Изостазия и строение земной коры

Горы и океанические бассейны в значительной степени поддерживаются плавучестью: земная кора плавает на более плотной мантии, так что нагрузки компенсируются на глубине. Этот баланс, называемый изостазией, формирует гравитационное поле и определяет строение земной коры.

Definition

Изостазия — это состояние плавучего равновесия, при котором топографические нагрузки на Земле компенсируются дефицитом массы или литосферным изгибом на глубине, так что давление становится почти однородным ниже глубины компенсации; строение земной коры относится к мощности и плотностной слоистости коры, которые отражают этот баланс.

Scope

Эта тема охватывает принцип изостазии и его значение для строения земной коры и литосферы: модель Эйри с глубокими коровыми корнями под горами, модель Пратта с латеральными изменениями плотности и более реалистичную флексурную модель, в которой жесткая литосфера изгибается под нагрузками. Рассматриваются изостатические гравитационные аномалии как индикаторы отклонений от компенсации, связь между топографией, мощностью земной коры и границей Мохоровичича, а также реологическая прочность литосферы. Акцент делается на том, как поддерживаются массовые нагрузки и как это отражается в гравитационном поле и строении земной коры.

Core questions

• Как горы и бассейны поддерживаются вопреки силе тяжести?
• В чем заключаются различия между моделями компенсации Эйри, Пратта и флексурной моделью?
• Что изостатические гравитационные аномалии показывают об отклонениях от равновесия?
• Как мощность земной коры связана с топографией и глубиной залегания Мохоровичича?

Key concepts

• Изостатическое равновесие и глубина компенсации
• Модель Эйри и коровые корни
• Модель Пратта и латеральные изменения плотности
• Флексурную (региональную) компенсацию литосферы
• Изостатические гравитационные аномалии и мощность земной коры

Key theories

Локальная компенсация Эйри и Пратта

В модели Эйри топография поддерживается глубокими коровыми корнями низкой плотности, тогда как в модели Пратта колонны различной плотности поднимаются на разную высоту над общей глубиной компенсации; обе модели объясняют, почему крупные горы не создают полного избытка гравитации, ожидаемого от их массы.

Флексурную изостазию

Поскольку литосфера обладает конечной прочностью, нагрузки поддерживаются не только локально, но и региональным изгибом упругой плиты, поэтому длина волны компенсации и флексурную жесткость литосферы определяют, как поддерживается топография.

Mechanisms

Относительно легкая земная кора плавает на более плотной, пластичной верхней мантии; топографическая нагрузка, такая как горный хребет, уравновешивается либо локальным корнем или изменением плотности под ней, либо упругим изгибом литосферной плиты, распределяющим нагрузку по широкой области, при этом выбранный режим определяется прочностью литосферы и размером нагрузки, а любой дисбаланс проявляется как изостатическая гравитационная аномалия.

Clinical relevance

Изостазия объясняет долгосрочные вертикальные движения, такие как послеледниковый отскок, ограничивает мощность земной коры и прочность литосферы в тектонических исследованиях и необходима для интерпретации гравиметрических исследований над горами, бассейнами и континентальными окраинами в контексте разведки ресурсов и инженерных задач.

History

Эйри и Пратт предложили конкурирующие модели компенсации в 1850-х годах для объяснения отклонения отвеса вблизи Гималаев; гравиметрические и сейсмические данные XX века подтвердили существование коровых корней, а Уоттс и другие разработали флексурную концепцию, которая объединила локальную и региональную компенсацию.

Key figures

• George Biddell Airy
• John Henry Pratt
• Anthony Watts

Seminal works

• turcotte2014
• fowler2005
• watts2001

Frequently asked questions

Почему высокие горы не создают такого большого избытка гравитации, как предполагает их масса?

Горы обычно поддерживаются коровыми корнями низкой плотности, простирающимися в более плотную мантию; дефицит массы корня в значительной степени компенсирует избыточную массу вершины, поэтому чистый избыток гравитации значительно меньше, чем можно было бы предположить, исходя только из видимой топографии.

В чем разница между локальной и флексурной изостазией?

Локальная изостазия предполагает, что каждая колонна независимо уравновешена прямо под нагрузкой, тогда как флексурную изостазию признает, что литосфера обладает прочностью и изгибается как жесткая плита, распределяя поддержку нагрузки по более широкой области.