Modelado analógico (geología)

Modelo de caja de arena de corte puro de formación de fallas inversas

El modelado analógico es un método experimental de laboratorio que utiliza modelos físicos no complicados (como un sandbox) con ciertas escalas simples de tiempo y longitud para modelar escenarios geológicos y simular evoluciones geodinámicas. ^{[1] [2]}

Existen numerosas limitaciones que afectan el estudio directo de la Tierra. En primer lugar, las escalas temporales de los procesos geodinámicos son excepcionalmente largas (millones de años), y la mayoría de los procesos comenzaron mucho antes de que existieran 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 las profundidades de la Tierra. ^{[1] [3]} Por lo tanto, los científicos comenzaron a realizar simulaciones proporcionales a pequeña escala de las características del mundo natural para probar las 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 de pequeña escala, como el plegamiento y el fallamiento , o procesos de gran escala, como el movimiento tectónico y las estructuras internas de la Tierra. ^{[1] [4]}

Historia

Máquina de compresión lateral fabricada por James Hall para modelar el plegamiento geológico. Esta máquina todavía se encuentra en la Royal Society de Edimburgo . Los materiales comprimidos en la caja son mantas o capas de arcilla. ^[2]

El modelado analógico tiene una historia de desarrollo de más de 200 años. ^[1]

Se ha utilizado al menos desde 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 inversas , ^[6] y pliegues ^[7] a fines del siglo XIX. Todos estos estudios fueron cualitativos. ^[1]

King Hubbert propuso la teoría del escalamiento 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 protosubducción ^[9] subducción ^{[10] [11]} en tectónica de placas , colisión , ^[12] diapirismo , ^[13] y rifting . ^{[14] [1] [4]}

Componentes

Modelo analógico de la formación de la caldera utilizando harina para representar la parte superior de la corteza y un globo para representar la cámara de magma en expansión.

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]}

Semejanza 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 cumplir las siguientes fórmulas: ^[1] ${\displaystyle l_{n}^{p}}$ ${\displaystyle \alpha _{n}^{p}}$ ${\displaystyle l_{n}^{m}}$ ${\displaystyle \alpha _{n}^{m}}$

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

Por ejemplo, 1 centímetro en el modelo representa 1 kilómetro en la naturaleza.

Similitud cinemática

Para que sean cinemáticamente similares, deben ser geométricamente similares y el tiempo necesario para que se produzcan los cambios debe ser proporcional . ^[9] Cuando el tiempo requerido para el cambio es : ^[1] ${\displaystyle t_{n}}$

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

Por ejemplo, 1 segundo en el modelo representa 1 mil años en la naturaleza.

Como se sabe: , las velocidades ( ) se pueden escalar mediante la siguiente ecuación: ^[1] ${\displaystyle v={\frac {l}{t}}}$ ${\displaystyle v}$

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

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 en el modelo sean proporcionales a las de un punto correspondiente en la naturaleza. ^[15] Cuando las fuerzas ( ) que actúan sobre el sistema son ( gravedad ), ( fuerza viscosa ) y ( fricción ): ^[15] ${\displaystyle F_{n}}$ ${\displaystyle F_{g}}$ ${\displaystyle F_{v}}$ ${\displaystyle F_{f}}$

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

Sin embargo, dado que las fuerzas que actúan en la naturaleza no se pueden medir, es imposible escalar las fuerzas y las tensiones directamente. Los científicos han estado utilizando diferentes fórmulas para convertir las fuerzas en parámetros que se pueden medir. La ecuación de momento de Cauchy se utiliza generalmente para mostrar la relación entre fuerzas y densidades ( es decir, densidad): ^[1] ${\displaystyle \rho }$

${\displaystyle {\frac {F^{m}}{F^{p}}}={\frac {\rho ^{m}(l^{m})^{3}}{\rho ^{p}(l^{p})^{3}}}}$(Generado a partir de la ecuación de momento de Cauchy ^[16] )

La ley de Stokes se utiliza generalmente para mostrar la relación entre fuerzas y contrastes de densidad ( es la densidad constante): ^[1] ${\displaystyle \Delta \rho }$

${\displaystyle {\frac {F^{m}}{F^{p}}}={\frac {\Delta \rho ^{m}(l^{m})^{3}}{\Delta \rho ^{p}(l^{p})^{3}}}}$(Generación a partir de la ley de Stokes ^[17] )

(Mientras que la aceleración gravitacional ) ${\displaystyle g^{m}=g^{p}}$

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]

El modelo analógico simple del sistema de cinturón plegado-corrido realizado en el laboratorio de física de la Universidad de Nanjing. Los materiales blancos y azules son arenas de cuarzo.

Aparato experimental

Se simulan diferentes procesos geodinámicos mediante diferentes aparatos experimentales.

Por ejemplo, las máquinas de compresión lateral se utilizan comúnmente para simular deformaciones que involucran acortamiento litosférico, como plegamiento , ^[2] fallas de empuje , colisión y subducción . Las máquinas de compresión longitudinal se utilizan generalmente para fracturamiento. ^[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

En los sistemas experimentales, la energía puede ser suministrada externamente (en el límite) e internamente ( fuerzas de flotabilidad ). Si la deformación es causada únicamente por fuerzas internas, se trata de un sistema cerrado . Por el contrario, si las deformaciones son causadas por fuerzas externas o una combinación de fuerzas internas y externas, se trata de un sistema abierto . ^[1]

En el caso de los sistemas abiertos, las fuerzas de extrusión o estiramiento se imponen externamente. Sin embargo, las fuerzas de flotabilidad pueden generarse tanto externa como internamente. Los materiales y la energía térmica se pueden añadir o quitar del sistema. En el caso de los sistemas cerrados, no se añaden energía ni materiales al sistema. Por lo tanto, todas las deformaciones son causadas por fuerzas de flotabilidad internas. En un sistema cerrado, solo se puede simular la deformación impulsada por la flotabilidad. ^[1]

Campo de gravedad

El modelo analógico simple de una zona de subducción . Los materiales que utiliza este modelo son una mezcla de arena y masilla de silicona para la corteza continental (a la izquierda en capas marrones) y la corteza oceánica (a la derecha en capas marrones), y jarabe de glucosa para la astenosfera (líquido azul verdoso en el tanque de vidrio). Hay un calentador en el tanque para calentar el líquido. ^{[2] [19] [20]}

Dado que el principal objeto de investigación del modelado analógico es la Tierra, el campo gravitatorio que utilizan la mayoría de los experimentos es normalmente el campo gravitatorio 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 habitualmente para estudiar el desarrollo de estructuras controladas por la gravedad , como la formación de domos ^[21] y el diapirismo ^[1] .

Materiales

El modelado analógico utiliza varios materiales , como arena , arcilla , silicona y cera de parafina . ^[2] Se empezaron a utilizar diferentes materiales para el análisis cuantitativo de experimentos de modelado analógico, en comparación con el análisis cualitativo . ^[22] Antes de la teoría de escala de Hubbert, los científicos usaban materiales naturales (por ejemplo, arcillas, tierra 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 analógicos es difícil, debido a la deformación en gran medida dependiente de la reología y la reología inconstante influenciada por el gradiente térmico en la naturaleza. La característica reológica de la estratificación interna fue desarrollada por el estudio de la sismología y la geoquímica . ^[1]

Para simular capas con diferentes propiedades se eligen diferentes materiales:

Ventajas

Hay muchas propiedades útiles del modelado analógico:

1. Los modelos analógicos pueden mostrar directamente procesos geodinámicos completos desde el principio hasta el final. ^[1]
2. Los procesos geodinámicos pueden detenerse en cualquier momento para su investigación y permiten el estudio de estructuras 3D. ^[24]
3. Las escalas del modelo se pueden controlar en un rango practicable para el laboratorio. ^[1]
4. La simulación puede mostrar diferentes resultados de los procesos geodinámicos alterando los parámetros, y se aclara la influencia de cada parámetro. ^[24]
5. Los resultados del modelado analógico se pueden utilizar directamente para interpretar la naturaleza si la precisión del modelo es alta. ^[1]
6. El modelado analógico puede proporcionar nuevas formas de pensar sobre los problemas geológicos. ^[24]

Desventajas

Debido a que el modelado analógico implica la simplificación de los procesos geodinámicos, también tiene varias desventajas y limitaciones: ^[15]

1. El estudio de las propiedades naturales de las rocas aún necesita más investigación. Cuanto más precisos sean los datos de entrada, más preciso será el modelado analógico. ^[15]
2. Existen muchos más factores en la naturaleza que afectan los procesos geodinámicos (como la compensación isostática y la erosión ), y es muy probable que se trate de sistemas heterogéneos, por lo que resultan difíciles de realizar para las simulaciones (algunos factores ni siquiera se conocen).
3. La variación de las rocas naturales es mayor que en los materiales simulados, por lo que es difícil modelar completamente la situación real. ^[15]
4. El modelado analógico no puede simular reacciones químicas . ^[15]
5. Existen errores sistemáticos en el aparato y errores aleatorios debidos a factores humanos. ^[1]

Aplicaciones

Modelado analógico simple del crecimiento y erosión de una cuña orogénica . Esta simulación se realiza en un tanque de vidrio, con diferentes materiales granulares estratificados que representan la corteza. [1]

El modelado analógico se puede utilizar para simular diferentes procesos geodinámicos y fenómenos geológicos, como problemas de pequeña escala ( plegamiento , fracturamiento, boudinage y zona de cizallamiento ) y problemas de gran escala ( subducción , colisión, diapirismo y convección del manto ) . ^{[1] [4]} Los siguientes son algunos ejemplos de aplicaciones del modelado analógico.

Tectónica compresiva

El primer modelo analógico fue construido por James Hall para simular pliegues . Utilizó una máquina de compresión lateral para la simulación, y esta máquina todavía se exhibe en la Royal Society de Edimburgo . ^[2] El resultado final del modelo es bastante cercano a 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 compresiva, incluyendo subducción , colisión, acortamiento litosférico, formación de fracturas, empuje y cuña de acreción . Si la simulación solo se centra 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 llamados sandbox). Dependiendo de las diferentes características naturales, la erosión (eliminación de materiales superiores en un cierto ángulo), el desprendimiento (capas insertadas con baja cohesión, normalmente microperlas de vidrio) y cualquier otro parámetro se pueden introducir en el modelo, produciendo diversos 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]

El modelo analógico simple de la tectónica de extensión que muestra la formación de fallas normales y domos de sal (diapirismo). Este modelo está construido en una caja de vidrio. La capa grisácea más oscura es silicona, que representa la sal, y las capas parduscas son arenas de cuarzo secas, que representan las rocas sedimentarias frágiles. ^[13] [2]

Tectónica extensional

Las máquinas de compresión también se pueden utilizar en sentido inverso para simular la tectónica extensional , como la extensión litosférica, la formación de rifts , fallas normales , boudinage 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

El modelo analógico simplificado de la deformación por cizallamiento. Este modelo está construido sobre dos placas horizontales separadas. Las capas de color marrón son arena seca, arcilla húmeda y materiales viscosos, como silicona o polidimetilsiloxano. ^[26]

La tectónica de deslizamiento se diferencia de los movimientos de corteza predominantemente verticales 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 cizallamiento 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 se mueve una de las placas, las otras están fijas). Los resultados visuales se muestran desde una vista aérea. Los científicos utilizaron análisis de TC para recopilar las imágenes de la sección transversal para la observación del área más influenciada durante la simulación. ^[26]

Véase también

• Modelado geológico
• Modelado numérico (geología)
• Análogo de la tierra

Referencias

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2. Ranalli, Giorgio (2001). "Tectónica experimental: desde Sir James Hall hasta el presente". Revista de geodinámica . 32 (1–2): 65–76. Bibcode :2001JGeo...32...65R. doi :10.1016/s0264-3707(01)00023-0. ISSN  0264-3707.
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