الديناميكا الجيولوجية

📅 آخر تحديث: ٢٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

الجيوديناميكا فرع من فروع الجيوفيزياء، يُعنى بدراسة ديناميكيات الأرض . وهي تُطبّق الفيزياء والكيمياء والرياضيات لفهم كيفية تحوّل حركة الوشاح إلى تكتونية الصفائح والظواهر الجيولوجية، مثل اتساع قاع المحيط ، وتكوّن الجبال ، والبراكين ، والزلازل ، والصدوع . كما تسعى إلى استكشاف النشاط الداخلي للأرض من خلال قياس المجالات المغناطيسية ، والجاذبية، والموجات الزلزالية ، بالإضافة إلى دراسة المعادن والتركيب النظائري للصخور . وتُطبّق أساليب الجيوديناميكا أيضًا في استكشاف الكواكب الأخرى. [ 1 ]

ملخص

يهتم علم الجيوديناميكا عمومًا بالعمليات التي تحرك المواد في جميع أنحاء الأرض. في باطن الأرض ، تحدث الحركة عندما تنصهر الصخور أو تتشوه وتتدفق استجابةً لحقل إجهاد . [ 2 ] قد يكون هذا التشوه هشًا أو مرنًا أو لدنًا ، اعتمادًا على مقدار الإجهاد والخصائص الفيزيائية للمادة، وخاصةً مقياس زمن استرخاء الإجهاد . الصخور غير متجانسة بنيويًا وتركيبيًا وتتعرض لإجهادات متغيرة، لذلك من الشائع رؤية أنواع مختلفة من التشوه في تقارب مكاني وزمني. [ 3 ] عند العمل مع المقاييس الزمنية والأطوال الجيولوجية، من الملائم استخدام تقريب الوسط المتصل وحقول الإجهاد المتوازنة للنظر في الاستجابة المتوسطة للإجهاد المتوسط. [ 4 ]

يستخدم الخبراء في الديناميكا الأرضية عادةً البيانات من نظام تحديد المواقع العالمي الجيوديسي (GPS ) وتقنية InSAR وعلم الزلازل ، إلى جانب النماذج العددية ، لدراسة تطور الغلاف الصخري للأرض والوشاح واللب .

قد تشمل الأعمال التي يقوم بها خبراء الديناميكا الأرضية ما يلي:

تشوه الصخور

تتعرض الصخور والمواد الجيولوجية الأخرى للإجهاد وفقًا لثلاثة أنماط متميزة: المرن، واللدن، والهش، وذلك تبعًا لخصائص المادة وشدة مجال الإجهاد . يُعرَّف الإجهاد بأنه متوسط ​​القوة المؤثرة على كل جزء من الصخرة لكل وحدة مساحة. الضغط هو جزء الإجهاد الذي يُغير حجم المادة الصلبة، بينما يُغير إجهاد القص شكلها. في حال انعدام القص، يكون السائل في حالة توازن هيدروستاتيكي . ونظرًا لأن الصخور تتشوه بسهولة تحت الضغط على مدى فترات طويلة، فإن الأرض تكون في حالة توازن هيدروستاتيكي تقريبًا. يعتمد الضغط على الصخور فقط على وزن الصخور التي تعلوها، وهذا بدوره يعتمد على الجاذبية وكثافة الصخور. في جرم سماوي كالقمر ، تكون الكثافة ثابتة تقريبًا، لذا يُمكن حساب توزيع الضغط بسهولة. أما في الأرض، فيكون انضغاط الصخور مع العمق كبيرًا، ولذا يلزم استخدام معادلة حالة لحساب تغيرات كثافة الصخور حتى عندما تكون ذات تركيب متجانس. [ 5 ]

مرن

التشوه المرن قابل للانعكاس دائمًا، ما يعني أنه إذا أُزيل مجال الإجهاد المصاحب له، ستعود المادة إلى حالتها السابقة. تتصرف المواد بمرونة فقط عندما يظل الترتيب النسبي لمكوناتها (مثل الذرات أو البلورات) على طول المحور قيد الدراسة ثابتًا. وهذا يعني أن مقدار الإجهاد لا يمكن أن يتجاوز حد المرونة للمادة، وأن النطاق الزمني للإجهاد لا يمكن أن يقترب من زمن استرخاء المادة. إذا تجاوز الإجهاد حد المرونة، تبدأ الروابط بالانكسار (والتكوّن من جديد)، مما قد يؤدي إلى تشوه مطيلي أو هش. [ 6 ]

مطاوع

يحدث التشوه اللدن أو المطيل عندما ترتفع درجة حرارة النظام بدرجة كافية تجعل جزءًا كبيرًا من الحالات المجهرية للمادة (الشكل 1) غير مرتبط، مما يعني أن نسبة كبيرة من الروابط الكيميائية في طور الكسر وإعادة التكوين. خلال التشوه المطيل، تعيد عملية إعادة ترتيب الذرات توزيع الإجهاد والانفعال نحو حالة التوازن بسرعة تفوق سرعة تراكمهما. [ 6 ] تشمل الأمثلة انحناء الغلاف الصخري تحت الجزر البركانية أو الأحواض الرسوبية ، والانحناء في الخنادق المحيطية . [ 5 ] يحدث التشوه المطيل عندما تعيد عمليات النقل، مثل الانتشار والحمل، التي تعتمد على كسر الروابط الكيميائية وإعادة تكوينها، توزيع الانفعال بسرعة تقارب سرعة تراكمه.

هش

عندما يتركز الإجهاد بسرعة تفوق قدرة عمليات الاسترخاء على إعادة توزيعه، يحدث التشوه الهش . تتضمن آلية التشوه الهش تغذية راجعة إيجابية بين تراكم العيوب أو انتشارها، وخاصة تلك الناتجة عن الإجهاد في مناطق الإجهاد العالي، وتمركز الإجهاد على طول هذه الانخلاعات والكسور. بعبارة أخرى، أي كسر، مهما كان صغيرًا، يميل إلى تركيز الإجهاد عند حافته الأمامية، مما يؤدي إلى امتداد الكسر. [ 6 ]

بشكل عام، لا يتحكم مقدار الإجهاد فقط في نمط التشوه، بل يتحكم فيه أيضاً توزيع الانفعال والخصائص المرتبطة به. وأياً كان نمط التشوه الذي يحدث في النهاية، فهو نتاج تنافس بين عمليات تميل إلى تركيز الانفعال، مثل انتشار الكسر، وعمليات الاسترخاء، مثل التلدين، التي تميل إلى توزيع الانفعال.

هياكل التشوه

يدرس الجيولوجيون البنيويون نتائج التشوه، مستخدمين ملاحظاتهم على الصخور، وخاصة نمط التشوه وهندسته، لإعادة بناء مجال الإجهاد الذي أثر على الصخور عبر الزمن. يُعدّ علم الجيولوجيا البنيوية مكملاً هاماً لعلم الديناميكا الأرضية، لأنه يوفر المصدر الأكثر مباشرة للبيانات حول حركات الأرض. وتؤدي أنماط التشوه المختلفة إلى بنى جيولوجية متميزة، مثل التصدع الهش في الصخور أو الطي المرن.

الديناميكا الحرارية

تعتمد الخصائص الفيزيائية للصخور، التي تتحكم في معدل ونمط التشوه، مثل مقاومة الخضوع أو اللزوجة ، على الحالة الديناميكية الحرارية للصخر وتركيبه. أهم المتغيرات الديناميكية الحرارية في هذه الحالة هي درجة الحرارة والضغط. يزداد كلاهما مع العمق، لذا يمكن فهم نمط التشوه، كتقريب أولي، بدلالة العمق. في الغلاف الصخري العلوي، يشيع التشوه الهش لأن الصخور تحت ضغط منخفض تتمتع بمقاومة هشة منخفضة نسبيًا، بينما تقلل درجة الحرارة المنخفضة في الوقت نفسه من احتمالية التدفق اللدن. بعد منطقة الانتقال بين التشوه الهش واللدن، يصبح التشوه اللدن هو السائد. [ 2 ] يحدث التشوه المرن عندما يكون النطاق الزمني للإجهاد أقصر من زمن استرخاء المادة. تُعد الموجات الزلزالية مثالًا شائعًا على هذا النوع من التشوه. عند درجات حرارة عالية كافية لإذابة الصخور، تقترب مقاومة القص اللدن من الصفر، ولهذا السبب لا ينتشر التشوه المرن في نمط القص (موجات S) عبر المصهورات. [ 7 ]

القوات

تُستمد القوة الدافعة الرئيسية وراء الإجهاد في باطن الأرض من الطاقة الحرارية الناتجة عن تحلل النظائر المشعة، والاحتكاك، والحرارة المتبقية. [ 8 ] [ 9 ] يؤدي التبريد على السطح وتوليد الحرارة داخل الأرض إلى خلق تدرج حراري شبه مستقر من اللب الساخن إلى الغلاف الصخري البارد نسبيًا. [ 10 ] تتحول هذه الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية عن طريق التمدد الحراري. غالبًا ما تتميز الصخور الأعمق والأكثر سخونة بتمدد حراري أعلى وكثافة أقل مقارنةً بالصخور التي تعلوها. في المقابل، قد تصبح الصخور التي تبرد على السطح أقل طفوًا من الصخور التي تحتها. في النهاية، قد يؤدي ذلك إلى عدم استقرار رايلي-تايلور (الشكل 2)، أو تداخل الصخور على جانبي تباين الطفو. [ 2 ] [ 11 ]

يوضح الشكل 2 عدم استقرار رايلي-تايلور ثنائي الأبعاد باستخدام نموذج شان-تشين . يقع السائل الأحمر في البداية في طبقة فوق السائل الأزرق، وهو أقل طفوًا منه. بعد فترة، يحدث عدم استقرار رايلي-تايلور، ويخترق السائل الأحمر السائل الأزرق.

يُعدّ انخفاض الطفو الحراري للصفائح المحيطية السبب الرئيسي لانغماس الصفائح وتكتونية الصفائح، [ 12 ] بينما قد يؤدي ارتفاع الطفو الحراري إلى ظهور أعمدة الوشاح، مما قد يفسر النشاط البركاني داخل الصفائح. [ 13 ] ولا تزال الأهمية النسبية لإنتاج الحرارة مقابل فقدانها في الحمل الحراري الطافي في جميع أنحاء الأرض غير مؤكدة، ويُعدّ فهم تفاصيل الحمل الحراري الطافي محورًا رئيسيًا في علم الجيوديناميكا. [ 2 ]

طُرق

علم الجيوديناميكا مجال واسع يجمع بين الملاحظات المستقاة من أنواع مختلفة من الدراسات الجيولوجية لتكوين صورة شاملة لديناميكا الأرض. بالقرب من سطح الأرض، تشمل البيانات الملاحظات الميدانية، والجيوديسيا، والتأريخ الإشعاعي ، وعلم الصخور ، وعلم المعادن، وحفر الآبار ، وتقنيات الاستشعار عن بُعد . مع ذلك، يصبح إجراء معظم هذه الملاحظات غير عملي على أعماق تتجاوز بضعة كيلومترات. لذا، يعتمد الجيولوجيون الذين يدرسون جيوديناميكا الوشاح واللب اعتمادًا كليًا على الاستشعار عن بُعد، وخاصة علم الزلازل، وعلى إعادة خلق الظروف الموجودة في باطن الأرض تجريبيًا من خلال تجارب الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (انظر أيضًا معادلة آدمز-ويليامسون ).

النمذجة العددية

نظراً لتعقيد الأنظمة الجيولوجية، يتم استخدام النمذجة الحاسوبية لاختبار التنبؤات النظرية حول الديناميكا الأرضية باستخدام البيانات من هذه المصادر.

هناك طريقتان رئيسيتان للنمذجة العددية الجيوديناميكية. [ 14 ]

  1. النمذجة لإعادة إنتاج ملاحظة محددة: يهدف هذا النهج إلى الإجابة عن سبب حدوث حالة معينة لنظام معين.
  2. النمذجة لإنتاج ديناميكيات السوائل الأساسية: يهدف هذا النهج إلى الإجابة عن كيفية عمل نظام معين بشكل عام.

يمكن تقسيم نمذجة ديناميكيات الموائع الأساسية إلى دراسات آنية، والتي تهدف إلى إعادة إنتاج التدفق اللحظي في نظام ما بسبب توزيع طفو معين، ودراسات تعتمد على الوقت، والتي تهدف إما إلى إعادة إنتاج تطور محتمل لحالة أولية معينة بمرور الوقت أو حالة إحصائية (شبه) مستقرة لنظام معين.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ إسماعيل زاده وتاكلي 2010
  2. 1 2 3 4 توركوت، دي إل و جي. شوبرت (2014). "الديناميكا الأرضية".
  3. ↑ وينترز، جيه دي (2001). "مقدمة في علم الصخور الأصلية والمتحولة".
  4. ↑ نيومان، دبليو آي (2012). ميكانيكا الأوساط المتصلة في علوم الأرض . مطبعة جامعة كامبريدج. رقم ISBN 9780521562898.
  5. 1 2 توركوت وشوبرت 2002
  6. 1 2 3 كاراتو، شون-إيتشيرو (2008). "تشوه مواد الأرض: مقدمة في علم ريولوجيا الأرض الصلبة".
  7. ↑ فاول، يو إتش، جيه دي إف جيرالد وآي جاكسون (2004). "توهين وتشتت موجات القص في الأوليفين الحامل للصهارة
  8. ↑ هاجر، بي إتش وكلايتون، آر دبليو (1989). "قيود على بنية الحمل الحراري في الوشاح باستخدام الملاحظات الزلزالية ونماذج التدفق والجيود." ميكانيكا الموائع في الفيزياء الفلكية والجيوفيزياء 4.
  9. ↑ شتاين، سي. (1995). "تدفق الحرارة في الأرض".
  10. ↑ دزيفونسكي، أ.م. وأندرسون، د.ل. (1981). "نموذج مرجعي أولي للأرض". فيزياء الأرض والكواكب الداخلية 25(4): 297-356.
  11. ↑ ريب، ن.م. (1998). "التدفق واختيار شكل السطح في عدم استقرار رايلي-تايلور للسوائل اللزجة القابلة للامتزاج." مجلة ميكانيكا الموائع 377: 27-45.
  12. ↑ كونراد، سي بي وليثجو-بيرتيلوني، سي (2004). "التطور الزمني لقوى دفع الصفائح: أهمية "سحب الصفيحة" مقابل "جذب الصفيحة" خلال حقبة الحياة الحديثة." مجلة البحوث الجيوفيزيائية 109(B10): 2156-2202.
  13. ↑ بوردون، ب.، إن إم ريب، أ. ستراك، إيه إي سال، وإس بي تيرنر (2006). "رؤى حول ديناميكيات أعمدة الوشاح من خلال الجيوكيمياء لسلسلة اليورانيوم." نيتشر 444(7): 713-716.
  14. ↑ تاكلي، بول جيه؛ شي، شونشينغ؛ ناكاغاوا، تاكاشي؛ هيرنلوند، جون دبليو (2005)، "دراسات عددية ومخبرية لحركة الحمل الحراري في الوشاح: الفلسفة والإنجازات والبنية الكيميائية الحرارية والتطور"، وشاح الأرض العميق: البنية والتركيب والتطور ، المجلد 160، الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي، الصفحات 83-99 ، Bibcode : 2005GMS...160...83T ، doi : 10.1029/160gm07 ، ISBN   9780875904252
فهرس
  • هيئة المسح الجيولوجي الكندية - برنامج الديناميكا الأرضية
  • الصفحة الرئيسية للديناميكا الأرضية – مختبر الدفع النفاث/ناسا
  • ديناميكيات الكواكب التابعة لوكالة ناسا
  • مختبر لوس ألاموس الوطني – الديناميكا الأرضية والأمن القومي
  • البنية التحتية الحاسوبية للديناميكا الأرضية (مؤرشفة في 17 مايو 2014 على موقع Wayback Machine)