Geologia Fizyczna, Wydanie Pierwsze Uniwersytetu Saskatchewan

Płaszcz jest zdolny do konwekcji, ponieważ może deformować się poprzez przepływ w bardzo długich skalach czasowych. Oznacza to, że płyty tektoniczne unoszą się na płaszczu, jak tratwa unosząca się na wodzie, a nie spoczywają na płaszczu, jak tratwa siedząca na ziemi. To, jak wysoko unosi się litosfera, zależy od równowagi między grawitacją ciągnącą litosferę w dół, a siłą wyporu, gdy płaszcz opiera się ruchowi litosfery w dół. Izostaza to stan, w którym siła grawitacji ciągnąca płytę w kierunku centrum Ziemi jest równoważona przez opór płaszcza, który nie pozwala płycie zatonąć.

Aby zobaczyć, jak działa izostaza, rozważmy tratwy na rysunku 3.18. Tratwa po prawej stronie stoi na litym betonie. Tratwa pozostanie na tej samej wysokości bez względu na to, czy będą na niej dwie osoby, czy cztery, ponieważ beton jest zbyt mocny, aby się odkształcić. W przeciwieństwie do tego, izostaza jest w grze dla tratwy po lewej, która pływa w basenie pełnym masła orzechowego. Z jedną osobą na pokładzie tratwa unosi się wysoko w maśle orzechowym, ale z trzema osobami niebezpiecznie nisko tonie. W tym przykładzie użyto masła orzechowego, a nie wody, ponieważ lepkość masła orzechowego (jego sztywność lub opór przy płynięciu) lepiej oddaje związek między płytami tektonicznymi a płaszczem. Chociaż masło orzechowe ma podobną gęstość do wody, jego wyższa lepkość oznacza, że jeśli osoba zostanie dodana do tratwy, zajmie to więcej czasu, aby tratwa osiadła niżej w maśle orzechowym, niż zajęłoby tratwie zatopienie się w wodzie.

Zależność skorupy ziemskiej od płaszcza jest podobna do zależności tratwy od masła orzechowego. Tratwa z jedną osobą na niej unosi się wygodnie wysoko. Even with three people on it the raft is less dense than the peanut butter, so it floats, but it floats uncomfortably low for those three people. Skorupa, o średniej gęstości około 2,6 g/cm3, jest mniej gęsta niż płaszcz (średnia gęstość ~3,4 g/cm3 przy powierzchni, ale większa na głębokości), więc unosi się na płaszczu. Gdy w procesie budowania gór do skorupy ziemskiej dodawany jest ciężar, skorupa powoli zapada się głębiej w płaszcz, a materiał płaszcza, który się tam znajdował, jest spychany na bok (rysunek 3.19, po lewej). Gdy erozja usuwa materiał z gór przez dziesiątki milionów lat, zmniejszając ich masę, skorupa odbija się, a skały płaszcza wypływają z powrotem (Rysunek 3.19, po prawej).

Isostaza i odbicie lodowcowe

Skorupa i płaszcz reagują w podobny sposób na zlodowacenie. Grube akumulacje lodu lodowcowego zwiększają ciężar skorupy, a skorupa osuwa się, spychając płaszcz z drogi. Lądolód Grenlandii, o grubości ponad 2500 m, obniżył skorupę ziemską poniżej poziomu morza (Rysunek 3.20a). Gdy lód w końcu stopnieje, skorupa i płaszcz powoli odbiją się (Rysunek 3.20b), ale pełne odbicie zajmie prawdopodobnie ponad 10 000 lat (Rysunek 3.20c).

Duże części Kanady wciąż się odbijają w wyniku utraty lodu lodowcowego w ciągu ostatnich 12 000 lat, podobnie jak inne części świata (Rysunek 3.21). Największe tempo wypiętrzania występuje na dużym obszarze na zachód od Zatoki Hudsona, gdzie lądolód Laurentide był najgrubszy i miał ponad 3000 m. Lód ostatecznie opuścił ten region około 8000 lat temu, a skorupa odbija się obecnie z prędkością prawie 2 cm/rok. Silne odbicie izostatyczne występuje także w północnej Europie, gdzie Fenno-Skandynawska Pokrywa Lodowa była najgrubsza, oraz we wschodniej części Antarktydy, która również doświadczyła znacznej utraty lodu w holocenie.

Odbicie lodowcowe w jednym miejscu oznacza osiadanie w otaczających je obszarach (Rysunek 3.21, regiony od żółtego do czerwonego). Regiony otaczające dawne lądolody Laurentide i Fenno-Scandian, które zostały uniesione, gdy skała płaszczowa została wypchnięta na bok i pod nimi, teraz osuwają się, ponieważ skała płaszczowa spływa z powrotem.

How Can the Mantle Be Both Solid and Plastic?

Można się zastanawiać, jak to możliwe, że płaszcz Ziemi jest stałą, sztywną skałą, a mimo to konwekcjonuje i płynie jak bardzo lepka ciecz. Wyjaśnienie jest takie, że płaszcz zachowuje się jak płyn nienewtonowski, co oznacza, że reaguje różnie na naprężenia w zależności od tego, jak szybko naprężenie jest przyłożone.

Dobrym przykładem zachowania nienewtonowskiego jest deformacja Silly Putty, który może się odbijać, gdy jest gwałtownie ściskany po upuszczeniu, i pęknie, jeśli się go gwałtownie pociągnie. Ale odkształca się w sposób płynny, jeśli naprężenie jest stosowane powoli. Siła grawitacji działająca przez kilka godzin może spowodować, że odkształci się on jak ciecz, kapiąc przez otwór w szklanym blacie (rysunek 3.22). Podobnie, płaszcz będzie płynął, gdy znajdzie się pod powolnym, ale stałym naprężeniem rosnącej (lub topniejącej) pokrywy lodowej.