Реологія – це наука про те, як матеріали течуть та деформуються. Звучить як щось із підручника, але насправді це ключ до розуміння того, чому формуються гори та відбуваються землетруси. Зовнішня оболонка Землі, літосфера, поводиться як єдине тверде тіло. Її механічна поведінка залежить від того, де ви дивитеся. Воно залежить від складу. Важливою є температура. Важлива глибина.
Ці фактори визначають, чи поводиться порода як скло або як тісто. Ця різниця має вирішальне значення. Вона визначає, як літосфера деформується під напругою.
Пружна оболонка планети
У великих масштабах літосфера поводиться як пружне тіло. Гнучкість означає непостійну деформацію. Вона повністю оборотна. Прикладіть силу – матеріал згинається. Заберіть силу – матеріал повертається до своєї первісної форми. Деформація припиняється, коли напруга зникає.
Візьмемо як приклад земні припливи. Гравітація Місяця приваблює Землю. Це тяжіння призводить до повторюваних пружних рухів. Сама земля деформується. Певна точка на поверхні може рухатися вертикально на кілька сантиметрів. Поблизу екватора ця варіація становить 30-40 см. Періодично. Передбачувано.
Ця пружність – не просто цікавий факт. Вона дозволяє сейсмічним хвиль поширюватися через планету. Без них внутрішня будова Землі залишалося б прихованим. Ми не чули б глибокого гулу планети.
Коли породи ламаються або течуть
Озирніться на ландшафт. Ви бачите розломи. Ви бачите складки. Ці структури показують, що поведінка породи змінюється у менших масштабах. Літосфера непросто згинається пружно. Вона ламається. Вона тече.
Геологи називають цю поведінку «тендітною» і «пластичною». Вони є фундаментальними для розуміння деформацій земної кори.
Крихка деформація відбувається поблизу поверхні. Температури нижче. Тиск відносно невеликий. Тут порода виглядає як тендітна кераміка. Вона ламається. Вона створює розломи. Це верхня частина кори.
Пластична деформація відбувається глибше. Вищі температури і тиск дозволяють породі текти пластично. Вона не ламається. Вона розтягується.
«Механічне поведінка порід змінюється від тендітного до пластичного зі збільшенням глибини, температури та тиску.»
Ця перехідна зона має вирішальне значення. Тут жорстка кришка Землі поступається місцем мантії нижче. Розуміння цього реологічного кордону допомагає пояснити все – від тектоніки плит до вулканічної активності.
Чому глибина та температура визначають поведінку?
Перехід від тендітного до пластичного не довільний. Він фізичний. Тепло змушує атоми вібрувати сильніше. Вони легше прослизають один щодо одного. Тиск закриває мікротріщини та змушує матеріал поглинати напругу через перебіг, а не через руйнування.
У верхніх шарах земної кори породи холодні та тверді. Напруга накопичується, доки досягне межа. Потім відбувається руйнація. Землетрус.
У глибоких шарах тепло розм’якшує кристалічні ґрати мінералів. Порода тече. Так формуються гори упродовж мільйонів років. Не з раптовим клацанням, а з повільним пластичним вигином.
Літосфера неоднорідна. Це шарувата система. Жорстка оболонка над пластичною основою. Дія відбувається на межі між ними. Там, де зосереджено напругу. Там, де Земля розкриває свою справжню механічну природу.
Ця двоїстість пояснює, чому деякі землетруси дрібні та жорстокі, а інші глибокі та тихі. Це
На поверхні немає стійкої деформації. Для цього потрібні більш високі температури та тиску, наприклад, у глибоких надрах, де породи перевищують межу пластичності. У такому середовищі порода, яка здається нам твердою, поводиться як в’язка рідина. Це і є пластичність. Це дозволяє літосфері згинатися без руйнування. Цей процес є невід’ємною частиною динаміки Землі. Він рухає рух плит. Він забезпечує конвекцію у мантії Землі.
Візьміть граніт. На поверхні він руйнується. Вдарте по ньому молотком, і справа з кінцем. Але якщо поринути на 10–20 кілометрів глибше, той самий граніт стає пластичним. Він тече. Глибина, де крихке руйнування перетворюється на пластичне протягом, називається крихко-пластичным переходом. Ця зміна не випадкова. Воно залежить від складу породи. Воно залежить від температури.
Картування опору літосфери за допомогою реологічних профілів
Сейсмічні дані показують, як глибоко залягають ці механічні шари. Гіпоцентри землетрусів зосереджені у дрібній літосфері. На континентах вони нечасто перевищують 20–30 кілометрів. В океані межа ще нижча — близько 10 кілометрів. Але гори розповідають іншу історію. Під товстою корою у верхній мантії на глибині 80-120 км формується ще один сейсмічний шар.
Оскільки землетруси викликаються раптовими розривами, такий розподіл свідчить про наявність двох різних тендітних зон у літосфері. Одна знаходиться у корі (континентальній чи океанічній). Інша розташована глибше, у мантії. Між ними є нижня кора. Вона не руйнується. Вона стабільно тече.
Дослідники картують цю зону за допомогою реологічних профілів. Ці профілі розраховують опір літосфери, залежно від глибини, використовуючи певні закони. Закон Бірлі регулює тертя ковзання. Закони повзучості регулюють пластичну течію. Водночас вони передбачають, чи зруйнується порода чи вигнається.
Уявіть континентальну кору, багату на кварц і польовий шпат. Міцність на стиск збільшується зі зростанням температури — до 350 °C. Нижче цього порога порода тендітна. Вона створює сейсмічність. Вище цього порогу відбувається фазовий перехід у кварці. Він стає пластичним. Опір зменшується з глибиною та нагріванням. Ця слабка текуча нижня кора є основним двигуном великомасштабних тектонічних змін.
Наслідки очевидні. Кора не є твердою оболонкою. Це багатошаровий механізм. Верхня частина ламається. Нижня частина ковзає. Ця двоїстість управляє всім – від гороутворення до ризику землетрусів. Розуміння тендітно-пластичного переходу допомагає зрозуміти, де розломи руйнуються, а де вони просто прослизають.
Ця механічна шаруватість пояснює, чому деякі області вібрують, інші деформуються непомітно. Це ілюструє, чому глибокі землетруси відбуваються у зонах субдукції, але не стабільних щитах. Реологічний профіль – це креслення. Він показує нам, де Земля тримає напругу, а де відпускає її.
Ми часто уявляємо надра Землі як статичні. Це негаразд. Вона постійно перебудовує свою власну структуру, переходячи від крихкої до пластичної, залишаючись на місці або рухаючись залежно від глибини, тепла та часу. Питання не в тому, чи Земля рухається. Питання, яка її частина зараз застрягла і чекає, поки розлом нарешті прослизне.
Нижче поверхні Мохоровичіча (Мохоро) правила раптово змінилися.
Основні мінерали змінюються. Кварц, що домінує у земній корі, замінюється оливкіном. Це не просто заміна компонентів. Це фундаментальна зміна поведінки Землі. При температурі близько 700-800 ° C оливкін стає крихким. Він ламається. Він руйнується.
Таким чином, верхня мантія, що знаходиться нижче поверхні Мохоро, насправді твердіша, ніж континентальна земна кора, що лежить над нею. На мить може здатись, що Земля міцно пов’язана в єдине ціле. Але це не триває вічно.
При зануренні глибше тиск та температура зростають. Олівкін швидко втрачає свою крихкість. Він стає пластичним. Гнучким. Опір верхньої мантії різко падає. Це падіння міцності продовжується до нижньої межі літосфери, де температура становить приблизно 1200–1300 °C.
Чому астеносфера ковзає?
Цей конкретний шар знаходиться на межі між жорсткою літосферою та текучою астеносферою і є слабкою геологічною ланкою. Перідотит тут дуже м’який. Він протікає майже без опору.
Сейсмологи називають це Зоною Низьких Швидкостей (LVZ).
Чому? Тому що сейсмічним хвиль важко поширюватися. Матеріал надто м’який. Він поглинає енергію. Це область високого згасання. Це не просто цікавий факт для сейсмологів, які вивчають механіку глибоких надр Землі. Це має велике значення у реальному світі.
Зона низьких швидкостей діє як мастило.
Вона відокремлює тектонічну плиту від мантії, що лежить під нею. Літосфера лежить на цій гладкій астеносфері. Без цього слабкого шару плити можуть заклинювати. Вони можуть рухатися. Це роз’єднання дозволяє твердим плитам поверхні Землі дрейфувати, стикатися та ковзати.
Це є причиною континентального дрейфу. Слабкі зони роблять це можливим.
