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地壳均衡

2018-11-19 20:55:55     所属分类:地质学
地壳均衡的简易图示,海拔越高的地形其地壳越厚

地壳均衡Isostasy,希腊语 ísos,相等和 stásis,停顿的组合)是一个地质学上的术语,是指地球岩石圈和软流圈之间的重力平衡,例如板块的“漂浮”高度取决于其密度和厚度。这个概念可以解释为什么地球表面会存在不同高度的地表特征。当一个区域的岩石圈达到了地壳均衡的状态,就是所谓的“均衡平衡”。地壳均衡并非破坏平衡的过程,而是恢复平衡的过程(负反馈)。人们普遍认为地球是一个动态系统,该系统会以许多不同的方式反应其负载。然而,地壳均衡提供了一个区域发生了垂直运动时如何变化的观点。某些区域(例如喜马拉雅山脉)并不是地壳均衡状态,这使许多科学家以其他的学说解释造成这些区域如此高度的原因(喜马拉雅山脉至今仍因为印澳板块和欧亚板块相碰撞的力量上升中)。

最简单的例子中,地壳均衡是排除液体重量相等于支撑浮体力量的浮力原理。在地质尺度来看,地壳均衡可以在岩石圈施加强大压力在软弱的软流圈时观察到;在地质年代中可以看到的是岩石圈因为高度的变化造成流体侧向流动。

地壳均衡的概念由美国地质学家克拉伦斯·达顿英语Clarence Dutton于1889年提出。

目录

  • 1 地壳均衡模型
    • 1.1 艾里
    • 1.2 普拉特
    • 1.3 韦宁·迈内兹/弯曲
  • 2 沉积和侵蚀对地壳均衡的影响
  • 3 板块运动对地壳均衡的影响
  • 4 冰盖对地壳均衡的影响
  • 5 海面升降和相对海平面改变
  • 6 延伸阅读
  • 7 参见

地壳均衡模型

目前有三个地壳均衡模型被使用:

  • 艾里-海斯卡宁英语Veikko Aleksanteri Heiskanen模型:
- 不同的地形高度是由地壳厚度变化造成,地壳密度固定。
  • 普拉特-海福德英语John Fillmore Hayford模型:
- 不同的地形高度是因为侧向变化造成,岩石密度会改变。
  • 韦宁·迈内兹英语Felix Andries Vening Meinesz或弯曲模型:
- 岩石圈是个弹性版体,并且其固有的刚性分布会因为弯曲造成的大范围负载而在特定区域有变化。

艾里和普拉特模型是浮力的应用,而弯曲模型则是浮力将有限弹性强度的版弯曲。

艾里

艾里模型中,密度固定的地壳是浮在高密度的地幔上,其地形是由地壳厚度决定

本模型的原理是基于帕斯卡定律,尤其是其结果,在流体静力平衡状态下,同一平面任一点的液压是相同的(静液体补偿表面)。

即:h1⋅ρ1 = h2⋅ρ2 = h3⋅ρ3 = ... hn⋅ρn

右侧简化图片显示山根的深度 (b1) 是:

这里 是地幔的密度(约 3,300 kg m-3),而 是地壳的密度(约 2,750 kg m-3)。因此我们一般可考虑:

b1 ≅ 5⋅h1

在负向地形(例如洋底盆地),岩石圈的平衡是:

这里 是地幔的密度(约 3,300 kg m-3),而 是地壳的密度(约 2,750 kg m-3), 则是水的密度(约 1,000 kg m-3)。因此我们一般可考虑:

b2 ≅ 3.2⋅hw

普拉特

艾里模型(左)和普拉特模型(右)的比较。

在简化模型中,新的密度是: 。这里 是山的高度,而 c 是地壳的厚度。

韦宁·迈内兹/弯曲

本假设是用来解释海底山(例如夏威夷群岛)等一些大型地形的负载可以在区域上被补偿,而不是岩石圈的区域性位移。这对于岩石圈弯曲而言是更通用的解释;当上方的负载变得大于弯曲的波长或岩石圈的弯曲刚性趋近于 0 时,该模型更接近于区域性补偿模式。

沉积和侵蚀对地壳均衡的影响

当有大量物质沉积在某一特定区域,新沉积物的巨大质量将会使地壳下沉。同样,当大量的物质在特定地区被侵蚀,地表会上升以弥补。因此,当山脉被侵蚀而降低高地,地壳将会向上回跳(回跳量较侵蚀量小),(在一定程度上)造成进一步侵蚀。现在某些可在地表见到的地层可能曾经在地壳深处被其他地层覆盖,但因为上方地层被侵蚀消失,使下方地层向上回跳而出现在地表。

冰山是类似的情况,它浮在水面的质量总是低于一定比例。如有更多冰加到冰山顶部,冰山将下沉更深,反之则剩下的冰上浮。而地球岩石圈“漂浮”在软流圈的状况与此类似。

板块运动对地壳均衡的影响

当各大陆之间发生碰撞时,大陆地壳会在撞击边缘变厚。在这情况下大多数变厚的大陆地壳会“向下移动”,而不是冰山在此状况下的向上。大陆碰撞造成山脉上升的概念因此被简化了。相反地,地壳的增厚和地壳上半部变厚也可能形成山脉。

不过,有些大陆碰撞会因为构造导致岩石圈的成分呈不均匀分布,这些区域无法用简单的地壳均衡模型解释,因此必须谨慎处理此类问题。

冰盖对地壳均衡的影响

冰原的形成可导致地球表面下沉。相反的,等静压的后冰河时期反弹英语Post-glacial rebound是在曾被冰盖覆盖,但现已融化的区域观察到,如波罗的海和哈德逊湾附近。一旦冰盖后退,岩石圈和软流圈上的负载减少,就会反弹到其静力平衡面。透过这种方式可能找到古代的海蚀崖和相关的海蚀平台已经在现今海平面以上数百米。因为反弹速度极为缓慢,最近一次冰河时期结束后造成的隆起仍在继续。

除了陆地和海洋的垂直运动,地球的静力平衡调整也涉及到横向运动。它可以导致地球重力场和地球自转速率的变化、极点漂移英语Polar wander和地震。

海面升降和相对海平面改变

海平面升降(Eustasy 或 Eustatic)是与近年海平面上升相关,但原因并非地壳均衡造成。EustasyEustatic 是指海水量造成的海平面变化,经常是因为气候变化造成。当地球气温下降,将会有大量的水以冰川和雪的形式储存于陆地,造成海平面下降(相对于稳定的陆地)。冰河时期结束时,冰川融水重新补注到洋底盆地即为海平面上升例子。

第二个造成海平面上升的原因是地球平均气温增加时海水的热膨胀。近年从潮位纪录和卫星量测资料显示,全球海平面上升速率是 +3 mm/a(参见 2007年 IPCC 报告)。全球海平面变化也受到地壳垂直运动、地球自转速率、大陆边缘英语Continental margin的大规模变化、和海床扩张速率影响。

当“相对”这个用语在“海平面变化”的背景使用时,其含义是海平面升降和地壳均衡会同时作用或使用者不知道而造成使用该词。

延伸阅读

  • Lisitzin, E. (1974) "Sea level changes". Elsevier Oceanography Series, 8
  • AB Watts. Isostasy and Flexure of the Lithosphere. Cambridge University Press. 2001. ISBN 0521006007.  A very complete overview with much of the historical development.

参见

  • 克拉伦斯·达顿,于1889年提出地壳均衡
  • 约翰·费摩尔·海福德
  • 威廉·鲍伊 (工程师)英语William Bowie (engineer)
  • 海洋阶地英语Marine terrace
  • 构造抬升英语Tectonic uplift

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