Izostazie
De la Wikipedia, enciclopedia liberă
 |
Consultaţi manualul de stil şi îndrumarul, apoi daţi o mână de ajutor. Acest articol a fost etichetat în 2005. |
Termenii izostazie şi izostatic sunt utilizaţi în domeniul Ştiinţelor Pământului (în special în Geologie, Geofizică şi Geodinamică) în legătură cu sistemul format din cele două straturi superioare ale Pământului, litosferă şi astenosfera terestră, pentru a desemna:
- starea de izostazie = starea ideală de echilibru gravitaţional spre care tinde acest sistem în absenţa unor forţe perturbatoare;
- procesul izostatic = procesul geodinamic complex şi continuu de reechilibrare prin care acest sistem caută să ajungă în starea de izostazie;
- fenomenele izostatice = manifestările exterioare ale procesului izostatic;
- Teoria izostaziei = ansamblul sistematic de idei, ipoteze, concepte şi modele fizice ce descriu şi explică starea, procesul şi fenomenele legate de izostazie.
Etimologie
În lb. română cuvintele izostazie/izostatic au ajuns prin intermediul lb. fr. [isostasie/isostatique], care le-a preluat din lb. engl. [isostasy/isostatic] unde isostasy s-a format prin concatenarea cuvintelor greceşti isos [egal, identic] + stasis [aşezare] ceea ce are semnificaţia de stabilitate egală, imobilitate echilibrată.
Cei doi termeni au fost inventaţi în 1882 de geologul american Clarence E. Dutton (1841–1912), care, în recenzia din 1882 la cartea geologului britanic Osmond Fisher (1817-1914) „Physics of the Earth`s Crust, 1881” nota în subsolul p. 289 :
- „ Într-o lucrare nepublicată1), am folosit termenii izostatic [engl. isostatic] şi izostazie [engl. isostasy] pentru a exprima această stare a suprafeţei terestre în care scoarţa pluteşte într-un substrat lichid sau foarte plastic…cred că izobaric era un termen de preferat dar el este deja folosit în hipsometrie.” [ 1) Lucrarea a fost publicată în anul 1889.]
Cuprins |
[modifică] Istoricul apariţiei şi dezvoltării Teoriei izostaziei
[modifică] Primele consemnări
Primele consemnări privind manifestări ale fenomenelor izostatice datează din perioada Greciei antice. Mai mulţi autori (printre care şi Aristotel) au consemnat faptul că în rocile de pe vârfurile unor munţi se găsesc fosile ale unor animale marine, concluzionând că acestea s-au format în mare şi apoi au ajuns în poziţia actuală, dar ei nu indică nici un mecanism plauzibil pentru acest fenomen.
În sec. XV, în perioada renaşterii, Leonardo da Vinci (inginer, artist şi umanist italian,1452-1519), postulează în însemnările sale că „diminuarea greutăţii munţilor prin eroziune face ca procesul de înălţare a acestora, început cu mult timp în urmă, să continue şi azi”.
[modifică] Primele idei
Apariţia primelor idei şi ipoteze cu privire la ceea ce azi este cunoscut sub numele de izostazie este legată de una din controversele ce au frământat lumea ştiinţifică de la sfârşitul sec. al XVII - lea: stabilirea formei Pământului (turtit la poli sau la ecuator).
Măsurarea meridianului terestru a elucidat această dilemă dar a generat o altă problemă de geodezie: găsirea unei explicaţii pentru diferenţa dintre valoarea observată sau măsurată şi valoarea teoretică a abaterii verticale observată lângă mase semnificative (lanţuri muntoase mari).
Explicarea acestei discrepanţe a condus l-a descoperirea anomaliilor locale ale câmpului gravitaţional terestru, a determinat modificarea conceptelor privind compoziţia şi structura straturilor superioare ale Pământului, şi, în subsidiar, la emiterea în anul 1885 de către Airy şi Pratt a celor două ipoteze izostatice diferite dar complementare.
În 1749, matematicianul şi astronomul francez Pierre Bouguer (1698 - 1758) publică lucrarea Figure de la Terre, unde consemnează că „valoarea observată a abaterii verticale lângă Anzii peruvieni era mult prea mică faţă de valoare calculată în baza unui model folosit de el (un lanţ muntos cu o masă semnificativă, aşezat pe o scoarţă rigidă normală, care exercită o forţă de atracţie gravitaţională asupra firului cu plumb).
În 1755, astronomul şi matematicianul italian R. G. Boschowich, (1711-1787) dă o explicaţie pentru problema care la nedumerit pe Bouguer: „excesul de masă al muntelui este compensat într-un fel de deficitul de masă din straturile mai profunde, de sub munte". Deşi valoroasă, ideea a avut un impact mic asupra gândirii geologice din timpul său.
Prin anii 1802, rezultatele lui Bouguer sunt confirmate de către geograful şi geologul german Alexander von Humboldt (1769-1859) care, în urma executării unor măsurători geodezice în Anzi sugerează că „în aceşti munţi ar putea exista caverne”.
În 1836, legat de teoria contracţiei, matematicianul englez John Federick Wiliam Herschel (1792-1871) scrie într-o scrisoare adresată geologului englez C. Lyell (1797-1875), că, în opinia sa, „scoarţa Pământului este într-un echilibru dinamic cu substratul de dedesubt numit de el marea de lavă”. Ideea a fost preluată şi dezvoltată mai târziu (1847) de matematicianul englez Charles Babbage (1790-1871).
În 1840 geologii francezi Ours-Pierre-Armand Petit Dufrénoy (1792-1857) şi Elie de Beaumont (1798-1874) observă în Pirinei o abatere negativă de la verticală pe care o explică astfel: „scoarţa situată sub munte nu poate fi decât mai puţin densă decât densitatea medie a rocii din jurul ei”.
În decembrie 1854, matematicianul englez Henry Pratt (1809-1871), într-o comunicare făcută la Royal Society arată că adevăratul motiv al discrepanţei constatate de topometrul şi geograful englez George Everest (1790-1866), între distanţele calculate prin triangulaţie şi cele determinate prin măsurători astronomice pentru două staţii (Kalina şi Kaliaanpur) din apropierea munţilor Himalaia, India, nu este cel indicat de acesta (un elipsoid de referinţă incorect ales şi mici erori de închidere în măsurătorile de triangulaţie). Pratt reia ideea lui Bourger (atracţia gravitaţională a muntelui perturbă local direcţia firului cu plumb ceea ce introduce erori în poziţia astronomică dacă pentru stabilirea acesteia se foloseşte această direcţie). Pentru calcule, Pratt împarte muntele Himalaia într-un număr de „compartimente”, calculează atracţia gravitaţională pentru fiecare „compartiment” şi însumează rezultatul. El ajunge la concluzia că muntele are o masă suficient de mare pentru a determina o abatere de la verticală de 3 ori mai mare decât cea observată, afirmă că nu înţelege cauza acestei diferenţe, dar că va investiga problema mai târziu.
[modifică] Formularea primelor ipoteze
Pentru a explica anomalia gravitaţională negativă locală observată în aproprierea munţilor (scăderea atracţiei gravitaţionale), Pratt şi Airy au emis în perioada 1854-1870, două ipoteze diferite şi complementare, ambele fiind caracterizate mai târziu ca izostatice. Atât Airy cât şi Pratt presupun că iregularităţile suprafeţei terestre sunt echilibrate de diferenţele de densitate a rocilor de sub elementele topografice ale scoarţei terestre. Esenţa (în ambele ipoteze), este că coloanele de rocă de secţiune egală situate deasupra unui anumit nivel din stratul profund al Pământului, numit „nivel de compensaţie” sunt egale în greutate (sub „nivelul de compensaţie” densitatea rocilor este aceeaşi peste tot). Diferenţa fundamentală între cele două ipoteze este că la Pratt cota „nivelului de compensaţie” este uniformă (aceeaşi peste tot, sub continente cât şi sub oceane) iar densitatea rocilor ce formează coloanele este variabilă pe verticală, în timp ce la Airy cota „nivelului de compensaţie” este variabilă iar coloanele, pe toată înălţimea lor, au o densitate uniformă.
[modifică] Ipoteza lui Airy
În 1855, la puţin timp după după comunicarea din 1854 a lui Pratt, astronomul englez George Biddell Airy (1801-1892) prezintă o comunicare la Royal Society în care oferă o altă explicaţie pentru discrepanţele constatate de G. Everest, bazată pe concepte simple de fizică şi nu pe calcule matematice. Spre deosebire de Pratt, Airy nu este surprins de discrepanţe, pe care, spune el, le anticipase.
În concepţia lui Airy, straturile superioare ale Pământului consistă dintr-o coajă subţire, rigidă şi friabilă ce acoperă un substrat (numit de el „lavă”) mult mai fluid şi mai dens. În anumite condiţii la marginea regiunilor înalte (cum ar fi platourile continentale) apar fisuri sau crăpături. Airy compară starea scoarţei menţinându-se pe „lavă” cu starea unor bucăţi de lemn cu diferite forme şi secţiuni plutind în apă.
Făcând o analogie cu aisbergurile, Airy sugerează că sub regiunile înalte (cum ar fi platourile continentale) sunt regiuni cu o densitatea mai mică (există un deficit de masă) ca şi cum scoarţa mai uşoară ar fi substituit „lava” mai grea (scoarţa s-a extins în „lava” subiacentă). Prin urmare, regiunilor înalte le corespund în profunzime „rădăcini” sau „extensii” ce pătrund în materialul interior al Pământului aşa cum aisbergurile se prelungesc sub suprafaţa apei. Cu cât este mai mare altitudinea topografiei, cu atât mai profundă este penetraţia „rădăcinii”.
[modifică] Ipoteza lui Pratt
În 1858, într-o altă comunicare, Pratt critică ideile lui Airy (ce nu erau în concordanţă cu teoria contracţiei al cărui adept era Pratt), reluând şi dezvoltând ideile sale (enunţate în 1857) cu privire la echilibrul straturilor superioare ale Pământului.
Conform lui Pratt, sub nivelul mării (atât sub oceane cât şi sub continente), scoarţa terestră are o grosimea constantă. Echilibrul se realizează în profunzime, la o adâncime constantă (nivel de compensaţie), aceeaşi sub continente şi oceane. Aceasta implică variaţia densităţii rocilor în funcţie de relief: cu cât este mai mare altitudinea reliefului la suprafaţă, cu atât este mai mică densitatea rocilor de dedesubt.
În 1864 şi 1870 Pratt prezintă alte două comunicări la Royal Society în care-şi expune punctul său de vedere (bazat pe teoria contracţiei), cu privire la cauza existenţei depresiunilor şi elevaţiilor de la suprafaţa Pământului: acestea sunt produsul contracţiei şi dilatării termice.
[modifică] Completarea celor două ipoteze
În 1881, geologul britanic Osmond Fisher (1817-1914) publică lucrarea „Physics of the Earth`s Crust, 1881” unde combate teoria contracţiei şi completează conceptul izostatic cu o precizare importantă: scoarţa trebuie să fie într-o stare de echilibru hidrostatic aproximativ astfel că orice creştere majoră a încărcării unei regiuni va produce o coborâre a acesteia şi orice descărcare majoră a ei va produce o înălţare. Fisher face şi o analogie între scoarţă şi gheaţa care se sparge în blocuri ce se înalţă sau coboară, reîngheaţă şi plutesc în continuare deasupra apei.
În 1882, ofiţerul şi geologul american Clarence E. Dutton (1841–1912), dă un nume acestei stări de echilibru pe care-l propune comunităţii ştiinţifice în 1889 (vezi Etimologie). Contribuţia majoră a lui Dutton la dezvoltarea izostaziei constă însă în faptul că, preluând şi dezvoltând ideile lui Fisher evidenţiază importanţa acesteia pentru geologie: prin izostazie pot fi explicate destule realităţi şi fenomene geologice, printre care fenomenul de subsidenţă a bazinelor sedimentare şi înălţarea progresivă a lanţurilor muntoase. În viziunea sa, ambele fenomene sunt rezultatul reechilibrării izostatice a unor regiuni unde s-au produs perturbaţii majore a încărcărilor prin sedimentare, respectiv eroziune.
[modifică] Modelul Pratt - Hayford
În 1899, inginerul şi geodezul american John Fillmore Hayford (1868-1925) pune într-o formă mai precisă modelul de compensare izostatică propus de Pratt:
Presiunea la baza unei coloane de rocă situate:
Pentru echilibrul izostatic avem: PC=PZC=POC=constant de unde rezultă densitatea rocii dintr-o coloană de rocă situată sub munte [ρc] sau sub bazinul oceanic [ρoc]. |
 |
[modifică] Modelul Airy-Heiskanen
|
În 1931, geofizicianul finlandez Weikko Aleksanteri Heiskanen (1895-1971) face acelaşi lucru pentru modelul de compensare izostatică propus de Airy:
Presiunea la baza unei coloane de rocă situate:
Pentru echilibrulizostatic avem: PC=PZC=constant de unde rezultă grosimea rădăcinii [r] şi anti-rădăcinii [rar]. |
|
[modifică] Teoria modernă a izostaziei
Deşi în multe cazuri cele două mecanisme de compensare izostatică propuse de Airy şi Pratt explică destul de bine mişcările verticale ale scoarţei şi anomaliile gravitaţionale locale, (de mică întindere în plan orizontal), în acest stadiu de dezvoltarea al teoriei izostaziei era larg acceptată ideea că în raport cu structura reală a Pământului, aceste mecanisme erau excesiv de simplificate:
- faptul că în ambele modele, ca răspuns la modificarea sarcinii, compensare izostatică se realiza prin deplasări verticale independente ale coloanelor de rocă (în sus sau în jos), fără transmiterea de eforturi coloanelor de rocă adiacente, nu coincidea evident cu realitatea (aceast mecanism implică faptul că rezistenţă la forfecare a rocilor este nulă (σxz=0), fapt contrazis de realitate - vezi stabilitatea pantelor.
- pe de altă parte, în baza acestor modele nu se puteau explica existenţa anomaliilor gravitaţionale globale (de mare întindere în plan orizontal) din scoarţa continentală.
[modifică] Contribuţia lui Barrell. Sistemul litosferă/astenosferă
Între anii 1914-1915, plecând de teoria izostaziei şi bazându-se pe studiul unor mari anomalii gravitaţionale din scoarţa continentală, geologul american Joseph Barrell (1869 -1919) dezvoltă într-o serie de lucrări ideea că porţiunea din scoarţă aflată imediat deasupra nivelului de compensaţie trebuie să fie rigidă (altfel aceasta nu ar putea suporta greutatea munţilor) şi introduce conceptul geofizic de litosferă (stratul rigid şi tare de la suprafaţa globului format din scoarţa terestră şi partea superioară a mantalei terestre - mantaua litosferică -, cu un comportament de solid elastic ce manifestă o anumită rezistenţă la eforturile aplicate în intervale de timp geologice şi unde deformaţiile sunt întotdeauna reversibile) cuplată mecanic cu partea mai profundă a mantalei terestre, astenosfera (substrat ductil/maleabil cu o rigiditate mult mai mică, având comportamentul unui solid deformabil care, pentru a menţine compensarea izostatică, poate „curge” foarte încet, în perioade de timp geologice) :
- „…Teoria izostaziei arată că sub litosferă trebuie să existe în contrast un substrat dens caracterizat prin capacitatea de a se deforma cu uşurinţă cu o valoare limitată la eforturi de lungă durată. Dar dacă o astfel de zonă există ea trebuie să exercite un control fundamental în mecanica terestră, atât asupra deformaţiilor verticale cât şi a celor tangenţiale …. Acest strat se poate numi sfera de slabă rezistenţă – astenosfera , …” (J. Barrell, „Strength of the Earth's Crust”, Journal of Geology”, vol. 22 şi 23, 1914–1915).
Diferenţa dintre litosferă şi astenosferă constă doar într-un comportament mecanic diferit (elastic, respectiv plastic) cauzat de creşterea temperaturii cu adâncimea. Barrel fixează graniţa dintre cele două straturi la o adâncime de cca. 100 km (azi aceasta nu apare ca o suprafaţă de separaţie ci mai degrabă ca o zonă de tranziţie care începe la o adâncime de cca. 60 km).
Modelul propus de Barrell este similar cu modelul Airy în care compensarea izostatică se realizează prin modificarea grosimii scoarţei terestre, dar, diferă prin faptul că ţine cont şi de rezistenţa la forfecare a litosferei, iar compensarea izostatică se produce în astenosferă.
[modifică] Izostazia „locală” şi „regională”. Modelul Vening-Meinesz
|
Geodezul şi geofizicianul olandez Felix Andries Vening Meinesz (1887-1966) plecând de la de la faptul că anomaliile gravitaţionale de mare întindere (regionale descoperite şi măsurate de el în perioada 1923-1939,(atât la nivelul foselor oceanice cât şi la frontiera continentală)nu puteau fi explicate prin izostazia clasică (Airy şi Pratt), reia ideile lui Barrell(flexura unei litosfere elastice) şi lărgeşte conceptul clasic de izostazie care, începe să fie cunoscut sub numele de conceptul de izostazie regională. Meinesz introduce conceptul de izostatzie regională în care mecanismul de compensare izostatică se realizează nu numai local, pe o direcţia verticală, ci şi lateral, în regiunea din imediata vecinătate a încărcării („rădăcina” este mult mai extinsă decât suprafaţa pe care este aplicată sarcina, sau, cu alte cuvinte, elasticitatea scoarţei distribuie greutatea unei încărcări topografice (un munte) într-o regiune mai întinsă decât suprafaţa ocupată de aceasta la suprafaţă Pământului. Perimetrul acestei regiuni, în care este distribuită compensarea este specificată de un parametru [R] numit raza de regionalitate care este de ordinul a 200 km. Meinesz consideră că litosfera poate suporta tensiuni laterale importante şi se poate deforma sub acţiunea forţelor sau a tensiunilor ce acţionează la o scară de timp geologică. |
|
Meinesz face distincţie între scoarţa „chimică” care este subiectul izostaziei lui Airy şi scoarţa „elastică” definită reologic, şi propune (1939, Vening-Meinesz, F. A., „Tables fondamentales pour la reduction isostatique regionale. Bull.Geod., 63, 711–776„) un model pentru sistemul litosferă/astenosferă, în care litosfera, având densitatea ρl pluteşte pe astenosfera (stratul subiacent) ce are densitatea ρa > ρl. Litosfera este modelată printr-o placă elastică subţire infinită (nedivizată în blocuri) iar astenosfera este privită ca un fluid perfect, incompresibil şi fără viscozitate. Topografia este privită ca o sarcină verticală, având o anumită geometrie şi o anumită distribuţie. Sub efectul acestei sarcini apar:
- în plan vertical: flotabilitatea, datorată diferenţei de densitate dintre densitatea litosferei şi a mantalei litosferice [Δρ = ρa - ρl];
- în planul orizontal: eforturi laterale datorate rezistenţei la încovoiere a plăcilor litosferice (rigiditatea flexurală).
Litosfera va răspunde analog cu o placa elastică subţire: se deformează (se produce o flexură). Elementele geometrice ale flexurii depind de mărimea, geometria şi densitatea sarcinii şi de proprietăţile mecanice ale plăcii elastice, care sunt reprezentate prin:
- grosimea elastică a litosferei [Te] care reprezintă o integrare spaţială şi temporală la scară geologică a proprietăţilor mecanice a litosferei şi nu corespunde deci unei limite geologice distincte ;
- rigiditatea flexurală a litosferei [D] care este relaţionată cu grosimea elastică prin formula D=ETe3/12(1-ν2), unde E este modulul lui Young iar ν este coeficientul lui Poisson.
După 1941, ca urmare a studiilor lui Vening Meinesz, conceptul de izostazie regională şi faptul că litosfera se comportă aproximativ ca o placă subţire în răspunsul la încărcări a fost larg acceptat.
Izostazia regională presupune că încărcările sunt suportate parţial de tensiunile din litosfera elastică şi parţial de anomaliile în flotabilitate generate de deformarea litosferei ce acoperă o astenosferă fluidă (Gunn, Ross, 1943 „A quantitative evaluation of the inuence of the lithosphere on the anomalies of gravity. J. Franklin. Inst., 236, 47/65”).
O grosime elastică [Te] mare corespunde la o litosferă tare în care eforturile elastice susţin o fracţiune semnificativă din încărcare şi litosfera rezistă la încovoiere rezultând o flexură de dimensiuni mici, pe când o grosime elastică mică implică un grad de rezistenţă la eforturi mic ce va conduce la o flexură de dimensiuni mari.
[modifică] Izostazia flexurală
În ultimele decade ale sec. XX, flexura litosferei propusă de Barrell (1914), aplicată (şi consacrată) de Vening Meinesz la măsurătorile gravitaţiei în oceane (1941) a fost studiată şi cuantificată de mulţi alţi cercetători. După 1943 izostazia regională, a început să fie cunoscută sub numele de izostazie flexurală.
Deformaţia litosferei este controlată într-o mare măsură de grosimea acelei părţi din ea care poate susţine eforturile (tensiunile) elastice pe perioade lungi.
În general grosimea sa este estimată folosind corelaţia dintre gravitaţie şi topografie, pentru stabilirea căreia se folosesc metode spectrale (Dorman and (Lewis 1970, (McKenzie şi (Bowin 1976, (Banks 1977, (Forsyth 1985, sau prin <i?modelarea directă în domeniul spaţial (Gunn 1943, Walcott 1970 şi 1976, (Watts şi (Cochran 1974, (Watts 1978 şi 1980).
[modifică] Echilibrul izostatic
Stare ideală de echilibru spre care tinde sistemul format din straturile superioare ale suprafeţei terestre, litosfera şi astenosfera. Se consideră că:
- litosfera este mai puţin densă (deci mai uşoară) decât astenosfera şi se comportă ca un rigid elastic ;
- astenosferaeste mai densă (deci mai grea) decât litosfera şi se comportă ca un fluid vâscos;
- datorită diferenţei de densitate, litosfera „pluteşte” în stratul subiacent, astenosfera ;
- singurele forţe care acţionează asupra sistemului sunt forţa gravitaţională (greutatea rocilor litosferice() şi forţa de flotabilitate datorată „plutirii” litosferei în astenosferă
- principiul lui Arhimede este aplicabil sistemului.
O consecinţă a acestor ipoteze este că are loc o ajustarea a altitudinii litosferei prin deplasări pe verticală (suprafaţa pământului se mişcă în sus şi în jos). Echilibrarea celor două forţe conduce la dispariţia acestor deplasări şi intrarea sistemului în stare de echilibru izostatic.
Într-un aproximare grosieră (forma simplă a teoriei) se poate spune că izostazia este principiul lui Arhimede aplicat straturilor superioare ale Pământului. În această formă simplă, izostazia arată că blocurile de scoarţă terestră (mai puţin dense şi mai uşoare) „plutesc” în substratul mai dens (mantaua superioară) la fel cum plutesc în apă bucăţi din materiale mai puţin dense decât aceasta (bucăţi de lemn, aisberguri etc.)
Analogie între echilibrul hidro-static [A] şi echilibrul izo-static [B]
izostatic_1.gif
izostatic_2.gif
[modifică] Teoria izostatziei
Izostazie termică
modificarea temperaturii şi densităţii în interiorul Pământului - efect local
Izostazie glaciară
fenomenul de încărcare şi descărcare produs de greutatea gheţii - efect local 1 cm/an
Hidro izostazie
fenomenul de încărcare şi descărcare produs de greutatea apei - efect local
Izostazie vulcanică
extruziunea magmatică - efect local
Izostazie sedimentară
eroziunea şi depunerea sedimentelor - efect local < 4 mm/an
Informaţii complementare
Anthony B. Watts, Isostasy and flexure of the lithosphere, Cambridge University Press, 2001
Referinţe externe
