近期，中国科学院上海天文台研究团队在水星岩石圈结构与热动力学演化研究中取得重要进展，通过新的岩石圈力学模型，利用数值模拟的方法，获得了与观测相符合的逆断层相关构造的横断面，揭示了水星北部火山平原下覆地壳存在分层及高应变率区域。该研究成果提出的岩石圈分层模型及结果可作为基本输入条件影响其他相关水星岩石圈热动力学演化的研究。相关研究成果于8月25日发表在行星科学领域期刊《Icarus》上。
水星是太阳系中距离太阳最近也是被探测次数最少的行星，对水星的研究有助于了解太阳系早期演化历史。逆断层相关构造（thrust fault-related landforms）广泛分布于水星表面，通常被认为是水星长期冷却和全球径向收缩导致的岩石圈变形破裂，记录了水星演化历史[1-2]。北部火山平原是水星上最大的单一火山平原，它的形成历经了多次小天体撞击以及火山活动事件[3]。在北部火山平原发现的逆断层相关构造的形态相较于其他地区的构造更加矮小，反映出该地区下覆岩石圈结构和热动力学状态更加复杂[4]。
长期以来，逆断层相关构造形成的研究遵循一般的岩石圈破裂理论，并在此基础上发展出将水星岩石圈划分为脆性-韧性的二元力学模型[5]。此模型通常假设地壳均为脆性变形，逆断层贯穿整个地壳，直至岩石圈中发生韧性变形的深度。但二元力学结构模型并不能很好解释水星北部火山平原发现的逆断层相关构造的形态特征。通过形态和建模分析，目前相关领域学者普遍认为该地区发现的逆断层相关构造的变形模式可归类为浅源形变（thin-rooted deformation），表明其形成于浅层地壳中，很难贯穿整个地壳，由此反映出在地壳存在分层及高应变率区域[2,4]。
为此，中国科学院上海天文台、中国科学院行星科学重点实验室有关团队基于水星岩石圈逆断层形成机制，从热动力学理论及模型的角度研究了水星北部火山平原逆断层相关构造的形成过程。研究团队通过引入新的岩石圈破裂准则，将水星岩石圈的力学结构从脆性-韧性二元结构拓展到脆性-半脆性-韧性三元结构，在水星全球演化模型的支持下，利用二维数值计算模拟水星岩石圈收缩过程，在浅层地壳中得到了稳定的高应变率区域（图1）以及在地质时间尺度上得到了与观测相符合的逆断层相关构造的横断面（图2）。和以往的工作相比，本次研究由科研团队提出的新模型能够满足浅源形变所要求的地壳分层以及高应变率区域，完善了水星岩石圈力学结构模型。
论文的第一作者，来自上海天文台的博士研究生谢景椿表示：“本次研究使用了新的岩石圈力学模型，并且我们使用结果自洽的水星一维全球演化模型的结果作为二维数值模拟的输入条件。通过模拟，在地质时间尺度上得到了与观测相符合的构造横断面，这个结果显示出新模型的可靠性。”同时，论文的通讯作者黄乘利研究员表示：“我们认为，行星内部结构模型是一切行星动力学行为的基础和出发点，本工作的意义在于提出的岩石圈分层新模型及结果可作为基本输入条件影响到其他关于水星岩石圈热动力学演化的研究中。”
本工作得到了国家自然科学基金和中国科学院行星科学重点实验室的资助。
图1 偏应变率张量第二不变量数值模拟结果，A区域红色部分代表浅层地壳中的高应变率区域，模拟时间持续七千万年。
图2 逆断层相关构造横断面数值模拟结果，右上插图为相关构造实测横断面图。
参考文献：
[1] Byrne P K, Klimczak C, Celal ？eng？r A M, et al. Mercury’s global contraction much greater than earlier estimates[J]. Nature Geoscience, 2014, 7(4): 301-307.
[2] Solomon S C, Nittler L R, Anderson B J. Mercury: The view after MESSENGER[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2018.
[3] Denevi B W, Ernst C M, Meyer H M, et al. The distribution and origin of smooth plains on Mercury[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2013, 118(5): 891-907.
[4] Crane K T, Klimczak C. Tectonic patterns of shortening landforms in Mercury's northern smooth plains[J]. Icarus, 2019, 317: 66-80.
[5] Nimmo F, Watters T R. Depth of faulting on Mercury: Implications for heat flux and crustal and effective elastic thickness[J]. Geophysical research letters, 2004, 31(2).
科学联系人：
谢景椿，中国科学院上海天文台，xiejingchun@shao.ac.cn
黄乘利，中国科学院上海天文台，clhuang@shao.ac.cn
