Изостазия

Изостазия

ИЗОСТАЗИЯ, геофизическая теория строения земной коры, возникшая для объяснения отклонений отвеса и аномалий силы тяжести, наблюдаемых при геодезических измерениях. Теория изостазии сводится к тому, что масса вещества во всех вертикальных столбцах одинакового сечения, вырезанных в земной коре, величина постоянная. Поэтому давление на нижнюю поверхность АВ (фиг. 1) во всех столбцах одинаково, и каждый отдельный столбец находится в состоянии равновесия. Принимается, что плотность вещества в пределах одного столбца одинакова во всех его точках и обратно пропорциональна общей высоте данного столбца. Вследствие этого плотность земной коры под горами меньше, чем под низкими местами и, в особенности, чем под дном океанов. Иными словами, видимые массы гор компенсируются соответствующим недостатком масс (из-за уменьшения плотности) в лежащих под горами частях земной коры. Этим объясняется, почему наблюдаемые отклонения отвеса, а также аномалии силы тяжести обычно бывают гораздо меньше, чем следовало бы ожидать на основании видимых возмущающих масс, возвышающихся над уровнем моря.

Теория изостазии

Ниже поверхности АВ, называемой поверхностью изостазии (т. е. равного давления), расположены правильные, невозмущенные слои, находящиеся в пластическом состоянии (магма). Отдельные участки земной коры можно рассматривать как плавающие на магме, причем каждый столбец вытесняет, по закону Архимеда, равное ему по весу количество магмы. Плотность δ столбцов определяется формулой δ(T+h) = Const, где Т - глубина поверхности изостазии и h - высота верхнего основания столбца (физической поверхности земли) над уровнем моря. Для точки земной коры под океаном величину h надо брать отрицательной и равной глубине океана.

В этом случае нужно в левой части формулы прибавить давление столба воды, равное 1,03 h, где числовой коэффициент есть плотность морской воды.

Для вычисления влияния изостатически построенной земной коры на направление отвеса или силу тяжести всю земную поверхность разбивают на ряд концентрических колец постепенно возрастающей ширины, имеющих центр в исследуемой точке (в работах Гейфорда число таких колец равно 33). Каждое кольцо подразделяется радиусами еще на ряд секторов (до 28). По топографической карте определяют среднюю высоту h каждого кольцевого сектора и, задаваясь некоторой глубиной Т поверхности изостазии, рассчитывают по данной формуле плотность соответствующих столбцов. Затем вычисляют притяжение каждого столбца на данную точку, причем горизонтальная слагающая дает отклонение отвеса, а вертикальная - влияние на силу тяжести. Суммируя притяжение всех столбцов, получают т. н. изостатическую редукцию. Для облегчения вычислений служат специальные таблицы (Гейфорда, Бови, Мейснера). Глубину Т путем проб подбирают таким образом, чтобы дать наилучшее согласие между наблюденными отклонениями отвеса или аномалиями силы тяжести и вычисленными.

Наряду с изложенной теорией, называемой теорией Пратта, существует другая гипотеза, предложенная Эри (Airy). По Эри, земная кора имеет всюду одинаковую плотность (обычно принимается 2,67), меньшую плотности магмы, на которой кора плавает. Каждый отдельный столбец коры тоже находится в состоянии равновесия, погружаясь в магму на глубину, пропорциональную его общей высоте. Под высокими горами глубина эта больше, чем под дном морей (фиг. 2).

Теория изостазии

С геохимической стороны такая схема объясняется различием состава коры и магмы: первая состоит преимущественно из саля (Si, Аl), вторая - из симы (Si, Mg), большей плотности. И в теории Эри можно говорить про некоторую поверхность равного давления: это поверхность АВ (фиг. 2), проведенная под наиболее глубокими частями земной коры.

Теория изостазии получила наиболее широкое применение при обработке геодезических измерений в Америке. Гейфорд нашел, что наилучшее согласование между наблюденными и вычисленными отклонениями отвеса и аномалиями силы тяжести получается при Т=122 км (позже он получил глубину в 102 км), причем остающиеся отклонения отвеса уменьшились в 10 раз по сравнению с первоначальной величиной, выведенной без изостатической редукции. Бови обработал многочисленные определения силы тяжести, также найдя значительное уменьшение аномалий. Наилучшим значением Т он считает 96 км. Большая работа проделана финским геодезистом Гейсканеном, обработавшим определения силы тяжести с точки зрения обеих гипотез. Он нашел, что гипотеза Эри дает несколько лучшие результаты, чем гипотеза Пратта.

В настоящее время не приходится сомневаться в том, что теория изостазии в значительной степени соответствует действительному строению земной коры. Отдельные части коры могут и не быть изостатически компенсированными, и даже достигнутое полное равновесие неминуемо должно нарушаться перемещением масс на земной поверхности, связанным с явлением эрозии, вулканизма и т. п. Отсюда возникает вопрос, каковы по своим размерам те участки земной коры, которые могут оставаться некомпенсированными, будучи поддерживаемы не столько уравновешивающим их снизу давлением магмы, сколько сцеплением с соседними частями коры. Этот вопрос имеет большое теоретическое, а также и практическое значение, т. к. восстановление отсутствующего или нарушенного равновесия достигается путем перемещений частей земной коры, вызывающих колебания уровня земной поверхности и сейсмического явления. Значение теории изостазии в геодезии также велико, так как теория эта позволяет наиболее полным образом учитывать отклонения отвеса и аномалии силы тяжести и тем самым определять элементы земного сфероида в меньшей зависимости от местных влияний. Элементы международного сфероида Гейфорда определены именно таким образом.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 9 - 1929 г.