Geodinâmica - Geodynamics

Geodésia
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Tecnologias

Geodinâmica é um subcampo da geofísica que lida com a dinâmica da Terra . Aplica física, química e matemática para a compreensão de como a convecção do manto leva à tectônica de placas e fenômenos geológicos, como expansão do fundo do mar , construção de montanhas , vulcões , terremotos , falhas e assim por diante. Ele também tenta sondar a atividade interna medindo campos magnéticos , gravidade e ondas sísmicas , bem como a mineralogia das rochas e sua composição isotópica . Métodos de geodinâmica também são aplicados à exploração de outros planetas.

Visão geral

A geodinâmica geralmente se preocupa com os processos que movem materiais por toda a Terra. No interior da Terra , o movimento acontece quando as rochas derretem ou deformam e fluem em resposta a um campo de tensão . Essa deformação pode ser quebradiça , elástica ou plástica , dependendo da magnitude da tensão e das propriedades físicas do material, especialmente a escala de tempo de relaxamento da tensão. As rochas são estrutural e composicionalmente heterogêneas e estão sujeitas a tensões variáveis, por isso é comum ver diferentes tipos de deformação em estreita proximidade espacial e temporal. Ao trabalhar com escalas de tempo e comprimentos geológicos, é conveniente usar a aproximação de meio contínuo e os campos de tensão de equilíbrio para considerar a resposta média à tensão média.

Especialistas em geodinâmica geralmente usam dados de GPS geodésico , InSAR e sismologia , juntamente com modelos numéricos , para estudar a evolução da litosfera , manto e núcleo da Terra .

O trabalho realizado por geodinamicistas pode incluir:

Deformação de rochas

Este artigo é sobre deformação em geologia. Para um tratamento mais rigoroso, consulte Deformação (mecânica) .

Rochas e outros materiais geológicos sofrem deformação de acordo com três modos distintos: elástico, plástico e quebradiço, dependendo das propriedades do material e da magnitude do campo de tensão . A tensão é definida como a força média por unidade de área exercida em cada parte da rocha. A pressão é a parte do estresse que altera o volume de um sólido; a tensão de cisalhamento muda a forma. Se não houver cisalhamento, o fluido está em equilíbrio hidrostático . Uma vez que, por longos períodos, as rochas se deformam prontamente sob pressão, a Terra está em equilíbrio hidrostático com uma boa aproximação. A pressão na rocha depende apenas do peso da rocha acima, e isso depende da gravidade e da densidade da rocha. Em um corpo como a Lua , a densidade é quase constante, então um perfil de pressão é facilmente calculado. Na Terra, a compressão das rochas com a profundidade é significativa, e uma equação de estado é necessária para calcular as mudanças na densidade da rocha, mesmo quando ela é de composição uniforme.

Elástico

A deformação elástica é sempre reversível, o que significa que se o campo de tensões associado à deformação elástica for removido, o material retornará ao seu estado anterior. Os materiais apenas se comportam elasticamente quando o arranjo relativo ao longo do eixo considerado dos componentes do material (por exemplo, átomos ou cristais) permanece inalterado. Isso significa que a magnitude da tensão não pode exceder a resistência ao escoamento de um material, e a escala de tempo da tensão não pode se aproximar do tempo de relaxamento do material. Se a tensão exceder a resistência ao escoamento de um material, as ligações começam a se quebrar (e se reformar), o que pode levar à deformação dúctil ou quebradiça.

Dúctil

A deformação dúctil ou plástica ocorre quando a temperatura de um sistema é alta o suficiente para que uma fração significativa dos microestados do material (figura 1) sejam desligados, o que significa que uma grande fração das ligações químicas está em processo de quebra e reforma. Durante a deformação dúctil, este processo de rearranjo atômico redistribui o estresse e a deformação em direção ao equilíbrio mais rápido do que eles podem se acumular. Os exemplos incluem a curvatura da litosfera sob ilhas vulcânicas ou bacias sedimentares e a curvatura em fossas oceânicas . A deformação dúctil acontece quando os processos de transporte, como difusão e advecção, que dependem de ligações químicas para serem quebradas e reformadas, redistribuem a tensão quase tão rápido quanto ela se acumula.

Frágil

Quando a deformação se localiza mais rapidamente do que esses processos de relaxamento podem redistribuí-la, ocorre uma deformação frágil . O mecanismo de deformação frágil envolve um feedback positivo entre o acúmulo ou propagação de defeitos, especialmente aqueles produzidos por deformação em áreas de alta deformação, e a localização da deformação ao longo desses deslocamentos e fraturas. Em outras palavras, qualquer fratura, por menor que seja, tende a concentrar a tensão em sua borda de ataque, o que faz com que a fratura se estenda.

Em geral, o modo de deformação é controlado não apenas pela quantidade de tensão, mas também pela distribuição de deformação e características associadas à deformação. Qualquer que seja o modo de deformação que ocorra em última análise, é o resultado de uma competição entre processos que tendem a localizar a deformação, como a propagação da fratura, e processos relaxacionais, como o recozimento, que tendem a deslocar a deformação.

Estruturas de deformação

Geólogos estruturais estudam os resultados da deformação, usando observações da rocha, especialmente o modo e a geometria da deformação para reconstruir o campo de tensões que afetou a rocha ao longo do tempo. A geologia estrutural é um complemento importante para a geodinâmica porque fornece a fonte mais direta de dados sobre os movimentos da Terra. Diferentes modos de deformação resultam em estruturas geológicas distintas, por exemplo, fratura frágil em rochas ou dobramento dúctil.

Termodinâmica

As características físicas das rochas que controlam a taxa e o modo de deformação, como resistência ao escoamento ou viscosidade , dependem do estado termodinâmico da rocha e da composição. As variáveis ​​termodinâmicas mais importantes neste caso são temperatura e pressão. Ambos aumentam com a profundidade, então, para uma primeira aproximação, o modo de deformação pode ser entendido em termos de profundidade. Dentro da litosfera superior, a deformação frágil é comum porque sob baixa pressão as rochas têm resistência frágil relativamente baixa, enquanto ao mesmo tempo a baixa temperatura reduz a probabilidade de fluxo dúctil. Após a zona de transição frágil-dúctil, a deformação dúctil torna-se dominante. A deformação elástica ocorre quando a escala de tempo da tensão é menor do que o tempo de relaxamento do material. As ondas sísmicas são um exemplo comum desse tipo de deformação. Em temperaturas altas o suficiente para derreter rochas, a resistência ao cisalhamento dúctil se aproxima de zero, razão pela qual a deformação elástica do modo de cisalhamento (ondas S) não se propagará através dos derretimentos.

Forças

A principal força motriz por trás do estresse na Terra é fornecida pela energia térmica do decaimento do radioisótopo, fricção e calor residual. O resfriamento na superfície e a produção de calor na Terra criam um gradiente térmico metaestável do núcleo quente para a litosfera relativamente fria. Essa energia térmica é convertida em energia mecânica por expansão térmica. Rochas mais profundas e quentes costumam ter maior expansão térmica e menor densidade em relação às rochas sobrejacentes. Por outro lado, a rocha resfriada na superfície pode se tornar menos flutuante do que a rocha abaixo dela. Eventualmente, isso pode levar a uma instabilidade de Rayleigh-Taylor (Figura 2), ou interpenetração da rocha em diferentes lados do contraste de flutuabilidade.

A Figura 2 mostra uma instabilidade de Rayleigh-Taylor em 2D usando o modelo de Shan-Chen . O fluido vermelho está inicialmente localizado em uma camada sobre o fluido azul e é menos flutuante do que o fluido azul. Depois de algum tempo, ocorre uma instabilidade de Rayleigh-Taylor e o fluido vermelho penetra no azul.

A flutuabilidade térmica negativa das placas oceânicas é a principal causa da subducção e da tectônica de placas, enquanto a flutuabilidade térmica positiva pode levar a plumas do manto, o que poderia explicar o vulcanismo intraplaca. A importância relativa da produção de calor vs. perda de calor para a convecção flutuante em toda a Terra permanece incerta e compreender os detalhes da convecção flutuante é o foco principal da geodinâmica.

Métodos

Geodinâmica é um campo amplo que combina observações de muitos tipos diferentes de estudos geológicos em um quadro amplo da dinâmica da Terra. Perto da superfície da Terra, os dados incluem observações de campo, geodésia, datação radiométrica , petrologia , mineralogia, furos de sondagem e técnicas de sensoriamento remoto . No entanto, além de alguns quilômetros de profundidade, a maioria desses tipos de observações torna-se impraticável. Os geólogos que estudam a geodinâmica do manto e do núcleo devem confiar inteiramente no sensoriamento remoto, especialmente na sismologia, e na recriação experimental das condições encontradas na Terra em experimentos de alta pressão e alta temperatura (ver também a equação de Adams-Williamson ).

Modelagem numérica

Devido à complexidade dos sistemas geológicos, a modelagem por computador é usada para testar previsões teóricas sobre geodinâmica usando dados dessas fontes.

Existem duas formas principais de modelagem numérica geodinâmica.

  1. Modelagem para reproduzir uma observação específica: Esta abordagem visa responder o que causa um estado específico de um determinado sistema.
  2. Modelagem para produzir dinâmica de fluidos básica: Esta abordagem visa responder como um sistema específico funciona em geral.

A modelagem de dinâmica de fluidos básica pode ainda ser subdividida em estudos instantâneos, que visam reproduzir o fluxo instantâneo em um sistema devido a uma determinada distribuição de flutuabilidade, e estudos dependentes do tempo, que visam reproduzir uma possível evolução de uma determinada condição inicial ao longo do tempo ou um estado estatístico (quase) estável de um determinado sistema.

Veja também

Referências

Bibliografia

links externos