2025年大学《地球物理学》专业题库- 地球物理学在行星地质学中的应用

2025年大学《地球物理学》专业题库——地球物理学在行星地质学中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填入括号内）1.在利用行星重力数据推断内部结构时，局部重力异常主要反映了（）。A.行星核心的整体质量B.行星幔部的密度变化C.行星壳部及表面的质量亏损或盈余D.行星的自转速度2.行星磁场的存在通常表明其内部存在（）。A.分离的熔融地核B.强大的全球性构造活动C.厚厚的冰层覆盖D.广泛的火山喷发3.火星探测到的“次表面水冰”主要被地球物理学的哪种方法间接证实？（）A.行星地震层析成像B.高精度重力梯度测量C.地球物理热流测量D.低频电磁感应探测4.在解释行星全球磁场时，"偶极场"模型主要适用于（）。A.月球B.金星（无全球偶极磁场）C.火星（弱偶极场）D.木星（强非偶极场）5.行星内部结构地震学研究的主要依据是（）。A.行星表面的地形起伏B.地震波（P波和S波）在内部传播速度的变化C.行星表面的岩石类型分布D.行星的自转椭球率6.伽利略号探测器通过地震学方法推断木星卫星木卫三（Io）内部存在液态硅酸盐幔的主要证据是（）。A.观测到清晰的S波到达B.P波速度在特定深度发生异常变化C.地震波能量衰减缓慢D.木卫三表面强烈的火山活动7.行星热演化模型研究的主要目的是（）。A.确定行星的精确年龄B.解释行星表面温度的分布C.评估行星内部剩余热量及其来源和耗散机制D.探测行星大气成分8.在行星地质学中，地球物理反演的主要目的是（）。A.获取行星表面的高分辨率图像B.根据有限的地球物理数据推断行星内部的物理性质分布C.测量行星表面的磁场强度D.计算行星的逃逸速度9.撞击坑的地球物理特征（如重力低、磁异常）主要与其（）有关。A.撞击事件发生的年代B.撞击体的成分和大小C.撞击后形成的地貌形态D.周围地壳的厚度10.将地球物理方法（如重力、磁法）应用于小行星研究时，其面临的主要挑战是（）。A.小行星体积小，信噪比低B.小行星表面普遍覆盖厚冰层，干扰物理信号C.难以获得足够分辨率的高质量地球物理数据D.小行星缺乏全球统一的地壳结构二、填空题（每空1分，共15分。请将答案填入横线处）1.行星的重力异常可以分为________异常和________异常，前者与行星内部密度分布有关，后者主要与表面质量分布有关。2.行星磁场可以分为________和________两种类型，前者由液态外核的对流产生，后者可能由固态地幔内剩磁或表面电流产生。3.地震学研究表明，地球的液态外核的存在是通过观测到________波在核幔边界发生________来推断的。4.在行星地质学中，利用地球物理方法探测水冰通常关注其特有的________效应（如介电常数、电导率、热导率）或与水冰相关的________现象（如冰火山活动）。5.火星探测任务中，________号着陆器通过测量着陆点附近地壳的________响应，为火星过去存在液态水提供了重要证据。6.行星地球物理学的交叉学科性质体现在它需要融合________学、________学以及天文学等多学科的知识和方法。三、名词解释（每题3分，共12分。请给出简洁、准确的定义）1.偶极磁场2.行星地震层析成像3.次表面水冰4.地球物理反演四、简答题（每题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述利用重力数据推断行星内部密度结构的基本原理。2.简述行星磁场的主要来源有哪些？以木星为例说明其磁场特点。3.简述为什么地震学方法是研究地核结构和成分的重要工具？4.简述地球物理方法在评估行星宜居性方面可以发挥哪些作用？五、论述题（每题8分，共16分。请结合所学知识，进行较为深入的论述）1.论述地球物理方法（至少两种）在火星水冰探测中各自的作用、原理及局限性。2.结合具体案例（如某一行星探测器或研究项目），论述地球物理学在揭示行星地质构造和演化历史方面的贡献。---试卷答案一、选择题1.C2.A3.D4.C5.B6.B7.C8.B9.B10.C二、填空题1.局部，全球2.全球偶极，局部偶极（或感应场）3.S，折射/反射/截断4.物理性质，地质5.神秘（MarsPathfinder），地震/热6.地球物理，地质学三、名词解释1.偶极磁场：指磁场可以近似用一个位于中心、具有一定磁偶极矩的磁偶极子产生的磁场来表示，其外部场强随距离的立方呈衰减。2.行星地震层析成像：利用天然或人工震源产生的地震波在行星内部传播时速度的变化，通过反演地震波旅行时或振幅数据，绘制行星内部物质密度、成分等物理性质分布图像的技术。3.次表面水冰：指存在于行星（如火星）地表以下一定深度，被岩石或土壤覆盖的水冰体。4.地球物理反演：从观测到的地球物理场数据（如重力、磁力、地震波等）出发，推断产生这些场的数据体内部的物理性质（如密度、磁化率、波速等）分布的过程。四、简答题1.解析思路：重力是物体间质量相互吸引的表现。行星内部不同圈层的密度不同，质量分布不均匀，导致其产生的引力场具有差异。通过测量行星表面的重力异常值，结合行星整体形状和已知的质量分布（如核心、地幔的整体密度），可以利用重力位理论或数值模型，反演推断内部不同深度处的密度分布情况。核心密度最高，地幔次之，地壳密度最低。2.解析思路：行星磁场来源主要有两种：一是发电机理论，认为行星内部存在熔融的导电流体（如液态外核）在运动时，通过电磁感应产生全球性磁场，如地球的磁场和木星、土星的磁场；二是剩磁理论，认为行星内部固态部分在形成或冷却过程中，记录下了当时太阳风或内部热事件产生的磁场，如月球和火星的磁场。木星拥有极其强大的磁场，远超地球，其核心区域可能存在高速的对流运动，是强大的发电机效应的结果，且其磁场模型包含显著的偶极、双极和四极等分量。3.解析思路：地震波（P波和S波）在行星内部传播时，其速度和路径会受到介质物理性质（密度、弹性模量等）的影响。地核是行星内部最大的不连续界面。当地震波从固态幔进入液态外核时，无法传播的S波会发生截断，而P波速度会发生显著变化（通常降低）。通过分析大量地震波到达时间、路径和振幅的变化，特别是S波的截断和P波速度的异常，科学家能够确定地核的边界、大小、形状，并进一步推断外核的液态状态和内核的固态状态及其可能的成分。4.解析思路：地球物理方法在评估行星宜居性方面可以发挥重要作用。例如：通过重力测量和反演研究行星内部结构，判断是否存在足够大的地幔热源，维持表面温度；通过磁法探测记录的行星磁场历史，评估过去是否存在全球性磁场保护表面免受有害辐射；通过热流测量或建模，评估行星表面和近地表的温度条件；通过地震学研究内部结构和成分，判断是否存在液态水层（如地幔水或核心水）；通过探测次表面水冰或过去水活动的地质遗迹（如干涸的河道、三角洲），评估液态水存在的可能性。五、论述题1.解析思路：论述需包含至少两种地球物理方法及其原理和局限性。*方法一：电磁法。原理：水冰具有与干土壤不同的介电常数、电导率。低频电磁法（如感应法）可以探测到浅层（几米到几十米）高电导体（水冰或含水量高的土壤）。高频雷达（探地雷达）可以探测到更深（几米到上百米）的含水层。局限性：电磁法主要探测电导性，对于纯冰或低含水量的冰盖效果有限；雷达穿透深度受频率和介质性质影响；易受地表干燥土壤、岩石干扰。*方法二：地震法。原理：水冰的声波速度（特别是S波速度）与岩石显著不同。通过人工震源（如火箭爆炸、着陆器振动）激发地震波，分析反射、折射或散射波信号，可以识别含水层界面和估算厚度。局限性：地震法对浅层结构敏感度较高，探测深度有限（几十米到几公里）；需要震源和检波器，对探测环境有要求；数据解释受浅层地质复杂性影响。*结论：结合两种方法的优势，可以提高水冰探测的可靠性，但仍需结合地质、遥感等多方面信息综合判断。2.解析思路：论述需结合具体案例。*案例选择：以火星为例。利用伽利略号探测器对木星系统的探测，特别是对木卫二（Io）和火星的地质探测。*木星：伽利略号对木星磁场的精确测量，结合对木星卫星（特别是Io）的地震学观测，证实了木星强大的磁场来源于其下方液态金属氢层。对Io内部地震波的研究，揭示了其地幔部分熔融和地核可能存在的对流，解释了其剧烈的火山活动。*火星："火星勘测轨道飞行器"（MRO）上的高分辨率成像科学实验仪（HiRISE）提供了精细的地表图像，结合"勇气号"和"机遇号"着陆器的地震仪（RIMFAX）探测到微弱的火星地震信号，揭示