Science：火星壳的厚度和结构

Science：火星壳的厚度和结构

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。

行星壳见证了行星形成和演化的历史。行星壳的形成是地幔分异和随之而来的岩浆作用的结果，包括可能持续到现今的地幔储库的部分熔融过程。以火星为例，火星陨石坑记录表明大部分火壳形成于火星历史早期，并伴随有大量的岩浆活动。在岩浆洋初期结晶以及后期部分熔融过程中，不相容物质组分，包括生热元素和挥发物等逐渐在火星壳中富集。因此，对火星壳厚度和结构的认识可以为火星如何分异、不相容元素在硅酸盐储层中的分配，以及火星的热和岩浆演化历史等重要科学问题提供基本约束。

目前，火星壳厚度和密度还缺乏绝对测量。早期对火星壳厚度及其空间变化的估计大都通过对重力和地形之间的关系建模获得。假设火星壳密度在2700-3100kg/m3范围变化，由艾里均衡假设可以估算火星壳的平均厚度为57±24km。最近对火星表面元素的丰度以及火星陨石主元素的化学分析表明，火星壳可能相当致密，其密度值接近3300kg/m3。

在“洞察号”火震资料对火星内部结构揭秘的系列文章中，Knapmeyer-Endrun et al.(2021)探讨了火星壳的厚度问题。利用单台记录的火星震信号和环境噪声波形，基于地震学领域广泛使用的接收函数和波形自相关等方法，反演获得了“洞察号”着陆器下方的火星壳厚度和结构。结果表明：观测与具有至少两个或者三个界面的模型一致（图1）。如果第二界面为火星壳边界，则火星壳的厚度为20±5km；而如果第三个界面为边界，则厚度为39±8km。结合火星全球重力和地形数据，他们还外推给出了整个火星壳的平均厚度在24-72km之间。

图1 利用接收函数方法获得的火星壳结构（Knapmeyer-Endrun et al., 2021)。（A）和（B）为基于两层模型参数的反演结果及主要震相的传播路径示意；（C）和（D）为基于三层模型参数的反演结果和射线路径。P波和S波传播路径分别用黑线和红线表示

考虑到单台火震仪的局限性，为提高着陆器下方火星壳厚度和结构反演的可靠性，Knapmeyer-Endrun et al.（2021）基于数据选取时窗、滤波频段、旋转角度等相关参数和反褶积方法，采用9种不同的接收函数计算（或处理）方法，分别计算了3个高信噪比火星震事件（S0183a, S0173a 和S0235b, 见图2）的接收函数(图3)。

图2 火星震事件S0235b三分向波形记录（Knapmeyer-Endrun et al., 2021)

为了验证速度模型有效性，作者使用火震事件S0235b基于点源模型的震源机制，采用两层速度模型，分别计算了火星壳底部深度位于80km和24km的理论地震图，并同实际观测波形比较，结果表明（图4）：采用火星壳底部深度位于24km的速度模型的理论和实测波形拟合效果更好，特别是S波部分。为交叉验证火星壳模型的精确性和合理性，作者还利用火星震波形和环境噪声数据，使用波形自相关法计算了火星震垂直向自相关函数，在5-6s、10-11s、20-21.5s时段能量最大值均可用接收函数反演获得的速度模型较好地预测。这些能量最大值可解释为P波在火星壳内的多次反射波。

最后，作者使用“洞察号”探测器着陆点下方火星壳厚度和重力场作为约束条件，在全球范围内对火星壳厚度进行了反演。他们预先采用了几种不同的火星幔和核密度模型，针对所有合理的火星壳密度构建了火星壳厚度模型。如果以薄火星壳模型为约束条件，则全球平均火星壳厚度预计在24-38km之间，火星壳最大密度为2850kg/m3（图5A）。对于厚火星壳模型，平均火星壳厚度在39-72km之间，最大允许密度为3100kg/m3（图5B）。

图3 接收函数方法提取的转换震相实测和理论比较（Knapmeyer-Endrun et al., 2021)。(A) 事件（S0183a、S0173a 和 S0235b）的 P-to-S 接收函数及其均值。编号（1、2、3）对应于图1（B）和图1（D）所示震相。不同方法计算的接收函数用黑线表示，用于模型反演的两个接收函数数据集以蓝绿线表示。(B) 低频（LF）滤波下不同方法计算的实测接收函数均值和两层或三层速度模型模拟的理论接收函数比较。数据在顶部以黑线显示，实线部分代表反演中使用的时窗。红色实线和虚线显示反演方法 A生成的理论接收函数合成结果，而蓝色实线和虚线显示了基于反演方法B得到的5000个最佳结果生成的平均理论接收函数。(C) 与 (B) 类似，但用于高频 (HF) 滤波下计算的接收函数

图4 不同速度模型的波形正演（Knapmeyer-Endrun et al., 2021)。两层速度模型，其中Moho深度为80km（红线）和24km（蓝线）

由火震观测获得的火星壳相对较薄，或者至少比一些早期的预测更薄，这为火星壳生热和火星硅酸盐分异程度提供了新的约束（图5）。全球平均火星壳厚度与研究中给出的厚火星壳地震模型一致，意味着火星壳中生热元素的含量是原始地幔的13倍，与55%-70%的火星生热元素聚集在火星壳中一致。相比之下，薄火星壳模型需要的火星壳生热元素含量要比原始地幔高约21倍，这比火星壳表层的伽马射线光谱数据估计的值要高两倍以上，表明存在一种机制让地壳下部能够有效富集包括生热元素在内的不相容元素。只是目前的研究还不足以排除任何一种火星壳模型的可能性。

图5 薄火星壳和厚火星壳模型的火星化学和火星动力学意义的示意图解释（Knapmeyer-Endrun et al., 2021)。为了匹配火星动力学约束，在薄火星壳模型（A）中需要丰富的生热元素（HPE），以不同颜色表示，密度则较低；而厚火星壳模型（B）生热元素丰度与表面一致

主要参考文献

Clinton J F, Ceylan S, van Driel M, et al.The Marsquake catalogue from InSight, sols 0 – 478[J]. Physics ofthe Earth and Planetary Interiors, 2021, 310: 106595.

Giardini D, Lognonn é P, Banerdt W B, et al. The seismicity of Mars[J]. NatureGeoscience, 2020, 13(3): 205-212.

Khan A, Ceylan S, van Driel M, et al. Upper mantle structure of Marsfrom 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：赵旭，李娟/地星室）