2025年大学《行星科学》专业题库- 固态高压行星内部结构探索

2025年大学《行星科学》专业题库——固态高压行星内部结构探索考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述状态方程（EOS）在固态高压行星内部结构研究中的基本作用。请说明至少三种不同的EOS形式及其各自适用的物理条件。二、地球的核幔边界（CMB）位于地下约2900公里处。请解释地震学数据是如何帮助确定这一位置的，并说明P波和S波通过CMB时发生的变化及其意义。三、榴辉岩相变是在地球地幔深处（约70-240公里）形成的重要地质结构。请描述榴辉岩相变的过程，并解释为什么发现榴辉岩是约束地核形成深度的重要线索。四、超基性岩包体（如含garnetlherzolite）是研究地幔上部的宝贵样品。请说明这些包体是如何形成的，并解释它们为何能为我们提供关于地幔部分熔融历史的线索。五、简要比较地震波在地幔和核心中的传播速度差异，并解释这些差异主要反映了核心物质与地幔物质在哪些物理性质上的根本不同。六、行星的热演化对其内部结构（如分层、密度分布）和表面活动（如火山、板块构造）具有深远影响。请列举行星内部的主要热源和热汇，并简述它们各自的作用。七、球粒陨石被认为是太阳系早期形成的原始物质代表。请解释为什么球粒陨石，特别是顽辉球粒陨石，被认为是研究地幔成分和状态的重要参考。八、重力数据可以提供关于行星内部密度分布的信息。请简述如何利用重力数据推断行星内部是否存在密度较高的核心，并说明可能遇到的挑战。九、解释P波速度离散现象（P-wavedispersion）的概念，并说明它为什么对于研究地幔内部的流变学性质（如粘度）至关重要。十、结合地震学和矿物学数据，简述对地球内部结构重建的主要步骤。在描述中，请提及至少两种关键的矿物相或地震间断面。试卷答案一、状态方程（EOS）是描述物质在特定温度和压力下其密度、声速等物性如何变化的数学关系式。在固态高压行星内部结构研究中，EOS是计算行星内部不同圈层物质状态（密度、压力、声速）的基础，是建立行星内部结构模型和进行地震数据反演的关键工具。不同的EOS形式反映了物质在不同压力、温度下的复杂行为。常见的EOS形式包括：1.Mie-GruneisenEOS：常用于描述固体在相对较低到中等压力下的行为，它考虑了物质在受压时体积压缩和内部摩擦生热（Gruneisen参数）的影响。2.PVTEOS（压力-体积-温度关系式）：更通用的形式，通常基于对物质热力学性质的理论推导或实验数据拟合，能更精确地描述物质在高压、高温下的状态变化。3.基于分子动力学或第一性原理计算得到的EOS：在极高压力下，传统EOS可能失效，此时需要借助计算机模拟方法得到的EOS来描述物质行为，这些方法能更深入地揭示物质微观结构的变化。二、地震波（特别是P波和S波）在地球内部传播时，其速度会因介质密度的增加和弹性的增强而加快。通过分析全球地震台站记录到的地震波到达时间，可以绘制出地震走时图。在走时图上，特定振幅的地震波从震源到不同接收点的走时差异，结合震源位置和接收点位置，可以反推地球内部的等速线。当这些等速线在某一深度处发生显著变化（如速度突然增大），该深度就被确定为一个地震间断面，即核幔边界（CMB）。P波通过CMB时会发生显著的速度跳跃，速度大幅增加；S波在CMB处会完全折射（对于流体核心模型）或发生强烈反射和折射，其振幅通常会大幅衰减。这些现象证实了CMB下方是液态地核，而上方是固态地幔。三、榴辉岩相变是指在高温高压条件下，地幔原生矿物（如橄榄石、辉石）发生变质作用，形成榴辉岩（主要由石榴石和辉石组成）的过程。这个过程通常发生在地幔深处，对应于地壳之下约70至240公里的深度范围，与地核形成的相关压力条件相似。由于榴辉岩相变发生在相对较高的温度和压力下，其形成的矿物组合（特别是石榴石）对形成时的压力和温度非常敏感。因此，在地球或其他行星上发现天然形成的榴辉岩（尤其是在地表出露或通过陨石研究），可以作为这些行星地幔曾在高压环境下经历过改造的明证，进而为约束地幔形成或板块俯冲等过程所达到的深度提供重要的约束信息。四、超基性岩包体是包含在地幔寄主岩（通常是玄武岩）中的、体积较小的（几毫米到几厘米）超基性岩块。它们被认为是地幔深处的岩石在上升过程中被包裹并带到地表的“时间胶囊”。这些包体保留了形成时的地幔化学成分和物理状态信息。通过研究包体中的矿物组成、矿物之间的平衡关系以及可能存在的流体包裹体，可以推断地幔在其形成深度经历了怎样的部分熔融、交代作用或矿物相变。例如，包体中榴辉岩相变矿物（如石榴石）的存在，表明其形成时地幔压力至少达到了榴辉岩相变带；通过分析包体中不同熔体残留物的分布，可以反推地幔部分熔融的层次、规模和演化历史。五、地震波在地幔中的传播速度通常高于在核心中的速度。在地幔中，P波速度一般约为8-13km/s，S波速度约为4.5-7.2km/s。进入核心后，P波速度急剧增加（地核外核约为11-13km/s，地核内核约为13-15km/s），而S波速度在地核外核消失（因为外核是液态，液态不能传播剪切波），在地核内核则继续存在（速度约为3.5-4.5km/s）。这种速度差异主要反映了地幔物质（主要是硅酸盐岩石）与核心物质（地核主要由铁镍合金组成）在物理性质上的根本不同：核心物质密度远大于地幔物质，且核心（特别是内核）具有更高的弹性模量，这意味着核心物质能够更有效地抵抗弹性形变，导致地震波在其中传播得更快。六、行星内部的主要热源包括：1.放射性元素衰变：行星形成时捕获的放射性元素（如铀U、钍Th、钾K）发生衰变时释放的阿尔法粒子、电子等会转化为热能。2.吸积和分异释放的能量：行星在形成过程中通过吸积和物质分异（重元素下沉形成核心）所释放的引力能。对于已经冷却的行星（如地球），潮汐加热（由卫星或行星间相互作用引起）可能仍然是部分热源，但对于早期行星或某些气态巨行星，其初始热量和分异热量仍占主导。热汇是指行星向外空间散失热量的途径，主要包括：1.热传导：通过行星固体或液体内部将热量从内部向外部传递。2.热对流：在行星的液态层（如地幔、外核）中，热量通过物质的对流运动进行传递。3.地表/大气散热：通过辐射（主要是红外辐射）、蒸发、传导等方式将热量散失到太空。热演化通过这些热源和热汇的平衡，决定了行星的内部温度随时间的变化，进而影响其密度分布、成分分层和地质活动。七、球粒陨石被认为是太阳系早期形成的、未经剧烈后期分异的原始物质。它们主要由细小的硅酸盐球粒和少量金属颗粒组成。特别是顽辉球粒陨石（Eucrite），被认为是太阳星云中某些小型熔融体或火成岩的碎屑。由于它们形成时经历的温度相对较低，且未经历后期强烈的变质作用或分异过程，其成分被认为非常接近太阳原始化学组成，并保留了太阳星云中某些区域（如地幔源区）的信息。因此，通过分析球粒陨石的矿物学、同位素组成和物理性质，科学家可以推断早期地幔的成分、熔融程度以及形成时的物理化学环境，为理解整个太阳系的形成和早期演化提供关键的参照标准。八、利用重力数据推断行星内部是否存在密度较高的核心，主要基于“均衡原理”或“阿特武德假说”。该假说认为，在长期引力作用下，行星会趋向于达到一种重力平衡状态，即其外部密度分布是球对称的。通过精确测量行星表面的重力加速度，并结合行星的形状（通过卫星测高或雷达测地得到）、自转速度和整体质量，可以计算出在行星外部观测到的理论重力加速度。然后，将该理论重力加速度与实际观测值进行比较。如果实际重力加速度显著高于理论值，则表明在行星内部存在一个密度比周围物质更大的核心。这种重力异常的大小和分布可以用来估算核心的半径、密度和可能的成分。遇到的挑战包括：需要精确的行星形状和自转参数、忽略非球形引力效应（如自转离心力）、处理核心与地幔之间的密度过渡层、以及忽略可能存在的内部流体对弹性参数的影响等。九、P波速度离散（P-wavedispersion）是指地震P波的相速度（波形传播速度）随震源与接收点之间路径长度（或距离）的变化而变化的现象。简单来说，就是同一地震事件产生的P波，在传播到距离震源不同远处的台站时，其整体波形（特别是特定频率成分）的传播速度会随距离而改变。这种现象主要是由地球内部介质在长距离上的非均匀性引起的，特别是地幔中可能存在的低速层、各向异性结构或粘滞流体层。P波离散对于研究地幔内部的流变学性质至关重要，因为通过分析离散率（即速度随距离的变化率），可以反推地幔介质（特别是过渡带和上地幔）的粘度、剪切模量的横向变化以及内部结构，是探查地幔深部精细结构和流变状态的宝贵工具。十、结合地震学和矿物学数据重建地球内部结构的主要步骤如下：1.收集和分析地震数据：获取全球地震台站记录的P波和S波走时数据、地震面波数据（如Love波和Rayleigh波）以及地震矩张量等。利用走时inversion（反演）方法绘制地震速度结构图（如P波速度剖面），识别主要的地震间断面（如莫霍面、古登堡面/核幔边界）并确定其深度。利用面波散焦、频散等数据研究地幔内部的精细结构（如S波速度各向异性、低速层）。2.建立和选择合适的矿物学模型：基于实验室获得的高压矿物学数据（状态方程、矿物相图、矿物物理性质如声速、密度），建立能够描述地球内部不同压力、温度条件下物质状态和物性的矿物学模型。这些模型将压力和温