Принципы изостазии (стр. 2 из 3)
Статистический анализ данных гравиметрических измерений как на суше, так и на море показывает, что аномалия Фая коррелирует с рельефом поверхности Земли или с погребенным под тонким слоем рыхлых осадков рельефом кристаллического фундамента (базальтового – в океанах). Поэтому в большинстве случаев по наблюденным локальным или региональным аномалиям в свободном воздухе практически невозможно судить о плотностных соотношениях перисферы без предварительного учета влияния топографии. Осреднение по 1´1° или 5´5° квадратам позволяет исключить сравнительно мелкие неровности и ошибки измерений, а также влияние коротковолнового рельефа. Это, в свою очередь, позволяет оценить аномальный эффект регионального порядка для сравнительно большого интервала глубин вплоть до астеносферного слоя. Выше было показано, что осредненные по крупным площадям аномалии Фая приближаются к высотным спутниковым и изостатическим аномалиям, что в первом приближении указывает на преимущественно коровое происхождение основной части аномального поля Dg. Следовательно, для получения представлений о плотностном состоянии крупных регионов на большей глубине мы должны пользоваться осредненными значениями поля в редукции Фая.
Сопоставление данных сейсмики о положении границы М с аномалиями в редукции Буге вскрывает еще одну закономерность. Существует и прямая, точнее, линейная зависимость между глубиной границы М и величиной Dg. Однако эта зависимость реализуется лишь в так называемых изостатически скомпенсированных областях, т. е. в областях, где выступы рельефа земной поверхности компенсируются соответствующими утолщениями коры снизу. Из этого правила исключаются океанические области, где за подошву коры берутся сейсмические границы 7,4 – 7,8 – 8,1 км/с, которые на самом деле являются лишь промежуточными коровыми границами (Орлёнок, 1980, 1982). Аномалии Буге на суше конформны поведению границы М. Осредненные по 3´3° квадратам аномалии Буге увеличиваются линейно с уменьшением средней высоты рельефа приблизительно на 95·10-5 м×с-2 на 1 км высоты суши. По Н. П. Грушинскому, зависимости аномалий Буге и высоты рельефа суши от глубины залегания границы М подчиняются следующему линейному закону: М = Мо + КDgБ; М = Мо¢+КН, где Н – средняя высота рельефа; DgБ – среднее значение аномалии Буге; М – мощность коры; К и Мо – коэффициенты, подлежащие определению. Например, для всей Земли Мо¢ = 35,0; К¢ = 0,073; Мо = 35,6; К = = 5,05. Только для суши Мо = 37,5; К = 0,059; М¢ = 37,7; К¢ = 1,84. Только для морей Мо = 30,8; К = 0,062; М0¢ = 28,1; К¢ = 3,35. Из этого следует главный вывод, что гравитационный эффект масс, распределенных в земной коре до границы М, значительно превышает эффект масс, распределенных глубже этой границы. Поэтому аномалии Буге в основном характеризуют (в региональном плане) совместное влияние мощности коры и особенности изменения плотности пород в ее пределах. Аномалия Фая менее чувствительна к таким изменениям, так как не учитывает промежуточные массы в этом диапазоне глубин. Таким образом, аномалия Буге более чувствительна к флуктуациям мощности и плотности коры, а аномалия Фая – к флуктуациям поверхностного рельефа. Изостатическая аномалия свободна от этих влияний, характеризует промежуточный уровень компенсации (между нулем и бесконечностью) и, как правило, имеет более сглаженный характер с амплитудой порядка ± 10×10-5 м×с-2.
В общем случае плотностные неоднородности верхних слоев перисферы (до границы М) уверенно определяются гармониками сферических функций, начиная с n ³ 6. Низшие гармоники (n £ 2) могут дать информацию о неоднородностях нижней мантии и внешнего ядра. Это, в частности, следует из того, что ширина аномалии силы тяжести в первом приближении пропорциональна глубине залегания аномалиеобразующих масс, хотя в ней, как и в магнитном поле, присутствует эффект влияния горизонтальной мощности аномалиеобразующего тела. Иными словами, чем шире аномалия, тем глубже расположены возмущающие массы. Дюрбаум (1974) рассмотрел этот вопрос детально и показал, что большинство вычислительных схем определения верхних кромок аномальной гравитирующей массы сводится (для сравнительно простых форм) к определению половины ширины аномалии.
С учетом всего сказанного изостатическое редуцирование следует рассматривать как один из способов интерпретации гравиметрических наблюдений, соответствующих той или иной теоретической модели коры. Изостатические же аномалии будут характеризовать осредненную плотность верхов перисферы в региональных масштабах, но никак не их динамическое состояние. Для реализации последнего необходимы надежные сейсмические данные о положении границ раздела по всей тектоносфере. Однако таких данных ни по одному из регионов мы пока еще не имеем.
Постгляциальные движения Фенноскандии и других областей четвертичных оледенений
Идеи изостазии, основанные исключительно на данных измерений силы тяжести, с самого начала были весьма гипотетичными. Сегодня становится все более очевидным, что дефицит или избыток плотности обусловлен не простой схемой гидростатики Пратта или Эри, а существенной неоднородностью разреза коры и мантии в различных регионах. Вертикальные же движения обусловлены не перераспределением массы выветрелых пород на земной поверхности, а режимом активности астеносферы (Орлёнок, 1980). Блоки внешней каменной оболочки пассивно садятся в разуплотняющееся по мере дегазации и вулканизма пространство астеносферы без какой-либо существенной их переработки. В случае «базификации» сиализация мантии немедленно проявилась бы в изменении состава продуктов вулканизма, насыщении кремнеземом вод Мирового океана. Однако платобазальты океанических областей и гидросфера, наоборот, обеднены кремнеземом (Лисицын, 1974; Пронин, 1977). Более того, прогибание областей, как правило, начинается задолго до накопления сколько-нибудь значительных толщ осадков (синеклизы, океанические впадины и др.). Сейсмологические исследования последних лет показали, что астеносфера не образует сплошного слоя под подошвой перисферы Земли (Буллен, 1978; Кнопов, 1975; Рябой, 1979). Она отсутствует или редуцирована под щитами и горными поясами, а под континентальными платформами погружается на глубину более 100 км. В океанах в зонах тектонической активности кровля астеносферы лежит на 50 км выше и имеет мощность в 2 – 3 раза больше, чем под континентами, и практически отсутствует под котловинами. Следовательно, в масштабах Земли изостазия физически нереальна, во всяком случае, на уровне астеносферы. Аппроксимация же гидростатических условий на уровне 400 – 600 км весьма проблематична из-за существенного возрастания давления и сферичности Земли. Наличие негидростатических низких гармоник полей гравитации Земли, устанавливаемых по спутниковым данным (Джеффрис, 1960; Магницкий, 1965; Мельхиор, 1976), подтверждает сделанный вывод. Их сохранение не согласуется и с вязкоупругой моделью Земли.
В связи с вышеизложенным назрела необходимость в критическом пересмотре распространенных представлений о существовании так называемых гляциоизостатических поднятий на шельфах Арктики и Антарктики. В самом деле, масса 2 – 3 км призмы льда плотностью 0,97 г/см3 составляет менее 1% от массы 100 километровой каменной оболочки со средней плотностью 3,5 г/см3, на которую этот лед давит так, что она вжимается в астеносферу. Но последняя отсутствует под щитами, а давление легкого льда более чем в два раза меньше нормального горного давления, создаваемого осадочной толщей той же мощности. Следовательно, ни о какой изостазии не может быть речи. Мы можем допустить лишь сжатие первых сотен метров гранито-метаморфических пород. При средней пористости порядка 1% величина сжатия составит всего 10 м для толщи мощностью 1000 м. Поскольку с глубиной давление нагрузки быстро уменьшается по экспоненциальному закону (Джеффрис, 1960), было бы большим преувеличением экстраполировать ее на глубины более 100 км.
Поднятия, якобы фиксируемые разновозрастными террасами и минимумом силы тяжести (-25·10-5м×с-2) (Гутенберг, 1963), либо отсутствуют совсем, либо за таковые принимаются крылья блоков коры, противоположная часть которых опускается в глубине щита (качельный эффект). По данным Л. Кнопова (1975), отрицательные аномалии обусловлены недостатком масс, реализуемых ниже границы 400 км, либо особенностью строения всей вышележащей толщи пород щитов. Что же касается террас, то, как показали наши наблюдения, многие высокие террасы на побережье Арктики и Приантарктическом секторе выпиханы краями деградировавших шельфовых ледников, имевших мощность (высоту) многие десятки метров. Такие террасы часто врезаны в крутые стены фьордов и в берега островов и несут следы ледниковой шлифовки. Их можно наблюдать и по бортам современных высокогорных ледников. Более того, террасы обнаружены во внутренних частях Скандинавии на высотах от 600 до 1000 м, т. е. далеко за пределами наивысшего стояния уровня моря.
Таким образом, некоторые деформации поверхности щитов под мощными ледниковыми покровами Гренландии и Антарктиды отчасти могут быть вызваны сжатием и уплотнением первых нескольких тысяч метров горных пород, а не «изостатическим» вдавливанием 100 км толщи в несуществующую астеносферу.
Поверхности равного давления Р, определяемого выражением
(где g0 – значение силы тяжести на поверхности Земли в точке наблюдения; hi и ri – мощность и плотность слоев горных пород, слагающих разрез перисферы), будут иметь разную глубину под континентами и океанами и внутри этих областей, которые определяются мощностью и положением астеносферы (если таковая имеется) и плотностью вышележащих пород: 
. Это подтверждается отсутствием гидростатического равновесия Земли, устанавливаемым по эволюции орбит искусственных спутников Земли.