Erozja i tektonika - Erosion and tectonics
Interakcja między erozją a tektoniką jest przedmiotem debaty od wczesnych lat 90. XX wieku. Podczas gdy wpływy tektoniczne na procesy powierzchniowe, takie jak erozja, są od dawna rozpoznawane (na przykład tworzenie się rzek w wyniku wypiętrzenia tektonicznego ), przeciwieństwo (wpływ erozji na aktywność tektoniczną) zostało uwzględnione dopiero niedawno. Podstawowe pytania dotyczące tego tematu dotyczą rodzajów interakcji między erozją a tektoniką oraz implikacji tych interakcji. Chociaż wciąż jest to przedmiotem dyskusji, jedno jest jasne, krajobraz Ziemi jest wytworem dwóch czynników: tektoniki , która może tworzyć topografię i utrzymywać rzeźbę terenu poprzez wypiętrzenie powierzchni i skał, oraz klimatu , który pośredniczy w procesach erozji, które niszczą obszary wyżynne z biegiem czasu. Interakcja tych procesów może tworzyć, modyfikować lub niszczyć cechy geomorficzne na powierzchni Ziemi.
Procesy tektoniczne
Termin tektonika odnosi się do badania struktury powierzchni Ziemi i sposobów jej zmian w czasie. Procesy tektoniczne występują zwykle w granicach płyt, które stanowią jeden z trzech rodzajów: granicach zbieżnych , granice rozbieżne lub przekształcić granice . Procesy te kształtują i modyfikują topografię powierzchni Ziemi, skutecznie zwiększając rzeźbę poprzez mechanizmy wypiętrzenia izostatycznego , pogrubienia skorupy ziemskiej oraz deformacji w postaci uskoków i fałdowań . Zwiększone wzniesienia w stosunku do regionalnych poziomów bazowych prowadzą do bardziej stromych gradientów koryt rzecznych i wzrostu opadów zlokalizowanych pod względem orograficznym, co ostatecznie skutkuje drastycznie zwiększonym tempem erozji. Topografia i ogólna rzeźba danego obszaru określa prędkość, z jaką będzie płynął spływ powierzchniowy , ostatecznie określając potencjalną siłę erozji spływu. Dłuższe, bardziej strome zbocza są bardziej podatne na większe tempo erozji w okresach obfitych opadów niż krótsze, stopniowo nachylone tereny. Tak więc duże pasma górskie i inne obszary o wysokiej rzeźbie terenu, utworzone przez wypiętrzenie tektoniczne, będą miały znacznie wyższe tempo erozji. Ponadto tektonika może bezpośrednio wpływać na tempo erozji w krótkim czasie, co jest oczywiste w przypadku trzęsień ziemi , które mogą wywołać osuwiska i osłabić otaczające skały poprzez zaburzenia sejsmiczne.
Podczas gdy wypiętrzenie tektoniczne w każdym przypadku doprowadzi do jakiejś formy zwiększonego wzniesienia, a tym samym do wyższych szybkości erozji, główny nacisk kładzie się na wypiętrzenie izostatyczne, ponieważ zapewnia ono fundamentalne połączenie między przyczynami i skutkami interakcji erozyjno-tektonicznych.
Podnoszenie izostatyczne
Zrozumienie zasady izostazy jest kluczowym elementem zrozumienia interakcji i sprzężeń zwrotnych dzielonych między erozją a tektoniką. Zasada izostazy mówi, że litosfera, swobodnie poruszająca się w pionie, unosi się na odpowiednim poziomie w astenosferze, tak że ciśnienie na głębokości kompensacji w astenosferze znacznie poniżej podstawy litosfery jest takie samo. Podnoszenie izostatyczne jest zarówno przyczyną, jak i skutkiem erozji. Kiedy deformacja występuje w postaci pogrubienia skorupy, indukowana jest reakcja izostatyczna powodująca zapadanie się pogrubionej skorupy i podnoszenie się otaczającej cieńszej skorupy. Wynikające z tego wypiętrzenie powierzchni prowadzi do zwiększonych wzniesień, co z kolei powoduje erozję. Alternatywnie, gdy duża ilość materiału ulega erozji z dala od powierzchni Ziemi, następuje wypiętrzenie w celu utrzymania równowagi izostatycznej. Ze względu na izostazę, duże szybkości erozji na znacznych obszarach poziomych mogą skutecznie zasysać materiał z dolnej skorupy i/lub górnego płaszcza . Proces ten znany jest jako odbicie izostatyczne i jest analogiczny do reakcji Ziemi po usunięciu dużych lodowców.
Wypiętrzenie izostatyczne i odpowiadająca mu erozja są odpowiedzialne za powstawanie cech geologicznych w skali regionalnej oraz zlokalizowanych struktur. Dwa takie przykłady to:
- Tarcze kontynentalne – na ogół duże obszary niskiej rzeźby terenu (<100 m) w skorupie ziemskiej, gdzieodsłonięte są prekambryjskie krystaliczne skały magmowe i wysokogatunkoweskały metamorficzne . Tarcze uważane są za obszary stabilne tektonicznie w porównaniu z aktywnością zachodzącą na ich obrzeżach i na granicach między płytami, ale ich powstanie wymagało dużej aktywności tektonicznej i erozji. Tarcze, wraz ze stabilnymi platformami, są podstawowymi składnikami tektonicznymi kontynentów, dlatego zrozumienie ich rozwoju ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia rozwoju innych cech powierzchni Ziemi. Początkowo na zbieżnym brzegu płyty tworzy się pas górski. Przekształcenie pasa górskiego w tarczę zależy głównie od dwóch czynników: (1) erozji pasa górskiego przez płynącą wodę oraz (2) regulacji izostatycznej wynikającej z usuwania skał powierzchniowych w wyniku erozji. Ten proces erozji, po którym następuje regulacja izostatyczna, trwa aż do osiągnięcia przez układ równowagi izostatycznej. W tym momencie erozja na dużą skalę nie może już wystąpić, ponieważ powierzchnia eroduje prawie do poziomu morza, a wypiętrzenie ustaje z powodu stanu równowagi systemu.
- Antykliny rzeczne — struktury geologiczne utworzone przez skupione wypiętrzenie skał leżących pod ograniczonymi obszarami wysokiej erozji ( np. rzeki). Odbicie izostatyczne, wynikające z szybkiego usuwania skały powyżej, poprzez erozję, powoduje podnoszenie się osłabionych obszarów skały skorupy ziemskiej z wierzchołka rzeki. Aby nastąpił rozwój tych struktur, tempo erozji rzeki musi przekraczać zarówno średnie tempo erozji terenu, jak i tempo wypiętrzania górotworu. Dwoma czynnikami wpływającymi na rozwój tych struktur są siła prądu towarzyszącej rzeki oraz sztywność zginania skorupy w tym obszarze. Połączenie zwiększonej mocy strumienia ze zmniejszoną sztywnością zginania powoduje przejście systemu od poprzecznej antykliny do antykliny rzeki.
Przepływ kanałowy
Przepływ kanałowy opisuje proces, w którym gorący, lepki materiał skorupy przepływa poziomo między górną skorupą a płaszczem litosfery i jest ostatecznie wypychany na powierzchnię. Model ten ma na celu wyjaśnienie cech wspólnych dla metamorficznych obszarów zaplecza niektórych kolizji orogenów , w szczególności systemu Himalajów – Wyżyny Tybetańskiej . Na obszarach górskich z obfitymi opadami (a więc wysokimi wskaźnikami erozji) powstaną głęboko wcinające się rzeki. Gdy rzeki te niszczą powierzchnię Ziemi, zachodzą dwie rzeczy: (1) ciśnienie na leżące poniżej skały skutecznie je osłabia oraz (2) znajdujący się pod spodem materiał zbliża się do powierzchni. To zmniejszenie wytrzymałości skorupy ziemskiej , w połączeniu z ekshumacją erozyjną , pozwala na przekierowanie przepływu leżącego pod spodem kanału w kierunku powierzchni Ziemi.
Procesy erozyjne
Termin erozja odnosi się do grupy naturalnych procesów, w tym wietrzenia , rozpuszczania, ścierania, korozji i transportu, w wyniku których materiał jest ścierany z powierzchni Ziemi w celu transportu i odkładania w inne miejsca.
- Erozja różnicowa - Erozja występująca w nieregularnych lub zmiennych szybkościach, spowodowana różnicami w odporności i twardości materiałów powierzchniowych; miękkie i słabsze skały szybko się zużywają, podczas gdy twardsze i bardziej odporne skały pozostają, tworząc grzbiety, wzgórza lub góry. Erozja różnicowa, wraz z ustawieniem tektonicznym, to dwie z najważniejszych kontroli ewolucji krajobrazów kontynentalnych na Ziemi.
Sprzężenie zwrotne erozji na tektonice jest przekazywane przez transport powierzchniowej lub przypowierzchniowej masy (skały, gleby, piasku, regolitu itp.) w nowe miejsce. Ta redystrybucja materiału może mieć głęboki wpływ na stan naprężeń grawitacyjnych w tym obszarze, w zależności od wielkości transportowanej masy. Ponieważ procesy tektoniczne są silnie uzależnione od aktualnego stanu naprężeń grawitacyjnych, redystrybucja materiału powierzchniowego może prowadzić do aktywności tektonicznej. Podczas gdy erozja we wszystkich swoich formach z definicji niszczy materiał z powierzchni Ziemi, proces marnowania masy jako produkt głębokiego nacięcia fluwialnego ma największe implikacje tektoniczne.
Ruchy masowe
Masowe marnowanie to geomorficzny proces, w którym materiał powierzchniowy przesuwa się w dół, zwykle jako masa, głównie pod wpływem siły grawitacji. Gdy rzeki spływają w dół stromo nachylonych gór, następuje głębokie nacięcie kanałów, gdy nurt rzeki niszczy leżące pod nimi skały. Duże nacięcie kanału stopniowo zmniejsza siłę grawitacyjną potrzebną do wystąpienia awarii zbocza, co ostatecznie prowadzi do utraty masy. Usunięcie w ten sposób dużych ilości masy powierzchniowej wywoła odpowiedź izostatyczną, prowadzącą do wypiętrzenia, aż do osiągnięcia równowagi.
Wpływ na ewolucję strukturalną
Ostatnie badania wykazały, że procesy erozyjne i tektoniczne mają wpływ na ewolucję strukturalną niektórych cech geologicznych, w szczególności klinów orogenicznych. Wysoce przydatne modele piaskownicy, w których poziome warstwy piasku są powoli dociskane do zderzaka, wykazały, że geometria, struktura i kinematyka formowania się klina orogenicznego zi bez erozji i sedymentacji są znacząco różne. Modele numeryczne pokazują również, że ewolucja orogenów, ich ostateczna struktura tektoniczna i potencjalny rozwój wysokiego płaskowyżu są wrażliwe na długotrwały klimat nad górami, na przykład koncentrację opadów po jednej stronie górotworu. do windy orograficznej pod dominującym kierunkiem wiatru.