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Geodinámica

La geodinámica es una subdisciplina de la geofísica que estudia la dinámica de la Tierra . Aplica la física, la química y las matemáticas para comprender cómo la convección del ...

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La geodinámica es una subdisciplina de la geofísica que estudia la dinámica de la Tierra . Aplica la física, la química y las matemáticas para comprender cómo la convección del manto da lugar a la tectónica de placas y a fenómenos geológicos como la expansión del fondo oceánico , la formación de montañas , los volcanes , los terremotos o las fallas . También busca investigar la actividad interna midiendo los campos magnéticos , la gravedad y las ondas sísmicas , así como la mineralogía de las rocas y su composición isotópica . Los métodos geodinámicos también se aplican a la exploración de otros planetas. [ 1 ]

Descripción general

La geodinámica se ocupa generalmente de los procesos que mueven materiales por toda la Tierra. En el interior de la Tierra , el movimiento se produce cuando las rocas se funden o se deforman y fluyen en respuesta a un campo de esfuerzos . [ 2 ] Esta deformación puede ser frágil , elástica o plástica , dependiendo de la magnitud del esfuerzo y de las propiedades físicas del material, especialmente de la escala de tiempo de relajación del esfuerzo . Las rocas son estructural y composicionalmente heterogéneas y están sometidas a esfuerzos variables, por lo que es común observar diferentes tipos de deformación en estrecha proximidad espacial y temporal. [ 3 ] Al trabajar con escalas de tiempo y longitudes geológicas, es conveniente utilizar la aproximación de medio continuo y campos de esfuerzos de equilibrio para considerar la respuesta promedio al esfuerzo promedio. [ 4 ]

Los expertos en geodinámica suelen utilizar datos de GPS geodésico , InSAR y sismología , junto con modelos numéricos , para estudiar la evolución de la litosfera , el manto y el núcleo de la Tierra .

El trabajo realizado por los geodinamistas puede incluir:

Deformación de las rocas

Las rocas y otros materiales geológicos experimentan deformación según tres modos distintos: elástico, plástico y frágil, dependiendo de las propiedades del material y la magnitud del campo de esfuerzos . El esfuerzo se define como la fuerza promedio por unidad de área ejercida sobre cada parte de la roca. La presión es la parte del esfuerzo que cambia el volumen de un sólido; el esfuerzo cortante cambia la forma. Si no hay esfuerzo cortante, el fluido está en equilibrio hidrostático . Dado que, durante largos períodos, las rocas se deforman fácilmente bajo presión, la Tierra se encuentra en equilibrio hidrostático con buena aproximación. La presión sobre la roca depende únicamente del peso de la roca superior, y este depende de la gravedad y la densidad de la roca. En un cuerpo como la Luna , la densidad es casi constante, por lo que se puede calcular fácilmente un perfil de presión. En la Tierra, la compresión de las rocas con la profundidad es significativa, y se necesita una ecuación de estado para calcular los cambios en la densidad de la roca incluso cuando tiene una composición uniforme. [ 5 ]

Elástico

La deformación elástica siempre es reversible, lo que significa que si se elimina el campo de tensión asociado a la deformación elástica, el material volverá a su estado anterior. Los materiales solo se comportan elásticamente cuando la disposición relativa de sus componentes (por ejemplo, átomos o cristales) a lo largo del eje considerado permanece inalterada. Esto significa que la magnitud de la tensión no puede exceder el límite elástico del material, y la duración de la tensión no puede aproximarse al tiempo de relajación del material. Si la tensión excede el límite elástico, los enlaces comienzan a romperse (y a reformarse), lo que puede provocar una deformación dúctil o frágil. [ 6 ]

Dúctil

La deformación dúctil o plástica ocurre cuando la temperatura de un sistema es lo suficientemente alta como para que una fracción significativa de los microestados del material (figura 1) no estén unidos, lo que significa que una gran fracción de los enlaces químicos están en proceso de romperse y reformarse. Durante la deformación dúctil, este proceso de reordenamiento atómico redistribuye la tensión y la deformación hacia el equilibrio más rápido de lo que pueden acumularse. [ 6 ] Ejemplos incluyen la flexión de la litosfera bajo islas volcánicas o cuencas sedimentarias , y la flexión en las fosas oceánicas . [ 5 ] La deformación dúctil ocurre cuando los procesos de transporte tales como la difusión y la advección que dependen de que los enlaces químicos se rompan y se reformen redistribuyen la deformación aproximadamente tan rápido como se acumula.

Frágil

Cuando la deformación se localiza más rápido de lo que estos procesos de relajación pueden redistribuirla, se produce una deformación frágil . El mecanismo de la deformación frágil implica una retroalimentación positiva entre la acumulación o propagación de defectos, especialmente aquellos producidos por la deformación en áreas de alta deformación, y la localización de la deformación a lo largo de estas dislocaciones y fracturas. En otras palabras, cualquier fractura, por pequeña que sea, tiende a concentrar la deformación en su borde frontal, lo que provoca que la fractura se extienda. [ 6 ]

En general, el modo de deformación está controlado no solo por la magnitud de la tensión, sino también por la distribución de la deformación y las características asociadas a ella. El modo de deformación que finalmente se produzca es el resultado de una competencia entre procesos que tienden a localizar la deformación, como la propagación de fracturas, y procesos de relajación, como el recocido, que tienden a deslocalizarla.

Estructuras de deformación

Los geólogos estructurales estudian los resultados de la deformación, utilizando observaciones de las rocas, especialmente el modo y la geometría de la deformación, para reconstruir el campo de esfuerzos que afectó a la roca a lo largo del tiempo. La geología estructural complementa de manera importante la geodinámica, ya que proporciona la fuente de datos más directa sobre los movimientos de la Tierra. Los diferentes modos de deformación dan lugar a estructuras geológicas distintas, como la fractura frágil en las rocas o el plegamiento dúctil.

Termodinámica

Las características físicas de las rocas que controlan la velocidad y el modo de deformación, como el límite elástico o la viscosidad , dependen del estado termodinámico y la composición de la roca. Las variables termodinámicas más importantes en este caso son la temperatura y la presión. Ambas aumentan con la profundidad, por lo que, en una primera aproximación, el modo de deformación puede entenderse en función de la profundidad. En la litosfera superior, la deformación frágil es común porque, bajo baja presión, las rocas tienen una resistencia frágil relativamente baja, mientras que, al mismo tiempo, la baja temperatura reduce la probabilidad de flujo dúctil. Después de la zona de transición frágil-dúctil, la deformación dúctil se vuelve dominante. [ 2 ] La deformación elástica ocurre cuando la escala de tiempo de la tensión es menor que el tiempo de relajación del material. Las ondas sísmicas son un ejemplo común de este tipo de deformación. A temperaturas lo suficientemente altas como para fundir las rocas, la resistencia al corte dúctil se aproxima a cero, razón por la cual la deformación elástica en modo de corte (ondas S) no se propagará a través de los fundidos. [ 7 ]

Efectivo

La principal fuerza motriz de la tensión en la Tierra es la energía térmica proveniente de la desintegración de radioisótopos, la fricción y el calor residual. [ 8 ] [ 9 ] El enfriamiento en la superficie y la producción de calor en el interior de la Tierra crean un gradiente térmico metaestable desde el núcleo caliente hasta la litosfera relativamente fría. [ 10 ] Esta energía térmica se convierte en energía mecánica por expansión térmica. Las rocas más profundas y calientes suelen tener mayor expansión térmica y menor densidad en relación con las rocas suprayacentes. Por el contrario, la roca que se enfría en la superficie puede volverse menos flotante que la roca que se encuentra debajo. Esto puede conducir a una inestabilidad de Rayleigh-Taylor (Figura 2), o a la interpenetración de rocas a ambos lados del contraste de flotabilidad. [ 2 ] [ 11 ]

La figura 2 muestra una inestabilidad de Rayleigh-Taylor en 2D utilizando el modelo de Shan-Chen . El fluido rojo se encuentra inicialmente en una capa sobre el fluido azul y es menos flotante que este último. Tras un tiempo, se produce una inestabilidad de Rayleigh-Taylor y el fluido rojo penetra en el azul.

La flotabilidad térmica negativa de las placas oceánicas es la causa principal de la subducción y la tectónica de placas, [ 12 ] mientras que la flotabilidad térmica positiva puede dar lugar a plumas del manto, lo que podría explicar el vulcanismo intraplaca. [ 13 ] La importancia relativa de la producción de calor frente a la pérdida de calor para la convección por flotabilidad en toda la Tierra sigue siendo incierta y comprender los detalles de la convección por flotabilidad es un objetivo clave de la geodinámica. [ 2 ]

Métodos

La geodinámica es un campo amplio que combina observaciones de diversos tipos de estudios geológicos para ofrecer una visión general de la dinámica de la Tierra. Cerca de la superficie terrestre, los datos incluyen observaciones de campo, geodesia, datación radiométrica , petrología , mineralogía, perforaciones y técnicas de teledetección . Sin embargo, a profundidades mayores, la mayoría de estas observaciones resultan poco prácticas. Los geólogos que estudian la geodinámica del manto y el núcleo deben basarse exclusivamente en la teledetección, especialmente la sismología, y en la recreación experimental de las condiciones terrestres mediante experimentos a alta presión y alta temperatura (véase también la ecuación de Adams-Williamson ).

Modelado numérico

Debido a la complejidad de los sistemas geológicos, se utiliza la modelización informática para comprobar las predicciones teóricas sobre geodinámica utilizando datos de estas fuentes.

Existen dos formas principales de modelado numérico geodinámico. [ 14 ]

  1. Modelado para reproducir una observación específica: Este enfoque tiene como objetivo responder qué causa un estado específico de un sistema en particular.
  2. Modelado para producir dinámica de fluidos básica: Este enfoque tiene como objetivo responder cómo funciona un sistema específico en general.

La modelización básica de la dinámica de fluidos se puede subdividir en estudios instantáneos, cuyo objetivo es reproducir el flujo instantáneo en un sistema debido a una distribución de flotabilidad determinada, y estudios dependientes del tiempo, cuyo objetivo es reproducir una posible evolución de una condición inicial determinada a lo largo del tiempo o un estado estacionario (cuasi) estadístico de un sistema determinado.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Ismail-Zadeh y Tackley 2010
  2. 1 2 3 4 Turcotte, DL y G. Schubert (2014). "Geodinámica".
  3. ↑ Winters, JD (2001). "Introducción a la petrología ígnea y metamórfica".
  4. ↑ Newman, WI (2012). Mecánica del continuo en las ciencias de la Tierra . Cambridge University Press. ISBN 9780521562898.
  5. 1 2 Turcotte y Schubert 2002
  6. 1 2 3 Karato, Shun-ichiro (2008). "Deformación de los materiales terrestres: una introducción a la reología de la Tierra sólida."
  7. ↑ Faul, UH, JDF Gerald e I. Jackson (2004). "Atenuación y dispersión de ondas de corte en olivino con contenido de fusión
  8. ↑ Hager, BH y RW Clayton (1989). "Restricciones sobre la estructura de la convección del manto mediante observaciones sísmicas, modelos de flujo y el geoide." Mecánica de fluidos de la astrofísica y la geofísica 4.
  9. ↑ Stein, C. (1995). "Flujo de calor de la Tierra".
  10. ↑ Dziewonski, AM y DL Anderson (1981). "Modelo preliminar de referencia de la Tierra". Física de la Tierra e Interiores Planetarios 25(4): 297–356.
  11. ↑ Ribe, NM (1998). "Spouting and planform selection in the Rayleigh–Taylor instability of miscible viscous fluids." Journal of Fluid Mechanics 377: 27–45.
  12. ↑ Conrad, CP y C. Lithgow-Bertelloni (2004). "La evolución temporal de las fuerzas impulsoras de las placas: Importancia de la "succión de la placa" frente a la "tracción de la placa" durante el Cenozoico." Journal of Geophysical Research 109(B10): 2156–2202.
  13. ↑ Bourdon, B., NM Ribe, A. Stracke, AE Saal y SP Turner (2006). "Perspectivas sobre la dinámica de las plumas del manto a partir de la geoquímica de la serie del uranio." Nature 444(7): 713–716.
  14. ↑ Tackley, Paul J.; Xie, Shunxing; Nakagawa, Takashi; Hernlund, John W. (2005), "Estudios numéricos y de laboratorio de la convección del manto: filosofía, logros y estructura y evolución termoquímica", El manto profundo de la Tierra: estructura, composición y evolución , vol. 160, American Geophysical Union, pp. 83–99 , Bibcode : 2005GMS...160...83T , doi : 10.1029/160gm07 , ISBN   9780875904252
Bibliografía
  • Servicio Geológico de Canadá - Programa de Geodinámica
  • Página principal de Geodinámica – JPL/NASA
  • Geodinámica planetaria de la NASA
  • Laboratorio Nacional de Los Alamos – Geodinámica y Seguridad Nacional
  • Infraestructura computacional para geodinámica. Archivado el 17 de mayo de 2014 en Wayback Machine.