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地壳均衡原理(2)

时间:2010-01-29  归属:理论地理学

  设某一地体因地幔热膨胀而抬升,如果它的地壳厚度并没有变化,那么当地幔冷却并且恢复到原来所具有的密度时,该地体也只能下沉至原有的高度。但若在抬升过程中地壳已经发生变薄效应,那么地体有可能沉陷至更大的深度。这里应该注意的是,它与前面所述的地体越高、沉陷越深的结论并不矛盾,因为在上边的结论中假定地幔的密度不变,而在此处所叙述的却是地幔本身的密度发生了变化。

  以上分析,还未考虑到沉陷时所伴随的沉积作用。增加的沉积物载荷,无疑会使地体有进一步的陷落。当沉积物把地体压下去时,在其下的软流层物质便会移往别处。设软流层的平均密度为3.2克/立方厘米,沉积物的平均密度为2.4克/立方厘米,在接受沉积时,水体将被沉积物所置换,因此净增的密度值应为(2.4-1.0)=1.4克/立方厘米。由于3.2∶1.4≈2.3∶1,这就表明如果有2.3公里厚的沉积物时,可以把地体从原有的基础下压1公里。与此同时,再沉积与再沉陷的过程是持续进行的。

  此处可以探讨一下在沉积载荷条件下,依照均衡理论所推算的沉陷最终幅度。如图6-10所示。

  图6-10左边两个岩石柱A和B,地壳厚度原为H,地壳减薄量为△H,减薄后的

  地壳沉陷至水深h处。当这两个岩石柱处于均衡状态时,则M′N′面上所承受的压力相等,即

  H·ρc=h·ρw (H-△H)ρc (△H-h)ρm (6.31)

  该式中ρc,ρw和ρm分别表示地壳、水和地幔的密度,大致为2.8,1.0和3.3。经过整理后得出:

  

  由此可知,沉陷量h约为地壳减薄量的1/4.5。再如上图右边的两个岩柱所示,如果原有一个变薄了的陆壳(或洋壳)处于h公里的水深处,它在均衡下沉过程中,不断地接受了沉积物的填塞,并最终接受一厚度为L公里的沉积物。为使这两个岩石柱达到均衡,则MN面上所承受的压力应当相等,即

  h·ρw (L-h)ρm=L·ρs (6.33)

  上式中ρs代表沉积物的密度。将此式加以整理,即能得到

  

  通常将式中的(ρm-ρw)/(ρm-ρs)称为“扩大系数”,并用字母K表示,它取决于地幔密度、沉积物密度和水的密度。如果ρw=1.03,ρm=3.3,ρs=2.4,则K约等于2.5;在巨厚沉积层中,因沉积受压可致密度高达2.54,则此时扩大系数K约等于3.0,这就是说在均衡作用下所形成的沉积物厚度,可以达到原始水深h的2~3倍。以此可以解释在海洋中沉积物的厚度情况。

  现在再来观察图6-11所示的状况。

  图6-11中的岩石柱A代表厚度达30公里的正常大陆地壳,其余的岩石柱B、C、D、E、F代表地壳厚度依次减薄,从A到E分别为30公里,25公里,20公里,15公里和10公里,它们各自所处的水深分别为0,1.1公里,2.2公里,3.3公里和4.3公里。

  最右边的岩石柱F表示了一个厚度为5公里的大洋地壳,处于水深以下5.7公里处。假定以上所有的岩石柱,均以图上括号内所标的数值为其密度值,并且都处于均衡状态。同时进一步假设其均衡等压面位于100公里的深度处,则在这一底面上,单位面积所承受的压力,对于各个岩石柱来说均约等于3.15×107克/平方厘米。

  如果取扩大系数K=2.5,对于上图中的岩石柱E来说,即原始水深为4.3公里,地壳厚度为10公里时,它可以接受沉积物的厚度最大可达11公里;而在岩石柱A和B中,即水深为0~1.1公里,地壳厚度达30~25公里时,它可以接受的沉积物的最大厚度仅仅只有2~3公里。可以看出,以上数据虽然考虑的仅仅是均衡沉陷的理想化数值,但却合理地说明了地球表面上的一些实际状况。

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