为什么海拔越高地壳越厚


匿名(2015/7/22): 观点:海拔越高地壳并不一定越厚。


写在前面
这个问题不是我的专业方向,所以本不想也不敢答的。因为其中涉及到了一些我不完全了解的细节,而我又没有时间和精力去查询相关文献。之所以写这个答案,一方面是没有看到满意的答案,另一方面是已有的答案中有太多的“偏见”,对于非地球科学专业的人来说可能是一种误导。

目前排名第一的答案以及其他稍微几个稍微沾边的答案中,都是用重力均衡理论来解释为什么“海拔越高地壳越厚”,却丝毫不提这一命题是否一定正确。的确,对于地球上的大部分区域,都有“海拔越高地壳越厚”这一现象,且都可以用重力均衡来解释。但地球上的确存在某些区域,海拔很低但是地壳却很厚;对于其他类地行星而言,不满足“海拔越高地壳越厚”这一现象的区域则更多,这些都是不能用重力均衡来解释的。

在严谨地做科研时,显然题目中的说法是不对的,重力均衡理论也不是普适的。因而下面会介绍3种引起地形变化的可能的物理机制,以表明在某些情况下题目是对的,有些情况下题目是错的。

背景知识:
前面的答案其实已经介绍了背景知识,这里为了答案的完整性,重新说一遍。
为什么海拔越高地壳越厚? 图1:岩石圈与软流圈

如图所示,地球的表层有一层厚度为c的地壳(crust),地壳下面是非常厚的地幔(mantle)。整个地壳以及地幔的顶部的一小部分构成了岩石圈(lithosphere),也就是图中厚度为H的部分,这一层的特点是薄(50km到200km左右)且坚硬。在岩石圈的下面是软流圈(asthesphere),这一层从岩石圈底部开始,大概可以延伸到660km左右,这一层的特点从名字就可以猜出来,软且容易流动。

因而,整个物理图像就是一个很坚硬的岩石圈躺在很软且可以流动的软流圈上。

物理机制1:板块弯曲理论
想象一下,双手拿着尺子的两端,然后把一个重物放在尺子的中间,此时尺子会向下弯曲。当然,如果放的东西太重,尺子就该断了,这就不是这里所讨论的范畴了。

同理,将一座山(重物)放在岩石圈(尺子)上,岩石圈也会向下弯曲。
为什么海拔越高地壳越厚? 图2:板块弯曲理论
上图中,山的海拔(阴影区域)高度为h,由于山的存在,整个岩石圈向下弯曲,弯曲的振幅为w。岩石圈的弯曲会在地表形成一个凹槽,凹槽的部分也会被山体所填充。需要注意的是,山和地壳从成分上是没有区别的,因而实际的地壳厚度是h+w+c。

不严谨的说,w与h成正比,海拔h越高,w也就越大,因而海拔越高地壳越厚。地球上的大部分山应该都可以用这个机制解释。

物理机制2:冰后回弹
同样还是图2,只是这里阴影部分不再是一座石头山,而是一座冰山。冰期一过,冰就会融化,相当于将图2中的阴影部分直接拿走。此时,海拔是w,而地壳厚度为c。因而与正常的地壳相比,虽然这个地方海拔是负值,但是地壳厚度却没有变化。因而这个机制表明海拔低地壳不一定就薄

关于冰后回弹,想象一下,把尺子上的重物拿开,此时尺子受力不平衡,会从向下弯曲状态变成平坦,然后再向上弯曲,到某个极限后又回到平坦,类似高中物理学到的简谐运动。弯曲的岩石圈也会产生类似的现象,这也就是"冰后回弹"中的回弹二字想要表达的意思。只是这里回弹所需的时间相对于冰融化的时间而言要长很多,因而可以认为冰是被瞬间拿走的。

冰后回弹的一个实例是格林兰岛附近,这个地方每年大概可以上升2cm。当然这个地方的海拔到底是相对较高还是相对较低就不必去深究了。毕竟,我们现在看到的只是整个简谐运动的瞬间;在重物的压力下,原始地壳的厚度c会不会发生微小的变化也是一个问题。

物理机制3:热点模型
地幔中存在很多异常热的区域,即虽然都是相同的物质,有些区域的温度要比周围的温度高。温度高导致密度低,密度低导致物质会受到向上的浮力,因而高温物质会向上运动。当这些高温物质上升到地表时,地表的温度会比较高,即所谓的热点(hotspot)。一般来说,热点区会伴随着大量的火山活动。
为什么海拔越高地壳越厚?
图3:热点模型
如图所示,由于热物质(阴影部分)的上涌,相当于岩石圈受到了一个向上的力,与图2相反,此时岩石圈会向上弯曲。因而此处,虽然海拔较高,地壳厚度却没有变化。因而,海拔高不一定地壳就厚

金星上有两个超大型的高原,其中,Ishtar Terra可以用机制1解释,Aphrodite Terra可以用热点模型解释。不过,有没有更新的观测来推翻这一模型,我就不确定了。

总结
综上,海拔高度与地壳厚度之间有关系,但不是简单的正相关或负相关。

参考资料

  1. zh.wikipedia.org/wiki/%
  2. zh.wikipedia.org/wiki/%
  3. Post-glacial rebound
  4. Hotspot (geology)


@Cosmia Saxum 我在答案的开头部分做了一些补充。另外,对于你的评论做如下回复:
1. 我的回答并不局限于地球,对于我个人而言,地壳就是crust,而crust并不只是地球的壳,而是泛指行星的壳,至少是泛指类地行星的壳。
2. 对于地球而言,的确大部分区域都可以用重力均衡理论来解释,本质上也就是板块弯曲理论。板块弯曲理论有严格的数学公式,因而可以用于定量的研究。而板块理论表明,对于长波长的负载而言,可以认为是完全补偿的,而对于短波长的负载而言,则是部分补偿或完全不补偿。我不清楚地球上的观测如何,对于月球和火星而言,观测结果表明,各个波长的补偿度都在0.5以下(完全补偿的话补偿度为1)。
3. 不管地球上的地壳是均衡还是不均衡,的确大多数区域都是可以用地壳均衡理论来解释的,若是想要更定量的研究,则需要使用板块完全理论。
4. 冰山消融很快,所以近似为瞬间去除负载,此时弯曲的板块做类似简谐运动,应该不能算是平衡过程。 - 匿名用户(作者) (2015-07-27)

@Cosmia Saxum 1. 从地震学的角度,可以直接从速度结构中确定crust和mantle。月球的具体 结构可以参考 en.wikipedia.org/wiki/I 中的图。
2. astronomy.nju.edu.cn/~l 这篇短文中指出月核上部的400km月幔具有与地球的软流圈类似的性质。
3. Role of membrane stresses in the support of Planetary Topography:这篇文献中应用了月球和火星的重力和地形数据,间接得到了不同波长的补偿度。 - 匿名用户(作者) (2015-07-27)

@匿名用户(作者) 我不是学地球物理的,因而对你的回复,只觉得是总体要严谨一些。但对于第二点,我觉得如果要谈均衡是不是应该在行星(或月球等非行星)上应该首先具有一个严格意义的crust和mantle,尤其是不是不能缺少asthenosphere? 再弱弱的问一句,月球上存在asthenosphere吗?月球和火星的观测和计算结果,能给个文献吗? - Cosmia Saxum (2015-07-27)

我同意剥蚀的过程很慢,其实还是处于一种动态的平衡状态!而冰山消融过程要快得多,这种平衡过程更容易观察到。 - Cosmia Saxum (2015-07-26)

你回答的比较全面我很喜欢,但是总体而言,有资料表明:据统计,全球近90%的地区基本上处于地壳均衡状态。 - Cosmia Saxum (2015-07-26)

冰川密度只有0.917,即使十公里厚的冰川也只相当于三公里的地壳。不知道你为什么要进行冰山讨论。。。 - Close Tony (2015-07-23)

@Close Tony 不用风化剥蚀,主要是因为我不清楚风化剥蚀的速度如何、效率又如何。风化剥蚀的速度快慢,会影响到最终的结论。如果风化剥蚀的速度很慢,山与山根的厚度之间存在正相关关系,原命题还是成立的。
而对于冰山,融化的速度很快,可以认为冰山是被瞬间拿走的,因而可以直接用于证伪。 - 匿名用户(作者) (2015-07-23)

@匿名用户(作者) 扫了下文献,目前活动的地幔柱有夏威夷和冰岛,而停止活动的有峨眉山等。这些模型中,不论是洋壳还是陆壳,岩石圈都会减薄,地表会隆起,但是隆起都在800米左右,不超过1000米。 可以作为反例。至于证实证伪,有点太把这句话当个数学范式了。 只有程序员才会这么执着。 - Close Tony (2015-07-23)

也就是说,均衡是大多数情况,非均衡是较少的。后面的模型很有意思!特别是热点上涌 - Cosmia Saxum (2015-07-26)

@Close Tony 把冰当做瞬间拿走没什么问题,这只是物理图像上的简化而已。如果严格的认为冰融化需要一定的时间,只要冰融化所需的时间远小于岩石圈恢复的时间即可。

格林兰岛区域每年2厘米的抬升本身就说明了这样一个简化是没问题的。

至于证伪,除了模型2还有模型3。 - 匿名用户(作者) (2015-07-23)

匿名(2015/7/23): 因为我只是个学师范的,学的都是些很浅显的东西哈。
简单来说,想引入一个“地壳均衡说“。当然这也是一部人提出的学说,学说嘛,只能说是一种观点(不过该论点已为多种证据所证实)。该学说认为山脉是较轻的岩块浮在较重的介质之上,就好比冰山浮在海中,山越高,它深入下部介质中的深度也越大,深入的部分即我们通称的“山根“。也就是说,海拔较高的地带在海平面以下的部分存在一种补偿作用,从而抵消了高山高原对重力的影响。
(在这里,想要引入一个“重力异常“的概念,即由于各地海拔高度的、周围地形、地下岩石密度的不同,实测到的重力值不同于理论值的差异。我说“重力异常“只是想证明题主的问题是事实存在、值得讨论的,而不是说是个伪命题啥的。)

匿名(2015/7/23): 土木工程测量学定义:
大地水准面:指平均海平面通过大陆延伸勾画出的一个封闭连续的封闭曲面。大地水准面是由静止海水面并向大陆延伸所形成的不规则的封闭曲面。它是重力等位面,即物体沿该面运动时,重力不做功(如水在这个面上是不会流动的)。大地水准面是描述地球形状的一个重要物理参考面,也是海拔高程系统的起算面。
绝对高程(海拔) 地面任一点到大地水准面的距离。
百度百科定义
地壳:是指由岩石组成的固体外壳,地球固体圈层的最外层。。。。莫霍面以上到地表的固体地球外壳。
所以,海拔越高,到大地水准面距离越大,也就是到莫霍面距离越大,为什么海拔越高地壳越厚?
地壳越厚


概念有的是百度,有的自己记得的,侵删

匿名(2015/7/19): 为什么海拔越高地壳越厚?
地壳的厚度是从下往上测量。地球的内部结构分地壳、地幔和地核。其中地壳和地幔的分界线为莫霍面。(手机下图不给力,可自行百度)
莫霍面往上即地壳,山地处离莫霍面较远,因此地壳较厚;海洋底部离莫霍面较近,因此地壳较薄。
感受一下,世界上哪里地壳最厚?

匿名(2015/7/24): 根据板块扩张学说,海拔越高的地方岩石层越老,因此就越厚。

匿名(2015/7/23): 简单理解就是阿基米德的浮力原理,船越重,吃水越深。

匿名(2015/7/23): 九层之台,起于累土。地壳不厚,海拔怎么高的起来

匿名(2015/7/24): 想明白为什么大脑没往青春痘里挤就能理解了

匿名(2015/7/29): 这也就是为什么树越大越高它的根越深的原因

匿名(2015/7/25): 我认为题主需要修改一下问题,细化一下。

匿名(2015/7/23): 为什么我站的越高离地面越远?

最新文章

热门文章