Science：火星地幔的探测

Science：火星地幔的探测

导言：2018年11月26日，洞察号（Insight）火星探测器成功着陆于火星赤道附近。本次探测任务的最大亮点是在火星表面布设了首台火震仪SEIS，开启了人类对火星内部结构直接探测的新篇章。经过两年多的运行，SEIS记录到了数百次有效火震信号，其中震级2-4级的火震事件近50次。经过国际多个科研团队的通力合作，今年7月23日Science连续刊发了三篇文章(Khan et al., 2021; Knapmeyer-Endrun et al.,2021; Stahler et al., 2021)，逐一揭秘火星壳、火星幔和火星核的神秘面纱，人们终于第一次“看到”包括火核在内的火星内部结构，对火星内部的物质组成也有了新的认识。该系列成果的发表具有里程碑式的重要意义。

行星地震事件震相的识别和到时拾取，对约束行星地震的位置、内部结构至关重要。1940年Jeffreys和Bullen编制了较完整的、包含多种震相的地球全球走时表，在此基础上建立了首个地球一维参考速度模型（J-B模型）。然而，相比于地球上数以万计的地震仪以及月球上曾经运行的四台月震仪，仅使用火星上的单台火震仪进行火震震相识别、走测测量及内部结构反演则困难复杂得多，极具挑战性。

图1 火震仪记录到的火震事件（Khanet al., 2021)。（A）火震事件（S0235b）三分量宽带滤波波形记录（滤波频段：1.5-8 s）；（B）能量包络线上可以看到P、PP、PPP、S、SS等多种震相

火星地震事件主要包括低频事件（low-frequency event）和高频事件（high-frequency event）。其中低频事件的震源主要分布于火星地幔内，包含穿透火星地幔的震相（图1），对于约束火星上地幔结构有重要意义。针对InSight火震仪运行两年以来记录到的8个高信噪比低频火震事件，Khan 等人采用三种方法，包括基于滤波器组拾取体波震相，基于偏正滤波和速度分析拾取体波震相以及基于波形匹配拾取体波震相的方法识别了这8个火震事件的直达P波、S波以及地表反射波（PP波、PPP波、SS波和SSS波）震相并提取其到时信息。利用所提取的火震到时信息，并结合火星地幔组分结构，Khan 等人约束了火星上地幔一维速度结构和地温梯度（图2）。

图2 火星上地幔结构（Khan et al., 2021)。（A）反演得到的P波和S波速度随深度变化剖面；（B）火星内部温度变化曲线。彩色和灰色标示的模型分别来自于地球物理和地震学反演；（C）研究中用到的8个火震事件射线路径图；（D）和（E）为图（A）中所有模型预测的体波震相到时和观测到时残差

研究发现，火星上地幔地震波速度总体随深度增加，但在400-600km深度处存在S波低速层（图2A）。Khan 等人进一步通过实际观测到的火震S/P振幅比和理论计算，验证了火星上地幔S波低速层的存在。该低速层表明火星岩石圈盖层厚约400-600km，而其下方为对流的地幔。随深度增加的温度给波速带来的影响超过了压力增大的作用，产生了这一明显的上地幔S波低速层。

Khan等人将火星地幔地震学结构与火星热演化模型相结合，发现现今火星地壳中产热元素的富集程度是原始火幔的13到20倍。该估值要大于之前伽玛射线测量的地表热流值，表明火星地壳具有中等偏高的热流，对理解火星地壳成分及壳幔分异过程有重要意义。

主要参考文献

Khan A, Ceylan S, van Driel M, et al. Uppermantle structure of Mars from InSight seismic data[J]. Science, 2021,373(6553): 434-438.

Knapmeyer-Endrun B, Panning M P, Bissig F, et al. Thickness andstructure of the martian crust from InSight seismic data[J]. Science, 2021,373(6553): 438-443.

Stahler S C, Khan A, Banerdt W B, et al. Seismic detection of themartian core[J]. Science, 2021, 373(6553): 443-448.

（撰稿：王新，李娟/地星室）