El modelado analógico es un método experimental de laboratorio que utiliza modelos físicos sencillos (como una caja de arena) con ciertas escalas simples de tiempo y longitud para modelar escenarios geológicos y simular evoluciones geodinámicas. [1] [2]
Existen numerosas limitaciones que afectan al estudio directo de la Tierra. En primer lugar, las escalas de tiempo de los procesos geodinámicos son excepcionalmente largas (millones de años) y la mayoría de los procesos comenzaron mucho antes que los registros humanos. [1] [3] En segundo lugar, las escalas de longitud de los procesos geodinámicos son enormes (miles de kilómetros), y la mayoría de ellos ocurren en profundidad dentro de la Tierra. [1] [3] Por lo tanto, los científicos comenzaron a realizar simulaciones proporcionales a pequeña escala de características del mundo natural para probar ideas geológicas. Los modelos analógicos pueden mostrar directamente todo el patrón estructural en 3D y en sección transversal. Son útiles para comprender las estructuras internas y el desarrollo progresivo de las regiones deformantes de la Tierra. [1]
El modelado analógico se ha utilizado ampliamente para el análisis geodinámico y para ilustrar el desarrollo de diferentes fenómenos geológicos . Los modelos pueden explorar procesos a pequeña escala, como plegamiento y fallas , o procesos a gran escala, como el movimiento tectónico y las estructuras interiores de la Tierra. [1] [4]
Historia
El modelado analógico tiene una historia de desarrollo de más de 200 años. [1]
Se ha utilizado desde al menos 1812, cuando James Hall exprimió capas de arcilla para producir pliegues similares a los que había estudiado en un afloramiento . [2] Esta idea de modelado condujo a muchos otros estudios a pequeña escala, como el pliegue de propagación de fallas , [5] fallas de empuje , [6] y pliegues [7] a fines del siglo XIX. Todos estos estudios fueron cualitativos. [1]
King Hubbert ideó la teoría de la escala en 1937, lo que significa que el estudio del modelado analógico se volvió cuantitativo . [8] El enfoque cuantitativo fue desarrollado posteriormente por muchos científicos. [1] A medida que se expandió el campo del estudio geodinámico, aumentó el modelado analógico, especialmente para procesos geológicos a gran escala. Los ejemplos incluyen proto-subducción [9] subducción [10] [11] en tectónica de placas , colisión , [12] diapirismo , [13] y rifting . [14] [1] [4]
Componentes
Escalada
En 1937, King Hubbert describió los principios clave para escalar modelos analógicos. Definió tres tipos de similitud entre los modelos y el mundo natural: geométrica, cinemática y dinámica. [8] [15]
Similitud geométrica
Para que sean geométricamente similares, las longitudes en el modelo y el ejemplo natural deben ser proporcionales y los ángulos deben ser iguales. [15] Cuando la longitud de un prototipo natural (p) es (n = 1, 2, 3 ...) y el ángulo es . En consecuencia, la longitud en el modelo (m) es y el ángulo es . Deben ajustarse a las siguientes fórmulas: [1]
Y
Por ejemplo, 1 centímetro en el modelo representa 1 kilómetro en la naturaleza.
Similitud cinemática
Para ser cinemáticamente similares, deben ser geométricamente similares y el tiempo necesario para que ocurran los cambios debe ser proporcional . [9] Cuando el tiempo requerido para cambiar es: [1]
Por ejemplo, 1 segundo en el modelo representa mil años en la naturaleza.
Como es sabido: , las velocidades () se puede escalar mediante la siguiente ecuación: [1]
Similitud dinámica
Cuando los modelos y el mundo natural son geométrica y cinemáticamente similares, la similitud dinámica requiere además que las diversas fuerzas que actúan sobre un punto del modelo sean proporcionales a las del punto correspondiente de la naturaleza. [15] Cuando las fuerzas () actuando sobre el sistema son ( gravedad ),( fuerza viscosa ), y( fricción ): [15]
Sin embargo, dado que las fuerzas que actúan en la naturaleza son inconmensurables, es imposible escalar las fuerzas y tensiones directamente. Los científicos han estado usando diferentes fórmulas para convertir fuerzas en parámetros que se pueden medir. La ecuación de cantidad de movimiento de Cauchy se usa generalmente para mostrar la relación entre fuerzas y densidades (es densidad): [1]
(Generando a partir de la ecuación de impulso de Cauchy [16] )
La ley de Stokes se usa generalmente para mostrar la relación entre fuerzas y contrastes de densidad (es la densidad constante): [1]
(Generado a partir de la ley de Stokes [17] )
(Mientras que la aceleracin gravitacional )
Dado que las densidades y los contrastes de densidad son proporcionales a las fuerzas y tensiones, es fácil escalar densidades o contrastes de densidad en lugar de escalar fuerzas y tensiones. [1]
Sin embargo, estas dos ecuaciones pueden dar lugar a diferentes escalas topográficas. [1]
Aparato experimental
Los diferentes procesos geodinámicos son simulados por diferentes aparatos experimentales.
Por ejemplo, las máquinas de compresión lateral se utilizan comúnmente para simular deformaciones que involucran acortamiento litosférico, como plegado , [2] fallamiento por empuje , colisión y subducción . Las máquinas de compresión longitudinal se utilizan generalmente para fracturar. [18] Existe una gran variedad de dispositivos basados en las diferentes fuentes de fuerzas aplicadas al material. Algunos dispositivos tienen múltiples sistemas de forzamiento porque la naturaleza no es homogénea. [1]
Entorno de laboratorio
Sistemas
Para los sistemas experimentales, la energía se puede suministrar externamente (en el límite) e internamente ( fuerzas de flotabilidad ). Si la deformación solo es causada por fuerzas internas, es un sistema cerrado . Por el contrario, si las deformaciones son causadas por fuerzas externas o una combinación de fuerzas internas y externas, es un sistema abierto . [1]
Para el sistema abierto, las fuerzas de extrusión o estiramiento se imponen externamente. Sin embargo, las fuerzas de flotabilidad se pueden generar tanto externa como internamente. Los materiales y la energía térmica se pueden agregar o eliminar del sistema. Para el sistema cerrado, no hay energía ni materiales agregados al sistema. Por tanto, todas las deformaciones son provocadas por fuerzas de flotabilidad internas. Solo se puede simular la deformación impulsada por la flotabilidad en un sistema cerrado. [1]
Campo de gravedad
Debido a que el principal objeto de investigación del modelado analógico es la Tierra, el campo de gravedad que utilizan la mayoría de los experimentos es normalmente el campo de gravedad de la Tierra. Sin embargo, muchos modelos se llevan a cabo utilizando gravedad simulada, por ejemplo, mediante el uso de una centrífuga . Estas tecnologías se utilizan por lo general en el estudio del desarrollo de las estructuras de gravedad controlada, tales como la formación de cúpula , [21] y diapirismo . [1]
Materiales
El modelado analógico utiliza varios materiales , como arena , arcilla , silicona y cera de parafina . [2] Se utilizaron diferentes materiales para el análisis cuantitativo de experimentos de modelado analógico, en comparación con el análisis cualitativo . [22] Antes de la teoría de la escala de Hubbert, los científicos usaban materiales naturales (por ejemplo, arcillas, suelo y arena) para el modelado analógico. [1] Para la simulación a gran escala, el modelado analógico debe tener similitud geométrica, cinemática y dinámica con la naturaleza. Si el modelo tiene estas similitudes, los resultados de la simulación serán más precisos. [8] Todos estos diferentes materiales representan las características naturales de la Tierra (como la corteza, el manto y el río). [22] La selección de materiales análogos es difícil, debido a la deformación en gran parte dependiente de la reología y la reología inconstante influenciada por el gradiente térmico en la naturaleza. La característica reológica de las capas internas se desarrolló mediante el estudio de la sismología y la geoquímica . [1]
Para simular capas con diferentes propiedades, se eligen diferentes materiales:
Categorías | Ejemplos de | Simulación | |
---|---|---|---|
Materiales granulares (varios en densidad, forma y tamaño) | Arena de cuarzo, microperlas de vidrio, polvo de feldespato | Corteza superior frágil [8] | |
Materiales de baja viscosidad | Agua, solución de azúcar, miel. | astenosfera , Manto sub-litosférico | |
Jarabe de maíz, jarabe de glucosa | Losas hundidas [23] | ||
Materiales de alta viscosidad lineal | Jarabe, masilla de silicona | Litosfera dúctil | |
Materiales viscoelásticos | Polímeros amorfos, biopolímeros , betún | ||
Materiales viscosos no lineales | Materiales plásticos | Arcilla de moldear | |
Materiales viscoplásticos | Cera , parafina | ||
Materiales viscoelastoplásticos | Gelatina |
Ventajas
Hay muchas propiedades útiles del modelado analógico:
- Los modelos analógicos pueden mostrar directamente procesos geodinámicos completos de principio a fin. [1]
- Los procesos geodinámicos se pueden detener en cualquier momento para investigar y permitir el estudio de estructuras 3D. [24]
- Las escalas del modelo se pueden controlar en un rango practicable para el laboratorio. [1]
- La simulación puede mostrar diferentes resultados de procesos geodinámicos alterando los parámetros, y se aclara la influencia de cada parámetro. [24]
- Los resultados del modelado analógico se pueden utilizar directamente para interpretar la naturaleza si la precisión del modelo es alta. [1]
- El modelado analógico puede proporcionar nuevas formas de pensar sobre los problemas geológicos. [24]
Desventajas
Dado que el modelado analógico implica la simplificación de los procesos geodinámicos, también tiene varias desventajas y limitaciones: [15]
- El estudio de las propiedades de las rocas naturales aún necesita más investigación. Cuanto más precisos sean los datos de entrada, más preciso será el modelado analógico. [15]
- Hay muchos más factores en la naturaleza que afectan los procesos geodinámicos (como la compensación isostática y la erosión ), y lo más probable es que se trate de sistemas heterogéneos. Por lo tanto, son un desafío para las simulaciones (algunos factores ni siquiera se conocen).
- La variación de rocas naturales es mayor que en materiales simulados; por lo tanto, es difícil modelar completamente la situación real. [15]
- El modelado analógico no puede simular reacciones químicas . [15]
- Hay errores sistemáticos en el aparato y errores aleatorios debidos a factores humanos. [1]
Aplicaciones
El modelado analógico se puede utilizar para simular diferentes procesos geodinámicos y fenómenos geológicos, como problemas a pequeña escala ( plegado , fracturamiento, boudinaje y zona de corte , y problemas a gran escala, subducción , colisión, diapirismo y convección del manto) . [1] [4] Los siguientes son algunos ejemplos de aplicaciones del modelado analógico.
Tectónica de compresión
El primer modelo analógico fue construido por James Hall para simular pliegues . Usó una máquina de compresión lateral para la simulación, y esta máquina todavía se muestra en la Royal Society de Edimburgo . [2] El resultado final del modelo está bastante cerca de la observación de la costa de Berwickshire . [2] Aunque el modelo que utilizó es más simple que los actuales, la idea sigue en uso.
El uso de máquinas de compresión más complejas aumenta sustancialmente el número de simulaciones de tectónica compresional, incluida la subducción , colisión, acortamiento litosférico, formación de fracturas, empuje y cuña acrecional . Si la simulación solo se enfoca en la corteza superior, el modelo siempre se construye en la caja de vidrio (o dos paredes de vidrio laterales) con un pistón y / o cuñas para suministrar fuerzas a las capas de materiales granulares (normalmente llamado caja de arena). Dependiendo de las diferentes características naturales, la erosión (eliminación de los materiales superiores en un cierto ángulo), el escote (capas insertadas con baja cohesión, normalmente microperlas de vidrio) y cualquier otro parámetro que se pueda introducir en el modelo, produce varios resultados. [25]
Las simulaciones de las influencias del manto varían. Debido a las diferentes propiedades físicas y químicas entre la astenosfera y la litosfera, también se utilizan materiales viscosos y un calentador (para la convección del manto ). [2]
Tectónica extensional
Las máquinas de compresión también se pueden usar a la inversa para simular la tectónica extensional , como la extensión litosférica, la formación de grietas , fallas normales , boudinajes y diapiros . Estos modelos también se pueden construir en una caja de vidrio que es similar a la anterior, pero en lugar de fuerza de empuje , se aplica fuerza de tracción . [13]
Tectónica de deslizamiento
La tectónica de choque-deslizamiento difiere de los movimientos predominantemente verticales de la corteza asociados con el acortamiento y la extensión, siendo predominantemente de carácter horizontal (en términos relativos sinistral o dextral ). Este tipo de movimiento horizontal creará una zona de corte y varios tipos de fracturas y fallas. Un modelo típico utilizado para la tectónica de deslizamiento tiene dos (o más) placas basales horizontales que se mueven en direcciones opuestas (o solo mueven una de las placas, otras son fijas). Los resultados visuales se muestran a vista de pájaro. Los científicos utilizaron el análisis de TC para recopilar las imágenes de la sección transversal para la observación del área más influenciada durante la simulación. [26]
Ver también
- Modelado geológico
- Modelado numérico (geología)
- Tierra analógica
Referencias
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab Schellart, Wouter P .; Strak, Vincent (2016). "Una revisión del modelado analógico de procesos geodinámicos: enfoques, escalado, materiales y cuantificación, con una aplicación a experimentos de subducción" . Revista de geodinámica . 100 : 7-32. Código bibliográfico : 2016JGeo..100 .... 7S . doi : 10.1016 / j.jog.2016.03.009 . ISSN 0264-3707 .
- ^ a b c d e f g h yo Ranalli, Giorgio (2001). "Tectónica experimental: desde Sir James Hall hasta el presente". Revista de geodinámica . 32 (1–2): 65–76. Código Bibliográfico : 2001JGeo ... 32 ... 65R . doi : 10.1016 / s0264-3707 (01) 00023-0 . ISSN 0264-3707 .
- ^ a b Schreurs, Guido; Buiter, Susanne JH (Susanne Janita Henriët) (2006). Modelado analógico y numérico de procesos a escala cortical . Sociedad Geológica. ISBN 978-1862391918. OCLC 191801955 .
- ^ a b c Strak, Vincent; Schellart, Wouter P. (2016). "Introducción al número especial que celebra los 200 años de modelado geodinámico". Revista de geodinámica . 100 : 1–6. Código bibliográfico : 2016JGeo..100 .... 1S . doi : 10.1016 / j.jog.2016.08.003 . ISSN 0264-3707 .
- ^ Hall, sir James. "Estudios geológicos en el Pays-D'Enhaut Vaudois" . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Cadell, Henry M. (1889). "VII. — Investigaciones experimentales en la construcción de montañas" . Transacciones de ciencias ambientales y de la tierra de la Royal Society of Edinburgh . 35 (1): 337–357. doi : 10.1017 / S0080456800017658 . ISSN 2053-5945 .
- ^ Bailey Willis (1894). La mecánica de la estructura de los Apalaches . Universidad Harvard. Gob. impresión. apagado.
- ^ a b c d HUBBERT, MK (1 de octubre de 1937). "Teoría de modelos a escala aplicada al estudio de estructuras geológicas". Boletín de la Sociedad Geológica de América . 48 (10): 1459-1520. Código Bibliográfico : 1937GSAB ... 48.1459H . doi : 10.1130 / gsab-48-1459 . ISSN 0016-7606 .
- ^ a b Ph.H., Kuenen (1937). Las anomalías isostáticas negativas en las Indias Orientales (con experimentos) . OCLC 945425263 .
- ^ JACOBY, WOLFGANG R. (1973). "Experimento modelo de movimientos de placas". Ciencia física de la naturaleza . 242 (122): 130-134. Código Bibliográfico : 1973NPhS..242..130J . doi : 10.1038 / physci242130a0 . ISSN 0300-8746 .
- ^ Kincaid, Chris; Olson, Peter (10 de diciembre de 1987). "Un estudio experimental de subducción y migración de losas". Revista de Investigación Geofísica: Tierra sólida . 92 (B13): 13832-13840. Código bibliográfico : 1987JGR .... 9213832K . doi : 10.1029 / jb092ib13p13832 . ISSN 0148-0227 .
- ^ Tapponnier, P .; Peltzer, G .; Le Dain, AY; Armijo, R .; Cobbold, P. (1982). "Propagación de la tectónica de extrusión en Asia: nuevos conocimientos de experimentos simples con plastilina". Geología . 10 (12): 611. Bibcode : 1982Geo .... 10..611T . doi : 10.1130 / 0091-7613 (1982) 10 <611: petian> 2.0.co; 2 . ISSN 0091-7613 .
- ^ a b c Vendeville, BC; Jackson, MPA (1 de enero de 1992). "El ascenso y la caída de diapiros durante la extensión de piel fina". Informe de investigación . doi : 10.23867 / ri0209d . ISSN 2475-367X .
- ^ Brune, James N .; Ellis, Michael A. (1 de mayo de 1997). "Características estructurales en un modelo de cera frágil-dúctil de extensión continental". Naturaleza . 387 (6628): 67–70. Código Bibliográfico : 1997Natur.387 ... 67B . doi : 10.1038 / 387067a0 . ISSN 0028-0836 .
- ^ a b c d e f g h Koyi, H. (18 de diciembre de 2007). "Modelización analógica: de una técnica cualitativa a una cuantitativa - Un esquema histórico". Revista de geología del petróleo . 20 (2): 223–238. Código Bibliográfico : 1997JPetG..20..223K . doi : 10.1111 / j.1747-5457.1997.tb00774.x . ISSN 0141-6421 .
- ^ Davy, Ph .; Cobbold, PR (10 de marzo de 1991). "Experimentos de acortamiento de un modelo de 4 capas de la litosfera continental". Tectonofísica . 188 (1–2): 1–25. Código Bibliográfico : 1991Tectp.188 .... 1D . doi : 10.1016 / 0040-1951 (91) 90311-f . ISSN 0040-1951 .
- ^ JACOBY, WOLFGANG R. (1973). "Experimento modelo de movimientos de placas". Ciencia física de la naturaleza . 242 (122): 130-134. Código Bibliográfico : 1973NPhS..242..130J . doi : 10.1038 / physci242130a0 . ISSN 0300-8746 .
- ^ Mead, Warren J. (1920). "Notas sobre la mecánica de las estructuras geológicas" . La Revista de Geología . 28 (6): 505–523. Bibcode : 1920JG ..... 28..505M . doi : 10.1086 / 622731 . JSTOR 30063760 .
- ^ Shemenda, Alexander I. (1994). Subducción . Enfoques modernos en geofísica . 11 . doi : 10.1007 / 978-94-011-0952-9 . ISBN 978-94-010-4411-0. ISSN 0924-6096 .
- ^ Rossetti, Federico; Ranalli, Giorgio; Faccenna, Claudio (1999). "Propiedades reológicas de la parafina como material análogo a la deformación viscosa de la corteza". Revista de geología estructural . 21 (4): 413–417. Código bibliográfico : 1999JSG .... 21..413R . doi : 10.1016 / s0191-8141 (99) 00040-1 . ISSN 0191-8141 .
- ^ Ramberg, H. (26 de enero de 2010). "Modelo de experimentación del efecto de la gravedad en los procesos tectónicos" . Revista geofísica de la Royal Astronomical Society . 14 (1–4): 307–329. doi : 10.1111 / j.1365-246x.1967.tb06247.x . ISSN 0016-8009 .
- ^ a b Klinkmüller, M .; Schreurs, G .; Rosenau, M .; Kemnitz, H. (2 de agosto de 2016). "Propiedades de los materiales del modelo analógico granular: una encuesta de toda la comunidad" . Tectonofísica . 684 : 23–38. Código bibliográfico : 2016Tectp.684 ... 23K . doi : 10.1016 / j.tecto.2016.01.017 . ISSN 0040-1951 .
- ^ Griffiths, Ross W .; Hackney, Ronald I .; van der Hilst, Rob D. (1995). "Una investigación de laboratorio de los efectos de la migración de trincheras en el descenso de losas subducidas". Letras de Ciencias de la Tierra y Planetarias . 133 (1–2): 1–17. Bibcode : 1995E y PSL.133 .... 1G . doi : 10.1016 / 0012-821x (95) 00027-a . hdl : 1874/7889 . ISSN 0012-821X .
- ^ a b c Gelder, Inge. "Modelado analógico" .
- ^ Konstantinovskaia, Elena; Malavieille, Jacques (26 de febrero de 2005). "Erosión y exhumación en orógenos de acreción: enfoques experimentales y geológicos". Geoquímica, Geofísica, Geosistemas . 6 (2): Q02006. Código Bibliográfico : 2005GGG ..... 6.2006K . doi : 10.1029 / 2004gc000794 . ISSN 1525-2027 .
- ^ a b Dooley, Tim P .; Schreurs, Guido (29 de octubre de 2012). "Modelado analógico de tectónica de deslizamiento-deslizamiento intraplaca: una revisión y nuevos resultados experimentales". Tectonofísica . 574–575: 1–71. Bibcode : 2012Tectp.574 .... 1D . doi : 10.1016 / j.tecto.2012.05.030 . ISSN 0040-1951 .