Изостазия – форма равновесия верхней части Земли

Теория

Верхняя часть Земли (земная кора и верхняя мантия) крайне неоднородна, в силу чего возникают гравитационные аномалии регионального и локального порядков. Но и в этой части Земля уравновешена. На это указывают, в частности, наблюдения за траекториями искусственных спутников Земли. Горы не притягивают эти объекты с большей силой, как это могло бы показаться на первый взгляд. Верхний слой Земли оказывает в целом одинаковое гравитационное воздействие на спутники и объекты на поверхности Земли.

Рассмотрим обобщённую модель земной коры и верхней мантии, в наибольшей степени удовлетворяющую геофизическим данным (рис.3.5).

Рельеф поверхности земной коры повторяется зеркально в рельефе границы земная кора-мантия. Поскольку мантия более плотная (` =3,3г/см³), то в областях пониженного рельефа поверхности в разрезе верхней части Земли преобладают повышенные плотности пород, а в областях гор - пониженные. Это уравновешивает давление верхней части Земли на нижележащий слой, для которого должно соблюдаться постоянство давления и гравитационного потенциала (рис.3.4). Слой, создающий в каждом нормальном сечении равное давление на нижележащий слой, называется слоем изостатической компенсации (равновесным слоем), а условие изостатического равновесия записывается выражением:

, (3.13)

где n - число слоёв разной плотности s_i, имеющих мощность Dh_i. Формула 3.13 следует из выражения для давления (3.12) и определения равновесного слоя.

Таким образом, естественное стремление Земли к равновесию проявляется в верхней её части в ограничениях на состав (плотность) и мощность земной коры.

Значительная роль в установлении изостатического равновесия принадлежит астеносфере. Астеносфера - это частично расплавленный слой пониженной вязкости в верхней мантии. Астеносфера выделяется по геофизическим данным как слой пониженной скорости поперечных сейсмических волн и повышенной электропроводности, залегающий на глубинах от 50-70 км (под океанами) до 80-100 км (под материками). Через астеносферу происходит перетекание вещества, восстанавливающее изостатическое равновесие.

Представим модель рис. 3.5 в более схематическом виде (рис. 3.6). Предположим, что под действием солнечной энергии и гравитационных сил горные породы на горе разрушаются и материал сносится в океан. Излишняя масса в океанических сечениях литосферы должна (для сохранения условия 3.13) привести к погружению земной коры, уменьшению мощности плотной мантии и перетеканию вещества по астеносфере в сторону горы, где дефицит массы компенсируется поднятием блока земной коры (литосферы).

Границы перемещающихся блоков характеризуются повышенными упругими напряжениями, которые могут вызвать разрывные деформации, а значит землетрясения, магмоизлияние и др. Таким образом, установление (восстановление) изостатического равновесия выступает как причина геологических процессов.

Принимая среднюю вязкость вещества литосферы с астеносферным слоем h=3^.10²¹ Па^.с и с учётом формулы 2.4, время установления равновесия составляет около 1000 лет. Места нарушения изостатического равновесия обнаруживаются по изостатическим гравитационным аномалиям – участкам устойчивой связи ускорения силы тяжести с рельефом местности. Планетарные изостатические аномалии приурочены к областям активного сочленения океанов и континентов, а также к областям альпийских надвиговых структур (рис. 3.7). Здесь протекают современные глобальные геологические процессы.