Cân bằng đẳng tĩnh và Cấu trúc vỏ Trái Đất

Các dãy núi và bồn địa đại dương phần lớn được nâng đỡ bởi lực nổi: vỏ Trái Đất nổi trên lớp phủ đậm đặc hơn, do đó các tải trọng được bù trừ ở độ sâu, một trạng thái cân bằng được gọi là đẳng tĩnh, định hình trường trọng lực và giới hạn cấu trúc vỏ Trái Đất.

Definition

Đẳng tĩnh là trạng thái cân bằng nổi trong đó các tải trọng địa hình trên Trái Đất được bù trừ bởi sự thiếu hụt khối lượng hoặc bởi sự uốn cong của thạch quyển ở độ sâu, sao cho áp suất trở nên gần như đồng nhất bên dưới một độ sâu bù trừ; cấu trúc vỏ Trái Đất đề cập đến độ dày và sự phân lớp mật độ của vỏ mà sự cân bằng này phản ánh.

Scope

Chủ đề này bao gồm nguyên lý đẳng tĩnh và những hàm ý của nó đối với cấu trúc vỏ và thạch quyển: mô hình Airy với rễ vỏ sâu bên dưới các dãy núi, mô hình Pratt với sự biến đổi mật độ theo chiều ngang, và mô hình uốn cong thực tế hơn trong đó thạch quyển cứng uốn cong dưới tải trọng. Nó xem xét các dị thường trọng lực đẳng tĩnh như những chỉ số về sự lệch khỏi trạng thái bù trừ, mối quan hệ giữa địa hình, độ dày vỏ Trái Đất và Moho, cũng như độ bền lưu biến của thạch quyển. Trọng tâm là cách các khối lượng tải trọng được nâng đỡ và cách điều này được thể hiện trong trọng lực và cấu trúc vỏ Trái Đất.

Core questions

• Các dãy núi và bồn địa được nâng đỡ như thế nào để chống lại lực hấp dẫn?
• Các mô hình bù trừ Airy, Pratt và uốn cong khác nhau như thế nào?
• Các dị thường trọng lực đẳng tĩnh tiết lộ điều gì về sự lệch khỏi trạng thái cân bằng?
• Độ dày vỏ Trái Đất liên quan như thế nào đến địa hình và độ sâu của Moho?

Key concepts

• Cân bằng đẳng tĩnh và độ sâu bù trừ
• Mô hình Airy và rễ vỏ Trái Đất
• Mô hình Pratt và sự biến đổi mật độ theo chiều ngang
• Bù trừ uốn cong (khu vực) của thạch quyển
• Dị thường trọng lực đẳng tĩnh và độ dày vỏ Trái Đất

Key theories

Bù trừ cục bộ Airy và Pratt

Trong mô hình Airy, địa hình được nâng đỡ bởi các rễ vỏ sâu có mật độ thấp, trong khi trong mô hình Pratt, các cột có mật độ khác nhau vươn lên các độ cao khác nhau trên một độ sâu bù trừ chung; cả hai đều giải thích tại sao các dãy núi lớn không tạo ra toàn bộ sự dư thừa trọng lực như dự kiến từ khối lượng của chúng.

Đẳng tĩnh uốn cong

Vì thạch quyển có độ bền hữu hạn, các tải trọng không chỉ được nâng đỡ cục bộ mà còn bởi sự uốn cong khu vực của một mảng đàn hồi, do đó bước sóng bù trừ và độ cứng uốn cong của thạch quyển quyết định cách địa hình được giữ vững.

Mechanisms

Vỏ Trái Đất tương đối nhẹ nổi trên lớp phủ trên đậm đặc, dẻo; một tải trọng địa hình như một dãy núi được cân bằng bởi một rễ cục bộ hoặc sự thay đổi mật độ bên dưới nó hoặc bởi sự uốn cong đàn hồi của mảng thạch quyển trải rộng tải trọng trên một vùng rộng lớn, với chế độ được chọn được thiết lập bởi độ bền của thạch quyển và kích thước của tải trọng, và bất kỳ sự mất cân bằng nào xuất hiện dưới dạng dị thường trọng lực đẳng tĩnh.

Clinical relevance

Đẳng tĩnh giải thích các chuyển động thẳng đứng dài hạn như sự phục hồi sau băng hà, giới hạn độ dày vỏ Trái Đất và độ bền thạch quyển trong các nghiên cứu kiến tạo, và rất cần thiết để giải thích các khảo sát trọng lực trên các dãy núi, bồn địa và rìa lục địa trong bối cảnh tài nguyên và kỹ thuật.

History

Airy và Pratt đã đề xuất các mô hình bù trừ cạnh tranh vào những năm 1850 để giải thích sự lệch của đường thẳng đứng gần Himalaya; dữ liệu trọng lực và địa chấn thế kỷ XX đã xác nhận sự tồn tại của rễ vỏ Trái Đất, và Watts cùng các cộng sự đã phát triển khung uốn cong thống nhất sự bù trừ cục bộ và khu vực.

Key figures

• George Biddell Airy
• John Henry Pratt
• Anthony Watts

Seminal works

• turcotte2014
• fowler2005
• watts2001

Frequently asked questions

Tại sao các dãy núi cao không tạo ra nhiều trọng lực phụ trội như khối lượng của chúng gợi ý?

Các dãy núi thường được nâng đỡ bởi các rễ vỏ có mật độ thấp kéo dài vào lớp phủ đậm đặc hơn; sự thiếu hụt khối lượng của rễ phần lớn triệt tiêu khối lượng phụ trội của đỉnh, do đó sự dư thừa trọng lực ròng nhỏ hơn nhiều so với những gì địa hình nhìn thấy một mình sẽ ngụ ý.

Sự khác biệt giữa đẳng tĩnh cục bộ và đẳng tĩnh uốn cong là gì?

Đẳng tĩnh cục bộ giả định mỗi cột được cân bằng độc lập ngay bên dưới tải trọng, trong khi đẳng tĩnh uốn cong nhận ra rằng thạch quyển có độ bền và uốn cong như một mảng cứng, trải rộng sự nâng đỡ của tải trọng trên một vùng rộng hơn.