jeodinamik - Geodynamics

Geodynamics üst disiplinidir jeofizik ile ilgili dinamikleri arasında Dünya'ya . Manto konveksiyonunun levha tektoniğine ve deniz tabanı yayılması , dağ oluşumu , volkanlar , depremler , faylanma vb. gibi jeolojik olaylara nasıl yol açtığını anlamak için fizik, kimya ve matematik uygular . Ayrıca manyetik alanlar , yerçekimi ve sismik dalgaların yanı sıra kayaların mineralojisini ve izotopik bileşimlerini ölçerek iç aktiviteyi araştırmaya çalışır . Jeodinamik yöntemleri, diğer gezegenlerin keşfine de uygulanır.

genel bakış

Jeodinamik, genellikle malzemeleri Dünya boyunca hareket ettiren süreçlerle ilgilidir. In Dünya'nın iç kayalar zaman, hareket olur eritmek veya deforme ve yanıt olarak akış stres alanında . Bu deformasyon , gerilmenin büyüklüğüne ve malzemenin fiziksel özelliklerine, özellikle gerilme gevşeme zaman ölçeğine bağlı olarak gevrek , elastik veya plastik olabilir. Kayalar yapısal ve bileşimsel olarak heterojendir ve değişken gerilmelere maruz kalırlar, bu nedenle yakın uzaysal ve zamansal yakınlıkta farklı deformasyon türlerini görmek yaygındır. Jeolojik zaman çizelgeleri ve uzunluklarla çalışırken, ortalama strese verilen ortalama tepkiyi dikkate almak için sürekli ortam yaklaşımı ve denge stres alanlarını kullanmak uygundur.

Jeodinamik uzmanları , Dünya'nın litosferinin , mantosunun ve çekirdeğinin evrimini incelemek için sayısal modellerle birlikte jeodezik GPS , InSAR ve sismolojiden gelen verileri kullanır .

Jeodinamikçiler tarafından gerçekleştirilen çalışmalar şunları içerebilir:

Kayaların deformasyonu

Kayalar ve diğer jeolojik malzemeler , malzemenin özelliklerine ve gerilme alanının büyüklüğüne bağlı olarak elastik, plastik ve kırılgan olmak üzere üç farklı moda göre gerinme yaşarlar . Gerilme, kayanın her bir parçasına uygulanan birim alan başına ortalama kuvvet olarak tanımlanır. Basınç , bir katının hacmini değiştiren stres parçasıdır; kesme gerilimi şekli değiştirir. Kayma yoksa akışkan hidrostatik dengededir . Uzun süreler boyunca, kayalar basınç altında kolayca deforme olduğundan, Dünya iyi bir yaklaşıma göre hidrostatik dengededir. Kaya üzerindeki basınç, yalnızca yukarıdaki kayanın ağırlığına bağlıdır ve bu, yerçekimine ve kayanın yoğunluğuna bağlıdır. Ay gibi bir cisimde yoğunluk hemen hemen sabittir, bu nedenle bir basınç profili kolayca hesaplanır. Dünya'da, kayaların derinlikle sıkışması önemlidir ve tekdüze bileşimde olsa bile kaya yoğunluğundaki değişiklikleri hesaplamak için bir durum denklemine ihtiyaç vardır.

Elastik

Elastik deformasyon her zaman tersine çevrilebilir, yani elastik deformasyonla ilişkili stres alanı kaldırılırsa malzeme önceki durumuna geri döner. Malzemeler, yalnızca malzeme bileşenlerinin (örneğin atomlar veya kristaller) dikkate alınan eksen boyunca göreli düzenlemesi değişmeden kaldığında elastik davranır. Bu, gerilimin büyüklüğünün bir malzemenin akma dayanımını aşamayacağı ve gerilimin zaman ölçeğinin malzemenin gevşeme süresine yaklaşamayacağı anlamına gelir. Gerilme bir malzemenin akma mukavemetini aşarsa, bağlar kırılmaya (ve yeniden şekillenmeye) başlar ve bu da sünek veya kırılgan deformasyona yol açabilir.

sünek

Sünek veya plastik deformasyon , bir sistemin sıcaklığı, malzeme mikro durumlarının önemli bir bölümünün (şekil 1) bağlanmadığı, yani kimyasal bağların büyük bir bölümünün kırılma ve yeniden oluşma sürecinde olduğu anlamına gelecek şekilde yeterince yüksek olduğunda meydana gelir. Sünek deformasyon sırasında, bu atomik yeniden düzenleme süreci, stres ve gerilimi dengeye doğru birikebileceklerinden daha hızlı yeniden dağıtır. Örnekler, volkanik adalar veya tortul havzalar altında litosferin bükülmesini ve okyanus hendeklerinde bükülmeyi içerir . Sünek deformasyon, kimyasal bağların kırılmasına ve yeniden şekillendirilmesine dayanan difüzyon ve adveksiyon gibi taşıma süreçleri, gerilimi biriktikçe hızla yeniden dağıttığında meydana gelir.

Kırılgan

Gerilme, bu gevşeme süreçlerinin yeniden dağıtabileceğinden daha hızlı lokalize olduğunda, kırılgan deformasyon meydana gelir. Gevrek deformasyon mekanizması, özellikle yüksek gerinme alanlarında gerinim tarafından üretilen kusurların birikmesi veya yayılması ile bu çıkıklar ve kırıklar boyunca gerinmenin lokalizasyonu arasında pozitif bir geri besleme içerir. Başka bir deyişle, herhangi bir kırılma, ne kadar küçük olursa olsun, gerilimi ön kenarında odaklama eğilimindedir ve bu da kırılmanın uzamasına neden olur.

Genel olarak, deformasyon modu sadece stres miktarı ile değil, aynı zamanda gerinim ve gerinim ile ilişkili özelliklerin dağılımı ile de kontrol edilir. Sonunda hangi deformasyon modu meydana gelirse gelsin, kırılma yayılımı gibi gerinmeyi lokalize etme eğiliminde olan süreçler ile tavlama gibi gerinmeyi delokalize etme eğiliminde olan gevşeme süreçleri arasındaki bir rekabetin sonucudur.

deformasyon yapıları

Yapısal jeologlar, zamanla kayayı etkileyen stres alanını yeniden oluşturmak için özellikle deformasyon modu ve geometrisi olmak üzere kaya gözlemlerini kullanarak deformasyon sonuçlarını inceler. Yapısal jeoloji , jeodinamiğin önemli bir tamamlayıcısıdır, çünkü Dünya'nın hareketleri hakkında en doğrudan veri kaynağını sağlar. Farklı deformasyon modları, farklı jeolojik yapılarla sonuçlanır, örneğin kayalarda gevrek kırılma veya sünek kıvrım.

Termodinamik

Gibi oranı ve gerilme modunda kontrol kayalar, fiziksel özellikleri akma mukavemeti veya viskozite bağlıdır termodinamik haline kaya ve bileşimin. Bu durumda en önemli termodinamik değişkenler sıcaklık ve basınçtır. Bunların her ikisi de derinlikle artar, bu nedenle ilk yaklaşıma göre deformasyon modu derinlik açısından anlaşılabilir. Üst litosfer içinde, gevrek deformasyon yaygındır çünkü düşük basınç altındaki kayaçlar nispeten düşük gevrek mukavemete sahiptir, aynı zamanda düşük sıcaklık sünek akış olasılığını azaltır. Gevrek-sünek geçiş bölgesinden sonra, sünek deformasyon baskın hale gelir. Elastik deformasyon, gerilmenin zaman ölçeği, malzeme için gevşeme süresinden daha kısa olduğunda meydana gelir. Sismik dalgalar, bu tür deformasyonun yaygın bir örneğidir. Kayaları eritecek kadar yüksek sıcaklıklarda, sünek kesme mukavemeti sıfıra yaklaşır, bu nedenle kesme modu elastik deformasyonu (S-Dalgaları) eriyikler boyunca yayılmayacaktır.

kuvvetler

Dünya'daki stresin arkasındaki ana itici güç, radyoizotop bozunması, sürtünme ve artık ısıdan kaynaklanan termal enerji tarafından sağlanır. Yüzeydeki soğuma ve Dünya'daki ısı üretimi, sıcak çekirdekten nispeten soğuk litosfere yarı kararlı bir termal gradyan yaratır. Bu termal enerji, termal genleşme ile mekanik enerjiye dönüştürülür. Daha derin ve daha sıcak kayalar, genellikle üstteki kayalara göre daha yüksek termal genleşme ve daha düşük yoğunluğa sahiptir. Tersine, yüzeyde soğutulan kaya, altındaki kayadan daha az yüzer hale gelebilir. Sonunda bu, Rayleigh-Taylor kararsızlığına (Şekil 2) veya kaldırma kuvveti kontrastının farklı taraflarında kayanın iç içe geçmesine yol açabilir.

Şekil 2, Shan-Chen modeli kullanılarak 2D'de bir Rayleigh-Taylor kararsızlığını göstermektedir . Kırmızı sıvı başlangıçta mavi sıvının üzerindeki bir katmanda bulunur ve mavi sıvıdan daha az yüzer. Bir süre sonra, bir Rayleigh-Taylor kararsızlığı meydana gelir ve kırmızı sıvı mavi olana nüfuz eder.

Okyanus levhalarının negatif termal kaldırma kuvveti, yitim ve levha tektoniğinin başlıca nedeni iken, pozitif termal kaldırma kuvveti, levha içi volkanizmayı açıklayabilen manto tüylerine yol açabilir. Tüm Dünya'da yüzer konveksiyon için ısı üretimine karşı ısı kaybının nispi önemi belirsizliğini koruyor ve yüzer konveksiyonun ayrıntılarını anlamak, jeodinamiğin temel odak noktasıdır.

yöntemler

Jeodinamik, birçok farklı jeolojik çalışma türünden elde edilen gözlemleri Dünya dinamiklerinin geniş bir resminde birleştiren geniş bir alandır. Dünya yüzeyine yakın veriler, saha gözlemlerini, jeodeziyi, radyometrik tarihlemeyi , petrololojiyi , mineralojiyi, sondaj kuyularını ve uzaktan algılama tekniklerini içerir. Bununla birlikte, birkaç kilometre derinliğin ötesinde, bu tür gözlemlerin çoğu pratik değildir. Manto ve çekirdeğin jeodinamiğini inceleyen jeologlar, tamamen uzaktan algılamaya, özellikle sismolojiye ve yüksek basınçlı yüksek sıcaklık deneylerinde Dünya'da bulunan koşulları deneysel olarak yeniden oluşturmaya dayanmalıdır (ayrıca bkz. Adams-Williamson denklemi ).

sayısal modelleme

Jeolojik sistemlerin karmaşıklığı nedeniyle, bu kaynaklardan gelen verileri kullanarak jeodinamik hakkındaki teorik tahminleri test etmek için bilgisayar modellemesi kullanılır.

Jeodinamik sayısal modellemenin iki ana yolu vardır.

  1. Belirli bir gözlemi yeniden oluşturmak için modelleme: Bu yaklaşım, belirli bir sistemin belirli bir durumuna neyin neden olduğunu yanıtlamayı amaçlar.
  2. Temel akışkanlar dinamiği üretmek için modelleme: Bu yaklaşım, belirli bir sistemin genel olarak nasıl çalıştığını yanıtlamayı amaçlar.

Temel akışkanlar dinamiği modellemesi ayrıca, belirli bir kaldırma kuvveti dağılımı nedeniyle bir sistemdeki anlık akışı yeniden üretmeyi amaçlayan anlık çalışmalar ve belirli bir başlangıç ​​koşulunun zaman içinde olası bir evrimini yeniden üretmeyi amaçlayan zamana bağlı çalışmalar olarak alt bölümlere ayrılabilir. veya belirli bir sistemin istatistiksel (yarı) kararlı durumu.

Ayrıca bakınız

Referanslar

bibliyografya

Dış bağlantılar