Analogové modelování je tradiční technikou v geovědních oborech, která umožňuje napodobit a pochopit vývoj geologických struktur a jejich vnitřní deformaci v různých časo-prostorových měřítkách v laboratoři. Společně s numerickými simulacemi nám v současnosti umožňuje nahlédnout chování komplexních geodynamických systémů jako například strukturní vývoj litosféry, magmatismus a metamorfní procesy či plášťovou dynamiku nebo vztah k elektromagnetismu. Oproti numerickému modelování využívá analogové modelování různých, vhodně škálovatelných materiálů, jejichž mechanický a termální vývoj při řízené deformaci napodobuje chování „skutečných“ hornin, v pevném, plastickém nebo tekutém stavu.
Kurz je určen magisterským studentům a zájemcům o analogové modelování z různých geovědních oborů. Těžištěm kurzu je modelování v oblasti tektonických procesů spojených s dynamikou litosféry
Poslední úprava: Rudolf Trnka (24.05.2023)
Analogue modelling (besides the numerical modelling) is a traditional way how to understand, quantify and
predict the behaviour of complex geodynamical systems. Such systems are studied by wide spectra of geological
and applied geophysical methods on local and large-scales (structural geology, petrology, geochronology, gravity
and electromagnetic measurements etc.), however, usually we are limited by insufficient “hard" (field) data from
inaccessible Earth parts. In contrast to the numerical approach, the analogue modelling is naturally 3D and uses
real and conveniently scaled materials to represent the studied systems. The thermal and mechanical evolution of
such materials is thus analogic to the “real” natural systems and both techniques are complementary to each
other.
This course is primarily focused to the master students in geosciences. The core of the syllabus is to provide a
guide through modelling philosophy and learn how to practically prepare, perform and quantify the models
focused on lithosphere and mantle dynamics. It is also possible to slightly adapt the content according to needs of
students.
Literatura -
Poslední úprava: Rudolf Trnka (24.05.2023)
Turcotte, D. L., & Schubert, G. (2002). Geodynamics. Cambridge university press.
Twiss, R. J., & Moores, E. M. (1992). Structural geology. Macmillan.
Fossen, H. (2016). Structural geology. Cambridge university press.
Gerya, T. (2019). Introduction to numerical geodynamic modelling. Cambridge University Press.
Shemenda, Alexander I. (1994). Subduction. Modern Approaches in Geophysics. Vol. 11 https://homepages.dias.ie/~js/000_analogueModelling.php
Koyi, H. A., & Mancktelow, N. S. (Eds.). (2001). Tectonic modeling: a volume in honor of Hans Ramberg (Vol. 193). Geological Society of America.
Poslední úprava: Rudolf Trnka (24.05.2023)
Turcotte, D. L., & Schubert, G. (2002). Geodynamics. Cambridge university press.
Twiss, R. J., & Moores, E. M. (1992). Structural geology. Macmillan.
Fossen, H. (2016). Structural geology. Cambridge university press.
Gerya, T. (2019). Introduction to numerical geodynamic modelling. Cambridge University Press.
Shemenda, Alexander I. (1994). Subduction. Modern Approaches in Geophysics. Vol. 11 https://homepages.dias.ie/~js/000_analogueModelling.php
Koyi, H. A., & Mancktelow, N. S. (Eds.). (2001). Tectonic modeling: a volume in honor of Hans Ramberg (Vol. 193). Geological Society of America.
Požadavky ke zkoušce -
Poslední úprava: Rudolf Trnka (24.05.2023)
Zápočet - účast na cvičeních (alespoň 75%) + krátké protokoly z experimentů (cca 3x), které doplní větší část z miniprojektu. Projekt může být vytvořen ve skupinách nebo jednotlivě.
Zkouška - krátká písemná část (kombinace test + otevřené otázky) + ústní.
Poslední úprava: Rudolf Trnka (24.05.2023)
Credit - presence at the trainings (minimum 75%) + short protocols from experiments (ca 3x), this will be complementary to final mini-project. The project can be prepared in small groups or individually.
Exam - short written exam (combination of opened and closed questions) + short talk with the examiner after the test.
Sylabus -
Poslední úprava: Rudolf Trnka (24.05.2023)
1. Úvod: Modelování v přírodních vědách; numerické simulace a analogové modely v geodynamice (filozofie modelování v geovědách, krátká historie, příklady současných studií)
3. Jde se na to: Příprava a provedení modelů, vyhodnocení a kvantifikace (fotogrammetrie, velocimetrie, výpočet parametrů odvozených z pole přemístění, deformace a tok materiálu)
4. Modely velkého měřítka: Konvektivní modely pláště (Rayleighovo a Nusseltovo číslo, termální zdroje), konvergentní rozhraní (subdukce, kolize, vrásnění, zlomová tektonika, magmatismus a hustotní Rayleigh-Taylorovy nestability v kůře a plášti), divergentní rozhraní (modely extenze na středoocenáských hřbetech, magmatismus); strike-slip tektonika (horizontální posuny, transformní a transkurentní zlomy)
5. Modely středního měřítka: deformace hornin během kontinentální kolize (vliv plochy odlepení tvořené horninami nízké viskozity nebo koheze). Dva typy modelů - akreční klín z granulárního materiálu a s viskózní vrstvou „odlepení“ a deformace svrchní kůry s natavenou spodní vrstvou.
6. Modely středního-menšího měřítka: Solná tektonika a magmatické intruze (vznik lakolitu, batholitu, žilných těles), modely vzniku výlevných vulkanických těles.
7. Experimenty v nízkotlakém prostředí: sedimentární vulkanismus a kryovulkanismus na tělesech Sluneční soustavy
8. Shrnutí a perspektiva modelování
Přednáška bude doplněna cvičením, které bude probíhat ve spolupráci s Laboratoří Tektonického Modelování na Geofyzikálním Ústavu AVČR (https://www.ig.cas.cz/en/observatories/tect-mod-lab/) a Laboratoří Experimentální Tektoniky na Ústavu Geologie a Paleontologie (https://www.natur.cuni.cz/geology/paleontology/laboratories). Studenti si vyzkoušejí přípravu, provedení a vyhodnocení modelu a data mohou použít pro závěrečný miniprojekt.
Absolventi kurzu si nejen rozšíří znalosti v oblasti geodynamiky a osvojí principy modelování, ale budou mít fyzickou zkušenost s přípravou jednodušších modelů i jejich zpracováním a intepretací pomocí obrazových metod.
Poslední úprava: Rudolf Trnka (24.05.2023)
1. Introduction: Modelling in natural sciences, numerical and analogue approach in geosciences (philosophy, history, recently studied problems)
2. A little bit about the theory: math/phys definition of the model, simplification of the problem (conservation laws, heat transfer, final definition of the model, definition and frame of model validity, boundary and initial conditions, scaling)
3. Let’s start: preparation and performing of models, evaluation and quantification of modelled features (velocimetry, photogrammetry, calculation of velocity fields and derived strain parameters, general deformation and flow of material)
4. Large-scale models: Models of mantle convection (Rayleigh and Nusselt number, thermal sources), convergent plate boundaries (subductions, collisions, folding, thrusting, brittle and ductile deformation in general, coupling of folds and faults, magmatism, evolution of Rayleigh-Taylor instability and inversion of the lower-middle crust), divergent boundaries (extension on mid-ocean ridges, magmatism, gravitationally driven orogenic collapse), strike-slip tectonics (simple shear deformation, horizontal movements, transform and transcurrent faults)
5. Mid-scale models: deformation of the crust during continental collision (role of décollement and detachment layers). Models of accretionary wedge based on granular materials and viscous detachment horizon. Models of orogeny with melting and folding of the lower crust.
6. Mid-small-scale models: Salt tectonics (diapirism, folding, sedimentation and erosion), magmatic intrusions (development of laccoliths, batholiths, dikes and sills, thermal models, mechanical models, combined models), models of volcanic bodies
7. Experiments in a low-pressure environment: sedimentary and cryogenic volcanism on surface of other terrestrial-type planetary bodies via Solar system
8. Summary and modelling perspectives
The practical part will be held irregularly in blocks and covered by the Laboratory of Tectonic Modelling at the Institute of Geophysics ASCR (https://www.ig.cas.cz/en/observatories/tect-mod-lab/) and Laboratory of Experimental Tectonics (https://www.natur.cuni.cz/geology/paleontology/laboratories). Students will perform simple modelling and data can be used for their final mini-project. Absolvents will have extended knowledge in geodynamics as well as practical skills in analogue modelling including post processing based on image analysis methods.
