Литосфера и реология

Литосфера — это холодная, прочная внешняя оболочка Земли, которая ведет себя как жесткое тело в геологическом масштабе времени, а ее реология, определяющая, где горная порода является хрупкой, упругой или пластичной, контролирует изгиб, разрушение и деформацию плит.

Definition

Литосфера — это относительно холодный, прочный внешний слой Земли, включающий земную кору и верхнюю мантию, который ведет себя как жесткое или упругое тело в геологическом масштабе времени; ее реология описывает, как деформируется ее порода, от хрупкого разрушения вблизи поверхности до пластической ползучести на глубине.

Scope

Эта тема охватывает литосферу как термический и механический пограничный слой и реологию, которая придает ей прочность: ее определение по температуре и охлаждение океанических плит с возрастом, упругий и изгибный отклик на нагрузки, а также переход от хрупкого к пластичному состоянию с глубиной. В ней рассматриваются огибающие пределов текучести, различие между термической, сейсмической и упругой литосферой, а также механизмы деформации, определяющие ее прочность. Акцент делается на прочности и механическом поведении внешней оболочки Земли, которые делают возможной тектонику плит.

Core questions

• Как литосфера определяется термически, сейсмически и механически?
• Как океаническая литосфера утолщается и опускается по мере охлаждения и старения?
• Что такое переход от хрупкого к пластичному состоянию и как прочность изменяется с глубиной?
• Как прочность литосферы контролирует изгиб и поддержание нагрузок?

Key concepts

• Литосфера как термический пограничный слой
• Охлаждение и опускание океанической литосферы
• Переход от хрупкого к пластичному состоянию и огибающая пределов текучести
• Упругая и изгибная жесткость
• Термическая, сейсмическая и упругая литосфера

Key theories

Охлаждающийся термический пограничный слой

Океаническая литосфера представляет собой холодный верхний термический пограничный слой мантийной конвекции; по мере удаления от рифта она охлаждается, утолщается и опускается предсказуемым образом, при этом глубина морского дна увеличивается как квадратный корень из возраста.

Огибающая пределов текучести

Прочность литосферы с глубиной ограничена хрупким фрикционным разрушением в холодной верхней части и пластической ползучестью на глубине, что определяет огибающую пределов текучести, которая определяет ее эффективную упругую толщину и то, как она поддерживает нагрузки.

Mechanisms

Поскольку прочность горных пород сильно зависит от температуры, холодная верхняя часть Земли сопротивляется течению и ведет себя как когерентная плита; вблизи поверхности деформация является хрупкой, контролируемой трением на разломах, в то время как более глубокие и горячие породы деформируются путем пластической ползучести, и переход между этими режимами, наряду с толщиной плиты, определяет ее изгибную жесткость и то, как она изгибается под нагрузками, такими как подводные горы и ледниковые щиты.

Clinical relevance

Реология литосферы определяет, где могут зарождаться землетрясения, как прогибаются бассейны и поддерживаются горы, а также как твердая Земля реагирует на нагрузки и разгрузки, что важно для тектонической интерпретации, анализа бассейнов и изучения послеледникового изостатического поднятия.

History

Концепция прочной литосферы над слабой астеносферой была центральной для ранней тектоники плит; последующие работы по модели охлаждения полупространства океанических плит, лабораторные исследования прочности горных пород и анализ изгиба под нагрузками сформировали современное понимание реологии литосферы.

Key figures

• Donald Turcotte
• Anthony Watts
• Shun-ichiro Karato

Seminal works

• turcotte2014
• watts2001
• karato2008

Frequently asked questions

В чем разница между литосферой и астеносферой?

Литосфера — это холодный, жесткий внешний слой, образующий тектонические плиты, в то время как астеносфера под ней горячее и слабее, легко деформируется, так что плиты могут скользить по ней; граница по существу является термической и механической, а не композиционной.

Почему морское дно становится глубже по мере удаления от срединно-океанических хребтов?

По мере старения и удаления океанической литосферы от хребта она охлаждается, становится плотнее и сжимается, поэтому она опускается; это охлаждение и опускание следуют регулярной закономерности, при этом глубина увеличивается примерно пропорционально квадратному корню из возраста литосферы.