來源：【中國科學(xué)院】

近年來，國際上實(shí)施了InSight火星探測計(jì)劃（Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport，地震、大地測量和熱傳導(dǎo)內(nèi)部探測）。2018年11月26日，搭載火星地震儀SEIS的InSight火星探測器登陸火星赤道附近的埃律西昂平原（Elysium Planitia）；2019年2月底，通過機(jī)械手臂完成SEIS的地表布設(shè)任務(wù)。火星地震儀SEIS有三個寬頻帶傳感器和三個短周期傳感器，每天可發(fā)回約38 MB的火星地震（以下簡稱火星震）記錄數(shù)據(jù)。SEIS的科學(xué)目標(biāo)是探測火星內(nèi)部的地震活動性、約束火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分及動力學(xué)過程。較地球而言，火星的地震活動性很弱，火星地震儀SEIS自2019年2月記錄到40余個低頻的地震事件，但多數(shù)火星震事件的信噪比很低，無法清晰識別地震相的到時。InSight團(tuán)隊(duì)利用若干個較高信噪比的火星震事件探究了火星的殼-幔-核結(jié)構(gòu)，但未回答人們更關(guān)注的火星地幔是否對流或活動這一科學(xué)問題。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員孫偉家及澳大利亞科研人員，探測了火星相似地震（相似地震是指在同一位置或相近位置發(fā)生的地震，通常其成因相同），綜合分析和研判地震、月震、潮汐、數(shù)值模擬、撞擊坑年齡及隕石化學(xué)等多種因素或證據(jù)，揭示了現(xiàn)今火星地幔是流動的（mobile）或動力學(xué)活動的（dynamically active）。

圖1A中藍(lán)色三角為InSight著陸地點(diǎn)以及火星地震儀布設(shè)位置，黑色五角星表示S0173a和S0235b兩個最清晰火星震事件（其波形見圖1B、C）的大致位置。這兩個火星地震事件位于科柏洛斯槽溝（Cerberus Fossae），該地區(qū)有數(shù)條狹長的裂縫，并伴有較大規(guī)模的滑坡。根據(jù)滑坡引起滾石滾動留下的痕跡，前人研究推測火星上曾發(fā)生7.5級火星震?？瓢芈逅共蹨希–erberus Fossae）年齡約20 Ma，相較火星約45億年的歷史而言非常年輕，切割了有火成巖分布的埃律西昂平原，斷層的垂直斷距可達(dá)500米。該地區(qū)西北側(cè)數(shù)百公里即為火星兩大地幔柱之一的埃律西昂火山（Elysium Mons），是火星埃律西昂平原上的盾狀火山，高出火星大地水準(zhǔn)面14127米。

火星上地震活動性不如地球上的活躍，自2018年火星震觀測迄今波形質(zhì)量最好的兩個火星震事件（圖1B、C）的震級均為3.6級，距離火星地震臺站InSight的距離約為1500-1700千米。由于火星地震活動性弱以及白天風(fēng)的噪聲較強(qiáng)等因素，依靠傳統(tǒng)地震識別方法可以識別的火星震數(shù)量較為有限，識別的火星震多在安靜的火星夜晚。截止2019年9月底，共識別出與這兩個火星震事件同類型的事件24個，其中9個具有標(biāo)志性信息（可識別的火星地震震相到時）。

在前期利用月球月震事件研究檢測火星震的可行性的基礎(chǔ)上，研究利用模板匹配方法在連續(xù)波形中搜尋新的火星震事件。研究將這9個火星震標(biāo)志性信息涉及的波形序列片段與火星地震儀記錄的連續(xù)波形進(jìn)行比對，若比對成功后者即可被認(rèn)為是新的火星震事件，這基于二者是同源的，即這些火星震事件的位置和成因過程均相同或相近。實(shí)際上，該方法被較廣泛用于檢測地球上大地震之后小震級的余震事件。

圖2展示新發(fā)現(xiàn)的火星震事件比對過程的兩個例子，分別以S0173a和S0235b為模板，圖2C-D與圖2G-H中紅色實(shí)線為具有標(biāo)志性信息的波形序列片段，黑色實(shí)線是連續(xù)的波形，圖2A-B與圖2E-F中紅色虛線為匹配成功與否的標(biāo)準(zhǔn)，即紅色虛線之上為匹配成功。

該研究發(fā)現(xiàn)了47個新的火星震事件（圖3），約90%以上的匹配來自S0173a和S0235b兩個最清晰火星震事件，且晝夜發(fā)生。這些檢測到的事件通常與模板事件發(fā)生在相同位置或相近位置。匹配S0173a事件的火星震數(shù)量為11個，匹配S0235b事件的火星震有34個，這或說明火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造應(yīng)力非常不均一。這一類型的火星震事件具有三個明顯特點(diǎn)，即頻率低、震源位于火星地幔內(nèi)、重復(fù)發(fā)生。

上述探測到的重復(fù)或相似的火星震是否具有火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與過程上的指示意義？研究運(yùn)用比較行星學(xué)方法，綜合研判了月震、潮汐、地震、數(shù)值模擬及隕石化學(xué)等多種因素或證據(jù)，認(rèn)為火星地幔是活動的。

月球上的深源地震位于月球地幔內(nèi)部，深度約為500-1000千米，具有明顯的周期性，是地球-月球的潮汐引力作用的結(jié)果?；鹦怯袃蓚€衛(wèi)星，即火衛(wèi)一Phobos和火衛(wèi)二Deimos?，F(xiàn)有研究表明火星及其衛(wèi)星之間亦存在較強(qiáng)的潮汐引力作用。前述火星震事件位于地幔內(nèi)部，如圖3所示，未發(fā)現(xiàn)這些火星震事件有較為明顯的周期性。

地球上約90%以上的地震位于板塊邊界，主要是板塊運(yùn)動等構(gòu)造活動引起的。而火星被認(rèn)為是單一板塊的行星，因而探測其成因可能要從發(fā)生在地球板塊內(nèi)部10%的板內(nèi)地震得到啟示，地球上板內(nèi)地震的主要原因是板內(nèi)火山活動或地下流體遷移。地球上，火山地震發(fā)生頻繁，有時伴隨著火山噴發(fā)。與此相似，前述的相似火星震位于埃律西昂平原的埃律西昂火山（Elysium Mons）附近，這些相似的火星震是否由火星的火山或其下方巖漿活動引起的？

夏威夷群島是火山噴發(fā)形成的，其下方存在來自下地幔的熱柱（稱作地幔柱）。其中冒納凱阿火山（Mauna Kea）是夏威夷第一大火山，海拔4205米，呈圓錐形，是從水深5998米的太平洋底部聳立起來的，最大高差是10203米。冒納凱阿火山下方的火山地震存在“深源、低頻、重復(fù)”等特征。夏威夷深部地幔熱柱的結(jié)構(gòu)特征與火山地震的特征均與火星震特征高度相似，即埃律西昂火山（Elysium Mons）下方是火星兩大地幔柱之一，且火星震的特征亦是“深源、低頻、重復(fù)”。這些高度相似的特征為揭開這一類火星震的成因機(jī)制提供了解鎖相似火星震成因的鑰匙。

該研究進(jìn)一步搜集了隕石化學(xué)和數(shù)值模擬的證據(jù)，均支持上述火星震成因。在非洲西北部被發(fā)現(xiàn)的7034/7533火星隕石從化學(xué)成分角度指示了原始的和對流的地幔，鋯石年齡呈雙峰分布（4.3 Ga和1548-299.5 Ma），支持了火星地幔中長期存在巖漿活動。研究認(rèn)為這一隕石來自火星兩個地幔柱區(qū)域塔爾西斯（Tharsis）或埃律西昂（Elysium）。如果這塊隕石來自埃律西昂，那么，它離火星震區(qū)域的距離約為600-1000千米。此外，撞擊坑年齡將埃律西昂地區(qū)的巖漿活動時限推到距今約10 Ma，數(shù)值模擬結(jié)果顯示火星地幔內(nèi)的巖漿活動可以持續(xù)至現(xiàn)今。多學(xué)科的綜合證據(jù)則支持了本研究新發(fā)現(xiàn)的火星震是火星地幔內(nèi)部巖漿遷移引起的，即揭示了火星地幔是活動的，動力學(xué)過程的示意圖如圖4所示。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、地質(zhì)地球所重點(diǎn)部署項(xiàng)目等的支持。

論文鏈接

圖1.（A）火星InSight著陸區(qū)地質(zhì)簡圖。藍(lán)色三角是火星InSight地震儀，黑色為兩個清晰火星震事件的位置；（B、C）火星震S0173a和S0235b兩個事件的0.1-0.8Hz帶通濾波后的波形，圖中給出了兩個事件到InSight地震臺站的距離，藍(lán)色線和紅色線標(biāo)示了P波和S波震相到時。

圖2.模板匹配發(fā)現(xiàn)的新的火星震的例子。圖A-D的模板為S0173a火星震事件，圖E-H以S0235b火星震事件為模板，圖A-B和圖E-F中的紅色虛線為匹配成功與否的標(biāo)準(zhǔn)，黑線為匹配的相關(guān)程度，MF01-MF02和MF14-MF15為探測到的新的火星震事件，其波形匹配如圖C-D和圖G-H所示，紅色實(shí)線為含有火星震標(biāo)志信息的波形序列，黑色實(shí)線為連續(xù)記錄的波形，右上角標(biāo)示了二者之間的相關(guān)系數(shù)。

圖3.成功匹配的火星震事件的分布，橫軸為火星InSight著陸區(qū)的當(dāng)?shù)貢r間，縱軸為火星日，兩條灰色的粗線為火星上日出和日落時間。

圖4.火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與過程的示意圖。

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