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【前沿报道】Nature Astronomy:谷神星上的冰火山一直在活跃
2018-10-17 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  与类地行星上喷发硅酸盐岩浆的火山作用不同,含冰天体上的冰火山喷发液态或气态的水或甲烷等。目前,在太阳系内多个天体上都已发现了冰火山活动的痕迹。对冰火山的研究有助于我们了解含冰天体的演化历史,从而更好的了解太阳系的起源和行星的演化。 

  2015年,美国国家航空航天局(NASA)的“黎明”号探测器入轨谷神星——小行星带中的一颗矮行星,并发现了一座圆拱型山峰,这座名为阿胡纳火山(Ahuna Mons)的山峰被认为是一座冰火山(图1)。不过从那以后,谷神星上再未发现过类似构造的物体,因此该冰火山也被称作孤山(lonely mountain)。阿胡纳火山的“孤独”必然是由谷神星上的地质运动造成的。此后多个研究小组对阿胡纳火山的生命周期进行了研究(e.g., Ruesch et al., 2016)。他们普遍猜测冰火山比谷神星上的冰地壳要软,在重力作用下,粘性松弛会使冰火山逐渐变得扁平,并最终于与周围地形融为一体而难以分辨(Sori et al., 2017)。 

图1 阿胡纳火山——谷神星上的“孤独之山”,垂向高度放大了2倍(来源:NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA)

  918日,Nature Astronomy杂志发表了由Michael M. Sori等人发表的研究论文《》,他们基于这种猜测,分析了由“黎明”号拍摄的谷神星的地表图片,找到了除阿胡纳火山外可能曾是冰火山的21个圆拱,并分析了这些圆拱的高宽比。他们将实验室所得的冰的流变方程(Goldsby and Kohlstedt, 2001; Durham et al., 2009)代入到有限元数值模拟中,估算出了所有圆拱的年龄(图2)。他们发现在过去的约10亿年里,谷神星大约每50 Myr就有新的冰火山出现,“冰岩浆”的平均上涌速率约为104 m3/yr,比地球低5个数量级,比火星低3个数量级。尽管比类地行星低了多个数量级,但是始终活跃的火山作用对谷神星的演化历史有着重要作用。 

2 a21个圆拱的高宽比与阿胡纳火山的比较,以及模拟不同年龄的圆拱高宽比;(b)包括阿胡纳火山在内的22个圆拱的年龄分布柱状图(Sori et al., 2018 

  对太阳系内含冰天体的研究十分依赖于对冰的流变学和物理学性质的实验室测定。Sori等人的文章对冰火山年龄的估算基于实验室得到的(含岩石杂质)冰的流变方程,采用的是被学界广泛接受的Durham et al.1992)的实验研究结果,并将其应用在了位错蠕变(dislocation creep)和晶界滑移(grain boundary sliding)两种变形机制中。没有准确的实验室数据,就没有准确的基于物性的数值模拟。澳门葡京平台地球与行星物理实验室綦超副研究员等人的最新实验表明(under review),在不同的变形机制下,岩石杂质对冰的流变的影响是不同的,这意味着谷神星冰地壳可能含有超过90%的冰,使冰火山较软这一假设更有可能。  

    

  【相关参考文献

  1. Durham, W B, Kirby S H, Stern L A. Effects of dispersed particulates on the rheology of water ice at planetary conditions[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 1992, 97.E12: 20883-20897. () 
  2. Durham W B, Pathare A V, Stern L A, et al. Mobility of icy sand packs, with application to Martian permafrost[J]. Geophysical Research Letters, 2009, 36(23). DOI10.1029/2009GL040392 . 
  3. Goldsby D L, Kohlstedt D L. Superplastic deformation of ice: Experimental observations[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2001, 106(B6): 11017-11030.
  4. Qi C, Stern L A, Pathare A, et al. Inhibition of grain boundary sliding in fine-grained ice by inter-granular particles: Implications for planetary ice masses. Geophysical Research Letters (under review).
  5. Ruesch O, Platz T, Schenk P, et al. Cryovolcanism on Ceres[J]. Science, 2016, 353(6303): aaf4286. 
  6. Sori M M, Byrne S, Bland M T, et al. The vanishing cryovolcanoes of Ceres[J]. Geophysical Research Letters, 2017, 44(3): 1243-1250. 
  7. Sori M M, Sizemore H G, Byrne S, et al. Cryovolcanic rates on Ceres revealed by topography[J]. Nature Astronomy, 2018. 

    

  (撰稿:綦超/地球与行星室)

 
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