Ісостазі: Як континенти плавають у мантії

Принцип гравітальної рівноваги

Ісостазія ґрунтується на простому, але потужному ідеї, запозиченій з гідромеханіки: будь-який твердий об’єкт, що плаває у рідині, тоне, поки вага рідини, яку він витісняє, не дорівнює його власній вазі, взаємозв’язок, вперше сформульований Архімедом. Літосфера Землі, хоч і тверда та кам’яна, поводиться як плавучий плот, коли спостерігається протягом геологічних часових масштабів – тисяч або мільйонів років. Під нею лежить астеносфера, гарящий, слабкий шар верхнього мантиї, який може повільно текти, навіть якщо він технічно твердий камінь. Оскільки літосфера менш щільна, ніж астеносфера, вона плаває, більша її частина занурена, а лише невелика частина виступає над поверхнею моря або океаном у вигляді топографії. Ісостатична рівновага досягається, коли кора вертикально коригується до тих пір, поки тиск на певній глибокій відносному рівні, званому глибиною компенсації, стає однаковим всюди, незалежно від того, який шар гірких порід знаходиться над ним. Це балансування означає, що стовпці товстого або легкого корку піднімаються вище, а стовпці тонкого або щільного корку сидять нижче. Важливо, що ісостазія діє на довгострокових часових масштабах, оскільки мантія повинна текти, а не миттєво деформуватися, щоб врахувати зміни навантаження на поверхні. Коли навантаження додається або видаляється, кора не одразу переходить у нову рівноважну позицію; вона поступово підходить до неї, як човен повільно опускається після завантаження вантажу або його скидання, оскільки навколишня рідина повинна бути витіснена або дозволено їй повернутися. Це запізнене, в’язке реагування є ключем до розуміння явищ, таких як постльодяний підйом. Ісостазія також пояснює широкі особливості глобальної топографії, зокрема, чому континенти, побудовані з відносно легких гранітних порід, знаходяться набагато вище щільнішого базальтового морського дна та чому найвищі гори на Землі розташовані там, де континентальна кора ущільнена зіткненням, що дає їй незвично глибокі плавучі корені.

Модель Ейрі: Постійна Щільність, Різна Товщина

Розроблена британським астрономом Джорджем Біделлом Ейрім у 1855 році, модель Ейрі щодо ізостатизму передбачає, що кора жодного разу не змінює щільності, але її товщина постійна, і вона плаває на більш щільній мантії однорідної густини. У цій моделі топографічна висота безпосередньо пов'язана із глибиною кореневої частини: вищі гори потребують пропорційно більшої глибини кореня для збереження плавучості, подібно до того, як більш товсті блоки однакового дерева плавають глибше під поверхнею, коли вони піднімаються вище над нею. Ейрі розробив цю ідею частково для пояснення загадкових результатів з вимірювань гравітації поблизу Гімалаїв, де гравітаційну силу величезної маси гори було виміряно меншою, ніж очікувалося, враховуючи її видиму масу. Пояснення полягало в тому, що існує дефіцит маси під горами: корінь з відносно легкої коральної породи зміщує більш щільний матеріал мантії, що зменшує загальну гравітаційну силу, оскільки легка кора замінила важку мантію на глибині. Використовуючи значення густини, характерні для континентальної кори та мантії, модель Ейрі передбачає, що на кожен кілометр, на який піднімається гора над навколишнім рельєфом, її корінь може простягатися приблизно на шість-сім кілометрів глибше за навколишню коральну базу. Саме тому найвищі гірські хребти, такі як Гімалаї та Анди, також пов'язані з однією з найтовщих порід на планеті, де товщина перевищує сімдесят кілометрів у деяких місцях, порівняно з глобальною середньою товщиною континентальної кори близько тридцяти п’яти-сорока кілометрів. Модель Ейрі добре працює для регіонів, таких як молоді, активно деформувані гірські пояси, де збільшення кори за рахунок згинів і накладання шарів порід є основним процесом, що контролює висоту. Це спрощена модель, оскільки вона передбачає постійну щільність та миттєве локальне компенсаційне вирівнювання, але вона вражаюче добре захоплює сутність коренево-плавучої взаємодії для багатьох реальних гірських хребтів.

Isostasy: Как континенты плавают в мантии

В 1854 году английский математик и священник, работавший в Индии, Джон Генри Пратт предложил альтернативную модель. В отличие от модели Эйра, которая предполагала изменения толщины коры, Пратт предположил, что кора имеет постоянную глубину компенсации, а плотность коры варьируется. Это аналогично плаванию нескольких одинаковых блоков из разных пород дерева в воде: более легкая древесина бальза будет плавать выше, чем более тяжелая дубовая.

Модель Пратта изначально была основана на идее о том, что кора расширяется при нагревании, становясь менее плотной в регионах, находящихся на большей высоте. Хотя модель Пратта сейчас используется реже для молодых столкновений горных цепей, она лучше объясняет более широкие особенности, такие как океанические желоба, где горячая, менее плотная океаническая литосфера возле разлома распространяется выше, чем более холодная и плотная старая океаническая литосфера, несмотря на сравнительные небольшие различия в толщине коры.

В реальности ни чистая модель Эйра, ни чистая модель Пратта не идеально описывают земную кору. Фактическое изостатическое компенсация обычно включает комбинацию изменений толщины и плотности, а современные геофизики используют более сложные модели изгиба, которые также учитывают механическую прочность литосферы.

Isostasy: Відновлення Землі після льодовикового періоду

Один з найбільш драматичних і добре задокументованих прикладів ісостази в дії – постльодовикове відновлення, також відоме як льодовикова ізостатична адаптація. Під час останнього льодовикового періоду величезні континентальні льідники, в деяких місцях понад три кілометри завтовшки, покривали великі території Північної Америки та Північної Європи. Велика вага цього льоду тиснула на підземну кору вниз у мантію, змушуючи вічну пектоальну шару зміщуватися вбік і знижувати висоту земної поверхні на сотні метрів у найбільш навантажених регіонах. Коли льодовики швидко танули близько 11-12 тисяч років тому, навантаження було знято, але кора не повернулася миттєво. Оскільки мантіова кам'яна пустка тече надзвичайно повільно, кора поступово піднімається до свого рівноважного положення, процес якого сьогодні все ще помітно триває. У частинах Скандинавії, особливо у Балтійському залізькому прогині між Швецією та Фінляндією, земля продовжує підніматися приблизно на 9 міліметрів на рік, а загальне підняття з часів танення льодовиків перевищило 300 метрів у найбільш покинутих областях. Старі берегові лінії та портові споруди, що колись були під водою, тепер знаходяться на кількох сотнях метрів над нею, видимий запис тисяч років стабільного відновлення. Подібний процес розгортається навколо Гурлячої затоки в Канаді, де кора була притиснута під масивним Лаврентійським льодовиком і продовжує підніматися приблизно на 1 сантиметр на рік, з загальним підняттям з часів танення льодовиків, що перевищує кілька сотень метрів. Ізостатичне відновлення має практичні наслідки: воно змінює відносний рівень моря, перетворює узбережжя, іноді викликає невеликі землетруси, коли напруга розподіляється в корі, і допомагає геофізикам оцінити в'язкість мантії, ретельно вимірюючи швидкість відновлення землі.

Ізостатичне просідання: Коли вага тисне на коралову шкалу

Ізостазія працює в обох напрямках: так само, як і видалення ваги дозволяє землі підніматися, додавання ваги до коралової шкали викликає її опущення, процес, який називається ізостатичним просіданням. Однією з основних причин є навантаження відкладами, коли річки відкладають величезні об’єми уразованої породи та ґрунту в западини, дельти та континентальні крайки протягом мільйонів років. Зі збільшенням кількості відкладень їхня вага тисне на підлеглу коралову шкалу вниз, створюючи додатковий простір для розміщення, який дозволяє ще більше відкладень накопичуватися, процес, який видно особливо добре в таких місцях, як дельта річки Міссісіпі та Бенгальська турбулентність, де товщина відкладень може перевищувати десять кілометрів. Навантаження льодом виробляє той самий ефект у зворотній послідовності: коли формуються льодовики та крижані шари, їхня величезна маса притискає коралову шкалу під ними, що пояснює, чому коралова шкала під Гренландією та Антарктидою сьогодні знаходиться значно нижче рівня, який би вона мала, якби лід був видалений. Насправді частини скель під центральним льодовиком Гренландії та антарктичного льодовика зараз лежать під рівнем моря в основному через це викликане навантаженням депресію. Навантаження водою також може спричинити просідання, як показано, коли за дамбами утворюються великі резервуари або коли рівень моря піднімається та затоплює низько розташовані континентальні крайки, додаючи вагу морської води до раніше виявленої коралової шкали. Оскільки ізостатична адаптація відстає від змін навантаження, регіон може залишатися поза рівновагою тисячами років після того, як відбулося навантаження або розвантаження, повільно опускаючись або піднімаючись до точки рівноваги, яка відображає умови, які існували багато тисяч років тому. Сучасна геодезія супутників і точні вимірювання гравітації, такі як ті, що здійснюються місіями GRACE, дозволяють вченим відстежувати ці тривалі корекції та розрізняти ізостатичне просідання та підйом від інших причин змін висоти, таких як тектонічна активність або видобуток ґрунтових вод.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Isostasy: How Continents Float on the Mantle і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.