黃金水，相松，楊安，王永明

1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026 2 中國(guó)科學(xué)院比較行星學(xué)卓越中心，合肥 230026 3 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蒙城地球物理野外科學(xué)觀測(cè)研究站，合肥 230026 4 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071 5 云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地球物理系，昆明 650500

0 引言

自1962年12月美國(guó)水手2號(hào)飛船首次成功飛過(guò)金星，迄今為止，對(duì)金星進(jìn)行了40多次探測(cè).美國(guó)航空航天局(NASA)1989年發(fā)射升空的麥哲倫號(hào)是目前獲取資料最詳細(xì)的一次探測(cè)；歐洲航天局(ESA)2005年發(fā)射升空的金星快車是最近一次成果豐碩的探測(cè).今年，NASA通過(guò)了兩項(xiàng)金星探測(cè)計(jì)劃，即VERITAS(Venus Emissivity, Radio science, Insar, Topography, And Spectroscopy)和DAVINCI+(Deep Atmosphere of Venus Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging Plus)，預(yù)定2028—2030年實(shí)施.盡管人類對(duì)金星的了解沒(méi)有對(duì)地球的了解那么多，但探測(cè)器(包括著陸器)傳回的資料數(shù)據(jù)極大提高了我們對(duì)金星的認(rèn)識(shí)(Phillips and Malin, 1984; Phillips et al., 1992; Smrekar et al., 2010).現(xiàn)在，我們知道，就大小、質(zhì)量、組成和與太陽(yáng)的距離來(lái)說(shuō)，金星與地球非常接近(Schubert et al., 2001).但金星和地球不一樣，其表面溫度很高，沒(méi)有水、沒(méi)有海洋，96%的大氣是溫室氣體二氧化碳；金星的自轉(zhuǎn)速度非常慢，接近公轉(zhuǎn)速度(Solomon et al., 1992; Schubert et al., 2001).金星的放射性內(nèi)生熱率與地球基本相當(dāng)(Turcotte, 1995).在金星上也沒(méi)有觀測(cè)到內(nèi)生磁場(chǎng)(Russell et al., 1980; Russell and Vaisberg, 1983; Phillips and Russell, 1987).金星和地球有關(guān)參數(shù)的對(duì)比見(jiàn)表1.

表1 金星與地球的有關(guān)參數(shù)對(duì)比

和地球一樣，金星有高原和山區(qū)、平原以及低洼區(qū)域(Solomon et al., 1992).和地球地形海陸兩分的格局不同，金星的地形主要以平原為主(圖1).金星表面布滿裂谷和碰撞造山帶等構(gòu)造變形特征(Basilevsky and Head, 2003).這些構(gòu)造特征顯示金星表面記錄了其發(fā)生過(guò)的擠壓和伸展構(gòu)造運(yùn)動(dòng).金星也有大量的火山活動(dòng)特征，有些可能近期發(fā)生過(guò)噴發(fā)(Smrekar, 1994; Smrekar et al., 2010).在金星表面也發(fā)現(xiàn)了約10個(gè)和地球上的夏威夷火山類似的熱點(diǎn)構(gòu)造(Stofan et al., 1995; Smrekar et al., 2010).也具有洋脊與俯沖特征(Davaille et al., 2017; Smrekar et al., 2018)，但是在金星上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類似地球的活動(dòng)板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的特征(Solomon et al., 1992; Turcotte, 1995; Schubert et al., 2001; Basilevsky and Head, 2003).

圖1 地球和金星的重力與地形圖(修改自 Wieczorek, 2007)

對(duì)金星重力和地形的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)(圖2a和2b)，在球諧函數(shù)展開(kāi)的低階項(xiàng)或長(zhǎng)波長(zhǎng)部分，金星的導(dǎo)納值(即重力與地形的比值)遠(yuǎn)高于地球；金星的重力與地形具有很強(qiáng)的相關(guān)性，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地球(Wieczorek, 2007; Huang et al., 2013; 魏代云等, 2014).這一特征顯示，和地球地形與地殼的均衡密切相關(guān)不同，金星地形的長(zhǎng)波部分可能主要由其內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過(guò)程控制(Kiefer et al., 1986; Kiefer and Hager, 1991; Solomon et al., 1992; Simons et al., 1994; Arkani-Hamed, 1996; Schubert et al., 2001; Pauer et al., 2006; Huang et al., 2013).

金星探測(cè)的另一個(gè)重要成果就是發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)今金星表面存在大量均勻分布的隕石坑(Phillips et al., 1992; Schaber et al., 1992; Basilevsky and Head, 2003).隕石坑在金星表面的隨機(jī)分布以及基本沒(méi)有遭到改造的現(xiàn)象表明，金星表面沒(méi)有很古老的也沒(méi)有很年輕的記錄，金星表面年齡基本一致，大約500±200 Ma(圖2c)，這與其他類地行星都不一樣(圖2c)(Schaber et al., 1992; Turcotte et al., 1999).表2給出部分金星與地球的地球物理與地質(zhì)特征，更多特征可參考Solomon等(1992)、Smrekar等(2018)和楊安等(2020)以及這些文章中的參考文獻(xiàn).金星表面的年齡特征表明金星表面發(fā)生過(guò)獨(dú)特的更新事件.

表2 金星與地球的相關(guān)地球物理與地質(zhì)特征對(duì)比

圖2 地球和金星的重力場(chǎng)特征與表面年齡(修改自 Schubert et al., 2001; 魏代云等, 2014)

前蘇聯(lián)金星著陸器得到的資料顯示金星表面是玄武巖(McKenzie et al., 1992)，這也從麥哲倫的雷達(dá)影像中得到證實(shí)(McKinnon et al., 1997).由此，科學(xué)家提出了許多全球性的表面更新模型.但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(Phillips et al., 1992; Schaber et al., 1992; Nimmo and Mckenzie, 1998; Turcotte et al., 1999; Hansen and Young, 2007).金星表面更新的過(guò)程和機(jī)制與金星的地幔對(duì)流模式和散熱方式密切相關(guān).對(duì)災(zāi)難性的表面更新，其更新機(jī)制的概念性模型就有許多，主要有：1)分層對(duì)流的雪崩式破壞(Steinbach and Yuen, 1992; Papuc and Davies, 2012)；2)虧損地幔巖石圈的拆沉(Parmentier and Hess, 1992)；3)對(duì)流模式的轉(zhuǎn)變(Solomatov and Moresi, 1996)；4)周期性板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(Turcotte et al., 1999)等.

地球動(dòng)力學(xué)研究表明地幔中存在著板塊模式與地幔柱模式的熱對(duì)流形式(Davies, 1999)，前者與板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系，后者則與夏威夷型(Hawaiian-type)的火山熱點(diǎn)直接相關(guān).夏威夷型的火山巖漿活動(dòng)與起源于地幔底部邊界的熱柱直接相關(guān)，海洋巖石圈是板塊模式地幔對(duì)流的上部邊界(Davies, 1999).巖漿活動(dòng)和板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是地球內(nèi)部熱量向外散失的主要方式.板塊在洋脊生成，在海溝處俯沖進(jìn)入地球內(nèi)部(Davies, 1999; Turcotte and Schubert, 2002).地幔對(duì)流是地球內(nèi)部熱量散失的主要機(jī)制，而與板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的熱量散失占地幔熱量散失總量的約70%，熱柱帶出的熱量約為10%(Turcotte, 1995; Davies, 1999; Schubert et al., 2001; Turcotte and Schubert, 2002).缺少活動(dòng)板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的金星，內(nèi)部熱量是如何散失的？目前的模型可總結(jié)為兩類：巖漿活動(dòng)和板塊構(gòu)造活動(dòng).板塊構(gòu)造活動(dòng)模式指金星具有某種形式的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，如巖石圈的周期性大規(guī)模俯沖或拆沉(Parmentier and Hess, 1992; Turcotte et al., 1999)或板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的突然停止(Solomatov and Moresi, 1996)，這類模式也伴隨巖漿活動(dòng)，但巖漿活動(dòng)不起主導(dǎo)作用.巖漿活動(dòng)模式指巖石圈基本不動(dòng)，大規(guī)模的巖漿噴發(fā)將熱量從金星內(nèi)部帶出.最早對(duì)巖漿活動(dòng)模式進(jìn)行數(shù)值模擬分析的是Steinbach和Yuen(1992)，他們認(rèn)為660 km相變可使金星地幔對(duì)流從分層對(duì)流演化到全地幔對(duì)流從而造成大規(guī)模巖漿噴發(fā).Papuc和Davies(2012)研究顯示，660 km處玄武巖密度的變化也可造成周期性的分層對(duì)流，而分層對(duì)流的破壞可造成大規(guī)模的巖漿活動(dòng).

金星為什么沒(méi)有活動(dòng)的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)？為什么金星的重力和地形如此高度相關(guān)？金星地殼有多厚？全球表面更新的過(guò)程、成因和機(jī)制又是什么？沒(méi)有活動(dòng)板塊構(gòu)造的金星，內(nèi)部熱量是如何散失的？這些問(wèn)題自先鋒號(hào)金星探測(cè)器傳回金星表面圖像以來(lái)就一直是科學(xué)家們思考的問(wèn)題，如今，對(duì)這些問(wèn)題的認(rèn)識(shí)取得進(jìn)展，但仍有待進(jìn)一步的研究(Schubert et al., 2001; Smrekar et al., 2018; 楊安等, 2020).下面主要介紹我們針對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)展的金星動(dòng)力學(xué)研究，包括現(xiàn)今金星地幔的對(duì)流模式、相變對(duì)金星表面更新的影響、金星地殼的厚度、金星巖石圈演化與散熱等研究工作和取得的相關(guān)認(rèn)識(shí).

1 金星地幔的對(duì)流模式

冰后回彈和重力場(chǎng)等地球物理研究顯示，地球地幔的黏性結(jié)構(gòu)存在分層特征，即高黏性的巖石圈、低黏性的軟流圈和中等黏性的下地幔(圖3a中模型2，綠色曲線)(Schubert et al., 2001).但Kiefer和Hager(1991)的基于單一地幔熱柱的動(dòng)力學(xué)模型研究顯示，熱柱作用是造成當(dāng)今金星重力和地形特征的主要?jiǎng)恿W(xué)機(jī)制，且金星不存在類似地球的軟流圈.我們采用三維金星全球地幔對(duì)流模型，根據(jù)金星表面的重力、地形和巖漿活動(dòng)特征，探索了各種地幔黏性結(jié)構(gòu)下金星地幔的對(duì)流模式(圖3)(Huang et al., 2013).

計(jì)算結(jié)果顯示：1)如果金星地幔存在類地球的軟流圈，即高黏性巖石圈下的地幔存在軟弱層(圖3中綠色線條表征的模型2)，則模型的重力與地形特征與地球類似，特別是在低階項(xiàng)上，重力與地形負(fù)相關(guān)，這與金星重力與地形特征完全不同(圖3g)；2)根據(jù)Kiefer和Hager(1991)的結(jié)果，假定金星巖石圈下的地幔黏性基本均勻(圖3中紅色線條表征的模型1)，在不考慮相變作用的情況下，金星重力與地形的相關(guān)性得到改善，即重力與地形強(qiáng)相關(guān)(圖3g).但重力與地形的低階項(xiàng)強(qiáng)度明顯偏小，特別是地形，這與觀測(cè)明顯不符(圖3e和3f).低階項(xiàng)偏小，意味著地幔短波特征明顯.從地幔上升流的個(gè)數(shù)計(jì)算來(lái)看，也確實(shí)如此.計(jì)算顯示，這類模型的熱柱個(gè)數(shù)明顯偏多，與金星地幔的大約10個(gè)熱柱的數(shù)量也不符合.3)地球地幔的660 km的尖晶石到鈣鈦礦相變可以抑制地球地幔對(duì)流的短波成分.在金星，這個(gè)吸熱相變的作用類似.計(jì)算結(jié)果顯示，與金星上的現(xiàn)有觀測(cè)(地形、重力和熱點(diǎn)分布)基本一致的模型的參數(shù)應(yīng)取：吸熱相變Clapeyron斜率-3.5 MPa/K和地幔黏度2×1021Pa·s(圖3).

圖3 當(dāng)今金星地幔對(duì)流的數(shù)值模擬結(jié)果

我們的結(jié)果顯示，單一板塊下的常黏性地幔對(duì)流可產(chǎn)生高度相關(guān)的重力與地形值，但低階項(xiàng)明顯偏小，對(duì)流結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)太小.軟流圈弱層的存在可增強(qiáng)地幔的長(zhǎng)波長(zhǎng)對(duì)流結(jié)構(gòu)，但重力與地形及其相關(guān)性與金星不一致.相變?cè)诮鹦堑蒯?duì)流中對(duì)抑制短波成分具有重要作用.根據(jù)我們的計(jì)算，滿足金星的巖漿活動(dòng)、重力和地形特征的地幔對(duì)流模型不存在類似地球軟流圈的弱層(Huang et al., 2013).在Boussinesq近似下，對(duì)流地幔產(chǎn)生上下兩個(gè)邊界層，中心的溫度基本一致(Schubert et al., 2001).與溫度相關(guān)的蠕變特性在上部邊界產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的巖石圈.地震探測(cè)顯示地球巖石圈下存在一個(gè)弱的軟流圈(Schubert et al., 2001).盡管對(duì)地球軟流圈形成機(jī)理仍存爭(zhēng)議，一個(gè)普遍的共識(shí)是軟流圈由于部分熔融而存在熔體(Schubert et al., 2001; Debayle et al., 2020)，熔體的存在導(dǎo)致橫波速度減小、衰減效應(yīng)增強(qiáng)，黏性減小.盡管目前對(duì)軟流圈水的來(lái)源和具體水含量仍存爭(zhēng)議，但研究顯示水對(duì)軟流圈熔體的形成具有重要促進(jìn)作用(Hirth and Kohlstedt, 1996; Mierdel et al., 2007; Karato, 2012).H?ink等(2012)的研究顯示，地球的軟流圈對(duì)產(chǎn)生和維持地球的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)起著重要作用，前人的結(jié)果和我們的計(jì)算顯示，金星不存在類似地球軟流圈的弱層(Kiefer and Hager, 1991; Huang et al., 2013).一個(gè)重要的推測(cè)就是由于金星地幔缺水(Kiefer and Hager, 1991; Hirth and Kohlstedt, 1996; Nimmo and Mckenzie, 1998)，才導(dǎo)致沒(méi)有軟流圈.水等揮發(fā)性氣體在板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中起著重要作用(Smrekar and Sotin, 2012; Huang et al., 2013).這或許意味著當(dāng)今金星之所以沒(méi)有板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，可能就是因?yàn)榻鹦堑蒯Ｈ彼畬?dǎo)致巖石圈下沒(méi)有軟流圈存在.

2 吸熱相變對(duì)金星地幔對(duì)流的影響與表面更新

盡管關(guān)于金星表面均勻更新的想法一直存在(Hansen and Young, 2007)，但表面年齡分布如此集中(圖2c)，使得大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為全球?yàn)?zāi)難性的表面更新更符合觀測(cè)(Nimmo and Mckenzie, 1998; Turcotte et al., 1999).自Steinbach和Yuen(1992)在二維地幔對(duì)流模型得到相變可以造成上下地幔分層對(duì)流以及存在分層對(duì)流到全地幔對(duì)流的轉(zhuǎn)換的模型以來(lái)，相變?cè)斐傻姆謱訉?duì)流的雪崩式破壞被認(rèn)為是金星表面災(zāi)難性更新的機(jī)制.我們前述研究(Huang et al., 2013)也顯示，相變?cè)诮鹦堑蒯?duì)流中具有重要影響.為此，我們計(jì)算了大量的三維模型來(lái)探討相變與表面更新的聯(lián)系(Yang et al., 2015).圖4顯示了其中一個(gè)模型的結(jié)果.

計(jì)算結(jié)果顯示，受初始條件影響，在1.1 Ga左右出現(xiàn)一次較大范圍的上下地幔物質(zhì)交換(圖4e和4f).在這個(gè)過(guò)程中，一開(kāi)始底部熱流增加，地幔對(duì)流速度增大，表面熱流則略微減小.隨著速度場(chǎng)和底部熱流趨于穩(wěn)定，表面熱流則出現(xiàn)較大增加，并逐步趨于穩(wěn)定.但總的來(lái)說(shuō), 三維模型在經(jīng)過(guò)這一階段的短暫的大量的上下地幔物質(zhì)交換后, 就基本處于穩(wěn)定狀態(tài)(圖4), 而沒(méi)有出現(xiàn)類似二維模型的重復(fù)“雪崩”循環(huán)過(guò)程(Steinbach and Yuen, 1992).

對(duì)短暫的大量的上下地幔物質(zhì)交換后的穩(wěn)定過(guò)程的分析表明(Yang et al., 2015)，相變的Clapeyron斜率無(wú)論對(duì)地幔對(duì)流結(jié)構(gòu)還是對(duì)上下地幔物質(zhì)交換都具有顯著影響.Clapeyron斜率的增加，將增加地幔對(duì)流的波長(zhǎng)或減小地幔熱柱的個(gè)數(shù)，并增強(qiáng)對(duì)上下地幔物質(zhì)交換的阻礙作用.在其他參數(shù)不變的情況下，瑞利數(shù)的增大，有增強(qiáng)相變作用的效果，但這種效果并不會(huì)明顯的反映在相變對(duì)上下地幔物質(zhì)交換的影響上.瑞利數(shù)(Ra)的增加也增大地幔對(duì)流的波長(zhǎng)或減小地幔熱柱的個(gè)數(shù)，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).而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強(qiáng)上下地幔物質(zhì)交換的阻礙作用的結(jié)論.吸熱相變深度的影響與瑞利數(shù)類似，相變深度的增加略微減小了熱柱個(gè)數(shù)，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，但這種阻礙作用導(dǎo)致的物質(zhì)堆積在三維模型中主要發(fā)生在局部區(qū)域.全球范圍的上下地幔物質(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(圖4)，這與二維模型中存在周期性的大量物質(zhì)交換明顯不同.因此，如果災(zāi)難性表面更新需要二維模型顯示的那樣在全球范圍內(nèi)從分層對(duì)流到全地幔對(duì)流的轉(zhuǎn)換(Steinbach and Yuen, 1992)，那么三維模型的結(jié)果顯示吸熱相變不足以產(chǎn)生導(dǎo)致金星出現(xiàn)災(zāi)難性表面更新的上下地幔的大量物質(zhì)交換.

圖4 相變對(duì)金星地幔對(duì)流影響的數(shù)值模擬.根據(jù)Yang等(2015)修改

分層對(duì)流的雪崩式破壞似乎難以滿足災(zāi)難性表面更新的要求(Steinbach and Yuen, 1992; Yang et al., 2015).其他相關(guān)模型也有一些初步探索，但仍需進(jìn)一步的深入研究(Smrekar et al., 2018; 楊安等, 2020).如地幔對(duì)流模式的轉(zhuǎn)變(Solomatov and Moresi, 1996)和巖石圈拆沉(Parmentier and Hess, 1992; Turcotte et al., 1999).地幔對(duì)流模式的轉(zhuǎn)變主要是指金星早期存在板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但在大約500 Ma前突然停止(Solomatov and Moresi, 1996)，這種概念性模型需要導(dǎo)致巖石圈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)突然轉(zhuǎn)變的機(jī)制(Weller and Kiefer, 2020)，氣候變化曾作為引起這種突然變化的誘因(Lenardic et al., 2008)，這種探索主要受限于對(duì)流地幔中產(chǎn)生板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及俯沖初始化機(jī)制的探索.巖石圈拆沉則涉及地幔巖石圈的重力不穩(wěn)定性(Parmentier and Hess, 1992; Turcotte et al., 1999).這類模型如果能夠發(fā)生，可以解決金星表面更新，但其發(fā)生的機(jī)制與散熱效率仍存爭(zhēng)議(Smrekar et al., 2018; Uppalapati et al., 2020).后面還將回到這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論.

3 金星的地殼厚度

玄武巖金星地殼或許是表面更新時(shí)部分熔融的直接產(chǎn)物，它對(duì)估算金星表面更新速率、散熱效率具有重要影響.由于沒(méi)有地震觀測(cè)，金星的地殼的厚度只有通過(guò)對(duì)重力和地形的分析與研究來(lái)確定(Wieczorek, 2007).利用重力和地形計(jì)算地殼厚度的基本方法可歸為兩類：1)假定地殼處于均衡，計(jì)算地殼的補(bǔ)償深度或山根的厚度(Smrekar and Phillips, 1991; 魏代云等, 2014)；2)假定去掉地形質(zhì)量影響后的布格重力異常是殼幔邊界起伏所導(dǎo)致，利用布格重力異常反演該界面起伏(Wieczorek, 2007; 魏代云等, 2014).如果地幔動(dòng)力學(xué)過(guò)程對(duì)地形和重力場(chǎng)產(chǎn)生顯著影響，那上述兩種方法計(jì)算的重力場(chǎng)都會(huì)明顯存在偏差，因?yàn)閯?dòng)力學(xué)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致均衡狀態(tài)發(fā)生改變、在布格重力異常中包含很強(qiáng)的來(lái)源于地幔的信息(Smrekar and Phillips, 1991; 魏代云等, 2014).我們知道，金星的重力和地形強(qiáng)相關(guān)的一個(gè)重要原因在于金星內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過(guò)程或地幔對(duì)流的作用(Kiefer et al., 1986; Kiefer and Hager, 1991; Huang et al., 2013).因此利用重力與地形來(lái)精確確定地殼厚度，需要有效剔除來(lái)自于地幔深部的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的重力與地形信息(Pauer et al., 2006; Huang et al., 2013).為此，我們提出了兩種在重力和地形中扣除地球動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的方法.其一是根據(jù)對(duì)重力與地形的分析，認(rèn)為低階長(zhǎng)波項(xiàng)是深部地幔的貢獻(xiàn)，對(duì)金星，假定2～40階是動(dòng)力學(xué)效應(yīng)(魏代云等, 2014)；另外一種方法就是通過(guò)金星地幔對(duì)流的數(shù)值模擬，分析并建立金星的動(dòng)力學(xué)模型的重力和地形的關(guān)系，并基于此扣除動(dòng)力學(xué)效應(yīng)(Yang et al., 2016).兩種方法結(jié)果相近，圖5給出基于第二種方法計(jì)算的地殼厚度的結(jié)果.

從圖5中可以看出，沒(méi)有扣除動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，直接根據(jù)金星的重力與地形計(jì)算的地殼厚度值與重力或地形(圖1)相關(guān)性非常高，這與以前計(jì)算的結(jié)果類似(Wieczorek, 2007).扣除動(dòng)力學(xué)影響后，地殼厚度的變化出現(xiàn)了很大的變化(魏代云等, 2014; Yang et al., 2016).這表明，動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)地殼厚度計(jì)算具有重要影響.

圖5 金星地殼厚度.修改自Yang等(2016)

新的計(jì)算結(jié)果顯示，金星地殼厚度主要在20～65 km之間變化，厚度大于 50 km區(qū)域主要是Ishtar Terra、Ovda Regio和Thetis Regio三個(gè)地區(qū)，這些山區(qū)的均衡效應(yīng)較為突出.一種可能的解釋是，這些地區(qū)是殘余的古老陸地.Beta, Themis, Dione, Eistla, Bell和Lada等山地的地殼厚度受動(dòng)力學(xué)效應(yīng)影響較大，扣除動(dòng)力學(xué)影響后計(jì)算的厚度明顯變小，地殼較薄，與地形的相關(guān)性減弱.一種可能的解釋是這些山區(qū)是內(nèi)部熱柱作用的結(jié)果(魏代云等, 2014; Yang et al., 2016).

4 巖石圈的周期性拆沉與金星散熱

我們?cè)谘芯康厍蚩死◣r石圈演化時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，這就是非牛頓流體特性下的克拉通巖石圈會(huì)發(fā)生幕式拆沉(Wang et al., 2015)，且拆沉過(guò)程不僅是底部巖石圈部分，而是整個(gè)巖石圈.這說(shuō)明重力不穩(wěn)定可以導(dǎo)致巖石圈整體拆沉.為此，我們利用二維地幔對(duì)流模型進(jìn)行了大量的計(jì)算分析以探討巖石圈整體拆沉的物理過(guò)程和機(jī)制(相松和黃金水, 2020).圖6顯示其中一個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果.

計(jì)算結(jié)果顯示，采用應(yīng)力相關(guān)的黏性，地幔巖石圈會(huì)發(fā)生周期性拆沉(圖6)，與Turcotte等(1999)推測(cè)的周期性俯沖類似，周期大約700～800 Ma.對(duì)純熱對(duì)流模型，巖石圈拆沉過(guò)程的持續(xù)時(shí)間很短，5～10 Ma左右.這與地球克拉通巖石圈穩(wěn)定性模型計(jì)算結(jié)果基本一致(Wang et al., 2015).拆沉過(guò)程中，巖石圈全部更新，這個(gè)過(guò)程可能和金星表面的災(zāi)難性更新過(guò)程相一致.

圖6 巖石圈拆沉的數(shù)值模擬.根據(jù)相松和黃金水(2020)修改

如果這種周期性拆沉代表金星表面更新的過(guò)程，另外一個(gè)問(wèn)題就顯現(xiàn)出來(lái)：這個(gè)過(guò)程能將金星內(nèi)部的熱能散失掉嗎？換句話說(shuō)，這個(gè)過(guò)程的散熱效率有多高？在巖石圈冷卻逐步穩(wěn)定的過(guò)程中，金星巖石圈的散熱效率不高(Turcotte, 1995).這樣，拆沉過(guò)程的散熱效率就顯得非常重要.Wang等(2015)討論地球上克拉通巖石圈的拆沉過(guò)程中發(fā)現(xiàn)克拉通巖石圈的幕式拆沉過(guò)程會(huì)適當(dāng)延長(zhǎng)拆沉?xí)r間(圖7).Wang等(2016)在計(jì)算分析拆沉過(guò)程的熱流時(shí)發(fā)現(xiàn)拆沉過(guò)程的熱流是穩(wěn)定時(shí)期的大約3～5倍(圖7c).不過(guò)，總體來(lái)說(shuō)，由于拆沉?xí)r間不長(zhǎng)，拆沉過(guò)程的總體熱能釋放仍然不能滿足金星散熱要求，巖漿噴發(fā)可能占到金星總散熱量的30%左右(相松和黃金水, 2020).將二維結(jié)果外推，可能存在誤差，后續(xù)我們將在三維模型中探討巖石圈拆沉過(guò)程以及其散熱效率.

圖7 熱化學(xué)巖石圈拆沉的數(shù)值模擬.根據(jù)Wang et al., 2015, 2016修改

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了我們近年來(lái)針對(duì)金星演化過(guò)程的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題開(kāi)展的幾個(gè)方面的研究工作.我們的研究結(jié)果顯示：

(1)金星的重力和地形在低階項(xiàng)高度相關(guān)與其當(dāng)今的地幔對(duì)流模式密切相關(guān).金星的重力和地形的低階項(xiàng)受控于其地幔動(dòng)力學(xué)過(guò)程，金星目前處于巖石圈下常黏性地幔對(duì)流模式，沒(méi)有類似于地球地幔的軟流圈，該對(duì)流模式使得金星的低階重力和地形高度相關(guān)；

(2)由于現(xiàn)今金星不存在類地球軟流圈結(jié)構(gòu)，從而失去促進(jìn)板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的重要因素，使得金星目前沒(méi)有活動(dòng)的板塊構(gòu)造；

(3)相變對(duì)促進(jìn)金星地幔對(duì)流的長(zhǎng)波結(jié)構(gòu)具有重要影響，但三維數(shù)值模擬結(jié)果顯示，吸熱相變對(duì)上下地幔物質(zhì)的阻礙作用難以導(dǎo)致全球?yàn)?zāi)難性的表面更新；

(4)在缺少地震觀測(cè)的情況下，由于金星重力和地形的低階項(xiàng)主要來(lái)源于地幔動(dòng)力學(xué)過(guò)程，計(jì)算金星地殼需要扣除這部分動(dòng)力學(xué)效應(yīng)；

(5)金星巖石圈可以發(fā)生周期約為700～800 Ma的拆沉過(guò)程，拆沉過(guò)程可以造成巖石圈的整體更新，且持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，這顯示，全球表面更新的過(guò)程可能是災(zāi)難性的；

(6)二維數(shù)值模擬顯示巖石圈的700～800 Ma的周期性拆沉散熱效率沒(méi)有地球板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的散熱效率高，這或許意味著巖漿噴發(fā)在金星上的散熱作用比在地球上大.后續(xù)我們將在三維模型中進(jìn)一步驗(yàn)證相關(guān)結(jié)果.

致謝感謝紀(jì)念王仁先生百年誕辰組委會(huì)的邀請(qǐng)，就我們?cè)诘厍騽?dòng)力學(xué)研究方面的工作做簡(jiǎn)單介紹.王仁先生是中國(guó)地球動(dòng)力學(xué)定量研究的為數(shù)不多的先驅(qū)之一，他在地球應(yīng)力場(chǎng)、地震危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測(cè)等方面做出了開(kāi)拓性的貢獻(xiàn).如今地球和行星動(dòng)力學(xué)已是國(guó)際地球科學(xué)研究的重要方向和了解地球與行星地質(zhì)地球物理現(xiàn)象及其機(jī)制的重要手段.我們選擇介紹近期在金星動(dòng)力學(xué)方面開(kāi)展的一點(diǎn)研究工作，表達(dá)對(duì)王仁先生的緬懷和紀(jì)念.感謝三位匿名審稿人，其意見(jiàn)和建議使稿件得到改進(jìn).