Изостазия

Теория строения земной коры, известная под названием теории изостазии, была создана в середине 19 века для интерпретации результатов астрономо-геодезических измерений, выполненных в Индии английским геодезистом Эверестом.

На пунктах триангуляции, расположенных вблизи Гималайских гор и в середине Индийского субконтинента, по результатам выполненных астрономо-геодезических измерений были определены уклонения отвеса в плоскости меридиана. Аналогичные значения были вычислены с учётом влияния притяжения Гималайского хребта и высочайшего плато Тибета с севера. Большое расхождение результатов на пункте, расположенном у подножия Гималайского хребта, указывало на то, что высочайшие Гималайские горы притягивают слабее, чем следовало ожидать. Английские астрономы Пратт и Эри независимо друг от друга почти одновременно выдвинули свои гипотезы о строении земной коры, дающие геофизическую интерпретацию этого явления.

Гипотеза изостатического равновесия основана на допущении, что любой избыток массы над геоидом компенсируется недостатком её под поверхностью геоида. Как у плывущего айсберга, под горными хребтами имеются глубокие корни с плотностью, меньшей, чем плотность субстрата, в который они погружены.

Первая мысль о существовании компенсации горных массивов, как считают, была высказана знаменитым итальянцем Леонардо да Винчи (1452-1519). В 1749г. французский учёный Буге (1698-1758), изучая уклонения отвеса в Перу, вызванное в этих местах Андами, высказал мнение, что внутри гор должны существовать «пустоты», иначе притяжение гор было бы значительно более сильным, чем наблюдается в действительности. Термин «компенсация» впервые был использован в 1750г. миланским астрономом Босковичем.

По гипотезе Пратта ниже уровня моря под горами и равнинами имеется недостаток вещества, по количеству равный массе, находящейся над уровнем моря. Под дном океанов и морей имеется избыток вещества, примерно равный дефекту масс океанов по сравнению с горной породой.

Таким образом, количество вещества, заключённого в любом вертикальном столбе от дневной поверхности Земли до некоторого уровня под Землёй, примерно одно и то же во всех частях Земли. По Пратту нижняя поверхность земной коры имеет всюду одну и ту же глубину под уровнем моря. Эту поверхность называют поверхностью изостазии (рис.1.32).

Рис.1.32. Изостазия по гипотезе Пратта

Под земной корой находится магма. Для гидростатического равновесия необходимо, чтобы давление земной коры на поверхности изостазии было одинаковым. Условие

, (1.13)

где δ – плотность земной коры, T – глубина поверхности изостазии, H – высота над уровнем моря, является основным уравнением теории изостазии Пратта.

Сущность своей гипотезы сам Пратт излагал так: «Различие в поднятии земной поверхности, проявляющееся в горах, равнинах и дне океанов, произошло от неравномерного сжатия массы при её затвердевании из жидкого или полужидкого состояния; вследствие чего ниже уровня моря под горами и равнинами имеется недостаток вещества, по количеству приблизительно равный массе, находящейся над уровнем моря; под дном океанов имеется избыток вещества, приблизительно равный недостатку океана по сравнению с горной породой. Таким образом, количество вещества в любом вертикальном столбе, проведенном от поверхности до некоторого уровня под корой, как в настоящее время, так и в прошлом приблизительно одно и то же во всех частях Земли».

Плотность земной коры убывает обратно пропорционально её толщине. Ясно, что чем выше горный массив, тем толще земная кора и меньше плотность. Наибольшую плотность имеет земная кора под глубокими океанами. Очевидно, чем больше глубина океана, тем тоньше кора и она будет иметь наибольшую плотность.

Теория Пратта была принята американскими геодезистами Дж. Хейфордом (1868-1925) и Боуи в методах вычисления триангуляции и гравиметрических измерений, применяемых Береговой и геодезической службой США. При этом полагалось, что изостатическая компенсация единообразная, то есть плотность под горами всегда меньше, чем под равнинами, и что слой компенсации расположен точно под горой и простирается вплоть до глубины компенсации, где наступает равновесие. Геофизическая интерпретация астрономо-геодезических и гравиметрических измерений по теории Пратта показала, что глубина компенсации составляет 102-120км.

Гипотеза Эри о коре, плавающей на вязком, более плотном субстрате, и погружённой в него подобно айсбергу (рис.1.33), представляется более естественной, чем гипотеза Пратта. Наблюдения за поднятием Фенноскандии – один из главных аргументов в пользу схемы Эри.

Рис.1.33. Изостазия по гипотезе Эри

В гипотезе Эри предполагается, что земная кора имеет всюду одинаковую плотность, меньшую плотности магмы. Отдельные глыбы земной коры плавают на магме, погружаясь в неё тем глубже, чем выше соответствующая глыба выдаётся вверх. По закону Архимеда погружённая часть глыбы вытесняет массу магмы, равную массе всей глыбы.

В 1855г. Эри так излагал сущность своей гипотезы: «Я полагаю, что горы и плоскогорья не имеют иной опоры, кроме как возникающей от выпячивания нижней части лёгкой земной коры в более плотную лаву; горизонтальное протяжение этого выступа грубо соответствует горизонтальному протяжению плоскогорья, а глубина нижнего выступа такова, что увеличенная этим сила плавучести приблизительно равняется избытку веса от выпячивания вверх плоскогорья. Я представляю себе, что состояние земной коры, лежащей на лаве, можно в точности сравнить с плотом из брёвен, плавающим на воде; если мы замечаем бревно, верхняя сторона которого плавает значительно выше верхней поверхности других брёвен, то можем быть уверены в том, что нижняя сторона его сидит глубже в воде, чем нижняя поверхность остальных».

По гипотезе Эри высокие горы имеют более глубокие корни. В возвышенных местах земная кора толще. Простираясь глубже, она выталкивает магму, а так как плотность коры меньше плотности магмы, то внешние массы компенсируются дефектом плотности масс в глубине. Низменные платформы как, например, Западно-Сибирская платформа с высотой порядка 130м над уровнем моря, имеют неглубокие корни в магме, а глубина компенсации масс меньше, чем в высокогорных районах. Приближённая формула для вычисления толщины корня t в зависимости от высоты рельефа h имеет вид

. (1.14)

Таким образом, гора высотой 1км будет иметь корень, глубиной 4,45км. Для океанов будут иметь место «антикорни». Толщина антикорня t¢ определяется глубиной слоя океана p по формуле

. (1.15)

Океану глубиной 1км соответствует антикорень, или уменьшение толщины коры на 2,73км. Присутствие воды делает антикорни более сглаженными, чем корни гор. Восьмикилометровой впадине у берегов Японии должен соответствовать антикорень в 22км, что может привести к исчезновению коры и обнажению поверхности Мохоровичича.

Рассмотренные гипотезы изостазии близки между собой. В гипотезе Пратта земная кора имеет всюду одинаковую глубину, но разную плотность в зависимости от высоты. В гипотезе Эри наоборот, земная кора имеет всюду одинаковую плотность, но разную глубину. Обе гипотезы предполагают, что если в какой - нибудь точке изменилась плотность земной коры из-за дифференциации вещества, то соответствующий участок должен подняться или опуститься для восстановления утраченного равновесия.

Геофизические исследования показывают, что земная кора всегда и во всех своих частях стремится к равновесию, постоянно нарушаемому различными тектоническими процессами, накоплениями осадков, изменениями ледового режима в областях оледенения и другими процессами развития Земли. Отдельные области земной коры, в которых произошло такое нарушение, начинают подниматься или, наоборот, погружаться с тем, чтобы восстановить нарушенное равновесие. Избыток масс над поверхностью компенсируется их недостатком на глубине. Следует понимать, что, как правило, компенсация не может быть строго локальной.

Размеры компенсирующей массы играют существенную роль, и чем более протяжённая масса, тем лучше осуществляется компенсация.

Голландский учёный Венинг - Мейнес модифицировал гипотезу Эри, рассматривая массу рельефа как нагрузку на сплошной коре, которая ведёт себя подобно упругой пластине, достаточно твёрдой, чтобы противостоять напряжениям сдвига.

Рис.1.34. Региональная модель изостазии Венинг - Мейнеса

По Венинг - Мейнесу в равновесии находятся глыбы значительного поперечного сечения, достигающего в диаметре сотни и тысячи километров. Отдельные детали рельефа не компенсируются, а уравновешиваются лишь целые области сообразно с их нагрузкой, определяемой их средней высотой. В модели региональной компенсации Венинг – Мейнеса нагрузка топографических масс уравновешивается региональными изгибами упругой коры (рис.1.34).

Примером отсутствия изостатического равновесия на значительной территории может служить Фенно-Скандинавский щит. Дефект плотности масс в верхней части земной коры Скандинавского полуострова делает её слишком лёгкой и её давление на магму не уравновешивает направленное вверх давление магмы. В результате наблюдается медленное поднятие всего полуострова со скоростью порядка 1м в 100 лет. Вероятнее всего это является следствием имевшего здесь место оледенения. После становления льдов давление земной коры на магму уменьшилось, и в результате наблюдается теперь поднятие суши, которое будет продолжаться до тех пор, пока вновь не будет достигнуто изостатическое равновесие. Эффекты восстановления изостатического равновесия исследуются с использованием нивелирования, наблюдений уровня моря и измерений силы тяжести.

Примером обратного движения является Антарктида, где мощный пресс материкового льда обусловливает деформацию геоида в масштабе всего континента на 25-30м ниже уровенного эллипсоида.

Гипотезы изостазии используются для приведения силы тяжести на геоид с учётом влияния компенсирующих масс.

Дата добавления: 2014-11-18