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造運動，現(xiàn)今也沒有探測到內(nèi)生磁場。有關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（或大地水準面）和地形之間的導納比較大、相關性也很高，在金星上的火山隆起地區(qū)的大地水準面地形比（GTR）和視補償深度(ADC)都非常大，這些都表明金星內(nèi)部動力學作用明顯，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)或災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造運動顯示，金星的地幔對流模式與地球的以板塊構造為特征的地幔對流模式顯著不同。
　　地幔的對流結(jié)構與地幔的粘度結(jié)構、地幔的相變等物理特性密切相關。

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致間歇性的大量巖漿噴發(fā)，從而使大家認為金星地幔的相變作用可能就是金星表面災難性更新的原因。金星的地形與重力場觀測、以及地幔熱柱結(jié)構等為進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、地幔的粘性結(jié)構、相變作用的影響等進行詳細的研究和探索，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。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造運動的原因。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，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度與Ra的關系上，即Ra增加，對流強度增加，上下物質(zhì)交換增強。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致金星表面的大量巖漿作用，或者說相變難以導致金星災難性的表面更新。
　　(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效應，我們的數(shù)值模擬

8、為扣除這種動力學影響進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數(shù)值模型導納的動力學成分分離方法，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，動力學地形和重力場的關系可根據(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系。依據(jù)扣除動力學影響后的金星重力場和地形我們計算了金星地殼厚度。結(jié)果顯示扣除動力學影響前計算的地殼厚度的特征基本與地形相一致，但扣除動力學影響后的地殼厚度更