Изостазия - Isostasy

Изостазия (Греческий исос "равный", стасис "остановка") или изостатическое равновесие состояние гравитационный равновесие между земной шар с корка (или же литосфера ) и мантия так что корка «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). Это общепринято^[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. Определенные области (например, Гималаи ) не находятся в изостатическом равновесии, что заставило исследователей определить другие причины для объяснения их топографической высоты. В случае Гималаев, которые все еще поднимаются, было предложено, чтобы их возвышение поддерживалось силой удара. Индийская тарелка. В Провинция бассейна и хребта Западной части США - еще один пример региона, не находящегося в изостатическом равновесии.

Хотя первоначально определено в терминах Континентальный разлом и мантия,^[2] впоследствии это было истолковано с точки зрения литосфера и астеносфера, особенно в отношении океанического острова вулканы,^[3] такой как Гавайские острова.

В простейшем примере изостазия - это принцип плавучесть в котором объект погружен в жидкость поддерживается с силой, равной весу вытесняемой жидкости. В геологическом масштабе изостазию можно наблюдать, если сильная кора или литосфера Земли оказывает давление на более слабую мантию или астеносферу, которые превышают геологическое время течет в боковом направлении, так что нагрузка воспринимается регулировками по высоте.

Общий термин «изостазия» был введен в 1882 году американским геологом. Кларенс Даттон.^[4]^[5]^[6]

Модели

Используются три основные модели изостазии:

В Воздушный –Heiskanen модель - где разные топографические высоты приспособлены к изменениям корковый толщина, при которой корка имеет постоянную плотность
В Пратт –Хейфорд модель - где различные топографические высоты приспособлены боковыми изменениями камень плотность.
В Vening Meinesz, или же изостазия при изгибе модель - где литосфера действует как эластичный пластина и присущая ей жесткость распределяют местные топографические нагрузки по широкой области за счет изгиба.

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

Воздушный

Воздушная изостазия, при которой кора постоянной плотности плавает на мантии с более высокой 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.

Основа модели - Закон Паскаля и, в частности, его последствие, заключающееся в том, что в жидкости, находящейся в статическом равновесии, гидростатическое давление одинаково в каждой точке на одной и той же высоте (поверхность гидростатической компенсации):

час₁⋅ρ₁ = h₂⋅ρ₂ = h₃⋅ρ₃ = ... ч_п⋅ρ_п

Для показанного упрощенного изображения глубина корней горного пояса (b₁) 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 ${ displaystyle rho _ {m}}$ - плотность мантии (ок. 3300 кг м⁻³) и ${ displaystyle rho _ {c}}$ плотность корки (около 2,750 кг м⁻³). Таким образом, обычно:

б₁ ≅ 5⋅ч₁

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 ${ displaystyle rho _ {m}}$ - плотность мантии (ок. 3300 кг м⁻³), ${ displaystyle rho _ {c}}$ плотность корки (около 2,750 кг м⁻³) и ${ displaystyle rho _ {w}}$ плотность воды (около 1000 кг м⁻³). Таким образом, обычно:

б₂ ≅ 3,2⋅ч₂

Пратт

Для показанной упрощенной модели новая плотность определяется как: ${ displaystyle rho _ {1} = rho _ {c} { frac {c} {h_ {1} + c}}}$ , где ${ displaystyle h_ {1}}$ - высота горы; c - толщина коры.

Vening Meinesz / изгиб

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 ) могло быть компенсировано региональным, а не локальным смещением литосферы. Это более общее решение для литосферный прогиб, по мере приближения к моделям с локальной компенсацией выше, когда нагрузка становится намного больше, чем длина волны изгиба, или изгибная жесткость литосферы приближается к нулю.

Подразумеваемое

Отложение и эрозия

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 айсберг, 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

Когда континенты сталкиваются, континентальная кора может утолщаться на их краях в результате столкновения. Если это произойдет, большая часть утолщенной корки может сдвинуться. вниз а не вверх, как в случае с аналогией с айсбергом. Идея столкновений континентов, выстраивающих горы «вверх», является скорее упрощением. Вместо этого корка густеет и верхняя часть утолщенной корочки может стать горным хребтом.^{[нужна 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.^{[нужна цитата ]}

Мантийная конвекция

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

Кусочки льда

Формирование кусочки льда может вызвать опускание поверхности Земли. И наоборот, изостатический постледниковый отскок наблюдается в областях, когда-то покрытых ледяными щитами, которые теперь таяли, например, вокруг Балтийское море и Гудзонов залив. По мере отступления льда нагрузка на литосфера и астеносфера уменьшается, и они отскок обратно к своему равновесному уровню. Таким образом можно найти бывшие морские скалы и связанные волнорезные платформы на сотни метров выше современного уровень моря. Отскок настолько медленный, что подъем, вызванный окончанием последнего ледниковый период все еще продолжается.

Помимо вертикального движения суши и моря, изостатическое регулирование Земли также включает горизонтальные движения. Это может вызвать изменения в земных гравитационное поле и скорость вращения, полярное странствие, и землетрясения.

Граница литосферы и астеносферы

Гипотеза изостазии часто используется для определения положения LAB (т.е. Литосфера -Астеносфера Граница)^[8]

Относительное изменение уровня моря

Eustasy - еще одна причина относительного изменение уровня моря сильно отличается от изостатических причин. Период, термин Eustasy или евстатический относится к изменениям объема воды в океанах, обычно из-за глобальное изменение климата. Когда климат Земли охлаждается, большая часть воды накапливается на суше в виде ледников, снега и т. Д. Это приводит к падению глобального уровня моря (относительно стабильного массива суши). Наполнение океанических бассейнов талая ледниковая вода в конце ледникового периода является примером эвстатического повышение уровня моря.

Второй важной причиной эвстатического повышения уровня моря является тепловое расширение морской воды при повышении средней температуры Земли. Текущие оценки глобального эвстатического подъема по данным мареографов и спутниковая альтиметрия около +3мм /а (см. отчет МГЭИК 2007 г.). На глобальный уровень моря также влияют вертикальные движения земной коры, изменения скорости вращения Земли, крупномасштабные изменения континентальные окраины и изменения скорости распространения дно океана.

Когда срок родственник используется в контексте с изменение уровня моря, подразумевается, что действуют как эвстази, так и изостазия, или что автор не знает, какую причину вызвать.

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.

Смотрите также

Джон Филмор Хейфорд
Уильям Боуи (инженер)
Лау, Готланд
Морская терраса
Тектоническое поднятие - Доля общего геологического подъема средней поверхности земли, которая не связана с изостатической реакцией на разгрузку.
Аномалия силы тяжести

дальнейшее чтение

Лисицын Э. (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.

внешняя ссылка

Олдхэм, Ричард Диксон (1922). «Изостази». Британская энциклопедия (12-е изд.).

[1] Уоттс, А. Б. (2001). Изостазия и изгиб литосферы. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0521622727.

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

[3] 13. Фулджер, Г.Р., Притчард, М.Дж., Джулиан, Б.Р., Эванс, Д.Р., Аллен, Р.М., Нолет, Г., Морган, В.Дж., Бергссон, Б.Х., Эрлендссон, П., Якобсдоттир, С., Рагнарссон, С., Stefansson, R., Vogfjord, K., 2000. Сейсмическая аномалия под Исландией простирается 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. Дои: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. Дои:10.1144 / SP287.21. S2CID 128576633.}

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

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

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

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]