金星全球地幔對流的數(shù)值模擬.pdf

1、金星與地球在大小、質(zhì)量和組成等方面都非常相近，但金星沒有活動的板塊構(gòu)造運(yùn)動，現(xiàn)今也沒有探測到內(nèi)生磁場。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)部動力學(xué)作用明顯，火山隆起區(qū)域下方可能存在類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個類似的地幔熱柱。這表明金星地幔仍存在對流運(yùn)動。來自金星隕石坑數(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)難性的過程則存眾多爭議。這些問題結(jié)合金星沒有活動的板塊構(gòu)造運(yùn)動顯示，金星的地幔對流模式與地球的以板塊構(gòu)造為特征的地幔對流模式顯著不同。
　　地幔的對流結(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流模型也顯示吸熱相變對物質(zhì)流動的阻礙作用可能導(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觀測、以及地幔熱柱結(jié)構(gòu)等為進(jìn)一步研究金星地幔對流提供了約束。本文利用三維數(shù)值模擬的方法開展了金星全球地幔對流的研究，試圖就金星地幔的對流結(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數(shù)大約為10個的模型，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，金星地幔沒有類似軟流圈的結(jié)構(gòu)。一個可能的推測是金星地幔缺水，金星缺失軟流圈也可能是金星沒有活動板塊構(gòu)造運(yùn)動的原因。我們的結(jié)果還表明，相變在金星地幔對流中起

5、著非常重要的作用。早期不包含相變的局部地幔對流模型顯示沒有軟流圈的金星地幔對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，從而不能與觀測相符。
　　(2)通過大量數(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間變化很小，這和二維模型的結(jié)果很不一樣。通過對不同瑞利數(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，并增加對流波長或減小熱柱個數(shù);瑞利數(shù)Ra增大，也使對流波長增加或熱柱個數(shù)減小，但對界面上下物質(zhì)交換的影響主要反映在對流強(qiáng)度與Ra的關(guān)系上，即Ra增加，對流強(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數(shù)

7、，但對相變面上下物質(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)交換量隨時間變化不大，地幔對流結(jié)構(gòu)相對穩(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)由于金星重力場和地形的低頻成分主要來源于金星的動力學(xué)效應(yīng)，我們的數(shù)值模擬

8、為扣除這種動力學(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力學(xué)數(shù)值模型導(dǎo)納的動力學(xué)成分分離方法，即假定金星長波長的地形和重力場是由地幔對流和地殼均衡共同作用的結(jié)果，動力學(xué)地形和重力場的關(guān)系可根據(jù)數(shù)值模擬得到，同時根據(jù)艾利均衡理論可建立均衡部分地形和重力場的關(guān)系。依據(jù)扣除動力學(xué)影響后的金星重力場和地形我們計(jì)算了金星地殼厚度。結(jié)果顯示扣除動力學(xué)影響前計(jì)算的地殼厚度的特征基本與地形相一致，但扣除動力學(xué)影響后的地殼厚度更