Ruchy izostatyczne

W przypadku występowania sił dodatkowych, np. wskutek obciążenia lub odciążenia kontynentu, równowaga skorupy ziemskiej może ulec zaburzeniom. Kontynenty mogą się wówczas przesuwać ku górze lub na dół. W ten sposób bloki skorupy ziemskiej, dążą do uzyskania równowagi (izostazjiizostazjaizostazji) grawitacyjnej. Przez geologów proces ten nazywany jest ruchami izostatycznymi.

R1OWUhZIf5M2e

Grafika przedstawia głębokość ruchów izostatycznych przy różnej gęstości skorupy ziemskie wyrażonej w gramach na centymetr sześcienny w górach, wyżynach, nizinach, na dnach oceanów, na poziomie morza, na blokach skorupy ziemskiej oraz w astenosferze. Ruchy izostatyczne na obszarach górskich mogą zachodzić na głębokościach od 3 km przy gęstości 2,7 grama na centymetr sześcienny do 24 km przy gęstości do 3,18 gram na centymetr sześcienny w astenosferze. Izostazja na wyżynach zachodzi poniżej 3 km przy gęstości 2,72 grama na centymetr sześcienny do 50 km przy gęstości 2,92 grama na centymetr sześcienny w bloku skorupy ziemskiej. Izostazja na terenach nizinnych zachodzi od 2 km przy gęstości skorupy 2,76 grama na centymetr sześcienny do 50 km przy gęstości 2,96 oraz gęstości 3,14 w astenosferze. Ruchy izostatyczne na dnach oceanów zachodzą poniżej 5 km od powierzchni wody przy gęstości skorupy 2,76 grama na centymetr sześcienny do gęstości 3,06 w astenosferze. Izostazja na poziomie morza nie występuje.

Rozwój hipotez związanych z izostazją

Bodźcem do badań nad równowagą skorupy ziemskiej były zaskakujące wyniki pomiarów dotyczące przyciągania ziemskiego. Jak powszechnie wiadomo, przyciąganie ziemskie działa tak, jak gdyby cała masa Ziemi była skupiona w jej środku. Powoduje to, iż pion (czyli ciężarek zawieszony swobodnie na cienkiej lince) powinien wskazywać dokładnie kierunek ku środkowi Ziemi. Jednak już dość dawno stwierdzono istotne odstępstwa od tej prawidłowości. W XVIII wieku francuski geodeta Bouguer zauważył, że Andy nie przyciągają pionu w sposób, jaki należałoby oczekiwać, uwzględniając ich masę. Podobnych spostrzeżeń dokonali angielscy geodeci pod kierunkiem inż. George’a Everesta w trakcie pomiarów kontrolnych punktów triangulacyjnych na Nizinie Bengalskiej. W tym przypadku pion zdecydowanie odchylał się w kierunku pobliskich gór – Himalajów. Nieoczekiwane wyniki sprawiły, że zjawiskiem tym zainteresowało się dwóch badaczy. Pierwszym był John. H. Pratt (matematyk), a drugim George B. Airy (astronom). Oboje sformułowali dwie hipotezy wyjaśniające ten fenomen. Pratt przyjął, że skorupa ziemska składa się z bloków o różnej gęstości, mających wyrównaną podstawę i wynoszących się tym wyżej im są lżejsze. Miało to według niego sprawiać, że nacisk na dolną warstwę będzie wszędzie taki sam, a tym samym zachowany zostanie stan równowagi. Airy zmodyfikował opisaną teorię. Założył on bowiem, że skorupa ziemska składa się z dwóch głównych warstw charakteryzujących się różną gęstością. Według teorii górna warstwa jest lżejsza, a dolna cięższa. Aby zachować równowagę izostatyczną na obszarach górskich lżejsze masy mają większa grubość, sięgającą znacznie głębiej niż pod nizinami. Jednocześnie wznoszą się one odpowiednio wysoko ponad przeciętny poziom skorupy ziemskiej. Obrazowo można to przyrównać do zanurzenia brył lodu w wodzie. Im grubsza bryła lodu, tym większa jej część będzie znajdować się ponad wodą, a jednocześnie tym głębiej będzie się zanurzać, gdyż zawsze taka sama część bryły (np. ¼)  będzie wystawać nad wodę. Wynika to wprost z prawa równowagi hydrostatycznej – kra lodu musi tyle stracić na ciężarze ile waży wyparta przez nią woda i tylko wtedy może unosić się na wodzie.

W późniejszym czasie w oparciu o zaawansowane badania geofizyczne, hipoteza Airyego uległa niewielkim modyfikacjom. Uzupełniono ją m.in. o założenie, że kry skorupy ziemskiej nie są jednakowej gęstości, lecz ich gęstość wzrasta wraz z głębokością.

R88UIMTEpMnHe

Schemat przedstawia warunki równowagi izostatycznej skorupy ziemskiej. Są trzy ilustracje przedstawione za pomocą kolumn różnej wysokości z liczbami oznaczającymi zmianę gęstości skał. Kolumny są umieszczone na prostokątnej podstawie z napisem astenosfera i wartością 3.3. Pierwszy obrazek dotyczy astenosfery według hipotezy Pratta. Kolumny od lewej strony do prawej, umieszczone nad prostokątną podstawą z napisem astenosfera, mają następujące wartości: 3.0, 2.8, 2.7, 2.8, 3.0. Najwyższa jest kolumna z wartością 2.7, najniższe są kolumny zewnętrzne z wartością 3.0. Kolejne wartości dotyczą astenosfery według hipotezy Airyego. Wszystkie kolumny mają wartości 2.7. Kolumny zewnętrzne są najniższe, najwyższa jest kolumna środkowa. Kolumna środkowa oraz przylegające bezpośrednio do niej wchodzą dolną częścią nieznacznie w prostokąt z napisem astenosfera. Na ostatnim obrazku, przedstawiającym współczesną hipotezę Airyego, kolumny od lewej do prawej strony mają następujące wartości: 2.8, 2.7, 2.6, 2.7, 2.8. Najwyższa jest kolumna z wartością 2.6, najniższe są kolumny z wartościami 2.8. Na dole kolumn są wartości 3.0. Dolne części kolumny środkowej oraz bezpośrednio do niej przylegających po lewej i prawej stronie wchodzą nieznacznie w prostokąt z napisem astenosfera.

Przyczyny ruchów izostatycznych

Do głównych przyczyn mogących zaburzyć równowagę skorupy ziemskiej i wprawić ją w ruch (izostatyczny) zaliczamy:

• tworzenie i zanik pokryw lodowcowych,

• zmiany ilości wody w morzach (a prawdopodobnie także w dużych jeziorach),

• sedymentację, czyli przybywanie osadów,

• erozję, czyli ubytek skał,

• zwiększenie obciążenia skorupy w rezultacie ruchów górotwórczych.

Skutki ruchów izostatycznych

Do podstawowych skutków ruchów izostatycznych należą:

• pionowe przemieszczanie się fragmentów litosfery,

• zmiany linii brzegowej (transgresje i regresje morskie),

• zmiany bazy erozyjnej rzek.

Jednym z najbardziej popularnych przykładów trwających ruchów skorupy ziemskiej jest świątynia Serapisa w Pozzuoli k. Neapolu. Na kolumnach starożytnej świątyni widoczne są ślady drążenia przez małże skałotocze, pochodzące z okresu obniżenia się fragmentu płyty kontynentalnej poniżej poziomu morza.

RvEpZ53YBfTEK

Zdjęcie przedstawia ruiny świątyni. Pozostało po niej kilka kolumn. W tle stoją budynki miasta.

Podnoszenie się lądu w Skandynawii

Jednym z przykładów współczesnych ruchów izostatycznych jest podnoszenie się lądu Skandynawii i Finlandii. Skandynawia podnosi się od kilku tysięcy lat, od momentu uwolnienia (wytopienia) z ogromnego ciężaru lądolodu skandynawskiego. W czasie zlodowaceń obszar ten obniżył się o około 500 metrów. Aktualnie w następstwie ruchów izostatycznych linia brzegowa przesuwa się w stronę morza i wiele miejscowości (np. Tornea nad Zatoką Botnicką) oraz osad rybackich, położonych jeszcze w czasach historycznych nad brzegiem morza, dziś znajduje się w odległości nieraz kilkuset metrów od wybrzeża. Wytworzone na brzegu morza terasy morskie, dziś znajdują się w głębi lądu na wysokości kilkudziesięciu metrów (a miejscami powyżej 200 m). Oszacowano, że współcześnie podnoszenie się lądu wynosi w tym rejonie około 1 m na 100 lat. Jednak kilka tysięcy lat temu tempo to było znacznie szybsze i wynosiło kilka metrów na 100 lat.

W Finlandii spotkać można tablice obrazujące zasięg morza Bałtyckiego sprzed kilku tysięcy lat.

Dźwiganie Skandynawii następuje nierównomiernie, najsilniej w części środkowej – gdzie niewątpliwie pokrywa lodowa była najgrubsza i prawdopodobnie najmocniej wgniotła skorupę ziemską.

GlaciizostazjaglaciizostazjaGlaciizostazja jest to rodzaj izostazji, w której balans mas znajdujących się w skorupie ziemskiej zostaje zmieniony wskutek powiększania się lądolodów. Fragment skorupy ziemskiej zostaje obciążony przez lądolód przez co się obniża, zaś po jego wytopieniu teren powraca do równowagi wskutek wypiętrzania.

Rjg92Gm7cvJIT

Mapa przedstawia Skandynawię. Na mapę naniesiono linie zbliżone do owalu rozchodzące się koncentrycznie - od najmniejszej do największej od 9 do 0. Najmniejsza linia jest na obszarze Zatoki Botnickiej, oznaczono ją cyfrą 9. Największą oznaczono cyfrą 0 - obejmuje obszar nieco poza Skandynawią.

RSEVfqnOyglqU

Kolejne ilustracje przedstawiają zmianę poziomu Morza Bałtyckiego i przebiegu linii brzegowej Skandynawii w następstwie wytapiania się lądolodu. Na pierwszej ilustracji znajduje się Bałtyckie Jezioro Lodowe około 14 500 lat temu. Lód przykrywa całą Skandynawię oraz niemal cały obszar dzisiejszego Bałtyku. Na kolejnej ilustracji jest Bałtyckie Jezioro Lodowe około 11 700 lat temu - lód nieco ustąpił, odsłaniając sporą część dzisiejszego Bałtyku. Około 11 500 lat temu powstaje Morze Yolidowe. Odsłania się zachodnie wybrzeże Norwegii. Około 10 500 postaje Jezioro Ancylusowe. Na ilustracji lód pokrywa tylko niewielki obszar na północy Skandynawii i na południu. Około 8000 lat temu jest Morze Litorynowe - lód całkowicie ustąpił, odsłaniając ląd.

Opisane ruchy skorupy ziemskiej możliwe są dzięki własności podścielającej skorupę astenosferyastenosferaastenosfery. Ma ona w pewnym zakresie własności plastyczne i pod wpływem obciążenia przesuwa się na boki w kierunku obszarów nieobciążonych, co umożliwia obniżenie się skorupy. Stopienie się lodowca powoduje zanik dodatkowego obciążenia i powrotne przemieszczanie się mas w astenosferze czego skutkiem jest powrót skorupy do wcześniejszego położenia. Gdyby astenosfera była ciałem sprężystym i zachowywała się jak sprężyna przyciśnięta ręką, wówczas powrót do pierwotnego położenia skorupy ziemskiej byłby natychmiastowy. Astenosfera odkształca się jednak bardzo powoli, stąd też dźwiganie lądu następuje jeszcze długo po stopieniu się lodowca.

Ruchy izostatyczne w innych częściach świata

Ruchy izostatyczne obserwowane są także w innych częściach świata. Aktualnie wśród obszarów podnoszących się są wybrzeża północno‑wschodniej Azji, północno‑wschodnie Chiny, Sumatra, wschodnie wybrzeże Zatoki Meksykańskiej oraz Chile. Ruchy obniżające występują zaś na atlantyckim wybrzeżu Francji, Dalmacji, północno‑zachodniej Afryki, północno‑zachodniej Ameryki Południowej oraz południowej Grenlandii.

Słownik