Изостaзия

ИЗОСТАЗИЯ (от изо... и греческий στάσις - состояние), состояние механического равновесия поверхностной оболочки Земли, при котором на некоторой глубине (обычно принимаемой равной 100-150 км) в верхней мантии давление вышележащих пород становится одинаковым. В этом случае избыток или недостаток масс на поверхности Земли компенсируется соответствующим перераспределением масс в её недрах.

Данные о том, что вес горного сооружения компенсируется более лёгкими массами на глубине, впервые получил П. Бугер в 1749 году. Проанализировав результаты экспедиции 1736, он обнаружил, что в предгорьях Анд угол уклонения отвеса от вертикали значительно меньше того, который должны создавать массы горного рельефа. Р. Бошкович в 1755 объяснил этот эффект разогревом пород под горами, приводящим к подъёму земной поверхности и понижению плотности пород на глубине. Позднее в 19 веке аналогичные расхождения были обнаружены при проведении геодезических съёмок в предгорьях Гималаев под руководством английского геодезиста Дж. Эвереста. В 1855 году английский астроном Дж. Б. Эри для объяснения этого расхождения предположил, что однородная по плотности земная кора тем глубже погружается в подстилающую мантию, чем больше толщина коры. В модели Эри чем больше возвышение гор, тем глубже уходят их корни. Английский учёный Дж. Пратт в 1858 году предложил схему, в которой дополнительный вес гор компенсируется изменением плотности пород земной коры: на подошве коры (которую он считал плоской) давление везде одинаково, средняя плотность пород земной коры под горами меньше, а под впадинами - больше. В обеих моделях кора плавает в вязкой мантии в соответствии с законом Архимеда, т. е. находится в состоянии гидростатического равновесия. Термин «изостазия» был введён в 1882 году американским учёным К. Деттоном.

В схемах Эри и Пратта равновесие устанавливается локально, в каждом выделенном вертикальном столбе пород (рис.). В то же время многие факты указывали на то, что небольшие поверхностные нагрузки могут длительное время поддерживаться за счёт так называемой прочности литосферы. Понятие прочности литосферы ввёл в теорию изостазии американский геолог Г. К. Джильберт в 1890 году. Он исследовал древнее ледниковое озеро Бонневилл, существовавшее на месте современного Большого Солёного озера. Подъём дна озера после его пересыхания оказался заметно меньше, чем требует схема локальной компенсации, что указывает на то, что литосфера обладает длительной прочностью. Американский геолог Дж. Баррелл в 1914-15 и нидерландский геофизик Ф. Вейнинг-Мейнец в 1931 развили эту схему изостатической компенсации. Они предположили, что верхняя часть литосферы является упругой, и использовали решение задачи об изгибе внешними силами упругой плиты, плавающей на жидком основании. Такая компенсация называется региональной, поскольку область прогиба земной коры под действием веса горного сооружения оказывается шире самого сооружения, а вес каждого вертикального столба пород неодинаков.

Чем холоднее литосфера, тем больше вклад прочности литосферы в изостатическую компенсацию. Региональная компенсация приближается к локальной с увеличением пространственного размера структур и с течением времени (упругие напряжения постепенно релаксируют). Модифицированная схема Пратта использовалась в США для увязки геодезических измерений при создании единой триангуляционной сети. В Европе для этих целей использовалась модифицированная схема Эри.

В целом схема Пратта лучше описывает области подъёма разогретого мантийного материала (мантийные плюмы), а схема Эри - крупные осадочные бассейны и горные сооружения. В то же время современные геофизические данные свидетельствуют о том, что мощность и плотность литосферы значительно меняются по горизонтали, а равновесие поверхностной оболочки Земли является динамическим и устанавливается с участием всех трёх перечисленных механизмов компенсации. Имеются данные о том, что поверхностные структуры Марса, Венеры и, возможно, Луны в той или иной степени изостатически скомпенсированы.

Многие тектонические процессы (рифтогенез, орогенез) нарушают изостатическое равновесие, которое с течением времени восстанавливается за счёт так называемых изостатических движений. К таким движениям относится, в частности, погружение осадочных бассейнов под действием веса накапливающихся осадочных толщ и наблюдаемый в настоящее время подъём Канадского и Балтийского щитов после таяния ледников последней ледниковой эпохи.

Различные модели изостатической компенсации используются для вычисления так называемых изостатических аномалий гравитационного поля, в которых более чётко проявляются глубинные неоднородности плотности. Изостазию  необходимо учитывать для правильной оценки амплитуды тектонических движений: эрозия гор вызывает их дополнительное поднятие, а заполнение впадин осадками вызывает их дополнительное погружение, что в несколько раз увеличивает суммарную амплитуду движений.

Лит.: Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. М., 1985. Ч. 1.