004). «Временная эволюция движущих сил пластин: важность« всасывания плиты »против« тяги плиты »во время кайнозоя». Журнал геофизических исследований 109 (B10): 2156-2202.
^ Bourdon, B., NM Ribe, A. Stracke, Ae Saal и SP Turner (2006). «Понимание динамики мантийных шлейфов от геохимии серии урана». Nature 444 (7): 713-716.
^ Тэмли, Пол Дж.; Xie, Shunxing; Накагава, Такаши; Hernlund, John W. (2005), «Численные и лабораторные исследования мантийной конвекции: философия, достижения, термохимическая структура и эволюция», Глубокая мантия Земли: Структура, состав и эволюция , вып. 160, Американский геофизический союз, с. 83–99, Bibcode : 2005 г ... 160 ... 83t , doi : 10.1029/160gm07 , ISBN 9780875904252

Библиография

Исмаил-Заде, Алик; Tackley, Paul J. (2010). Вычислительные методы геодинамики . Издательство Кембриджского университета . ISBN 9780521867672 .
Джоливет, Лоран; Натаф, Генри-Клод; Aubouin, Jean (1998). Геоднамика Тейлор и Фрэнсис ISBN 9789058092205 .
Turcotte, D.; Шуберт Г. (2002). Геодинамика (2 -е изд.). Нью -Йорк: издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-66186-7 .

Внешние ссылки

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

[Turcotte2014-2] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} Turcotte, DL и G. Schubert (2014). «Геодинамика».

[3] Winters, JD (2001). «Введение в игеновую и метаморфическую петрологию».

[4] Newman, WI (2012). Механика континуума в науках о Земле . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521562898 .

[Turcotte2002-5] Jump up to: ^а ^{беременный} Turcotte & Schubert 2002

[Karato2008-6] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Карато, Шун-Ичиро (2008). «Деформация земных материалов: введение в реологию твердой земли».

[7] FAUL, UH, JDF Джеральд и И. Джексон (2004). "Ослабление и рассеяние волн сдвига в растворенном оливине

[8] Hager, BH и RW Clayton (1989). «Ограничения на структуру мантийной конвекции с использованием сейсмических наблюдений, моделей потока и геоида». Жидкая механика астрофизики и геофизики 4.

[9] Stein, C. (1995). «Тепловой поток земли».

[10] Dziewonski, AM и DL Anderson (1981). «Предварительная эталонная модель Земли». Физика Земли и планетарных интерьеров 25 (4): 297-356.

[11] Ribe, NM (1998). «Выбор и выбор плана в нестабильности Рэлея - Тейлора смешных вязких жидкостей». Журнал механики жидкости 377: 27-45.

[12] Конрад, CP и C. Lithgow-Bertelloni (2004). «Временная эволюция движущих сил пластин: важность« всасывания плиты »против« тяги плиты »во время кайнозоя». Журнал геофизических исследований 109 (B10): 2156-2202.

[13] Bourdon, B., NM Ribe, A. Stracke, Ae Saal и SP Turner (2006). «Понимание динамики мантийных шлейфов от геохимии серии урана». Nature 444 (7): 713-716.

[14] Тэмли, Пол Дж.; Xie, Shunxing; Накагава, Такаши; Hernlund, John W. (2005), «Численные и лабораторные исследования мантийной конвекции: философия, достижения, термохимическая структура и эволюция», Глубокая мантия Земли: Структура, состав и эволюция , вып. 160, Американский геофизический союз, с. 83–99, Bibcode : 2005 г ... 160 ... 83t , doi : 10.1029/160gm07 , ISBN 9780875904252

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

v Т и Геофизика
Overview	Outline Geophysicists
Subfields	Geodynamics Geophysical survey Geomagnetism Geomathematics Geophysical fluid dynamics Mineral physics Near-surface geophysics Paleomagnetism Seismology Tectonophysics
Physical phenomena	Chandler wobble Coriolis effect Earth's energy budget Earth's magnetic field Geodynamo Geothermal gradient Gravity of Earth Mantle convection Precession of the equinoxes Seismic wave Tide
Related disciplines	Geodesy
Geophysics portal Category Commons

v Т и Геология
Overviews	Outline of geology Glossary of geology History of geology Index of geology articles
History of geology	Geochronology Geological history of Earth Timeline of geology
Composition and structure	Cosmochemistry Crystallography Geochemistry Mineralogy Petrology Sedimentology
Historical geology	Stratigraphy Paleontology Paleoclimatology Palaeogeography
Dynamic Earth	Structural geology Geodynamics Plate tectonics Geomorphology Volcanology
Water	Glaciology Hydrogeology Marine geology
Geodesy	Cartography Earth's orbit Geodetic astronomy Geomatics Gravity of Earth Planetary geodesy Remote sensing Geopositioning
Geophysics	Geomagnetism Geophysical survey Planetary geophysics Seismology Tectonophysics
Applications	Biogeology Economic geology Engineering geology Environmental geology Planetary geology Geobiology Geologic modelling Forensic geology Forensic geophysics Meteoritics Mining geology Mineral physics
Occupations	Geologist Petroleum geologist Volcanologist
Geology portal Geology Geology

Базы данных управления авторитетом
National	Germany United States France BnF data Czech Republic Spain Israel
Other	Encyclopedia of Modern Ukraine