2025年大學(xué)《地球物理學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——地球動(dòng)力學(xué)模型的建立與驗(yàn)證考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.地幔對(duì)流的直接驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于（）。A.地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科里奧利力B.地球內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能C.地球核心的磁場(chǎng)力D.板塊碰撞產(chǎn)生的彈性回彈力2.在地球動(dòng)力學(xué)模型中，采用球諧函數(shù)展開(kāi)的主要目的是（）。A.簡(jiǎn)化控制方程，忽略緯向變化B.將全球觀測(cè)數(shù)據(jù)局部化處理C.處理地球旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的離心力效應(yīng)D.將復(fù)雜的全球場(chǎng)分解為一系列正交的諧波分量以便分析3.下列哪種地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于約束地幔粘度結(jié)構(gòu)最為敏感？（）A.地震面波走時(shí)B.海底地磁條帶記錄C.全球重力異常圖D.大地測(cè)量衛(wèi)星軌道形變數(shù)據(jù)4.若要建立解釋熱點(diǎn)島弧體系的地球動(dòng)力學(xué)模型，通常需要引入（）。A.理想剛體旋轉(zhuǎn)模型B.地幔柱熱點(diǎn)模型C.球?qū)ΨQ(chēng)地幔對(duì)流模型D.板塊純滑模型5.在使用地震波速度數(shù)據(jù)驗(yàn)證地球動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，通常需要建立地震層析成像模型，該模型本質(zhì)上是在求解（）。A.地幔粘度分布B.地殼厚度變化C.地球內(nèi)部溫度結(jié)構(gòu)D.地震波傳播路徑的射線(xiàn)追蹤6.以下哪項(xiàng)不是地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬中常見(jiàn)的數(shù)學(xué)方法？（）A.有限差分法B.有限元法C.古老的錢(qián)包算法D.球諧函數(shù)展開(kāi)法7.地球自轉(zhuǎn)速度的變化（進(jìn)動(dòng)和章動(dòng)）對(duì)地幔對(duì)流模型的影響主要體現(xiàn)在（）。A.改變對(duì)流邊界條件B.增加模型控制方程的非線(xiàn)性行為C.引入額外的科里奧利參數(shù)D.直接決定對(duì)流細(xì)胞的形態(tài)8.在驗(yàn)證全球地殼形變模型時(shí)，常用的觀測(cè)數(shù)據(jù)不包括（）。A.GPS測(cè)量數(shù)據(jù)B.衛(wèi)星雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）數(shù)據(jù)C.海洋地磁測(cè)線(xiàn)數(shù)據(jù)D.歐洲衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）信號(hào)延遲數(shù)據(jù)9.下列關(guān)于地球動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證的描述，哪一項(xiàng)是錯(cuò)誤的？（）A.模型與觀測(cè)數(shù)據(jù)的吻合程度是衡量模型優(yōu)劣的唯一標(biāo)準(zhǔn)B.驗(yàn)證過(guò)程應(yīng)檢查模型能否合理復(fù)現(xiàn)主要觀測(cè)事實(shí)C.模型參數(shù)的不確定性會(huì)影響驗(yàn)證結(jié)果D.驗(yàn)證不僅包括數(shù)據(jù)擬合，還包括對(duì)模型物理機(jī)制的檢驗(yàn)10.板塊構(gòu)造理論中的“軟流圈”概念主要與（）密切相關(guān)。A.巖石圈的整體剛性B.上地幔的局部塑性C.地殼的化學(xué)成分D.古地磁極的位置二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題中橫線(xiàn)上）1.地球動(dòng)力學(xué)研究的核心目標(biāo)是理解地球______的長(zhǎng)期演變過(guò)程及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。2.建立地球動(dòng)力學(xué)模型的首要步驟通常是對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行______和______。3.地震波速度的橫向變化是約束地球內(nèi)部______結(jié)構(gòu)的重要信息來(lái)源。4.利用地?zé)崽荻葦?shù)據(jù)反演地幔熱結(jié)構(gòu)時(shí)，通常需要考慮熱量在地球內(nèi)部的______和______。5.地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的變化可以通過(guò)觀測(cè)______和______的變化來(lái)精確測(cè)定，這些信息可用于反演地幔質(zhì)量分布。6.地球動(dòng)力學(xué)模型中，地幔物質(zhì)的粘度通常被假設(shè)為溫度的______函數(shù)，且在高壓下具有______特性。7.板塊邊界處的俯沖過(guò)程對(duì)地幔對(duì)流的______和______具有重要影響。8.地球物理反演方法在地球動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證中的作用是利用觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)______或______模型中的關(guān)鍵參數(shù)。9.理解地球動(dòng)力學(xué)模型的不確定性來(lái)源，包括模型假設(shè)的______、參數(shù)估計(jì)的______以及觀測(cè)數(shù)據(jù)的______。10.有限元法是求解復(fù)雜幾何區(qū)域上偏微分方程的一種常用數(shù)值方法，它在地球動(dòng)力學(xué)模擬中可用于處理______邊界條件和______介質(zhì)。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述地幔對(duì)流的基本機(jī)制及其對(duì)地表地質(zhì)現(xiàn)象的主要控制作用。2.解釋什么是地球動(dòng)力學(xué)模型的“參數(shù)化”？并舉例說(shuō)明一個(gè)地球動(dòng)力學(xué)模型中可能包含的關(guān)鍵參數(shù)及其物理意義。3.簡(jiǎn)述地震層析成像技術(shù)在地球動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證中的應(yīng)用原理。4.描述建立全球尺度地幔對(duì)流模型時(shí)，需要考慮的主要物理守恒律。四、計(jì)算題（共20分）假設(shè)一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)地幔對(duì)流模型，地幔被視為牛頓流體，在地球半徑R處受到均勻熱流Q的冷卻，在地核邊界r=R處受到均勻熱源。地幔粘度η隨溫度T的變化關(guān)系為η(T)=η0*exp(-Q_v/(kT))，其中η0為參考溫度T0下的粘度，Q_v為活化能，k為玻爾茲曼常數(shù)?？刂品匠虨闊醾鲗?dǎo)方程和納維-斯托克斯方程的簡(jiǎn)化形式：?T/?t=α?2T-q/ρc_p??(η(r)?2v)=-ρ(r)g(r)其中α為熱擴(kuò)散系數(shù)，q為內(nèi)部熱產(chǎn)率，ρ為密度，c_p為比熱容，v為速度矢量，g(r)為徑向引力加速度。假設(shè)在穩(wěn)態(tài)條件下(?T/?t=0,?v/?t=0)，且垂直方向速度v_r=0，徑向溫度分布T(r)和徑向速度v_r(r)僅隨半徑r變化。請(qǐng)推導(dǎo)出徑向速度v_r(r)的表達(dá)式，并簡(jiǎn)要說(shuō)明其物理意義。（提示：穩(wěn)態(tài)條件下，徑向動(dòng)量方程簡(jiǎn)化為徑向分量，且熱傳導(dǎo)與內(nèi)部熱產(chǎn)率、熱源達(dá)到平衡）五、論述題（共20分）假設(shè)你獲得了一份區(qū)域地震層析成像結(jié)果，顯示該區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)顯著的高波速異常區(qū)，位于軟流圈之上。請(qǐng)結(jié)合地球動(dòng)力學(xué)知識(shí)，分析可能導(dǎo)致該高波速異常區(qū)形成的幾種主要地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制，并針對(duì)每一種機(jī)制，提出至少兩種可以利用的地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證或進(jìn)一步約束，簡(jiǎn)述其驗(yàn)證思路。試卷答案一、選擇題1.B2.D3.A4.B5.C6.C7.A8.C9.A10.B二、填空題1.內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)過(guò)程2.簡(jiǎn)化；抽象3.密度/物質(zhì)分布4.儲(chǔ)存；耗散（或傳導(dǎo)）5.地震面波；超長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量（VLBI）6.函數(shù)；隨深度增加而增大（或隨壓力增加而增大）7.對(duì)流模式；能量分布8.估計(jì)；約束9.不確定性；誤差；質(zhì)量/空間/時(shí)間分辨率10.邊界；不均勻三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：首先闡述地幔對(duì)流是熱物質(zhì)在地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力是地核與地表的熱力差。然后說(shuō)明其對(duì)流形式可能是柱狀對(duì)流單元或環(huán)狀對(duì)流單元。最后，說(shuō)明其對(duì)地表的控制作用，例如：驅(qū)動(dòng)板塊運(yùn)動(dòng)、形成火山活動(dòng)帶、引起地震活動(dòng)帶、塑造大陸與海洋格局。2.解析思路：首先解釋參數(shù)化是將連續(xù)的物理量或復(fù)雜的物理過(guò)程用有限個(gè)離散的參數(shù)或簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)近似表示的過(guò)程。然后舉例，如在一個(gè)地幔對(duì)流模型中，地幔粘度η可能被參數(shù)化為溫度T的函數(shù)η(T)=η0*exp(-Q_v/(kT))，這里的η0、Q_v、k就是參數(shù)；或者地幔密度ρ可能被參數(shù)化為溫度T和壓力P的函數(shù)。說(shuō)明這些參數(shù)代表了模型中無(wú)法直接求解的物理量或過(guò)程。3.解析思路：首先說(shuō)明地震層析成像通過(guò)分析地震波在地下的傳播速度差異來(lái)成像地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然后解釋在地球動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證中，可以將模型預(yù)測(cè)的波速結(jié)構(gòu)作為輸入，計(jì)算理論地震道；再將實(shí)際觀測(cè)到的地震道與理論地震道進(jìn)行對(duì)比（如擬合優(yōu)度檢驗(yàn)），以此評(píng)估模型的準(zhǔn)確性。重點(diǎn)在于模型預(yù)測(cè)的波速結(jié)構(gòu)是驗(yàn)證的基礎(chǔ)，觀測(cè)到的地震道是驗(yàn)證的依據(jù)。4.解析思路：說(shuō)明建立全球尺度地幔對(duì)流模型時(shí)，需要遵循物理學(xué)的基本守恒定律。主要包括：質(zhì)量守恒定律（對(duì)于流體，即連續(xù)性方程）；動(dòng)量守恒定律（對(duì)于流體，即納維-斯托克斯方程）；能量守恒定律（熱傳導(dǎo)方程）；角動(dòng)量守恒定律（對(duì)于旋轉(zhuǎn)地球模型）；以及有時(shí)考慮的熵守恒或熱力學(xué)定律。四、計(jì)算題v_r(r)=(Q/(4πηα))*[(R^3-r^3)/r]*[(ρg(r)/α)-q/(ηα)]^(1/2)（假設(shè)g(r)和q(r)關(guān)系已知或可簡(jiǎn)化處理）解析思路：1.寫(xiě)出穩(wěn)態(tài)下的熱傳導(dǎo)方程和徑向動(dòng)量方程。2.由于對(duì)稱(chēng)性和假設(shè)，徑向速度v_r只與r有關(guān)，溫度T也只與r有關(guān)。3.對(duì)熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行積分（從r到R），利用穩(wěn)態(tài)條件和邊界條件（r=R處熱流Q，r=R處熱源），得到內(nèi)部熱產(chǎn)率q與r的關(guān)系：q(r)=Q*(R^3-r^3)/(πR^4)。4.將q(r)代入徑向動(dòng)量方程，得到包含η(r)和g(r)的方程。5.假設(shè)引力加速度g(r)近似為常數(shù)或已知函數(shù)，并且粘度η(r)已知（如題目給定的函數(shù)形式）。6.對(duì)徑向動(dòng)量方程進(jìn)行積分（從r到R），求解徑向速度v_r(r)。注意積分過(guò)程中可能涉及對(duì)η(r)的積分，對(duì)于給定的指數(shù)型粘度函數(shù)，積分是可解的。7.最終得到v_r(r)的表達(dá)式，其中包含已知常數(shù)和函數(shù)（R,Q,η0,Q_v,k,α,ρ,c_p,g常數(shù)）以及待定或已知的r依賴(lài)項(xiàng)（如g(r)）。8.簡(jiǎn)要說(shuō)明物理意義：徑向速度表示地幔物質(zhì)垂直于地球表面的上升或下降運(yùn)動(dòng)，其大小和方向取決于熱力梯度、粘度分布和引力場(chǎng)。正速度表示上升，負(fù)速度表示下降。五、論述題解析思路：針對(duì)高波速異常區(qū)，分析可能的形成機(jī)制：1.地幔柱/熱點(diǎn)：解釋地幔柱是來(lái)自地幔深部或核心-地幔邊界的熱、低密度物質(zhì)上升形成的柱狀體，其高溫使其粘度降低，可能攜帶地幔物質(zhì)甚至地核物質(zhì)到達(dá)軟流圈以上，形成高波速異常區(qū)。驗(yàn)證方法：利用衛(wèi)星測(cè)地技術(shù)（GPS,INSA,GRACE）觀測(cè)到的地表形變數(shù)據(jù)，推斷地幔柱下方是否存在地幔隆起；利用地震層析成像在該區(qū)域下方是否存在低波速異常（地幔柱內(nèi)部可能較冷或含有熔體）；利用地球重力場(chǎng)數(shù)據(jù)，地幔柱可能引起局部重力低異常。思路是結(jié)合多種地球物理觀測(cè)手段相互印證。2.地幔部分熔融：解釋軟流圈上部的局部高溫或水/熔體富集可能導(dǎo)致部分熔融，形成的熔體相（巖漿）具有比地幔橄欖石基質(zhì)更低的密度和更高的波速（特別是P波）。高波速異?？赡芊从硽埩舻母患V物相（如榴輝巖）或過(guò)冷熔體邊界。驗(yàn)證方法：利用地震波速各向異性數(shù)據(jù)，部分熔融區(qū)域通常表現(xiàn)出特定的各向異性模式；利用地震體波分岔現(xiàn)象，在特定條件下可能揭示熔體相的存在；利用地表化學(xué)元素異常（如鉀、鈾、釷含量高）或同位素組成異常，指示上地幔存在熔融。思路是尋找與部分熔融相關(guān)的地球物理（波速、各向異性）和地球化學(xué)證據(jù)。3.變質(zhì)作用/礦物相變：解釋在某些高壓高溫條件下，地幔巖石發(fā)生顯著的變質(zhì)作用，形成新的礦物相（如榴輝巖相），這些礦物相的聲波速度（特別是P波速度）可能顯著高于其原始的橄欖石/輝石相。驗(yàn)證方法：通過(guò)巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)確定特定變質(zhì)礦物相的聲波速度；利用地震反射/折射數(shù)據(jù)，如果高波速異常與特定的地質(zhì)構(gòu)造（如俯沖帶）相關(guān)，可能暗示了深部變質(zhì)作用；利用地震層析成像中的