สมดุลธรณีภาคและโครงสร้างเปลือกโลก

ภูเขาและแอ่งมหาสมุทรส่วนใหญ่ได้รับการค้ำจุนด้วยแรงลอยตัว: เปลือกโลกจะลอยอยู่บนเนื้อโลกที่หนาแน่นกว่า ทำให้มวลที่กดทับได้รับการชดเชยที่ระดับความลึก ซึ่งเป็นสมดุลที่เรียกว่าสมดุลธรณีภาค (isostasy) ที่กำหนดสนามแรงโน้มถ่วงและจำกัดโครงสร้างเปลือกโลก

Definition

สมดุลธรณีภาค (Isostasy) คือสภาวะสมดุลการลอยตัวที่มวลภูมิประเทศบนโลกได้รับการชดเชยด้วยการขาดมวลหรือการโก่งตัวของธรณีภาคที่ระดับความลึก เพื่อให้ความดันเกือบสม่ำเสมอใต้ระดับความลึกของการชดเชย; โครงสร้างเปลือกโลกหมายถึงความหนาและการแบ่งชั้นความหนาแน่นของเปลือกโลกที่สมดุลนี้สะท้อนให้เห็น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมหลักการของสมดุลธรณีภาคและนัยยะต่อโครงสร้างของเปลือกโลกและธรณีภาค: แบบจำลองของ Airy ที่มีรากเปลือกโลกที่ลึกใต้ภูเขา, แบบจำลองของ Pratt ที่มีการแปรผันความหนาแน่นในแนวราบ, และแบบจำลองการโก่งตัวที่สมจริงกว่า ซึ่งธรณีภาคที่แข็งเกร็งจะโค้งงอภายใต้น้ำหนักกดทับ หัวข้อนี้จะกล่าวถึงความผิดปกติของแรงโน้มถ่วงแบบสมดุลธรณีภาคในฐานะตัวบ่งชี้การเบี่ยงเบนจากสมดุล, ความสัมพันธ์ระหว่างลักษณะภูมิประเทศ, ความหนาของเปลือกโลก, และรอยต่อโมโฮ (Moho), และความแข็งแรงทางรีโอโลยีของธรณีภาค โดยเน้นที่วิธีการค้ำจุนมวลที่กดทับและวิธีอ่านค่านี้จากแรงโน้มถ่วงและโครงสร้างเปลือกโลก

Core questions

• ภูเขาและแอ่งต่างๆ ได้รับการค้ำจุนจากการดึงดูดของแรงโน้มถ่วงได้อย่างไร?
• แบบจำลองการชดเชยของ Airy, Pratt และแบบจำลองการโก่งตัวแตกต่างกันอย่างไร?
• ความผิดปกติของแรงโน้มถ่วงแบบสมดุลธรณีภาคเผยให้เห็นอะไรเกี่ยวกับการเบี่ยงเบนจากสมดุล?
• ความหนาของเปลือกโลกสัมพันธ์กับลักษณะภูมิประเทศและความลึกของรอยต่อโมโฮอย่างไร?

Key concepts

• สมดุลธรณีภาคและความลึกของการชดเชย
• แบบจำลองของ Airy และรากเปลือกโลก
• แบบจำลองของ Pratt และการแปรผันความหนาแน่นในแนวราบ
• การชดเชยแบบโก่งตัว (ภูมิภาค) ของธรณีภาค
• ความผิดปกติของแรงโน้มถ่วงแบบสมดุลธรณีภาคและความหนาของเปลือกโลก

Key theories

การชดเชยเฉพาะที่ของ Airy และ Pratt

ในแบบจำลองของ Airy ลักษณะภูมิประเทศได้รับการค้ำจุนโดยรากเปลือกโลกที่มีความหนาแน่นต่ำและลึก ในขณะที่ในแบบจำลองของ Pratt คอลัมน์ที่มีความหนาแน่นต่างกันจะสูงขึ้นไปในระดับความสูงที่ต่างกันเหนือระดับความลึกของการชดเชยร่วมกัน; ทั้งสองแบบจำลองอธิบายว่าทำไมภูเขาขนาดใหญ่จึงไม่สร้างแรงโน้มถ่วงส่วนเกินเต็มที่ตามที่คาดการณ์จากมวลของมัน

สมดุลธรณีภาคแบบโก่งตัว

เนื่องจากธรณีภาคมีความแข็งแรงจำกัด มวลกดทับจึงได้รับการค้ำจุนไม่เพียงแค่เฉพาะที่เท่านั้น แต่ยังโดยการโก่งตัวในระดับภูมิภาคของแผ่นเปลือกโลกที่ยืดหยุ่น ดังนั้นความยาวคลื่นของการชดเชยและความแข็งแกร่งในการโก่งตัวของธรณีภาคจึงเป็นตัวกำหนดว่าลักษณะภูมิประเทศได้รับการค้ำจุนอย่างไร

Mechanisms

เปลือกโลกที่ค่อนข้างเบาจะลอยอยู่บนเนื้อโลกส่วนบนที่หนาแน่นกว่าและอ่อนตัว; มวลภูมิประเทศที่กดทับ เช่น เทือกเขา จะได้รับการสมดุลไม่ว่าจะโดยรากเปลือกโลกเฉพาะที่หรือการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นใต้เทือกเขานั้น หรือโดยการโก่งตัวแบบยืดหยุ่นของแผ่นธรณีภาคที่กระจายมวลกดทับไปทั่วบริเวณกว้าง โดยรูปแบบที่เลือกจะขึ้นอยู่กับความแข็งแรงของธรณีภาคและขนาดของมวลกดทับ และความไม่สมดุลใดๆ จะปรากฏเป็นความผิดปกติของแรงโน้มถ่วงแบบสมดุลธรณีภาค

Clinical relevance

สมดุลธรณีภาคอธิบายการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งระยะยาว เช่น การดีดตัวหลังยุคน้ำแข็ง, จำกัดความหนาของเปลือกโลกและความแข็งแรงของธรณีภาคในการศึกษาธรณีแปรสัณฐาน, และจำเป็นสำหรับการตีความการสำรวจแรงโน้มถ่วงเหนือภูเขา, แอ่ง, และขอบทวีปในบริบทของทรัพยากรและวิศวกรรม

History

Airy และ Pratt ได้เสนอแบบจำลองการชดเชยที่แข่งขันกันในทศวรรษ 1850 เพื่ออธิบายการเบี่ยงเบนของแนวดิ่งใกล้เทือกเขาหิมาลัย; ข้อมูลแรงโน้มถ่วงและคลื่นไหวสะเทือนในศตวรรษที่ 20 ยืนยันการมีอยู่ของรากเปลือกโลก และ Watts และคณะได้พัฒนาโครงสร้างการโก่งตัวที่รวมการชดเชยแบบเฉพาะที่และแบบภูมิภาคเข้าด้วยกัน

Key figures

• George Biddell Airy
• John Henry Pratt
• Anthony Watts

Seminal works

• turcotte2014
• fowler2005
• watts2001

Frequently asked questions

ทำไมภูเขาสูงจึงไม่สร้างแรงโน้มถ่วงส่วนเกินมากเท่าที่มวลของมันบ่งบอก?

ภูเขามักได้รับการค้ำจุนโดยรากเปลือกโลกที่มีความหนาแน่นต่ำซึ่งขยายลงไปในเนื้อโลกที่หนาแน่นกว่า; การขาดมวลของรากเปลือกโลกส่วนใหญ่จะหักล้างมวลส่วนเกินของยอดเขา ดังนั้นแรงโน้มถ่วงส่วนเกินสุทธิจึงน้อยกว่าที่ลักษณะภูมิประเทศที่มองเห็นได้เพียงอย่างเดียวจะบ่งบอกมาก

ความแตกต่างระหว่างสมดุลธรณีภาคแบบเฉพาะที่และแบบโก่งตัวคืออะไร?

สมดุลธรณีภาคแบบเฉพาะที่สมมติว่าแต่ละคอลัมน์ได้รับการสมดุลอย่างอิสระใต้แรงกดทับโดยตรง ในขณะที่สมดุลธรณีภาคแบบโก่งตัวตระหนักว่าธรณีภาคมีความแข็งแรงและโค้งงอเหมือนแผ่นแข็ง ซึ่งกระจายการค้ำจุนของแรงกดทับไปทั่วบริเวณที่กว้างขึ้น