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地殼均衡

2020-10-16

出處：族譜網(wǎng)

作者：阿族小譜

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地殼均衡模型目前有三個地殼均衡模型被使用：艾里-海斯卡寧（英語：VeikkoAleksanteriHeiskanen）模型：普拉特-海福德（英語：JohnFillmoreHayford）模型：韋寧&m

地殼均衡模型

目前有三個地殼均衡模型被使用：

艾里-海斯卡寧（英語：Veikko Aleksanteri Heiskanen）模型：

普拉特-海福德（英語：John Fillmore Hayford）模型：

韋寧·邁內(nèi)茲（英語：Felix Andries Vening Meinesz）或彎曲模型：

艾里和普拉特模型是浮力的應用，而彎曲模型則是浮力將有限彈性強度的版彎曲。

艾里

艾里模型中，密度固定的地殼是浮在高密度的地幔上，其地形是由地殼厚度決定

本模型的原理是基于帕斯卡定律，尤其是其結(jié)果，在流體靜力平衡狀態(tài)下，同一平面任一點的液壓是相同的（靜液體補償表面）。

即：h1?ρ1 = h2?ρ2 = h3?ρ3 = ... hn?ρn

右側(cè)簡化圖片顯示山根的深度 (b1) 是：

( h 1 + c + b 1 ) ρ ρ --> c = ( c ρ ρ --> c ) + ( b 1 ρ ρ --> m ) {\displaystyle (h_{1}+c+b_{1})\rho _{c}=(c\rho _{c})+(b_{1}\rho _{m})}

b 1 ( ρ ρ --> m ? ? --> ρ ρ --> c ) = h 1 ρ ρ --> c {\displaystyle {b_{1}(\rho _{m}-\rho _{c})}=h_{1}\rho _{c}}

b 1 = h 1 ρ ρ --> c ρ ρ --> m ? ? --> ρ ρ --> c {\displaystyle b_{1}={\frac {h_{1}\rho _{c}}{\rho _{m}-\rho _{c}}}}

這里 ρ ρ --> m {\displaystyle \rho _{m}} 是地幔的密度（約 3,300 kg m），而 ρ ρ --> c {\displaystyle \rho _{c}} 是地殼的密度（約 2,750 kg m）。因此我們一般可考慮：

b1 ? 5?h1

在負向地形（例如洋底盆地），巖石圈的平衡是：

c ρ ρ --> c = ( h w ρ ρ --> w ) + ( b 2 ρ ρ --> m ) + [ ( c ? ? --> h w ? ? --> b 2 ) ρ ρ --> c ] {\displaystyle c\rho _{c}=(h_{w}\rho _{w})+(b_{2}\rho _{m})+[(c-h_{w}-b_{2})\rho _{c}]}

b 2 ( ρ ρ --> m ? ? --> ρ ρ --> c ) = h w ( ρ ρ --> c ? ? --> ρ ρ --> w ) {\displaystyle {b_{2}(\rho _{m}-\rho _{c})}={h_{w}(\rho _{c}-\rho _{w})}}

b 2 = ( ρ ρ --> c ? ? --> ρ ρ --> w ρ ρ --> m ? ? --> ρ ρ --> c ) h w {\displaystyle b_{2}=({\frac {\rho _{c}-\rho _{w}}{\rho _{m}-\rho _{c}}}){h_{w}}}

這里 ρ ρ --> m {\displaystyle \rho _{m}} 是地幔的密度（約 3,300 kg m），而 ρ ρ --> c {\displaystyle \rho _{c}} 是地殼的密度（約 2,750 kg m）， ρ ρ --> w {\displaystyle \rho _{w}} 則是水的密度（約 1,000 kg m）。因此我們一般可考慮：

b2 ? 3.2?hw

普拉特

艾里模型（左）和普拉特模型（右）的比較。

在簡化模型中，新的密度是： ρ ρ --> 1 = ρ ρ --> c c h 1 + c {\displaystyle \rho _{1}=\rho _{c}{\frac {c}{h_{1}+c}}} 。這里 h 1 {\displaystyle h_{1}} 是山的高度，而 c 是地殼的厚度。

韋寧·邁內(nèi)茲/彎曲

本假設是用來解釋海底山（例如夏威夷群島）等一些大型地形的負載可以在區(qū)域上被補償，而不是巖石圈的區(qū)域性位移。這對于巖石圈彎曲而言是更通用的解釋；當上方的負載變得大于彎曲的波長或巖石圈的彎曲剛性趨近于 0 時，該模型更接近于區(qū)域性補償模式。

沉積和侵蝕對地殼均衡的影響

當有大量物質(zhì)沉積在某一特定區(qū)域，新沉積物的巨大質(zhì)量將會使地殼下沉。同樣，當大量的物質(zhì)在特定地區(qū)被侵蝕，地表會上升以彌補。因此，當山脈被侵蝕而降低高地，地殼將會向上回跳（回跳量較侵蝕量小），（在一定程度上）造成進一步侵蝕?，F(xiàn)在某些可在地表見到的地層可能曾經(jīng)在地殼深處被其他地層覆蓋，但因為上方地層被侵蝕消失，使下方地層向上回跳而出現(xiàn)在地表。

冰山是類似的情況，它浮在水面的質(zhì)量總是低于一定比例。如有更多冰加到冰山頂部，冰山將下沉更深，反之則剩下的冰上浮。而地球巖石圈“漂浮”在軟流圈的狀況與此類似。

板塊運動對地殼均衡的影響

當各大陸之間發(fā)生碰撞時，大陸地殼會在撞擊邊緣變厚。在這情況下大多數(shù)變厚的大陸地殼會“向下移動”，而不是冰山在此狀況下的向上。大陸碰撞造成山脈上升的概念因此被簡化了。相反地，地殼的增厚和地殼上半部變厚也可能形成山脈。

不過，有些大陸碰撞會因為構(gòu)造導致巖石圈的成分呈不均勻分布，這些區(qū)域無法用簡單的地殼均衡模型解釋，因此必須謹慎處理此類問題。

冰蓋對地殼均衡的影響

冰原的形成可導致地球表面下沉。相反的，等靜壓的后冰河時期反彈（英語：Post-glacial rebound）是在曾被冰蓋覆蓋，但現(xiàn)已融化的區(qū)域觀察到，如波羅的海和哈德遜灣附近。一旦冰蓋后退，巖石圈和軟流圈上的負載減少，就會反彈到其靜力平衡面。透過這種方式可能找到古代的海蝕崖和相關的海蝕平臺已經(jīng)在現(xiàn)今海平面以上數(shù)百米。因為反彈速度極為緩慢，最近一次冰河時期結(jié)束后造成的隆起仍在繼續(xù)。

除了陸地和海洋的垂直運動，地球的靜力平衡調(diào)整也涉及到橫向運動。它可以導致地球重力場和地球自轉(zhuǎn)速率的變化、極點漂移（英語：Polar wander）和地震。

海面升降和相對海平面改變

海平面升降（Eustasy 或 Eustatic）是與近年海平面上升相關，但原因并非地殼均衡造成。Eustasy 或 Eustatic 是指海水量造成的海平面變化，經(jīng)常是因為氣候變化造成。當?shù)厍驓鉁叵陆?，將會有大量的水以冰川和雪的形式儲存于陸地，造成海平面下降（相對于穩(wěn)定的陸地）。冰河時期結(jié)束時，冰川融水重新補注到洋底盆地即為海平面上升例子。

第二個造成海平面上升的原因是地球平均氣溫增加時海水的熱膨脹。近年從潮位紀錄和衛(wèi)星量測資料顯示，全球海平面上升速率是 +3 mm/a（參見 2007年IPCC報告）。全球海平面變化也受到地殼垂直運動、地球自轉(zhuǎn)速率、大陸邊緣（英語：Continental margin）的大規(guī)模變化、和海床擴張速率影響。

當“相對”這個用語在“海平面變化”的背景使用時，其含義是海平面升降和地殼均衡會同時作用或使用者不知道而造成使用該詞。