USESO2025 预赛解析

译者导言

USESO是美国的地科奥赛，由挂靠于美国私立塔尔萨大学的“美国地球科学组织”承办。每年的USESO分为预赛（3月中旬）和决赛（6月中旬）两轮举行，分别选拔决赛成员和国家集训队。

不同于CESO的惯例，USESO的题目在预赛就分为单选题和综合分析题，因此难度相对上会比CESO高些。下面给出了今年的分数分布图：

质量上，美国的题目在融合考生所学知识与试题上做得很好（也就是学考衔接做得好）。而且组委会会在官网上提供原卷和官方参考答案。我国的部分考生有拿美国题练习的先例，但这些题目要么是由学校自己翻译的，不会向社会公开，要么就是学生自己英语能力很强，可以直接做题（说实话译者也达不到这种高度，自己做题时那些云形也认不全）。总之，对绝大多数人而言，这种题目是可遇不可求的。因此，译者翻译这些文档的目的，就有了“理想国译丛序”里的一段文字为明证。

此刻的中国与一个世纪前不同，但她仍面临诸多崭新的挑战，我们迫切需要他人的经验来帮助我们应对难题，保持思想的开放性是面对复杂与高速变化的时代的唯一方案。但更重要的是，我们希望保持一种非功利的兴趣：对世界的丰富性、复杂性本身充满兴趣，真诚地渴望理解他人的经验。

相关网址

USESO的官网

USESO Guide （美国的学生自己做的互助平台，除此之外他们还有其它竞赛的）

本套试卷的原卷

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本卷共34问，考试时长120分钟，满分120分。

Section I

以下部分为单选题，共30小题，每题2分，共60分。

1. 一位地质学家正在实验室中研究一块片岩手标本。他确定该岩石形成于一个与俯冲带相邻、由压实沉积物构成的地区，该地区被称为增生楔（accretionary wedge）。关于该岩石，下列哪项说法可能是正确的？
   I）该岩石形成于相对低温、高压的环境
   II）该岩石中保存有古代海洋生物的化石
   A. 仅 I 正确 B. 仅 II 正确 C. I 和 II 都正确 D. 均不正确

解析：

• 增生楔由于位于俯冲带旁且靠近地表，通常表现为高压低温的构造环境——I 对。
• 形成片岩等变质岩的温压条件会导致原岩中可能存在的化石发生变形或破坏——II 错。

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2. 卫星可以通过分析反向散射光（即“逆散射法”）或直接穿过大气的光（即“掩星法”）来获取气象数据。下图展示了这些方法用于数据采集的原理。请判断以下哪些关于这两种方法的说法是正确的？

   

   I）利用掩星法测量平流层空气通常不会受到天气影响
   II）采用掩星法的地球轨道卫星无法在全天 24 小时持续采集数据
   III）逆散射法在测量气溶胶浓度的垂直剖面时更为有用
   A. 仅 I 正确 B. 仅 II 正确 C. I 和 II 正确 D. II 和 III 正确 E. I、II 和 III 都正确

解析：

• 卫星使用掩星法观测平流层时，无需穿透对流层，而几乎所有天气活动都发生在对流层中——I 正确。

• 要让卫星全天 24 小时持续使用掩星法，需要其始终处于昼夜分界线之后，而轨道不可能始终保持在地球空间的某一个“半球”——II 正确。

• 反散射法接收到的是穿过整个大气柱的散射光，因此难以清晰分辨某一特定高度的气溶胶浓度分布——III 错误。

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3. 以下哪几种情形可能导致岩浆房的挥发分含量升高？
   I）附近发生地震
   II）岩浆侵入石灰岩中
   III）岩浆房与含水层接触
   A. 仅 II 正确 B. 仅 III 正确 C. I 和 II 正确 D. I 和 III 正确 E. II 和 III 正确

解析：

• 岩浆中最常见的两种挥发分为二氧化碳和水。地震的发生虽然可能搅动岩浆房，但不会引入新的挥发分——I 错误。

• 岩浆侵入石灰岩时，会导致碳酸钙分解产生二氧化碳，进入岩浆中——II 正确。

• 岩浆房与含水层接触时，水分会进入岩浆系统——III 正确。

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4. 下图展示了太平洋某区域的地图，其中标记了 A 和 B 两地。以下哪一组地点与大气现象的组合会产生最深的温跃层？

   
   A. A，厄尔尼诺 B. A，拉尼娜 C. B，厄尔尼诺 D. B，拉尼娜

解析：温跃层在表层温暖海水大量堆积的区域最深。信风会将赤道水体向西吹送，使得 A 地处于暖流区，B 地处于寒流区。拉尼娜会增强信风，加剧暖水向西移动；而厄尔尼诺则削弱信风。因此，在拉尼娜期间的 A 地会拥有最深的温跃层——B 项正确。

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5. 一位气象学家预测暖锋将经过俄克拉荷马州诺曼市。以下哪一组云系的出现顺序，最符合暖锋经过时当地观察到的情况？
   A. 卷云、雨层云、高层云
   B. 卷云、高层云、雨层云
   C. 雨层云、高层云、卷云
   D. 高层云、雨层云、卷云

解析：随着暖锋的临近，锋面边界逐渐接近地面。由于云层通常出现在锋面之上，故高空云层会最先出现，其次是中层和低层云。这种由高到低的顺序在选项 B 中体现最为准确。

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6. 在考察某海岸沙丘系统时，一位地质学家观察到两种不同类型的风蚀洼地（blowout depressions），并绘制了每种类型的地形图示意。以下哪一项最合理地描述了风如何与这两种洼地形态的相互作用？

   
   A. 槽状洼地：风向外偏转，侵蚀减弱；碟状洼地：风分散较均，侵蚀较慢但范围较广
   B. 槽状洼地：风向外偏转，侵蚀减弱；碟状洼地：风因气旋式旋转而加快，侵蚀增强
   C. 槽状洼地：风沿洼地通道汇聚，侵蚀作用使槽地加深；碟状洼地：风分布较均，侵蚀较慢但更广泛
   D. 槽状洼地：风沿洼地通道汇聚，侵蚀作用使槽地加深；碟状洼地：风因气旋式旋转而加快，侵蚀增强

解析：风蚀洼地会显著改变局部风流模式，其作用效果依赖于地形形态。槽状洼地呈拉长状，风在其中被导流加速，沿洼地轴线产生定向侵蚀，使其随风向加深加长；而碟状洼地呈近圆形，风流多方向分布，虽仍有侵蚀，但较为缓慢且范围较广。最贴切的描述为 C 项。

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7. 关于洪水，下列哪项说法正确？
   I）野火过后，山洪暴发的风险会上升
   II）“百年一遇洪水”指的是某一年中该规模洪水发生的概率为 1%
   A. 仅 I 正确 B. 仅 II 正确 C. I 和 II 正确 D. 均不正确

解析：

• 野火会留下灼烧地表，植被减少，土壤干燥且憎水，导致下渗减少，山洪暴发风险上升——I 正确；
• “百年一遇洪水”并不意味着每 100 年发生一次，而是每年发生的概率为 1%——II 正确。

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8. 下列哪几种变化可能会提高冰川底部融水的产生速率？
   I）基岩粗糙度增加
   II）冰川厚度增加
   III）底部冰层的盐度降低
   A. 仅 I 正确 B. 仅 II 正确 C. I 和 II 正确 D. I 和 III 正确 E. I、II 和 III 都正确

解析：

• 基岩粗糙度增加会增强摩擦，转化为热量促进冰层融化——I 正确；

• 冰川越厚，对底部冰的压强越大，会降低冰的熔点，促进融水生成——II 正确；

• 降低底部冰层的盐度会使熔点升高，从而抑制融水产生——III 错误。

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9. Flora 发明了一台时光机，想在光污染较少的年代观赏北极光。根据下图所示的信息，以下哪一年她应前往，以最大化看到极光的可能性？

   
   A. 1875 B. 1912 C. 1930 D. 1957

解析：图为“蝴蝶图”，展示太阳黑子在不同时期和纬度的分布。太阳活动的高峰期对应黑子分布纬度较高的时期，此时太阳粒子与地磁圈的相互作用增强，更易产生极光。1957 年太阳黑子活跃区达到高纬度，是最佳观测年份——选 D。

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10. 两块分别采自相距数英里的土壤样本，其下伏基岩均为石灰岩。

土壤 A	土壤 B
赤铁矿	石英
针铁矿	方解石
黄铁矿	白云石

​ 根据表中显示的主要矿物成分，以下哪项最可能解释两种土壤组成差异的原因？
​ A. 区域风化条件差异导致不同矿物形成
​ B. 土壤 A 来源于远古珊瑚礁侵蚀而来，被搬运至石灰岩上方，而土壤 B 为石灰岩原地风化产物
​ C. 土壤 A 年代更久远，为土壤 B 中矿物的氧化产物
​ D. 土壤 A 来自一套镁铁质岩基的侵蚀物质，被搬运至石灰岩之上，而土壤 B 为石灰岩原地风化产物

解析：土壤 A 富含铁矿物（如赤铁矿、针铁矿、黄铁矿），说明母岩为富铁的镁铁质岩石。与碳酸盐类的石灰岩不符，说明土壤 A 可能为外来搬运而非原地风化形成。土壤 B 富含碳酸盐矿物，可能为石灰岩风化所致——选 D 项最合理。

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11. 一位海洋学家在分析一层石灰岩时发现，其 ¹⁸O/¹⁶O 比值高于周围地层。下列哪项最能准确描述该石灰岩沉积时海洋的状态？
    A. 石灰岩沉积时周围海洋温度较高
    B. 石灰岩沉积时周围海洋温度较低
    C. 石灰岩沉积时周围海洋 pH 较高
    D. 石灰岩沉积时周围海洋 pH 较低

解析：当水蒸发时，所得水汽中含有 ¹⁶O 和 ¹⁸O，其比例是可预见的。在气候较冷的时期，降水可以发生在更低的纬度，较重的 ¹⁸O 更容易优先凝结并降落，因此在海洋沉积物和地层中富集。石灰岩中较高的 ¹⁸O/¹⁶O 比值直接表明当时气候较冷，因此 B 项最为合适。

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12. 在地球地质历史上的某一时期，地球经历了持续的温室气候。关于这一时期，下列哪项最不可能为真？
    A. 长石风化速率下降
    B. 赤道地区形成大量生物成因的钙质沉积
    C. 冰川消融（冰量净损失）速率上升
    D. 大气中 CO₂ 浓度异常升高

解析：

• 赤道地区的生物成因钙质沉积通常来自珊瑚礁，它们在温暖、低纬度的广阔热带条件下繁盛，符合温室期特征 —— B 正确。
• 在温度升高的条件下，冰川和冰盖会发生净质量流失，即消融速率增加 —— C 正确。
• CO₂ 作为温室气体，其浓度升高会导致气候变暖 —— D 正确。
• 温室气候加速水文循环、加快岩石的化学风化，因此长石的风化速率应增加，A 不正确

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13. 恩克彗星（Comet Encke）因其轨道周期最短（在可观测的亮度范围内）而闻名，仅为 3.3 年。其距离太阳最近时为 0.34 AU。以下哪个范围最接近其远日点（aphelion）？
    A. 1 到 2 AU
    B. 2 到 3 AU
    C. 3 到 4 AU
    D. 大于 4 AU

解析：
根据开普勒第三定律，设半长轴为 a：
a³ = 3.3² ⇒ a ≈ 2.2 AU
半长轴等于近日点与远日点的平均值，因此：
2.2 = (0.34 + x)/2 ⇒ x ≈ 4.1 AU
因此远日点超过 4 AU。

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14. 在夏末，密西西比河与阿奇法拉雅河流域输入墨西哥湾的富营养淡水导致季节性低氧区的形成，即“墨西哥湾死亡区”。下列哪种情况有助于维持该死亡区的存在？
    I）河流流域降水增多
    II）墨西哥湾海表温度升高
    III）墨西哥湾热带风暴加剧

​ A. 仅 I B. 仅 II C. I 和 II D. I 和 III E. I、II 和 III

解析：

• 降水增加和海表温度升高会降低表层海水密度，从而维持密度层结，使下层水体难以与表层混合，保持低氧状态，因此 I 和 II 正确。

• 强热带风暴会扰动水体，促进混合，反而有利于死亡区的消散，因此 III 错误。

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15. Katherine 正在勘测一条河流的流向。她绘制了一张等高线地图，图中方形标记表示一处泉水的起源，该泉水流经富含石英与金矿脉的地区。如果Katherine 想最大限度提高找到金片的机会，她应前往河流中的哪一点？

    

    A. A B. B C. C D. D

解析：金片会随水流漂移并向下游移动。根据等高线“V 形规则”，等高线向左凸表明水流方向向右，因此下游在右侧。A、B、C 点都位于泉源上游，只有 D 是位于下游的选项，最有可能沉积金片。所以正确答案是 D 项。

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16. 以下哪种沉积物类型最有可能在沙漠中形成最大型的沙丘？
    A. 圆形的粉砂
    B. 圆形的沙粒
    C. 棱角状的粉砂
    D. 棱角状的沙粒

解析： 沉积物堆积所能达到的最大坡角称为安息角。由于粒子间相互嵌合程度更高，棱角状颗粒通常具有更大的安息角。大颗粒间摩擦力更大，不易滑动，也能形成更陡的坡面。因此，D 项棱角状沙粒最有可能形成最大型的沙丘。

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17. 水星具有一个独特的 3:2 自转-公转共振关系（即每绕太阳两圈自转三次），这是类地行星中独一无二的。根据这一共振模式，下列哪项推论是合理的？
    I）水星自转一周所用时间长于它的太阳日
    II）水星东西方向的温度梯度较大

​ A. 仅 I B. 仅 II C. I 和 II D. 都不正确

解析：水星的 3:2 共振意味着它每完成一次自转，已完成了约 ²⁄₃ 个公转。完成一次公转需要 1.5 次自转，才使太阳重新出现在天空中的同一位置——这定义了“太阳日”。因此水星的太阳日长于自转周期，I 错误。由于太阳日在水星上非常漫长，其一面会长时间暴露在阳光下，温度升高，而另一面则长时间处于黑暗中，温度很低，导致显著的东西向温度梯度，II 正确。答案为 B 项。

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18. 设想以下温度剖面。烟雾从一座 200 米高的烟囱排出，最初与环境温度相同，且平均垂直速度为零，但会受到上下扰动。假设大气为干燥大气，并将烟雾视为干空气团。已知干绝热直减率约为 9.8°C/km，哪张图最符合烟羽的形状？

    

    A. A B. B C. C D. D

解析：烟羽的形状以及烟雾是否容易扩散，取决于大气层结稳定性。在干燥大气中，若温度递减率（lapse rate）小于 9.8°C/km，表示层结稳定；若大于该值，则为不稳定。
上层（200 m 以上）的递减率为：
−(27°C − 22°C)/(1 km − 0.2 km) = 6.25°C/km → 稳定
下层（200 m 以下）的递减率为：
−(30°C − 27°C)/(0.2 km − 0 km) = 15°C/km → 不稳定
因此，烟雾若被扰动上升至上层，会因稳定而停止上升并聚集于约 200 m 高度；若被扰动下降，则在不稳定的下层继续沉降、混合。最符合这一行为的烟羽图是 C 项。

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19. Alex 拿到两块切割成立方体的纯净晶体，被告知一块是岩盐（Halite），另一块是方解石（Calcite）。他想通过一系列实验来鉴别这两种矿物。以下哪项测试最不适合用于本次鉴别？
    A. 向样品表面滴加稀盐酸
    B. 用激光照射样品，观察光的折射情况
    C. 用样品尖角划玻璃板，看是否能划出痕迹
    D. 用锤子敲碎样品，观察其解理面

解析：

• 稀盐酸滴在方解石上会产生气泡反应，而岩盐则仅溶解不产生气泡 —— A 有效。
• 方解石具有双折射性，激光通过时可观察到双重影像，而岩盐则无此特性 —— B 有效。
• 方解石属于单斜晶系，岩盐为立方晶系，敲碎后解理面形态不同 —— D 有效。
• 两者硬度都不足以划出玻璃（玻璃硬度大约为 5.5，方解石和岩盐均低于此），因此 C 最不有效。

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20. 下图显示一条河流及其周围土壤的剖面图。假设该地区土壤均一，且剖面图位于一个湿润、温带气候区。图中的虚线代表不同可能的地下水位线。下列哪一条虚线最有可能代表该地区的地下水位（即水位线）？

    

    A. A B. B C. C D. D

解析：在有足够降水补给地下水的情况下，地下水位线会大致追随地表地形的起伏，这种现象称为毛细上升带效应（capillary fringe effect）。温带湿润气候通常有充足的降水，能维持河流与地下水之间的水力联系，因此 B 项最合理。

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21. Max 想要研究玻利维亚拉巴斯（纬度 16.5°S）雨季的雷暴。根据热带辐合带（ITCZ）的移动情况，他应选择哪一个月份进行研究？为什么？
    A. 12 月，因为 ITCZ 向北移动
    B. 6 月，因为 ITCZ 向北移动
    C. 12 月，因为 ITCZ 向南移动
    D. 6 月，因为 ITCZ 向南移动

解析：ITCZ 从其平均位置在 6 月向北移动，在 12 月向南移动。由于 ITCZ 平均位于赤道附近，因此向南移动会更接近玻利维亚。ITCZ 附近的辐合风会引发空气上升、形成云与降水，因此 12 月是玻利维亚的雨季。而 6 月 ITCZ 北移，副热带高压则更靠近玻利维亚，导致干燥少雨。因此，研究雨季雷暴最好的时间是 ITCZ 向南移动的 12 月。

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22. 下坡风（Katabatic winds）是在重力作用下，密度较大的空气沿坡面下沉的风。下图为气压–体积图，其中灰色线为等温线。以下哪一条路径最能代表这种风在下坡过程中的状态变化？

    

    A. AB B. BC C. CD D. DA

解析：下坡风的形成机制是高处坡面上的冷空气与坡下温暖空气之间的密度差异。随着风沿坡下沉，空气会因压强增大而绝热加热（adiabatic heating），体积也随之减少。这种过程在图中由 CD 曲线表示，即气压上升、体积下降，符合绝热过程的特征。

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23. 天文学家正在观察某个类地行星的磁场性质。以下哪项证据最支持该行星能够产生并维持自身磁场的假设？
    A. 行星质量为地球的一半
    B. 行星未受到来自母恒星的显著潮汐作用
    C. 行星大气主要由二氧化碳组成
    D. 行星具有较高的地热梯度

解析：

• A 项：较小的类地行星不容易长期保有内部热量，不利于维持磁场 —— 错误
• B 项：潮汐力可作为行星内部热源之一，缺乏潮汐力不利于磁场 —— 错误
• C 项：大气成分对磁场影响不大 —— 错误
• D 项：较高的地热梯度暗示行星内部拥有大量热能，可能具有熔融层，从而通过地磁发电机制（dynamo effect）维持磁场 —— 正确

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24. 双混合湖（dimictic lakes）每年发生两次湖水上下翻动。以下哪一类湖泊最可能呈现这种行为？
    A. 一座中纬度的浅湖
    B. 一座中纬度的深湖
    C. 一座高纬度的浅湖
    D. 一座高纬度的深湖

解析：

• 浅湖易受风搅动，全年混合较为充分，不容易建立稳定的温度分层 —— A、C 错；
• 高纬度湖泊大部分时间结冰，仅在夏季融化时混合一次，属于单混合湖（monomictic）—— D 错；
• 只有 中纬度深湖，气温季节变化显著且湖水可在春秋两季形成稳定的密度翻动，因此符合双混合湖的特征—— B 对。

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25. 米兰科维奇周期（Milankovitch cycles）在调控冰期与间冰期中发挥重要作用。若三种周期变化相互独立，以下哪些变化将增强北半球的季节性温度变化？
    I）地轴倾角轻微增加
    II）地球轨道离心率轻微增加
    III）地轴岁差方向旋转 180°

A. 仅 I B. 仅 II C. I 和 III D. II 和 III E. I、II 和 III

解析：

• 轴倾增加会增强夏季太阳辐射角度，冬季辐射角度更斜，增强季节温差——I 对
• 北半球夏季目前位于远日点，冬季为近日点，若轨道偏心率增大，则夏季日照减少、冬季增加，反而减少温差——II 错
• 若岁差旋转 180°，北半球夏季位于近日点、冬季位于远日点，夏季更热、冬季更冷，增强季节差异——III 对

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26. 一位地质学家在水平地面上发现了一个宽 30 米的煤层露头（如下图左侧所示）。在其正西方向的一座小山上，地质学家再次发现该煤层露头（图右侧）。经测量，该山坡的坡度为 45°。假设煤层形成后未经历构造抬升或沉降，该地质学家应测得山坡上煤层的视厚度为多少？

    

    A. 7.76 米 B. 8.97 米 C. 10.97 米 D. 15.53 米

解析：
已知水平地面上的露头宽为 30 米，煤层与水平面的夹角为 15°，因此其真实厚度为：
30 × sin(15°) ≈ 7.76 米

在山坡处，煤层与山坡的夹角为：
15°（煤层倾角）+ 45°（坡度）= 60°

那么真实厚度方向与视厚度方向的夹角为：
(180° − 60°) − 90° = 30°

因此，视厚度 = 真厚度 / cos(30°) ≈ 7.76 / cos(30°) ≈ 8.97 米

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27. 下图显示了北半球某地区的风场，该地区的洋流主要受风驱动。根据图中所示的地表风型，以下哪项最能描述沿岸海水的海表温度（SST）异常？

    

    A. 由于下沉流导致的暖 SST 异常
    B. 由于上升流导致的暖 SST 异常
    C. 由于下沉流导致的冷 SST 异常
    D. 由于上升流导致的冷 SST 异常

解析：在北半球，由于埃克曼输运（Ekman transport），水体会相对于风向偏右（顺时针）移动约 90°。若风将表层水向岸边推移，就会导致沿岸下沉流（downwelling），从而阻止冷水上翻，导致暖海表温异常。

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28. 尽管泰坦的大气中含有 5% 的甲烷（在地球上是温室气体），其表面温度却只有 94 K。Malachi 认为，如果将泰坦移至与太阳的平均距离为 1 AU 的轨道上，其表面温度将会高于地球。以下哪项观察能支持他的观点？
    I）在更高温度下，有更多甲烷蒸发进大气
    II）光化学反应使泰坦的大气霾层消散，从而降低了行星反照率

A. 仅 I B. 仅 II C. I 和 II D. 全部都不支持

解析：

• I 正确：更多甲烷进入大气将增强温室效应，减少向外辐射，提升温度 —— 支持 Malachi 的观点
• II 正确：霾层减少，行星反照率降低，吸收的太阳辐射增加，形成正反馈，进一步升温 —— 支持 Malachi 的观点

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29. 下图为美国上空的 300 百帕等压面图。以下哪个位置最可能表现出地面气流辐合？

    

    A. A B. B C. C D. D

解析：图中的等高线表示压力为 300 mb 的等压面高度，数字越大表示该气压面位于更高的海拔处。在北半球，高空风受到科里奥利力影响，沿等高线呈顺时针流动。图中 Y 位置等高线发散，表示高空风在此处发生辐散（divergence），这通常对应地面气流辐合（convergence），用于补偿高空的质量亏损。

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30. 一位地质学家在温带地区观察到一个公路剖面。从上到下依次为石灰岩、玄武岩和砂岩。仅依据该信息，以下哪项最可能代表该剖面的风化剖面？

    

    A. A B. B C. C D. D

解析：

• 石灰岩：极易溶于雨水，是三者中最易风化的
• 砂岩：抗风化能力中等，其颗粒间结合力较弱
• 玄武岩：属于结晶致密的火成岩，抗风化能力最强

因此风化程度从上到下应为：石灰岩 > 砂岩 > 玄武岩， D 符合这一趋势。

Section II

以下部分为综合分析题，共4个题组，每个15分，共60分。

Problem 1

小问	1	2	3	4	合计
分数	2分	7分	4分	2分	15分（25%）

内华达山脉主要由中生代期间法拉隆板块在北美板块下方的俯冲作用形成。本题将探讨该地区地质及地球内部的几个方面。

1. （2分）与典型的俯冲带相比，法拉隆板块的俯冲角度较浅。以下哪组条件最有可能形成浅角度俯冲带？
   A. 高汇聚速率，较年老的洋壳
   B. 高汇聚速率，较年轻的洋壳
   C. 低汇聚速率，较年老的洋壳
   D. 低汇聚速率，较年轻的洋壳

解析：当构造板块以高汇聚速率碰撞时，俯冲板块沉入地幔的时间较短，从而形成较浅的俯冲角度。较年轻的海洋地壳由于密度较低，通常比较老的地壳更具浮力，因此会形成较浅的俯冲角度。因此，正确答案为 B。

2. 拆沉作用是指地壳下部及其下的软流圈与上部大陆地壳分离的过程。拆沉在板块汇聚边缘较为常见。

(a)（2分）尽管地壳在形成时密度低于软流圈，但从上部地壳拆沉的下部地壳部分的密度会变得高于它替换的软流圈的密度。简要解释其原因。

答：下部地壳区域受到更高的压力和温度影响。这些条件可能导致变质作用，通常使变质后的岩石（子岩）密度相对于原岩（母岩）增加。

考虑一个简单的模型：一个孤立的地壳块“漂浮”在软流圈中。该地壳块由密度不同的上部和下部组成，仅受到重力和浮力的作用。在某一时刻，下部地壳从上部地壳分离，如下图1所示。左图是地壳的初始状态，右图是拆沉后的状态。

参数	值
上部地壳厚度	40 km
下部地壳厚度	30 km
上部地壳密度	2700 kg/m³
下部地壳密度	4500 kg/m³
软流圈密度	4000 kg/m³

(b)（2分）根据表格中的信息，计算地壳块在软流圈上方的初始高度 $h_1$。请展示计算过程。
答：根据阿基米德原理，地壳块受到的向上的浮力等于其排开的流体的重量。向上的浮力与向下的重力平衡。 向上浮力与 $4000 \times (70 - h_1)$ 成正比，这是因为排开的软流圈密度为 $4000 \ \text{kg/m}^3$，排开流体的体积与 $70 - h_1$ 成正比；排开流体的重量与密度和体积的乘积成正比。类似地，向下的重力与 $40 \times 2700 + 30 \times 4500$ 成正比。令两力相等并解出 $h_1$，得 $h_1 = 9.25 \ \text{km}$。

$40 \times 2700 + 30 \times 4500=4000\times(70-h_1)\implies h_1 \approx 9.25 \ \text{km}$

(c)（3分）计算地壳块因拆沉导致的高度变化 $\Delta h$。请展示计算过程。
答：重复(b)中的计算，求地壳块在软流圈上方的新高度，这次忽略下部地壳的影响。因此，$4000 \times (40 - h_2) = 40 \times 2700$，解得 $h_2 = 13 \ \text{km}$。地壳块的高度变化为 $h_2 - h_1 = 13 - 9.25 = 3.75 \ \text{km}$。

$h_2 \cdot 2700=(4000-2700)(40-h_2)\implies h_2 \approx 3.75 \ \text{km}$

3. 地幔660公里处的不连续面以矿物相变特征为标志，如下图2所示。一位地质学家在图中灰色区域的条件下合成了矿物样本。

   

   图2 展示林伍德石（ringwoodite）与未知矿物相之间过渡的图表。实线表示发生该相变的条件。

(a) （1分）660公里不连续面与林伍德石向哪两种矿物的转变相关？
答：在660公里不连续面处，林伍德石转变为布里奇曼石（Bridgemagnite）和铁镁尖晶石（ferropericlase or magnesiowüstite）。

(b) （3分）根据图表，你认为在剥离板块下方，该不连续面的实际深度会大于、等于还是小于660公里？请解释。
答：剥离板块比地幔其他部分的温度更低。根据图2所示的相图，较低的温度对应于布里奇曼石相变发生所需更高的压力。因此，660公里不连续面在剥离板块下方的深度将大于典型的660公里。

4. （2分）极高密度的俯冲板块可能沉降到地幔底部并堆积在所谓的D”层中。这种现象在地球早期太古代期间是否更可能或更不可能发生？请解释。
   答：更可能发生。在太古代，地球地幔的温度显著更高，导致其密度较低，与俯冲板块的密度更为接近。这使得俯冲板块的浮力较小，更容易沉降到核幔边界。（太古代期间的地壳还富含较重的元素，如铁和镁，进一步减小了密度差异。）

Problem 2

小问	1	2	3	4	5	合计
分数	1分	3分	6分	2分	3分	15分（25%）

1991年6月，菲律宾皮纳图博火山爆发，释放出大量气溶胶，这些气溶胶上升至平流层并扩散至全球。本题将探讨这些气溶胶对地球大气的影响。

图1 皮纳图博火山爆发后平流层光学厚度的示意图，作为气溶胶浓度的代用指标。白色表示高光学厚度（即高气溶胶浓度）。

1. （1分）图1中的两幅图像对应不同年份的平流层状况。以下哪组时间段与每幅图像的数据相对应？

   A. 左图：1991年6-7月；右图：1993年8月
   B. 左图：1993年8月；右图：1991年6-7月

   解析：气溶胶浓度在皮纳图博火山爆发时最高。因此，右图中显示的高气溶胶浓度对应1991年6-7月的时间段。

2. 关于北半球盛行风的以下问题：
   (a) （2分）在北半球哈德利环流中，赤道附近的的高空气流和北回归线附近的的高空气流形成向的净气流运动。

   A. 辐合；辐散；北
   B. 辐合；辐散；南
   C. 辐散；辐合；北
   D. 辐散；辐合；南

   解析：沿地球赤道，地表空气汇聚并上升，随后在高空辐散并向两极辐散。在北半球，赤道和亚热带之间的空气在亚热带附近辐合，与来自更北方的空气一起向赤道移动。因此，赤道和亚热带之间的净气流运动方向为北向。

​ (b) （1分）科里奥利力使上题所述的风向（ ）偏转，在对流层顶部形成向（ ）的净气流运动。

​ A. 西；西南
​ B. 西；东北
​ C. 东；西南
D. 东；东北

解析：在北半球，科里奥利力使风向其运动方向的右侧偏转。由于风向北移动，这意味着风会向东偏转，因此观测到的气流方向为东北。

3. 准两年振荡（quasi-biennial oscillation, QBO）是指热带附近平流层风向模式以大约两年为周期发生反转的现象。图2展示了不同高度随时间变化的主导风向。

图2 QBO流量的测量图，显示随高度和时间变化的纬向风。 正的平均纬向风速表示西风；负的平均纬向风速表示东风。

​ (a) （2分）鉴于皮纳图博火山爆发的气溶胶主要注入20-25公里高度，它们总体上向哪个方向移动？

​ A. 北 B. 南 C. 东 D. 西

​ 解析：图2显示，在1991年，20-25公里高度处存在正的平均纬向风速。这对应于西风，即风从西向东吹，气流向东移动。

研究人员在比较此次火山爆发与类似低纬度火山爆发的气溶胶分布时，注意到气溶胶从较低平流层的流出速率高于预期，而从较高平流层的流出速率低于预期。

​ (b) （2分）你预期携带气溶胶的空气团在风速变化率高（即高水平风切变）或风速变化率低（即低水平风切变）的区域更容易混 合？请解释。

​ 答：低水平风切变。携带气溶胶的空气团在速度差异较大的边界（即高风切变）处混合更困难，因为空气团的速度需要更大变 化，而在低风切变区域则较容易混合。

​ (c) （2分）鉴于热带以外的平流层风在1991年主要为西风，你预期气溶胶向极地的传输在较低的平流层还是较高的平流层更快？ 请解释。

​ 答：较低的平流层。从(a)部分可知，1991年较低平流层风为西风，且热带以外的平流层风也为西风，因此较低平流层的水平 风切变更小，气溶胶能够更快地向极地方向扩散。

4. （2分）平流层气溶胶注入（SAI）是一种提议的减缓气候变化的策略，通过增加平流层气溶胶的反照率来实现。然而，SAI也会增加平流层气溶胶层的吸收率。你预期SAI会对对流层和平流层的温度产生何种变化？请解释。

   答：对流层温度将降低，因为平流层增加的反射和吸收会导致入射光减少。平流层温度将升高，因为平流层吸收了更多能量。

5. 云的光学厚度 $\tau$ 是分析气溶胶浓度的一种媒介，它可以用下面的方程计算：
   $$
   \tau=\text{LWC}\times\frac{3h}{2\rho_wr}\quad\text{或}\quad\tau=\ln{\frac{\phi_i}{\phi_t}}
   $$
   其中， $ \text{LWC} $ 是云中的液态水含量（liquid water content），$h$ 是云的厚度，$\rho_w$ 是水的密度，$r$ 是气溶胶的平均半径，$\phi_i$ 是入射辐射通量（incident radiation flux），$\phi_t$ 是透射辐射通量（transmitted radiation flux）。

   (a)（1分）假设气溶胶半径、云厚和入射辐射的值相似，以下哪种云类型预计反射的辐射最少？

   ​ A. 层云； B. 积云； C. 积雨云； D. 卷云。

   (b)（2分）解释你对 (a) 的回答。

   答：在入射辐射量相同的情况下，反射较少意味着透射的光较多，因此光学厚度较小。在气溶胶半径 $r$、云厚 $h$ 和水密度 $\rho_w$ 相似的情况下，光学厚度仅取决于液态水含量 $\text{LWC}$。卷云位于高空，几乎完全由冰晶组成，液态水含量最低，因此反射的辐射最少。

   Problem 3

   小问	1	2	3	4	合计
   分数	4分	3分	3分	5分	15分（25%）

本题聚焦于印度次大陆恒河三角洲的几个方面。

1. 恒河三角洲由携带悬浮沉积物的河流网补给。图1展示了与这些沉积物相关的两个属性的理想化剖面。

   

   图1 展示河流中悬浮沉积物属性的两个函数Y和Z的图表。在深度d1以下，河流中没有悬浮沉积物。

(a) （1分）一位水文学家确定一个属性对应于波平均沉积物浓度，另一个对应于流速。属性Y和Z分别对应于什么？

答：Y对应于流速，Z对应于沉积物浓度。

(b) （1分）简要解释为什么将Y分配给沉积物浓度或流速。

答：由于河床摩擦的影响，流速在靠近河床处预计最低。

(c) （1分）简要解释为什么将Z分配给沉积物浓度或流速。

答：由于重力和靠近沉积物来源的影响，沉积物浓度在靠近河床处预计最高。

(d) （1分）注意到在深度d1以下，河流中没有悬浮沉积物。在d1以下是否发生沉积物运输？如果发生，简要描述该区域的一种运输方式。如果不发生，简要解释原因。

答：是。在d1以下的沉积物构成河道的床载沉积物，通过滚动、滑动和跳跃的方式移动。

河流运输的沉积物最终沉积在恒河三角洲及其周围区域。

图2 a: 恒河三角洲沉积序列的示意图。b: 恒河三角洲以南海底峡谷沉积序列的成像示意图。

2. 以下部分参考图2a中取自恒河三角洲低平原的序列。
   (a) （2分）潮间带上方和下方的区域分别称为潮上带和潮下带。假设层序正常，该序列代表从潮上带到潮下带的环境过渡，还是从潮下带到潮上带的环境过渡？使用图中的两个不同证据解释你的推理。

   答：从潮下带到潮上带。下层中的交错层理表明它们沉积在潮下环境中，水流形成了倾斜的层理。此外，向上变细的趋势表明上层沉积在能量较低的潮上环境中。根据地层叠置律，上层是较晚沉积的，因此环境随时间从潮下带转变为潮上带。

(b) （1分）以下哪项最好地描述了形成该序列的过程？
A. 与海侵相关的三角洲退积
B. 与海退相关的三角洲退积
C. 与海侵相关的三角洲进积
D. 与海退相关的三角洲进积

解析：从潮下带到潮上带的过渡意味着海退，因为更多陆地暴露在大气中。该过渡还表明三角洲随时间向前推进，即沉积物堆积使三角洲扩展，相对海平面下降。

3. 以下部分参考图2b中取自恒河三角洲以南印度洋中“无底谷”（the Swatch of No Ground）海底峡谷的序列。
   (a) （1分）指出导致序列中循环模式的过程。

   ​ 答：浊流沉积。

​ (b) （2分）在过去几千年中，恒河三角洲向东迁移，三角洲西南区域面临海岸侵蚀的威胁加剧。考虑你在(a)部分的答案，简要 解释“无底谷”区域的存在是否有助于或阻止这种侵蚀。

​ 答： 沉积物通过“无底谷”海底峡谷被输送，如(a)部分确定的浊流过程。这导致海岸沿线的沉积物减少，从而加剧侵蚀。

4. 恒河三角洲注入位于印度洋东北部的孟加拉湾。

   

   图3：孟加拉湾全年海面盐度的分布图。第一幅图中的加框区域大致表示恒河三角洲排入孟加拉湾的位置。

(a) （2分）注意到5月至9月间，低盐度水在恒河三角洲区域汇聚。鉴于这种现象每年都有，简要解释其原因。
答：印度的东南季风在夏季增加印度次大陆的降雨量，从而增加恒河三角洲向孟加拉湾的淡水补给。

(b)（3分）考虑7月孟加拉湾表面叶绿素-a浓度的分布图。你预期该图在哪些区域显示叶绿素-a浓度升高？解释你的推理。提示：考虑除海面盐度外的其他因素。
答：靠近恒河三角洲和印度海岸的孟加拉湾部分区域叶绿素-a浓度升高。恒河三角洲的河水在夏季提供稳定的富含营养的水源。由于印度夏季季风引起的西南风，导致印度海岸发生埃克曼输运，引发富含营养的深层水上涌。

（然而，额外的因素会使得情况复杂化；进一步阅读可参考Chowdhury等人2021年的研究。）

Problem 4

小问	1	2	3	合计
分数	4分	4分	7分	15分（25%）

本题分析并比较了水星和月球的几个方面。

1. 图1展示了地球和水星绕太阳的轨道以及月球绕地球的轨道。位置A、B、C表示水星相对于地球的可能方位。假设每个天体的轨道为逆时针且在黄道平面内为完美的圆形轨道，且每个天体足够小，不会阻挡光线到达其他天体。

   

   图1：地球、水星和月球轨道的理想化模型，非按比例绘制。

(a) （2分）在水星轨道的哪个位置，从地球上看，水星呈现恰好一半被照亮？
A. 位置A
B. 位置A和B之间
C. 位置B
D. 位置B和C之间
E. 位置C

解析：当水星处于相对于地球的最大延伸点时，从地球上看，水星呈现一半被照亮。这是因为在最大延伸点，地球到水星的视线与水星到太阳的连线垂直，从地球视角看，水星恰好一半被照亮。最大延伸点位于A和B之间。

(b) （1分）如果水星位于位置B，水星上的观测者会看到地球处于什么相位？
A. 新月 B. 峨眉月 C. 上弦月 D. 凸月 E. 满月

​ 解析：地球将呈现凸月相位，因为地球与太阳之间的连线与地球和水星之间的连线形成锐角，这意味着从水星视角看，地球超过一半的区域被照亮。

(c) （1分）如果水星位于位置B，水星上的观测者会看到月球处于什么相位？
A. 新月 B. 峨眉月 C. 上弦月 D. 凸月 E. 满月

​ 解析：基于(b)中的类似推理，月球将呈现凸月相位，因为月球与太阳之间的连线与月球和水星之间的连线形成锐角。

2. 自20世纪80年代以来，科学家普遍接受了大撞击假说，该假说认为月球是在一个名为忒伊亚的大型行星体与地球碰撞后形成的。简要解释以下两个观测结果是否支持或反对大撞击假说。

   (a) （2分）月球的核心相对于地球小得多。
   答：与忒伊亚的碰撞主要会抛射出地球的外层物质，而较少抛射其富含金属的核心。因此，在分异过程中，较少的高密度物质沉降形成月球的核心，导致核心较小，这一观测支持大撞击假说。

   (b) （2分）月球的挥发性物质含量相对于地球低得多。
   答：与忒伊亚的碰撞会产生极高的温度，使抛射出的大部分挥发性物质汽化，导致月球组成中包含较少的挥发性物质，这一观测支持大撞击假说。

3. 现在你将估算月球和水星上山脉最大高度的比率，假设两者的地壳成分相似。

   (a) （2分）设$g_{\text{Moon}}$和$g_{\text{Mercury}}$分别表示月球和水星表面的重力加速度。根据下表提供的信息，计算比率$\frac{g_{\text{Moon}}}{g_{\text{Mercury}}}$。请展示计算过程。

参数	值
月球半径	1738 km
水星半径	2440 km
月球平均密度	3344 kg/m³
水星平均密度	5429 kg/m³

答：我们从重力加速度公式开始：$g = \frac{GM}{r^2}$，其中$G$为引力常数，$M$为天体质量，$r$为天体半径。代入$M = \frac{4\pi r^3}{3}\rho$，其中$\rho$为平均密度，得$g = \frac{4G\pi \rho r}{3}$。因此，比率
$$
\frac{g_{\text{Moon}}}{g_{\text{Mercury}}} = \frac{\rho_{\text{Moon}} r_{\text{Moon}}}{\rho_{\text{Mercury}} r_{\text{Mercury}}} = \frac{3344 \times 1738}{5429 \times 2440} \approx 0.44
$$
水星和月球上的山脉不能无限高，因为在一定高度后，山脉对下方物质的压力过大，导致下方物质开始“流动”。材料能承受的最大压力由杨氏模量$Y$给出，通常以牛顿每平方米为单位。

(b) （3分）山脉最大高度的公式为$h_{\text{max}} = k Y^a \rho^b g^c$，其中$k$为无量纲常数，$Y$为杨氏模量，$\rho$为材料密度，$g$为天体表面的重力加速度。求$a$、$b$、$c$的值。请展示计算过程。

答：首先确定公式中各变量的单位。设$M$、$L$、$T$分别表示质量、长度、时间单位。$h_{\text{max}}$的单位为长度（$L$），$Y$的单位为力除以面积（$M L^{-1} T^{-2}$），$\rho$的单位为密度（$M L^{-3}$），$g$的单位为加速度（$L T^{-2}$）。

公式两边的单位必须一致，即：$L = (M L^{-1} T^{-2})^a (M L^{-3})^b (L T^{-2})^c$。整理得：$L = M^{a+b} L^{-a-3b+c} T^{-2a-2c}$。比较$M$、$L$、$T$的指数，得方程组：
$$
\begin{cases}
a + b = 0 \
-a - 3b + c = 1 \
-2a - 2c = 0
\end{cases}
$$
解得$a = 1$，$b = -1$，$c = -1$。

(c) （2分）综合(a)和(b)的答案，估算$\frac{h_{\text{max, Moon}}}{h_{\text{max, Mercury}}}$的值。假设月球和水星的山脉有相似的构成。请展示计算过程。如果无法解答(a)，在本题中使用$\frac{g_{\text{Moon}}}{g_{\text{Mercury}}} = 0.5$。

答：从(b)可知，$h_{\text{max}}$与重力加速度成反比。因为月球和水星的山脉有相似的构成，$\rho$和$Y$在计算$h_{\text{max}}$比率时将抵消。因此，
$$
\frac{h_{\text{max, Moon}}}{h_{\text{max, Mercury}}} = \frac{g_{\text{Mercury}}}{g_{\text{Moon}}} \approx \frac{1}{0.44} \approx 2.28
$$

---

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