Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Геодезия
Azimutalprojektion-schief kl-cropped.png
Основы
Концепции
Технологии
Стандарты (история)
НГВД 29 Датум уровня моря 1929 г.
OSGB36 Обзор боеприпасов Великобритании, 1936 г.
СК-42 Система Координат 1942 года
ED50 Европейский датум 1950 г.
SAD69 Южноамериканский датум 1969 г.
GRS 80 Геодезическая справочная система 1980 г.
ISO 6709Координаты географической точки. 1983 г.
NAD 83 Североамериканский датум 1983 г.
WGS 84 Мировая геодезическая система 1984
НАВД 88 Северная Америка, вертикальная система отсчета 1988 г.
ETRS89Европейское наземное вещание Ref. Sys. 1989 г.
GCJ-02 Китайские запутанные данные 2002 г.
Географический URI Интернет-ссылка на точку 2010

Геодинамика подполе геофизики , связанную с динамикой в Земле . Он применяет физику, химию и математику для понимания того, как мантийная конвекция приводит к тектонике плит и геологическим явлениям, таким как распространение морского дна , горообразование , вулканы , землетрясения , разломы и так далее. Он также пытается исследовать внутреннюю активность путем измерения магнитных полей , силы тяжести и сейсмических волн , а также минералогии горных пород и их изотопного состава.. Методы геодинамики применяются и для исследования других планет. [1]

Обзор [ править ]

Геодинамика обычно занимается процессами, которые перемещают материалы по Земле. В интерьере Земли , движение происходит , когда камни плавиться или деформироваться и поток в ответ на поле напряжений . [2] Эта деформация может быть хрупкой , упругой или пластической , в зависимости от величины напряжения и физических свойств материала, особенно от шкалы времени релаксации напряжения. Породы структурно и композиционно неоднородны и подвержены переменным напряжениям, поэтому часто можно увидеть различные типы деформации в тесной пространственной и временной близости. [3]При работе с геологическими временными масштабами и длинами удобно использовать приближение сплошной среды и поля равновесных напряжений для рассмотрения средней реакции на среднее напряжение. [4]

Специалисты в области геодинамики обычно используют данные геодезической GPS , InSAR и сейсмологии наряду с численными моделями для изучения эволюции литосферы , мантии и ядра Земли .

Работы, выполняемые геодинамиками, могут включать:

  • Моделирование хрупкой и вязкой деформации геологических материалов.
  • Прогнозирование закономерностей континентальной аккреции и распада континентов и суперконтинентов
  • Наблюдение за деформацией и релаксацией поверхности из-за ледяных щитов и послеледникового отскока и создание связанных предположений о вязкости мантии.
  • Обнаружение и понимание движущих механизмов тектоники плит .

Деформация горных пород [ править ]

Эта статья о деформации в геологии. Для более строгой обработки см. Деформация (механика) .

Камни и другие геологические материалы подвергаются деформации в соответствии с тремя различными режимами: упругой, пластической и хрупкой 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; напряжение сдвига изменяет форму. Если сдвига нет, жидкость находится в гидростатическом равновесии.. Поскольку в течение длительных периодов горные породы легко деформируются под давлением, Земля в хорошем приближении находится в гидростатическом равновесии. Давление на скалу зависит только от веса скалы выше, а это зависит от силы тяжести и плотности скалы. В таком теле, как Луна , плотность почти постоянна, поэтому профиль давления легко рассчитывается. На Земле сжатие горных пород с глубиной является значительным, и уравнение состояния необходимо для расчета изменений плотности горных пород, даже если они имеют однородный состав. [5]

Эластичный [ править ]

Упругая деформация всегда обратима, а это означает, что если поле напряжений, связанное с упругой деформацией, будет удалено, материал вернется в свое предыдущее состояние. Материалы ведут себя эластично 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 восстанавливаться), что может привести к пластичной или хрупкой деформации. [6]

Дуктильный [ править ]

Пластическая или пластическая деформация происходит, когда температура системы достаточно высока, так что значительная часть микросостояний материала (рис. 1) не связана, что означает, что большая часть химических связей находится в процессе разрыва и преобразования. Во время пластической деформации этот процесс перегруппировки атомов перераспределяет напряжение и деформацию в направлении равновесия быстрее, чем они могут накапливаться. [6] Примеры включают изгиб литосферы под вулканическими островами или осадочными бассейнами и изгиб в океанических желобах . [5] Податливая деформация возникает, когда процессы переноса, такие как диффузия и адвекция, основанные на разрыве и преобразовании химических связей, перераспределяют напряжение примерно так же быстро, как оно накапливается.

Хрупкий [ править ]

Когда деформация локализуется быстрее, чем эти релаксационные процессы могут ее перераспределить, возникает хрупкая деформация . Механизм хрупкой деформации включает положительную обратную связь между накоплением или распространением дефектов, особенно возникающих в результате деформации в областях с высокой деформацией, и локализацией деформации вдоль этих дислокаций и трещин. Другими словами, любая трещина, какой бы небольшой она ни была, имеет тенденцию фокусировать деформацию на своей передней кромке, что приводит к расширению трещины. [6]

В общем, режим деформации контролируется не только величиной напряжения, но также распределением деформации и связанных с ней характеристик. Какой бы вид деформации в конечном итоге ни происходил, это результат конкуренции между процессами, которые стремятся локализовать деформацию, такими как распространение трещин, и релаксационными процессами, такими как отжиг, которые имеют тенденцию делокализовать деформацию.

Деформационные конструкции [ править ]

Структурные геологи изучают результаты деформации, используя наблюдения за горными породами, особенно за режимом и геометрией деформации, чтобы восстановить поле напряжений, которое влияло на породу 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 разным геологическим структурам, например, к хрупкому разрушению горных пород или пластической складчатости.

Термодинамика [ править ]

Физические характеристики горных пород, которые контролируют скорость и режим деформации, такие как предел текучести или вязкость , зависят от термодинамического состояния 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 части литосферы хрупкая деформация является обычным явлением, потому что при низком давлении породы имеют относительно низкую хрупкую прочность, в то время как в то же время низкая температура снижает вероятность пластичного течения. После перехода из хрупко-пластичной переходной зоны пластическая деформация становится доминирующей. [2]Упругая деформация происходит, когда временной масштаб напряжения короче, чем время релаксации материала. Сейсмические волны - типичный пример такого типа деформации. При температурах, достаточно высоких для плавления горных пород, вязкая прочность на сдвиг приближается к нулю, поэтому упругая деформация в режиме сдвига (S-волны) не распространяется через расплавы. [7]

Силы [ править ]

Основная движущая сила напряжения в Земле обеспечивается тепловой энергией от распада радиоизотопа, трения и остаточного тепла. [8] [9] Охлаждение на поверхности и производство 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. Глубже, горячее и часто имеют более высокое тепловое расширение и меньшую 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 (рис. 2) или взаимному проникновению горных пород по разные стороны контраста плавучести. [2] [11]

На рисунке 2 показана неустойчивость Рэлея-Тейлора в 2D с использованием модели Шан-Чена . Красная жидкость изначально расположена в слое поверх синей жидкости и обладает меньшей плавучестью, чем синяя жидкость. Через некоторое время возникает неустойчивость Рэлея-Тейлора, и красная жидкость проникает в синюю.

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 тепловыми потерями для плавучей конвекции на всей Земле остается неопределенной, и понимание деталей плавучей конвекции является ключевым направлением геодинамики. [2]

Методы [ править ]

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 глубины в несколько километров большинство таких наблюдений становится непрактичным. Геологи, изучающие геодинамику мантии и ядра, должны полностью полагаться на дистанционное зондирование, особенно сейсмологию, и экспериментальное воссоздание условий, обнаруженных на Земле в экспериментах с высоким давлением и высокой температурой (см. Также уравнение Адамса – Вильямсона ).

Численное моделирование [ править ]

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

Существует два основных способа численного геодинамического моделирования. [14]

  1. Моделирование для воспроизведения конкретного наблюдения: этот подход направлен на то, чтобы ответить на вопрос, что вызывает конкретное состояние конкретной системы.
  2. Моделирование для создания базовой гидродинамики: этот подход направлен на то, чтобы ответить, как в целом работает конкретная система.

Базовое моделирование гидродинамики можно далее разделить на мгновенные исследования, которые стремятся воспроизвести мгновенный поток в системе из-за заданного распределения плавучести, и исследования, зависящие от времени, которые либо направлены на воспроизведение возможной эволюции данного начального состояния во времени. или статистическое (квази) установившееся состояние данной системы.

См. Также [ править ]

  • Вычислительная инфраструктура для геодинамики  - организация, развивающая науку о Земле

Ссылки [ править ]

  1. ^ Исмаил-заде и Tackley 2010
  2. ^ a b c d Turcotte, DL и G. Schubert (2014). «Геодинамика».
  3. Перейти ↑ Winters, JD (2001). «Введение в коренную и метаморфическую петрологию».
  4. Перейти ↑ Newman, WI (2012). «Механика сплошной среды в науках о Земле».
  5. ^ a b Turcotte & Schubert 2002
  6. ^ a b c Карато, Сюн-ичиро (2008). «Деформация материалов Земли: Введение в реологию твердой Земли».
  7. ^ Faul, UH, JDF Джеральд и И. Джексон (2004). «Затухание и дисперсия поперечной волны в расплавленном оливине.
  8. Перейти ↑ Hager, BH и RW Clayton (1989). «Ограничения на структуру мантийной конвекции с использованием сейсмических наблюдений, моделей потока и геоида». Гидравлическая механика астрофизики и геофизики 4.
  9. Перейти ↑ Stein, C. (1995). «Тепловой поток Земли».
  10. ^ Дзевонски, AM и DL Андерсон (1981). «Предварительная эталонная модель Земли». Физика Земли и планетных недр 25 (4): 297-356.
  11. Перейти ↑ Ribe, NM (1998). «Разбавление и выбор формы в плоскости при неустойчивости Рэлея-Тейлора смешивающихся вязких жидкостей». Журнал гидромеханики 377: 27-45.
  12. ^ Конрад, CP и К. Литгоу-Бертеллони (2004). «Временная эволюция движущих сил плит: важность« всасывания плиты »по сравнению с« вытягиванием плиты »в кайнозое». Журнал геофизических исследований 109 (B10): 2156-2202.
  13. Перейти ↑ Bourdon, B., NM Ribe, A. Stracke, AE Saal и SP Turner (2006). «Понимание динамики мантийных плюмов из геохимии уранового ряда». Природа 444 (7): 713-716.
  14. ^ Tackley, Пол Дж .; Се, Шуньсин; Накагава, Такаши; Хернлунд, Джон В. (2005), «Численные и лабораторные исследования мантийной конвекции: философия, достижения, термохимическая структура и эволюция», Глубокая мантия Земли: структура, состав и эволюция , Американский геофизический союз, 160 , стр. 83– 99, Bibcode : 2005GMS ... 160 ... 83T , DOI : 10,1029 / 160gm07 , ISBN 9780875904252
Библиография
  • Исмаил-Заде, Алик; Такли, Пол Дж. (2010). Вычислительные методы геодинамики . Издательство Кембриджского университета . ISBN 9780521867672.CS1 maint: ref = harv ( ссылка )
  • Жоливе, Лоран; Натаф, Анри-Клод; Обуэн, Жан (1998). Геодинамика . Тейлор и Фрэнсис . ISBN 9789058092205.CS1 maint: ref = harv ( ссылка )
  • Turcotte, D .; Шуберт, Г. (2002). Геодинамика (2-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-66186-7.CS1 maint: ref = harv ( ссылка )

Внешние ссылки [ править ]

  • Геологическая служба Канады - программа геодинамики
  • Домашняя страница геодинамики - Лаборатория реактивного движения / НАСА
  • НАСА Планетарная геодинамика
  • Лос-Аламосская национальная лаборатория - геодинамика и национальная безопасность
  • Вычислительная инфраструктура для геодинамики