Изостазия

Изостазия (греч ISOs «равный», Стасис «застой») или изостатического равновесия является состояние гравитационного равновесия между Землей «s коры (или литосферы ) и мантии , так что кора „плавает“на высоте , которая зависит от его толщины и плотности .

Эта концепция используется для объяснения того, как разные топографические высоты могут существовать на поверхности Земли. Изостазия не нарушает равновесие, а вместо этого восстанавливает его (отрицательная обратная связь). Принято считать ^[1], что Земля - это динамическая система, которая по-разному реагирует на нагрузки. Однако изостазия дает важный «взгляд» на процессы, происходящие в областях, которые испытывают вертикальное движение. Некоторые области (например, Гималаи ) не находятся в изостатическом равновесии, что вынудило исследователей определить другие причины для объяснения их топографической высоты. В случае Гималаев, которые все еще поднимаются, было высказано предположение, что их высота поддерживается силой удара Индийской плиты . ВПровинция бассейнов и хребтов на западе США - еще один пример региона, не находящегося в изостатическом равновесии.

Хотя первоначально определены в терминах континентальной коры и мантии, ^[2] , что впоследствии было интерпретировано в терминах литосферы и астеносферы , особенно в отношении океанических островных вулканов , ^[3] , таких как Гавайских островов .

В простейшем примере изостазия - это принцип плавучести, при котором объект, погруженный в жидкость , поддерживается с силой, равной весу вытесненной жидкости. В геологическом масштабе изостазию можно наблюдать, если сильная кора или литосфера Земли оказывает давление на более слабую мантию или астеносферу, которая в течение геологического времени течет в боковом направлении, так что нагрузка компенсируется поправками на высоту.

Общий термин «изостазия» был придуман в 1882 году американским геологом Кларенсом Даттоном . ^[4]^[5]^[6]

Модели [ править ]

Используются три основные модели изостазии:

Модель Эйри - Хейсканена - где разные топографические высоты приспособлены к изменениям толщины земной коры , в которой кора имеет постоянную плотность.
Пратт - Хейфорд модель - где различные топографические высоты размещены на боковых изменениях в каменной плотности .
Модель Vening Meinesz , или модель изостазии изгиба, в которой литосфера действует как упругая плита, а присущая ей жесткость распределяет местные топографические нагрузки по широкой области за счет изгиба.

Изостазия Эйри и Пратта - это утверждения плавучести, но изостазия при изгибе - это утверждение плавучести при отклонении листа конечной упругой прочности.

Эйри [ править ]

Воздушная изостазия, при которой кора постоянной плотности плавает на мантии с большей плотностью, а топография определяется толщиной коры.

Изостазия воздуха применима к реальному сценарию бассейна, где общая нагрузка на мантию состоит из корового основания, отложений с более низкой плотностью и вышележащих морских вод.

В основе модели лежит закон Паскаля и , в частности, его следствие, согласно которому в жидкости, находящейся в статическом равновесии, гидростатическое давление одинаково во всех точках на одной и той же высоте (поверхность гидростатической компенсации):

h ₁ ⋅ρ ₁ = h ₂ ⋅ρ ₂ = h ₃ ⋅ρ ₃ = ... h _n ⋅ρ _n

Для показанного упрощенного изображения глубина корней горного пояса (b ₁ ) рассчитывается следующим образом:

{\ displaystyle (h_ {1} + c + b_ {1}) \ rho _ {c} = (c \ rho _ {c}) + (b_ {1} \ rho _ {m})}

{\ Displaystyle {b_ {1} (\ rho _ {m} - \ rho _ {c})} = h_ {1} \ rho _ {c}}

{\ displaystyle b_ {1} = {\ frac {h_ {1} \ rho _ {c}} {\ rho _ {m} - \ rho _ {c}}}}

где - плотность мантии (примерно 3300 кг м ^–3 ), а - плотность коры (примерно 2750 кг м ^–3 ). Таким образом, обычно: ${\ displaystyle \ rho _ {m}}$ ${\ displaystyle \ rho _ {c}}$

б ₁ ≅ 5⋅ч ₁

В случае отрицательной топографии (морской бассейн) балансировка литосферных столбов дает:

{\ displaystyle c \ rho _ {c} = (h_ {2} \ rho _ {w}) + (b_ {2} \ rho _ {m}) + [(c-h_ {2} -b_ {2} ) \ rho _ {c}]}

{\ displaystyle {b_ {2} (\ rho _ {m} - \ rho _ {c})} = {h_ {2} (\ rho _ {c} - \ rho _ {w})}}

{\ displaystyle b_ {2} = ({\ frac {\ rho _ {c} - \ rho _ {w}} {\ rho _ {m} - \ rho _ {c}}}) {h_ {2}} }

где - плотность мантии (примерно 3300 кг м ^–3 ), - плотность коры (примерно 2750 кг м ^–3 ) и - плотность воды (примерно 1000 кг м ^–3 ). Таким образом, обычно: ${\ displaystyle \ rho _ {m}}$ ${\ displaystyle \ rho _ {c}}$ ${\ displaystyle \ rho _ {w}}$

б ₂ ≅ 3,2⋅ч ₂

Пратт [ править ]

Для показанной упрощенной модели новая плотность определяется выражением:, где - высота горы, а c - толщина корки. $\rho _{1}=\rho _{c}{\frac {c}{h_{1}+c}}$ $h_{1}$

Vening Meinesz / flexural [ править ]

Мультфильм, показывающий изостатические вертикальные движения литосферы (серый) в ответ на вертикальную нагрузку (зеленый)

Эта гипотеза была предложена для объяснения того, как большие топографические нагрузки, такие как подводные горы (например, Гавайские острова ), могут быть компенсированы региональным, а не локальным смещением литосферы. Это более общее решение для изгиба литосферы , поскольку оно приближается к моделям с локальной компенсацией, приведенным выше, поскольку нагрузка становится намного больше, чем длина волны изгиба, или изгибная жесткость литосферы приближается к нулю.

Последствия [ править ]

Отложение и эрозия [ править ]

Когда большое количество осадка откладывается в определенном регионе, огромный вес нового осадка может вызвать опускание корки внизу. Точно так же, когда большое количество материала вымывается из региона, земля может подняться, чтобы компенсировать это. Следовательно, по мере того, как горный хребет разрушается, (сокращенный) хребет отскакивает вверх (до определенной степени), чтобы подвергнуться дальнейшей эрозии. Некоторые из пластов горных пород, которые теперь видны на поверхности земли, возможно, провели большую часть своей истории на больших глубинах под поверхностью, погребенной под другими пластами, чтобы в конечном итоге обнажиться, когда эти другие пласты размылись, а нижние слои отскочили вверх.

Можно провести аналогию с айсбергом , который всегда с определенной долей своей массы плавает под поверхностью воды. Если снег упадет до вершины айсберга, айсберг опустится ниже в воду. Если слой льда растает на вершине айсберга, оставшийся айсберг поднимется. Точно так же литосфера Земли «плавает» в астеносфере.

Тектоника плит [ править ]

Когда континенты сталкиваются, континентальная кора может утолщаться на их краях в результате столкновения. Если это произойдет, большая часть утолщенной корки может двигаться вниз, а не вверх, как в случае с айсбергом. Идея столкновений континентов, выстраивающих горы «вверх», является скорее упрощением. Вместо этого кора утолщается, и верхняя часть утолщенной коры может превратиться в горный хребет. ^{[ необходима цитата ]}

Однако некоторые столкновения континентов намного сложнее, и регион может не находиться в изостатическом равновесии, поэтому для лучшего понимания этот вопрос следует рассматривать с осторожностью. ^{[ необходима цитата ]}

Мантийная конвекция [ править ]

Идеальное изостатическое равновесие возможно только в том случае, если материал мантии находится в покое. Однако в мантии присутствует тепловая конвекция . В таком случае может быть удовлетворена только более общая гипотеза глубокой динамической изостазии (DDI). ^[7]

Ледяные щиты [ править ]

Образование ледяных щитов может вызвать опускание поверхности Земли. И наоборот, изостатический постледниковый отскок наблюдается в областях, когда-то покрытых ледяными щитами, которые теперь растают, например вокруг Балтийского моря и Гудзонова залива . По мере того как лед отступает, нагрузка на литосферы и астеносферы уменьшается , и они отскок назад к их равновесных уровней. Таким образом, можно найти бывшие морские скалы и связанные с ними волнорезанные платформы на сотни метров выше современного уровня моря . Отскок настолько медленный, что поднятие, вызванное окончанием последнего ледникового периода. все еще продолжается.

Помимо вертикального движения суши и моря, изостатическое регулирование Земли также включает горизонтальные движения. Это может вызвать изменения в гравитационном поле и скорости вращения Земли , полярное блуждание и землетрясения .

Граница литосферы и астеносферы [ править ]

Гипотеза изостазии часто используется для определения положения литосферы - астеносферы границы (LAB). ^[8]

Относительное изменение уровня моря [ править ]

Эустази - еще одна причина относительного изменения уровня моря, совершенно отличная от изостатических. Термин эвстазия или эвстатический относится к изменению объема воды в океане, как правило , из - за глобальное изменение климата . Когда климат Земли охлаждается, большая часть воды хранится на суше в виде ледников, снега и т. Д. Это приводит к падению глобального уровня моря (по сравнению со стабильным массивом суши). Наполнение океанических бассейнов талой ледниковой водой в конце ледниковых периодов является примером эвстатического повышения уровня моря .

Второй важной причиной эвстатического повышения уровня моря является тепловое расширение морской воды при повышении средней температуры Земли. Текущие оценки глобального эвстатического подъема из мареографических записей и спутниковой альтиметрии составляет около +3 мм / (см 2007 доклада МГЭИКА). На глобальный уровень моря также влияют вертикальные движения земной коры, изменения скорости вращения Земли, крупномасштабные изменения континентальных окраин и изменения скорости распространения дна океана .

Когда термин « относительный» используется в контексте изменения уровня моря , подразумевается, что действуют как эвстазия, так и изостазия, или что автор не знает, какую причину ссылаться.

Постледниковый отскок также может быть причиной повышения уровня моря. Когда морское дно поднимается, что продолжается в некоторых частях северного полушария, вода вытесняется и должна уходить в другое место.

См. Также [ править ]

Джон Филмор Хейфорд
Уильям Боуи (инженер) - американский инженер-геодезист
Лау, Готланд
Морская терраса
Тектоническое поднятие - часть общего геологического подъема средней поверхности земли, которая не связана с изостатической реакцией на разгрузку.
Аномалия силы тяжести
Хронология развития тектонофизики (до 1954 г.)

Ссылки [ править ]

Перейти ↑ Watts, AB (2001). Изостазия и изгиб литосферы . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0521622727.
^ 33. Спасоевич, С., и Гурнис, М., 2012, Уровень моря и вертикальное движение континентов по динамическим моделям Земли, начиная с позднего мелового периода: Бюллетень Американской ассоциации геологов-нефтяников, т. 96, вып. 11, стр. 2037–2064.
^ 13. Фулджер, Г.Р., Причард, MJ, Джулиан, Б.Р., Эванс, JR, Аллен, RM, Нолет, Г., Морган, WJ, Бергссон, Б.Х., Эрлендссон, П., Якобсдоттир, С., Рагнарссон, С. , Стефанссон, Р., Фогфьорд, К., 2000. Сейсмическая аномалия под Исландией простирается вниз до переходной зоны мантии, но не глубже. Geophys. J. Int. 142, F1 – F5.
^ Даттон, Кларенс (1882). «Физика земной коры; дискуссия». Американский журнал науки . 3. 23 (апрель): 283–290. DOI : 10.2475 / ajs.s3-23.136.283 . S2CID 128904689 .
^ Орм, Энтони (2007). «Кларенс Эдвард Даттон (1841–1912): солдат, эрудит и эстет». Геологическое общество, Лондон, специальные публикации . 287 : 271–286. DOI : 10,1144 / SP287.21 . S2CID 128576633 . }
^ "Кларенс Эдвард Даттон" (PDF) . 1958 . Проверено 7 октября 2014 года .
^ Czechowski, Л. (2019). «Мантийный поток и определение положения лаборатории в предположении изостазии» . Чистая и прикладная геофизика . 176 (6): 2451–2463. DOI : 10.1007 / s00024-019-02093-8 .
^ Гринк, М., Зейен, Х., Белик, М., 2014. Вклад в геофизику и геодезию, Vol. 44/2, 115–131.

Дальнейшее чтение [ править ]

Лисицын, Е. (1974) "Изменение уровня моря". Серия Elsevier Oceanography, 8
Уоттс, AB (2001). Изостазия и изгиб литосферы . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-00600-7. Очень полный обзор исторического развития.

Внешние ссылки [ править ]

Олдхэм, Ричард Диксон (1922). «Изостази» . Encyclopdia Britannica (12-е изд.).

[1] Перейти ↑ Watts, AB (2001). Изостазия и изгиб литосферы . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0521622727.

[2] 33. Спасоевич, С., и Гурнис, М., 2012, Уровень моря и вертикальное движение континентов по динамическим моделям Земли, начиная с позднего мелового периода: Бюллетень Американской ассоциации геологов-нефтяников, т. 96, вып. 11, стр. 2037–2064.

[3] 13. Фулджер, Г.Р., Причард, MJ, Джулиан, Б.Р., Эванс, JR, Аллен, RM, Нолет, Г., Морган, WJ, Бергссон, Б.Х., Эрлендссон, П., Якобсдоттир, С., Рагнарссон, С. , Стефанссон, Р., Фогфьорд, К., 2000. Сейсмическая аномалия под Исландией простирается вниз до переходной зоны мантии, но не глубже. Geophys. J. Int. 142, F1 – F5.

[4] Даттон, Кларенс (1882). «Физика земной коры; дискуссия». Американский журнал науки . 3. 23 (апрель): 283–290. DOI : 10.2475 / ajs.s3-23.136.283 . S2CID 128904689 .

[5] Орм, Энтони (2007). «Кларенс Эдвард Даттон (1841–1912): солдат, эрудит и эстет». Геологическое общество, Лондон, специальные публикации . 287 : 271–286. DOI : 10,1144 / SP287.21 . S2CID 128576633 . }

[6] "Кларенс Эдвард Даттон" (PDF) . 1958 . Проверено 7 октября 2014 года .

[Czechowski2019-7] Czechowski, Л. (2019). «Мантийный поток и определение положения лаборатории в предположении изостазии» . Чистая и прикладная геофизика . 176 (6): 2451–2463. DOI : 10.1007 / s00024-019-02093-8 .

[8] Гринк, М., Зейен, Х., Белик, М., 2014. Вклад в геофизику и геодезию, Vol. 44/2, 115–131.

[1],