金星的地幔對流、巖石圈演化和表面更新

黃金水，相松，楊安，王永明

1 中國科學技術大學地球和空間科學學院，合肥 230026 2 中國科學院比較行星學卓越中心，合肥 230026 3 中國科學技術大學蒙城地球物理野外科學觀測研究站，合肥 230026 4 中國科學院海洋研究所海洋地質與環(huán)境重點實驗室，青島 266071 5 云南大學地球科學學院地球物理系，昆明 650500

0 引言

自1962年12月美國水手2號飛船首次成功飛過金星，迄今為止，對金星進行了40多次探測.美國航空航天局(NASA)1989年發(fā)射升空的麥哲倫號是目前獲取資料最詳細的一次探測；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.今年，NASA通過了兩項金星探測計劃，即VERITAS(Venus Emissivity, Radio science, Insar, Topography, And Spectroscopy)和DAVINCI+(Deep Atmosphere of Venus Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging Plus)，預定2028—2030年實施.盡管人類對金星的了解沒有對地球的了解那么多，但探測器(包括著陸器)傳回的資料數(shù)據(jù)極大提高了我們對金星的認識(Phillips and Malin, 1984; Phillips et al., 1992; Smrekar et al., 2010).現(xiàn)在，我們知道，就大小、質量、組成和與太陽的距離來說，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，沒有水、沒有海洋，96%的大氣是溫室氣體二氧化碳；金星的自轉速度非常慢，接近公轉速度(Solomon et al., 1992; Schubert et al., 2001).金星的放射性內生熱率與地球基本相當(Turcotte, 1995).在金星上也沒有觀測到內生磁場(Russell et al., 1980; Russell and Vaisberg, 1983; Phillips and Russell, 1987).金星和地球有關參數(shù)的對比見表1.

表1 金星與地球的有關參數(shù)對比

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造變形特征(Basilevsky and Head, 2003).這些構造特征顯示金星表面記錄了其發(fā)生過的擠壓和伸展構造運動.金星也有大量的火山活動特征，有些可能近期發(fā)生過噴發(fā)(Smrekar, 1994; Smrekar et al., 2010).在金星表面也發(fā)現(xiàn)了約10個和地球上的夏威夷火山類似的熱點構造(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)，但是在金星上沒有發(fā)現(xiàn)類似地球的活動板塊構造運動的特征(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)

對金星重力和地形的進一步研究發(fā)現(xiàn)(圖2a和2b)，在球諧函數(shù)展開的低階項或長波長部分，金星的導納值(即重力與地形的比值)遠高于地球；金星的重力與地形具有很強的相關性，也遠遠高于地球(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不同，金星地形的長波部分可能主要由其內部的動力學過程控制(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).

金星探測的另一個重要成果就是發(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分布以及基本沒有遭到改造的現(xiàn)象表明，金星表面沒有很古老的也沒有很年輕的記錄，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.金星表面的年齡特征表明金星表面發(fā)生過獨特的更新事件.

表2 金星與地球的相關地球物理與地質特征對比

圖2 地球和金星的重力場特征與表面年齡(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影像中得到證實(McKinnon et al., 1997).由此，科學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)或災難性的過程則存眾多爭議(Phillips et al., 1992; Schaber et al., 1992; Nimmo and Mckenzie, 1998; Turcotte et al., 1999; Hansen and Young, 2007).金星表面更新的過程和機制與金星的地幔對流模式和散熱方式密切相關.對災難性的表面更新，其更新機制的概念性模型就有許多，主要有：1)分層對流的雪崩式破壞(Steinbach and Yuen, 1992; Papuc and Davies, 2012)；2)虧損地幔巖石圈的拆沉(Parmentier and Hess, 1992)；3)對流模式的轉變(Solomatov and Moresi, 1996)；4)周期性板塊構造運動(Turcotte et al., 1999)等.

地球動力學研究表明地幔中存在著板塊模式與地幔柱模式的熱對流形式(Davies, 1999)，前者與板塊構造運動相聯(lián)系，后者則與夏威夷型(Hawaiian-type)的火山熱點直接相關.夏威夷型的火山巖漿活動與起源于地幔底部邊界的熱柱直接相關，海洋巖石圈是板塊模式地幔對流的上部邊界(Davies, 1999).巖漿活動和板塊構造運動是地球內部熱量向外散失的主要方式.板塊在洋脊生成，在海溝處俯沖進入地球內部(Davies, 1999; Turcotte and Schubert, 2002).地幔對流是地球內部熱量散失的主要機制，而與板塊構造運動相聯(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).缺少活動板塊構造運動的金星，內部熱量是如何散失的？目前的模型可總結為兩類：巖漿活動和板塊構造活動.板塊構造活動模式指金星具有某種形式的板塊構造運動，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)或板塊構造運動的突然停止(Solomatov and Moresi, 1996)，這類模式也伴隨巖漿活動，但巖漿活動不起主導作用.巖漿活動模式指巖石圈基本不動，大規(guī)模的巖漿噴發(fā)將熱量從金星內部帶出.最早對巖漿活動模式進行數(shù)值模擬分析的是Steinbach和Yuen(1992)，他們認為660 km相變可使金星地幔對流從分層對流演化到全地幔對流從而造成大規(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流，而分層對流的破壞可造成大規(guī)模的巖漿活動.

金星為什么沒有活動的板塊構造運動？為什么金星的重力和地形如此高度相關？金星地殼有多厚？全球表面更新的過程、成因和機制又是什么？沒有活動板塊構造的金星，內部熱量是如何散失的？這些問題自先鋒號金星探測器傳回金星表面圖像以來就一直是科學家們思考的問題，如今，對這些問題的認識取得進展，但仍有待進一步的研究(Schubert et al., 2001; Smrekar et al., 2018; 楊安等, 2020).下面主要介紹我們針對這些問題開展的金星動力學研究，包括現(xiàn)今金星地幔的對流模式、相變對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認識.

1 金星地幔的對流模式

冰后回彈和重力場等地球物理研究顯示，地球地幔的黏性結構存在分層特征，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力學模型研究顯示，熱柱作用是造成當今金星重力和地形特征的主要動力學機制，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流模型，根據(jù)金星表面的重力、地形和巖漿活動特征，探索了各種地幔黏性結構下金星地幔的對流模式(圖3)(Huang et al., 2013).

計算結果顯示：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，特別是在低階項上，重力與地形負相關，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性得到改善，即重力與地形強相關(圖3g).但重力與地形的低階項強度明顯偏小，特別是地形，這與觀測明顯不符(圖3e和3f).低階項偏小，意味著地幔短波特征明顯.從地幔上升流的個數(shù)計算來看，也確實如此.計算顯示，這類模型的熱柱個數(shù)明顯偏多，與金星地幔的大約10個熱柱的數(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流的短波成分.在金星，這個吸熱相變的作用類似.計算結果顯示，與金星上的現(xiàn)有觀測(地形、重力和熱點分布)基本一致的模型的參數(shù)應取：吸熱相變Clapeyron斜率-3.5 MPa/K和地幔黏度2×1021Pa·s(圖3).

圖3 當今金星地幔對流的數(shù)值模擬結果

我們的結果顯示，單一板塊下的常黏性地幔對流可產(chǎn)生高度相關的重力與地形值，但低階項明顯偏小，對流結構波長太小.軟流圈弱層的存在可增強地幔的長波長對流結構，但重力與地形及其相關性與金星不一致.相變在金星地幔對流中對抑制短波成分具有重要作用.根據(jù)我們的計算，滿足金星的巖漿活動、重力和地形特征的地幔對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，對流地幔產(chǎn)生上下兩個邊界層，中心的溫度基本一致(Schubert et al., 2001).與溫度相關的蠕變特性在上部邊界產(chǎn)生一個強的巖石圈.地震探測顯示地球巖石圈下存在一個弱的軟流圈(Schubert et al., 2001).盡管對地球軟流圈形成機理仍存爭議，一個普遍的共識是軟流圈由于部分熔融而存在熔體(Schubert et al., 2001; Debayle et al., 2020)，熔體的存在導致橫波速度減小、衰減效應增強，黏性減小.盡管目前對軟流圈水的來源和具體水含量仍存爭議，但研究顯示水對軟流圈熔體的形成具有重要促進作用(Hirth and Kohlstedt, 1996; Mierdel et al., 2007; Karato, 2012).H?ink等(2012)的研究顯示，地球的軟流圈對產(chǎn)生和維持地球的板塊構造運動起著重要作用，前人的結果和我們的計算顯示，金星不存在類似地球軟流圈的弱層(Kiefer and Hager, 1991; Huang et al., 2013).一個重要的推測就是由于金星地幔缺水(Kiefer and Hager, 1991; Hirth and Kohlstedt, 1996; Nimmo and Mckenzie, 1998)，才導致沒有軟流圈.水等揮發(fā)性氣體在板塊構造運動中起著重要作用(Smrekar and Sotin, 2012; Huang et al., 2013).這或許意味著當今金星之所以沒有板塊構造運動，可能就是因為金星地幔缺水導致巖石圈下沒有軟流圈存在.

2 吸熱相變對金星地幔對流的影響與表面更新

盡管關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)科學家認為全球災難性的表面更新更符合觀測(Nimmo and Mckenzie, 1998; Turcotte et al., 1999).自Steinbach和Yuen(1992)在二維地幔對流模型得到相變可以造成上下地幔分層對流以及存在分層對流到全地幔對流的轉換的模型以來，相變造成的分層對流的雪崩式破壞被認為是金星表面災難性更新的機制.我們前述研究(Huang et al., 2013)也顯示，相變在金星地幔對流中具有重要影響.為此，我們計算了大量的三維模型來探討相變與表面更新的聯(lián)系(Yang et al., 2015).圖4顯示了其中一個模型的結果.

計算結果顯示，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交換(圖4e和4f).在這個過程中，一開始底部熱流增加，地幔對流速度增大，表面熱流則略微減小.隨著速度場和底部熱流趨于穩(wěn)定，表面熱流則出現(xiàn)較大增加，并逐步趨于穩(wěn)定.但總的來說, 三維模型在經(jīng)過這一階段的短暫的大量的上下地幔物質交換后, 就基本處于穩(wěn)定狀態(tài)(圖4), 而沒有出現(xiàn)類似二維模型的重復“雪崩”循環(huán)過程(Steinbach and Yuen, 1992).

對短暫的大量的上下地幔物質交換后的穩(wěn)定過程的分析表明(Yang et al., 2015)，相變的Clapeyron斜率無論對地幔對流結構還是對上下地幔物質交換都具有顯著影響.Clapeyron斜率的增加，將增加地幔對流的波長或減小地幔熱柱的個數(shù)，并增強對上下地幔物質交換的阻礙作用.在其他參數(shù)不變的情況下，瑞利數(shù)的增大，有增強相變作用的效果，但這種效果并不會明顯的反映在相變對上下地幔物質交換的影響上.瑞利數(shù)(Ra)的增加也增大地幔對流的波長或減小地幔熱柱的個數(shù)，但對界面上下物質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，上下物質交換增強.而從吸熱相變面的歸一化的質量流來看，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強上下地幔物質交換的阻礙作用的結論.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數(shù)，但對相變面上下物質交換影響不大.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交換，但這種阻礙作用導致的物質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交換量隨時間變化不大，地幔對流結構相對穩(wěn)定(圖4)，這與二維模型中存在周期性的大量物質交換明顯不同.因此，如果災難性表面更新需要二維模型顯示的那樣在全球范圍內從分層對流到全地幔對流的轉換(Steinbach and Yuen, 1992)，那么三維模型的結果顯示吸熱相變不足以產(chǎn)生導致金星出現(xiàn)災難性表面更新的上下地幔的大量物質交換.

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

分層對流的雪崩式破壞似乎難以滿足災難性表面更新的要求(Steinbach and Yuen, 1992; Yang et al., 2015).其他相關模型也有一些初步探索，但仍需進一步的深入研究(Smrekar et al., 2018; 楊安等, 2020).如地幔對流模式的轉變(Solomatov and Moresi, 1996)和巖石圈拆沉(Parmentier and Hess, 1992; Turcotte et al., 1999).地幔對流模式的轉變主要是指金星早期存在板塊構造運動，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致巖石圈構造運動突然轉變的機制(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流地幔中產(chǎn)生板塊構造運動以及俯沖初始化機制的探索.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)生的機制與散熱效率仍存爭議(Smrekar et al., 2018; Uppalapati et al., 2020).后面還將回到這個問題進行討論.

3 金星的地殼厚度

玄武巖金星地殼或許是表面更新時部分熔融的直接產(chǎn)物，它對估算金星表面更新速率、散熱效率具有重要影響.由于沒有地震觀測，金星的地殼的厚度只有通過對重力和地形的分析與研究來確定(Wieczorek, 2007).利用重力和地形計算地殼厚度的基本方法可歸為兩類：1)假定地殼處于均衡，計算地殼的補償深度或山根的厚度(Smrekar and Phillips, 1991; 魏代云等, 2014)；2)假定去掉地形質量影響后的布格重力異常是殼幔邊界起伏所導致，利用布格重力異常反演該界面起伏(Wieczorek, 2007; 魏代云等, 2014).如果地幔動力學過程對地形和重力場產(chǎn)生顯著影響，那上述兩種方法計算的重力場都會明顯存在偏差，因為動力學效應會導致均衡狀態(tài)發(fā)生改變、在布格重力異常中包含很強的來源于地幔的信息(Smrekar and Phillips, 1991; 魏代云等, 2014).我們知道，金星的重力和地形強相關的一個重要原因在于金星內部的動力學過程或地幔對流的作用(Kiefer et al., 1986; Kiefer and Hager, 1991; Huang et al., 2013).因此利用重力與地形來精確確定地殼厚度，需要有效剔除來自于地幔深部的動力學效應導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力學效應的方法.其一是根據(jù)對重力與地形的分析，認為低階長波項是深部地幔的貢獻，對金星，假定2～40階是動力學效應(魏代云等, 2014)；另外一種方法就是通過金星地幔對流的數(shù)值模擬，分析并建立金星的動力學模型的重力和地形的關系，并基于此扣除動力學效應(Yang et al., 2016).兩種方法結果相近，圖5給出基于第二種方法計算的地殼厚度的結果.

從圖5中可以看出，沒有扣除動力學效應，直接根據(jù)金星的重力與地形計算的地殼厚度值與重力或地形(圖1)相關性非常高，這與以前計算的結果類似(Wieczorek, 2007).扣除動力學影響后，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，動力學效應對地殼厚度計算具有重要影響.

圖5 金星地殼厚度.修改自Yang等(2016)

新的計算結果顯示，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三個地區(qū)，這些山區(qū)的均衡效應較為突出.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力學效應影響較大，扣除動力學影響后計算的厚度明顯變小，地殼較薄，與地形的相關性減弱.一種可能的解釋是這些山區(qū)是內部熱柱作用的結果(魏代云等, 2014; Yang et al., 2016).

4 巖石圈的周期性拆沉與金星散熱

我們在研究地球克拉通巖石圈演化時發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，這就是非牛頓流體特性下的克拉通巖石圈會發(fā)生幕式拆沉(Wang et al., 2015)，且拆沉過程不僅是底部巖石圈部分，而是整個巖石圈.這說明重力不穩(wěn)定可以導致巖石圈整體拆沉.為此，我們利用二維地幔對流模型進行了大量的計算分析以探討巖石圈整體拆沉的物理過程和機制(相松和黃金水, 2020).圖6顯示其中一個模型的計算結果.

計算結果顯示，采用應力相關的黏性，地幔巖石圈會發(fā)生周期性拆沉(圖6)，與Turcotte等(1999)推測的周期性俯沖類似，周期大約700～800 Ma.對純熱對流模型，巖石圈拆沉過程的持續(xù)時間很短，5～10 Ma左右.這與地球克拉通巖石圈穩(wěn)定性模型計算結果基本一致(Wang et al., 2015).拆沉過程中，巖石圈全部更新，這個過程可能和金星表面的災難性更新過程相一致.

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程，另外一個問題就顯現(xiàn)出來：這個過程能將金星內部的熱能散失掉嗎？換句話說，這個過程的散熱效率有多高？在巖石圈冷卻逐步穩(wěn)定的過程中，金星巖石圈的散熱效率不高(Turcotte, 1995).這樣，拆沉過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程中發(fā)現(xiàn)克拉通巖石圈的幕式拆沉過程會適當延長拆沉時間(圖7).Wang等(2016)在計算分析拆沉過程的熱流時發(fā)現(xiàn)拆沉過程的熱流是穩(wěn)定時期的大約3～5倍(圖7c).不過，總體來說，由于拆沉時間不長，拆沉過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程以及其散熱效率.

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

6 結語

本文介紹了我們近年來針對金星演化過程的動力學問題開展的幾個方面的研究工作.我們的研究結果顯示：

(1)金星的重力和地形在低階項高度相關與其當今的地幔對流模式密切相關.金星的重力和地形的低階項受控于其地幔動力學過程，金星目前處于巖石圈下常黏性地幔對流模式，沒有類似于地球地幔的軟流圈，該對流模式使得金星的低階重力和地形高度相關；

(2)由于現(xiàn)今金星不存在類地球軟流圈結構，從而失去促進板塊構造運動的重要因素，使得金星目前沒有活動的板塊構造；

(3)相變對促進金星地幔對流的長波結構具有重要影響，但三維數(shù)值模擬結果顯示，吸熱相變對上下地幔物質的阻礙作用難以導致全球災難性的表面更新；

(4)在缺少地震觀測的情況下，由于金星重力和地形的低階項主要來源于地幔動力學過程，計算金星地殼需要扣除這部分動力學效應；

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

(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有地球板塊構造運動的散熱效率高，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一步驗證相關結果.

致謝感謝紀念王仁先生百年誕辰組委會的邀請，就我們在地球動力學研究方面的工作做簡單介紹.王仁先生是中國地球動力學定量研究的為數(shù)不多的先驅之一，他在地球應力場、地震危險區(qū)預測等方面做出了開拓性的貢獻.如今地球和行星動力學已是國際地球科學研究的重要方向和了解地球與行星地質地球物理現(xiàn)象及其機制的重要手段.我們選擇介紹近期在金星動力學方面開展的一點研究工作，表達對王仁先生的緬懷和紀念.感謝三位匿名審稿人，其意見和建議使稿件得到改進.