Landområdene i Skandinavia har hevet seg flere hundre meter etter siste istid. Hvor mye av dette er rent elastisk heving?
Når en kraft påføres jordas overflate, vil det utløse en umiddelbar elastisk deformasjon som er proporsjonal med spenningen. Etter den umiddelbare elastiske effekten, vil det oppstå en tidsavhengig isostatisk bevegelse for å gjenopprette isostatisk likevekt.
Den isostatiske bevegelsen har blitt modellert av ulike forskere, og en har brukt observerte data om landhevningen for å kalibrere beregningene. De fleste modellene som brukes inkluderer jordas elastiske og viskøse egenskaper.
Det er imidlertid ikke så ofte at en ser kvantifisert effekt av elastisk deformasjon.
LES OGSÅ: Svalbard reiser seg
|
Elastisitet
Omtrent alle bergarter oppfører seg elastisk når de påføres en belastning (som ikke er altfor stor), og når belastningen opphører, går de tilbake til opprinnelig form.
Dette er ikke det samme som isostatisk prosess; isostatiske bevegelser skjer over lang tid, da de er avhengige av flytning i mantelen (som er seigtflytende). Elastiske bevegelser, derimot, opptrer umiddelbart ved belastning. Et 100 prosent elastisk legeme vil innta sin opprinnelige form perfekt etter avlastning.
Ved lineær elastisitet vil deformasjonen være nærmest proporsjonal til spenningen. Når kraften overstiger et visst bristepunkt, er ingen legemer elastiske lenger.
Bergarter oppfører seg ganske forskjellig ved belastning, avhengig av de elastiske egenskapene til bergarten. De elastiske egenskapene kan karakteriseres ved Lamés parametre λ og μ (skjærmodul).
Vi har her brukt skjærmodul (μ) i henhold til Bullen (1965). Beregningsmetode er beskrevet i Fjeldskaar (2000). I tillegg til de elastiske parametre og istykkelsen, er den elastiske responsen også avhengig av den laterale utbredelsen av lasten.
|
Tabell 1. Skjær-modul μ (1011 N/m2) som funksjon av dyp (fra Bullen, 1965) brukt i beregningene.Spørsmålet vi ønsker å besvare, er altså om de elastiske effektene er så store at de har påvirket landhevningen etter siste istid.
Vi skal nå vise noen eksempler på elastisk kontra isostatisk deformasjon under den skandinaviske isen. Vi tar utgangspunkt i isbreen slik vi tror den så ut for 12 000 år siden (figur 2).
Figur 2. Utbredelse og tykkelse (i meter) av iskappen over Skandinavia for 12 000 år siden. Utbredelsen er kartlagt av Hughes m.fl. (2016) og istykkelsen (i meter) er modellert som beskrevet i lenken nedenfor.
LES OGSÅ: Hvor tykk var isen under siste istid?
Total glasial isostatisk heving ved avlasting av isbreen i figur 2, er vist i figur 3.
Hevingen er litt mer enn 450 meter i Bottenviken, hvor isbreen var tykkest. Beregningene er basert på en tynn litosfære (30 kilometer).
LES OGSÅ: Ingen enighet om mantelens viskositet – del 2
Figur 3. Total glasial isostasi (i meter) forårsaket av iskappen i figur 2.
To årsaker til elastisk deformasjon
Figur 4 (under) viser beregnet elastisk heving ved avlasting av isbreen i figur 2. Vi ser at den elastiske hevingen er omtrent 30 meter i sentrale deler.
Metoden som er brukt, er beskrevet i Fjeldskaar (2000). Vi ser at elastisk effekt i sentrale deler er mindre enn ti prosent i forhold til isostatisk respons, i perifere strøk noe mer.
Disse beregningene blir bare et omtrentlig estimat av elastisk effekt, fordi de bare er gyldige for en stiv jord. Når vi også tar hensyn til isostatisk respons, vil resultatet bli et annet.
Det er nemlig slik at de elastiske deformasjonene gradvis reduseres når litosfæren går mot isostatisk likevekt.
I vårt tilfelle er det to årsaker til elastiske deformasjoner; 1) avlasting av iskapper, 2) isostatiske bevegelser forårsaket av avlastingen av iskappen.
Ved avlasting av is, vil det oppstå en umiddelbar elastisk respons. Glasial isostatisk respons vil da være tilnærmet null, men vil på grunn av viskositeten i mantelen sette inn etter en stund.
Ved uendelig tid, vil det oppnås isostatisk likevekt. Da vil de elastiske deformasjonene ha opphørt.
For å finne den totale elastiske effekten ved 12 000 år før nåtid, må vi finne ut hvor mye ute av likevekt området var da 12 000-isen begynte å smelte. Modellering av den glasiale isostatiske responsen fram til 12 000 år før nåtid kan gi svar på dette.
Iskappen over Nord-Europa nådde sin største utbredelse under siste istid omtrent 20 000 år før nåtid, og den var smeltet bort omtrent 8 500 år før nåtid.
Figur 4. Elastisk deformasjon (i meter) forårsaket av iskappen i figur 2.
Både den elastiske og isostatiske responsen er derfor fordelt over noen tusen år. Den isostatiske responsen på avsmeltingen fra 20 000 til 12 000 medførte at jordoverflaten lå ganske mye dypere enn idag (figur 5).
Den isostatiske responsen vil nemlig være forsinket i forhold til avsmeltingen som har foregått fra 20 000 til 12 000, noe som vil redusere eller til og med oppheve den elastiske responsen av selve avsmeltingen.
Vi kan derfor regne med at den elastiske responsen vil være ganske annerledes enn figur 4 viser.
Når vi summerer den elastiske effekten av 12 000-iskappen og elastisk effekt av glasial isostasi, vil den resulterende totale elastiske deformasjonen bli som vist i figur 6 (lenger ned).
Figur 5. Beregnet glasial-isostatisk heving fra 12 000 til idag (i meter). Dette er den isostatiske effekten av avsmeltingen fra 20 000 til 12 000 år før nåtid.
Opptil ti meter elastisk respons
Figur 6 viser altså summen av elastisk deformasjon av iskappen og elastisk effekt av glasial isostasi fra 12 000 til i dag.
Vi ser at total elastisk deformasjon er størst i østlige deler av området; i en sone fra østkysten av Sverige og nord-østover kan elastisk respons være opptil ti meter. Ellers er den elastiske deformasjonen fra 12 000 til i dag ganske ubetydelig.
Våre beregninger viser altså at elastisk effekt kan komme opp mot ti meter i visse områder. Det betyr at landhevningen i dette området er ti meter mindre enn beregnet kun fra glasial isostasi.
I forhold til beregnet glasial isostatisk heving i de samme områdene, som kan overstige 300 meter, så må konklusjonen bli at den elastiske responsen er ganske ubetydelig. Elastisk respons utgjør maksimalt fem prosent av total landhevning.
Figur 6. Beregnet elastisk deformasjon (i meter) ved 12 000 før nåtid, på grunn av issmelting og glasial isostasi.
Referanser
Bullen, K.E., 1965. An introduction to the theory of seismology. Cambridge Univ. Press.
Fjeldskaar, W., 2000. How important are elastic deflections for the Fennoscandian post-glacial uplift? Norsk Geologisk Tidsskrift 80, 51-56.
Hughes, A. L. C., Gyllencreutz, R., Lohne, Ø. S., Mangerud, J. & J.I. Svendsen, 2016: The last Eurasian ice sheets – a chronological database and time-slice reconstruction, DATED-1. Boreas, 45, 1–45. 10.1111/bor.12142.
