Геодинамика — раздел геофизики , изучающий динамику Земли . Он применяет физику, химию и математику для понимания того, как мантийная конвекция приводит к тектонике плит и геологическим явлениям, таким как расширение морского дна , горообразование , вулканы , землетрясения , разломы . Он также пытается исследовать внутреннюю активность путем измерения магнитных полей , гравитации и сейсмических волн , а также минералогии горных пород и их изотопного состава . Методы геодинамики применяются и для исследования других планет. [1]
Геодинамика обычно занимается процессами перемещения материалов по 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 пластической , в зависимости от величины напряжения и физических свойств материала, особенно масштаба времени релаксации напряжения . Породы структурно и композиционно неоднородны и подвержены переменным напряжениям, поэтому часто встречаются различные виды деформаций в непосредственной пространственной и временной близости. [3] При работе с геологическими временными масштабами и длинами удобно использовать приближение непрерывной среды и поля равновесных напряжений для рассмотрения средней реакции на среднее напряжение. [4]
Эксперты в области геодинамики обычно используют данные геодезических GPS , InSAR и сейсмологии , а также численные модели для изучения эволюции литосферы , мантии и ядра Земли .
Работы, выполняемые геодинамиками, могут включать:
Горные породы и другие геологические материалы испытывают деформацию по трем различным режимам: упругому, пластическому и хрупкому, в зависимости от свойств материала и величины поля напряжений . Напряжение определяется как средняя сила на единицу площади, действующая на каждую часть породы. Давление — это часть напряжения, которая изменяет объем твердого тела; напряжение сдвига меняет форму. Если сдвиг отсутствует, жидкость находится в гидростатическом равновесии . Поскольку в течение длительных периодов времени горные породы легко деформируются под давлением, Земля в хорошем приближении находится в гидростатическом равновесии. Давление на горную породу зависит только от веса находящейся наверху породы, а оно зависит от силы тяжести и плотности породы. В таком теле, как Луна , плотность почти постоянна, поэтому профиль давления легко рассчитать. На Земле сжатие горных пород с глубиной существенно, и уравнение состояния необходимо для расчета изменений плотности горных пород, даже если они имеют однородный состав. [5]
Упругая деформация всегда обратима, а это означает, что если убрать поле напряжений, связанное с упругой деформацией, материал вернется в прежнее 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 ко времени релаксации материала. Если напряжение превышает предел текучести материала, связи начинают разрушаться (и реформироваться), что может привести к пластичной или хрупкой деформации. [6]
Пластическая или пластическая деформация происходит, когда температура системы настолько высока, что значительная часть микросостояний материала (рисунок 1) не связана, а это означает, что большая часть химических связей находится в процессе разрыва и реформирования. Во время пластической деформации этот процесс перегруппировки атомов перераспределяет напряжение и деформацию в сторону равновесия быстрее, чем они могут накапливаться. [6] Примеры включают изгиб литосферы под вулканическими островами или осадочными бассейнами , а также изгиб в океанических желобах . [5] Пластичная деформация возникает, когда транспортные процессы, такие как диффузия и адвекция, основанные на разрыве и реформировании химических связей, перераспределяют деформацию примерно так же быстро, как она накапливается.
Когда деформация локализуется быстрее, чем процессы релаксации могут ее перераспределить, возникает хрупкая деформация . Механизм хрупкой деформации предполагает положительную обратную связь между накоплением или распространением дефектов, особенно вызванных деформацией в зонах высокой деформации, и локализацией деформации вдоль этих дислокаций и трещин. Другими словами, любая трещина, даже самая маленькая, имеет тенденцию фокусировать напряжение на переднем крае, что приводит к расширению трещины. [6]
В общем, режим деформации контролируется не только величиной напряжения, но также распределением деформации и связанными с ней особенностями. Какой бы вид деформации в конечном итоге ни возник, он является результатом конкуренции между процессами, которые имеют тенденцию локализовать деформацию, такими как распространение трещин, и релаксационными процессами, такими как отжиг, которые имеют тенденцию к делокализации деформации.
Структурные геологи изучают результаты деформации, используя наблюдения за горными породами, особенно за режимом и геометрией деформации, чтобы восстановить поле напряжений, влияющее на породу с течением времени. Структурная геология является важным дополнением к геодинамике, поскольку она обеспечивает наиболее прямой источник данных о движении Земли. Различные режимы деформации приводят к появлению различных геологических структур, например, хрупкого разрушения 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 породы и ее состава. Важнейшими термодинамическими переменными в этом случае являются температура и давление. Оба этих параметра увеличиваются с глубиной, поэтому в первом приближении характер деформации можно понимать с точки зрения глубины. В верхней литосфере распространена хрупкая деформация, поскольку при низком давлении породы имеют относительно низкую хрупкую прочность, а в то же время низкая температура снижает вероятность пластического течения. После зоны хрупко-пластичного перехода доминирующей становится пластическая деформация. [2] Упругая деформация возникает, когда временной масштаб напряжения короче времени релаксации материала. Сейсмические волны являются распространенным примером такого типа деформации. При температурах, достаточно высоких, чтобы плавить горные породы, пластичная прочность на сдвиг приближается к нулю, поэтому упругая деформация в режиме сдвига (S-волны) не распространяется через расплавы. [7]
Основной движущей силой напряжения на Земле является тепловая энергия распада радиоизотопов, трения и остаточного тепла. [8] [9] Охлаждение на поверхности и выделение тепла внутри Земли создают метастабильный температурный 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 меньшую плотность по сравнению с вышележащими породами. И наоборот, порода, охлажденная на поверхности, может стать менее плавучей, чем порода под ней. В конечном итоге это может привести к нестабильности Рэлея-Тейлора (рис. 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 образованию мантийных плюмов, которые могут объяснить внутриплитный вулканизм. [13] Относительная важность производства тепла по сравнению с потерями тепла для плавучей конвекции по всей Земле остается неопределенной, и понимание деталей плавучей конвекции является ключевым направлением геодинамики. [2]
Геодинамика — это широкая область, которая объединяет наблюдения многих различных типов геологических исследований в широкую картину динамики Земли. Данные, находящиеся вблизи поверхности Земли, включают полевые наблюдения, геодезию, радиометрическое датирование , петрологию , минералогию, бурение скважин и методы дистанционного зондирования . Однако на глубине более нескольких километров большинство подобных наблюдений становятся непрактичными. Геологи, изучающие геодинамику мантии и ядра, должны полностью полагаться на дистанционное зондирование, особенно сейсмологию, и экспериментально воссоздавать условия, обнаруженные на Земле в экспериментах с высоким давлением и высокой температурой (см. также уравнение Адамса-Вильямсона ).
Из-за сложности геологических систем компьютерное моделирование используется для проверки теоретических предсказаний геодинамики с использованием данных из этих источников.
Существует два основных способа геодинамического численного моделирования. [14]
Базовое моделирование гидродинамики можно далее подразделить на мгновенные исследования, целью которых является воспроизведение мгновенного потока в системе из-за заданного распределения плавучести, и исследования, зависящие от времени, которые либо направлены на воспроизведение возможной эволюции данного начального состояния с течением времени. или статистическое (квази) установившееся состояние данной системы.
