Izostasię: Jak Kontynenty Flotują na Mantelu

Ponadmiarowa Współczynnik Gravitacyjny

Ponadmiarowa współczynnica opiera się na prostej, ale mocnej idei pochylającej się od mechaniki płynów: każdy spokojnie leżący w płynie ciało sztywnego zanurzy się aż do momentu, gdy masa płynu, który zanurza, jest równa jego własnej masie. Relacja ta została po raz pierwszy formalizowana przez Arkimedes. Lithosfera Ziemi, choć sztywna i kamienista, zachowuje się jak flotująca ławica w czasach geologicznych trwających tysiące do milionów lat. Pod nią leży asthenosfera, mniej ciepła, słabsza warstwa upper mantle, która może wolno płynąć jak bardzo gęsty płyn, nawet jeśli technicznie jest to twardy skał. Ponieważ lithosfera ma mniejszą masę woluminową niż asthenosfera, zanurza się, z większością swojej masy zanurzonej i tylko częścią wyjazdową jako topografia nad poziomem morza lub dna oceanu. Ponadmiarowa równowaga jest stanem, który osiąga kora, gdy poprzez nawiązanie do pewnego głębokiego punktu odniesienia, zwanej głębokością kompensacji, ciśnienie jest równe wszędzie, niezależnie od tego, jakie warstwy skał leżą na nim. Ta równowaga oznacza, że kolumny grubych lub lżejszych warstw kory podnoszą się wyżej, a kolumny cienkich lub cięższych warstw kory pozostają niższe. Warto zaznaczyć, że ponadmiarowa współczynnica działa na długich czasach, ponieważ mantela musi płynąć, a nie od razu się deformować, aby dostosować się do zmian w obciążeniu powierzchniowego. Gdy dodajemy lub usuwamy obciążenie, kora nie natychmiast zanurza się w nowy stan równowagi; zbliża się do niego stopniowo, podobnie jak statkowiec osiąga swoją pozycję po załadowaniu lub odładowaniu ładunku, ponieważ płyn otaczający musi być przesunięty lub znowu wpuszczony. Ta opóźniona, gęsta odpowiedz jest kluczowa w rozumieniu zjawisk takich jak powstanie po lądowaniu lodu. Ponadmiarowa współczynnica wyjaśnia również szerokiece cechy globalnej topografii, w tym dlaczego kontynenty, budowane z względem lżejszej skały granitowej, stoją znacznie wyżej niż cięższy basaltowy dno morza, a także dlaczego najwyższe szczyty na Ziemi są tam, gdzie kora kontynentalna została podciśnięta przez kolizję, co dało jej niezwykle głębokie, lżejsze korzenie.

Model Airya: Jednorodna Gęstość, Masaılana Szerokość

Propozycja brytyjskiego astronoma George’a Biddella Airya z 1855 roku, model Airya isostacji zakłada, że krystyna ma stałą gęstość na całym swoim obszarze, ale różni się w szerokości. W tym modelu topograficzne wzgórza są bezpośrednio powiązane z głębokością korzystnej pierwiastki: wyższe szczyty wymagają proporcjonalnie głębszych pierwiastków, aby pozostawały w flotacji, podobnie jak thonie bloki drewna o tej samej gęstości, które się podnoszą powyżej powierzchni, wciąż przesuń się dalej pod nią. Airy opracował tę ideę częściowo, aby wyjaśnić zagadkowe wyniki pomiarów z okolic Himalajów, gdzie siła grawitacyjna ogromnego maszynowego wzgórza była mniejsza niż oczekiwane na podstawie jego widocznego objętości. Wyjaśnienie polegało na istnieniu deficytu masy pod wzgórzami: pierwiastka gęstszego krystyna skałowego, które przesuwa gęstsze materiały mantelu, co zmniejsza siłę grawitacyjną netto, ponieważ lżejszy krystyn skałowy zastąpił cięższe materiały mantelu na głębokich poziomach. Korzystając z wartości gęstości typowych dla krystyna kontynentalnego i mantelu, model Airya przewiduje, że dla każdego kilometra wzgórza, które się podnieca nad terenem otaczającym, jego pierwiastek może rozszerzyć się o około sześć do siedmiu kilometrów głębiej niż krystyna podstawowa otaczająca. Dlatego najwyższe szczyty, takie jak Himalaje i Andezy, są również związane z jednymi z najtańszych krystyn na świecie, które mogą przekraczać siedemdziesiąt kilometrów, w porównaniu do globalnej średniej kontynentalnej blisko trzydziestu pięciu do czterdziestu kilometrów. Model Airya działa dobrze dla regionów, takich jak młode, aktywne biegi górnicze, gdzie zwiększenie szerokości krystyna poprzez skrażenie i stosowanie warstw skał jest głównym procesem kontrolującym wzrost. Jest to uproszczone rozwiązanie, ponieważ zakłada jednorodną gęstość i natychmiastową lokalną kompenzację, ale wspaniale odzwierciedla relację pierwiastka i flotacji dla wielu rzeczywistych szczytów górniczych.

Model Pratta: Jednorodna Głębokość, Masa Mieniąca się

Kilka lat wcześniej, w 1854 roku, John Henry Pratt, brytyjski matematyk i duchowiec pracujący w Indiach, który badał te same anomalie grawitacyjne Himalajów, które później zainteresowały Airya, zaproponował alternatywną interpretację. Model Pratta zakłada odwrotny układ: zamiast się zmieniać w gruczołowe, masa krzesełka krystalicznego się meni, a wszystkie kolumny krzesełka spadają do tej samej jednorodnej głębokości, nazywanej głębokością kompensacji. W tym ramkowaniu regiony o wyższej elewacji są podległe mniej masowych kamieni krystalicznych, a regiony o niższej elewacji – bardziej masowych. Każda kolumna, niezależnie od tego, czy jest pod górą czy pól, osiąga równowagę na tej samej poziomie. To jest podobne do zanurzenia kilku bloków o takim samym rozmiarze, ale różnych gatunków drewna: balsa, będąc mniej masowa, zanurza się znacznie głębiej niż dąb, nawet jeśli oba bloki są tej samej wielkości i zanurzają się do podobnych głębokości względem siebie. Model Pratta był pierwotnie motywowany myślą, że kamienie krystaliczne mogą rozszerzać się termicznie, stając się mniej masowe, w regionach, które stanowią wyższe, podstawiając praktycznie, że góry są jak kolumny termicznie rozszerzonego materiału, inaczej zasłonionego. Choć model Pratta jest mniej często używany do młodych szczytowych szeregów, dostarcza lepszą interpretację dla szerokich cech takich jak skraje oceaniczne, gdzie gorące i mniej masowe lithosfera oceaniczna blisko centrum rozszerzającego się znajduje się na wyższych poziomach niż chłodniejsza i bardziej masowa, starsza lithosfera oceaniczna dalej od centrum, mimo stosunkowo małych różnic w gruczołowatości. W rzeczywistości ani czysty model Airya, ani czysty model Pratta nie idealnie opisują krzesełko Ziemi; faktyczna kompensacja izostatyczna zazwyczaj obejmuje pewien kombinat gruczołowatości i masowości, a współcześni geofizycy używają bardziej zaawansowanych modeli pochylenia, które również uwzględniają siłę mechaniczną lithosfery.

Powrót izostatyczny: Podnoszenie ziemi po okresie lodowcowym

Jedną z najbardziej dramatycznych i dobrze dokumentowanych ilustracji działania izostazji jest powrót po okresie lodowcowym, znane również jako izostatyczna dostosowanie. W czasach ostatniego okresu lodowcowego ogromne kontynentalne szlify lodowe, w niektórych miejscach przekraczające trzy kilometry grubości, pokrywały duże obszary Ameryki Północnej i północnej Europy. Wielka siła ciężkości tych lódów spuściła podstawową krustę do góry mantelu, przesunąwszy lepką asthenosferę w bok i zdepresjonując powierzchnię ziemi o setki metrów w najciśniej naciskanych regionach. Gdy lody zaczęły szybko roztapiać się około 11-12 tysiąc lat temu, obciążenie zostało usunięte, ale krusta nie wróciła natychmiast do swojej pozycji równowagowej. Ponieważ gnezy mantelu przepływa bardzo wolno, krusta podnosi się powoli w kierunku pozycji równowagowej od tamtej pory, a proces ten nadal jest mierzalnie aktywny. W niektórych częściach Skandynawii, zwłaszcza Golfu Botnickiego między Szwecją a Finlandią, ziemia podnosi się w średnim tempie około 9 milimetrów na rok, a cała podwyższenie od deglacjacji przekroczyło trzysta metrów w najciśniej naciskanych regionach. Starożytnych lini brzegowych i struktur portowych, które kiedyś znajdowały się na poziomie morza, teraz można znaleźć kilka metrów nad nim, co stanowi widoczny dowód na stały powrót przez tysiące lat. Podobny proces ma miejsce wokół Zatoki Hudsona we Kanadzie, gdzie krusta była zdepresjonowana pod ogromnym szlifem lodowcowym Laurentide i nadal się podnosi o około 1 centymetr na rok, a całe podwyższenie od deglacjacji osiągnęło kilka setek metrów. Powrót izostatyczny ma praktyczne konsekwencje: zmienia poziom morza względem ziemi, przekształca lini brzegowe, czasami wywołuje drobne trzęsienia ziemi ze względu na rozprowadzenie napięć w krustie i pomaga geofizykom oszacować lepkość mantelu poprzez dokładne mierzenie szybkości powrotu ziemi.

Isostatyczne spadek: Kiedy ciężar naciska na warstwę

Isostaza działa w obu kierunkach: podobnie jak usunięcie ciężaru pozwala ziemi wzrosnąć, dodanie ciężaru do warstwy powierzchniowej spowoduje jej opadanie, zwanego isostatycznym spadem. Jednym z głównych przyczyn jest załadowanie sedimentami, w którym rzeki zdeponują ogromne ilości erodowanego kamienia i gleby w basenach, delty i brzegi kontynentu przez miliony lat. Przykrość sedimentów spowoduje, że ich ciężar naciska na warstwę podstawową do dołu, tworząc dodatkowe przestrzeń akkomodacyjną, która pozwala na dalsze zdeponowanie sedimentów, co stanowi samonawzmacniający się proces widoczny w miejscach takich jak delta rzeki Missisippi i Fan Bengalowy, gdzie grubość sedimentów może przekroczyć dziesięć kilometrów. Załadowanie lodem powoduje ten sam efekt odwrotny do odbiornika: kiedy lodowe pola i sztuczne lodowce rosną, ich ogromna masa naciska na warstwę podstawową pod nimi, co jest dokładnie tym, dlaczego warstwa podstawowa pod Greenland i Antarktydę dzisiaj znajduje się znacznie niżej niż by zajmowała miejsce, gdyby lod był usunięty. W rzeczywistości części skał podcentralnej warstwy pod sztuczne lodowcem w Górnej Tereny i Antarktydę obecnie leżą poniżej poziomu morskiego głównie z powodu tego nacisku spowodowanego przez lód. Załadowanie wodą również może powodować spadek, jak to widzimy przy uzupełnianiu dużych rezerwatów za przepustnicami lub podczas wzrostu poziomu morza i inundacji niskopłytowych brzegów kontynentu, dodając ciężar wody morskiej do już wyexponowanej warstwy. Ponieważ isostatyczne dostosowanie opóźnia się w stosunku do zmian załadowania, obszar może pozostawać poza równowagą tysiące lat po wystąpieniu załadowania lub odładowania, nadal wolno spadając lub odbijając ku punktowi równowagi, który reprezentuje warunki istniejące setki tysięcy lat wcześniej. Nowoczesne satelity geodezyjne i precyzyjne pomiary grawitacji, takie jak te z misji GRACE, pozwalają naukowcom śledzić te ciągłe dostosowania i rozdzielać isostatyczny spadek i wzrost od innych przyczyn zmian wysokości, takich jak aktywność tectoniczna lub wydobywanie wodnego gruntu.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Isostasy: How Continents Float on the Mantle i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.