Isostaattinen teoria on yksi peruspilareista ymmärrettäessä, miten planeettamme ylläpitää korotuksen ja pintamuotojensa tasapainoa. Tällä periaatteella, joka saattaa ensi silmäyksellä vaikuttaa abstraktilta, on suora yhteys geologian jokapäiväisiin prosesseihin, kuten suurten vuorijonojen kohoamiseen, valtamerten altaiden vajoamiseen tai maamassojen nousuun jäätiköiden sulamisen jälkeen. Nykyään isostaasia on geologien, geofyysikkojen ja maapallon tutkijoiden perustyökalu, koska se tarjoaa johdonmukaisen selityksen planeetan sisäiselle arkkitehtuurille ja sen maisemien kehitykselle.
Tässä artikkelissa selvitämme perusteellisesti isostaattisen teorian koko historian, sen erilaiset mallit ajan kuluessa ja ennen kaikkea maanpäälliset todisteet, jotka ovat todistaneet ja edelleen vahvistavat tämän kiehtovan tasapainon. Käsittelemme kaikkea tätä matkalla, joka kulkee ensimmäisistä tieteellisistä havainnoista, jotka kyseenalaistivat jäykän ja muuttumattoman Maan käsitteen, nykyaikaisiin kehityskulkuihin, jotka integroivat isostaasin planeetan globaaliin dynamiikkaan. Havainnollistamme tätä konkreettisilla esimerkeillä vuorista, jäätiköistä ja sedimenttialtaista monien muiden skenaarioiden ohella.
Isostaattisen teorian historiallinen alkuperä
Isostaattisen teorian täydelliseksi ymmärtämiseksi on hyödyllistä palata ensimmäisiin empiirisiin havaintoihin, jotka johtivat tämän periaatteen syntyyn. Isostaasin käsite syntyi vastauksena gravimetrisiin poikkeavuuksiin, joita havaittiin topografisissa tutkimuksissa ja geodeettisissa mittauksissa 1700- ja 1800-luvuilla, erityisesti alueilla, joilla on korkea vuoristoinen helpotus.
Ensimmäiset vertikaalisuuden poikkeamat: Bouguer ja Everest
En 1735, Pierre BouguerTieteellisellä tutkimusretkellään Perussa hän havaitsi, että painovoiman avulla mitattu poikkeama pystysuorasta oli paljon pienempi kuin Andien valtavan tilavuuden perusteella oli arvioitu. Loogisesti ajatellen, laskettaessa näkyvän reliefin massaa, painovoiman pitäisi olla paljon suurempi, mutta instrumentit osoittivat huomattavasti pienemmän arvon.
Vuosisata myöhemmin George Everest toisti havainnot Intiassa ja päätyi samaan johtopäätökseen: vuoret eivät aiheuttaneet niin paljon painovoimaa kuin odotettiin, jos otettaisiin huomioon vain niiden pintamassa. Nämä tulokset kiihdyttivät tarvetta löytää geofysikaalinen selitys tälle näennäiselle massa"alijäämälle" ja johtivat ajatukseen, että jonkinlaisen maanalaisen kompensaation on oltava kyseessä.
Käsitteellinen kehitys ja ensimmäiset teoriat
Yksinkertaisin tulkinta oli, että vuorten alla täytyy olla tiheysvaje tai vähemmän tiheiden materiaalien juuri kompensoimaan ylimääräistä pintamassaa. Näin ollen Isostaattisen tasapainon ajatus oli muotoutumassa: maankuori kelluu tavallaan tiheämmän ja plastisemman vaipan päällä, kompensoiden siten pinnan massaeroja sisäisten säätöjen avulla.
Tämä periaate, vaikka lähestymistavaltaan yksinkertainen, edusti radikaalia muutosta siinä, miten ymmärrämme Maan dynamiikan. Se muutti käsitystä kuoresta jäykkänä "kuorena", joka on kerrostunut yhtä jäykän ytimen päälle, dynaamiseen, tasapainoiseen järjestelmään, joka kykenee sopeutumaan kuormituksen, eroosion, sedimentin kertymisen tai orogeenisten prosessien muutoksiin.
Isostaattisen teorian historiallinen kehitys
Isostasian historia on täynnä keskustelua ja jatkuvia tarkennuksia. 1800-luvun jälkipuoliskolta lähtien erilaiset mallit ovat yrittäneet selittää, miten tämä tasapaino kuoren ja vaipan välillä säilyy.
Prattin malli (1855)
John Henry Pratt ehdotti, että tasapaino säilyi, koska pinnan topografiset vaihtelut, kuten vuoret tai valtameret, johtuivat alla olevien materiaalien tiheyden muutoksista vakion kompensoivan syvyyden kanssa. Eli vuorten alla olisi vähemmän tiheitä kiviä kuin valtamerien tai tasaisten alueiden alla olevat kivet, jolloin minkä tahansa pystysuoran "pylvään" paino pinnalta tiettyyn syvyyteen olisi sama missä tahansa maapallolla.
Yksinkertaistettuna tasapainokaava on seuraava:
ρi(T0 + Hi) = ρ0T0
jossa ρi on kunkin kolonnin tiheys, Hi topografian korkeus ja T0 kompensaatiosyvyys. Tiheys on pienempi vuorten alla ja suurempi valtamerien alla.
Ilmava malli (1855)
Käytännössä rinnakkain, George Airy ehdotti vaihtoehtoa: tiheys on vakio koko kuoressa, mutta vaihtelee kuoren "juuren" syvyys vuorten ja valtamerien alla.
Hän kuvitteli vuoret vaipan päällä kelluvina kuoresta koostuvina "jäävuorina", joten mitä korkeampi vuori, sitä syvemmällä sen juuren täytyy olla. Näin ollen vuoret, tasaiset alueet ja valtamerten altaat kelluisivat kaikki tasapainossa, mutta paksuudeltaan vaihtelevilla.
(ρm – ρc) ti = ρcHi
jossa ρm on vaipan tiheys, ρc kuoren, ti juuren syvyys ja Hi vuoren korkeus.
Tämä analogia on erityisen ymmärrettävä, kun ajatellaan meressä kelluvaa jäävuorta: vain pieni osa siitä työntyy pintaan, kun taas suurin osa "kelluu" veden alla. Vuorten tapauksessa maankuoren juuri tunkeutuu vaippaan, mikä mahdollistaa isostaattisen tasapainon.
Litosfäärin taivutusmalli: alueellinen isostaasia
Tilanne mutkistui 1900-luvun puolivälissä, kun Felix Andries Vening Meinesz osoitti, että kuori ei aina reagoi paikallisesti ja itsenäisesti jokaisessa pilarissa, vaan pikemminkin tietty jäykkyys siirtää kuormia huomattavien etäisyyksien päähän. Tämä ajatus kiteytyi alueellisen isostaasin tai litosfäärin taipumisen käsitteeksi.
Tämän mallin mukaan kuori ja litosfääri käyttäytyvät elastisesti ja voivat joustaa kuormien, kuten vuorten, suurten tulivuorten tai jäätiköiden, vaikutuksesta. Tämä selittää esimerkiksi, miksi meritulivuoren aiheuttama vajoama ei rajoitu vain sen alapuolella olevaan alueeseen, vaan leviää laajalle alueelle tulivuoren ympärillä.
Litosfäärin elastinen paksuus ja sen taivutuskapasiteetti ovat nykyään keskeisiä parametreja alueellisten isostaattisten liikkeiden laskemisessa. Näin on esimerkiksi valtamerien litosfäärin taipumisen tapauksessa vuoristojen alla Havaijin saarilla tai Himalajan massan alla.
Mallien tarkastelu ja rinnakkaiselo
Monien vuosien ajan ajateltiin, että isostaattinen tasapaino saavutetaan yksinomaan paikallisesti, kuten Prattin ja Airyn malleissa. Todellisuudessa nykyään molemmat mallit esiintyvät rinnakkain hyödyllisinä approksimaatioina tutkittavasta ongelmasta riippuen.
Lyhytaikaisissa, nopeasti reagoivissa prosesseissa, kuten jäätiköiden jälkeisessä maankohoamisessa sulamisen jälkeen tai nuorten vuorijonojen kohoamisessa, paikalliset mallit edustavat Maan käyttäytymistä hyvin. Pitkäaikaisissa kuormitusilmiöissä tai suurissa rakenteissa alueellinen isostaasia ja litosfäärin taipumista tarvitaan kuitenkin havaintojen kanssa yhdenmukaisten tulosten saamiseksi.
Isostasian fysikaaliset ja matemaattiset perusteet
Isostaattinen teoria perustuu erittäin vankkoihin fysikaalisiin periaatteisiin, jotka mahdollistavat litosfäärin gravitaatiotasapainon matemaattisen mallintamisen vaipalla. Tarkastellaanpa peruskäsitteitä, jotka sinun tulisi tietää.
Arkhimedeen periaate sovellettuna Maahan
Aivan kuten jäävuori kelluu vedessä painonsa ja syrjäyttämän veden aiheuttaman kelluvuusvoiman tasapainon ansiosta, Maankuori kelluu vaipan päällä, koska kuoren ja vaipan muodostaman kerroksen paino tietyn syvyyden (kompensaatiotason) yläpuolella on vakio missä tahansa pisteessä.
Jos pylväällä olisi ylimääräistä painoa, vaipan muovimateriaali valuisi alueille, joista sitä puuttui, kunnes tasapaino saavutettaisiin.
Isostaattiset tasapainoyhtälöt
Perusehto on, että minkä tahansa pystysuoran pilarin paino pinnasta tiettyyn syvyyteen T0 olla vakio topografiasta, tiheydestä tai korokuvasta riippumatta.
Matemaattisesti se ilmaistaan seuraavasti:
∫-T0H ρ dz = vakio
jossa H on topografian korkeus ja ρ tiheys kullakin syvyydellä.
Valitusta mallista riippuen näitä lausekkeita voidaan yksinkertaistaa ja saada erityisiä kaavoja manner- tai valtamerialueille säätämällä kuoren, vaipan ja meriveden tiheysarvoja.
Litosfäärin jäykkyyden vaikutukset
Litosfäärin elastinen paksuus määrittää sen kyvyn joustaa ja jakaa kuormia alueellisesti uudelleen. Tämä parametri on välttämätön laskettaessa, missä määrin kuormitus, kuten vuori, ei ainoastaan aiheuta vajoamista suoraan sen alla, vaan myös kuoren taipumista ja sivuttaissiirtymää satojen kilometrien matkoilla.
Isostaasi, laattatektoniikka ja moderni geodynamiikka
Isostaasiaa ei voida käsitellä ottamatta huomioon nykyistä laattatektoniikan viitekehystä ja Maan globaalia dynamiikkaa. 1900-luvun puolivälistä lähtien laajalti hyväksytty levyteoria on integroinut isostaasin yhdeksi keskeisistä prosesseista, jotka säätelevät litosfäärin ja vaipan välistä vuorovaikutusta.
Laattatektoniikka: yhteenveto ja suhde isostaasiin
Maan litosfääri ei ole yksittäinen, jatkuva kerros, vaan se on jaettu suuriin, jäykkiin levyihin, jotka liikkuvat hitaasti ylemmän vaipan, astenosfäärin, yli. Nämä liikkeet johtuvat vaipan konvektiovirroista ja planeetan sisäisestä dynamiikasta.
Laatat voivat liikkua erilleen (hajaantuvat laatat), törmätä (konvergentit laatat) tai liukua sivuttain (muuntavat laatat). Kaikissa näissä prosesseissa isostaasia käytetään massakompensaation ja vertikaalisen tasapainon mekanismina.
Esimerkiksi kahden laatan törmättyä ja muodostaessa vuorijonon, uuden vuoren alle vajoava "ylimääräinen" maankuoren juuri luo ylimääräisen massan, jota vaipan virtaus hitaasti säätää, mikä johtaa pystysuoriin pinnan liikkeisiin. Vastaavasti jäätikön katoamisen jälkeinen palautuminen tai sedimenttialtaan alle vajoaminen voidaan selittää isostaasilla.
Isostaasia vuoristojen rakennus- ja altaiden vajoamismalleissa
Yksi isostaasin tunnetuimmista vaikutuksista on vuoristojen tektoninen kohoaminenKun kaksi mannerlohkoa törmäävät, kuoren paksuus kasvaa, mikä luo syvän juuren vuoren alle. Isostaattinen tasapaino pyrkii "työntämään" rakennetta ylöspäin, kunnes massakompensaatio saavutetaan, prosessissa, joka voi kestää miljoonia vuosia.
Käänteisesti sedimenttialtaat voivat vajota kertyneiden sedimenttien painon vuoksi, mikä pakottaa isostaattisen vajoaman, joka mahdollistaa suuremman määrän materiaalia kertymisen. Tällä tavoin kuoren tasapaino säilyy jatkuvien vertikaalisten säätöjen avulla.
Isostaasin ja jäätiköitymisen välinen suhde
Näyttävä tapaus on isostaattinen palautuminen jäätiköitymisen jälkeenViimeisen jäätikkömaksimin aikana pohjoisen pallonpuoliskon laajoja alueita peitti kilometrien paksuinen jääkerros. Jäämassan valtava paino upotti maankuoren Skandinavian, Kanadan ja muiden alueiden alle, siirtäen muovivaippaa ja palauttaen tasapainon.
Kun jäätiköt katosivat, paine hellitti ja kuori alkoi nousta uudelleen. Itse asiassa esimerkiksi Skandinaviassa ja Kanadassa Jääkauden jälkeinen maankohoaminen jatkuu edelleen useiden millimetrien vuosivauhdilla.Tämä isostaattinen vaste mahdollistaa jopa jääpeitteen historian rekonstruoinnin ja Maan vaipan viskositeetin mallintamisen.
Maanpäälliset todisteet isostaasista
Isostasian todellisuus on runsaasti dokumentoitu lukuisten luonnollisten esimerkkien avulla. Seuraavaksi perehdymme joihinkin tilanteisiin, joissa isostaattinen teoria ilmenee selkeimmin.
Gravimetrinen taipuma ja painovoima-anomaliot
Ensimmäiset todisteet isostaasista saatiin painovoimamittauksista vuoristojen ja tasankojen yllä. Vuorten odotettiin tuottavan positiivisia painovoima-anomalioita, mikä tarkoitti suurempaa painovoimaa massansa vuoksi, mutta havaittiin päinvastainen: Monilla vuorilla on painovoimavaje, mikä viittaa siihen, että niiden alla on matalatiheyksisiä juuria tai vähemmän tiheitä materiaaleja, jotka kompensoivat ylimääräistä pintamassaa.
Tämä empiirinen tulos johti jo analysoitujen Prattin ja Airyn mallien muodostamiseen.
Seismiset havainnot
Seismisten aaltojen etenemisen tutkimus on mahdollistanut maankuoren juuren syvyyden määrittämisen vuorijonojen alla ja maankuoren paksuuden vaihtelun määrittämisen. Esimerkiksi Himalajan alla kuori on yli 70 kilometriä paksu, kun taas valtamerien alla se voi olla alle 10 kilometriä paksu, Airy-mallin ennusteiden mukaisesti.
Seismisten aaltojen nopeus muuttuu äkillisesti tietyillä alueilla (Mohorovicin epäjatkuvuusalue, Conradin epäjatkuvuusalue), minkä ansiosta voimme tunnistaa kuoren, vaipan ja ytimen väliset rajat sekä tiheyteen ja isostaattiseen tasapainoon liittyvät sivuttaiset vaihtelut.
Jääkauden jälkeinen nousu ja tektoninen kohoaminen
Jäätiköiden katoamisen jälkeinen Skandinavian ja Kanadan kohoaminen on kenties yksi selkeimmistä ja dokumentoiduimmista esimerkeistä isostaattisesta sopeutumisesta. Rantaviivat, nouseva merenpinta ja satelliittiseuranta vahvistavat, että kuori jatkaa nousuaan tuhansia vuosia sulamisen jälkeen massatasapainon palautuessa.
Sedimenttialtaiden elinkeino
Suuret sedimenttialtaat, kuten deltojen, mannerten reunojen tai intrakratonisten altaiden altaat, vajoavat usein kerrostuneiden materiaalien painon alla. Tämä prosessi, joka tunnetaan isostaattisena vajoamana, mahdollistaa paksujen sedimenttien kertymisen ja määrää geologisen kehityksen ja luonnonvarojen, kuten öljyn, muodostumisen.
Litosfäärin taipuminen suurten tulivuorten ja saariketjujen alla
Gravimetriset ja seismiset havainnot ovat osoittaneet, että valtameren litosfääri taipuu suurten meritulivuorten, kuten Havaijin tai Kanariansaarten, painon alla. Alueellinen taipuminen selittää laajalle levinneen vajoamisen sekä saarikaarien ja viereisten altaiden muodostumisen.
