Analogové modelování (geologie) - Analogue modelling (geology)

Model pískoviště s čistým střihem porucha tahu formace

Analogové modelování je laboratorní experimentální metoda využívající nekomplikované fyzikální modely (například pískoviště) s určitými jednoduchými časovými a délkovými měřítky k modelování geologických scénářů a simulaci geodynamického vývoje.^[1][2]

Existuje mnoho omezení ovlivňujících přímé studium Země. Za prvé, časové rámce geodynamické procesy jsou výjimečně dlouhé (miliony let) a většina procesů začala dlouho před lidskými záznamy.^[1][3] Zadruhé, délkové stupnice geodynamických procesů jsou obrovské (tisíce kilometrů) a většina z nich se odehrává v hloubce Země.^[1][3] Vědci tak začali provádět proporcionální malé simulace prvků v přírodním světě, aby otestovali geologické nápady. Analogové modely mohou přímo zobrazit celý strukturální vzor ve 3D a průřezu. Pomáhají pochopit vnitřní struktury a postupný vývoj deformujících se oblastí Země.^[1]

Analogové modelování bylo široce používáno pro geodynamickou analýzu a pro ilustraci vývoje různých geologické jevy. Modely mohou zkoumat procesy v malém měřítku, například skládací a chybující nebo rozsáhlé procesy, jako např tektonický pohyb a vnitřní pozemské struktury.^[1][4]

Dějiny

Boční kompresní stroj od James Hall modelovat geologické skládání. Tento stroj je stále přítomen v Royal Society of Edinburgh. Materiály stlačené v krabici jsou přikrývky nebo vrstvy hlíny.^[2]

Analogové modelování má historii vývoje přes 200 let.^[1]

Používá se nejméně od roku 1812, kdy James Hall vymačkané vrstvy hlíny záhyby podobné těm, které studoval na výchoz.^[2] Tato myšlenka modelování vedla k mnoha dalším studiím malého rozsahu, jako např záhyb šíření chyb,^[5] porucha tahu,^[6] a záhyby^[7] na konci 19. století. Všechny tyto studie byly kvalitativní.^[1]

Král Hubbert přišel s teorií měřítka v roce 1937, což znamená, že se začalo studovat analogové modelování kvantitativní.^[8] The kvantitativní přístup bylo dále vyvinuto mnoha vědci později.^[1] Jak se pole geodynamických studií rozšířilo, analogové modelování vzrostlo, zejména pro rozsáhlé geologické procesy. Mezi příklady patří proto-subdukce^[9] subdukce^[10][11] v tektonika desek, srážka,^[12] diapirismus,^[13] a rifting.^[14][1][4]

Součásti

Analogový model kaldera formování pomocí mouky k reprezentaci horní části kůra a balón, který představuje nafouknutí magmatická komora

Škálování

V roce 1937 Král Hubbert popsal klíčové principy pro změnu měřítka analogových modelů. Definoval tři typy podobnosti mezi modely a přírodním světem: geometrický, kinematický a dynamický.^[8][15]

Geometrická podobnost

Aby byly geometricky podobné, musí být délky v modelu a přirozeném příkladu úměrný a úhly musí být stejné.^[15] Když je délka přirozeného prototypu (p) ${ displaystyle l_ {n} ^ {p}}$ (n = 1, 2, 3 ...) a úhel je ${ displaystyle alpha _ {n} ^ {p}}$. Odpovídajícím způsobem je délka v modelu (m) ${ displaystyle l_ {n} ^ {m}}$ a úhel je ${ displaystyle alpha _ {n} ^ {m}}$. Musí dodržovat následující vzorce:^[1]

${ displaystyle { frac {l_ {1} ^ {m}} {l_ {1} ^ {p}}} = { frac {l_ {2} ^ {m}} {l_ {2} ^ {p} }} = { frac {l_ {3} ^ {m}} {l_ {3} ^ {p}}} = { frac {l_ {n} ^ {m}} {l_ {n} ^ {p} }}}$ & ${ displaystyle alpha _ {n} ^ {m} = alpha _ {n} ^ {p}}$

Například 1 centimetr v modelu představuje 1 kilometr v přírodě.

Kinematická podobnost

Aby byly kinematicky podobné, musí být geometricky podobné a doba potřebná k provedení změn musí být úměrný.^[9] Když je požadovaný čas na výměnu ${ displaystyle t_ {n}}$:^[1]

${ displaystyle { frac {t_ {1} ^ {m}} {t_ {1} ^ {p}}} = { frac {t_ {2} ^ {m}} {t_ {2} ^ {p} }} = { frac {t_ {3} ^ {m}} {t_ {3} ^ {p}}} = { frac {t_ {n} ^ {m}} {t_ {n} ^ {p} }}}$

Například 1 sekunda v modelu představuje v přírodě 1 tisíc let.

Jak je známo: ${ displaystyle v = { frac {l} {t}}}$, rychlosti (${ displaystyle v}$) lze škálovat následující rovnicí:^[1]

${ displaystyle v ^ {p} = v ^ {m} { frac {l ^ {p} t ^ {m}} {l ^ {m} t ^ {p}}}}$

Dynamická podobnost

Pokud jsou modely a přírodní svět geometricky a kinematicky podobné, vyžaduje dynamická podobnost také to, aby různé síly působící na bod v modelu byly úměrný těm v odpovídajícím přirozeném bodě.^[15] Když síly (${ displaystyle F_ {n}}$) působící na systém jsou ${ displaystyle F_ {g}}$ (gravitace ), ${ displaystyle F_ {v}}$ (viskózní síla ), a ${ displaystyle F_ {f}}$ (tření ):^[15]

${ displaystyle { frac {F_ {g} ^ {m}} {F_ {g} ^ {p}}} = { frac {F_ {v} ^ {m}} {F_ {v} ^ {p} }} = { frac {F_ {f} ^ {m}} {F_ {f} ^ {p}}} = { frac {F_ {n} ^ {m}} {F_ {n} ^ {p} }}}$

Jelikož jsou síly působící v přírodě neměřitelné, je nemožné tyto síly a napětí přímo škálovat. Vědci používají různé vzorce k převodu sil na parametry, které lze měřit. Cauchyho rovnice hybnosti se obvykle používá pro zobrazení vztahu mezi silami a hustotami (${ displaystyle rho}$ je hustota):^[1]

${ displaystyle { frac {F ^ {m}} {F ^ {p}}} = { frac { rho ^ {m} (l ^ {m}) ^ {3}} { rho ^ {p } (l ^ {p}) ^ {3}}}}$(Generování z Cauchyho rovnice hybnosti^[16])

Stokesův zákon se obvykle používá pro zobrazení vztahu mezi silami a kontrasty hustoty (${ displaystyle Delta rho}$ je hustota konstantní):^[1]

${ displaystyle { frac {F ^ {m}} {F ^ {p}}} = { frac { Delta rho ^ {m} (l ^ {m}) ^ {3}} { Delta rho ^ {p} (l ^ {p}) ^ {3}}}}$(Generování z Stokesův zákon^[17])

(Zatímco gravitační zrychlení ${ displaystyle g ^ {m} = g ^ {p}}$)

Protože hustoty a kontrasty hustoty jsou úměrný na síly a napětí je snadné škálovat hustoty nebo kontrasty hustoty místo škálování sil a napětí.^[1]

Tyto dvě rovnice však mohou vést k různým topografickým měřítkům.^[1]

Jednoduché analogové modelování systému skládacích tahů provedené ve fyzikální laboratoři univerzity v Nanjing. Bílé a modré materiály jsou křemenný písek.

Experimentální aparát

Různé geodynamické procesy jsou simulovány různými experimentálními zařízeními.

Například stroje pro boční kompresi se běžně používají při simulaci deformací zahrnujících litosférické zkrácení, jako například skládací,^[2] tahu chybující, kolize a subdukce. Ke štěpení se obvykle používají podélné kompresní stroje.^[18] Existuje široká škála zařízení založených na různých zdrojích sil působících na materiál. Některá zařízení mají více vynucovacích systémů, protože příroda není homogenní.^[1]

Laboratorní prostředí

Systémy

U experimentálních systémů lze energii dodávat externě (na hranici) a interně (vztlak síly). Pokud je deformace způsobena pouze vnitřními silami, je to a uzavřený systém. Naopak, pokud jsou deformace způsobeny vnějšími silami nebo kombinací vnitřních a vnějších sil, jedná se o otevřený systém.^[1]

U otevřeného systému jsou vytlačovací nebo napínací síly působeny zvenčí. Vztlakové síly však mohou být generovány jak externě, tak interně. Materiály a tepelnou energii lze do systému přidávat nebo odebírat. U uzavřeného systému není do systému přidána žádná energie a materiály. Všechny deformace jsou tedy způsobeny vnitřními vztlakovými silami. V uzavřeném systému lze simulovat pouze deformaci vyvolanou vztlakem.^[1]

Gravitační pole

Jednoduché analogové modelování a subdukční zóna. Materiály, které tento model používá, jsou písková směs a silikonový tmel pro Kontinentální kůra (vlevo ve vrstvách hnědé) a oceánská kůra (vpravo ve vrstvách hnědé) a glukózový sirup pro astenosféra (zeleno-modrá kapalina ve skleněné nádrži). V nádrži je ohřívač pro ohřev kapaliny.^[2][19][20]

Protože hlavním objektem výzkumu analogového modelování je Země, gravitační pole většina experimentů obvykle využívá gravitační pole Země. Mnoho modelů se však provádí pomocí simulované gravitace, například pomocí a odstředivka. Tyto technologie se obvykle používají při studiu vývoje struktur řízených gravitací, jako jsou formování kopule,^[21] a diapirismus.^[1]

Materiály

Analogové modelování používá různé materiály, jako např písek, jíl, silikon a parafinový vosk.^[2] Začaly se používat různé materiály kvantitativní analýza experimentů analogového modelování ve srovnání s kvalitativní analýza.^[22] Před Hubbertovou teorií měřítka vědci používali pro analogové modelování přírodní materiály (např. Jíly, půdu a písek).^[1] U simulace ve velkém měřítku by analogové modelování mělo mít geometrickou, kinematickou a dynamickou podobnost s přírodou. Pokud má model tyto podobnosti, budou výsledky simulace přesnější.^[8] Všechny tyto různé materiály představují přírodní rysy Země (jako kůra, plášť a řeka).^[22] Výběr analogových materiálů je obtížný z velké části reologie -závislá deformace a nekonstantní reologie ovlivněn tepelný gradient v přírodě. Reologická charakteristika vnitřního vrstvení byla vyvinuta studiem seismologie a geochemie.^[1]

Pro simulaci vrstev s různými vlastnostmi jsou vybrány různé materiály:

Výhody

Existuje mnoho užitečných vlastností analogového modelování:

1. Analogové modely mohou přímo zobrazit celé geodynamické procesy od začátku do konce.^[1]
2. Geodynamické procesy mohou být kdykoli zastaveny kvůli vyšetřování a umožňují studium 3D struktur.^[24]
3. Váhy modelu lze pro laboratoř ovládat v proveditelném rozsahu.^[1]
4. Simulace může ukázat různé výsledky geodynamické procesy změnou parametrů a vliv každého parametru je vyjasněn.^[24]
5. Výsledky analogového modelování lze přímo použít k interpretaci přírody, pokud je přesnost modelu vysoká.^[1]
6. Analogové modelování může poskytnout nové způsoby uvažování o geologických problémech.^[24]

Nevýhody

Protože analogové modelování zahrnuje zjednodušení geodynamických procesů, má také několik nevýhod a omezení:^[15]

1. Studium vlastností přírodních hornin stále vyžaduje další výzkum. Čím přesnější jsou vstupní data, tím přesnější je analogové modelování.^[15]
2. Existuje mnoho dalších přírodních faktorů, které ovlivňují geodynamické procesy (jako izostatická kompenzace a eroze ) a jedná se pravděpodobně o heterogenní systémy. Proto jsou náročné pro simulace (některé faktory nejsou ani známy).
3. Variace přírodních hornin je větší než u simulovaných materiálů; proto je obtížné plně modelovat skutečnou situaci.^[15]
4. Analogové modelování nelze simulovat chemické reakce.^[15]
5. Přístroj obsahuje systematické chyby a náhodné chyby způsobené lidskými faktory.^[1]

Aplikace

Jednoduché analogové modelování růstu a eroze orogenní klín. Tato simulace se provádí ve skleněné nádrži s vrstvami různých zrnitých materiálů, které představují kůru. [1]

Analogové modelování lze použít k simulaci různých geodynamických procesů a geologických jevů, jako jsou problémy malého rozsahu - skládací, štěpení, boudinage a smyková zóna a velké problémy - subdukce kolize, diapirismus, a konvekce pláště.^[1][4] Následuje několik příkladů použití analogového modelování.

Kompresní tektonika

První analogový model postavil James Hall pro simulaci záhyby. Pro simulaci použil stroj s boční kompresí a tento stroj je stále zobrazen v Royal Society of Edinburgh.^[2] Konečný výsledek z modelu je velmi blízký pozorování Berwickshire pobřeží.^[2] I když je model, který použil, jednodušší než současný, myšlenka se stále používá.

Použití složitějších kompresních strojů podstatně zvyšuje počet simulací kompresní tektoniky, včetně subdukce kolize, litosférické zkrácení, tvorba zlomenin, tah a akreční klín. Pokud se simulace zaměřuje pouze na horní část kůry, model je vždy zabudován ve skleněné krabici (nebo ve dvou bočních skleněných stěnách) s pístem a / nebo klíny, které dodávají síly vrstvám zrnitých materiálů (obvykle nazývaných pískoviště). V závislosti na různých přírodních vlastnostech eroze (odstraňování vrchních materiálů pod určitým úhlem), décollement (vložené vrstvy s nízkou soudržností, obvykle skleněné mikrokuličky) a jakékoli další parametry lze vložit do modelu, což přináší různé výsledky.^[25]

Simulace vlivů pláště se liší. Kvůli rozdílným fyzikálním a chemickým vlastnostem mezi astenosférou a litosférou, viskózními materiály a ohřívačem (pro konvekce pláště ).^[2]

Jednoduché analogové modelování tektoniky extenze, které ukazuje vznik normální poruchy a solné kopule (diapirismu). Tento model je postaven ve skleněné krabici. Tmavší šedou vrstvou je silikon, který představuje sůl, a nahnědlé vrstvy jsou suché křemenné písky, které představují křehké sedimentární horniny.^[13] [2]

Extensionální tektonika

Pro simulaci lze také použít kompresní stroje obráceně extenzivní tektonika, jako je litosférická extenze, tvorba trhliny, normální porucha, boudinage a diapiry. Tyto modely mohou být také postaveny ve skleněné krabici, která je podobná výše uvedené, ale místo přítlačná síla, tahová síla je použito.^[13]

Striktně proklouznutá tektonika

Zjednodušené nastavení analogového modelování smykové deformace. Tento model je postaven na dvou samostatných vodorovných deskách. Hnědé vrstvy jsou suchý písek, vlhký jíl a viskózní materiály, jako je silikon nebo polydimethylsiloxan.^[26]

Striktně proklouznutá tektonika se liší od dominantně svislých pohybů kůry spojených se zkracováním a prodlužováním, přičemž mají převážně horizontální charakter (v relativním vyjádření sinistrální nebo dextrální ). Tento druh vodorovného pohybu vytvoří smykovou zónu a několik typů zlomenin a poruch. Typický model používaný pro tektoniku úderu skluzu má dvě (nebo více) vodorovných bazálních desek pohybujících se v opačných směrech (nebo pouze posune jednu z desek, ostatní jsou pevné). Vizuální výsledky jsou zobrazeny z ptačí perspektivy. Vědci použili CT -analýza pro sběr obrazů průřezu pro pozorování nejvíce ovlivněné oblasti během simulace.^[26]

Viz také

• Geologické modelování
• Numerické modelování (geologie)
• Země analog

Reference