2025年大学《地球物理学》专业题库- 地球动力学模型的建立与验证

2025年大学《地球物理学》专业题库——地球动力学模型的建立与验证考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.地幔对流的直接驱动力主要来源于（）。A.地球自转产生的科里奥利力B.地球内部放射性元素衰变产生的热能C.地球核心的磁场力D.板块碰撞产生的弹性回弹力2.在地球动力学模型中，采用球谐函数展开的主要目的是（）。A.简化控制方程，忽略纬向变化B.将全球观测数据局部化处理C.处理地球旋转导致的离心力效应D.将复杂的全球场分解为一系列正交的谐波分量以便分析3.下列哪种地球物理观测数据对于约束地幔粘度结构最为敏感？（）A.地震面波走时B.海底地磁条带记录C.全球重力异常图D.大地测量卫星轨道形变数据4.若要建立解释热点岛弧体系的地球动力学模型，通常需要引入（）。A.理想刚体旋转模型B.地幔柱热点模型C.球对称地幔对流模型D.板块纯滑模型5.在使用地震波速度数据验证地球动力学模型时，通常需要建立地震层析成像模型，该模型本质上是在求解（）。A.地幔粘度分布B.地壳厚度变化C.地球内部温度结构D.地震波传播路径的射线追踪6.以下哪项不是地球动力学数值模拟中常见的数学方法？（）A.有限差分法B.有限元法C.古老的钱包算法D.球谐函数展开法7.地球自转速度的变化（进动和章动）对地幔对流模型的影响主要体现在（）。A.改变对流边界条件B.增加模型控制方程的非线性行为C.引入额外的科里奥利参数D.直接决定对流细胞的形态8.在验证全球地壳形变模型时，常用的观测数据不包括（）。A.GPS测量数据B.卫星雷达干涉测量（InSAR）数据C.海洋地磁测线数据D.欧洲卫星导航系统（Galileo）信号延迟数据9.下列关于地球动力学模型验证的描述，哪一项是错误的？（）A.模型与观测数据的吻合程度是衡量模型优劣的唯一标准B.验证过程应检查模型能否合理复现主要观测事实C.模型参数的不确定性会影响验证结果D.验证不仅包括数据拟合，还包括对模型物理机制的检验10.板块构造理论中的“软流圈”概念主要与（）密切相关。A.岩石圈的整体刚性B.上地幔的局部塑性C.地壳的化学成分D.古地磁极的位置二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在题中横线上）1.地球动力学研究的核心目标是理解地球______的长期演变过程及其驱动机制。2.建立地球动力学模型的首要步骤通常是对实际问题进行______和______。3.地震波速度的横向变化是约束地球内部______结构的重要信息来源。4.利用地热梯度数据反演地幔热结构时，通常需要考虑热量在地球内部的______和______。5.地球自转参数的变化可以通过观测______和______的变化来精确测定，这些信息可用于反演地幔质量分布。6.地球动力学模型中，地幔物质的粘度通常被假设为温度的______函数，且在高压下具有______特性。7.板块边界处的俯冲过程对地幔对流的______和______具有重要影响。8.地球物理反演方法在地球动力学模型验证中的作用是利用观测数据来______或______模型中的关键参数。9.理解地球动力学模型的不确定性来源，包括模型假设的______、参数估计的______以及观测数据的______。10.有限元法是求解复杂几何区域上偏微分方程的一种常用数值方法，它在地球动力学模拟中可用于处理______边界条件和______介质。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述地幔对流的基本机制及其对地表地质现象的主要控制作用。2.解释什么是地球动力学模型的“参数化”？并举例说明一个地球动力学模型中可能包含的关键参数及其物理意义。3.简述地震层析成像技术在地球动力学模型验证中的应用原理。4.描述建立全球尺度地幔对流模型时，需要考虑的主要物理守恒律。四、计算题（共20分）假设一个一维稳态地幔对流模型，地幔被视为牛顿流体，在地球半径R处受到均匀热流Q的冷却，在地核边界r=R处受到均匀热源。地幔粘度η随温度T的变化关系为η(T)=η0*exp(-Q_v/(kT))，其中η0为参考温度T0下的粘度，Q_v为活化能，k为玻尔兹曼常数。控制方程为热传导方程和纳维-斯托克斯方程的简化形式：∂T/∂t=α∇²T-q/ρc_p∇⋅(η(r)∇²v)=-ρ(r)g(r)其中α为热扩散系数，q为内部热产率，ρ为密度，c_p为比热容，v为速度矢量，g(r)为径向引力加速度。假设在稳态条件下(∂T/∂t=0,∂v/∂t=0)，且垂直方向速度v_r=0，径向温度分布T(r)和径向速度v_r(r)仅随半径r变化。请推导出径向速度v_r(r)的表达式，并简要说明其物理意义。（提示：稳态条件下，径向动量方程简化为径向分量，且热传导与内部热产率、热源达到平衡）五、论述题（共20分）假设你获得了一份区域地震层析成像结果，显示该区域内存在一个显著的高波速异常区，位于软流圈之上。请结合地球动力学知识，分析可能导致该高波速异常区形成的几种主要地球动力学机制，并针对每一种机制，提出至少两种可以利用的地球物理观测数据对该机制进行验证或进一步约束，简述其验证思路。试卷答案一、选择题1.B2.D3.A4.B5.C6.C7.A8.C9.A10.B二、填空题1.内部结构与动力学过程2.简化；抽象3.密度/物质分布4.储存；耗散（或传导）5.地震面波；超长基线干涉测量（VLBI）6.函数；随深度增加而增大（或随压力增加而增大）7.对流模式；能量分布8.估计；约束9.不确定性；误差；质量/空间/时间分辨率10.边界；不均匀三、简答题1.解析思路：首先阐述地幔对流是热物质在地球内部的运动，驱动力是地核与地表的热力差。然后说明其对流形式可能是柱状对流单元或环状对流单元。最后，说明其对地表的控制作用，例如：驱动板块运动、形成火山活动带、引起地震活动带、塑造大陆与海洋格局。2.解析思路：首先解释参数化是将连续的物理量或复杂的物理过程用有限个离散的参数或简单的函数来近似表示的过程。然后举例，如在一个地幔对流模型中，地幔粘度η可能被参数化为温度T的函数η(T)=η0*exp(-Q_v/(kT))，这里的η0、Q_v、k就是参数；或者地幔密度ρ可能被参数化为温度T和压力P的函数。说明这些参数代表了模型中无法直接求解的物理量或过程。3.解析思路：首先说明地震层析成像通过分析地震波在地下的传播速度差异来成像地球内部结构。然后解释在地球动力学模型验证中，可以将模型预测的波速结构作为输入，计算理论地震道；再将实际观测到的地震道与理论地震道进行对比（如拟合优度检验），以此评估模型的准确性。重点在于模型预测的波速结构是验证的基础，观测到的地震道是验证的依据。4.解析思路：说明建立全球尺度地幔对流模型时，需要遵循物理学的基本守恒定律。主要包括：质量守恒定律（对于流体，即连续性方程）；动量守恒定律（对于流体，即纳维-斯托克斯方程）；能量守恒定律（热传导方程）；角动量守恒定律（对于旋转地球模型）；以及有时考虑的熵守恒或热力学定律。四、计算题v_r(r)=(Q/(4πηα))*[(R^3-r^3)/r]*[(ρg(r)/α)-q/(ηα)]^(1/2)（假设g(r)和q(r)关系已知或可简化处理）解析思路：1.写出稳态下的热传导方程和径向动量方程。2.由于对称性和假设，径向速度v_r只与r有关，温度T也只与r有关。3.对热传导方程进行积分（从r到R），利用稳态条件和边界条件（r=R处热流Q，r=R处热源），得到内部热产率q与r的关系：q(r)=Q*(R^3-r^3)/(πR^4)。4.将q(r)代入径向动量方程，得到包含η(r)和g(r)的方程。5.假设引力加速度g(r)近似为常数或已知函数，并且粘度η(r)已知（如题目给定的函数形式）。6.对径向动量方程进行积分（从r到R），求解径向速度v_r(r)。注意积分过程中可能涉及对η(r)的积分，对于给定的指数型粘度函数，积分是可解的。7.最终得到v_r(r)的表达式，其中包含已知常数和函数（R,Q,η0,Q_v,k,α,ρ,c_p,g常数）以及待定或已知的r依赖项（如g(r)）。8.简要说明物理意义：径向速度表示地幔物质垂直于地球表面的上升或下降运动，其大小和方向取决于热力梯度、粘度分布和引力场。正速度表示上升，负速度表示下降。五、论述题解析思路：针对高波速异常区，分析可能的形成机制：1.地幔柱/热点：解释地幔柱是来自地幔深部或核心-地幔边界的热、低密度物质上升形成的柱状体，其高温使其粘度降低，可能携带地幔物质甚至地核物质到达软流圈以上，形成高波速异常区。验证方法：利用卫星测地技术（GPS,INSA,GRACE）观测到的地表形变数据，推断地幔柱下方是否存在地幔隆起；利用地震层析成像在该区域下方是否存在低波速异常（地幔柱内部可能较冷或含有熔体）；利用地球重力场数据，地幔柱可能引起局部重力低异常。思路是结合多种地球物理观测手段相互印证。2.地幔部分熔融：解释软流圈上部的局部高温或水/熔体富集可能导致部分熔融，形成的熔体相（岩浆）具有比地幔橄榄石基质更低的密度和更高的波速（特别是P波）。高波速异常可能反映残留的富集矿物相（如榴辉岩）或过冷熔体边界。验证方法：利用地震波速各向异性数据，部分熔融区域通常表现出特定的各向异性模式；利用地震体波分岔现象，在特定条件下可能揭示熔体相的存在；利用地表化学元素异常（如钾、铀、钍含量高）或同位素组成异常，指示上地幔存在熔融。思路是寻找与部分熔融相关的地球物理（波速、各向异性）和地球化学证据。3.变质作用/矿物相变：解释在某些高压高温条件下，地幔岩石发生显著的变质作用，形成新的矿物相（如榴辉岩相），这些矿物相的声波速度（特别是P波速度）可能显著高于其原始的橄榄石/辉石相。验证方法：通过岩石学实验确定特定变质矿物相的声波速度；利用地震反射/折射数据，如果高波速异常与特定的地质构造（如俯冲带）相关，可能暗示了深部变质作用；利用地震层析成像中的