Jordsystem interaktioner över bergsbälten

Jordsystem och exempel på jordsysteminteraktioner över bergsbälten.

Jordsysteminteraktioner över bergsbälten är interaktioner mellan processer som sker i jordens olika system eller " sfärer ", eftersom dessa påverkar och reagerar på varandra genom tiden. Jordsysteminteraktioner involverar processer som sker på atomär till planetarisk skala som skapar linjära och icke-linjära återkopplingar som involverar flera jordsystem. Denna komplexitet gör det svårt att modellera jordsysteminteraktioner eftersom det kan vara oklart hur processer av olika skalor inom jorden interagerar för att producera processer i större skala som tillsammans representerar jordens dynamik som ett intrikat interaktivt adaptivt system.

Jordsystem

Jordsystem över berget kuter inkluderar astenosfären (duktil region av den övre manteln ), litosfären (skorpan och den översta övre manteln), ytbehandlar, atmosfären , hydrosfären , kryosfären och biosfären . Över bergsbälten har dessa jordsystem var och en sina egna processer som samverkar inom det system de tillhör.

Interaktion mellan astenosfären, litosfären och ytan genom subduktionsprocessens mantel vid en oceanisk-kontinental plattgräns. Vulkanism som härrör från manteln förekommer på ytan.

Interaktion mellan astenosfären, litosfären och ytan genom mantelprocessen för avbrytning av plattor . Grå indikerar skorpa, lila indikerar mantellitosfär, grön indikerar den överordnade plattan, vit indikerar astenosfär. Den streckade linjen indikerar den relativa skillnaden i ythöjd före/efter avbrott. Nedåtriktade pilar indikerar topografisk depression. Uppåtriktade pilar indikerar ökningar i höjd. (A) Vikten av den bifogade subducerande plattan i manteln trycker ner yttopografin ovanför plattan. (B) Vikten av den subducerande plattan avlägsnas genom att plattan lossnar i manteln, vilket möjliggör dynamisk återhämtning av topografin ovanför området där plattan bryts av.

Mantel

Evolutionärt träd som visar avvikelsen mellan moderna arter från deras gemensamma förfader i centrum. De tre domänerna är färgade, med bakterier blå, archaea grön och eukaryoter röda. Speciation över bergsbälten kan påverkas av klimat och plattektonik.

Jordens mantel är området mellan kärnan och litosfären. Astenosfären är den duktila delen av den övre manteln . Mantelprocesser som fungerar över bergsbälten inkluderar de som är relaterade till subduktion (t.ex. platta avbrytning , platt-platta subduktion , subduktion av en trippel föreningspunkt ). Vulkanism drivs av mantelprocesser som partiell smältning och termiska konvektionsströmmar .

Litosfären

Jordens litosfär består av skorpan och den elastiska, översta delen av den övre manteln. Den avgränsas av ytan och gränsen mellan litosfären och astenosfären . Litosfäriska processer hanterar bergsbildning i litosfären. Litosfäriska processer som fungerar över bergsbälten inkluderar de som är relaterade till teorin om plattektonik (t.ex. tektonisk plattkonvergens, vikning , förkastning , uppgrävning ).

Interaktion mellan astenosfären, litosfären och ytan genom mantelprocessen för subduktion av platt platta . Grått indikerar skorpa, lila indikerar mantellitosfär, rött indikerar astenosfär, grönt indikerar den överordnade plattan. Området ovanför det platta skivsegmentet har relativt högre topografi.

Yta

Ytprocesser som verkar över bergsbälten inkluderar denudation , väderpåverkan och erosion som leder till förändringar i topografin . Upphöjda regioner blir sedimentkällor från vilka berg eroderas och transporteras nedför sluttningar. Vulkanism uppstår vid ytan.

Atmosfär

Atmosfären är det gasformiga lagret som omger jorden . Atmosfäriska processer som verkar över bergsbälten inkluderar nederbörd och atmosfärisk cirkulation . Förändringar i atmosfärens cirkulation kan leda till förändringar som monsunförstärkning. Orografisk lyftning är rörelsen av en luftmassa från en låg höjd till en högre höjd när den rör sig över stigande terräng under bergsbildning. Vulkaniskt material bryter ofta ut i atmosfären.

Hydrosfär

Hydrosfären avser allt vatten på, under och ovanför jordens yta . Det inkluderar de gasformiga , flytande och fasta formerna av vatten. Hydrosfäriska processer som verkar över bergsbälten inkluderar havscirkulation , grundvattenflöde , avdunstning och kondensering .

Kryosfär

Kryosfären hänvisar till allt fast vatten ( is ) på , under och ovanför jordens yta. Kryosfäriska processer som verkar över bergsbälten inkluderar frysning , smältning och glacial rörelse .

Biosfär

Biosfären omfattar alla jordens ekosystem . Biosfäriska processer som verkar över bergsbälten inkluderar evolution , utrotning , andning och fotosyntes .

Interaktioner

Karbonatsilikatcykeln, inom den långsiktiga kolcykeln som visar interaktioner mellan olika jordsystem.

Interaktioner mellan jordsystem över bergsbälten inkluderar mantelprocesser relaterade till subduktion som orsakar förändringar i topografi ( dynamisk topografi ) av ytprocesser som påverkar biosfäriska processer och klimatprocesser. Dessutom kan förändringar i klimatet påverka tektoniska processer via förändringar i ytprocesser.

Vissa systeminteraktioner under orogenes (dvs bergbildning ) är dåligt förstådda (t.ex. mellan biotisk evolution och orogenes).

Hastigheterna för processer, och därför interaktionerna mellan systemen som innehåller distinkta processer, förändras över tiden. Därför är det viktigt för jordsystemvetenskapen att förstå hur dessa system påverkar varandra genom tiden .

Processerna i vilket jordsystem som helst kan inträffa diakront (vid olika tidpunkter på olika platser) längs bergsbältets längd . Därför kommer inverkan av dessa processer på andra jordsystem längs bergsbälten också att variera längs bergsbältets längd. Bevis för vissa av dessa förändringar kan observeras och mätas eftersom de registreras genom tiden i det geologiska arkivet .

Litosfär och ytprocesser

Upphöjning kan orsaka förändringar i sedimentkällan eftersom upphöjningen orsakar ökad erosion av sediment vid källan och efterföljande deposition efter transport. Höjningshastigheten bestämmer erosionshastigheten och därför sedimenttillförselhastigheten.

Mantel och topografi

Paleotopografi av bergsbälten kan hjälpa oss att förstå det inre jordsystemets geodynamik.

Den täta och relativt kalla subducerande plattan vid bergsbälten som bildas längs konvergerande oceaniska-kontinentala plattgränser kan fungera som en tyngd som drar ner ytan ovanför den subducerande plattan. Om denna vikt avlägsnas genom att skivan bryts av, dynamisk återhämtning att uppstå, uttryckt som en ökning av ytans höjd över området där plattan bröts av.

Rekonstruktioner av dagens topografi utan påverkan av mantelflödet producerar höjdskillnader inklusive en cirka 800 m ökning i Himalaya och Anderna , och en förskjutning av kustlinjer som omger låglänta kontinentala plattformar. Detta visar att mantelprocesser måste ha inflytande på topografin.

Inflytande på biologisk mångfald

Artrikedom korrelerar med erosionshastighet som styrs av tektoniska processer. Detta understryker det inflytande som tektoniska processer kan ha på ytan och i sin tur biosfäriska processer.

Bergsbyggande skapar artmångfald . Detta beror på att orogenes skapar nya livsmiljöer där artbildning sker och invandring av arter kan förekomma.

Bergsbyggnad kan också isolera grupper av individer från samma art genom att skapa en geografisk barriär, vilket får dem att utvecklas som två väldigt olika arter.

Påverkan på klimatet

Tektonisk höjning kan orsaka förändringar i sättningar , kemiska vittringshastigheter och nedgrävning av organiskt kol, vilket i sin tur kan orsaka neddragning av atmosfärisk koldioxid och orsaka en global kyleffekt.

Tektonisk-klimatisk interaktion

Det finns ett samband mellan tektonisk höjning och klimatförändringar, men riktningen för orsakssambandet är fortfarande oklart. Det är möjligt att både de tektoniska och klimatiska systemen har drivit varandra vid olika tidpunkter och att processer i dessa jordsystem ömsesidigt påverkar varandra under orogen evolution.

Bergsbälten

Karta som visar bergsbälten globalt.

Bergsbälten är grupper av bergskedjor som har uppstått av samma orsak som vanligtvis är en orogeni som ett resultat av plattektonik .

Olika bergsbälten upplever olika geologiska, geografiska och klimatiska förhållanden som förändras över tiden. Detta innebär att olika bergsbälten upplever olika jordsystemsinteraktioner genom tiden. Därför bör jordsystemsinteraktioner beaktas inom den rumsliga och tidsmässiga kontexten av bergsbältet de tillhör. Här finns exempel på två bergsbälten - Anderna och Himalaya .

Strukturell geologikarta över Sydamerika som visar topografiska särdrag bildade av subduktionsprocesser. Modifierad från Flament et al. (2015).

Anderna

Det finns flera topografiska särdrag inom Sydamerika som bildades på grund av subduktionsprocesser .

Det finns två områden med subduktion av platta plattor av Nazca-plattan i Chile och Peru längs det peruanska subduktionssystemet - det peruanska segmentet av plana plattor och segmentet Pampean. Längden på subduktionszonen representeras av Peru-Chile-graven . Dessa regioner med subduktion av platta plattor har modellerats för att resultera i dynamisk höjning av nordvästra Sydamerika. Denna höjning står för upphörandet av grundvattensedimenteringen av Pebas-formationen och möjliggör återuppbyggnad av Miocenska kustlinjer i Sydamerika.< Det peruanska platta plattsegmentet ledde till bildandet av Peruian broken foreland (PBF) och Fitzcarrald Arch i Peru och Pampean platt platta segment ledde till bildandet av Sierras Pampeanas bergskedjan i Argentina .

Subduktionen av ett spridningscentrum vid Chile Triple Junction orsakade upphöjningen av Patagonien.

Dynamisk lutning från miocen österut i Sydamerika ger en mekanism för att vända Amazonflodens dränering.

Uppkomsten av Anderna påverkade atmosfäriska processer inklusive den sydamerikanska monsunen.

Paleogeografi av den indiska tektoniska plattan genom tiden. Kollision mellan den indiska plattan och den eurasiska plattan skapade Himalaya .

Himalaya

Platt- och mantelinteraktion orsakade höjningen av Himalaya och den tibetanska platån i början av mitten av miocen.

Höjningen av den tibetanska platån och Himalaya förändrade sedimentkällan för Bengal Fan eftersom höjningen ledde till ökad erosion och efterföljande avsättning av Bengal Fan. Sedimenttillförselhastigheten är beroende av erosionshastigheten i Himalaya, som styrs av tektonik, klimat eller en växelverkan mellan båda. Förändringar i sedimentkällan från Bengal-Nicobar Fan i Indiska oceanen och Indusdeltat i Arabiska havet indikerar ett samspel mellan ytprocesser (t.ex. erosion) och klimatprocesser (t.ex. regn). Detta beror på att förändringar i sedimentkällornas områden beror på migrationen av monsunaktivitet till de nya sedimentkällorna, vilket orsakar ökad nederbörd och erosion i dessa nya källområden.

I Himalaya har korrelation mellan uppgrävningshastigheten och sydasiatisk monsunintensitet funnits under de senaste 23 miljoner åren (efter kollision mellan Indien och Asien) . Tektonisk höjning av Himalaya och den tibetanska platån på grund av kollisionen mellan Indien och Eurasien är direkt kopplade till den sydasiatiska monsunens intensifiering, men kausalitetens riktning är föremål för debatt.

Himalayas klimat drivande tektonik

En intensifiering av monsunen i Sydasien kan ha orsakat tektoniska processer i Himalaya. En ökning av monsunintensiteten orsakade en ökning av erosion som gjorde att en ökning av uppgrävning kunde ske via den föreslagna kanalflödestektoniska modellen. Kanalflödesmodellen beskriver monsunintensivering som orsakar denudation av Himalaya vid en " denudationsfront " som orsakar utpressning av sten mellan normala och dragkraftsförkastningar . Denna extrudering förklarar uppgrävning av Himalyanstenar.

Den efterföljande tektoniska höjningen orsakad av uppgrävning förstärkte de orografiska effekterna av klimatförändringen och gjorde systeminteraktionen självförstärkande. Mönstret för det sydasiatiska monsunsystemet korrelerar med Himalayas litosfäriska processer genom tiden, inklusive uppgrävningshastigheter och stötaktivitet längs Himalayas centrala huvuddrag . Drivkraftsmigrering inträffade som svar på en minskning av nederbörden över Himalaya för att upprätthålla kritisk avsmalning av bergssystemet. Detta stöder hypotesen att förändringar i klimatet orsakade förändringar i tektoniska processer. En minskning av mängden sediment som eroderas på grund av förändringar i klimatförändrade plattgränsspänningar, och därför tektoniska processer, under orogenesen . Monsunintensivering kan också förklara den senaste ökningen av konvergenshastigheten mellan Indien och Eurasien (>5 mm/år) sedan 3,5 miljoner år sedan genom att orsaka ökad erosion som formade geomorfologin i östra Himalaya och minskade höjden och jordskorpans tjocklek vilket ledde till moturs stel rotation av den indiska plattan som mäts som en ökning av plattans rörelse och konvergenshastighet.

Himalayas tektonik driver klimatet

Den tektoniska höjningen av Himalaya och den tibetanska platån kan ha lett till en förstärkning av monsunen eftersom bergbildningens orografiska barriäreffekt påverkade globala atmosfäriska cirkulationsmönster. Utbredning av ökningen av Himalayas höjd från väst till öst-Centrala Himalaya från cirka 25 till 12 miljoner år sedan kan ha lett till samtidig monsunintensivering som ett resultat av denna ökning av höjden genom tektoniska processer. Detta kan förklaras av ökad höjd som blockerar fuktbelastade vindar som utlöste monsunens intensifiering och resulterade i snabbare erosion och uppgrävning efter 24 miljoner år sedan.

Himalaya-Tibets höjning kan ha orsakat global kylning i mitten av miocen på grund av inverkan av tektonisk höjning på kolcykeln på lång sikt . Landhöjning och intensifiering av monsunen ledde till ökade sättningar, kemiska vittringshastigheter och nedgrävning av organiskt kol, vilket i sin tur orsakade neddragning av atmosfärisk koldioxid, vilket resulterade i global avkylning.

Undersökningsmetoder

Rekonstruktioner av bergsbältets paleotopografi hjälper forskare att förstå påverkan av bergstillväxt på klimatet och den biologiska mångfalden i bergets ekosystem . Paleotopografi analyseras vanligtvis med § Stabil isotoppaleoaltimetri (t.ex.). Vitringsproxies är vanligtvis baserade på kemiska analyser av huvudelement (t.ex. röntgenfluorescens ) .

Mantel- och litosfäriska processer och deras interaktioner undersöks med analoga modeller, numeriska modeller och seismisk tomografisk avbildning.

Ytprocesser (t.ex. erosion, exhumation) och deras interaktion med klimatprocesser (t.ex. nederbörd) har undersökts genom mineralogisk, geokemisk, termokronometrisk och seismisk analys av avlagringar som eroderats från orogener och avsatts i närliggande bassänger. Förändringar i sedimentets härkomst indikerar förändringar i ytan och troliga tektoniska processer inom bergsbälten.

Utvecklingen av klimatprocesser inklusive monsuner har analyserats genom användning av numeriska atmosfäriska cirkulationsmodeller (t.ex.).

Effekter på biotiska processer har undersökts genom fylogenetisk analys (genom uppskattning av artbildning och utrotningshastighet) av bergsanpassade arter (t.ex. terrestra tetrapoder inklusive amfibier, fåglar och däggdjur och fjärilar) över bergsbälten genom tid (t.ex.) och numerisk diversifiering modeller (t.ex.).

Utmaningar och svårigheter

Medan jordsystem har observerats interagera över bergsbälten, är en modell av hur specifika jordsystem interagerar över ett bergsbält sannolikt inte tillämplig på alla bergsbälten på grund av deras individuella skillnader i geografiska lägen, stensammansättning och tektoniska strukturer.

Rekonstruktioner av tektoniska plattor

Hänsyn till jordsystemets interaktioner kräver fullständig tektonisk rekonstruktion av alla plattrörelser genom tiden för det studerade området, som ofta inte är allmänt överens om, för att skapa en ram inom vilken jordsystemets interaktioner kan undersökas.

Begränsar åldern för början av den sydasiatiska monsunen

Tidsåldern för början av den sydasiatiska monsunen är inte allmänt överens om. Den sydasiatiska monsunen kan ha börjat under tidig eller sen miocen. Denna osäkerhet gör det svårt att undersöka klimatets interaktioner med andra jordsystem (särskilt kausalitetsriktningen) i Himalaya genom tiden.

Skillnad i latitud och klimatförhållanden

Hur jordsystem interagerar över ett bergsbälte beror på bergsbältens läge och orientering. Olika bergsbälten finns på olika breddgrader vilket innebär att olika bergsbälten upplever olika klimatförhållanden inklusive temperatur och grad av glaciation (vilket kan forma relief). Detta innebär att det sannolikt kommer att finnas olika tektoniska-klimatiska interaktioner involverade vid olika bergsbälten, beroende på deras latitud. Bergsbältets läge är en nyckelfaktor för att bestämma bergsbältets höjd .

Skillnad i bergsammansättning och tektoniska strukturer

Varierande jordskorpa sammansättning av enskilda bergsbälten innebär att varje bergsbälte kommer att ha unika tillhörande tektoniska strukturer. Därför kommer hur tektoniska processer som sker inom tektoniska strukturer interagerar med andra jordsystem att variera mellan bergsbälten.

Se även