地球科学进展

地球科学进展, 2020, 35(9): 912-923 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.075

综述与评述

金星内部结构与动力学研究进展

杨安,1,2, 相松3,4, 黄金水3,4

1.中国科学院海洋研究所，海洋地质与环境重点实验室，山东 青岛 266071

2.青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266061

3.中国科学技术大学地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026

4.中国科学院比较行星学卓越中心，安徽 合肥 230026

Recent Advance in the Interior Structure and Dynamics of Venus

Yang An,1,2, Xiang Song3,4, Huang Jinshui3,4

1.Key Laboratory of Marine Geology and Environment，Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China

2.Laboratory for Marine Geology，Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology，Qingdao 266061，China

3.School of Earth and Space Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China

4.CAS Center for Excellence in Comparative Planetology，Hefei 230026，China

收稿日期: 2020-05-18   修回日期: 2020-08-18   网络出版日期: 2020-10-27

基金资助: 国家自然科学基金青年科学基金项目“晚古生代以来动力地形对全球海平面变化的影响”.  41804086
国家自然科学基金面上项目“板块构造运动对地幔内部热化学结构的影响的数值模拟”.  41674096

Received: 2020-05-18   Revised: 2020-08-18   Online: 2020-10-27

作者简介 About authors

杨安（1987-），男，四川蓬溪人，助理研究员，主要从事地幔对流与岩石圈动力学的研究.E-mail:yangan@qdio.ac.cn

YangAn（1987-）,male,PengxiCounty,SichuanProvince,Assistantprofessor.Researchareasincludemantleconvectionandlithospheredynamics.E-mail:yangan@qdio.ac.cn

摘要

金星是一个与地球在大小、质量、组成和离太阳的距离等方面都非常相似的行星，但是现今金星不存在类似地球上的板块构造运动，也没有内生磁场。根据金星的重力和地形的研究显示金星的岩石圈比较厚。金星的大地水准面和地形的比值（导纳）比较大、相关性也很高，表明金星内部存在全球性的动力学过程。金星上存在约10个类似地球上夏威夷下方的地幔柱，最新的金星快车探测资料显示其中几个地幔柱存在近期的火山活动。另外对金星陨石坑数据的分析表明金星表面比较年轻，平均年龄大约为5亿年，这暗示着金星可能发生过全球性的表面更新，但金星的表面更新是一个灾难性的还是均匀的过程则存在很大的争议。同样存在争议的问题是金星过去是否存在类似当今地球的板块构造运动，是一直处于类似现今金星的停滞盖层对流，还是处于一种完全不同的对流模式？总的来说，金星的地幔对流模式与地球的以板块构造为特征的地幔对流模式显著不同。回顾了金星的重力、地形和表面构造等主要表面观测及其对金星内部结构和动力学的约束，总结了近年来对金星内部结构与动力学的一些认识，并对未来研究提出展望。

关键词： 金星 ; 表面更新 ; 板块构造 ; 地幔对流 ; 地幔柱

Abstract

Venus is similar to the Earth in size， mass， composition and distance to the sun. However， Venus has neither plate tectonics nor dynamo that exists on the Earth. The lithosphere of Venus is very thick based on its topography and gravity. The admittance and correlation between Venusian geoid and topography are very high， suggesting that they are strongly influenced by the internal dynamical process of Venus. Analyses show that there may be 10 Hawaii-like mantle plumes in Venusian mantle. Data from Venus Express has shown evidence for recent active volcanism among several of these plumes. The distribution of impact craters on Venus shows that Venusian surface has a young age and the age is averaged about 500 Ma， suggesting that Venus may have experienced a global resurfacing event. However， whether this resurfacing is catastrophic or equilibrium is still under debate. It is also unclear whether Venus had plate tectonics in the past， is it always in stagnant lid regime， or might it have an entirely different mode？In general， the style of mantle convection on Venus is quite different from that of the Earth which is manifested by the plate tectonics. Here we reviewed the main observations including gravity， topography and surface tectonics which provide constrains on the interior structure and dynamics of Venus， and recent advance in the interior structure and dynamics of Venus. This review aims to provide new insights into the interior dynamics of Venus.

Keywords： Venus ; Surface resurfacing ; Plate tectonics ; Mantle convection ; Plume.

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本文引用格式

杨安, 相松, 黄金水. 金星内部结构与动力学研究进展. 地球科学进展[J], 2020, 35(9): 912-923 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.075

Yang An, Xiang Song, Huang Jinshui. Recent Advance in the Interior Structure and Dynamics of Venus. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(9): 912-923 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.075

1 引 言

金星是太阳系八大行星之一，是太阳系中离地球最近的行星。金星与地球在大小、质量和组成等方面都非常相似，但是它们在许多方面也有明显的不同。金星的大气中包含大量的CO2，表面温度非常高，平均约为462 °C，现有研究显示金星不存在类似地球上的板块构造运动，也没有内生磁场［1］。同时对金星陨石坑数据的分析表明金星表面比较年轻，平均年龄大约为5亿年［1］。对于金星，它为什么会有这样的特征？在没有活动板块构造的情况下如何产生如此年轻的表面？研究金星的主要目标之一就是要理解金星和地球产生如此不同结果的演化过程，进而了解为什么金星上没有活动板块构造，而地球上却有。

由于金星具有浓厚的云层笼罩在其表面，在地球上对金星进行观测就非常困难，早期基于地球的观测获得的资料非常有限。从1961年开始，苏联和美国先后发射了30多个探测器探访金星，其中1989年美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration， NASA）发射的麦哲伦号金星探测器（Magellan probe）是迄今为止，探测金星最成功的探测器。麦哲伦探测器获得了金星表面高分辨率的合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar， SAR）图像、全球重力场、表面地形、陨石坑数量等宝贵的资料，大大提高了人们对金星的认识［2，3］。2005年欧洲空间局发射的金星快车探测器（Venus Express）主要用于研究金星的大气成分和等离子体环境，与金星内部结构和动力学并不直接相关，但通过它携带的可见和红外成像光谱仪（Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer， VIRTIS）测量了金星表面的热发射率，发现金星存在近期的火山活动［4］，进一步提高了人们对金星内部动力学的认识。

金星表面与地球表面的高程分布有很大不同，地球是大陆和海洋两分的格局，大陆的高程为正值，海洋的高程为负值；而金星没有海洋和大陆之分，表面大多数地区都是平原，但也存在一些高地 （图1a，b）。金星上的高地可以分为地壳高原（crustal plateaus）和火山隆起（volcanic rises）［5］。地壳高原的重力异常比较小，大地水准面地形比（Geoid to Topography Ratio， GTR）和视补偿深度（Apparent Depth of Compensation， ADC）都比较小，类似地球上的陆地，可能是比较厚的地壳均衡补偿所导致的［3，6，7］。而火山隆起的重力异常比较大，GTR 也比较大，类似于地球上夏威夷这样的“热点”，主要是由地幔柱的动力学作用所支撑［5，7~9］。金星上识别出的“热点”总共有10个，在它们的表面经常包括裂谷、火山和叶状平原（lobate plains）等地质构造，暗示了可能的火山活动［10］。对其中来自金星快车的4个“热点”的VIRTIS观测数据的研究显示，它们近期存在火山活动，表明金星正在进行着表面更新［4，11］。

图1

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图1   地球和金星的全球地形和大地水准面（截断到180阶）

Fig.1   Global topography and geoid of the Earth and Venus (Truncated at degree 180)


在地球上，大陆漂移、海底扩张以及俯冲带揭示了板块模式地幔对流的存在。金星没有板块构造运动，地幔对流的表现形式与在地球上很不一样，金星主要表现为热柱模式的地幔对流。对金星地幔对流模型的约束主要来自于金星的重力和地形特征、金星的地幔柱分布以及金星的表面年龄特征等。目前金星内部结构和动力学的研究已经取得了很多重要的进展。一些研究通过产生类似金星上的地幔柱个数、重力和地形的频谱特征来对金星地幔动力学参数做出限制［12~14］，还有一些研究同时考虑了金星的表面更新和演化历史［15，16］。但金星的表面更新到底是一个灾难更新（catastrophic resurfacing）还是均匀更新（equilibrium resurfacing）仍然存在很大的争论［16，17］。

本文回顾了金星的主要表面观测，包括重力、地形以及表面构造等，总结了对金星的地壳和岩石圈有效弹性厚度的相关研究进展，然后对金星的地幔对流模式和表面更新机制进行了总结和讨论，最后对未来研究提出展望。

2 重力和地形

金星的重力和地形是目前对金星的地幔黏度、内部结构和动力学最重要的约束。由于金星表面缺少火星上那样的大型撞击盆地，也不存在地球上这样的侵蚀和沉积过程，金星的重力和地形就提供了与内部动力学过程之间的直接联系。目前金星的地形主要由先驱者号和麦哲伦号的雷达测高数据获得，最新的地形模型为360阶次的球谐地形模型GTDR3.2［18］。金星的重力场则主要由对先驱者号和麦哲伦号的轨道跟踪数据获得，最新的金星重力场模型为180阶次的球谐重力模型MGNP180U［2］。

通过金星和地球的地形在相同分辨率的对比可以看出，金星缺少板块构造运动所具有的一个全球性的板块边界（图1a，b） ［地球的重力数据采用EGM96（https：//cddis.nasa.gov/926/egm96/egm96.html）；地形数据采用SRTMP719（http：//doi.org/10.5281/zenodo.997406）］。地球上存在明显的洋中脊和俯冲带，而金星上主要是平原和一些高地。像地球一样，金星的大地水准面起伏也在200 m左右，但与地球不同的是，金星的表面地形与重力强相关，地形很高的地方对应的重力异常很大，大地水准面也很大（图1）。在地球上，大地水准面高的地区并不位于高原，而是主要位于环太平洋俯冲带，以及非洲和太平洋超级地幔柱之上，这主要是由于地壳均衡和深部地幔对流结构等的影响。

金星上重力和地形之间强的相关性在重力和地形的谱分析上也表现的非常明显（图2）。金星大地水准面的谱特征与地球大地水准面的谱特征基本一致，幅值随着阶数的增加而减小（图2a）。金星地形谱的变化趋势也与地球地形谱类似，幅值随着阶数的增加而减小，但金星地形谱的幅值明显更小（图2b）。值得注意的是，金星的质心（质量中心）与形心（地形形状中心）之间的偏差（也就是一阶地形）大约为280 m，比地球的小很多（图2b），其对金星的地幔动力学过程也有非常重要的意义［17］。金星的大地水准面和地形比值（导纳［7］）在低阶非常大，随着阶数的增加而降低，其与地球的非常不同（图2c）。由于地壳均衡和地幔对流的影响，地球大地水准面与地形之间的相关性在低阶上很小，甚至出现负相关（图2d）。金星的大地水准面与地形之间的相关性在低阶都比较大，在大约40阶以后逐渐减小。金星低阶的大地水准面和地形之间这样强的相关性和大的导纳暗示了长波长的地形和大地水准面很大一部分是动力学的起源［19，20］。

图2

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图2   金星和地球的大地水准面幅值（a）和地形幅值（b）及其导纳（c）和相关性（d）

Fig.2   Geoid (a) and topography (b) amplitudes of the Earth and Venus, and admittance ratios (c) and correlation (d) between the geoid and topography


通过金星的重力和地形的模拟可以对金星内部的黏度结构提供约束。金星上火山隆起的大地水准面地形比很大，远大于地球上的值，表明金星可能不存在类似地球上的软流圈［5，8］。另外金星全球地幔对流模型的研究也显示，要产生与金星观测一致的大地水准面和地形之间更大的导纳和更高的相关性（图2c，d），金星地幔不能存在软流圈的结构［13］，金星地幔没有软流圈的原因可能是由于金星地幔缺少水［21， 22］。

3 表面构造

虽然金星没有板块构造运动，但是根据麦哲伦探测的雷达图像，结合地形和重力等资料的研究显示，金星表面存在火山地貌、陨石坑、山脉、高原、瓦片状地形（tessera terrain）（图3a）、冕（coronae）（图3b）和大峡谷（chasmata）等多种构造。

图3

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图3   金星上瓦片状地形和冕

（a）瓦片状地形的SAR图像实例[10]；（b）Aramaiti冕的SAR图像[23]；（c）地形特征[23]；（d）数值模型产生的地形[23]

Fig.3   Tessera and coronae on Venus

(a)Example of tessera imaged by SAR[10]；(b) Aramaiti coronae imaged by SAR[23]；(c)Topographic signature[23]；(d)Topographic shape produced by numerical model[23]


行星的表面年龄是对其表面构造和内部活动程度的一个重要约束。金星表面大约有1 000个陨石坑，直径为1.5~280.0 km，通过与其他行星上的陨石坑数据对比可以得出金星表面的平均年龄为（5.0±2.5）亿年［24，25］，甚至可能只有1.5亿~2.5亿年［26］。金星表面的陨石坑分布有2个特点：一是随机分布，二是经历过构造变形的陨石坑非常少［27］。金星表面陨石坑的分布和形态对金星表面更新有重要的意义。解释金星表面陨石坑分布的学说主要有2个：均匀更新和灾难更新。均匀更新认为金星表面存在持续的岩浆活动或者构造活动［25，28］；灾难更新认为在大约5亿年前，金星经历了一次全球性的表面更新，随后火山和构造活动变得非常弱［21，24，29］。为了满足灾难更新的要求，目前提出了多个地球动力学模型［15，30~32］。均匀更新和灾难更新都可以解释金星表面的陨石坑分布特点，目前仍然存在很大的争论。虽然金星快车的VIRTIS数据表明金星表面存在近期的岩浆活动［4］，但由于不能对更新速率做出很好的限制，并不能排除灾难更新。

金星上的火山隆起一般是圆形或者其他不规则的形状，它们都有穹顶状的结构，有很大的地形隆起，存在一个或多个火山，其重力异常比较大，GTR也比较大，并且在其内部经常包括裂谷带［3，33］。火山隆起被认为是地幔柱的地表显示，它们与地球上夏威夷这样的“热点”有很多相似的特征。金星上识别出的地幔柱有10个［5］，与地球上主要的地幔柱个数相当［34］。金星快车获得的VIRTIS数据显示火山隆起地区都有比较大的热发射率，可以推断出它们更富含铁镁质的成分以及更多的硅酸铁矿物，被认为是年轻并且活动的［4］。这些活动的热柱不仅表明金星上地幔对流的存在，也可以对金星内部动力学提供约束［13，16］。

金星上的地壳高原是边界陡峭的准圆形或者其他不规则的形状，它们的重力异常和大地水准面比火山隆起小很多，表面一般都充满了复杂变形的瓦片状地形［3，6，10］。瓦片状地形是一种很特殊的挤压—拉张变形地貌，表面至少存在2组交叉的结构［10］（图3a）。地壳高原的GTR和ADC都比较小，被认为是比较厚的地壳均衡补偿所导致［5，7，9］。地壳高原的成因存在下降流起源［6］和上升地幔柱起源［3，35］之争。上升地幔柱起源认为在地幔柱之上产生部分熔融导致地壳增厚，而下降流起源认为地壳增厚是下降流之上的地壳收缩导致的。地壳高原内部的瓦片状构造被认为是金星表面最古老的构造特征，可能形成于早期地壳高原形成的时期［3，35，36］。这一推论也被最新的一些研究所支持，VIRTIS热发射率数据显示在地壳高原的值比较低，暗示了其可能含有更多的长英质矿物和硅酸盐成分［37］。大量硅酸盐成分可能需要水的参与才能形成，长英质的地壳高原可能暗示了早期金星上含有更多的水［38，39］。

金星表面还有一种特殊的准圆形构造，它们的半径从几十到两千多公里，内部隆起，有升高的边缘和环形槽，被称为冕［40］。金星上识别出的冕有600多个，其成因主要包括地幔柱、拆沉和陨石撞击等机制［40，41］。还有一种理论认为冕是与俯冲相关的构造特征［42］。虽然金星上没有板块构造运动，但仍然有一些地方显示了类似地球上俯冲带的特征。基于它们的地形、重力、岩石圈挠曲等特征并与地球上俯冲带的对比，金星上有多个地方被认为是俯冲带［42，43］。但这些地方都位于冕的边缘，也存在地幔柱的特征，被认为可能是热柱导致的俯冲［44］。近期的一些热柱导致俯冲的数值模拟进一步解释了金星上的这些特征（图3b~d）［23，45，46］。

4 地壳和岩石圈有效弹性厚度

金星地壳的组成被认为与地球上的一致，主要成分是玄武岩［21，38］。金星地壳厚度的上限可以从玄武岩转变为榴辉岩的相变深度来估算，根据内部温度的不同为50~70 km［21］。对金星地壳厚度的研究大多数都是基于对金星的重力和地形数据。Grimm等［47］应用线性黏性松弛模型研究金星的地壳厚度，认为金星上陨石坑地形的下降是由于固态蠕变的作用，他们的结果显示金星的地壳厚度为10~20 km。Anderson等［48］通过对金星全球重力和地形的局部导纳分析，计算了金星的全球地壳厚度，他们的结果给出了一个非常广泛的值，最大的地方达到了90 km。由于金星的地形和重力中包括很大一部分动力学的影响，James等［49］基于内部加载理论的同时反演地壳厚度变化和内部地幔质量异常的方法， 分离了浅部地壳和深部补偿机制对表面地形和大地水准面的影响，他们估计的金星平均地壳厚度为8~25 km。Wei等［50］和Yang等［7］利用地幔对流数值模型的动力学导纳，在不同的假设下分别分离了动力学作用对重力和地形的影响，并计算了金星的全球地壳厚度，他们给出了相似的结果，金星的地壳厚度大多在20~60 km。虽然这些计算金星地壳厚度的方法并不相同，但计算的金星地壳厚度在很多地方有相似的特征，比如在地壳高原计算的地壳厚度都比较大，主要在35~60 km，这些地方基本处于地壳均衡。但在贝塔高地（Beta）等被认为是地幔柱的地方，计算的差异却很大［7］。Yang等［7］提出了一种基于动力学模型导纳和地球均衡模型导纳的金星地形和重力场的动力学成分分离方法，利用扣除动力学影响后的地形和重力计算了金星的全球地壳厚度，结果显示在贝塔高地等火山隆起地区，其地壳厚度接近或小于周围及25 km的全球平均地壳厚度。这与Simons等［9］和McKenzie［51］的结果一致，McKenzie［51］认为由于金星的岩石圈比较厚，阻碍了大量的部分熔融到达地表，同时由于热柱作用导致了下地壳黏度的降低，可能存在下地壳的流动导致地壳减薄。Simons等［9］认为由于火山隆起地区的ADC太大，已经不能由地壳厚度的增厚来解释，其隆起主要是对地幔对流作用的响应，但厚度并没有什么变化。

金星的岩石圈厚度一般认为比较大，通过金星长波长的重力与地形之间的导纳计算的ADC被认为代表了金星的岩石圈的厚度，这样估算的金星岩石圈厚度大约为200 km［20］。Orth等［52］通过假设金星对流的地幔之上的岩石圈处于均衡（Isostatic Stagnant Lid approximation， ISL近似）研究得出的金星的岩石圈厚度高达300~600 km。

岩石圈有效弹性厚度表征岩石圈的挠曲强度和动力学响应。估算的金星岩石圈有效弹性厚度主要在10~50 km［21，42］。Anderson等［48］通过局部导纳分析法计算了金星的全球岩石圈有效弹性厚度，结果显示了一个非常广泛的范围（0~100 km），在一些地方岩石圈有效弹性厚度非常大，主要是由于考虑了底部加载引起的，全球大多数地方的岩石圈有效弹性厚度都小于20 km，这些地方也可能处于地壳均衡。

5 地幔对流模式

金星虽然没有板块构造运动，但从金星的表面观测来看金星内部仍然存在强烈的地幔对流，并控制着金星的表面构造及其演化。金星地幔对流的表现形式与地球的很不一样，主要表现为类似地球上的地幔柱。对金星地幔对流模型的约束主要来自于金星的重力和地形特征、金星的地幔柱分布以及金星的表面年龄特征等。为什么地球有板块构造，而金星没有板块构造，一直是科学家们非常关注的一个问题［35，53~59］。

瑞利数是地幔对流中非常重要的一个参数，它控制着地幔对流的强度，当瑞利数大于临界瑞利数时地幔对流才能开始。地幔的黏度对地球的动力学行为有非常重要的影响，其与温度、压力、晶粒大小和应力等相关。许多学者通过理论研究、实验室试验和数值模拟的手段对地幔对流的模式进行了大量的研究［54，55，60，61］。对于牛顿流体，当只考虑温度相关的地幔黏度时，根据表面与底部之间的黏度比和瑞利数的不同，可以产生3种地幔对流模式（图4）：Ⅰ.小黏度比模式（small viscosity contrast regime），与常黏度对流类似，冷的下降流和热的上升流有相同的特征；Ⅱ.转换模式（transitional regime），顶部边界层的移动更慢，比底部边界层更厚，但其移动仍然对散热有重要的作用；Ⅲ.停滞盖层模式（stagnant lid regime），顶部产生一个黏度非常大的盖层，其移动非常缓慢，对流只发生在这个盖层之下，热量主要通过这个盖层传导散热。

图4

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图4   不同黏度比和瑞利数时的3种地幔对流模式[55]

实线椭圆区域表示产生类似现今地球地幔对流模式的参数范围，虚线矩形区域表示地球地幔的实际参数范围

Fig.4   The three convective regimes as a function of the Rayleigh number and the viscosity contrast[55]

The ellipse area with solid line shows the parameter range where the convective pattern is reminiscent of the present-day Earth’s mantle and the rectangle area with dashed line shows the actual parameter range for the Earth’s mantle


没有板块构造的金星与大黏度比下产生的停滞盖层模式非常一致。通过金星的重力和地形的约束，地幔动力学模型的结果显示金星可能处于下部地幔黏度结构比较一致的停滞盖层对流［8，51，55］。但在三维模型中停滞盖层对流总是包括许多个的上升地幔柱［12，60，62］。研究显示地幔中尖晶石到钙钛矿的相变和地幔的黏度分层可以促进长波长的地幔对流［63，64］。以金星表面识别的地幔柱个数以及大地水准面和地形的谱特征为约束，Huang等［13］利用三维全球模型研究了金星的地幔对流模式，结果显示尖晶石到钙钛矿的吸热相变可能在金星地幔对流结构中起着重要的作用，金星地幔不能存在像地球地幔一样的软流圈，因为软流圈会减小大地水准面和地形的导纳，并导致地形和大地水准面之间负的相关性，这与金星观测不符。

虽然大黏度比下的停滞盖层对流可以解释现今的金星地幔对流结构，并且金星和地球的实际参数范围都位于这个模式，但是这一模式不能产生金星的表面灾难更新，也不能解释为什么地球上有接近中等黏度比的板块构造。图4中这样简单的对流模拟似乎缺少了一些重要的元素。研究显示如果在考虑岩石圈的黏度时加入屈服应力的影响，还可以产生另外的2种地幔对流模式：幕式对流模式（episodic regime）和活动盖层模式（mobile lid regime）（图5），它们可以用来解释金星的表面更新和地球上板块构造的产生［15，16，56，57］。

图5

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图5   黏度比固定为105时不同屈服应力和表面瑞利数时的3种地幔对流模式[57]

Fig.5   Different convective regimes as a function of the yield stress and surface Rayleigh number for a constant viscosity contrast of 105[57]


6 表面更新机制

金星表面3亿~10亿年前一次全球性的灾难更新，或者是存在连续表面更新活动的均匀更新都可以解释金星表面的陨石坑分布特点。从金星散热考虑，如果均匀更新只考虑地幔柱和拆沉的散热方式，并不能满足金星的散热要求，而灾难更新可以很好的满足［65］。解释金星表面灾难更新的机制主要包括以下三大类：

（1）岩石圈的不稳定性。早期金星表面存在板块构造运动，地幔对流的散热使金星内部逐渐冷却，大约5亿年前，金星表面岩石圈相对下部地幔变得更轻而不再俯冲［66］，或者金星表面岩石圈内应力减小而停止了板块构造，金星表面岩石圈开始增厚［55］。这一过程也可能是周期性的，板块构造停止导致地幔内部温度升高，增厚的岩石圈最终变得不稳定而俯冲到地幔内部，全球板块构造运动重新开始［31，67］。

（2）数值模拟中的幕式对流模式。地幔对流数值模拟的研究显示，当黏度是温度强相关，并考虑岩石圈屈服应力的影响时，地幔对流存在3种对流模式：活动盖层模式、停滞盖层模式和幕式对流模式［57］（图5）。活动盖层模式的表面层是活动的，俯冲持续的发生，在更小的参数范围内，还可以产生与板块构造非常类似的板块模式（plate regime）。幕式对流模式的岩石圈在大部分时间是不活动的，当某处的应力大于屈服应力的时候，岩石圈屈服，产生大量的表面活动，从而可以被用来解释金星表面的灾难更新。当考虑岩石圈塑性屈服时，Fowler等［68］最早从数学上分析出可以产生幕式的岩石圈俯冲。随后，许多研究在考虑屈服应力的地幔对流数值模拟中产生了幕式的地幔对流［15，16，30，56，57，69］。图6显示了Armann等［15］首选模型的金星地幔均方根速度演化。他们利用二维球壳模型模拟了金星的热化学演化，模型考虑了熔融、岩浆活动、岩石圈的塑性屈服等，模型结果预测金星上发生了5~8个岩石圈翻转事件，每次持续1.5亿年左右。由于岩石圈的塑形屈服，地幔翻转最初发生在一个地方，然后迅速扩散到全球，地壳也通过地幔翻转回到地幔中，每次地幔翻转释放大量的热量。研究显示，这种机制也可以用来解释其他星球上的地幔翻转，比如早期地球［70］和土卫二Enceladus［71］。Rolf等［16］建立了与Armann等［15］类似的模型来研究金星的演化，主要区别是他们的模型是三维球壳模型，他们的结果显示灾难更新模型比停滞盖层模型产生的地壳厚度和表面年龄更符合金星的观测。

图6

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图6   金星地幔对流数值模型的均方根速度[15]

Fig.6   Time evolution of rms. velocity of the model of Venus[15]


（3）灾难性的岩浆喷发。起因包括：①地壳下面亏损层的不稳定性。地幔部分熔融形成一个亏损的较轻的残余层，随后的冷却使其加重并且变得不稳定，最终发生全球性的倾覆和表面更新，一个新的亏损层随后开始形成，这一过程以大约5亿年的周期重复发生［32］。②玄武质岩在转换带的不稳定性。在上地幔底部，橄榄质岩主要是尖晶石组成，玄武质岩主要是超硅石榴石组成，相比于尖晶石相变为钙钛矿的深度，超硅石榴石相变为钙钛矿发生在更深的地方，在这两个深度之间形成一个转换带（图7），超硅石榴石在这里比其他地幔物质更轻，而在其他地方则更重，俯冲的玄武质岩于是在这里聚集，这个局部的玄武质岩层最终变得不稳定并坍塌，导致大量的岩浆喷发并到达地表，引起表面的更新［73，74］。③相变引起的大量岩浆喷发。Steinbach等［75］研究了二维模型中尖晶石到钙钛矿的吸热相变对地幔对流的影响，认为早期金星的瑞利数更大，是分层地幔对流，随着瑞利数的减小，分层地幔对流转变为全地幔对流，这样的转变将会引起大量的岩浆喷发并导致金星表面更新。但是后来的三维模型研究显示对流系统从来没有完全分层，这个吸热相变不会导致金星表面的灾难更新［13，14，63，76］。

图7

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图7   金星地幔中相变示意图（根据参考文献[15,72]修改）

Fig.7   Schematic diagram of phase transformations in Venusian mantle (modified after references [15,72])


虽然灾难更新模型受到了广泛关注，但同样也受到了一些质疑。King［17］利用三维球壳模型研究了金星的演化，模型考虑了岩石圈的塑形屈服，可以产生停滞盖层对流或者幕式的板块活动，其结果显示一直处于停滞盖层对流的模型才能产生与观测一致的金星的质心与形心之间的偏差，一次灾难更新过程将会产生非常大的金星质心与形心之间的偏差，并将在很大程度上增加核幔边界热流，从而导致地核发电机。因此King［17］认为金星表面更新不能是一个灾难更新，而是一个逐渐更新的过程。另外，如果金星上的冕都存在热柱导致的俯冲，那么在这些地方的局部俯冲也与金星的均匀更新模型更加一致［27］。

7 讨 论

虽然金星在大小、质量和组成等方面与地球非常相似，但也有很多的不同，金星表面温度更高，没有内生磁场，表面重力和地形之间强相关，最重要的是，金星没有板块构造运动。究竟是什么控制了板块构造，为什么地球上有板块构造，而金星上却没有一直是一个未能解决的问题。有研究指出，上地幔的一个软流圈可能对板块构造的产生起关键作用，因为软流圈可以促进长波长的地幔对流并且可以增加岩石圈的应力来促进局部的岩石圈变形［59］。而对金星的地形和重力的研究显示金星不能存在与地球类似的软流圈［5，8，13，21］。因此可以推测，金星上没有板块构造运动的一个重要原因可能是金星地幔没有软流圈，而金星上缺少软流圈的原因可能是由于金星上缺少水［21］，因为水在软流圈的形成中起着重要的作用［22］。金星上缺少板块构造运动的另一个可能原因就是金星的表面温度比地球的更高，研究显示表面温度对板块边界的产生有很大影响，更高的表面温度导致类似板块构造的行为更难产生［77~79］。

基于观测的重力、地形、SAR图像、VIRTIS数据等资料的研究，目前对金星的内部结构与动力学的认识已经有了很大的进展。重力和地形数据对金星内部结构和动力学提供了非常重要的约束。获得更高分辨率的地形和重力场数据，将会提高我们对金星地壳厚度、岩石圈有效弹性厚度、地幔黏度结构和地核大小等的估计。获得更高分辨率的SAR图像，结合表面地形和重力资料，将会提高对金星表面地质构造和演化的认识，进一步理解金星的表面更新过程和机制。另外，如果能够在金星表面进行地震和热流测量，就可以根据地震资料精确地确定金星的内部结构，包括地壳厚度和内部分层结构等，以及根据金星现今的热流来推测金星是处于一个均匀散热的过程，还是存在周期性的散热过程。不过相比重力和地形的测量，地震和热流的测量具有更大的难度和挑战性。

8 结 语

作为一个与地球在大小和组成上都非常相似的行星，金星却有着非常不同的演化路径。对金星的研究有助于理解究竟是什么导致了板块构造运动，以及为什么地球是一个宜居的行星，这对太阳系以外其他行星的探测也具有重要的意义。

总的来说，根据金星的重力和地形资料的研究显示金星的岩石圈比较厚。来自金星陨石坑数据的分析表明金星的表面比较年轻，暗示金星可能发生过全球性的表面更新。金星的大地水准面和地形之间的导纳比较大，相关性也很高，表明金星内部存在全球性的动力学过程。重力和地形的分析显示金星上存在大约10个类似于地球上夏威夷下方的地幔柱。金星上的地壳高原有类似地球上陆地的特征。数值模拟显示现今金星的重力和地形的谱特征以及地幔柱个数可以通过大黏度比下的停滞盖层对流模型来解释，金星地幔不能存在类似地球上的软流圈结构。虽然金星没有板块构造运动，但是金星表面比水星和火星等其他不活动的行星有更多的构造特征，金星是一个现今地质上仍然活跃的行星，从金星的表面地质分析和金星快车的观测资料都暗示金星上存在近期的火山活动。

一个根本的问题是，金星的表面更新是连续的均匀更新过程，还是经历了一个灾难性的全球表面更新？这是一个已经持续了很长时间的争论。灾难更新是幕式对流模式的前提，究竟是哪一种机制导致了金星的表面灾难更新？需要更高精度和更多的观测资料，以及更多的理论模型研究，才能获得对金星内部结构和动力学更多的认识。

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