Понятие изостазии: гипотезы Пратта, Эри, ВенингаМейниса, их физический смысл

Изостазия (изостатическое равновесие) — гидростатически равновесное состояние земной коры, при котором менее плотная земная кора (средняя плотность 2,8 г/см³) «плавает» в более плотном слое верхней мантии — астеносфере (средняя плотность 3,3 г/см³), подчиняясь закону Архимеда. Изостазия не является локальной, то есть в изостатическом равновесии находятся достаточно крупные (100—200 км) блоки.

Теория изостазии возникла в результате первых геофизических наблюдений. После создания Ньютоном теории гравитации начались исследования поля силы тяжести Земли. Возникло предположение, что над горами сила тяжести должна быть больше чем на равнинах или в океане, так как сами горы имеют массу. Однако измерения показали, что в районах с разным рельефом сила тяжести очень близка и горы «ничего не весят». Для объяснения этого противоречия возникло предположение, что под горами расположены огромные пещеры, которые и компенсируют лишнюю массу гор. Однако затем была предложена гипотеза изостазии, ставшая краеугольным камнем всех крупных геодинамических гипотез. Она играла важную роль в теориях геосинклиналей, дрейфа континентов и тектоники плит.

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

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.

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

t=4.45h (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

t’=2.73p (1.15)

Рис.1.33. Изостазия по гипотезе Эри

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.

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.