Simulering av foldemønsterutviklingen i et lag (grønt) som er femti ganger mer viskøst enn vertsbergarten. Randbetingelsene er forkortning i begge de horisontale retningene. Elementgitteret til vertsbergarten finer opp mot laget, hvor den høyeste oppløsningen er påkrevet. Figur: PGP
Folder er blant de mest fasinerende geologiske strukturer, og mangfoldet og skjønnheten har fanget nysgjerrige menneskers oppmerksomhet siden tidenes morgen. Nedskrevne beskrivelser av folder finnes så langt tilbake som begynnelsen av 1700-tallet, da Marsili og Scheuchzer beskrev folder i Alpene. Blant nylig publiserte beskrivelser er, for eksempel, T. B. Andersens beskrivelser av Brurestakken på Altøy som var publisert i denne spalten i forrige utgave av GEO.
Marsili og Scheuchzer mente at foldenes intrikate former og mønster «på mystisk vis måtte være linket til Guds etablerte orden». Det tok omtrent hundre år før Sir James Hall på det tidlig på 1800-tallet både analogt og eksperimentelt forklarte dannelsesmekanismen for folder han observerte i det sørlige Skottland. Hans foldemekanisme inkluderte forkortning av lag, noe som fører til folder dersom den mekaniske styrken til laget er høy sammenlignet med vertsbergarten – en modell som fremdeles er i bruk i dag.
Den kommersielle betydningen av folder ble oppdaget omtrent hundre år senere, under olje-boomen i Appalakkene. Da ble man klar over at olje fanges under antiklinaler, og hver eneste antiklinal ble boret. Detaljene rundt foldemekanismene forble ubeskrevet frem til midten av 1900-tallet, da Biot presenterte en analytisk teori om folding. Men ikke før platetektonikken gjorde sitt inntog, og ble akseptert, fikk man en tilfredsstillende forklaring på mekanismen bak lagforkortning på stor skala.
Det ble etterhvert åpenbart at folder kunne brukes til å bestemme deformasjonstype, grad av deformasjon, og de ulike bergartenes rheologi. Biots enkle analytiske løsning på folding kunne imidlertid bare forklare folder med mindre amplituder, og man utviklet dermed numeriske modeller for å beskrive utviklingen av folder med stor amplitude.
Det er utfordrende å simulere folding ved bruk av numeriske modeller. For eksempel må grensene mellom lag og vertsbergart konstrueres med høy oppløsning og være gyldig for stor grad av deformasjon. Folding er en mekanisk ustabilititet som opprinnelig følger en eksponentiell vekst og krever modellering av et stort antall tidsintervaller. I de enkleste tilfellene kan tilnærming av materialets egenskaper til lineære viskøse egenskaper være nok, men generelt sett vil ikke-lineære viskøse, elastiske og plastiske egenskaper være inkludert i rheologien til de ulike bergartene. Disse forutsetningene kan bare møtes med spesielt utviklede numeriske modeller. Vanligvis benyttes endelig-element-metoden (FEM) og to-dimensjonale (2D) simuleringer utføres regelmessig på vanlige PCer.
Annen versjon: Simulering av foldemønsterutviklingen i et lag (rødt) som er femti ganger mer viskøst enn vertsbergarten. Randbetingelsene er forkortning i begge de horisontale retningene. Elementgitteret til vertsbergarten finer opp mot laget, hvor den høyeste oppløsningen er påkrevet. Figur PGP
Selv om man kan lære mye av analytiske modeller og to-dimensjonale simuleringer, er det ikke til å unngå at folder er tre-dimensjonale (3D) strukturer. Konseptuelt er det en enkel operasjon å overføre 2D FEM kode til 3D. Men på grunn av en massiv økning i behovet for utregningskapasitet, benytter man i dag store dataklynger, som for eksempel hos Notur (Norwegian metacenter for computational science). Å få numeriske modeller til å kjøre effektivt på slike systemer er en multidisiplinær oppgave, hvor geologer, anvendt matematikere, fysikere og informatikere må samarbeide.
Nå, nesten tohundre år etter Sir James Hall, er vi i stand til å numerisk simulere utviklingen av folder i 3D. Vi kan nøyaktig bestemme materialenes egenskaper samt rand- og initialbetingelsene for foldingen. De resulterende foldene (se figur) er like vakre som deres naturlige ekvivalenter og vi kan bruke simuleringene til å lære oss hvordan vi kan tolke naturlige folder bedre, og til å forstå hva slag informasjon vi kan trekke ut av dem.
I dag er det å finne olje mer komplisert enn å bore i enhver antiklinal, men folder er fortsatt viktige strukturer når vi ser på naturressurser som olje, malmer og vann.
Simuleringer, slik som den vist på figuren, forutsetter betydelig utregningstid på en supercomputer, noe som er kostbart og tidkrevende. Utviklingen innen computerteknologi er imidlertid stadig på fremmarsj, og med fortsatt interdisiplinær innsats er vi overbevist om at vi vil kunne kjøre slike 3D-simuleringer på en ordinær PC om få år. Da vil det bli rutine å kjøre 3D simuleringer, slik det i dag er rutine å kjøre 2D simuleringer, og dette vil forhåpentlig gi oss muligheten til å avsløre alle detaljene som er skjult i disse fantastiske strukturene.
Denne saken ble først publisert i GEO 08/11.
