Постледниковый отскок - Post-glacial rebound

Модель современного изменения массы из-за послеледникового восстановления и перезагрузки океанических бассейнов морской водой. Синие и фиолетовые области указывают на рост из-за удаления ледяных щитов. Желтые и красные области указывают на падение по мере того, как материал мантии удалялся от этих областей, чтобы снабжать поднимающиеся области, а также из-за обрушения передних выступов вокруг ледяных щитов.
Этот многослойный пляж в заливе Батерст , Нунавут, является примером постледникового восстановления после последнего ледникового периода. Небольшой отлив помог сформировать его вид слоеного пирога. Изостатический отскок здесь все еще продолжается.

Постледниковый отскок (также называемый изостатическим отскоком или отскоком земной коры ) - это подъем суши после удаления огромного веса ледникового покрова во время последнего ледникового периода , который вызвал изостатическую депрессию . Постледниковый отскок и изостатическая депрессия - это фазы ледниковой изостазии ( ледниковая изостатическая регулировка , гляциоизостазия ), деформации земной коры в ответ на изменения в распределении массы льда. Прямое повышение постледникового отскока очевидно в некоторых частях Северной Евразии , Северной Америки , Патагонии и Антарктиды . Тем не менее, в результате процессов откачки океана и континентального рычага , эффекты отскока от ледникового покрова на уровень моря ощущаются во всем мире вдали от мест расположения нынешних и бывших ледяных щитов.

Обзор

Изменение высоты озера Верхнее из-за оледенения и послеледникового отскока

Во время последнего ледникового периода большая часть Северной Европы , Азии , Северной Америки , Гренландии и Антарктиды была покрыта ледяными щитами , толщина которых достигала трех километров во время ледникового максимума около 20 000 лет назад. Огромный вес этого льда вызвана поверхность Земля «s коры деформироваться и перекос вниз, заставляя вязкоупругую мантию материала утекать от загруженной области. В конце каждого ледникового периода, когда ледники отступали, удаление этого веса приводило к медленному (и все еще продолжающемуся) подъему или отскоку земли и обратному потоку мантийного материала обратно под дегляцируемую область. Из-за чрезвычайной вязкости мантии суше потребуется много тысяч лет, чтобы достичь равновесного уровня.

Подъем произошел в два различных этапа. Первоначальный подъем после дегляциации был почти мгновенным из-за упругого отклика коры при снятии ледяной нагрузки. После этой упругой фазы подъем продолжался медленным вязким потоком с экспоненциально убывающей скоростью. Сегодня типичные скорости подъема составляют порядка 1 см / год или меньше. В северной Европе это ясно показано данными GPS, полученными сетью BIFROST GPS; например, в Финляндии общая площадь страны увеличивается примерно на семь квадратных километров в год. Исследования показывают, что отскок будет продолжаться как минимум еще 10 000 лет. Общий подъем после окончания дегляциации зависит от местной ледовой нагрузки и может составлять несколько сотен метров около центра отскока.

В последнее время термин «послеледниковый отскок» постепенно заменяется термином «ледниковая изостатическая регулировка». Это признание того, что реакция Земли на ледниковую нагрузку и разгрузку не ограничивается восходящим отскоком, но также включает в себя движение земли вниз, горизонтальное движение земной коры, изменения глобального уровня моря и гравитационного поля Земли, индуцированные землетрясения и изменения во вращении Земли. Другой альтернативный термин - «ледниковая изостазия», потому что поднятие около центра отскока вызвано тенденцией к восстановлению изостатического равновесия (как в случае изостазии гор). К сожалению, этот термин создает неправильное впечатление, что изостатическое равновесие каким-то образом достигается, поэтому добавление «корректировки» в конце подчеркивает движение восстановления.

Эффекты

Постледниковый отскок оказывает измеримое влияние на вертикальное движение земной коры, глобальный уровень моря, горизонтальное движение земной коры, гравитационное поле, вращение Земли, напряжение земной коры и землетрясения. Исследования отскока ледников дают нам информацию о законе течения мантийных пород, что важно для изучения мантийной конвекции, тектоники плит и тепловой эволюции Земли. Это также дает представление о прошлой истории ледникового покрова, которая важна для гляциологии , палеоклимата и изменений глобального уровня моря. Понимание послеледникового восстановления также важно для нашей способности отслеживать недавние глобальные изменения.

Вертикальное движение земной коры

Упругое поведение литосферы и мантии, иллюстрирующее опускание коры относительно ландшафтных свойств в результате нисходящей силы ледника в «До», а также эффекты, которые таяние и отступление ледников оказывают на отскок мантии и литосфера в «После».
Большая часть современной Финляндии представляет собой бывшее морское дно или архипелаг: показаны уровни моря сразу после последнего ледникового периода.

Неустойчивые валуны , U-образные долины , друмлины , эскеры , котловины , бороздки коренных пород - одни из общих признаков ледникового периода . Кроме того, постледниковый отскок вызвал множество значительных изменений береговой линии и ландшафтов за последние несколько тысяч лет, и последствия по-прежнему остаются значительными.

В Швеции озеро Меларен раньше было рукавами Балтийского моря , но поднятие в конечном итоге отрезало его и привело к тому, что оно стало пресноводным озером примерно в 12 веке, в то время, когда Стокгольм был основан на его выходе . Морские ракушки, обнаруженные в отложениях озера Онтарио, предполагают подобное событие в доисторические времена. Другие ярко выраженные эффекты можно увидеть на острове Эланд в Швеции, который имеет небольшой топографический рельеф из-за наличия самого уровня Стора Альварет . Подъем земли привел к тому, что поселения железного века отступили от Балтийского моря , в результате чего современные деревни на западном побережье неожиданно оказались далеко от берега. Эти эффекты весьма драматичны , например, в деревне Алби , где жители железного века, как известно, существовали за счет значительного прибрежного рыболовства.

Прогнозируется, что в результате отскока от ледникового периода Ботнический залив в конечном итоге закроется в Кваркене более чем через 2000 лет. Кваркен является ЮНЕСКО Всемирного природное наследие , выбран в качестве «зоны типа» иллюстрирующей эффекты гляциоизостазии и ГОЛОЦЕНОВОГО отступления ледников .

В нескольких других северных портах, таких как Торнио и Пори (ранее в Ульвила ), гавань приходилось переносить несколько раз. Названия мест в прибрежных регионах также иллюстрируют восходящую землю: есть внутренние места с названиями «остров», «шхер», «скала», «точка» и «звук». Например, Оулунсало, «остров Оулуйоки », представляет собой полуостров с такими названиями на суше, как Койвукари «Березовая скала», Сантаниеми «Песчаный мыс» и Салмиойя «ручей пролива». (Сравните [1] и [2] .)

Карта эффектов отскока ледникового покрова на суше Ирландии и Британских островов .

В Великобритании оледенение затронуло Шотландию, но не южную Англию , и послеледниковый отскок северной Великобритании (до 10 см в столетие) вызывает соответствующее движение вниз южной половины острова (до 5 см в столетие). ). В конечном итоге это приведет к увеличению риска наводнений в южной Англии и юго-западной Ирландии.

Поскольку процесс изостатической корректировки ледникового покрова заставляет сушу перемещаться относительно моря, древние береговые линии оказываются выше современного уровня моря в областях, которые когда-то были покрыты льдом. С другой стороны, места в области периферической выпуклости, которая была поднята во время оледенения, теперь начинает оседать. Таким образом, древние пляжи находятся ниже современного уровня моря в области выпуклости. «Данные относительного уровня моря», которые состоят из измерений высоты и возраста древних пляжей по всему миру, говорят нам о том, что изостатическое регулирование ледникового покрова происходило ближе к концу дегляциации с большей скоростью, чем сегодня.

Современные подъемы в Северной Европе также отслеживаются сетью GPS под названием BIFROST. Результаты данных GPS показывают пиковую скорость около 11 мм / год в северной части Ботнического залива , но эта скорость подъема уменьшается и становится отрицательной за пределами бывшей границы льда.

В ближнем поле за пределами бывшей кромки льда земля опускается относительно моря. Так обстоит дело на восточном побережье Соединенных Штатов, где древние пляжи находятся под водой ниже современного уровня моря, а Флорида, как ожидается, будет затоплена в будущем. Данные GPS в Северной Америке также подтверждают, что поднятие суши становится проседанием за пределами бывшей границы льда.

Уровни мирового океана

Чтобы сформировать ледяные щиты последнего ледникового периода, вода из океанов испарялась, конденсировалась в виде снега и откладывалась в виде льда в высоких широтах. Таким образом, глобальный уровень моря упал во время оледенения.

Ледяные щиты во время последнего ледникового максимума были настолько массивными, что глобальный уровень моря упал примерно на 120 метров. Таким образом обнажились континентальные шельфы, и многие острова соединились с континентами через сушу. Так было между Британскими островами и Европой ( Доггерленд ) или между Тайванем, индонезийскими островами и Азией ( Сундаленд ). Субконтинент также существовал между Сибирью и Аляской , что позволило миграцию людей и животных во время последнего ледникового максимума.

Падение уровня моря также влияет на циркуляцию океанских течений и, таким образом, оказывает важное влияние на климат во время ледникового максимума.

Во время дегляциации талая ледяная вода возвращается в океаны, таким образом, уровень моря в океане снова повышается . Однако геологические записи изменений уровня моря показывают, что перераспределение талой ледяной воды не везде одинаково в океанах. Другими словами, в зависимости от местоположения повышение уровня моря на определенном участке может быть больше, чем на другом. Это происходит из-за гравитационного притяжения между массой талой воды и другими массами, такими как оставшиеся ледяные щиты, ледники, водные массы и мантийные породы, а также изменения центробежного потенциала из-за переменного вращения Земли.

Горизонтальное движение земной коры

Сопровождающим вертикальным движением является горизонтальное движение коры. Сеть BIFROST GPS показывает, что движение отклоняется от центра отскока. Однако наибольшая горизонтальная скорость наблюдается у бывшей кромки льда.

Ситуация в Северной Америке менее определенная; это связано с редким распределением станций GPS в северной части Канады, которая довольно недоступна.

Наклон

Комбинация горизонтального и вертикального движения изменяет наклон поверхности. То есть места дальше к северу поднимаются быстрее, и этот эффект проявляется в озерах. Дно озер постепенно отклоняется от направления бывшего максимума льда, так что берега озера со стороны максимума (обычно северного) отступают, а противоположные (южные) берега опускаются. Это вызывает образование новых порогов и рек. Например, озеро Пиелинен в Финляндии, большое (90 x 30 км) и ориентированное перпендикулярно бывшей кромке льда, первоначально стекало через водослив в середине озера около Нуннанлахти в озеро Хёйтияйнен . Изменение наклона привело к тому, что Пиелинен прорвался через эскер Уймахарью на юго-западном конце озера, образовав новую реку ( Пиелисйоки ), которая течет к морю через озеро Пюхяселкя к озеру Сайма . Эффекты аналогичны эффектам на морском побережье, но происходят над уровнем моря. Наклон земли также повлияет на сток воды в озерах и реках в будущем и, следовательно, важен для планирования управления водными ресурсами.

В Швеции у истока озера Соммен на северо-западе отскок составляет 2,36 мм / год, в то время как в восточной части Сванавикена он составляет 2,05 мм / год. Это означает, что озеро медленно наклоняется, а юго-восточные берега тонут.

Гравитационное поле

Лед, вода и горные породы мантии имеют массу , и, перемещаясь, они оказывают гравитационное притяжение на другие массы по направлению к ним. Таким образом, гравитационное поле , чувствительное ко всей массе на поверхности и внутри Земли, подвержено влиянию перераспределения льда / талой воды на поверхности Земли и потока мантийных пород внутри.

Сегодня, более чем через 6000 лет после окончания последней дегляциации, поток мантийного материала обратно в область оледенения приводит к тому, что общая форма Земли становится менее сжатой . Это изменение топографии поверхности Земли влияет на длинноволновые компоненты гравитационного поля.

Изменяющееся гравитационное поле может быть обнаружено многократными наземными измерениями с помощью абсолютных гравиметров, а недавно и спутником GRACE . Изменение длинноволновых компонентов гравитационного поля Земли также нарушает орбитальное движение спутников и было обнаружено движением спутников LAGEOS .

Вертикальная точка отсчета

Вертикальная точка отсчета является теоретической опорной поверхностью для измерения высоты и играет жизненно важную роль во многих сферах деятельности человека, включая топографическую съемку и строительство зданий и мостов. Поскольку послеледниковый отскок непрерывно деформирует поверхность земной коры и гравитационное поле, вертикальные данные необходимо многократно переопределять с течением времени.

Напряженное состояние, внутриплитные землетрясения и вулканизм

Согласно теории тектоники плит , взаимодействие плит с плитами приводит к землетрясениям вблизи границ плит. Однако сильные землетрясения происходят во внутриплитных условиях, таких как восточная Канада (до M7) и северная Европа (до M5), которые находятся далеко от современных границ плит. Важным внутриплитным землетрясением было Ново-Мадридское землетрясение магнитудой 8 баллов, которое произошло в средней части континентальной части США в 1811 году.

Ледниковые нагрузки создавали вертикальное напряжение более 30 МПа в северной Канаде и более 20 МПа в северной Европе во время ледникового максимума. Это вертикальное напряжение поддерживается мантией и изгибом литосферы . Поскольку мантия и литосфера непрерывно реагируют на изменяющиеся ледовые и водные нагрузки, состояние напряжения в любом месте непрерывно изменяется во времени. Изменение ориентации напряженного состояния фиксируется в послеледниковых разломах юго-востока Канады. Когда в конце дегляциации 9000 лет назад образовались послеледниковые разломы, ориентация главного горизонтального напряжения была почти перпендикулярна бывшей границе льда, но сегодня ориентация находится на северо-востоке-юго-западе, вдоль направления распространения морского дна в Средней Атлантике. Ридж . Это показывает, что напряжение из-за отскока после ледникового периода сыграло важную роль в ледниковое время, но постепенно ослабло, так что сегодня тектоническое напряжение стало более доминирующим.

Согласно теории разрушения горных пород Мора – Кулона , большие ледниковые нагрузки обычно подавляют землетрясения, но быстрое отступление льда способствует землетрясениям. Согласно Wu & Hasagawa, напряжение отскока, которое сегодня вызывает землетрясения, составляет порядка 1 МПа. Этот уровень напряжения недостаточно велик для разрушения неповрежденных горных пород, но достаточно велик, чтобы повторно активировать существовавшие ранее разломы, близкие к разрушению. Таким образом, и послеледниковый отскок, и тектоника прошлого играют важную роль в сегодняшних внутриплитных землетрясениях в восточной Канаде и на юго-востоке США. Как правило, постледниковое напряжение отскока могло вызвать внутриплитные землетрясения в восточной части Канады и, возможно, сыграть некоторую роль в возникновении землетрясений на востоке США, включая землетрясения в Новом Мадриде 1811 года . Ситуация в северной Европе сегодня осложняется текущей тектонической активностью поблизости, а также прибрежной нагрузкой и ослаблением.

Повышение давления из-за веса льда во время оледенения могло подавить образование таяния и вулканическую активность ниже Исландии и Гренландии. С другой стороны, снижение давления из-за дегляциации может увеличить производство расплава и вулканическую активность в 20-30 раз.

Недавнее глобальное потепление

Недавнее глобальное потепление привело к таянию горных ледников и ледниковых щитов в Гренландии и Антарктиде и к повышению глобального уровня моря. Таким образом, мониторинг повышения уровня моря и баланса массы ледниковых щитов и ледников позволяет людям больше узнать о глобальном потеплении.

Недавнее повышение уровня моря отслеживалось с помощью мареографов и спутниковой альтиметрии (например, TOPEX / Poseidon ). Помимо добавления талой ледяной воды из ледников и ледяных щитов, недавние изменения уровня моря зависят от теплового расширения морской воды из-за глобального потепления, изменения уровня моря из-за дегляциации последнего ледникового максимума (послеледниковое изменение уровня моря) , деформация дна суши и океана и другие факторы. Таким образом, чтобы понять глобальное потепление как изменение уровня моря, нужно уметь отделить все эти факторы, особенно отскок после ледникового периода, поскольку он является одним из ведущих факторов.

За изменениями массы ледяных щитов можно следить, измеряя изменения высоты поверхности льда, деформацию грунта под ним и изменения гравитационного поля над ледяным покровом. Таким образом , для этой цели пригодятся спутники ICESat , GPS и GRACE . Однако изостатическое регулирование ледникового покрова сегодня влияет на деформацию грунта и гравитационное поле. Таким образом, понимание изостатической корректировки ледников важно для мониторинга недавнего глобального потепления.

Одним из возможных последствий отскока, вызванного глобальным потеплением, может быть усиление вулканической активности в ранее покрытых льдом районах, таких как Исландия и Гренландия. Это также может вызвать внутриплитные землетрясения у ледовых окраин Гренландии и Антарктиды. Необычно быстрый (до 4,1 см / год) нынешний изостатический отскок ледников из-за недавней потери массы льда в районе залива Амундсена в Антарктиде в сочетании с низкой региональной вязкостью мантии, по прогнозам, окажет умеренное стабилизирующее влияние на нестабильность морского ледяного покрова в Западной Антарктиде. , но, вероятно, не в достаточной степени, чтобы его остановить.

Приложения

Скорость и величина послеледникового отскока определяется двумя факторами: вязкостью или реологией (т. Е. Потоком) мантии и историей нагружения и разгрузки льда на поверхности Земли.

Вязкость мантии важна для понимания мантийной конвекции , тектоники плит , динамических процессов на Земле, теплового состояния и тепловой эволюции Земли. Однако вязкость трудно наблюдать, потому что эксперименты по ползучести мантийных пород при естественных скоростях деформации потребуют тысячи лет, а условия окружающей температуры и давления нелегко достичь в течение достаточно длительного времени. Таким образом, наблюдения за послеледниковым отскоком представляют собой естественный эксперимент по измерению реологии мантии. Моделирование изостатического регулирования ледникового покрова решает вопрос о том, как вязкость изменяется в радиальном и поперечном направлениях и является ли закон потока линейным, нелинейным или составной реологией. Вязкость мантии может быть дополнительно оценена с помощью сейсмической томографии , где сейсмическая скорость используется в качестве косвенного наблюдаемого

Истории толщины льда полезны при изучении палеоклиматологии , гляциологии и палеоокеанографии. Историю толщины льда традиционно выводят из трех типов информации: во-первых, данные об уровне моря на стабильных участках, удаленных от центров дегляциации, дают оценку того, сколько воды попало в океаны или, что эквивалентно, сколько льда было сковано в ледниковый максимум. . Во-вторых, местоположение и даты конечных морен говорят нам о протяженности и отступлении прошлых ледниковых щитов. Физика ледников дает нам теоретический профиль ледяных щитов в состоянии равновесия, а также говорит, что толщина и горизонтальная протяженность равновесных ледниковых щитов тесно связаны с базовым состоянием ледяных щитов. Таким образом, объем замороженного льда пропорционален их мгновенной площади. Наконец, высоты древних пляжей в данных об уровне моря и наблюдаемые скорости подъема суши (например, по данным GPS или VLBI ) могут использоваться для ограничения толщины местного льда. Популярная модель льда, выведенная таким образом, - это модель ICE5G. Поскольку реакция Земли на изменение высоты льда является медленной, она не может регистрировать быстрые колебания или нагоны ледяных щитов, поэтому полученные таким образом профили ледяного покрова дают только «среднюю высоту» за тысячу лет или около того.

Изостатическая регулировка ледников также играет важную роль в понимании недавнего глобального потепления и изменения климата.

Открытие

До восемнадцатого века в Швеции считалось , что уровень моря падает. По инициативе Андерса Цельсия в скалах в разных местах вдоль побережья Швеции был сделан ряд отметок. В 1765 году можно было сделать вывод, что это было не понижение уровня моря, а неравномерный подъем суши. В 1865 году Томас Джеймисон выдвинул теорию о том, что возникновение суши было связано с ледниковым периодом, который был впервые обнаружен в 1837 году. Теория была принята после исследований Джерарда де Гира старых береговых линий в Скандинавии, опубликованных в 1890 году.

Правовые последствия

В районах, где наблюдается возвышение земли, необходимо определить точные пределы собственности. В Финляндии «новая земля» по закону является собственностью владельца акватории, а не владельцев земли на берегу. Следовательно, если собственник земли желает построить пирс над «новой землей», ему необходимо разрешение владельца (бывшей) акватории. Землевладелец на берегу может выкупить новую землю по рыночной цене. Обычно собственником акватории является раздел землевладельцев берегов, коллективный холдинг.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки