地球科学
地球力学
地球力学は地球の力学を扱う地球物理学のサブフィールドです。マントル対流がプレートテクトニクスや海底拡大、造山活動、火山、地震、断層運動などの地質現象にどのようにつながるかを理解するために、物理学、化学、数学を適用します。また、磁場、重力、地震波、岩石の鉱物学、およびそれらの同位体組成を測定することにより、内部活動の調査を試みます。地球力学の方法は、他の惑星の探査にも適用されます。
概要
地球力学は一般に、地球全体に物質を移動させるプロセスに関係しています。地球の内部では、岩石が応力場に応じて溶けたり変形したり流れたりするときに動きが起こります。この変形は、応力の大きさと材料の物理的特性、特に応力緩和時間スケールに応じて、脆性、弾性、または塑性になります。岩石は構造的および組成的に不均一であり、変動する応力にさらされるため、空間的および時間的に近接して異なるタイプの変形が見られることがよくあります。地質学的な時間スケールと長さを扱う場合、連続的な媒体近似と平衡応力場を使用して、平均応力に対する平均応答を考慮すると便利です。
地球力学の専門家は通常、測地GPS、InSAR、地震学のデータを数値モデルとともに使用して、地球のリソスフェア、マントル、コアの進化を研究しています。
地球力学者によって実行される作業には以下が含まれます。
- 地質材料の脆性および延性変形のモデリング
- 大陸の付加パターンと大陸と超大陸の分裂の予測
- 氷床と氷河後のリバウンドによる表面の変形と緩和の観察、およびマントルの粘度に関する関連する推測の作成
- プレートテクトニクスの背後にある駆動メカニズムを見つけて理解する。
岩の変形
岩石やその他の地質材料は、材料の特性と応力場の大きさに応じて、弾性、塑性、脆性の3つの異なるモードによる歪みを経験します。応力は、岩石の各部分にかかる単位面積あたりの平均力として定義されます。圧力は、固体の体積を変化させる応力の一部です。せん断応力により形状が変化します。せん断がない場合、流体は静水圧平衡にあります。長期間にわたって、岩石は圧力を受けて容易に変形するため、地球は良好な近似値で静水圧平衡にあります。岩への圧力は、上の岩の重量のみに依存し、これは重力と岩の密度に依存します。月のような物体では、密度はほぼ一定であるため、圧力プロファイルは容易に計算されます。地球では、深さのある岩石の圧縮が重要であり、岩石が均一な組成であっても、岩石の密度の変化を計算するには状態方程式が必要です。
弾性
弾性変形は常に可逆的です。つまり、弾性変形に関連する応力場が除去されると、材料は以前の状態に戻ります。材料は、材料成分（原子や結晶など）の考慮される軸に沿った相対的な配置が変わらない場合にのみ弾性的に動作します。これは、応力の大きさが材料の降伏強度を超えることができず、応力の時間スケールが材料の緩和時間に近づくことができないことを意味します。応力が材料の降伏強度を超えると、結合が破壊（および再形成）し始め、延性または脆性の変形につながる可能性があります。
延性
延性または塑性変形は、システムの温度が十分に高く、材料のミクロ状態のかなりの部分（図1）が結合されない場合に発生します。これは、化学結合の大部分が破壊および再形成されていることを意味します。延性変形中、原子再配列のこのプロセスは、応力と歪みを、それらが蓄積できるより速く平衡に向かって再配分します。例としては、火山島や堆積盆地の下でのリソスフェアの曲がりや、海溝での曲がりがあります。延性変形は、化学結合が破壊および再形成されることに依存する拡散や移流などの輸送プロセスが、蓄積するのと同じくらい速くひずみを再分配するときに発生します。
脆い
これらの緩和プロセスがひずみを再分布させるよりも速くひずみが局在化すると、脆性変形が発生します。脆性変形のメカニズムには、欠陥の蓄積または伝播、特に高歪みの領域での歪みによって生じる欠陥と、これらの転位および破壊に沿った歪みの局在化との間の正のフィードバックが含まれます。言い換えれば、どんな骨折でも、どんなに小さくても、その前縁にひずみを集中させる傾向があり、それが骨折の拡大を引き起こします。
一般に、変形のモードは、応力の量だけでなく、歪みの分布と歪みに関連する特徴によっても制御されます。最終的にどの変形モードが発生するかは、破壊伝播などの歪みを局所化する傾向があるプロセスと、歪みを非局在化する傾向があるアニーリングなどの緩和プロセスの間の競合の結果です。
変形構造
構造地質学者は、岩石の観察、特に時間とともに岩石に影響を与えた応力場を再構築するための変形のモードとジオメトリを使用して、変形の結果を研究します。構造地質学は、地球の動きに関するデータの最も直接的なソースを提供するため、地球力学を補完する重要な要素です。変形モードが異なると、岩石の脆性破壊や延性のある折り畳みなど、異なる地質構造が生じます。
熱力学
降伏強度や粘性など、ひずみの速度とモードを制御する岩石の物理的特性は、岩石と組成の熱力学的状態に依存します。この場合、最も重要な熱力学変数は温度と圧力です。これらは両方とも深さとともに増加するため、最初の近似では、変形のモードは深さの観点から理解できます。上部リソスフェア内では、低圧力下では岩石の脆性強度が比較的低く、同時に低温では延性流動の可能性が低下するため、脆性変形が一般的です。脆性-延性遷移ゾーンの後、延性変形が支配的になります。弾性変形は、応力の時間スケールが材料の緩和時間より短い場合に発生します。地震波は、このタイプの変形の一般的な例です。岩石を溶かすのに十分高い温度では、延性せん断強度がゼロに近づくため、せん断モードの弾性変形（S波）は溶融物を介して伝播しません。
地球のダイナミクス
地球のストレスの背後にある主な原動力は、放射性同位元素の崩壊、摩擦、および残留熱からの熱エネルギーによって提供されます。地表での冷却と地球内での熱生成により、高温のコアから比較的冷たいリソスフェアへの準安定温度勾配が作成されます。この熱エネルギーは、熱膨張により機械的エネルギーに変換されます。深くて、多くの場合、上にある岩に比べて熱膨張が大きく、密度が低い。逆に、表面で冷却された岩は、その下の岩よりも浮力が低くなることがあります。最終的に、これはレイリー・テイラーの不安定性（図2）、または浮力コントラストの異なる側の岩の相互貫入につながる可能性があります。
海洋プレートの負の熱浮力は沈み込みとプレートテクトニクスの主な原因ですが、正の熱浮力はマントルプルームにつながり、プレート内の火山活動を説明できます。地球全体の浮力対流に対する熱生成と熱損失の相対的な重要性は依然として不確かであり、浮力対流の詳細を理解することは地球力学の重要な焦点です。
方法
地球力学は、多くの異なるタイプの地質学的研究からの観察結果を地球の力学の広い視野に結合する幅広い分野です。地球の表面に近いデータには、野外観測、測地、放射年代測定、岩石学、鉱物学、掘削ボーリング、リモートセンシング技術が含まれます。ただし、深さ数キロメートルを超えると、これらの種類の観測のほとんどは実用的ではなくなります。マントルとコアの地球力学を研究する地質学者は、リモートセンシング、特に地震学に完全に依存し、高圧高温実験で地球で見つかった条件を実験的に再現する必要があります（Adams–Williamsonの方程式も参照）。
数値モデリング
地質システムは複雑であるため、コンピューターモデリングを使用して、これらのソースからのデータを使用して地球力学に関する理論的予測をテストします。
地球力学の数値モデリングには、主に2つの方法があります。
- 特定の観察結果を再現するためのモデリング：このアプローチは、特定のシステムの特定の状態の原因を解明することを目的としています。
- 基本的な流体力学を生成するためのモデリング：このアプローチは、特定のシステムが一般的にどのように機能するかを答えることを目的としています。
基本的な流体力学モデリングは、与えられた浮力分布によるシステム内の瞬間的な流れを再現することを目的とする瞬間的な研究と、時間とともに与えられた初期条件の可能な進化を再現することを目的とする時間依存性の研究にさらに細かく分けることができますまたは、特定のシステムの統計（準）定常状態。
