9.4: Ізостазія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 36538

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Теорія стверджує, що мантія здатна конвекція через свою пластичність, і ця пластичність також дозволяє здійснити ще один дуже важливий земний процес, відомий як ізостазія. Буквальне значення слова ізостазія - «рівний тупик», але важливість цього принципу полягає в тому, що земна кора плаває на мантії, як пліт, що плаває у воді, а не спирається на мантію, як пліт, що сидить на землі.

Взаємозв'язок між земною корою і мантією проілюстровано\(\PageIndex{1}\) на малюнку Праворуч - приклад неізостатичного співвідношення між плотом і твердим бетоном. Можна завантажити пліт з великою кількістю людей, і він все одно не зануриться в бетон. Ліворуч зв'язок є ізостатичним між двома різними плотами та басейном, повним арахісового масла. Маючи лише одну людину на борту, пліт плаває високо в арахісовому маслі, але з трьома людьми він занурюється небезпечно низько. Ми використовуємо арахісове масло тут, а не воду, тому що його в'язкість більш тісно відображає зв'язок між скоринкою і мантією. Хоча воно має приблизно таку ж щільність, як і вода, арахісове масло набагато в'язкіше (жорстке), і тому хоча пліт з трьох осіб буде занурюватися в арахісове масло, він буде робити це досить повільно.

\(\PageIndex{1}\)Малюнок Ілюстрація неізостатичного співвідношення між плотом і твердим грунтом (праворуч) та ізостатичних відносин між плотами та арахісовим маслом (ліворуч).

Відносини земної кори до мантії аналогічно відносинам плотів з арахісовим маслом. Пліт з однією людиною на ньому плаває комфортно високо. Навіть з трьома людьми на ньому пліт менш щільний, ніж арахісове масло, тому плаває, але плаває незручно низько для цих трьох людей. Кора, із середньою щільністю близько 2,6 грама на кубічний сантиметр (г/см ³), менш щільна, ніж мантія (середня щільність близько 3,4 г/см ³ біля поверхні, але більше, ніж на глибині), і тому вона плаває на «пластиковій» мантії. Коли до кори додається більша вага, через процес гірського будівництва вона повільно занурюється глибше в мантію і матеріал мантії, який був там, відсувається в сторону (рис.\(\PageIndex{2}\), зліва). Коли ця вага видаляється ерозією протягом десятків мільйонів років, кора відскакує і мантійна порода стікає назад (рис.\(\PageIndex{2}\), праворуч).

\(\PageIndex{2}\)Малюнок Ілюстрація ізостатичної залежності між земною корою і мантією. Після періоду гірського будівництва маса була додана до частини кори, а потовщена кора проштовхнула вниз в мантію (зліва). Протягом наступних десятків мільйонів років гірський ланцюг розмивається і кора відскакує (праворуч). Зелені стрілки представляють повільний потік мантії.

Кора і мантія так само реагують на заледеніння і дезледеніння, як і на зростання і ерозію гірських хребтів. Товсті скупчення льодовикового льоду додають маси кірці, а в міру стиснення мантії внизу в сторони кірка стихає. Цей процес ілюструється для поточного льодового покриву на Гренландії на малюнку\(\PageIndex{3}\) (a та b). Льодовий покрив Гренландії в цьому місці має товщину понад 2500 метрів, а кора під найтовстішою частиною була пригнічена до того моменту, коли вона знаходиться нижче рівня моря на широкій території. Коли лід врешті-решт тане, кора і мантія будуть повільно відскочити, але повний відскок, ймовірно, займе більше 10 000 років (рис.\(\PageIndex{3}\) С).

Малюнок\(\PageIndex{3}\) (а) Поперечний переріз через кору в північній частині Гренландії (Товщина льоду заснована на даних НАСА та Центру дистанційного зондування льодових покривів, але товщина кори менша, ніж повинна бути для ілюстрації.) Максимальна товщина льоду становить понад 2500 м Червоні стрілки представляють тиск вниз на мантію через масу льоду. (b) Зображення ситуації після повного танення крижаного покриву, процес, який може статися протягом 2000 років, якщо люди та їхні уряди продовжуватимуть ігнорувати зміни клімату. Ізостатичний відскок мантії не зміг би встигнути за такою швидкістю танення, тому протягом декількох тисяч років центральна частина Гренландії залишатиметься близькою до рівня моря, в деяких районах навіть нижче рівня моря.

Малюнок\(\PageIndex{3}\) c Зображення кори під післяльодовиковою Гренландією після досягнення ізостатичної рівноваги. Цілком ймовірно, що повний відскок мантії займе більше 10 000 років.

Як мантія може бути як твердою, так і пластиковою?

Можливо, вам буде цікаво, як можливо, що мантія Землі досить жорстка, щоб зламатися під час землетрусу, і все ж вона конвектує і тече, як дуже в'язка рідина. Пояснення полягає в тому, що мантія поводиться як неньютонівська рідина, а це означає, що вона по-різному реагує на стреси залежно від того, наскільки швидко застосовується напруга. Хорошим прикладом цього є поведінка матеріалу, відомого як Silly Putty, який може відскакувати і зламається, якщо ви різко потягнете за нього, але деформується, як рідина, якщо напруга застосовується повільно. На цій фотографії Silly Putty розмістили над отвором у скляній стільниці, і у відповідь на гравітацію вона повільно витікала в отвір. Мантія буде текти при розміщенні під повільним, але стійким напруженням зростаючого (або танення) крижаного покриву.

зображення — Малюнок\(\PageIndex{5}\) Поточні темпи післяльодовикового ізостатичного підняття (зелені, сині та фіолетові відтінки) та осідання (жовтий і помаранчевий). Просідання відбувається там, де мантія повільно тече назад до областей, які відчувають після льодовикового підняття.

Великі частини Канади все ще відскакують в результаті втрати льодовикового льоду протягом останніх 12 ка, і, як показано на малюнку\(\PageIndex{5}\), інші частини світу також відчувають ізостатичний відскок. Найвища швидкість підняття знаходиться на великій території на захід від затоки Гудзон, де Льодовий щит Лаурентид був найтовстішим (понад 3000 м). Лід нарешті покинув цей регіон близько 8000 років тому, і в даний час кора відскакує зі швидкістю майже 2 сантиметри на рік. Сильний ізостатичний відскок також відбувається в північній Європі, де крижаний покрив Фенно-Скандида був найтовстішим, і в східній частині Антарктиди, яка також зазнала значних втрат льоду під час голоцену.

Є також великі ділянки просідання навколо колишніх лаурентидних і фенно-скандійських крижаних покривів. Під час зледеніння мантійна порода стікала з ділянок під основними крижаними покривами, і цей матеріал зараз повільно витікає назад, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\) b.

Вправа 9.4 Щільність гірських порід і ізостазія

Щільності (також відомі як «питома вага») ряду поширених мінералів наведені в таблиці 9.1.

Таблиця 9.1 Щільності поширених мінералів.
Мінеральні	Щільність (грам на кубічний сантиметр, г/см ³)
Кварц	2.65
польовий шпат	2.63
Амфібола	3.25
піроксен	3.4
Олівін	3.3

У наступній таблиці наведено приблизні пропорції цих мінералів у континентальній корі (типізованій гранітом), океанічній корі (переважно базальтової) та мантії (в основному порода, відома як перидотит). Припускаючи, що у вас є 1000 см ³ кожного типу гірських порід, оцініть відповідні щільності гірських порід. Для кожного типу гірських порід вам потрібно буде помножити обсяг різних мінералів у породі на їх щільність, а потім додати ці цифри, щоб отримати загальну вагу для 1000 см ³ цієї породи. Щільність - це число, поділене на 1000. Континентальна кора зроблена для вас.

Таблиця 9.2 Визначаємо щільність різних видів кірок
Тип породи	Обсяги окремих мінералів в 1000 см ³.	Грам окремих мінералів в 1000 см ³	Загальна вага (грам)	Щільність (грам на кубічний сантиметр, г/см ³)
Континентальна кора (граніт)	Кварц — 180 см ³ Польовий шпат — 760 см ³ Амфібола — 70 см ³	Кварц — 477 г Польовий шпат — 1999 г Амфібола — 277 г	2703 г	2.70
Океанічна кора (базальт)	Польовий шпат — 450 см ³ Амфібола — 50 см ³ Піроксен — 500 см ³	Польовий шпат — Амфібола — Піроксен —
Мантія (Перидотит)	Піроксен — 450 см ³ Олівін — 550 см ³	Піроксен — Олівін —

Якщо континентальна кора (представлена гранітом) і океанічна кора (представлена базальтом) схожі на плоти, що плавають на мантії, що це говорить вам про те, наскільки високо або низько вони повинні плавати?

Це поняття проілюстровано на рис\(\PageIndex{6}\). Пунктирна лінія призначена для орієнтиру, показуючи точки на рівній відстані від центру Землі.

Див Додаток 3 для вправ 9.4 відповіді.

Атрибуції ЗМІ

Малюнок\(\PageIndex{5}\): «PGR Paulson2007 Швидкість підняття літосфери через PGR» НАСА. Публічне надбання.