Эрозия и тектоника

Взаимодействие эрозии и тектоники и их последствия

Взаимодействие эрозии и тектоники было предметом дискуссий с начала 1990-х годов. Хотя тектоническое воздействие на поверхностные процессы, такие как эрозия , уже давно признано (например, образование рек в результате тектонического поднятия ), противоположность (эрозионное воздействие на тектоническую активность) стала рассматриваться лишь недавно. ^[1] Основные вопросы, связанные с этой темой, заключаются в том, какие типы взаимодействия существуют между эрозией и тектоникой и каковы последствия этих взаимодействий. Хотя это все еще является предметом споров, ясно одно: ландшафт Земли является продуктом двух факторов: тектоники , которая может создавать топографию и поддерживать рельеф за счет поднятия поверхности и горных пород, и климата , который является посредником в эрозионных процессах, которые стирают возвышенность. области с течением времени. ^[2] Взаимодействие этих процессов может формировать, изменять или разрушать геоморфические объекты на поверхности Земли .

Взаимодействия и пути обратной связи для тектонических и эрозионных процессов

Тектонические процессы

Термин «тектоника» относится к изучению структуры поверхности Земли и того, как она меняется с течением времени. Тектонические процессы обычно происходят на границах плит, которые относятся к одному из трех типов: сходящиеся границы , расходящиеся границы или трансформные границы . ^[3] Эти процессы формируют и изменяют топографию поверхности Земли, эффективно увеличивая рельеф посредством механизмов изостатического поднятия , утолщения земной коры и деформации в виде разломов и складок . Увеличение высоты по сравнению с региональными базовыми уровнями приводит к более крутым уклонам русла рек и увеличению количества орографически локализованных осадков, что в конечном итоге приводит к резкому увеличению скорости эрозии. Топография и общий рельеф данной территории определяют скорость течения поверхностного стока , что в конечном итоге определяет потенциальную эрозионную силу стока. Более длинные и крутые склоны более склонны к более высокой скорости эрозии в периоды сильных дождей, чем более короткие, постепенно наклоненные участки. Таким образом, крупные горные хребты и другие районы высокого рельефа, образовавшиеся в результате тектонических поднятий, будут иметь значительно более высокие скорости эрозии. ^[4] Кроме того, тектоника может напрямую влиять на скорость эрозии в короткие сроки, как это ясно в случае землетрясений , которые могут вызвать оползни и ослабить окружающие породы из-за сейсмических возмущений.

Хотя тектоническое поднятие в любом случае приведет к той или иной форме повышения высоты и, следовательно, к более высоким темпам эрозии, основное внимание уделяется изостатическому поднятию, поскольку оно обеспечивает фундаментальную связь между причинами и последствиями эрозионно-тектонических взаимодействий.

Изостатическое поднятие

Понимание принципа изостазии является ключевым элементом понимания взаимодействий и обратных связей, присущих эрозии и тектонике. Принцип изостазии гласит, что, когда литосфера может двигаться вертикально, она плавает на соответствующем уровне в астеносфере, так что давление на глубине компенсации в астеносфере значительно ниже основания литосферы одинаково. ^[3] Изостатическое поднятие является одновременно причиной и следствием эрозии. Когда происходит деформация в виде утолщения коры, индуцируется изостатическая реакция, вызывающая опускание утолщенной коры, а окружающую более тонкую кору - поднятие. Возникающее в результате поднятие поверхности приводит к увеличению возвышений, что, в свою очередь, вызывает эрозию. ^[5] Альтернативно, когда большое количество материала вымывается с поверхности Земли, происходит подъем для поддержания изостатического равновесия. Из-за изостазии высокие скорости эрозии на значительных горизонтальных площадях могут эффективно поглощать материал из нижней коры и/или верхней мантии . Этот процесс известен как изостатический отскок и аналогичен реакции Земли после удаления крупных ледниковых щитов. ^[6]

Изостатическое поднятие и соответствующая эрозия ответственны за формирование геологических особенностей регионального масштаба, а также локализованных структур. Два таких примера включают в себя:

Образование речной антиклинали

• Континентальные щиты - как правило, большие участки низкого рельефа (<100 м) в земной коре , гдеобнажены докембрийские кристаллические магматические и высокометаморфические породы . ^[3] Щиты считаются тектонически стабильными областями по сравнению с активностью, происходящей на их окраинах и границах между плитами, но их формирование потребовало большого количества тектонической активности и эрозии. Щиты, наряду со стабильными платформами, являются основными тектоническими компонентами континентов, поэтому понимание их развития имеет решающее значение для понимания развития других особенностей поверхности Земли. Первоначально на краю сходящейся плиты формируется горный пояс. Преобразование горного пояса в щит в основном зависит от двух факторов: (1) эрозии горного пояса проточной водой и (2) изостатической корректировки, возникающей в результате удаления поверхностных пород в результате эрозии. Этот процесс эрозии, за которым следует изостатическая корректировка, продолжается до тех пор, пока система не достигнет изостатического равновесия. На этом этапе крупномасштабная эрозия больше не может происходить, поскольку поверхность эрозии опустилась почти до уровня моря, а поднятие прекращается из-за состояния равновесия системы. ^{[3] [7]}

• Речные антиклинали – геологические структуры, образовавшиеся в результате целенаправленного поднятия горных пород, лежащих под ограниченными областями с высокой эрозией ( т. е . реками). Изостатический отскок, возникающий в результате быстрого удаления вышележащей породы в результате эрозии, приводит к подъему ослабленных участков земной коры от вершины реки. Для того чтобы произошло развитие этих структур, скорость эрозии реки должна превышать как среднюю скорость эрозии территории, так и скорость поднятия орогена. Двумя факторами, влияющими на развитие этих структур, являются мощность течения соответствующей реки и изгибная жесткость земной коры в этом районе. Сочетание увеличения мощности потока с уменьшением изгибной жесткости приводит к переходу системы от поперечной антиклинали к речной антиклинали. ^[8]

Поток канала

Канальный поток описывает процесс, посредством которого горячий вязкий материал земной коры течет горизонтально между верхней корой и литосферной мантией и в конечном итоге выталкивается на поверхность. Эта модель направлена ​​на объяснение особенностей, общих для метаморфических внутренних территорий некоторых коллизионных орогенов , в первую очередь системы Гималаи - Тибетское нагорье . В горных районах с обильными осадками (следовательно, с высокой скоростью эрозии) образуются глубоко врезающиеся реки. По мере того, как эти реки истощают поверхность Земли, происходят две вещи: (1) давление на нижележащие породы уменьшается, что фактически делает их слабее, и (2) нижележащий материал перемещается ближе к поверхности. Это снижение прочности земной коры в сочетании с эрозионной эксгумацией позволяет отклонить поток нижележащего канала к поверхности Земли. ^{[9] [10]}

Эрозионные процессы

Естественная арка , образовавшаяся в результате эрозии разно выветрившихся пород в Джебель-Харазе ( Иордания ).

Термин «эрозия» относится к группе естественных процессов, включая выветривание , растворение, истирание, коррозию и транспортировку, в результате которых материал стирается с поверхности Земли для транспортировки и отложения в других местах.

• Дифференциальная эрозия – эрозия, которая происходит с неравномерной или различной скоростью, вызванная различиями в сопротивлении и твердости поверхностных материалов; более мягкие и слабые породы быстро изнашиваются, тогда как более твердые и устойчивые породы остаются, образуя хребты, холмы или горы. Дифференциальная эрозия, наряду с тектоническими условиями, являются двумя наиболее важными факторами, контролирующими эволюцию континентальных ландшафтов на Земле. ^[7]

Обратная связь эрозии с тектоникой дается перемещением поверхностных или приповерхностных масс (горных пород, почвы, песка, реголита и т. д.) на новое место. ^[1] Такое перераспределение материала может иметь глубокие последствия для состояния гравитационных напряжений в этом районе, в зависимости от величины перенесенной массы. Поскольку тектонические процессы сильно зависят от текущего состояния гравитационных напряжений, перераспределение поверхностного материала может привести к тектонической активности. ^[1] Хотя эрозия во всех ее формах, по определению, стирает материал с поверхности Земли, процесс массового истощения в результате глубокого речного разреза имеет самые серьезные тектонические последствия.

Массовое истощение

Осыпные шишки , образовавшиеся в результате массового истощения, северный берег Исфьорда , Шпицберген , Норвегия .

Истощение массы — это геоморфический процесс, при котором поверхностный материал перемещается вниз по склону, как правило, в виде массы, в основном под действием силы тяжести ^[11] . Когда реки стекают с крутых склонов гор, происходит глубокий разрез русла, поскольку поток реки истощает подстилающие породы. Большой разрез канала постепенно уменьшает величину гравитационной силы, необходимой для возникновения обвала склона, что в конечном итоге приводит к потере массы. ^[1] Удаление большого количества поверхностной массы таким способом вызовет изостатическую реакцию, приводящую к подъему до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Влияние на структурную эволюцию

Недавние исследования показали, что эрозионные и тектонические процессы влияют на структурную эволюцию некоторых геологических объектов, в первую очередь орогенных клиньев. Очень полезные модели песочницы, в которых горизонтальные слои песка медленно прижимаются к стопору, показали, что геометрия, структура и кинематика образования орогенных клиньев с эрозией и седиментацией и без них существенно различаются. ^{[12] [13]} Численные модели также показывают, что эволюция орогенов, их окончательная тектоническая структура и потенциальное развитие высокогорного плато чувствительны к долгосрочному климату над горами, например, концентрации осадков в горах. одна сторона орогена из-за орографического подъема при преобладающем направлении ветра. ^[14]

Смотрите также

• Динамическая топография
• Ледниковая циркулярная пила
• Орогенный коллапс
• Послеледниковый отскок

Рекомендации

1. Уиллетт, Шон Д.; Ховиус, Нильс; Брэндон, Марк Т.; и др., ред. (2006). «Тектоника, климат и эволюция ландшафта». Геологическое общество Америки . 398 .
2. Уиттакер, Александр К. (2012). «Как ландшафты фиксируют тектонику и климат?». Литосфера . 4 (2): 160–164. Бибкод : 2012Lsphe...4..160Вт. дои : 10.1130/RF.L003.1 .
3. ван дер Плюйм, Бен А.; Маршак, Стефан (2004). Структура Земли: введение в структурную геологию и тектонику (2-е изд.). Нью-Йорк: Нортон. ISBN 978-0-393-92467-1.
4. Перроу, Мартин Р.; Энтони Дж., Дэви, ред. (2008). «Принципы реставрации». Справочник по экологической реставрации . Том. 1 (Версия для цифровой печати. ​​Под ред.). Кембридж, Массачусетс: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-04983-2.
5. Браун, Майкл; Рашмер, Трейси, ред. (2006). Эволюция и дифференциация континентальной коры (Электронная печатная версия с исправлениями под ред.). Кембридж [ua]: Cambridge Univ. Нажимать. стр. 74–92. ISBN 978-0521782371.
6. «Изостатическое поднятие и поперечное сечение эрозии».
7. Хэмблин, В. Кеннет; Кристиансен, Эрик Х. (2004). Динамические системы Земли (10-е изд.). Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси [ua]: Пирсон, Прентис-Холл. ISBN 978-0131420663.
8. Монтгомери, Дэвид Р.; Столар, Дрю Б. (1 декабря 2006 г.). «Пересмотр антиклиналей гималайских рек». Геоморфология . 82 (1–2): 4–15. Бибкод : 2006Геомо..82....4М. doi :10.1016/j.geomorph.2005.08.021.
9. Годин, Л.; Груич, Д.; Право, РД; Сирл, член парламента (1 января 2006 г.). «Ранальный поток, пластичная экструзия и эксгумация в зонах столкновения континентов: введение». Лондонское геологическое общество, специальные публикации . 268 (1): 1–23. Бибкод : 2006GSLSP.268....1G. CiteSeerX 10.1.1.493.4667 . дои :10.1144/GSL.SP.2006.268.01.01. S2CID  56520730. 
10. «Простое сечение модели течения в земной коре» .
11. Монро, Джеймс С.; Викандер., Рид (2006). Меняющаяся Земля: изучение геологии и эволюции (4-е изд.). Австралия: Томсон Брукс/Коул. ISBN 978-0-495-01020-3.
12. Малавьей, Жак (январь 2010 г.). «Влияние эрозии, седиментации и структурного наследия на структуру и кинематику орогенных клиньев: аналоговые модели и тематические исследования» (PDF) . ГСА сегодня . 20 (1): 4–10. дои : 10.1130/GSATG48A.1.
13. Рост и эрозия орогенного клина на YouTube.
14. Гарсия-Кастелланос, Д., 2007. Роль климата в формировании высокогорных плато. Результаты численных экспериментов. Планета Земля. наук. Летт. 257, 372–390, doi:10.1016/j.epsl.2007.02.039 [1]