Изостазия и изостатические поправки

Содержание Содержание 2 Введение 1.История открытия изостазии 2. Гипотеза Пратта 3. Гипотеза Эри 4. Изостатические редукции и аномалии 5. Изостазия в глубинных слоях Земли 6. Гляциоизостатические движения 10 Заключение 12 Список литературы 13 Введение Наблюдения силы тяжести на земной поверхности показали, что горные массивы притягивают гораздо слабее, чем следовало бы, если исходить из расчетов притяжения

видимыми массами. С другой стороны, впадины океанов должны создавать меньшие аномалии вследствие недостатка масс по сравнению с возвышенностями суши. Однако и здесь оказалось, что наблюдаемые аномалии значительно выше расчетных.[4] Эти факты привели к созданию в конце ХIX века теории изостазии, которая была изложена почти одновременно и независимо друг от друга в 1851 г. английскими геодезистом Праттом и в 1855 г. астрономом

Эри. Собственно термин “изостазия” был введен в литературу американским геологом К. Деттоном в 1889 году. “Изостазия” (от греч. isos – равный и status – состояние) означает стремление земной коры к дости¬жению гидростатического равновесия. [2] Это представле¬ние можно проиллюстрировать действием всем извест¬ного закона Архимеда. Тяжелое и большое тело будет погружаться в жидкость на большую глубину, чем тело легкое и

меньшего размера. Подобная картина хорошо иллю¬стрируется айсбергами, огромными ледяными блока¬ми, отколовшимися от ледников (рис. 1). Так же должна вести себя и земная кора. Если на ее поверхности образовались горы высотой в 5–7 км, то подошва земной коры должна погрузиться в мантию на какую-то величину, чтобы компенсировать возросшую нагрузку. То есть, суть теории изостазии состоит в предположении, что вертикальные блоки, оказывая давление на

массы, расположенные под ними, образуют поверхность равного давления, глубина залегания которой зависит от формы земного рельефа. [3] 1. История открытия изостазии В середине XIX века геодезические наблюдения в Индо-Гангской низменности обнаружили, что направле¬ние отвеса там не совпадает с нормальным. Возникла догадка, что эта аномалия обусловлена гравитацион¬ным притяжением находящегося вблизи грандиозного

горного сооружения Гималаев. Но главное открытие было впереди. Когда работавший в Индии английский ученый Ф. Пратт занялся проверкой этой догадки пу¬тем вычислений, то оказалось, что сообразно массе горного сооружения отклонение отвеса должно было бы быть гораздо большим. [2] Оказалось, что учет влияния избытка и недостатка масс ухудшил согласованность результатов. Иными словами, в Гималай¬ских горах нет того избытка масс, которого следовало ожидать.

Этот же результат был получен и при исследовании поправки Буге. По своему замыслу аномалии в редукции Буге таковы, что в идеальном случае должны отражать только плотностные неоднородности в Земле. Однако анализ аномалий Буге, проведенный для больших масштабов, свидетельствует о том, что существует ощутимая корреляция между средними аномалиями Буге и средними значениями высотных отметок. [3]

Более того, такой зависимости не наблюдается для аномалий в свободном воздухе, то есть для аномалий Фая. В 1855 году английский астроном Дж. Эри, а через несколько лет и сам Пратт предложили свои ги¬потезы, объясняющие эту нехватку масс исходя из предположения о свободном падении земной коры на подкоровом веществе: именно это явление впоследст¬вии назвали изостазией. Но в те годы геологи и геофи¬зики еще слишком мало знали о глубинном строении

Земли, поэтому модели Дж. Эри и Ф. Пратта носили самый общий характер. 2. Гипотеза Пратта В основе гипотезы использовано предположение, что в теле Земли на глубине Т от уровня моря имеется поверхность S, во всех точках которой давление действует с одинаковой силой, а ниже ее плотность постоянна. Эта поверхность компенсации S принимается за границу твердой земной коры.

Так как равные массы дают равные давления, то, следовательно массы элементарных столбиков коры, взятые в горной стране и в океанической впадине, должны бать равны. [1] Согласно этому, объемная плотность столбика А должна быть меньше, чем плотность столбика Б (рис. 2а). Принимая плотность столбика, высота которого над уровнем моря равна нулю, за нормальную плотность, может констатировать следующее: видимые избытки масс (в виде гор) компенсируются недостатками

масс в толще земной коры ниже уровня моря, и, наоборот, видимые недостатки масс (в виде океанических впадин) компенсируются избытками масс в толще земной коры глубже морского дна. Основное условие изостазии записывается для суши в виде (2.1) и для моря ; С = const, (2.2) где 1 – плотность континентального блока,; 3 – плотность океанического блока, г/см3; Н – высота блока над уровнем моря, м;

1,03 – плотность морской воды, г/см3, откуда (2.3) При Н = 0 найдем постоянную 0Т = С, где 0 – средняя плотность; 0 = 2,67 г/см3, откуда С = 2,67Т. С учетом формулы (2.1) и полученного значения для С найдем Т: . (2.4) Если компенсация осуществляется на нулевом уровне (Т = 0), то это соответствует нулевой плотности столба, возвышающегося над уровнем моря, т. е. внешние массы гор и материков равны

нулю. На языке редукций это соответствует поправке за свободный воздух. Таким образом, редукция Фая соответствует изостатической компенсации на уровне моря, при этом массы, расположенные под точкой наблюдений, опускаются на уровень моря и конденсируются в бесконечно тонкий слой. [4] Если компенсация осуществляется на бесконечности (Т = ), что имеет место при 2,67 – 1 = 0, т. е. избыточных масс нет, то надземные массы притягивают плотностью.

Это соответствует редукции Буге, где весь избыток масс отнесен за счет притяжения слоя плотностью 2,67 г/см3, лежащего выше уровня моря, что адекватно опусканию избыточных масс под уровень моря и «размазыванию» их на бесконечно большую глубину. Таким образом, редукции Фая и Буге по существу являются предельными изостатическими редукциями. Они показывают, что уровень компенсации Т лежит где-то между нулем и бесконечностью.

С физической точки зрения гипотеза Пратта несколько схематична, однако при отсутствии сведений о строении земной коры и ее плотностных неоднородностях она позволила разработать удобный вычислительный аппарат. [1] Американский геофизик Д. Хейфорл для учета поправок за действие избыточных масс и компенсирующих их недостаточных масс дал необходимые формулы, составил таблицы и разработал методику вычисления. Он показал, что вероятная глубина изостатической компенсации разноплотностных блоков земной коры равна 122

км. В более поздних работах она оценивалась от 96 до 102 км. [4] Вследствие этого рассматриваемую гипотезу часто называют гипотезой Пратта – Хейфорда. 3. Гипотеза Эри Гипотеза основана на предположении, что плотность земной коры во всем ее объеме одинакова и что кору подстилает вязкий субстрат (сима), на котором она как бы плавает. Вследствие этого участки суши, возвышающиеся над уровнем моря, гидростатически уравновешивается выступами

или корнями на нижней поверхности земной коры (рис 2б). Исходя из закона Архимеда, можно по рельефу суши и морского дна построить нижнюю поверхность коры. За нормальную толщу земной коры принимается ее толщина на участке с нулевой высотой над уровнем моря.[1] Тогда по сопоставлению плотности массы континентов и разности плотностей субстрата и коры может определить, во сколько раз объем выступа или корня больше той возвышенности континента, которую он гидростатически

уравновешивает. Основное условие наличия изостазии по гипотезе Эри определяется равенством σ0Н = σh, (3.1) где σ0 – плотность земной коры; σ – плотность магмы; Н – мощность коры в данном блоке; h – глубина погружения блока в магму. Теория Эри усилиями многих исследователей и в особенности финского ученого В. Хейсканена развита достаточно полно: имеются таблицы и карты, разработана методика вычислительных

работ. Сопоставление двух гипотез показывает, что гипотеза Пратта проще в математическом отношении, но гипотеза Эри более реальна с физической точки зрения. Несмотря на различные предпосылки, математически они не отличаются друг от друга, массы блоков до некоторой фиктивной границы компенсации Т оказываются равны.[4] Исследованием и улучшением обеих гипотез занимались многие ученые.

Из многочисленных модификаций изостазии наибольшего внимания заслуживает гипотеза Венинг-Мейнеса, предложенная в 30-х годах ХХ века. Венинг-Мейнис указал на искусственность схем Пратта и Эри, ибо в природе нет разделения коры на независимо скользящие относительно друг друга блоки. Он предложил свой вариант изостазии в виде изгибающейся пластинки, края которой, будучи связанными

со стабильными участками коры, не подчиняются законам гидростатики. Тем не менее перисфера, следуя сокращающемуся радиусу Земли, садится не в более плотную мантию, как это имеет место в моделях изостазии Пратта и Эри, а в лучшем случае в занятое летучими и легкоплавкими пространство астеносферы. При такой формулировке изостазии учитываются силы сцепления между отдельными блоками земной коры, и

она более приемлема для представления физического процесса изостазии, но в вычислительном отношении оказывается значительно сложнее. 4. Изостатические редукции и аномалии При учете изостатических редукций притяжение внешних или топографических масс вычитается и притяжение компенсирующих масс прибавляется. В соответствии с этим различают поправки за топографию и за компенсацию. Обе поправки вычисляются при помощи особых круговых палеток.

По методике Хейфорда вся земная поверхность подразделяется на 15 плоских и 18 сферических кольцевых зон.[1] Например, первая зона А учитывает влияние в радиусе до 2 м, вторая зона В – от 2 до 68 м и т. д. Последняя плоская зона О – учитывает влияние в радиусе от 99 до 166,7 км. К последней зоне прилегает 18-я сферическая зона, ограниченная расстояниями по дуге большого круга от 1º29'58 до 1º41'13 ; первая сферическая зона простирается от 150º56' до 180&

#186;. Таблицы составлены при условиях: 1) поверхность компенсации находится относительно уровня моря на глубине 113,7 км; 2) компенсация рельефа осуществляется полностью и локально; 3) средняя плотность топографических масс равна 2, 67 г/см3. Для вычисления поправок необходим комплект карт, начиная с крупномасштабных топографических и заканчивая мелкомасштабными мировыми. По картам определяются средние высоты клеток (отделений), на которые подразделяются

кольцевые зоны. Изостатические аномалии показывают отклонения от усло¬вий полного равновесия. Они вычисляют по формуле ∆gиз = gнабл + 0,3086Н – δgт + δgк – γ, (4.1) где δgт – поправка за топографические массы; δgк – поправка за компенсационные массы.[1] Измеряются аномалии в миллигаллах. В горных областях изостатические аномалии составляют обычно 30–50 мгл, тогда как в платфор¬менных, равнинных областях и океанах эти аномалии не превышают 10–20 мгл (1

гл = 980 см/с2).[2] Столь не¬большие аномалии говорят о том, что в значительной мере рельеф поверхности Земли изостатически ском¬пенсирован, хотя существуют районы, в которых изостазия нарушена. Рельеф поверхности Земли, созданный в результа¬те тектонических сил, непрерывно изменяется. Растущие горы разрушаются, а материал сносится ре¬ками и накапливается в континентальных впадинах, прибрежных частях морей и океанов. То есть изостатическое равновесие все время нарушается, хотя, судя

по картам изостатических аномалий, амплитуда по¬следних очень незначительна. А это, в свою очередь, указывает на быстрое приспособление земной коры к нарушению равновесия и перетеканию подкорового материала в горизонтальном направлении из-под на¬груженных участков. 5. Изостазия в глубинных слоях Земли В настоящее время внутреннее строение Земли благо¬даря геофизическим методам, и в первую очередь сейс¬мическому, известно довольно хорошо.

Особенно это касается верхних оболочек Земли до глубины в 670 км, охватывающих верхнюю мантию и земную кору. В основании коры повсеместно прослеживается раздел или поверхность Мохоровичича. В среднем мощность земной коры составляет 35–40 км. Ниже поверхности Мохоровичича повсеместно рас¬полагается верхняя мантия, об¬ладающая высокой вязкостью. На разной глубине, под континентами ниже, а под океанами выше, но также в верхней мантии повсеместно

располагается астено¬сфера – слой менее вязкий, а следовательно, более пла¬стичный, чем перекрывающая и подстилающая его верхняя мантия. Все, что располагается выше астеносферы, то есть верхняя часть мантии и земная кора, называется литосферой. И наконец, очень резкая и тонкая (не более 6 км в мощности) граница прослеживается на уровне в 660–670 км, ниже которого плотность пород и скорости прохождения сейсмических волн снова скач¬кообразно возрастают. Эта граница разделяет верхнюю и нижнюю мантию, причем в последней

вяз¬кость возрастает. Подобная картина глубинного строения верхней части земного шара, характеризующаяся наличием не¬скольких слоев и объясняемая фазовыми переходами минералов во все более и более плотные структуры, ко¬нечно, не была известна в конце XIX века. В прошлом веке было установлено, что зем¬ная кора и часть верхней мантии, то есть литосфера, оказываются гораздо более вязкими, несмотря на мест¬ные различия, чем подстилающая ее астеносфера.

По¬этому, когда мы говорим о перетекании материала в мантии для выравнивания нарушенного изостатического равновесия, следует иметь в виду, что речь идет о литосфере, которая как бы плавает на астеносфере с вязкостью на два-три порядка ниже. В этом заключа¬ется выдающееся значение астеносферы в качестве компенсационного слоя, когда речь идет о процессах изостазии. Таким образом, сейчас достоверно установлено, что процессы изостазии или изостатического равнове¬сия осуществляются не в основании земной коры, как предполагали

Дж. Эри и Ф. Пратт, а в основании лито¬сферы – в астеносфере, то есть охватывают значитель¬ную часть верхней мантии. 6. Гляциоизостатические движения За последний 1 млн. лет большие пространства в высо¬ких широтах северного полушария не менее четырех раз покрывались огромными ледниковыми щитами. Это были так называемые Великие четвертичные оле¬денения. Последнее из них достигло максимума своего продвижения на юг примерно 20 тыс. лет назад.[5]

Центрами, откуда ледник начинал радиально перемещаться, были Скандинавия, Новая Земля, а восточнее Таймыр. Оледенение такого же воз¬раста охватило всю Кана¬ду и северную часть США. Мощность ледников в центре щитов составляла 3–4 км, а на периферии – первые сотни метров. После максимальной стадии наступания в южном направле¬нии ледник стал быстро таять, отступать, уменьшаться в мощности и около 9 тыс. лет назад последние массы льда уже полностью исчезли.

В Фенноскандии, Карелии и на Кольском полу¬острове сокращение и утонение ледникового покрова вызвали быстрое поднятие территории в виде свода, причем в его центре поднятие было максимальным, достигнув примерно 250 м, а на периферии – гораздо меньше (рис. 3). Воздымание шло быстро, примерно 10–13 см/год, сразу же после таяния и отступания льда, но впоследствии оно замедлилось и сейчас составляет не более 1 см/год.

Такая же картина наблюдается и в Северной Америке, где послеледниковое поднятие Ка¬нады оценивается в 300 м, а современная скорость под¬нятия также около 1 см/год, тогда как после снятия ледниковой нагрузки она была значительно больше. Расчеты показывают, что прогибание поверхности суши при мощности ледника в 3 км должно быть около 1 км. Но как только ледник стал уменьшаться в своей мощности в результате таяния, сразу же начало проис¬ходить

поднятие, не дожидаясь полного исчезновения ледового покрова. Движения земной коры в областях дегляциации продолжаются и в настоящее время, но происходят они уже с гораздо меньшей скоростью, сравнимой со скоростью эндогенных тектонических движений. О темпе послеледникового поднятия свидетельст¬вуют морские террасы, абразионные уступы, озерные отложения и ленточные глины в озерных впадинах. Да¬тирование абсолютного возраста отложений по 14С пока¬зывает,

что высокие скорости поднятия до 10–13 см/год продолжались не более 1000–1500 лет, а затем быстро уменьшались. И, кроме того, они в точности соответст¬вовали участкам, с которых лед исчезал в разное время, то есть реакция на снятие нагрузки в геологическом смысле была почти мгновенной. Интересно, что и в краевых частях ледниковых по¬кровов, где мощность льда достигала сотен метров уже в 50–60 км от края ледника, формировались понижен¬ные участки или депрессии рельефа, перед фронтом покрова,

заполнявшиеся обширными озерами. Как толь¬ко ледник отступал, области фронтального прогибания перемещались вслед за ним, а бывшие озера осушались, и их территория воздымалась. Вслед за фазами отступания ледника пе¬риферические участки суши, ранее обрамлявшие лед¬ник, поднимались на 7–12 м и эта “волна” воздымания точно соответствовала фазам отступания последнего ледника. Есть указания на то, что время, необходимое для восстановления нарушенного изостатического равновесия

из-за тяжести ледника, путем компенсационных перемещений в астеносфере пропорционально квадрату среднего размера ледника. Современный Антарктический ледник макси¬мальной мощностью в 4 км имеет форму двояковыпук¬лой линзы, и центральные участки Антарктического материка под тяжестью ледника опущены ниже уровня океана. Такая же картина и у мощного Гренландского ледника. При таянии этих последних на Земле крупных ледниковых щитов земная поверхность начнет подни¬маться,

и земная кора будет стремиться достичь состоя¬ния изостатического равновесия. Любая, достаточно значимая нагрузка на земную кору, например: образование крупных впадин, запол¬ненных осадочными толщами, обширные и мощные лавовые покровы, вулканы, искусственные водохрани¬лища, способна вывести какой-то участок земной коры из состояния изостатического равновесия. Следует подчеркнуть, что в настоящее время тех¬ногенные процессы, в частности техногенное перерас¬пределение

масс на поверхности Земли, достигли ог¬ромных объемов – около 10 тыс. км3 в год, что явно превышает воздействие неравновесного слоя в 70 м (разница в поверхностях сфероида и геоида Земли). Глу¬бокие карьеры, шахты, рудники, поля отвалов горных разработок, откачка подземных вод, нефти, газа, водо¬хранилища – все это должно приводить к изменению изостатического равновесия в региональном масштабе. Заключение Изостазия является одним из основополагающих принципов, который должны учитывать

любые геотек¬тонические построения. Учеными Ф. Праттом и Дж. Эри были построены различные теории изостазии, в различной мере учитываемые в современной гравиразведке. Но общей, одинаковой для всех регионов Земли модели изостатической компенсации не существует. В каждом отдельном случае она конкретна, все зависит от геоло¬гических условий, размера явления или региона, где оно происходит. Большинство регионов Земли находятся в состоянии, близком к изостатическому

равновесию. Нарушенное равнове¬сие восстанавливается очень быстро, литосфера опус¬кается или всплывает. Но существуют изостатические аномалии, которые показывают отклонения от усло¬вий полного равновесия. Процессы изостазии или изостатического равнове¬сия осуществляются в основании лито¬сферы – в астеносфере, то есть охватывают значитель¬ную часть верхней мантии. Ярким доказательством изостазии являются гляциоизостатические движения – явление поднятия территории

при таянии ледника, который ее покрывает. Также на изменение изостатического равновесия влияют любые, достаточно значимые нагрузки на земную кору. Список литературы 1. Маловичко, А. К. Гравиразведка : учебное пособие / А. К. Маловичко, В. И. Костицын. — М. : Недра, 1992. 2. Короновский Н.В. Изостазия. / Соросовский образовательный журнал,

2001, №11, с. 73-78 3. Э.В.Утёмов. Гравиразведка: учебно-методическое пособие – Казань: Казанский государственный университет, 2009. 4. Орленок В.В. Основы геофизики. – Калининград : КГУ. 2000г. 5. Артемьев, М. Е. Изостазия территории СССР : . — М. : Наука, 1975.