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PNAS: 金星的“板块构造”——全球尺度分块运动的岩石圈
2021-09-22 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  金星是离地球最近的行星,大小和密度与地球十分相似,因而常被认为是地球的姊妹星,对金星的研究对于我们了解地球的早期历史以及类地行星的演化过程具有重要意义。目前人们对金星的观测还很匮乏,它的全球物理模型参数都是通过类比地球得到的。金星没有地球那样显著的板块漂移特征(Phillips et al., 1981),研究人员认为它可能存在停滞盖层(stagnant-lid)或周期性盖层(episodic-lid)(Turcotte, 1993; Solomatov and Moresi, 1996),在这两种构造模式下,金星可能在近5-10亿年间都处于全球统一的单一板块状态。虽然没有类似于地球的构造板块,但是金星表面仍存在着大量的构造变形特征,这些可能是低强度的下地壳受地幔对流作用的结果。 

  近日,来自北卡罗来纳大学行星科学研究团队的Paul K. Byrne等人利用麦哲伦飞船的合成孔径雷达成像数据和测高仪数据分析发现,金星表面低洼地区广泛分布着具有构造变形特征的块体。金星上的低洼区通常是由火山和沉积物填充所形成的平原,一般也被认为是金星最年轻的部分(Ivanov and Head, 2011)。这些低洼区域常常被山脊带(ridge belt)或沟谷带(groove belt)所包围。作者将这些平原区用拉丁语命名为“campus”,并且使用麦哲伦飞船的数据在金星表面识别出了58个“campus” 

  面积最大的平原区位于阿尔特米斯环形山(Artemis Corona)的东北,可达1700 × 1100 平方公里(图1)。从雷达影像上看,平原区周边发育水平剪切作用形成的线性构造。例如,在西南和东北侧的山脊带中,规模较小的断层汇入主挤压构造体系,这表明在平行于山脊带剪切作用发生的同时还存在块体的旋转,并且内部平原在形成后仍发生了变形(图1B)。在这个平原区中还存在雁列式S形山脊,这也与走滑断裂中受阻弯曲处形成的双冲构造极为类似(图1C和图1D)。 

1 金星表面低洼地区中识别出的最大块体(Byrne et al., 2021(A)麦哲伦飞船对块体的雷达成像马赛克图。黄色的虚线勾勒出了平原区的大致轮廓;(B)汇入平原区西南主沟谷带的伸展断层的雷达图像(左)和构造格架图(右),主体上为右旋走滑;(C) S形的正地形为右旋压扭构造;(D)另一处S形的正地形山脊,也为右旋压扭构造产物,但此处的走向与图1C不同

  作者在金星表面识别出的58个平原区(campus)中,79%的平原区的“海拔”不超出星球半径(6051 km)一公里,甚至有57%的平原区具有负的大地水准面高度(图2)。平原区周边的构造带中,除了存在挤压和伸展构造外,还常常发育有压扭和张扭形成的剪切构造。所以,作者提出这种全球性分布的、具有构造边界的平原区/低地代表了活动块体的表面。目前的研究还无法确定这种构造运动的发生时间,但根据构造叠加的相对关系,这些块体运动的时间应该发生在平原物质充填之后。 

2 金星上的平原区Byrne et al., 2021)。(A)地形图上的平原区的分布;(B)冯米尔斯应力场分布图叠加上campus分布;(CD)对于地壳厚度为15 km5 km的预测应力曲线

  作者认为金星上的这种块体运动和地球上大陆内部的块体运动可以类比,例如中国西北部的塔里木盆地,同样也是地形上的低地,被造山带围绕,并经历了板块构造导致的大规模水平运动而到了现在的位置。但需要强调的是,金星的平原区和地球大陆内部块体运动的相似性主要体现在强度上,而不是动力学过程或物质成分的相似。在地球上,地幔对流可以影响板块运动,并对板块中的应力场变化有所贡献(Husson, 2012; Lund Snee et al., 2020)。而金星上,大地水准面和地形的长波关系说明星球表面和内部有很强的耦合,所以金星的地幔运动会控制地表发生强烈的构造形变。 

  为了检验金星地幔活动产生的应力对金星表面地块的形成和运动的影响,作者利用粘性流模型计算了由金星地幔流场传递至岩石圈的应力大小,并将这一结果与观测到的水平运动相关的构造标志进行了对比。结果表明,对于粘滞流,冯米尔斯应力峰值超过了上地壳或上地幔的脆性强度,在地壳薄或热流低的区域尤为显著(图2C、图2D)。这说明,金星地幔对流提供的应力足以驱动位于行星表面的变形和水平运动,但这种形变的速率和持续时间尚不清楚。 

  作者认为,他们的这一发现与前人认为金星处于stagnant-lid模式(包括episodic-lid模式的平静时期)的看法并不吻合。前人的这些假设认为,近地表的热量通过岩石圈的热传导耗散是主导模式,也没有预测到表层的运动。此外,作者还认为,行星的全球热输运模式转换可以并可能发生过。这样,金星上的平原区就是金星曾经处于板块构造体制所留下的遗迹。如果能获得更多金星的数据,包括来自EnVisionVERITAS等未来金星探测计划的数据,将会有助于我们进一步研究金星的“板块构造”。 

  尽管还有许多问题没有解决,作者依然认为他们的发现为岩石圈运动概念的建立提供了重要的观测基础,相对于现代地球的活动盖层(mobile-lid)模式和水星、火星、月球的停滞盖层(stagnant-lid)模式,金星的构造模式位于两个端元模式之间;并且他们认为这一概念将有助于理解类地行星内外耦合的本质(O’Rourke and Korenaga, 2012)。此外,在金星上观测到的这种分块运动的岩石圈与岩浆弱化盖层模型(plutonic-squishy lid)(Lourenco et al., 2020)更为吻合。因此,研究金星上的平原区可能为研究地球太古宙时期的构造演化过程提供新的思路。    

  主要参考文献 

  Byrne P K, Ghail R C, Sengor A M C, et al. A globally fragmented and mobile lithosphere on Venus[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(26): e2025919118. (原文链接

  Husson L. Trench migration and upper plate strain over a convecting mantle[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2012, 212: 32-43. 

  Ivanov M A, Head J W. Global geological map of Venus[J]. Planetary and Space Science, 2011, 59(13): 1559-1600. 

  Lourenco D L, Rozel A B, Ballmer M D, et al. Plutonicsquishy lid: A new global tectonic regime generated by intrusive magmatism on earthlike planets[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2020, 21(4): e2019GC008756. 

  O’Rourke J G, Korenaga J. Terrestrial planet evolution in the stagnant-lid regime: size effects and the formation of self-destabilizing crust[J]. Icarus, 2012, 221(2): 1043-1060. 

  Phillips R J, Kaula W M, McGill G E, et al. Tectonics and evolution of Venus[J]. Science, 1981, 212(4497): 879-887. 

  Lund Snee J E, Zoback M D. Multiscale variations of the crustal stress field throughout North America[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 1-9. 

  Solomatov V S, Moresi L N. Stagnant lid convection on Venus[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 1996, 101(E2): 4737-4753. 

  Turcotte D L. An episodic hypothesis for Venusian tectonics[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 1993, 98(E9): 17061-17068. 

  (撰稿:石振,戎昭金/地星室,褚杨/岩石圈室)

 
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