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为探究金星地质动力学，研究人员针对金星冕状物（coronae）开展研究，结合 3D 地动力学模型与观测数据，分析其与地幔柱 - 岩石圈相互作用的关系。发现 75 个冕状物中 52 个下方存在地幔物质，且 VERITAS 任务将提升重力分辨率，助力理解金星构造。
金星，这颗被称为地球 “孪生姐妹” 的行星，却在地质活动的舞台上演绎着截然不同的故事。长久以来，科学家们对金星表面复杂的地质现象充满好奇，尤其是那些被称为冕状物（coronae）的准圆形火山构造 —— 它们像是金星皮肤上的神秘印记，直径从 60 到 2500 公里不等，带着断裂环和地质活动的痕迹，却始终不肯轻易透露形成的奥秘。
早期研究认为，金星缺乏类似地球的板块构造，其表面变形可能由地幔对流和地幔柱 - 岩石圈相互作用驱动。然而，由于金星重力数据分辨率较低，尤其是麦哲伦（Magellan）任务获取的数据难以捕捉冕状物的精细重力特征，导致科学家对冕状物与地幔柱的关系、活动阶段及构造机制的理解存在诸多空白。例如，部分冕状物显示出类似板块边界的俯冲迹象，但低分辨率数据无法明确其动力学过程。因此，如何结合有限的数据深入解析冕状物的形成机制，成为揭开金星地质动力学面纱的关键。
为了破解这些谜团，来自多国科研机构的研究人员开展了一项系统性研究。他们聚焦金星冕状物，通过构建三维地动力学模型（3D geodynamic models），模拟不同地幔柱诱导冕状物形成的场景，并将模型预测的重力信号与麦哲伦任务及即将发射的 VERITAS 任务的观测数据进行对比分析，旨在揭示冕状物背后的构造动力学过程。
研究得出了一系列重要结论。首先，结合地形和重力数据比单独使用地形数据更能有效解析动态过程。在 75 个可解析的冕状物中，重力数据表明 52 个下方存在浮力地幔物质，暗示这些冕状物正处于 “活跃” 状态，即持续的地幔柱 - 岩石圈相互作用阶段。研究还识别出多种地幔柱 - 岩石圈相互作用类型和活动阶段，包括岩石圈滴落、俯冲、嵌入地幔柱和底垫地幔柱等端元场景。此外，研究发现麦哲伦重力场的低分辨率可能掩盖部分冕状物的重力特征，而 VERITAS 任务预计将大幅提升重力分辨率，可解析 427 个冕状物，为深入研究金星岩石圈结构和地质动力学提供关键数据支撑。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》，为理解金星的地质演化打开了新的窗口。
研究主要采用了以下关键技术方法：
- 三维地动力学建模：基于 I3ELVIS 代码构建模型，模拟地幔柱与岩石圈相互作用的四种端元场景（岩石圈滴落、俯冲、嵌入地幔柱、底垫地幔柱），考虑了非牛顿粘塑性流变、熔体提取、玄武岩 - 榴辉岩相变等过程，模拟时间跨度达数百万年。
- 重力异常计算：利用 Python 库 Harmonica 通过点质量法计算自由空气重力异常（free-air gravity anomaly）和布格重力异常（Bouguer anomaly），结合模型的密度场和地形数据，分析不同演化阶段的重力特征。
- 数据对比与分辨率分析：将模型预测的重力信号与麦哲伦重力数据对比，评估分辨率影响；基于 VERITAS 任务的预期分辨率（球谐度数≥179，对应空间分辨率 < 106 km），预测其对冕状物的解析能力。
研究结果
1. 地动力学演化场景与重力信号预测
通过延长模型运行时间，分析活跃到不活跃阶段的动力学和重力特征。结果显示，活跃阶段的地幔柱上升会产生中心正重力异常、周围负异常的特征； crustal recycling 场景（如岩石圈滴落、俯冲）在活跃期表现为外环正异常、狭窄深重力低（对应地形沟槽）和中心高异常，而嵌入 / 底垫地幔柱场景则呈现宽环负异常围绕中心高异常的形态。随着模型演化至不活跃阶段，重力异常形态会发生反转，如沟槽对应的负异常转为正异常。
2. 不同分辨率下的观测对比
麦哲伦数据分辨率（球谐度数 70-90，对应 210-270 km）仅能捕捉重力异常的振幅，无法分辨精细结构；而 VERITAS 的高分辨率数据可揭示更复杂的重力信号形态。在 740 个冕状物中，麦哲伦数据仅能解析 75 个（1 个精细解析，74 个粗略解析），其中 52 个有正重力异常，表明活跃的地幔柱作用；17 个负异常，6 个无显著异常。通过拟合算法结合地形和重力数据，识别出不同冕状物对应的动力学场景，如 Eithinoha 和 Javine 等冕状物显示岩石圈回收特征，Pavlova 则与嵌入地幔柱场景吻合。
3. 潜在被掩盖的重力异常
部分冕状物（如 Demeter、Umay-Ene）虽有地形沟槽却无显著正重力异常，可能是麦哲伦低分辨率导致的信号掩盖。模型显示，高分辨率下这些冕状物中心应为正异常，但低通滤波使其呈现负异常，凸显了分辨率对数据解读的影响。
研究结论与讨论
本研究通过多学科方法整合，揭示了金星冕状物存在多样的地幔柱 - 岩石圈相互作用机制，约 70% 的可解析冕状物处于活跃状态，展示了金星内部持续的动力学活动。研究强调了重力数据在区分构造场景中的关键作用，并指出麦哲伦数据的局限性及 VERITAS 任务的重要性。未来高分辨率数据将助力解析更多冕状物的精细结构，验证模型预测，进一步揭示金星岩石圈演化、地幔对流模式及全球地质动力学 regime。这不仅深化了对金星 “非板块构造” 行星地质过程的理解，也为太阳系内其他行星的构造演化研究提供了重要参考，推动行星科学向更深入的维度迈进。
