Геофизические исследования: статья

НАГРУЗОЧНЫЕ ЧИСЛА ЛЯВА ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ НЕОДНОРОДНОЙ УПРУГОСТИ ВЕНЕРЫ
Т.И. Менщикова
Т.В. Гудкова
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия
Журнал: Геофизические исследования
Том: 22
Номер: 4
Год: 2021
Страницы: 24-42
УДК: 523.42; 550.3
DOI: 10.21455/gr2021.4-2
Ключевые слова: гравитационное поле, топография, нагрузочные числа Лява, модели неоднородной упругости, Венера.
Аннотация: Рассчитаны нагрузочные числа Лява для различных моделей неоднородной упругости Венеры, используя статический подход для нагрузки на поверхности (рельеф планеты) и для заглубленных аномальных волн плотности. Планета моделировалась как упругое самогравитирующее тело с зависящими от радиуса плотностью, модулем сжатия и модулем сдвига. Вычисления проводились для каждой гармоники до степени и порядка n=70, исходя из точности определения гравитационного поля на данный момент. В статье рассматрено три модели неоднородной упругости Венеры. Первой анализи ровалась чисто упругая модель (модель А). Вторая модель (модель В) предполагала наличие упругой литосферы, под которой был введен простирающийся до ядра ослабленный слой, частично потерявший свои упругие свойства. Ослабление в этом слое моделировалось пониженным в десять раз значением модуля сдвига. Толщина упругого литосферного слоя варьировалась от 100 до 500 км. В третьей модели (модели С) в ослабленном слое под корой задавалось градиентное изменение модуля сдвига – пониженное в десять раз значение модуля сдвига непосредственно под корой постепенно увеличивалось до его значения в упругой модели на границе с ядром. На основе описанных моделей проведена интерпретация аномального внешнего гравитационного поля. Показано, что нагрузочные числа чувствительны к реологическому строению планеты и это может быть использовано при выборе между моделями неоднородной упругости Венеры. Построена карта рельефа границы кора-мантия, рассчитанная в предположении изостатической компенсации. Полученные значения толщины коры могут быть несколько меньше реальных, так как в работе не учтена компонента динамической компенсации.
Список литературы: Гудкова Т.В., Жарков В.Н. Модели внутреннего строения землеподобной Венеры // Астрономический вестник. 2020. Т. 54, No 1. С.24–32.

Жарков В.Н., Гудкова Т.В. О параметрах землеподобной модели Венеры // Астрономический вестник. 2019. Т. 53, No 1. С.3–6.

Жарков В.Н., Марченков К.И. О корреляции касательных напряжениях в литосфере Венеры с поверхностными структурами // Астрономический вестник. 1987. Т. 21, No 2. С.170–175.

Жарков В.Н., Марченков К.И., Любимов В.М. О длинноволновых касательных напряжениях в литосфере и мантии Венеры // Астрономический вестник. 1986. Т. 20, No 3. С.202–211.

Марченков К.И., Жарков В.Н. О рельефе границы кора–мантия и напряжениях растяжения-сжатия в коре Венеры // Письма в Астрономический журнал. 1989. Т. 15, No 2. С.182–190.

Марченков К.И., Любимов В.М., Жарков В.Н. Расчет нагрузочных коэффициентов для заглубленных аномалий плотности // Докл. АН СССР. 1984. Т. 279, No 3. С.583–586.

Менщикова Т.И., Гудкова Т.В., Жарков В.Н. Анализ данных топографии и гравитационного поля землеподобной Венеры // Астрономический вестник. 2021. Т. 55, No 1. С.13–21.

Anderson F.S., Smrekar S.E. Global mapping of crustal and lithospheric thickness on Venus // Journal of Geophysical Research: Planets. 2006. V. 111, Issue E8. DOI: 10.1029/2004JE002395

Barnett D.N., Nimmo F., McKenzie D. Elastic thickness estimates for Venus using line of sight accelerations from Magellan cycle // Icarus. 2000. V. 146. P.404–419.

Basilevsky A.T. Age of rifting and associated volcanism in Atla Regio, Venus // Geophys. Res. Lett. 1993. V 20, N 10. P.883–886. DOI: 10.1029/93GL00736.

Benesova N., Cizkova H. Geoid and topography of Venus in various thermal convection models // Stud. Geophys. Geod. 2012. V. 56. P.621–629.

Breuer D., Moore W.B. Dynamics and Thermal History of the Terrestrial Planets, the Moon, and Io // Planets and Moons. Treatise of Geophysics. 2007. V. 10. P. 299–348.

Dumoulin C., Tobie G., Verhoeven O., Rambaux N. Tidal constraints on the interior of Venus // J. Geophys. Res.: Planets. 2017. V. 122, N 6. P.1338–1352. DOI: 10.1002/ 2016JE005249

Falloon T.J., Green D.H. The solidus of carbonated, fertile peridotite // Earth and Planetary Science Letters. 1989. V 94, N 3-4. P.364–370. DOI: 10.1016/0012-821X(89)90153-2

Ghail R. Rheological and petrological implications for a stagnant lid regime on Venus // Planetary and Space Science. 2015. V. 113-114. P.2–9.

Ghail R.C., Hall D., Mason P.J., Herrick R.R., Carter L.M., Williams E. VenSAR on EnVision: Taking earth observation radar to Venus // International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 2018. V. 64. P.365–376.

Grimm R.E., Solomon S.C. Viscous relaxation of impact crater relief on Venus: constraints on crustal thickness and thermal gradient // J. Geophys. Res.: Solid Earth. 1988. V. 93, Issue B10. P.11911–11929.

Grimm R.E. The deep structure of Venusian plateau highlands // Icarus. 1994. V. 112, N 1. P.89–103.

Hansen V.L., Banks B.K., Ghent R.R. Tessera terrain and crustal plateaus. Venus // Geology. 1999. V. 27, N 12. P.1071–1074. DOI: 10.1130/0091-7613(1999)

Head J.W. Processes of crustal formation and evolution on Venus: An analysis of topography, hypsometry, and crustal thickness variations // Earth, Moon and Planets. 1990. V. 50. P.25–55. DOI 10.1007/BF00142388

Huang J., Yang A., Zhong S. Constraints of the topography, gravity and volcanism on Venusian mantle dynamics and generation of plate tectonics // Earth and Planetary Science Letters. 2013. V. 362. P.207–214.

Ivanov M.A., Head J.W. Global geological map of Venus // Planetary and Space Science. 2011. V. 59, N 13. P.1559–1600.

Ito K., Kennedy G.C. An experimental study of the basalt-garnet granulite-eclogite transition // The Structure and Physical Properties of the Earth’s Crust. 1971. V. 14. P.303–314.

James P., Zuber M., Phillips R. Crustal thickness and support of topography on Venus // J. Geophys. Res.: Planets. 2013. V. 118, N 4. P.859–875.

Jimenez-Dìaz A., Ruiz J., Kirby J.F., Romeo I., Tejero R., Capote R. Lithopsheric structure of Venus from gravity and topography // Icarus. 2005. V. 260. P.215–231.

Kiefer W.S., Hager B.H. Mantle downwelling and crustal convergence: A model for Ishtar Terra, Venus // J. Geophys. Res.: Planets. 1991. V. 96, Issue E4. P.20967–20980.

Kiefer W.S., Hager B.H. Geoid anomalies and dynamic topography from convection in cylindrical geometry: Applications to mantle plumes on Earth and Venus // Geophysical Journal International.

1992. V. 108, N 1. P.198–214.

Kiefer W.S., Richards M.A., Hager B.H., Bills B.G. A dynamic model of Venus gravity field // Geophys. Res. Lett. 1986. V. 13, N 1. P.14–17.

Komjathy A., Didion A., Sutin B., Nakazono B., Karp A., Wallace M., Lantoine G., Krishnamoorthy S., Rud M., Cutts J., Makela J., Grawe M., Lognonne P., Kenda B., Drilleau M., Helbert J. Remote sensing of seismic activity on Venus using a small spacecraft initial modeling results // 49th Lunar and Planetary Science Conference. 2018. N 2083. id.1731

Konopliv A.S., Sjogren W.L.Venus spherical harmonic gravity model to degree and order 60 // Icarus. 1994. V. 112, N 1. P.42–54. DOI: 10.1006/icar.1994.1169

Konopliv A.S., Banerdt W.B., Sjogren W.L. Venus gravity: 180th degree and order model // Icarus. 1999. V. 139, N 1. P.3–18.

Kremic T., Ghail R., Gilmore M., Hunter G., Kiefer W., Limaye S., Pauken M., Tolbert C., Wilson C. Long-duration Venus lander for seismic and atmospheric science // Planetary and Space Science.

2020. V. 190. P.10496.

Kucinskas A.B., Turcotte D.L. Isostatic compensation of equatorial highlands on Venus // Icarus. 1994. V. 112, N 1. P.104–116.

McKenzie D. The relationship between topography and gravity on Earth and Venus // Icarus. 1994. V. 112, N 1. P.55–88.

Moresi L., Parsons B. Interpreting gravity, geoid, and topography for convection with temperature dependent viscosity: Application to surface features on Venus // J. Geophys. Res.: Planets. 1995. V. 100, Issue E10. P.21155–21171.

Moore W.B., Schubert G. Lithospheric thickness and mantle lithosphere density contrast beneath Beta Regio, Venus // Geophys. Res. Lett. 1995. V. 22, N 4. P.429–432.

Moore W.B., Schubert G. Venusian crustal and lithospheric properties from nonlinear regression of highland geoid and topography // Icarus. 1997. V. 128, N 2. P.415–428.

Morgan P., Phillips R.J. Hot spot heat transfer: Its application to Venus and implications to Venus and Earth // J. Geophys. Res.: Solid Earth, 1983. V. 88, Issue B10. P. 8145–8349.

Nimmo F., McKenzie D. Modelling plume-related uplift, gravity and melting on Venus // Earth Planet Sci. Lett. 1996. V. 145, N 1-4. P.109–123.

Nimmo F., McKenzie D. Volcanism and tectonics on Venus // Annu. Rev. Earth Planet Sci. 1998. V. 26. P.23–51.

O’Rourke J.G., Korenaga J. Thermal evolution of Venus with argon degassing // Icarus. 2015. V. 260. P.128–140.

Orth C., Solomatov V. The isostatic stagnant lid approximation and global variations in the Venusian lithosphere // Geochem. Geophys. Geosyst. 2011. V. 12, Issue 7.

Orth C.P., Solomatov V.S. Constraints on the Venusian crustal thickness variations in the isostatic stagnant lid approximation // Geochem. Geophys. Geosyst. 2012. V. 13, Issue 11. doi:10.1029/2012GC004377

Parmentier E.M., Hess P.C. Chemical differentiation of a convecting planetary interior: Consequences for a one plate planet such as Venus // Geophys. Res. Lett. 1992. V. 19, N 20. P.2015–2018.

Pauer M., Fleming K., Cadek O. Modeling thedynamic component of the geoid and topography of Venus // J. Geophys. Res.: Planets. 2006. V. 111, Issue E11. doi: 10.1029/2005JE002511

Phillips R.J. Estimating lithospheric properties of Atla Regio, Venus // Icarus. 1994. V. 112, N 1. P.147–170.

Phillips R.J., Lambeck K. Gravity fields of the terrestrial planets: long-wavelength anomalies and tectonics // Reviews of Geophysics. 1980. V. 18, N 1. P.27–76.

Phillips R.J., Kaula W.M., McGill G.E., Malin M.C. Tectonics and evolution of Venus // Science. 1981. V. 212, N 4497. P.879–887.

Phillips R.J., Johnson C.L., Mackwell S.J., Morgan P., Sandwell D.T., Zuber M.T. Lithospheric mechanics and dynamics of Venus // Venus II. Tucson: Univ. of Ariz. Press, 1997. P.1163–1204.

Price M., Suppe J. Mean age of rifting and volcanism on Venus deduced from impact crater densities // Nature. 1994. V. 372. P.756–759.

Rappaport N.J., Konopliv A.S., Kucinskas A.B. Animproved 360 degree and order model of Venus topography // Icarus. 1999. V. 139, N 1. P.19–31.

Reese C.C., Solomatov V.S., Orth C.P. Mechanisms for cessation of magmatic resurfacing on Venus // J. Geophys. Res.: Planets. 2007. V. 112, Issue E4. doi: 10.1029/2006JE002782

Ringwood A.E. Some aspects of the minor element chemistry of lunar mare basalts // The Moon. 1975. V. 12. P.127–157.

Rolf T., Steinberger B., Sruthi U., Werner S.C. Inferences on the mantle viscosity structure and the post-overturn evolutionary state of Venus // Icarus. 2018. V. 313. P.107–123.

Rosenblatt P., Dumoulin C., Marty J.C., Genova A. Determination of Venus’ interior structure with EnVision // Remote Sens. 2021. V. 13, N 9. P.1624. Doi: 10.3390/rs13091624

Shalygin E.V., Markiewicz W.J., Basilevsky A.T., Titov D.V., Ignatiev N.I., Head J.W. Active volcanism on Venus in the Ganiki Chasma rift zone // Geophys. Res. Lett. 2015. V. 42, Issue 12. P.4762–4769. doi: 10.1002/2015GL064088

Simons M., Hager B.H., Solomon S.C. Global variations in geoid/topography admittances of Venus // Science. 1994. V. 256, N 5160. P.798–803.

Simons M., Solomon S.C., Hager B.H. Localization of gravity and topography: Constraints on the tectonics and mantle dynamics of Venus // Geophys. J. Int. 1997. V. 131, Issue 1. P.24–44.

Smrekar S.E. Evidence for active hotspots on Venus from analysis of Magellan gravity data // Icarus. 1994. V. 112, N 1. P.2–26.

Smrekar S.E., Stofan E.R., Mueller N., Treiman A., Elkins-Tanton L., Helbert J., Piccioni G., Drossart P. Recent hotspot volcanism on Venus from VIRTIS emissivity data // Science. 2010. V. 328, N 5978. P.605–608.

Smrekar S., Sotin C. Constraints on mantle plumes on Venus: implications for volatile history // Icarus. 2012. V. 217, N 2. P.510–523.

Smrekar S.E., Phillips R.J. Venusian highlands: Geoid to topography ratios and their implications // Earth Planet. Sci. Lett. 1991. V. 107, N 3-4. P.582–597.

Solomatov V.S., Moresi L.N. Stagnant lid convection on Venus // J. Geophys. Res.: Planets, 1996. V. 101, Issue E2. P.4737-4753.

Solomon S.C. The geophysics of Venus // Phys. Today. 1993. V. 46, N 7. P.48–55.

Spohn T. Mantle differentiation and thermal evolution of Mars, Mercury, and Venus // Icarus. 1991. V. 90, N 2. P.222–236.

Steinberger B., Werner S., Torsvik T. Deep versus shallow origin of gravity anomalies, topography and volcanism on Earth, Venus and Mars // Icarus. 2010. V. 207, N 2. P.564–577.

Stofan E.R., Smrekar S.E., Bindschadler D.L., Senske D.A. Large topographic rises on Venus: Implications for mantle upwelling // J. Geophys. Res.: Planets. 1995. V. 100, Issue E11. P.23317–23327. doi: 10.1029/95JE01834

Stoddard P.R., Jurdy D.M. Topographic comparisons of uplift features on Venus and Earth: Implications for Venus tectonics // Icarus. 2012. V. 217, N 2. P.524–533.

Turcotte D.L. An episodi c hypothesis for V enusian tectonics // J. Geophys. Res.: Planets. 1993. V. 98, Issue E9. P.17061–17068.

Vezolainen A.V., Solomatov V.S., Basilevsky A.T., Head J.W. Uplift of Beta Regio: Three-dimensional models // J. Geophys. Res.: Planets. 2004. V. 109, Issue E8. doi: 10.1029/2004JE002259

Watts A.B., Zhong S. Observations of flexure and the rheology of oceanic lithosphere // Geophys. J. Int. 2000. V. 142, N 3. P.855–875.

Wieczorek M.A. Gravity and topography of the terrestrial planets // Treatise on geophysics. Planets and Moons / Ed. T. Spohn. Amsterdam: Elsevier, 2015. V. 10. P.153–193.

Xiao C., Li F., Yan J.G., Hao W.F., Harada Y., Ye M., Barriot J.P. Inversion of Venus internal structure based on geodetic data // Research in Astronomy and Astrophysics. 2020. V. 20, N 8. 15 p.

Yang A., Huang J., Wei D. Separation of dynamic and isostatic components of the Venusian gravity and topography and determination of the crustal thickness of Venus // Planetary and Space Science. 2016. V. 129. P.24–31.

Zampa L.S., Tenzer R., Eshagh M., Pitonak M. Evidence of mantle upwelling / downwelling and localized subduction on Venus from the body-force vector analysis // Planetary and Space Science. 2018. V.157. P.48–62.

Zharkov V.N. Gravity field, loading coefficients, anomalous density waves and the case of long waves // Venus geology, geochemistry and Geophysics research results from the USSR. Tucson: University of Arizona Press, 1992. P.218–227.

Zharkov V.N., Solomatov V.S. Models of the thermal evolution of Venus // Venus geology, geochemistry and Geophysics research results from the USSR. Tucson: University of Arizona Press, 1992. P.280–319.