Re: [問題] 行星上的地質活動… - 地球科學討論

※ [本文轉錄自 sky 看板 #1D8NFHdA ]

作者: zac37 (XD) 看板: sky
標題: Re: [問題] 行星上的地質活動…
時間: Mon Jan 3 14:59:25 2011

※ 引述《arkdj (洢斷)》之銘言：
: 如題…
: 我們都知道地球上有活躍的地質活動…
: 形成各式各樣的地形…
: 褶皺山脈、海溝、火山、裂谷…等…
: 但目前科學已知地殼活動較劇烈的似乎只有地球及木衛一埃歐上才有…
: 其他星球上或許無法證實有無火山運動…
: 但火星及金星上甚至連"板塊運動"都沒有…
: 造就成地殼下的"熱點"不斷往上堆積火成岩…
: 形成著名的奧林帕斯火山(高度21229m)…
: 火星上有和地球相似的地質條件(地核、地函、地殼)…
: 雖成份不同…但行星的"內熱"均存在…
: 小弟不懂為何其他星球上的地質活動似乎停滯在數億年前…
: 有請版上高手解惑…


小弟我目前在美國唸研究所，論文是做行星地質學相關，剛好又修了一些行星地質學的

課，所以嘗試回答這個問題… 也是我第一次在這邊發文 請多多指教



地球是太陽系中唯一有板塊運動(Plate Tectonics)的行星，且板塊運動現在也持續運行

中，所以造成地球上現在有隱沒帶(subduction zone): 將較老的板塊消滅，也有中洋脊

-- 產生新的地殼，同時有地函熱柱上升(mantle plume): 熱點(hot sopt)及火山活動，板

塊互相擠壓碰撞，造山運動，地形上又有河流侵蝕或風蝕作用，形成非常多樣化的地貌結

構，像是褶皺山脈、海溝、火山、裂谷等。



想要了解為何在太陽系中，只有地球有板塊運動，可以運用比較行星學的觀念

(Comparative Planetology) 來解答，我們將地球的物理及化學特性與其他行星來作比較

，像是行星大小，質量，密度，內部構造，成份，行星與太陽間的距離，還有行星形成的

歷史，每顆行星都有著獨一無二的歷史。



地球的板塊運動

板塊在塑性(plastic)的軟流圈上移動，由地函熱柱(mantle plume)上升及下降，產生對

流，進而驅動板塊移動，所以從我們所居住的地球可以了解，在行星上假如要有板塊運動

，就需要下列條件存在: (1)塑性軟流圈、(2)地函熱柱對流



所以我們現在來比較行星的冷卻率，行星大小，還有行星與太陽的距離

(1) 行星冷卻率 (cooling rate)

太陽系於46億年前形成，每顆行星有很高的溫度，所以行星是處於熱融的狀態，於44-45

億年前左右，才逐漸冷卻下來，行星所含有的元素及物質，開始分離(differentiate)，

較重的元素(鐵鎳)往內部聚集，慢慢形成行星的地核與地函，較輕的元素(Silicate矽酸

鹽類)往外形成地殼，體積小的行星，冷卻較快，所以元素及物質沒有充份時間完全分離

，水星與火星比地球小，目前研究認為，由於他們的快速冷卻，形成了較厚的岩石圈

(thick lithosphere)，所以水星，火星，還有月球，被稱為單一板塊的行星(one-plate

planets) ，岩石圈太厚，比較不容易有板塊隱沒發生，不易產生板塊運動。


(2)放射性同位素 (radiogenic isotope)

與地球比較，火星與月球，含有比較少的)放射性元素 U, Th, K 所以沒有辦法提供足夠

的內熱(internal heat)及地函的對流(mantle convection)來啟動板塊運動發生。


那金星呢? 金星和地球差不多大，而且也有足夠的放射性原素來產生內熱，為何金星沒有

板塊運動?


(3)水的含量

目前的研究顯示，由於金星離太陽比較近，金星比地球要乾(dry planet)，也會形成較厚

的岩石圈，而且在內部不易形成像地球一樣的軟流圈，地球的板塊，會在較塑性

(plastic)的軟流圈，配合地函對流柱(mantle plume)移動，所以，金星缺乏此條件，且

板塊不易隱沒及運動，另外，火星被認為過去有足夠的水可以產生板塊運動及海洋，但火

星太小距離太陽比較遠，引力無法留住水及大氣，其餘水被儲存在內部成為水冰。



另外要說明的是: 金星地表相當年輕(不過也有幾億年) 雖然沒有板塊運動，但有足夠內

熱產生火山活動，且地函對流劇烈，在3億年左右，產生大型的地函熱柱(super mantle

plume)，使得表面重新構築(resurfacing)，抹除許多隕石坑，現在研究認為火山活動還

是活躍的。



至於木星及土星的衛星: 木衛一 埃歐(Io)、木衛二 歐羅巴(Europa)、木衛三

(Ganymede) 、木衛四 卡立斯多(Callisto)、土衛六 泰坦(Titan)

他們與類地行星不同，主要由冰(ice)及矽酸鹽岩石(Silicate)所組成，鐵鎳成份非常少

，地殼由冰所組成，所以地殼物理性質與類地行星的地殼不同，被撞擊所留下的隕石坑地

形也些許不同，這些冰質衛星(icy satellites)內部熱量主要來源為剛形成殘餘的熱能、

內部放射性元素衰變所產生的熱能，還有母星巨大引力所提供的潮汐熱(Tidal Heating)

。

木衛一到木衛四是按照與木星的距離而排列，木衛一 埃歐距離木星最近，受到木星強大

的潮汐力不斷產生內部熱能，而有活躍的火山活動(我現在的老闆做了很多埃歐的火山研

究)，造就現在埃歐上的地質年代相對地比較年輕，很多火山活動都是剛形成的。與木星

距離第二近的是木衛二歐羅巴(Europa)，它剛好位在所謂的雪線上(snow line)，木衛一

埃歐則是在雪線內，所以冰的成份比較少，木衛二有冰且有受到木星的潮汐力影響，內部

有些許熱能，在以冰組成的地殼下，可能有液態水的海洋存在，由於內熱的影響，較熱的

水氣會向上噴發，造成以冰組成的地殼張裂開來形成冰火生噴發，形成一條條暗紋，隕石

坑很少，所以木衛二的地表年代也相對地比較年輕。木衛三及木衛四離木星比較遠，受到

的潮汐力非常少，內熱也不足，在地面上不足以產生像木衛一的火山活動或是木衛二的冰

火山活動，將隕石坑蓋掉(resurfacing)，形成較年輕的地表，所以木衛三及木衛四地面

上留下許多隕石坑，地表上的地形構造除了隕石坑以外，主要只有殞石撞擊地面的拋射物

(ejecta)所形成的堆積物(sedimentation)。地表年代較老，仍停留在40億年前左右



由於距離木星的遠近影響，可以整理一下木衛一到四的比較

水冰的成份 : 木衛四 > 三 > 二 > 一

密度 : 木衛一 > 二 > 三 > 四 (水冰密度比較矽酸鹽岩石小)

木星潮汐力 : 木衛一 > 二 > 三 > 四

地表年代 : 木衛四 > 三 > 二 > 一



再談到泰坦(Titan)，(是我現在的論文研究)，也有受到土星的潮汐力影響產生內熱，地表

上有非常多樣化的地形，隕石坑不多，地表也相對地年輕，但主要是侵蝕作用還有冰火山

將隕石坑抹去，泰坦被認為與地球早期非常類似的星球，地球有濃厚大氣及水循環，在泰

坦上，水的角色變成氨(ammonia) ，地表有液態氨，還有氨循環，取帶地球上為主的水，

泰坦上有環形山的構造(我的論文研究)、冰火山、沙丘(我老闆在Nature有發表一篇有關

泰坦沙丘的研究)、甲烷湖等。



先寫到這裡，有點講太多了，而且最近都在寫英文，中文怪怪的請大家多多包含

錯誤也請大家提出修正

假如大家還有關於行星地質或是泰坦的問題，可以一起來討論 :)


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