均衡和地壳结构

山脉和洋盆主要由浮力支撑：地壳漂浮在密度更大的地幔之上，因此载荷在深部得到补偿，这种平衡称为均衡，它塑造了重力场并制约着地壳结构。

Definition

均衡是一种浮力平衡状态，其中地球上的地形载荷通过质量亏损或深部岩石圈挠曲得到补偿，从而使补偿深度以下压力趋于均匀；地壳结构是指这种平衡所反映的地壳的厚度和密度分层。

Scope

本主题涵盖均衡原理及其对地壳和岩石圈结构的影响：艾里模型（山脉下方有深层地壳根）、普拉特模型（横向密度变化）以及更真实的挠曲模型（刚性岩石圈在载荷下弯曲）。它将均衡重力异常视为偏离补偿的指标，探讨了地形、地壳厚度与莫霍面之间的关系，以及岩石圈的流变强度。重点在于质量载荷如何得到支撑以及如何从重力和地壳结构中解读这些信息。

Core questions

• 山脉和盆地如何抵抗重力作用而得到支撑？
• 艾里、普拉特和挠曲补偿模型有何不同？
• 均衡重力异常揭示了哪些偏离平衡的信息？
• 地壳厚度与地形和莫霍面深度有何关系？

Key concepts

• 均衡平衡和补偿深度
• 艾里模型和地壳根
• 普拉特模型和横向密度变化
• 岩石圈的挠曲（区域）补偿
• 均衡重力异常和地壳厚度

Key theories

艾里和普拉特局部补偿

在艾里模型中，地形由深层低密度地壳根支撑，而在普拉特模型中，不同密度的柱体从共同的补偿深度上升到不同的高度；两者都解释了为什么大型山脉不会产生与其质量相符的全部重力过剩。

挠曲均衡

由于岩石圈具有有限的强度，载荷不仅通过局部支撑，还通过弹性板块的区域弯曲来支撑，因此补偿波长和岩石圈的挠曲刚度决定了地形如何得到支撑。

Mechanisms

相对较轻的地壳漂浮在密度更大、具有韧性的上地幔之上；山脉等地形载荷要么通过其下方的局部根或密度变化来平衡，要么通过岩石圈板块的弹性挠曲将载荷分散到广阔区域，具体选择哪种模式取决于岩石圈的强度和载荷的大小，任何不平衡都会表现为均衡重力异常。

Clinical relevance

均衡解释了冰后期回弹等长期垂直运动，制约了构造研究中的地壳厚度和岩石圈强度，对于在资源和工程背景下解释山脉、盆地和大陆边缘的重力勘测至关重要。

History

艾里和普拉特在19世纪50年代提出了相互竞争的补偿模型，以解释喜马拉雅山附近垂直线的偏转；20世纪的重力和地震数据证实了地壳根的存在，瓦茨等人发展了挠曲框架，统一了局部和区域补偿。

Key figures

• George Biddell Airy
• John Henry Pratt
• Anthony Watts

Seminal works

• turcotte2014
• fowler2005
• watts2001

Frequently asked questions

为什么高山产生的额外重力不如其质量所暗示的那么多？

山脉通常由延伸到密度更大的地幔中的低密度地壳根支撑；地壳根的质量亏损在很大程度上抵消了山峰的额外质量，因此净重力过剩远小于仅凭可见地形所暗示的数值。

局部均衡和挠曲均衡有什么区别？

局部均衡假设每个柱体都在载荷正下方独立平衡，而挠曲均衡则认识到岩石圈具有强度，并像一块坚硬的板块一样弯曲，将载荷的支撑分散到更广阔的区域。