Геодинамика — это подраздел геофизики , занимающийся динамикой Земли . Она применяет физику, химию и математику для понимания того, как конвекция мантии приводит к тектонике плит и геологическим явлениям, таким как расширение морского дна , горообразование , вулканы , землетрясения , разломы . Она также пытается исследовать внутреннюю активность путем измерения магнитных полей , гравитации и сейсмических волн , а также минералогии горных пород и их изотопного состава . Методы геодинамики также применяются для исследования других планет. [1]
Геодинамика, как правило, занимается процессами, которые перемещают материалы по всей Земле. В недрах Земли движение происходит, когда горные породы плавятся или деформируются и текут в ответ на поле напряжений . [2] Эта деформация может быть хрупкой , упругой или пластичной , в зависимости от величины напряжения и физических свойств материала, особенно шкалы времени релаксации напряжения . Горные 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 шкалами и длинами удобно использовать приближение непрерывной среды и поля равновесных напряжений, чтобы рассмотреть средний ответ на среднее напряжение. [4]
Специалисты по геодинамике обычно используют данные геодезической GPS , InSAR и сейсмологии , а также численные модели для изучения эволюции литосферы , мантии и ядра Земли .
Работы, выполняемые геодинамиками, могут включать:
Камни и другие геологические материалы испытывают деформацию в соответствии с тремя различными режимами: упругим, пластичным и хрупким, в зависимости от свойств материала и величины поля напряжений . Напряжение определяется как средняя сила на единицу площади, приложенная к каждой части породы. Давление — это часть напряжения, которая изменяет объем твердого тела; касательное напряжение изменяет форму. Если сдвига нет, жидкость находится в гидростатическом равновесии . Поскольку в течение длительных периодов горные породы легко деформируются под давлением, Земля находится в гидростатическом равновесии в хорошем приближении. Давление на породу зависит только от веса породы над ней, а это зависит от силы тяжести и плотности породы. В таком теле, как Луна , плотность почти постоянна, поэтому профиль давления легко вычисляется. На Земле сжатие пород с глубиной имеет существенное значение, и для расчета изменений плотности породы, даже если она имеет однородный состав, необходимо уравнение состояния . [5]
Упругая деформация всегда обратима, что означает, что если поле напряжений, связанное с упругой деформацией, будет удалено, материал вернется в свое предыдущее состояние. Материалы ведут себя упруго 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 к времени релаксации материала. Если напряжение превышает предел текучести материала, связи начинают рваться (и реформироваться), что может привести к пластичной или хрупкой деформации. [6]
Пластическая или упругая деформация происходит, когда температура системы достаточно высока, так что значительная часть материальных микросостояний (рисунок 1) не связана, что означает, что большая часть химических связей находится в процессе разрыва и реформирования. Во время пластической деформации этот процесс атомной перестройки перераспределяет напряжение и деформацию в сторону равновесия быстрее, чем они могут накапливаться. [6] Примерами являются изгиб литосферы под вулканическими островами или осадочными бассейнами , а также изгиб в океанических желобах . [5] Пластическая деформация происходит, когда транспортные процессы, такие как диффузия и адвекция, которые зависят от разрыва и реформирования химических связей, перераспределяют деформацию примерно так же быстро, как она накапливается.
Когда деформация локализуется быстрее, чем эти релаксационные процессы могут ее перераспределить, происходит хрупкая деформация . Механизм хрупкой деформации включает положительную обратную связь между накоплением или распространением дефектов, особенно тех, которые возникают из-за деформации в областях высокой деформации, и локализацией деформации вдоль этих дислокаций и трещин. Другими словами, любая трещина, какой бы маленькой она ни была, имеет тенденцию фокусировать деформацию на своем переднем крае, что приводит к ее расширению. [6]
В целом, режим деформации контролируется не только величиной напряжения, но и распределением деформации и связанных с ней характеристик. Какой бы режим деформации в конечном итоге ни возник, он является результатом конкуренции между процессами, которые имеют тенденцию локализовать деформацию, такими как распространение трещины, и релаксационными процессами, такими как отжиг, которые имеют тенденцию делокализации деформации.
Структурные геологи изучают результаты деформации, используя наблюдения за горными породами, особенно за режимом и геометрией деформации, чтобы реконструировать поле напряжений, которое влияло на горные породы с течением времени. Структурная геология является важным дополнением к геодинамике, поскольку она обеспечивает наиболее прямой источник данных о движениях Земли. Различные режимы деформации приводят к различным геологическим структурам, например, хрупкому разрушению горных пород или пластичной складчатости.
Физические характеристики горных пород, которые контролируют скорость и режим деформации, такие как предел текучести или вязкость , зависят от термодинамического состояния горной породы и состава. 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 литосфере хрупкая деформация является обычным явлением, поскольку при низком давлении горные породы имеют относительно низкую хрупкую прочность, в то же время низкая температура снижает вероятность пластичного течения. После зоны хрупко-пластичного перехода пластичная деформация становится доминирующей. [2] Упругая деформация происходит, когда временной масштаб напряжения короче времени релаксации для материала. Сейсмические волны являются распространенным примером этого типа деформации. При температурах, достаточно высоких для расплавления горных пород, пластичная прочность на сдвиг приближается к нулю, поэтому упругая деформация сдвига (S-волны) не будет распространяться через расплавы. [7]
Основная движущая сила напряжения в Земле обеспечивается тепловой энергией от распада радиоизотопов, трения и остаточного тепла. [8] [9] Охлаждение на поверхности и производство тепла внутри Земли создают метастабильный тепловой градиент от горячего ядра к относительно холодной литосфере. [10] Эта тепловая энергия преобразуется в механическую энергию за счет теплового расширения. Более глубокие и горячие породы часто имеют более высокое тепловое расширение и более низкую плотность по сравнению с вышележащими породами. И наоборот, порода, которая охлаждается на поверхности, может стать менее плавучей, чем порода под ней. В конечном итоге это может привести к неустойчивости Рэлея-Тейлора (рисунок 2) или взаимопроникновению пород по разные стороны контраста плавучести. [2] [11]
Отрицательная тепловая плавучесть океанических плит является основной причиной субдукции и тектоники плит, [12] в то время как положительная тепловая плавучесть может привести к мантийным плюмам, которые могли бы объяснить внутриплитовый вулканизм. [13] Относительная важность производства тепла по сравнению с потерей тепла для плавучей конвекции по всей Земле остается неопределенной, и понимание деталей плавучей конвекции является ключевым направлением геодинамики. [2]
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 , петрологию , минералогию, бурение скважин и методы дистанционного зондирования . Однако за пределами нескольких километров глубины большинство этих видов наблюдений становятся непрактичными. Геологи, изучающие геодинамику мантии и ядра, должны полностью полагаться на дистанционное зондирование, особенно сейсмологию, и экспериментальное воссоздание условий, обнаруженных в Земле в экспериментах с высоким давлением и высокой температурой. (см. также уравнение Адамса–Вильямсона ).
Ввиду сложности геологических систем компьютерное моделирование используется для проверки теоретических прогнозов геодинамики с использованием данных из этих источников.
Существует два основных способа геодинамического численного моделирования. [14]
Базовое моделирование динамики жидкости можно далее подразделить на мгновенные исследования, целью которых является воспроизведение мгновенного потока в системе из-за заданного распределения плавучести, и зависящие от времени исследования, целью которых является воспроизведение либо возможной эволюции заданного начального состояния с течением времени, либо статистического (квази)устойчивого состояния заданной системы.
