火星上的波场模拟。对火星表面波的首次观测揭示了火星地壳的细节。Kim等人，(2022)科学。来源:苏黎世联邦理工学院/ Doyeon Kim, Martin van Driel和Christian Boehm
在两颗大型陨石撞击火星后，研究人员首次观察到地震波在地球以外的行星表面传播。
苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)火星地震服务中心的研究人员一直在研究来自美国宇航局(NASA)洞察号(InSight)任务地震仪在一颗邻近行星上的数据。三年多来，在火星上发现的唯一地震波是那些从每次地震的震源或震源穿过地球深处的地震波。然而，科学家们一直希望发生一种事件，也会导致波浪在整个行星表面移动。2021年12月24日，一颗陨石撞击火星，产生了他们一直渴望的那种表面波，终于回报了他们的等待。
地震测量的非典型特征促使研究人员假设震源在地表附近，因此他们联系了正在研究火星探测器的同事。火星勘测轨道飞行器于2021年12月下旬拍摄的图像显示，在距离洞察号3500公里处有一个巨大的撞击坑。
波场模拟标记。Kim等人，(2022)科学。资料来源:苏黎世联邦理工学院，Doyeon Kim, Martin van Driel和Christian Boehm
苏黎世联邦理工学院地球物理研究所的地球物理学家和高级研究科学家Doyeon Kim说:“这个位置与我们对震源的估计非常吻合。”金是最近发表在《科学》杂志上的一项研究的主要作者。研究人员还能够确定距离洞察号不到7500公里(约5000英里)的陨石撞击是第二次非典型地震的来源。
每次地震的震源都在地表，因此除了产生类似早期震源较深的火星地震的地震体波外，它们还发出沿地球表面传播的波。
“这是第一次在地球以外的星球上观测到地震表面波。甚至阿波罗登月计划也没有做到这一点，”金说。
地震表面波对研究人员如此重要的原因是，它们提供了有关火星地壳结构的信息。地震体波在地震中穿过火星内部，迄今为止，它提供了对火星内核和地幔的深入了解，但对着陆器本身以外的地壳却知之甚少。
令人惊讶的结果
金解释说:“到目前为止，我们对火星地壳的了解只是基于洞察号着陆器下的单点测量。”表面波分析的结果使他吃惊。平均而言，撞击地点和洞察号地震仪之间的火星地壳具有非常均匀的结构和高密度。然而，在着陆器正下方，研究人员此前探测到三层地壳，这意味着密度较低。
这些新发现非常引人注目，因为行星的地壳提供了关于行星如何形成和演化的重要线索。由于地壳本身是地幔早期动态过程和随后的岩浆过程的结果，它可以告诉我们数十亿年前的条件和撞击的时间轴，这在火星早期特别常见。
Kim解释了如何进行新的测量，“表面波传播的速度取决于它们的频率，而频率又取决于它们的深度。”通过测量不同频率地震数据中速度的变化，可以推断出速度在不同深度的变化，因为每个频率对不同深度都很敏感。这为估计岩石的平均密度提供了基础，因为地震速度也取决于地震波所经过的材料的弹性特性。这些数据使研究人员能够确定火星表面以下大约5到30公里深处的地壳结构。
更大的地震速度
那么，为什么最近观测到的表面波的平均速度比根据早期火星洞察号着陆器下的点测量所预期的要高得多?这主要是由于地表岩石，还是其他机制在起作用?一般来说，火山岩往往比沉积岩表现出更高的地震速度。此外，两次陨石撞击和测量地点之间的路径经过火星北半球最大的火山区域之一。
熔岩流和火山过程产生的热量造成的孔隙空间的封闭会增加地震波的速度。“另一方面，洞察号着陆点下方的地壳结构可能是以一种独特的方式形成的，也许是在30多亿年前的一次大型陨石撞击中，物质被喷射出来的。这意味着着陆器下面的地壳结构可能不能代表火星地壳的一般结构，”Kim解释说。
解决火星二分法的谜团
这项新研究也有助于解开一个延续了几个世纪的谜团。自从第一批望远镜对准火星以来，人们就知道火星南北半球之间存在着鲜明的对比。南半球的主要特征是被陨石坑覆盖的高原，而北半球大部分是平坦的火山低地，在地球早期历史中可能被海洋覆盖。这种南部高地和北部低地的划分被称为火星二分法。
苏黎世联邦理工学院地震学和地球动力学教授Domenico Giardini说:“就目前的情况来看，我们还没有一个普遍接受的二元解释，因为我们从来没有看到过地球的深层结构。”“但现在我们开始发现这一点。”最初的结果似乎推翻了火星二分法的一个广泛理论:北部和南部的地壳可能并不像人们经常假设的那样由不同的物质组成，而且它们的结构在相关深度可能惊人地相似。
一波漫长的等待
苏黎世联邦理工学院的研究人员预计很快会有进一步的结果。2022年5月，洞察号观测到迄今为止最大的火星地震，震级为5级。它还记录了这一浅层事件产生的地震表面波。这发生得很及时，因为洞察号的任务很快就要结束了，因为着陆器的太阳能电池板上覆盖着灰尘，而且它的电力即将耗尽。对数据的初步分析证实了研究人员从其他两次陨石撞击中获得的发现。
“这太疯狂了。我们等待这些波已经很久了，现在，就在陨石撞击几个月后，我们观测到了这次产生了极其丰富的表面波的大地震。这些使我们能够看到地壳更深处，大约90公里的深度，”金说。
有关这项研究的更多信息，请参阅洞察号火星着陆器在红色星球上探测到令人惊叹的流星体撞击。
参考资料:“最近火星上最大的撞击坑:轨道成像和地面地震联合调查”由L. V. Posiolova, P. Lognonné， W. B. Banerdt, J. Clinton, G. S. Collins, T. Kawamura, S. Ceylan, I. J. Daubar, B. Fernando, M. Froment, D. Giardini, M. C. Malin, K. miljkoviic, S. C. Stähler, Z. Xu, M. E. Banks， É。Beucler, b·a·坎特c . Charalambous n . Dahmen p·戴维斯,m . Drilleau c·m·邓达斯·c·杜兰,f . Euchner r·f·加西亚·m·Golombek, a . Horleston c基冈,汗,d . Kim c . Larmat r·洛伦茨l . Margerin s Menina m .平移,c . Pardo c .佩兰w·t·派克,m . Plasman a . Rajš我ć,l·罗兰·e·鲁吉尔,g . Speth a . Spiga a·斯托特d·苏斯科n . a . Teanby a . Valeh a . Werynski n Wojcicka g . Zenhausern, 2022年10月27日,科学。DOI: 10.1126 / science.abq7704
