Geodinâmica é um ramo da geofísica que estuda a dinâmica da Terra. Aplica física, química e matemática para estudar a relação entre a convecção do manto, a tectônica de placas e fenômenos geológicos como a expansão do fundo oceânico, a formação de montanhas, vulcões, terremotos e falhamentos. Também investiga a atividade interna por meio de medições de campos magnéticos, gravidade e ondas sísmicas, bem como da mineralogia das rochas e de sua composição isotópica. Os métodos da geodinâmica também são aplicados ao estudo de outros planetas.
Visão geral A geodinâmica trata dos processos que movem materiais pela Terra. No interior da Terra, o movimento ocorre quando as rochas fundem ou se deformam e fluem em resposta a um campo de tensões. Essa resposta pode incluir comportamento frágil, elástico e plástico, conforme a magnitude e a duração da tensão e as propriedades físicas do material. As rochas são heterogêneas em estrutura e composição e ficam sujeitas a tensões variáveis, por isso comportamentos diferentes podem ocorrer muito próximos entre si no espaço e no tempo. Em escalas geológicas de tempo e comprimento, é conveniente usar a aproximação de meio contínuo e campos de tensão em equilíbrio para considerar a resposta média do material.
Em parte da literatura geológica, o termo também é empregado ao se distinguirem processos da dinâmica interna e externa da Terra e suas interações. Na geodinâmica da Terra sólida, modelos abrangem processos da crosta, da litosfera, do manto e do núcleo.
Medições geodésicas por GPS e InSAR permitem acompanhar a deformação da superfície e da litosfera. A sismologia e outros dados geofísicos permitem investigar o manto e o núcleo, enquanto modelos numéricos integram esses conjuntos de observações. A dinâmica do núcleo externo também faz parte desses estudos. Modelos do geodínamo combinam simulações numéricas do núcleo com dados geomagnéticos para investigar seu estado e a evolução do campo magnético terrestre.
Os processos geodinâmicos abrangem escalas muito distintas. A nucleação de terremotos pode ocorrer em escalas de milímetros e milissegundos, enquanto a convecção do manto pode envolver milhares de quilômetros e bilhões de anos.
O trabalho de geodinamicistas pode incluir: modelar a deformação frágil e dúctil de materiais geológicos. prever padrões de acreção continental e de separação de continentes e supercontinentes. observar a deformação e o relaxamento da superfície causados por mantos de gelo e pelo ajuste pós-glacial, além de formular hipóteses sobre a viscosidade do manto. identificar e compreender os mecanismos que impulsionam a tectônica de placas.
Deformação das rochas O comportamento mecânico de rochas e outros materiais geológicos é frequentemente tratado por meio de regimes elástico, plástico ou dúctil e frágil, embora uma mesma rocha possa apresentar mais de um deles conforme as condições e a escala de tempo. A tensão descreve as forças internas por unidade de área. Sua parte isotrópica corresponde à pressão média, enquanto a tensão desviatória está ligada a mudanças de forma e ao cisalhamento.
Em um fluido em repouso, a ausência de tensão de cisalhamento corresponde ao equilíbrio hidrostático. Em rochas, a pressão litostática associada ao peso do material sobrejacente é uma aproximação comum para a pressão em profundidade. Tensões desviatórias podem, porém, produzir desvios em relação ao estado litostático, sobretudo em regiões tectonicamente deformadas. Sob a aproximação litostática, a pressão depende do peso das rochas acima do ponto considerado, portanto da densidade e da gravidade. Em corpos menores, como a Lua, a autocompressão é menos intensa que na Terra. Na Terra, a compressão com a profundidade é suficiente para que uma equação de estado seja necessária ao calcular a variação da densidade, mesmo em material de composição uniforme.
Elástica Na deformação elástica ideal, a deformação é reversível. Átomos e cristais podem mudar de posição relativa enquanto a tensão atua, mas retornam à configuração anterior quando ela é retirada. O comportamento elástico predomina quando a tensão e sua duração não são suficientes para produzir fratura ou deformação plástica permanente. Em materiais capazes de relaxação viscosa ou anelástica, a escala de tempo da solicitação também determina quanto da resposta permanece elástica.
Dúctil A deformação dúctil ou plástica permite deformação permanente sem a formação de uma fratura macroscópica dominante. Em rochas cristalinas, ela pode ocorrer por mecanismos como fluência por discordâncias, fluência por difusão e deslizamento dos contornos de grão. A predominância de cada mecanismo depende de fatores como temperatura, pressão, tensão, tamanho dos grãos, composição mineral e presença de fluidos.
Em temperaturas elevadas e em escalas geológicas de tempo, processos termicamente ativados permitem que minerais sólidos sofram fluência. O fluxo dúctil ocorre em grande parte do manto e em partes da crosta inferior. A flexão da litosfera sob ilhas vulcânicas, bacias sedimentares e fossas oceânicas pode reunir componentes elásticos, frágeis e dúcteis em profundidades e escalas de tempo diferentes.
Frágil Na deformação frágil, a deformação se concentra em fraturas e falhas. A concentração de tensão junto às extremidades de uma fratura favorece sua propagação quando as condições de tensão superam a resistência do material. Pressão confinante, pressão dos fluidos, temperatura, taxa de deformação e propriedades da rocha alteram a passagem entre os regimes frágil e dúctil.
O regime observado em uma rocha resulta da competição entre mecanismos de deformação e relaxação. Processos como propagação de fraturas podem concentrar a deformação, enquanto recristalização, difusão e outros mecanismos de fluência podem redistribuí-la.
Estruturas de deformação miniatura|Falha de empurrão na região de Eifel, exemplo de deformação frágil.
Geólogos estruturais estudam os resultados da deformação e usam a geometria e outras características das estruturas nas rochas para reconstruir estados de tensão e movimentos passados. A geologia estrutural complementa a geodinâmica com observações diretas da deformação registrada nas rochas. Modos diferentes de deformação produzem estruturas como fraturas, falhas e dobras.
Termodinâmica As propriedades das rochas que controlam a taxa e o modo de deformação, como resistência e viscosidade, dependem do estado termodinâmico, da composição e da microestrutura do material. Temperatura e pressão são variáveis básicas, mas tamanho dos grãos, conteúdo de fluidos, mineralogia e tensão também alteram a reologia.
Na parte superior da litosfera, temperaturas relativamente baixas favorecem o comportamento frágil, enquanto o aumento da pressão confinante dificulta a fratura. Em maior profundidade, temperaturas mais altas favorecem mecanismos de fluência, e a deformação dúctil passa a predominar. A profundidade da transição frágil-dúctil não é fixa e depende das propriedades do material e das condições locais.
Em escalas temporais curtas, as rochas podem responder elasticamente, o que permite a propagação de ondas sísmicas. Ondas S exigem um módulo de cisalhamento diferente de zero. Líquidos não transmitem ondas S pelo seu interior, motivo pelo qual a ausência dessas ondas no núcleo externo é uma das evidências de que ele é líquido. Rochas parcialmente fundidas, porém, ainda podem transmitir ondas de cisalhamento. A presença de pequenas frações de material fundido pode reduzir a velocidade e aumentar a atenuação dessas ondas sem eliminar sua propagação.
Forças A convecção do manto e grande parte da dinâmica das placas são movidas por forças de flutuabilidade associadas a diferenças de densidade no interior da Terra. O orçamento térmico que mantém essas diferenças recebe energia do decaimento radioativo, do resfriamento secular da Terra e do calor transferido do núcleo para o manto. Outros processos fornecem parcelas menores do fluxo térmico total.
O resfriamento na superfície, o calor interno e a transferência de calor na base do manto mantêm diferenças de temperatura que produzem anomalias de densidade. Para materiais de composição e pressão comparáveis, o aquecimento causa expansão térmica e reduz a densidade, enquanto o resfriamento aumenta a densidade. Sob a ação da gravidade, essas diferenças geram forças de flutuabilidade e podem produzir instabilidades convectivas.
miniatura|Simulação bidimensional de uma instabilidade de Rayleigh-Taylor usando o modelo de Shan-Chen. O fluido vermelho começa em uma camada sobre o fluido azul e tem menor flutuabilidade que o azul. Depois de algum tempo, o fluido vermelho penetra no azul.
A litosfera oceânica esfria e se torna mais densa à medida que envelhece. Quando é subduzida, sua flutuabilidade negativa produz forças relacionadas à placa descendente. No sistema de placas presente, forças associadas às placas subductadas, em especial a tração da placa e a sucção da placa, são tratadas como a principal parcela motriz dos movimentos das placas, embora forças gravitacionais nas dorsais, trações do fluxo mantélico e forças resistentes também façam parte do balanço.
Anomalias térmicas de baixa densidade também podem ascender pelo manto. Modelos de plumas mantélicas usam esse tipo de flutuabilidade para explicar parte do vulcanismo que ocorre longe de limites de placas. A proporção entre calor radiogênico, resfriamento secular e calor vindo do núcleo ainda possui incertezas, o que afeta modelos da evolução térmica e da convecção terrestre.
Métodos A geodinâmica reúne observações de áreas distintas da geologia e da geofísica. Perto da superfície, os dados vêm de observações de campo, geodésia, datação radiométrica, petrologia, mineralogia, perfuração de furos de sondagem e técnicas de sensoriamento remoto. Em maior profundidade, observações diretas deixam de ser possíveis e passam a predominar métodos geofísicos indiretos e experimentos de laboratório.
A sismologia fornece restrições à estrutura interna por meio das velocidades e trajetórias das ondas sísmicas. Modelos de referência, como o Preliminary Reference Earth Model, reúnem perfis radiais de densidade e propriedades sísmicas da Terra. Observações sísmicas, o geoide e modelos de fluxo também são usados em conjunto para restringir a convecção do manto. Experimentos de alta pressão e alta temperatura reproduzem em laboratório parte das condições do manto e do núcleo. Ver também Equação de Adams–Williamson.
Modelagem numérica Como os sistemas geológicos abrangem escalas e processos que não podem ser reproduzidos integralmente em um único experimento, a modelagem computacional é usada para testar hipóteses e previsões geodinâmicas com dados observacionais e experimentais.
Há duas abordagens gerais de modelagem numérica discutidas em estudos de convecção mantélica.
Modelagem para reproduzir uma observação específica: procura determinar quais processos podem produzir determinado estado de um sistema. Modelagem para estudar a dinâmica básica do sistema: procura examinar como o sistema se comporta sob determinadas leis físicas e condições.
A segunda abordagem pode ser dividida em estudos instantâneos, que calculam o fluxo correspondente a uma distribuição de flutuabilidade em determinado momento, e estudos dependentes do tempo, que acompanham a evolução de uma condição inicial ou procuram um estado estatístico quase estacionário.
Todo modelo numérico simplifica o sistema físico. A escolha das equações, das propriedades dos materiais, das condições iniciais e de contorno e da resolução numérica pode alterar os resultados. A modelagem geodinâmica emprega verificação do código, comparação com soluções conhecidas ou observações, testes de consistência e análises de sensibilidade para avaliar essas limitações.