Принципы изостазии

| Категория реферата: Рефераты по математике
| Теги реферата: трудовое право шпаргалки, реферат на тему образование
| Добавил(а) на сайт: Грачёв.

По данным американской спутниковой съемки SE-III и судовым наблюдениям, минимумы Dg преимущественно приурочены к докембрийским платформам и глубоководным котловинам. Однако в целом однозначная интерпретация невозможна. Поле весьма мозаично и отражает плотностную гетерогенность верхов твердой перисферы.

Статистический анализ данных гравиметрических измерений как на суше, так и на море показывает, что аномалия Фая коррелирует с рельефом поверхности Земли или с погребенным под тонким слоем рыхлых осадков рельефом кристаллического фундамента (базальтового – в океанах). Поэтому в большинстве случаев по наблюденным локальным или региональным аномалиям в свободном воздухе практически невозможно судить о плотностных соотношениях перисферы без предварительного учета влияния топографии. Осреднение по 1´1° или 5´5° квадратам позволяет исключить сравнительно мелкие неровности и ошибки измерений, а также влияние коротковолнового рельефа. Это, в свою очередь, позволяет оценить аномальный эффект регионального порядка для сравнительно большого интервала глубин вплоть до астеносферного слоя. Выше было показано, что осредненные по крупным площадям аномалии Фая приближаются к высотным спутниковым и изостатическим аномалиям, что в первом приближении указывает на преимущественно коровое происхождение основной части аномального поля Dg. Следовательно, для получения представлений о плотностном состоянии крупных регионов на большей глубине мы должны пользоваться осредненными значениями поля в редукции Фая.

Сопоставление данных сейсмики о положении границы М с аномалиями в редукции Буге вскрывает еще одну закономерность. Существует и прямая, точнее, линейная зависимость между глубиной границы М и величиной Dg. Однако эта зависимость реализуется лишь в так называемых изостатически скомпенсированных областях, т. е. в областях, где выступы рельефа земной поверхности компенсируются соответствующими утолщениями коры снизу. Из этого правила исключаются океанические области, где за подошву коры берутся сейсмические границы 7,4 – 7,8 – 8,1 км/с, которые на самом деле являются лишь промежуточными коровыми границами (Орлёнок, 1980, 1982). Аномалии Буге на суше конформны поведению границы М. Осредненные по 3´3° квадратам аномалии Буге увеличиваются линейно с уменьшением средней высоты рельефа приблизительно на 95·10-5 м×с-2 на 1 км высоты суши. По Н. П. Грушинскому, зависимости аномалий Буге и высоты рельефа суши от глубины залегания границы М подчиняются следующему линейному закону: М = Мо + КDgБ; М = Мо¢+КН, где Н – средняя высота рельефа; DgБ – среднее значение аномалии Буге; М – мощность коры; К и Мо – коэффициенты, подлежащие определению. Например, для всей Земли Мо¢ = 35,0; К¢ = 0,073; Мо = 35,6; К = = 5,05. Только для суши Мо = 37,5; К = 0,059; М¢ = 37,7; К¢ = 1,84. Только для морей Мо = 30,8; К = 0,062; М0¢ = 28,1; К¢ = 3,35. Из этого следует главный вывод, что гравитационный эффект масс, распределенных в земной коре до границы М, значительно превышает эффект масс, распределенных глубже этой границы. Поэтому аномалии Буге в основном характеризуют (в региональном плане) совместное влияние мощности коры и особенности изменения плотности пород в ее пределах. Аномалия Фая менее чувствительна к таким изменениям, так как не учитывает промежуточные массы в этом диапазоне глубин. Таким образом, аномалия Буге более чувствительна к флуктуациям мощности и плотности коры, а аномалия Фая – к флуктуациям поверхностного рельефа. Изостатическая аномалия свободна от этих влияний, характеризует промежуточный уровень компенсации (между нулем и бесконечностью) и, как правило, имеет более сглаженный характер с амплитудой порядка ± 10×10-5 м×с-2.

В общем случае плотностные неоднородности верхних слоев перисферы (до границы М) уверенно определяются гармониками сферических функций, начиная с n ³ 6. Низшие гармоники (n £ 2) могут дать информацию о неоднородностях нижней мантии и внешнего ядра. Это, в частности, следует из того, что ширина аномалии силы тяжести в первом приближении пропорциональна глубине залегания аномалиеобразующих масс, хотя в ней, как и в магнитном поле, присутствует эффект влияния горизонтальной мощности аномалиеобразующего тела. Иными словами, чем шире аномалия, тем глубже расположены возмущающие массы. Дюрбаум (1974) рассмотрел этот вопрос детально и показал, что большинство вычислительных схем определения верхних кромок аномальной гравитирующей массы сводится (для сравнительно простых форм) к определению половины ширины аномалии.

С учетом всего сказанного изостатическое редуцирование следует рассматривать как один из способов интерпретации гравиметрических наблюдений, соответствующих той или иной теоретической модели коры. Изостатические же аномалии будут характеризовать осредненную плотность верхов перисферы в региональных масштабах, но никак не их динамическое состояние. Для реализации последнего необходимы надежные сейсмические данные о положении границ раздела по всей тектоносфере. Однако таких данных ни по одному из регионов мы пока еще не имеем.

Постгляциальные движения Фенноскандии и других областей четвертичных оледенений

Идеи изостазии, основанные исключительно на данных измерений силы тяжести, с самого начала были весьма гипотетичными. Сегодня становится все более очевидным, что дефицит или избыток плотности обусловлен не простой схемой гидростатики Пратта или Эри, а существенной неоднородностью разреза коры и мантии в различных регионах. Вертикальные же движения обусловлены не перераспределением массы выветрелых пород на земной поверхности, а режимом активности астеносферы (Орлёнок, 1980). Блоки внешней каменной оболочки пассивно садятся в разуплотняющееся по мере дегазации и вулканизма пространство астеносферы без какой-либо существенной их переработки. В случае «базификации» сиализация мантии немедленно проявилась бы в изменении состава продуктов вулканизма, насыщении кремнеземом вод Мирового океана. Однако платобазальты океанических областей и гидросфера, наоборот, обеднены кремнеземом (Лисицын, 1974; Пронин, 1977). Более того, прогибание областей, как правило, начинается задолго до накопления сколько-нибудь значительных толщ осадков (синеклизы, океанические впадины и др.). Сейсмологические исследования последних лет показали, что астеносфера не образует сплошного слоя под подошвой перисферы Земли (Буллен, 1978; Кнопов, 1975; Рябой, 1979). Она отсутствует или редуцирована под щитами и горными поясами, а под континентальными платформами погружается на глубину более 100 км. В океанах в зонах тектонической активности кровля астеносферы лежит на 50 км выше и имеет мощность в 2 – 3 раза больше, чем под континентами, и практически отсутствует под котловинами. Следовательно, в масштабах Земли изостазия физически нереальна, во всяком случае, на уровне астеносферы. Аппроксимация же гидростатических условий на уровне 400 – 600 км весьма проблематична из-за существенного возрастания давления и сферичности Земли. Наличие негидростатических низких гармоник полей гравитации Земли, устанавливаемых по спутниковым данным (Джеффрис, 1960; Магницкий, 1965; Мельхиор, 1976), подтверждает сделанный вывод. Их сохранение не согласуется и с вязкоупругой моделью Земли.

В связи с вышеизложенным назрела необходимость в критическом пересмотре распространенных представлений о существовании так называемых гляциоизостатических поднятий на шельфах Арктики и Антарктики. В самом деле, масса 2 – 3 км призмы льда плотностью 0,97 г/см3 составляет менее 1% от массы 100 километровой каменной оболочки со средней плотностью 3,5 г/см3, на которую этот лед давит так, что она вжимается в астеносферу. Но последняя отсутствует под щитами, а давление легкого льда более чем в два раза меньше нормального горного давления, создаваемого осадочной толщей той же мощности. Следовательно, ни о какой изостазии не может быть речи. Мы можем допустить лишь сжатие первых сотен метров гранито-метаморфических пород. При средней пористости порядка 1% величина сжатия составит всего 10 м для толщи мощностью 1000 м. Поскольку с глубиной давление нагрузки быстро уменьшается по экспоненциальному закону (Джеффрис, 1960), было бы большим преувеличением экстраполировать ее на глубины более 100 км.

Поднятия, якобы фиксируемые разновозрастными террасами и минимумом силы тяжести (-25·10-5м×с-2) (Гутенберг, 1963), либо отсутствуют совсем, либо за таковые принимаются крылья блоков коры, противоположная часть которых опускается в глубине щита (качельный эффект). По данным Л. Кнопова (1975), отрицательные аномалии обусловлены недостатком масс, реализуемых ниже границы 400 км, либо особенностью строения всей вышележащей толщи пород щитов. Что же касается террас, то, как показали наши наблюдения, многие высокие террасы на побережье Арктики и Приантарктическом секторе выпиханы краями деградировавших шельфовых ледников, имевших мощность (высоту) многие десятки метров. Такие террасы часто врезаны в крутые стены фьордов и в берега островов и несут следы ледниковой шлифовки. Их можно наблюдать и по бортам современных высокогорных ледников. Более того, террасы обнаружены во внутренних частях Скандинавии на высотах от 600 до 1000 м, т. е. далеко за пределами наивысшего стояния уровня моря.

Таким образом, некоторые деформации поверхности щитов под мощными ледниковыми покровами Гренландии и Антарктиды отчасти могут быть вызваны сжатием и уплотнением первых нескольких тысяч метров горных пород, а не «изостатическим» вдавливанием 100 км толщи в несуществующую астеносферу.

Поверхности равного давления Р, определяемого выражением (где g0 – значение силы тяжести на поверхности Земли в точке наблюдения; hi и ri – мощность и плотность слоев горных пород, слагающих разрез перисферы), будут иметь разную глубину под континентами и океанами и внутри этих областей, которые определяются мощностью и положением астеносферы (если таковая имеется) и плотностью вышележащих пород:. Это подтверждается отсутствием гидростатического равновесия Земли, устанавливаемым по эволюции орбит искусственных спутников Земли.

Совершенно необъяснимо с позиций изостазии формирование синеклиз платформ и океанических областей. Проседание здесь является основной формой тектонических движений, и происходит оно в регионах с ничтожной мощностью осадков и с первоначально развитой астеносферой. Об этом свидетельствует хорошо известный в геологии факт, что опусканию, как правило, предшествует платобазальтовый вулканизм. Следовательно, нисходящая динамика перисферы регулируется здесь не перераспределением выветрелого материала на поверхности блоков, а режимом активности в астеносфере, которая в свою очередь контролируется диффузионными процессами на уровне внешнего ядра. Проседание перисферы происходит пассивно по мере дегазации и вулканизма в разуплотняющееся пространство астеносферы. А это, конечно, не изостатический механизм.

В наши дни ежегодно происходит более 100 тысяч землетрясений. Только в одной точке рифта Срединно-Атлантического хребта мы в 1969 г. регистрировали донными сейсмографами до пяти землетрясений в день. Все это свидетельствует о высокой подвижности перисферы, поэтому подход к ней как к инертной массе даже в масштабе десятков тысяч лет представляется неправомочным и приводит к грубым ошибкам даже в приблизительных оценках изменения уровня моря в самую последнюю эпоху антропогена. В связи с этим расчеты К.К. Маркова и И.А. Суетовой, согласно которым максимальная высота гляциоизостатических трансгрессий не превышала в итоге всех колебаний 10 м над современным уровнем моря, видимо, ближе всего к истинной величине. Образование высоких береговых террас Алжира, Туниса и других происходило на подвижном тектоническом блоке, а не вследствие подъема уровня моря на 160 – 180 м и более. Подобная трансгрессия затопила бы 2/3 платформенной суши. Однако ничего подобного в истории плейстоцена, равно как и более раннего периода, не происходило. Типичный качельный эффект – опускание одного края блока коры за счет подъема другого и вместе с ним – вздымание террас. Этот пример объясняет образование высоких террас Средиземноморья, Западной Балтики, Кавказа и др. При опускании блока в сторону моря происходит погребение и затопление террас – этот пример объясняет генезис многих платформенных низких и затопленных террас Русской и Сибирской платформ, побережья Северной Европы и т. д.

Но все ли высокие террасы имеют тектоническую природу? Разумеется, нет. Как мы уже говорили, многие высокие террасы островов и побережий Арктического шельфа Евразии, Северной Америки и Гренландии, Антарктиды и прилегающих к ней островов можно объяснить выпахивающей деятельностью некогда двигавшихся здесь ледников – шельфовых и материковых. Ведь толщина ледяных языков и покровов достигала нескольких сотен метров (Матишов, 1980). Кромки ледников полировали борта троговой долины, фьорда, морского побережья, отлагали боковую морену. Именно такие террасы наблюдаются в центрах европейских оледенений – Баренцево-Карском шельфе – на островах Франца-Иосифа, Шпицберген, Новой Земле, на побережье Кольского полуострова, Белого моря, Южно-Шотландских островах. Например, можно ли объяснить постепенное уменьшение высоты одновозрастных террас на островах Арктического шельфа с 152 м на островах Франца Иосифа и Шпицберген до 50 – 70 м на Новой Земле и до 0 – 5 м на Северной Земле и Новосибирских островах неравномерным подъемом уровня моря? Конечно, нельзя. Однако наиболее распространенной трактовкой этого явления служит гляциоизостазия.

Еще в 1976 г. автор также «традиционно» придерживался этого объяснения. До сих пор относительная приглубость (200 – 250 м) Баренцево-Карского шельфа объясняется его погружением под тяжестью ледника, а наличие высоких террас – последующим изостатическим подъемом территории, освободившейся от этой нагрузки. Аналогичным образом объясняются генезис глубокого (400 – 500 м) шельфа Антарктики и относительный подъем балтийских берегов Скандинавии, который традиционно смело распространяется на центральную область Фенноскандии (Гутенберг, 1963), где, однако, нет ни одного репера, но это удобно, ибо укладывается в рамки гляциоизостатической теории. Невозможно объяснить с помощью этой «теории» поднятия террас на маленьких островах, так как на их гористой поверхности и малой площади ледники не могут достигать гигантских мощностей в 2 – 3 км. С другой стороны, шельф Антарктики отнюдь не глубже, чем в других районах океана. Дело в том, что значительную площадь его мелководья занимают шельфовые ледники. Не отличается особенной глубиной и Баренцево-Карский шельф. На всем своем громадном простирании он изобилует обширными мелководными банками с глубинами менее 100 м. Большинство же впадин представляет собой типичные эрозионные троговые долины – следы выпахивающей деятельности ледников и водно-эрозионной деятельности в субаэральных условиях (Матишов, 1980). Особенно четко этот эрозионный рельеф виден на примере узких гряд, срезаемых Новоземельским желобом юго-восточнее острова Новая Земля.

О тектонической природе многих желобов, и в частности окаймляющих о-в Шпицберген, писал в 1977 г. В. Д. Дибнер. Однако проведенные нами в 1980 г. в Зюйдкапском желобе гидромагнитные и геологические исследования, а также геоморфологические работы Г. Г. Матишова не подтвердили это предположение. Магнитное поле желобов исключительно спокойно и не вскрывает никаких тектонических нарушений и связанного с ними магматизма (Орлёнок, 1985). Зюйдкапский желоб – это типичный трог, выпаханный ледником, края которого и оставили высокие террасы на высоких гористых берегах Шпицбергена. Подобные террасы и висячие карнизы моренных отложений автор наблюдал на склонах Кольского фьорда. Поверхность морены поднята над уровнем моря на высоту около 50 – 70 м, борта коренных гранитно-метаморфических пород отполированы и местами террасированы. Это, несомненно, следы двигавшегося по Кольскому фьорду ледника, а не ледникового стояния уровня моря или «постгляциального поднятия» этого гигантского щита. Высокое стояние уровня воды во всех фьордах арктического побережья сочетается с хорошей сохранностью эрозионных форм на Арктическом шельфе, практически свободном от новейших морских осадков. Подобные экзарационные террасы можно также наблюдать по бортам многих крупных высокогорных ледников (например, ледника Федченко).

Полузатопленность экзарационных гряд рельефа, меандрирование рек среди плоских равнин – характерный признак повышения базиса эрозии, признак затопления территории. Несмотря на высокий гористый рельеф, существование обширного Баренцево-Карского шельфа со свежими формами топографии, фьордов на побережье, значительных затопленных территорий Карелии, Кольского полуострова и Беломорья отражает процесс быстрого наступания океана на этот древний щит, в результате которого океан уже поглотил обширные пространства прилегающей с севера платформы еще в раннем голоцене.

Основанное на принципах изостазии мнение о том, что области с положительными аномалиями поля силы тяжести погружаются а с отрицательными – поднимаются, не соответствует фактическим данным. Еще Г. Джеффрис (1960) приводил многочисленные примеры обратных эффектов и несоответствия этой схемы наблюдаемым полям Dg. Достаточно привести пример Бразильского щита, испытывающего относительное вздымание, на котором никогда не было ледника.