Взаимодействие между эрозией и тектоникой является предметом дискуссий с начала 1990-х годов. В то время как тектонические эффекты на поверхностные процессы, такие как эрозия, давно признаны (например, образование рек в результате тектонического поднятия ), противоположное (эрозионное воздействие на тектоническую активность) было рассмотрено лишь недавно. [1] Основные вопросы, связанные с этой темой, заключаются в том, какие типы взаимодействий существуют между эрозией и тектоникой и каковы последствия этих взаимодействий. Хотя это все еще является предметом дискуссий, ясно одно: ландшафт Земли является продуктом двух факторов: тектоники , которая может создавать топографию и поддерживать рельеф посредством поднятия поверхности и горных пород, и климата , который опосредует эрозионные процессы, которые со временем стирают возвышенности. [2] Взаимодействие этих процессов может формировать, изменять или разрушать геоморфологические особенности на поверхности Земли .
Термин тектоника относится к изучению структуры поверхности Земли и способов, которыми она меняется с течением времени. Тектонические процессы обычно происходят на границах плит, которые являются одним из трех типов: конвергентные границы , дивергентные границы или трансформные границы . [3] Эти процессы формируют и изменяют топографию поверхности Земли, эффективно увеличивая рельеф через механизмы изостатического поднятия , утолщения земной коры и деформации в форме разломов и складок . Увеличение высот по отношению к региональным базовым уровням приводит к более крутым градиентам речного русла и увеличению орографически локализованных осадков, что в конечном итоге приводит к резкому увеличению скорости эрозии. Топография и общий рельеф данной области определяют скорость, с которой будет течь поверхностный сток , в конечном итоге определяя потенциальную эрозионную силу стока. Более длинные, крутые склоны более подвержены более высоким скоростям эрозии в периоды сильных осадков, чем более короткие, постепенно наклонные области. Таким образом, крупные горные хребты и другие области высокого рельефа, образованные в результате тектонического поднятия, будут иметь значительно более высокие скорости эрозии. [4] Кроме того, тектоника может напрямую влиять на скорость эрозии в краткосрочной перспективе, как это ясно в случае землетрясений , которые могут вызывать оползни и ослаблять окружающие породы посредством сейсмических возмущений.
Хотя тектоническое поднятие в любом случае приведет к некоторому увеличению высоты, а значит, и к более высоким темпам эрозии, основное внимание уделяется изостатическому поднятию, поскольку оно обеспечивает фундаментальную связь между причинами и следствиями эрозионно-тектонических взаимодействий.
Понимание принципа изостазии является ключевым элементом для понимания взаимодействий и обратных связей, общих для эрозии и тектоники. Принцип изостазии гласит, что при свободном вертикальном движении литосфера плавает на соответствующем уровне в астеносфере, так что давление на глубине компенсации в астеносфере значительно ниже основания литосферы одинаково. [3] Изостатическое поднятие является как причиной, так и следствием эрозии. Когда деформация происходит в форме утолщения земной коры, вызывается изостатическая реакция, заставляющая утолщенную кору опускаться, а окружающую более тонкую кору подниматься. Результирующее поднятие поверхности приводит к увеличению возвышений, что, в свою очередь, вызывает эрозию. [5] С другой стороны, когда большое количество материала вымывается с поверхности Земли, происходит поднятие для поддержания изостатического равновесия. Из-за изостазии высокие скорости эрозии на значительных горизонтальных участках могут эффективно всасывать материал из нижней коры и/или верхней мантии . Этот процесс известен как изостатический отскок и аналогичен реакции Земли после удаления крупных ледниковых покровов. [6]
Изостатическое поднятие и соответствующая эрозия ответственны за формирование региональных геологических особенностей, а также локализованных структур. Два таких примера включают:
Поток в русле 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 районов некоторых коллизионных орогенов , в первую очередь системы Гималаев и Тибетского плато . В горных районах с обильными осадками (и, следовательно, высокими темпами эрозии) образуются глубоко врезающиеся реки. По мере того, как эти реки размывают поверхность Земли, происходят две вещи: (1) давление на подстилающие породы уменьшается, что фактически делает их слабее, и (2) подстилающий материал перемещается ближе к поверхности. Это снижение прочности земной коры в сочетании с эрозионной эксгумацией позволяет отвести подстилающий поток русла к поверхности Земли. [9] [10]
Термин «эрозия» относится к группе естественных процессов, включая выветривание , растворение, истирание, коррозию и транспортировку, в результате которых материал удаляется с поверхности Земли, переносится и откладывается в других местах.
Обратная связь эрозии с тектоникой обеспечивается перемещением поверхностной или околоповерхностной массы (камня, почвы, песка, реголита и т. д.) на новое место. [1] Это перераспределение материала может иметь глубокие последствия для состояния гравитационных напряжений в области, в зависимости от величины перемещаемой массы. Поскольку тектонические процессы в значительной степени зависят от текущего состояния гравитационных напряжений, перераспределение поверхностного материала может привести к тектонической активности. [1] В то время как эрозия во всех ее формах, по определению, стирает материал с поверхности Земли, процесс истощения массы как продукта глубокого речного вреза имеет самые высокие тектонические последствия.
Массовая потеря веса — это геоморфологический процесс, при котором поверхностный материал перемещается вниз по склону, как правило, как масса, в основном под действием силы тяжести [11] Поскольку реки текут вниз по крутосклонным горам, происходит глубокое врезание русла, поскольку поток реки размывает лежащую под ним породу. Большое врезание русла постепенно уменьшает величину гравитационной силы, необходимой для того, чтобы произошло событие обрушения склона, что в конечном итоге приводит к потере веса. [1] Удаление большого количества поверхностной массы таким образом вызовет изостатическую реакцию, приводящую к подъему, пока не будет достигнуто равновесие.
Недавние исследования показали, что эрозионные и тектонические процессы оказывают влияние на структурную эволюцию некоторых геологических объектов, в частности, орогенных клиньев. Очень полезные модели песочных ящиков, в которых горизонтальные слои песка медленно прижимаются к упору, показали, что геометрия, структуры и кинематика формирования 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 высокого плато — все это чувствительно к долгосрочному климату над горами, например, концентрации осадков на одной стороне орогена из-за орографического подъема под доминирующим направлением ветра. [14]