Аналоговое моделирование (геология)

Модель песочницы с чистым сдвигом надвигового разлома формации

Аналоговое моделирование лабораторный экспериментальный метод, использующий несложные физические модели (например, песочницу) с определенными простыми масштабами времени и длины для моделирования геологических сценариев и моделирования геодинамической эволюции.

Прямое изучение Земли имеет множество ограничений. Во-первых, временные рамки геодинамических процессов исключительно велики (миллионы лет), и большинство процессов началось задолго до того, как человеческие данные зарегистрированы. Во-вторых, масштабы геодинамических процессов огромны (тысячи километров), и большинство из них происходит на глубине Земли. Таким образом, ученые начали производить пропорциональные мелкомасштабные моделирование особенностей природного мира для проверки геологических идей. Аналоговые модели могут напрямую отображать весь структурный образец в 3D и поперечном сечении. Они помогают понять внутренние структуры и прогрессивное развитие деформирующихся регионов Земли.

Аналоговое моделирование широко использовалось для геодинамического анализа и для иллюстрации развития различных геологических явлений. Модели могут исследовать мелкомасштабные процессы, такие как складывание и разломы, или крупномасштабные процессы, такие как тектоническое движение и внутренние структуры Земли.

• 1 История
• 2 Компоненты
  • 2.1 Масштабирование
    • 2.1.1 Геометрическое сходство
    • 2.1.2 Кинематическое сходство
    • 2.1.3 Динамическое сходство
  • 2.2 Экспериментальное оборудование
  • 2.3 Лабораторная среда
    • 2.3.1 Системы
    • 2.3.2 Гравитационное поле
  • 2.4 Материалы
• 3 Преимущества
• 4 Недостатки
• 5 Области применения
  • 5.1 Тектоника сжатия
  • 5.2 Тектоника растяжения
  • 5.3 Тектоника сдвига
• 6 См. Также
• 7 Ссылки

Машина бокового сжатия, созданная Джеймсом Холлом для моделирования геологической складчатости. Эта машина до сих пор присутствует в Эдинбургском королевском обществе. Материалы, сжатые в коробке, представляют собой одеяла или слои глины.

Аналоговое моделирование имеет историю развития более 200 лет.

Оно использовалось по крайней мере с 1812 года, когда Джеймс Холл сдавил слои глины, чтобы получить складки, подобные тем, которые он изучал на обнажении. Эта идея моделирования привела ко многим другим мелкомасштабным исследованиям, таким как складка распространения разлома, надвиг разлома и складка в конце 19 века. Все эти исследования были качественными.

Кинг Хабберт выступил с теорией масштабирования в 1937 году, что означало, что изучение аналогового моделирования стало количественным. количественный подход получил дальнейшее развитие многими учеными позже. По мере расширения области геодинамических исследований, аналоговое моделирование увеличивалось, особенно для крупномасштабных геологических процессов. Примеры включают прото-субдукцию субдукцию в тектонику плит, столкновение, диапиризм и рифтинг.

Аналоговая модель образования кальдеры с использованием муки для представления верхней части коры и воздушного шара для представления раздувающейся магматической камеры

Масштабирование

В 1937 Кинг Хабберт описал ключевые принципы масштабирования аналоговых моделей. Он определил три типа подобия между моделями и миром природы: геометрическое, кинематическое и динамическое.

Геометрическое сходство

Чтобы быть геометрически подобными, длина модели и естественного примера должна быть пропорциональный и углы должны быть равны. Когда длина естественного прототипа (p) равна $lnp\; \{\backslash \; displaystyle\; l\_\; \{n\}\; ^\; \{p\}\}$(n = 1, 2, 3...), а угол равен $\alpha \; np\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; alpha\; \_\; \{n\}\; ^\; \{p\}\}$. Соответственно, длина в модели (м) составляет $lnm\; \{\backslash \; displaystyle\; l\_\; \{n\}\; ^\; \{m\}\}$, а угол составляет $\alpha \; nm\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; alpha\; \_\; \{n\; \}\; ^\; \{m\}\}$. Они должны соответствовать следующим формулам:

$l\; 1\; мл\; 1\; p\; =\; l\; 2\; мл\; 2\; p\; =\; l\; 3\; мл\; 3\; p\; =\; lnmlnp\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{l\_\; \{1\}\; ^\; \{m\}\}\; \{l\_\; \{\; 1\}\; ^\; \{p\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{l\_\; \{2\}\; ^\; \{m\}\}\; \{l\_\; \{2\}\; ^\; \{p\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{l\_\; \{3\}\; ^\; \{m\}\}\; \{l\_\; \{\; 3\}\; ^\; \{p\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{l\_\; \{n\}\; ^\; \{m\}\}\; \{l\_\; \{n\}\; ^\; \{p\}\}\}\}$$\alpha \; нм\; =\; \alpha \; np\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; alpha\; \_\; \{n\; \}\; ^\; \{m\}\; =\; \backslash \; alpha\; \_\; \{n\}\; ^\; \{p\}\}$

Например, 1 сантиметр в модели соответствует 1 километру в природе.

Кинематическое сходство

Чтобы быть кинематически подобными, они должны быть геометрически подобными, а время, необходимое для возникновения изменений, должно быть пропорциональным. Когда необходимое время для изменения равно $tn\; \{\backslash \; displaystyle\; t\_\; \{n\}\}$:

$t\; 1\; mt\; 1\; p\; =\; t\; 2\; mt\; 2\; p\; =\; t\; 3\; mt\; 3\; p\; =\; tnmtnp\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{t\_\; \{\; 1\}\; ^\; \{m\}\}\; \{t\_\; \{1\}\; ^\; \{p\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{t\_\; \{2\}\; ^\; \{m\}\}\; \{t\_\; \{2\}\; ^\; \{p\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{t\_\; \{\; 3\}\; ^\; \{m\}\}\; \{t\_\; \{3\}\; ^\; \{p\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{t\_\; \{n\}\; ^\; \{m\}\}\; \{t\_\; \{n\}\; ^\; \{p\}\}\}\}$

Например, 1 секунда в модели представляет 1 тысячу лет в природе.

Как известно: $v\; =\; lt\; \{\backslash \; displaystyle\; v\; =\; \{\backslash \; frac\; \{l\}\; \{t\}\}\}$, скорости ($v\; \{\backslash \; displaystyle\; v\; \}$) можно масштабировать по следующему уравнению:

$vp\; =\; vmlptmlmtp\; \{\backslash \; displaystyle\; v\; ^\; \{p\}\; =\; v\; ^\; \{m\}\; \{\backslash \; frac\; \{l\; ^\; \{p\}\; t\; ^\; \{m\}\; \}\; \{l\; ^\; \{m\}\; t\; ^\; \{p\}\}\}\}$

Динамическое подобие

Когда модели и мир природы геометрически и кинематически подобны, динамическое подобие дополнительно требует, чтобы различные силы, действующие на точки в модели пропорциональны точкам в соответствующей точке в природе. Когда силы ($F\; n\; \{\backslash \; displaystyle\; F\_\; \{n\}\}$), действующие на систему, равны $F\; g\; \{\backslash \; displaystyle\; F\_\; \{g\}\}$(гравитации ), $F\; v\; \{\backslash \; displaystyle\; F\_\; \{v\}\}$(вязкая сила ) и $F\; f\; \{\backslash \; displaystyle\; F\_\; \{f\}\}$(трение ):

$F\; gm\; F\; gp\; =\; F\; vm\; F\; vp\; =\; F\; fm\; F\; fp\; =\; F\; нм\; F\; np\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{F\_\; \{g\}\; ^\; \{m\}\}\; \{F\_\; \{g\}\; ^\; \{p\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{F\_\; \{v\}\; ^\; \{m\}\}\; \{F\_\; \{v\}\; ^\; \{p\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{F\_\; \{f\}\; ^\; \{m\}\}\; \{F\_\; \{f\}\; ^\; \{p\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{F\_\; \{n\})\; ^\; \{m\}\}\; \{F\_\; \{n\}\; ^\; \{p\}\}\}\}$

Однако, поскольку силы, действующие в природе, не поддаются измерению, невозможно напрямую масштабировать силы и напряжения. Ученые использовали разные формулы для преобразования сил в параметры, которые можно измерить. Уравнение импульса Коши обычно используется для отображения взаимосвязи между силами и плотностями ($\rho \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; rho\}$- плотность):

$F\; m\; F\; p\; =\; \rho \; м\; (лм)\; 3\; \rho \; п\; (lp)\; 3\; \{\backslash \; Displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{F\; ^\; \{m\}\}\; \{F\; ^\; \{p\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; rho\; ^\; \{m\}\; (l\; ^\; \{m\})\; ^\; \{3\}\}\; \{\backslash \; rho\; ^\; \{p\}\; (l\; ^\; \{p\})\; ^\; \{3\}\}\}\}$(Получение из уравнения импульса Коши )

закона Стокса обычно используется для отображения взаимосвязи между силами и контрастами плотности ($\Delta \; \rho \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; \backslash \; rho\}$- константа плотности):

$F\; m\; F\; p\; Знак\; равно\; \Delta \; \rho \; м\; (лм)\; 3\; \Delta \; \rho \; п\; (lp)\; 3\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{F\; ^\; \{m\}\}\; \{F\; ^\; \{p\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; Delta\; \backslash \; rho\; ^\; \{m\}\; (\; l\; ^\; \{m\})\; ^\; \{3\}\}\; \{\backslash \; Delta\; \backslash \; rho\; ^\; \{p\}\; (l\; ^\; \{p\})\; ^\; \{3\}\}\}\}$(Получение из закона Стокса )

(В то время как ускорение свободного падения $gm\; =\; gp\; \{\backslash \; displaystyle\; g\; ^\; \{m\}\; =\; g\; ^\; \{p\}\}$)

Так как плотности и контрасты плотности равны пропорционально силам и напряжениям, легко масштабировать плотности или контрасты плотности вместо масштабирования ng сил и напряжений.

Однако эти два уравнения могут привести к разным масштабам топографии.

Простое аналоговое моделирование системы складчатых поясов, выполненное в физической лаборатории Нанкинского университета. Белый и синий материалы представляют собой кварцевый песок.

Экспериментальная установка

Различные геодинамические процессы моделируются с помощью различных экспериментальных устройств.

Например, машины бокового сжатия обычно используются при моделировании деформаций, связанных с сокращением литосферы, таких как складывание, надвиговое разломо, столкновение и субдукция. Для гидроразрыва обычно используются машины продольного сжатия. Существует большое количество разнообразных устройств, основанных на различных источниках силы, приложенной к материалу. Некоторые устройства имеют несколько систем нагнетания, потому что природа неоднородна.

Лабораторная среда

Системы

Для экспериментальных систем энергия может подаваться извне (на границе) и изнутри (плавучесть сил). Если деформация вызвана только внутренними силами, это закрытая система. И наоборот, если деформации вызваны внешними силами или комбинацией внутренних и внешних сил, это открытая система.

. Для открытой системы силы выдавливания или растяжения прикладываются извне. Однако силы плавучести могут создаваться как извне, так и изнутри. Материалы и тепловая энергия могут быть добавлены или удалены из системы. Для закрытой системы в систему не добавляются энергия и материалы. Таким образом, все деформации вызваны внутренними силами плавучести. В замкнутой системе можно моделировать только деформацию, вызванную плавучестью.

Поле силы тяжести

Простое аналоговое моделирование зоны субдукции. В этой модели используются песчаные смеси и силиконовая замазка для континентальной коры (слева - слоистый коричневый цвет) и океанической коры (справа - слоистого коричневого цвета), а также сироп глюкозы для астеносферы (зеленовато-синяя жидкость в стеклянной емкости). В баке есть нагреватель для нагрева жидкости.

Поскольку основным объектом исследования аналогового моделирования является Земля, гравитационное поле, которое используется в большинстве экспериментов, обычно является гравитационным полем Земли. Однако многие модели выполняются с использованием имитации силы тяжести, например, с использованием центрифуги. Эти технологии обычно используются при изучении развития структур, контролируемых гравитацией, таких как формирование купола и диапиризм.

Материалы

В аналоговом моделировании используются различные материалы, такие как песок, глина, силикон и парафиновый воск. Для количественного анализа экспериментов по аналоговому моделированию стали использоваться разные материалы по сравнению с качественным анализом. До появления теории масштабирования Хабберта ученые использовали природные материалы (например, глину, почву и песок) для аналогового моделирования. Для крупномасштабного моделирования аналоговое моделирование должно иметь геометрическое, кинематическое и динамическое сходство с природой. Если модель имеет эти сходства, результаты моделирования будут более точными. Все эти различные материалы представляют собой природные особенности Земли (такие как кора, мантия и река). Выбор материалов-аналогов затруднен из-за в значительной степени зависимой от реологии деформации и непостоянной реологии под влиянием температурного градиента в природе. Реологические характеристики внутреннего слоистого строения были разработаны при изучении сейсмологии и геохимии.

Для моделирования слоев с разными свойствами выбираются разные материалы:

Материалы для аналогового моделирования

Категории		Примеры	Моделирование
Гранулированные материалы (различной плотности, формы и размера)		Кварцевый песок, стеклянные микрошарики, порошок полевого шпата	Хрупкий верхняя корка
Маловязкие материалы		Вода, раствор сахара, мед	Астеносфера, Сублитосферная мантия
		Кукурузный сироп, глюкозный сироп	Тонущий плиты
Высоковязкие материалы с высокой линейной вязкостью		Сироп, силикон замазка	Пластичная литосфера
Виско- эластичные материалы		Аморфные полимеры, биополимеры, битум
Нелинейные вязкие материалы	Пластические материалы	Пластилин
	Вязкопластические материалы	Воск, парафин
	Вязко-эластопластические материалы	Гель atin

Аналоговое моделирование обладает множеством полезных свойств:

1. Аналоговые модели могут напрямую отображать геодинамические процессы в целом от начала до конца.
2. Геодинамические процессы можно остановить в любой момент для исследования и позволяют изучать трехмерные структуры.
3. Масштаб модели можно контролировать в практическом диапазоне для лаборатории.
4. Моделирование может показать различные результаты геодинамики обрабатывает путем изменения параметров, и влияние каждого параметра разъясняется.
5. Результаты аналогового моделирования могут быть напрямую использованы для интерпретации природы, если точность модели высока.
6. Аналоговое моделирование позволяет по-новому взглянуть на геологические проблемы.

Поскольку аналоговое моделирование предполагает упрощение геодинамических процессов, оно также имеет ряд недостатков и ограничений:

1. Изучение свойств природных горных пород все еще требует дополнительных исследований. Чем точнее входные данные, тем точнее аналоговое моделирование.
2. В природе существует гораздо больше факторов, влияющих на геодинамические процессы (например, изостатическая компенсация и эрозия ), и это, скорее всего, неоднородные системы. Таким образом, они сложны для моделирования (некоторые факторы даже не известны).
3. Различия в естественных породах больше, чем в моделируемых материалах; поэтому сложно полностью смоделировать реальную ситуацию.
4. Аналоговое моделирование не может имитировать химические реакции.
5. Имеются систематические ошибки в аппарате и случайные ошибки из-за человеческого фактора.

Простое аналоговое моделирование роста и эрозии орогенного клина. Это моделирование выполняется в стеклянном резервуаре со слоями различных гранулированных материалов, которые представляют собой корку. [1]

Аналоговое моделирование может использоваться для моделирования различных геодинамических процессов и геологических явлений, таких как мелкомасштабные проблемы - складчатость, трещиноватость, будинаж и зона сдвига и крупномасштабные проблемы - субдукция, столкновение, диапиризм и мантийная конвекция. Ниже приведены некоторые примеры применения аналогового моделирования.

Тектоника сжатия

Первая аналоговая модель была построена Джеймсом Холлом для моделирования складок. Для моделирования он использовал машину бокового сжатия, и эта машина до сих пор показана в Королевском обществе Эдинбурга. Окончательный результат модели довольно близок к наблюдениям побережья Берикшира. Хотя модель, которую он использовал, проще существующих, идея остается в использовании.

Использование более сложных компрессионных машин значительно увеличивает количество симуляций тектоники сжатия, включая субдукцию, столкновение, сокращение литосферы, образование трещин, надвиг и аккреционный клин. Если симуляция фокусируется только на верхних слоях земной коры, модель всегда строится в стеклянной коробке (или двух боковых стеклянных стенках) с поршнем и / или клиньями для приложения сил к слоям зернистых материалов (обычно это называется песочницей). В зависимости от различных природных особенностей, эрозия (удаление верхних материалов под определенным углом), деколлемент (вставленные слои с низкой когезией, обычно стеклянные микрошарики) и любые другие параметры могут вызывать в модель, давая различные результаты.

Моделирование мантийных влияний варьируется. Из-за различных физических и химических свойств астеносферы и литосферы также используются вязкие материалы и нагреватель (для мантийной конвекции ).

Простое аналоговое моделирование тектоники растяжения, показывающее формирование сброс и соляной купол (диапиризм). Эта модель встроена в стеклянный ящик. Более темный сероватый слой - это силикон, который представляет собой соль, а коричневатые слои - это сухой кварцевый песок, который представляет собой хрупкие осадочные породы. [2]

Тектоника растяжения

Машины для сжатия также можно использовать в обратном направлении для моделирование тектоники растяжения, например растяжения литосферы, образования рифтов, нормальных разломов, будинажей и диапиров. Эти модели также могут быть построены в стеклянном ящике, который аналогичен описанному выше, но вместо силы тяги применяется сила растяжения.

Тектоника удара-скольжения

Упрощенная аналоговая настройка моделирования деформации сдвига. Эта модель построена на двух отдельных горизонтальных пластинах. Коричневатые слои представляют собой сухой песок, влажную глину и вязкие материалы, такие как силикон или полидиметилсилоксан.

Тектоника сдвигов отличается от преобладающих вертикальных движений земной коры, связанных с сокращением и расширением, и носит преимущественно горизонтальный характер (в относительные термины левый или правый ). Такое горизонтальное движение создаст зону сдвига и несколько типов трещин и разломов. Типичная модель, используемая для сдвиговой тектоники, имеет две (или более) горизонтальные базальные плиты, движущиеся в противоположных направлениях (или перемещают только одну из плит, другие неподвижны). Визуальные результаты показаны с высоты птичьего полета. Ученые использовали CT -анализ для сбора изображений поперечного сечения для наблюдения за областью, наиболее подверженной воздействию во время моделирования.

• Геологическое моделирование
• Численное моделирование (геология)
• Аналог Земли