地質地球所等揭示火星地幔是活動的

　　近年來，國際上實施了InSight火星探測計劃（Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport，地震、大地測量和熱傳導內部探測）。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，通過機械手臂完成SEIS的地表布設任務。火星地震儀SEIS有三個寬頻帶傳感器和三個短周期傳感器，每天可發回約38 MB的火星地震（以下簡稱火星震）記錄數據。SEIS的科學目標是探測火星內部的地震活動性、約束火星內部結構、物質成分及動力學過程。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團隊利用若干個較高信噪比的火星震事件探究了火星的殼-幔-核結構，但未回答人們更關注的火星地幔是否對流或活動這一科學問題。

　　中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗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、數值模擬、撞擊坑年齡及隕石化學等多種因素或證據，揭示了現今火星地幔是流動的（mobile）或動力學活動的（dynamically active）。

　　圖1A中藍色三角為InSight著陸地點以及火星地震儀布設位置，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），該地區有數條狹長的裂縫，并伴有較大規模的滑坡。根據滑坡引起滾石滾動留下的痕跡，前人研究推測火星上曾發生7.5級火星震。科柏洛斯槽溝（Cerberus 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500米。該地區西北側數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的噪聲較強等因素，依靠傳統地震識別方法可以識別的火星震數量較為有限，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上，研究利用模板匹配方法在連續波形中搜尋新的火星震事件。研究將這9個火星震標志性信息涉及的波形序列片段與火星地震儀記錄的連續波形進行比對，若比對成功后者即可被認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展示新發現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中紅色實線為具有標志性信息的波形序列片段，黑色實線是連續的波形，圖2A-B與圖2E-F中紅色虛線為匹配成功與否的標準，即紅色虛線之上為匹配成功。

　　該研究發現了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，且晝夜發生。這些檢測到的事件通常與模板事件發生在相同位置或相近位置。匹配S0173a事件的火星震數量為11個，匹配S0235b事件的火星震有34個，這或說明火星內部結構和構造應力非常不均一。這一類型的火星震事件具有三個明顯特點，即頻率低、震源位于火星地幔內、重復發生。

　　上述探測到的重復或相似的火星震是否具有火星內部結構與過程上的指示意義？研究運用比較行星學方法，綜合研判了月震、潮汐、地震、數值模擬及隕石化學等多種因素或證據，認為火星地幔是活動的。

　　月球上的深源地震位于月球地幔內部，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果。火星有兩個衛星，即火衛一Phobos和火衛二Deimos。現有研究表明火星及其衛星之間亦存在較強的潮汐引力作用。前述火星震事件位于地幔內部，如圖3所示，未發現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，主要是板塊運動等構造活動引起的。而火星被認為是單一板塊的行星，因而探測其成因可能要從發生在地球板塊內部10%的板內地震得到啟示，地球上板內地震的主要原因是板內火山活動或地下流體遷移。地球上，火山地震發生頻繁，有時伴隨著火山噴發。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”等特征。夏威夷深部地幔熱柱的結構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”。這些高度相似的特征為揭開這一類火星震的成因機制提供了解鎖相似火星震成因的鑰匙。

　　該研究進一步搜集了隕石化學和數值模擬的證據，均支持上述火星震成因。在非洲西北部被發現的7034/7533火星隕石從化學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。研究認為這一隕石來自火星兩個地幔柱區域塔爾西斯（Tharsis）或埃律西昂（Elysium）。如果這塊隕石來自埃律西昂，那么，它離火星震區域的距離約為600-1000千米。此外，撞擊坑年齡將埃律西昂地區的巖漿活動時限推到距今約10 Ma，數值模擬結果顯示火星地幔內的巖漿活動可以持續至現今。多學科的綜合證據則支持了本研究新發現的火星震是火星地幔內部巖漿遷移引起的，即揭示了火星地幔是活動的，動力學過程的示意圖如圖4所示。

　　相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院青年創新促進會、地質地球所重點部署項目等的支持。

　　論文鏈接 

　　圖1.（A）火星InSight著陸區地質簡圖。藍色三角是火星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，藍色線和紅色線標示了P波和S波震相到時。

　　圖2.模板匹配發現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準，黑線為匹配的相關程度，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，紅色實線為含有火星震標志信息的波形序列，黑色實線為連續記錄的波形，右上角標示了二者之間的相關系數。

圖3.成功匹配的火星震事件的分布，橫軸為火星InSight著陸區的當地時間，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.火星內部結構與過程的示意圖。