Введение

Изостазия (от греческого ísos – ‘равный’, stásis – ‘неподвижность’) или изостатическое равновесие – это состояние гравитационного равновесия между земной корой (или литосферой) и мантией, при котором кора "плавает" на уровне, зависящем от её толщины и плотности. Эта концепция используется для объяснения существования различных высот рельефа на поверхности Земли. Изначально определявшаяся в терминах континентальной коры и мантии, впоследствии она была интерпретирована в терминах литосферы и астеносферы, особенно в отношении океанических островных вулканов, таких как Гавайские острова. Несмотря на то, что Земля – динамическая система, реагирующая на нагрузки различными способами, изостазия описывает важный предельный случай, в котором кора и мантия находятся в статическом равновесии. Определённые области (например, Гималаи и другие зоны конвергенции) не находятся в изостатическом равновесии и не могут быть адекватно описаны изостатическими моделями. Общий термин «изостазия» был введён в 1882 году американским геологом Кларенсом Даттоном.

История концепции

В 17 и 18 веках французские геодезисты (например, Жан Пикар) пытались определить форму Земли (геоида) путем измерения длины градуса широты на разных широтах (измерение дуги). Экспедиция, работавшая в Эквадоре, знала, что их отвесы, используемые для определения вертикального направления, будут отклоняться гравитационным притяжением близлежащих Анд. Однако отклонение оказалось меньше ожидаемого, что объяснялось наличием у гор корней с низкой плотностью, компенсирующих массу гор. Иными словами, корни гор с низкой плотностью обеспечивали выталкивающую силу, поддерживающую вес гор над окружающей местностью. Аналогичные наблюдения, сделанные в XIX веке британскими геодезистами в Индии, показали, что это широко распространенное явление в горных районах. Позже было установлено, что разница между измеренным локальным гравитационным полем и ожидаемым для данной высоты и рельефа местности (аномалия Бугера) положительна над океаническими бассейнами и отрицательна над возвышенными континентальными областями. Это свидетельствует о том, что пониженное положение океанических бассейнов и повышенное положение континентов также компенсируется на глубине. Американский геолог Кларенс Даттон в 1889 году использовал термин "изостазия" для описания этого общего явления. Эта концепция была далее развита в 1950-х годах голландским геодезистом Венингом Мейнесом. Измерения скорости изостатического восстановления (возвращение к изостатическому равновесию после изменения нагрузки на земную кору) предоставляют информацию о вязкости верхней мантии.

Проветриваемое

Основой модели является закон Паскаля, и в особенности его следствие о том, что в жидкости в состоянии статического равновесия гидростатическое давление одинаково во всех точках на одном уровне (поверхность гидростатической компенсации). В модели Пратта это глубина, ниже которой вся горная порода имеет одинаковую плотность; выше этой глубины плотность уменьшается с увеличением топографической высоты.

Осаждение и эрозия

Когда большое количество осадочного материала откладывается на определенной территории, огромный вес новых отложений может вызвать опускание земной коры в этом месте. Аналогично, когда с территории удаляется большое количество материала в результате эрозии, земля может подняться в качестве компенсации. Поэтому, по мере эрозии горного массива, сам массив (в уменьшенном виде) поднимается вверх (в определенной степени), чтобы подвергнуться дальнейшей эрозии. Некоторые из горных пород, которые сейчас видны на поверхности, могли большую часть своей истории находиться на значительной глубине под поверхностью, погребенные под другими слоями, и обнажиться лишь после того, как эти вышележащие слои были разрушены, а нижние слои поднялись вверх. Можно провести аналогию с айсбергом, который всегда плавает, погружая в воду определенную часть своей массы. Если на айсберг выпадет снег, он опустится ниже в воду. Если с вершины айсберга стает слой льда, оставшаяся часть айсберга поднимется. Подобным образом литосфера Земли "плавает" в астеносфере.

Континентальные столкновения

Когда континенты сталкиваются, континентальная кора может утолщаться по краям в зоне столкновения. Также очень часто одна плита поддвигается под другую. В результате толщина коры в зоне столкновения может достигать , в то время как средняя толщина континентальной коры составляет . Как отмечалось выше, гипотеза Эйри предсказывает, что горные корни, образовавшиеся в результате этого процесса, будут примерно в пять раз глубже высоты гор, то есть 32 км против 8 км. Иными словами, большая часть утолщенной коры опускается вниз, а не поднимается вверх, подобно тому, как большая часть айсберга находится под водой. Однако границы сходящихся плит характеризуются высокой тектонической активностью, и их поверхностные образования частично поддерживаются динамическими горизонтальными напряжениями, поэтому они не находятся в полном изостатическом равновесии. В этих регионах наблюдаются самые значительные изостатические аномалии на поверхности Земли.

Среднеокеанские хребты

Среднеокеанические хребты объясняются гипотезой Пратта наличием над ними областей необычно низкой плотности в верхней мантии. Это является следствием теплового расширения, вызванного более высокими температурами под хребтами.

Бассейн и ареал

В бассейне и хребтовой области западной части Северной Америки изостатическая аномалия невелика, за исключением районов вблизи Тихоокеанского побережья, что свидетельствует о том, что регион в целом находится в состоянии изостатического равновесия. Однако глубина залегания основания коры слабо коррелирует с высотой рельефа. Это служит доказательством (в соответствии с гипотезой Пратта) неоднородности верхней мантии в данном регионе, с существенными латеральными изменениями плотности.

Ледяные щиты

Образование ледяных щитов может приводить к опусканию поверхности Земли. В то же время, изостатический постледниковый подъем наблюдается в районах, ранее покрытых ледяными щитами, которые в настоящее время растаяли, например, в окрестностях Балтийского моря и Гудзонова залива. По мере отступления льда уменьшается нагрузка на литосферу и астеносферу, и они восстанавливаются к своему равновесному положению. Благодаря этому можно обнаружить бывшие морские обрывы и связанные с ними абразионные платформы на сотни метров выше современного уровня моря. Движения подъема настолько медленные, что подъем, вызванный окончанием последнего ледникового периода, продолжается и по сей день. Помимо вертикальных движений суши и моря, изостатическая корректировка Земли также включает в себя горизонтальные движения. Она может вызывать изменения гравитационного поля Земли и скорости вращения, смещение полюсов и землетрясения.

Граница литосферы и астеносферы

Гипотеза изостазии часто используется для определения местоположения границы литосферы и астеносферы (LAB).