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1、金星與地球在大小、質(zhì)量和組成等方面都非常相近,但金星沒(méi)有活動(dòng)的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng),現(xiàn)今也沒(méi)有探測(cè)到內(nèi)生磁場(chǎng)。有關(guān)金星的重力和地形資料的研究顯示現(xiàn)今金星的巖石圈可能很厚。金星的重力(或大地水準(zhǔn)面)和地形之間的導(dǎo)納比較大、相關(guān)性也很高,在金星上的火山隆起地區(qū)的大地水準(zhǔn)面地形比(GTR)和視補(bǔ)償深度(ADC)都非常大,這些都表明金星內(nèi)部動(dòng)力學(xué)作用明顯,火山隆起區(qū)域下方可能存在類(lèi)似于地球上夏威夷下方的地幔熱柱作用。進(jìn)一步的分析還顯示,金星內(nèi)部可能存在
2、9到10個(gè)類(lèi)似的地幔熱柱。這表明金星地幔仍存在對(duì)流運(yùn)動(dòng)。來(lái)自金星隕石坑數(shù)據(jù)的分析表明金星表面的平均年齡大約為500±200 Ma,這顯示金星可能發(fā)生過(guò)全球性的表面快速更新。但是金星的表面更新是一次性的還是周期性的、是均勻還是突發(fā)或?yàn)?zāi)難性的過(guò)程則存眾多爭(zhēng)議。這些問(wèn)題結(jié)合金星沒(méi)有活動(dòng)的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)顯示,金星的地幔對(duì)流模式與地球的以板塊構(gòu)造為特征的地幔對(duì)流模式顯著不同。
地幔的對(duì)流結(jié)構(gòu)與地幔的粘度結(jié)構(gòu)、地幔的相變等物理特性密切相關(guān)。
3、包含相變的二維金星地幔對(duì)流模型也顯示吸熱相變對(duì)物質(zhì)流動(dòng)的阻礙作用可能導(dǎo)致間歇性的大量巖漿噴發(fā),從而使大家認(rèn)為金星地幔的相變作用可能就是金星表面災(zāi)難性更新的原因。金星的地形與重力場(chǎng)觀(guān)測(cè)、以及地幔熱柱結(jié)構(gòu)等為進(jìn)一步研究金星地幔對(duì)流提供了約束。本文利用三維數(shù)值模擬的方法開(kāi)展了金星全球地幔對(duì)流的研究,試圖就金星地幔的對(duì)流結(jié)構(gòu)、地幔的粘性結(jié)構(gòu)、相變作用的影響等進(jìn)行詳細(xì)的研究和探索,主要研究成果包括:
(1)通過(guò)大量的數(shù)值模擬計(jì)算,我們發(fā)
4、現(xiàn),與現(xiàn)今金星的重力和地形特征吻合并且熱柱個(gè)數(shù)大約為10個(gè)的模型,其內(nèi)部地幔物理參數(shù)應(yīng)符合:尖晶石到鈣鈦礦的吸熱相變的Clapeyron斜率約為-3.5 Mpa/K,地幔巖石圈下方粘性基本均勻,約為2×1021 Pa s(相當(dāng)于瑞利數(shù)為1.8×107)。我們的結(jié)果表明,金星和地球不同,金星地幔沒(méi)有類(lèi)似軟流圈的結(jié)構(gòu)。一個(gè)可能的推測(cè)是金星地幔缺水,金星缺失軟流圈也可能是金星沒(méi)有活動(dòng)板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的原因。我們的結(jié)果還表明,相變?cè)诮鹦堑蒯?duì)流中起
5、著非常重要的作用。早期不包含相變的局部地幔對(duì)流模型顯示沒(méi)有軟流圈的金星地幔對(duì)流模型可以符合金星的重力和地形數(shù)據(jù),但我們的結(jié)果顯示,這種模型將產(chǎn)生比現(xiàn)今金星熱柱多得多的熱柱,從而不能與觀(guān)測(cè)相符。
(2)通過(guò)大量數(shù)值模擬,我們發(fā)現(xiàn)相變作用導(dǎo)致的上下地幔熱和物質(zhì)交換在三維模型中隨時(shí)間變化很小,這和二維模型的結(jié)果很不一樣。通過(guò)對(duì)不同瑞利數(shù)、不同相變Clapeyron斜率和不同相變深度的模型的計(jì)算分析,結(jié)果表明:吸熱相變將阻礙界面上下物
6、質(zhì)交換,相變的Clapeyron斜率的增加,相變的影響增強(qiáng),上下物質(zhì)交換減弱,并增加對(duì)流波長(zhǎng)或減小熱柱個(gè)數(shù);瑞利數(shù)Ra增大,也使對(duì)流波長(zhǎng)增加或熱柱個(gè)數(shù)減小,但對(duì)界面上下物質(zhì)交換的影響主要反映在對(duì)流強(qiáng)度與Ra的關(guān)系上,即Ra增加,對(duì)流強(qiáng)度增加,上下物質(zhì)交換增強(qiáng)。但從吸熱相變面的歸一化的質(zhì)量流來(lái)看,其變化并不是很大。這不同于二維模型中瑞利數(shù)的增加將很大程度上增加上下地幔物質(zhì)交換的阻礙作用的結(jié)論。尖晶石到鈣鈦礦相變深度的增加略微減小了熱柱個(gè)數(shù)
7、,但對(duì)相變面上下物質(zhì)交換影響不大。雖然與已有研究一致,尖晶石到鈣鈦礦相變能阻礙該界面上下物質(zhì)交換,但這種阻礙作用在三維模型中并不會(huì)導(dǎo)致熱的物質(zhì)在界面下大量堆積。上下物質(zhì)交換量隨時(shí)間變化不大,地幔對(duì)流結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定,這與二維模型中存在周期性的大量物質(zhì)交換明顯不同。這說(shuō)明相變的作用將難以導(dǎo)致金星表面的大量巖漿作用,或者說(shuō)相變難以導(dǎo)致金星災(zāi)難性的表面更新。
(3)由于金星重力場(chǎng)和地形的低頻成分主要來(lái)源于金星的動(dòng)力學(xué)效應(yīng),我們的數(shù)值模擬
8、為扣除這種動(dòng)力學(xué)影響進(jìn)而研究金星的地殼厚度提供了新的途徑。本文首次提出了一種基于動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型導(dǎo)納的動(dòng)力學(xué)成分分離方法,即假定金星長(zhǎng)波長(zhǎng)的地形和重力場(chǎng)是由地幔對(duì)流和地殼均衡共同作用的結(jié)果,動(dòng)力學(xué)地形和重力場(chǎng)的關(guān)系可根據(jù)數(shù)值模擬得到,同時(shí)根據(jù)艾利均衡理論可建立均衡部分地形和重力場(chǎng)的關(guān)系。依據(jù)扣除動(dòng)力學(xué)影響后的金星重力場(chǎng)和地形我們計(jì)算了金星地殼厚度。結(jié)果顯示扣除動(dòng)力學(xué)影響前計(jì)算的地殼厚度的特征基本與地形相一致,但扣除動(dòng)力學(xué)影響后的地殼厚度更
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