ИЗОСТАЗИЯ

Изостазия (грёч. - Status - равновесие) - состояние равновесия масс земной коры и мантии. Предположение о том, что земная кора стремится к гидростатическому равновесию, было
•Диссипация - рассеивание энергии.

высказано Деттоном (Detton, 1782) и в настоящее время признается как установленный факт. В само понимание изоста- зии, однако, внесены существенные уточнения. Под изостази- ей понимают стремление к равновесию, которое постоянно нарушается под влиянием тектонических преобразований, процессов осадконакопления, изменения скорости вращения Земли и другими факторами. При этом избыток масс на поверхности компенсируется недостатком их внизу и наоборот. Этот процесс и получил название изостазии.
Общая изостатическая уравновешенность земной коры проявляется прежде всего на достоверно установленной зависимости высоты рельефа (h от мощности земной коры (ш). По М.В. Гзовскому, она равна:
h = Km - 6,
где коэффициент (К) изменяется от 0,15 до 0,20 и определяется соотношением рельефа к средней плотности материала коры (от 2,7 до 2,8) и средней плотности вещества верхней мантии (от 3,3 до 3,4). Крупнейшими аномалиями (отклонениями) коры от изостатического равновесия являются экваториальное вздутие Земли и крупные ундуляции поверхности геоида в районах повышенной тектонической активности и в районах оледенения.
Факт изостатической уравновешенности коры и ее отклонения от этого равновесия хорошо иллюстрирует график соотношения высоты рельефа и мощности земной коры (рис. 17), где точки, расположенные левее и выше средней линии, относятся к районам со слишком высоким положением коры и положительными изостатическими аномалиями. В этих районах кора должна опускаться. Точки, лежащие правее и ниже средней линии, фиксируют низкое положение коры и отрицательные изостатические аномалии силы тяжести. Кора здесь должна подниматься.
В зависимости от соотношения тектонических движений, направленных против изостатического равновесия и вертикальных движений, направленных к установлению изостатического равновесия, М.В. Гзовский выделяет четыре типа глубинных движений.
Два из них антиизостатические, в которых направление движения (поднятие или опускание) направлено против изостатического равновесия. Причиной этих движений могут быть все энергетические процессы, направленные на перераспределение вещества в верхней мантии и земной коре. И два эндоизостатических, направленных в сторону изостатического равновесия, нарушенного движениями первого типа.

Рис. 17. График соотношения между высотой современного рельефа (h) и достоверно установленной мощностью земной коры (по М.В. Глазовскому, 1975). - районы с положительными изостатическими аномалиями силы Тяжести; - районы с отрицательными изостатическими аномалиями силы тяжести;* - направление вертикальных движений земной коры. 9

Механизм изостазии до конца не раскрыт. Существует ряд гипотез. Гипотеза Г. Эри, усовершенствованная В. Хейскане- ном, предполагает, что блоки земной коры и подстилающая их мантия имеют каждый свою плотность. Относительно более легкие блоки плавают в астеносфере, погружаясь в нее, в зависимости от мощности на разную глубину (рис. 18). Основное условие изостазии по Эри можно записать:
Р,А = рВ,
где: р - плотность пород мантии, р, - плотность коры,
А - мощность коры,
В - глубина погружения блока коры в мантию.

Гидростатическое равновесие второго блока установится на глубине погружения первого, самого высокого блока, если к массе второго блока добавить массу мантии т.е.:

По схеме Пратта, нижняя граница блоков коры находится на одной глубине (рис. 19), принимаемой за глубину пластической компенсации, но высота блоков земной коры различна. Чем меньше плотность, тем блок выше.
Наличие изостазии по Пратту можно написать в виде следующих равенств:
где: р - плотность коры,

Т - глубина компенсации, h - средняя глубина океана,
Н- высота блока,
1,03 - плотность морской воды в г/см3.
С физической точки зрения, схема Пратта вызывает возражения, так как неизвестен механизм, который обеспечил бы возрастание плотности пород блоков коры при их нагружении, или уменьшение плотности блоков при их разгрузке.

Рис. 19. Схема изостазии по Ж. Н. Пратту.
S - поверхность компенсации; Т - глубины компенсации; Н - высота блока;
Р - глубина моря.

Поэтому при анализе аномалий гравитационного поля Земли наибольшее распространение подучила гипотеза Эри. Однако исследования И.Л. Нерсесова и др. (1975) в средней Азии показали, что компенсация не менее чем в трети случаев осуществляется по схеме Пратта. По мнению же С.А. Ушакова и М.С. Красе (1972), изостатическая компенсация осуществляется с так называемой общей схемой, которая означает, что в первом приближении земная кора уравновешивается вблизи поверхности Мохоровичича, а окончательное равновесие достигается на уровне астеносферы по схеме Пратта.
Нет единодушия и в вопросе глубины уровня компенсации. Согласно гипотезам Эри и Пратта, а также по мнению большинства геофизиков, основным уровнем изостатической компенсации является граница Мохоровичича и на этом основании устанавливают довольно тесную корреляционную связь между мощностью земной коры и аномалиями силы тяжести. Исследования Н.А. Беляевского (1975, 1981) и В.Г. Козленко и др. (1978) показывают, что корреляционные связи между гравитационными аномалиями и мощностью земной коры являются неустойчивыми и более сложными, чем это представлялось ранее. По мнению этих исследователей, изостазию следует рассматривать «как стремление масс, слагающих Землю, к состоянию минимума потенциальной энергии, а также к поддержанию общего постоянства момента количества движения по всем земным радиусам» (Козленко и др., 1978, с. 238). В соответствии с этим процессы, определяющие изостатическое равновесие, идут на разных глубинах в земной коре и мантии. Первый изостатический уровень, если можно так сказать, расположен на глубинах, где жесткие горные породы земной коры под влиянием литостатического давления, достигающего более 3000 кг/см2, приобретают свойство ползучести.
Принимая градиент вертикального сжимающего напряжения равным 275 кг/см2 на 1 км и зависимость давления от
глубины, по П.Н. Крапоткину (1985), равным: Р=0,27Н, получим:
h = 11-12 км.
Таким образом, первая ослабленная зона в земной коре, на которой может происходить и, по-видимому, происходит изостатическая компенсация отдельных блоков земной коры, расположена на глубинах 11-15 км и совпадает с границей Конрада, которая разделяет не гранитный и базальтовый слои, а состояние вещества коры, определяемое гравитационным и термодинамическим полем.
Второй изостатический уровень, возможно, расположен вблизи границы Мохоровичича, а третий - в низах верхней мантии. На этих планетарных уровнях изостазии компенсируются такие планетарные формы как материки и океаны. Несколько особой точки зрения по данному вопросу придерживается В.Е. Фадеев (1965), который считает, что радиус гидростатически уравновешенной планеты совпадает с границей плавления легкого вещества, а понятие литосфера и земная кора не имеют физического смысла. •
Для выявления степени компенсированности земной коры рассчитываются изостатические аномалии.
Изостатические - это такие аномалии, в которых учтено влияние внешней топографии и внутренних компенсирующих масс. Процедура расчета изостатических аномалий сводится к переносу поверхностных масс на глубину, где отмечается недостаток масс, и наоборот избыточные массы на глубине переносятся на поверхность, где отмечается недостаток масс. В результате, изостатические компенсации на континентах будут иметь небольшие положительные, а над океаном - небольшие отрицательные значения. Аномалии в свободном воздухе также должны быть малыми. Небольшая амплитуда в свободном воздухе свидетельствует о наличии значительной степени компенсации.
Существует также определенная зависимость между параметрами земной коры и аномалиями Буге. В обобщенном виде эта зависимость рассмотрена А.П. Таровым (1974) (рис. 20). Кривая I-VI фиксирует участки со стабильной корой платформ, с одной стороны, и зоны альпийского орогенеза и глубоководные океанические впадины, с другой, где в результате мезо-кайнозойских тектонических движений произошли серьезные отклонения в сторону недостатка масс, если оценивать их в редукции Буге, в альпийской орогенической зоне и из-

Рис. 20. Осредненный график зависимости аномалий Буге от мощности земной коры (Н) (по А.П.

Тарову, 1974).

- Акватории глубоководных океанических впадин. - Внутренние и океанические моря с субокеаничсской
и субконтинентальной корой. - Древние платформы с корой нормальной мощности. - Области палеозойской складчатости. - Зоны альпийской складчатости. - Области неотектонической активизации. - Древние стабильные массивы и щиты с корой увеличенной
мощности. - Орогсны с аномально тонкой корой.
бытка масс в области глубоководных котловин. Несколько особняком стоят древние стабильные массивы щитов, но они не выходят за пределы общих закономерностей по сравнению с платформами, имея лишь более мощную кору. Особняком ниже осредненной кривой выделяется вторая группа аномальных точек, соответствующая современным орогенам Северной Америки (провинция бассейнов и хребтов в Кордильерах США, отчасти плато Колорадо), районам оз. Байкал и др., которые
характеризуются очень тонкой корой без компенсационных корней, что, по-видимому, говорит о начале перестройки структуры земной коры в этих районах.
В целом изостатические процессы не препятствуют функционированию земной коры, в том числе и проявлению тектоге- неза, они лишь в определенной степени ограничивают антиизостатические движения и возвращают кору в положение, близкое к равновесному, которое можно определить и как относительно устойчивое неравновесное состояние. Данный вывод согласуется с утверждением Ф.Р. Стейси (1972), что фактическое сжатие Земли на 0,5 % больше гидростатического равновесного, что порождает большие напряжения, которые реализуются в виде тектонической активности.
Гидростатически неравновесную фигуру Земли, как и фигуры других планет земной группы, В.А. Рудник и Э.В. Собото- вич (1984) считают унаследованной со времени ее аккреции. По мнению этих авторов, гравитация все время сглаживает это явление, но кое-какие различия все же остаются. С этих позиций авторы не согласны, что между мощностью земной коры, ее рельефом и аномалиями силы тяжести устанавливается определенная связь, что рельеф поверхности Мохо является зеркальным отражением рельефа Земли. И делают вывод, что эти положения верны лишь в первом приближении. Но динамически неравновесное относительно устойчивое состояние и не может быть другим. Это состояние должно допускать возможность колебания равновесия вокруг какой-то средней величины, что и определяет устойчивость системы в изменяющейся среде. И никакие гравитационные процессы не могут уничтожить это неравновесное состояние, т.к. изоста- зия непрерывно поддерживает его.
В этом свете становится понятным тот факт, что антисимметричные и симметричные формы, отмечаемые многими исследователями в земной коре и на ее поверхности, отличаются приблизительным равенством, которое колеблется в определенных пределах вокруг статистически средних величин. Такая симметрия, по И.И. Шафрановскому и Л.М. Плотникову , относится к той разновидности, у которой только часть собственной симметрии тела совпадает с элементами формирующей среды. Как результат, в земной коре и на ее поверхности наибольшее развитие получили асимметрии, симметрия подобия и антиподальняя симметрия.
Асимметричность в строении земной коры лучше всего проявляется на гипсографической кривой. По мнению Т. Шопфа
(1982), она будет сохраняться до тех пор, пока существуют блоки земной коры различной плотности. В настоящее время неизвестны процессы, которые могли бы уровнять плотность материковых и океанических блоков земной коры, но известны процессы, которые их уравновешивают. Как проявление такого уравновешивания выступает равенство массы суши, которая поднимается выше уровня океана, и общей массы воды в океане. В этом свете масса континентальной земной коры на определенном уровне должна быть уравновешена массой океанической коры вместе с водой, расположенной над ней, согласно равенству:
Н, -S, • 5, = Н2- S2- 62 + h • S2- 1,03,
где: Н, и Н2 - соответствуют мощности континентальной и океанической коры,
S, и S2 - площади континентальной и океанической коры, 5, и 52 - плотность слагающего их материала, - плотность морской воды.
Принимая данные по континентальному блоку, можно найти мощность океанической коры, которая бы уравновесила континенты. Данные А.Б. Ронова и А.А. Ярошевского (табл. 4) для этого не годятся, так как для подсчета объема континентов и океанов приняты границы суши и моря, а не действительные границы океанических впадин и континентов. Более пригодны для расчета данные О.Н. Леонтьева (табл. 5 ), площадь континентов равна 249 млн. кв. км, а площадь океанических котловин - 261,9 млн. кв. км. Принимая мощность континентальной коры, равную 35 км, ее среднюю плотность 2,65 г/см3, а плотность океанической коры 1,81 г/см3, с учетом нагрузки океана при его средней глубине над котловинами 5 км, легко подсчитать среднюю мощность океанической коры, которая уравновесит континенты. Приведенный расчет показал, что поверхность гидростатически уравновешенной планеты в океанах располагается на глубине 29-30 км, которая не совпадает ни с одной поверхностью, выделяемой по геофизическим данным, а также с предполагаемой мощностью океанической земной коры. Эта поверхность будет иметь переходный характер между дневной поверхностью литосферы и поверхностью мантипо- иды (фигуры Земли со снятой земной корой). По данным Р.М. Деменецкой (1985), фигура мантипоиды оказывается более сложной, чем геоида, и асимметричность его форм выражена более ярко, чем в поверхностных формах, где сила тяжести определяет предельные высоты. Об этом писал еще А. Пенк:
Таблица 11
Отношение предельных высот и силы тяжести на Земле,
Венере и Марсе в относительных единицах

Наименование отношений	Земля	Венера	Марс
Предельных высот ¦	1.00	1,36	3,07
Силы тяжести	1.00	1,19	1,16

высота гор на нашей планете не является случайной: она есть производное взаимодействия двух сил - сил молекулярных, или сцепления, и сил тяготения (А.Репск, 1919, с. 13). Отношение этих сил для планет земной группы приводит Р.К. Баландин (табл. 11).
Изостатические процессы определяют и неполную антипо- дальную симметрию, когда материковой коре на одной стороне планеты противостоит океаническая на противоположной ее стороне. Этому типу симметрии уделял большое внимание Б.Л. Личков. Он писал: «Закономерности распространения материков и океанов состоят в том, что планета наша есть известное равновесие, в котором материки и океаны взаимно друг друга уравновешивают...», а «тяготение в условиях вращения определяет какой-то план размещения на лике Земли материков и океанов» (Личков, 1965, с. 50). Эта закономерность и проявляется в антиподальности материковых выступов и океанических впадин, а также в противоположении материкового полушария океаническому. Это противоположение, однако, далеко неполное, т.к. в океаническое полушарие попадает 1/27 часть суши и еще больший процент материковой коры. Эти данные лишний раз иллюстрируют, что материки и океаны находятся в состоянии динамического равновесия. И это состояние они приобрели не вчера, так как оно охватывает земную кору и верхнюю мантию, а возможно распространяется и на более глубокие горизонты. Важнейшие черты ее структурного плана, как мы видели, возникли в первые этапы развития Земли.
ВЫВОДЫ
Литосфера как целое представляет собой барьерную пленку Земли, регулирующую взаимодействие внутренних геосфер Земли с географической оболочкой и космосом. Реальная фигура Земли и, следовательно, литосферы представляет собой билатеральную, ступенчатую поверхность, состоящую из материковых выступов и океанических впадин, которые закономерно чередуются на поверхности Земли и определяют наибольшую ее устойчивость при складывающемся взаимодействии космических, ротационных и тектонических сил, проявляющихся в литосфере.
Вопросы для контроля
/. Существующие определения понятий скора» и «литосфера». Какое из этих понятий наиболее пригодно для построения геологической теории? Какие свойства литосферы характеризуют ее целостность? Свойства континентальной и океанической коры и их отношение к литосфере как целому. Соотношение эллипсоида, геоида и реальной поверхности литосферы. Билатеральная структура литосферы и ее сущность. Существующие основные гипотезы происхождения планет земной группы. Пути формирования оболочечной структуры Земли и ее вещества в основных гипотезах образования планет. Происхождение билатеральной структуры литосферы. Особенности природы Земли по сравнению с другими планетами земного типа и их возможные объяснения. Принципы изостазии. Роль изостазии в поддержании билатеральной структуры литосферы.

<< | >>

↑

Источник: Гришанков Г. Е.. Литосфера: структура, функционирование, эволюция.. 2008

Еще по теме ИЗОСТАЗИЯ:

- География - Землеведение - История Земли - Почвоведение -