Geodinámica

La geodinámica es un subcampo de la geofísica que se ocupa de la dinámica de la Tierra. Aplica la física, la química y las matemáticas para comprender cómo la convección del manto conduce a la tectónica de placas y fenómenos geológicos como la expansión del fondo marino, la formación de montañas, volcanes, terremotos, fallas, etc. También intenta sondear la actividad interna midiendo campos magnéticos, gravedad y ondas sísmicas, así como la mineralogía de las rocas y su composición isotópica. Los métodos de la geodinámica también se aplican a la exploración de otros planetas.

Visión de conjunto

La geodinámica generalmente se ocupa de los procesos que mueven materiales por toda la Tierra. En el interior de la Tierra, el movimiento ocurre cuando las rocas se derriten o se deforman y fluyen en respuesta a un campo de tensión. Esta deformación puede ser frágil, elástica o plástica, según la magnitud de la tensión y las propiedades físicas del material, especialmente la escala de tiempo de relajación de la tensión. Las rocas son estructural y compositivamente heterogéneas y están sujetas a tensiones variables, por lo que es común ver diferentes tipos de deformación en estrecha proximidad espacial y temporal. Cuando se trabaja con escalas de tiempo y longitudes geológicas, es conveniente utilizar la aproximación media continua y los campos de tensión de equilibrio para considerar la respuesta promedio a la tensión promedio.

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 geodinámicos puede incluir:

• Modelado de deformaciones frágiles y dúctiles de materiales geológicos
• Predicción de patrones de acreción continental y ruptura de continentes y supercontinentes
• Observar la deformación y relajación de la superficie debido a las capas de hielo y al rebote posglacial, y hacer conjeturas relacionadas sobre la viscosidad del manto.
• Encontrar y comprender los mecanismos impulsores detrás de la tectónica de placas.

Deformación de rocas

Las rocas y otros materiales geológicos experimentan tensión de acuerdo con tres modos distintos, elástico, plástico y frágil, según las propiedades del material y la magnitud del campo de tensión. 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 estrés que cambia el volumen de un sólido; el esfuerzo cortante cambia la forma. Si no hay cizalla, el fluido está en equilibrio hidrostático. Dado que, durante largos períodos, las rocas se deforman fácilmente bajo la presión, la Tierra se encuentra en equilibrio hidrostático en una buena aproximación. La presión sobre la roca depende únicamente del peso de la roca de arriba, y esto 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 calcula fácilmente un perfil de presión. En la tierra,

Elástico

La deformación elástica siempre es reversible, lo que significa que si se elimina el campo de tensión asociado con la deformación elástica, el material volverá a su estado anterior. Los materiales solo se comportan elásticamente cuando la disposición relativa a lo largo del eje considerado de los componentes del material (por ejemplo, átomos o cristales) permanece sin cambios. Esto significa que la magnitud de la tensión no puede exceder el límite elástico de un material, y la escala de tiempo de la tensión no puede acercarse al tiempo de relajación del material. Si la tensión supera el límite elástico de un material, los enlaces comienzan a romperse (y reformarse), lo que puede conducir a una deformación dúctil o frágil.

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. Los ejemplos incluyen la flexión de la litosfera bajo islas volcánicas o cuencas sedimentarias, y la flexión en fosas oceánicas. La deformación dúctil ocurre cuando los procesos de transporte, como la difusión y la advección, que dependen de la ruptura y reforma de los enlaces químicos, redistribuyen la tensión tan rápido como se acumula.

Frágil

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

En general, el modo de deformación está controlado no solo por la cantidad de tensión, sino también por la distribución de la deformación y las características asociadas a la deformación. Cualquiera que sea el modo de deformación que finalmente ocurra, 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 deslocalizar la deformación.

Estructuras de deformación

Los geólogos estructurales estudian los resultados de la deformación utilizando observaciones de la roca, especialmente el modo y la geometría de la deformación para reconstruir el campo de tensión que afectó a la roca con el tiempo. La geología estructural es un complemento importante de la geodinámica porque proporciona la fuente más directa de datos sobre los movimientos de la Tierra. Diferentes modos de deformación dan como resultado distintas estructuras geológicas, por ejemplo, fractura frágil en rocas o 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 de la roca y su composición. Las variables termodinámicas más importantes en este caso son la temperatura y la presión. Ambos aumentan con la profundidad, por lo que, en una primera aproximación, el modo de deformación se puede entender en términos de profundidad. Dentro de 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 un flujo dúctil. Después de la zona de transición frágil-dúctil, la deformación dúctil se vuelve dominante.La deformación elástica ocurre cuando la escala de tiempo de la tensión es más corta 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 derretir rocas, la resistencia al corte dúctil se aproxima a cero, razón por la cual la deformación elástica del modo de corte (ondas S) no se propagará a través de los fundidos.

Efectivo

La principal fuerza motriz detrás del estrés en la Tierra es proporcionada por la energía térmica del decaimiento de radioisótopos, la fricción y el calor residual. El enfriamiento en la superficie y la producción de calor dentro de la Tierra crean un gradiente térmico metaestable desde el núcleo caliente hasta la litosfera relativamente fría. Esta energía térmica se convierte en energía mecánica por expansión térmica. Las rocas más profundas y calientes a menudo tienen una mayor expansión térmica y una 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 debajo de ella. Eventualmente, esto puede conducir a una inestabilidad de Rayleigh-Taylor (Figura 2), o interpenetración de rocas en diferentes lados del contraste de flotabilidad.

La flotabilidad térmica negativa de las placas oceánicas es la causa principal de la subducción y la tectónica de placas, mientras que la flotabilidad térmica positiva puede conducir a penachos del manto, lo que podría explicar el vulcanismo intraplaca. La importancia relativa de la producción de calor frente a la pérdida de calor para la convección flotante en toda la Tierra sigue siendo incierta y comprender los detalles de la convección flotante es un enfoque clave de la geodinámica.

Métodos

La geodinámica es un campo amplio que combina observaciones de muchos tipos diferentes de estudios geológicos en una imagen amplia de la dinámica de la Tierra. Cerca de la superficie de la Tierra, los datos incluyen observaciones de campo, geodesia, datación radiométrica, petrología, mineralogía, perforación de pozos y técnicas de teledetección. Sin embargo, más allá de unos pocos kilómetros de profundidad, la mayoría de este tipo de observaciones se vuelven poco prácticas. Los geólogos que estudian la geodinámica del manto y el núcleo deben confiar completamente en la detección remota, especialmente en la sismología, y recrear experimentalmente las condiciones que se encuentran en la Tierra en experimentos de alta presión y alta temperatura (consulte también la ecuación de Adams-Williamson).

Modelado numérico

Debido a la complejidad de los sistemas geológicos, el modelado por computadora se utiliza para probar predicciones teóricas sobre la geodinámica utilizando datos de estas fuentes.

Hay dos formas principales de modelado numérico geodinámico.

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.

El modelado básico de dinámica de fluidos se puede subdividir en estudios instantáneos, que tienen como objetivo reproducir el flujo instantáneo en un sistema debido a una distribución de flotabilidad dada, y estudios dependientes del tiempo, que tienen como objetivo reproducir una posible evolución de una condición inicial dada a lo largo del tiempo. o un (cuasi) estado estable estadístico de un sistema dado.