РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ ИЗОСТАЗИИ
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ОАО НПФ «Геофизика» Кафедра гуманитарных наук Тема реферата: «РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ ИЗОСТАЗИИ» Научный руководитель: д.т.н. с.н.с. Янтурин А.Ш. Выполнил: аспирант Асмандияров А.И. Реферат проверил: УФА - 2015 Содержание Введение .......................................................................................................... 3 1. История открытия изостазии ................................................................. 5 2. Гипотеза Пратта ........................................................................................ 6 3. Гипотеза Эри .............................................................................................. 8 4. Изостатические редукции и аномалии ............................................... 10 5. Изостазия в глубинных слоях Земли .................................................. 13 6. Гляциоизостатические движения ........................................................ 14 Заключение ................................................................................................... 18 2 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 достижению гидростатического равновесия. Это [2] представление можно проиллюстрировать действием всем известного закона Архимеда. Тяжелое и большое тело будет погружаться в жидкость на большую глубину, чем тело легкое и меньшего размера. Подобная картина хорошо иллюстрируется айсбергами, огромными ледяными блоками, отколовшимися от ледников (рис. 1). 3 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] 4 1. История открытия изостазии В середине XIX века геодезические наблюдения в Индо-Гангской низменности обнаружили, что направление отвеса там не совпадает с нормальным. Возникла догадка, что эта аномалия обусловлена гравитационным притяжением находящегося вблизи грандиозного горного сооружения Гималаев. Но главное открытие было впереди. Когда работавший в Индии английский ученый Ф. Пратт занялся проверкой этой догадки путем 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 Гималайских 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 гипотезы, объясняющие эту нехватку масс исходя из предположения о свободном падении земной коры на подкоровом веществе: именно это явление впоследствии назвали изостазией. Но в те годы геологи и геофизики еще слишком мало знали о глубинном строении Земли, поэтому модели Дж. Эри и Ф. Пратта носили самый общий характер. изостазия гидростатическое равновесие 5 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 6 1 T H C (2.1) и для моря 3 T P 1,03P C (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 1 T H 3 T P 1,03 P 1 (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: T H1 2,67 1 . (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] 7 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. 8 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 9 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 10 по дуге большого круга от 1º29'58'' до 1º41'13''; первая сферическая зона простирается от 150º56' до 180º. 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 условий 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 платформенных, равнинных областях и океанах эти аномалии не превышают 10–20 мгл (1 гл = 980 см/с2).[2] Столь небольшие аномалии говорят о том, что в значительной мере рельеф поверхности Земли изостатически скомпенсирован, хотя существуют районы, в которых изостазия нарушена. Рельеф поверхности Земли, созданный в результате тектонических сил, непрерывно изменяется. Растущие горы разрушаются, а материал сносится реками и накапливается в континентальных впадинах, прибрежных частях морей и океанов. То есть изостатическое равновесие все время нарушается, хотя, судя по картам изостатических аномалий, амплитуда последних очень незначительна. А это, в свою очередь, указывает на быстрое приспособление 11 земной коры к нарушению равновесия и перетеканию подкорового материала в горизонтальном направлении из-под нагруженных участков. 12 5. Изостазия в глубинных слоях Земли В настоящее время внутреннее строение Земли благодаря геофизическим методам, и в первую очередь сейсмическому, 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 располагается верхняя мантия, обладающая высокой вязкостью. На разной глубине, под континентами ниже, а под океанами выше, но также в верхней мантии повсеместно располагается астеносфера – слой менее вязкий, а следовательно, более пластичный, 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 скачкообразно возрастают. Эта граница разделяет верхнюю и нижнюю мантию, причем в последней вязкость возрастает. Подобная картина глубинного строения верхней части земного шара, характеризующаяся наличием нескольких слоев и объясняемая фазовыми переходами минералов во все более и более плотные структуры, конечно, не была известна в конце XIX века. В прошлом веке было установлено, что земная кора и часть верхней мантии, то есть литосфера, оказываются гораздо более вязкими, несмотря на местные различия, чем подстилающая ее астеносфера. Поэтому, 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 13 порядка ниже. В этом заключается выдающееся значение астеносферы в качестве компенсационного слоя, когда речь идет о процессах изостазии. Таким образом, сейчас достоверно установлено, что процессы изостазии или изостатического равновесия осуществляются не в основании земной коры, как предполагали Дж. Эри и Ф. Пратт, а в основании литосферы – в астеносфере, то есть охватывают значительную часть верхней мантии. 6. Гляциоизостатические движения За последний 1 млн. лет большие пространства в высоких широтах северного полушария не менее четырех раз покрывались огромными ледниковыми щитами. Это были так называемые Великие четвертичные оледенения. 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 возраста охватило всю Канаду 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 направлении 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 полуострове 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). 14 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 Канады оценивается в 300 м, а современная скорость поднятия 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 происходить 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 свидетельствуют морские террасы, абразионные уступы, озерные отложения и ленточные глины в озерных впадинах. Датирование абсолютного возраста отложений по 14 С показывает, что высокие скорости поднятия до 10–13 см/год продолжались 15 не более 1000–1500 лет, а затем быстро уменьшались. И, кроме того, они в точности соответствовали 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 покровов, где мощность льда достигала сотен метров уже в 50–60 км от края ледника, формировались пониженные участки или депрессии рельефа, перед фронтом покрова, заполнявшиеся обширными озерами. Как только ледник отступал, области фронтального прогибания перемещались вслед за ним, а бывшие озера осушались, и их территория воздымалась. Вслед за фазами отступания ледника периферические участки суши, ранее обрамлявшие ледник, 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 максимальной мощностью в 4 км имеет форму двояковыпуклой 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 подниматься, и земная кора будет стремиться достичь состояния изостатического равновесия. Любая, достаточно значимая нагрузка на земную кору, например: образование крупных впадин, заполненных осадочными толщами, обширные и мощные лавовые покровы, вулканы, искусственные водохранилища, способна вывести какой-то участок изостатического равновесия. 16 земной коры из состояния Следует подчеркнуть, что в настоящее время техногенные процессы, в частности техногенное перераспределение масс на поверхности Земли, достигли огромных объемов – около 10 тыс. км3 в год, что явно превышает воздействие неравновесного слоя в 70 м (разница в поверхностях сфероида и геоида Земли). Глубокие карьеры, шахты, рудники, поля отвалов горных разработок, откачка подземных вод, нефти, газа, водохранилища – все это должно приводить к изменению изостатического равновесия в региональном масштабе. 17 Заключение Изостазия является одним из основополагающих принципов, который должны учитывать любые геотектонические 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 геологических условий, размера явления или региона, где оно происходит. Большинство регионов Земли находятся в состоянии, близком к изостатическому равновесию. Нарушенное равновесие восстанавливается очень быстро, литосфера опускается или всплывает. Но существуют изостатические аномалии, которые показывают отклонения от условий полного равновесия. Процессы изостазии или изостатического равновесия осуществляются в основании литосферы – в астеносфере, то есть охватывают значительную 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. 18 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. Размещено на Allbest.ru 19
