Science：火星殼的厚度和結構

Science：火星殼的厚度和結構

導言：2018年11月26日，洞察號（Insight）火星探測器成功着陸於火星赤道附近。本次探測任務的最大亮點是在火星表面佈設了首臺火震儀SEIS，開啓了人類對火星內部結構直接探測的新篇章。經過兩年多的運行，SEIS記錄到了數百次有效火震信號，其中震級2-4級的火震事件近50次。經過國際多個科研團隊的通力合作，今年7月23日Science連續刊發了三篇文章（Khan et al., 2021; Knapmeyer-Endrun et al.,2021; Stahler et al., 2021），逐一揭秘火星殼、火星幔和火星核的神秘面紗，人們終於第一次“看到”包括火核在內的火星內部結構，對火星內部的物質組成也有了新的認識。該系列成果的發表具有里程碑式的重要意義。

行星殼見證了行星形成和演化的歷史。行星殼的形成是地幔分異和隨之而來的岩漿作用的結果，包括可能持續到現今的地幔儲庫的部分熔融過程。以火星爲例，火星隕石坑記錄表明大部分火殼形成於火星曆史早期，並伴隨有大量的岩漿活動。在岩漿洋初期結晶以及後期部分熔融過程中，不相容物質組分，包括生熱元素和揮發物等逐漸在火星殼中富集。因此，對火星殼厚度和結構的認識可以爲火星如何分異、不相容元素在硅酸鹽儲層中的分配，以及火星的熱和岩漿演化歷史等重要科學問題提供基本約束。

目前，火星殼厚度和密度還缺乏絕對測量。早期對火星殼厚度及其空間變化的估計大都通過對重力和地形之間的關係建模獲得。假設火星殼密度在2700-3100kg/m3範圍變化，由艾裡均衡假設可以估算火星殼的平均厚度爲57±24km。最近對火星表面元素的丰度以及火星隕石主元素的化學分析表明，火星殼可能相當緻密，其密度值接近3300kg/m3。

在“洞察號”火震資料對火星內部結構揭秘的系列文章中，Knapmeyer-Endrun et al.(2021)探討了火星殼的厚度問題。利用單臺記錄的火星震信號和環境噪聲波形，基於地震學領域廣泛使用的接收函數和波形自相關等方法，反演獲得了“洞察號”着陸器下方的火星殼厚度和結構。結果表明：觀測與具有至少兩個或者三個界面的模型一致（圖1）。如果第二界面爲火星殼邊界，則火星殼的厚度爲20±5km；而如果第三個界面爲邊界，則厚度爲39±8km。結合火星全球重力和地形數據，他們還外推給出了整個火星殼的平均厚度在24-72km之間。

圖1 利用接收函數方法獲得的火星殼結構（Knapmeyer-Endrun et al., 2021)。（A）和（B）爲基於兩層模型參數的反演結果及主要震相的傳播路徑示意；（C）和（D）爲基於三層模型參數的反演結果和射線路徑。P波和S波傳播路徑分別用黑線和紅線表示

考慮到單臺火震儀的侷限性，爲提高着陸器下方火星殼厚度和結構反演的可靠性，Knapmeyer-Endrun et al.（2021）基於數據選取時窗、濾波頻段、旋轉角度等相關參數和反褶積方法，採用9種不同的接收函數計算（或處理）方法，分別計算了3個高信噪比火星震事件（S0183a, S0173a 和S0235b, 見圖2）的接收函數(圖3)。

圖2 火星震事件S0235b三分向波形記錄（Knapmeyer-Endrun et al., 2021)

爲了驗證速度模型有效性，作者使用火震事件S0235b基於點源模型的震源機制，採用兩層速度模型，分別計算了火星殼底部深度位於80km和24km的理論地震圖，並同實際觀測波形比較，結果表明（圖4）：採用火星殼底部深度位於24km的速度模型的理論和實測波形擬合效果更好，特別是S波部分。爲交叉驗證火星殼模型的精確性和合理性，作者還利用火星震波形和環境噪聲數據，使用波形自相關法計算了火星震垂直向自相關函數，在5-6s、10-11s、20-21.5s時段能量最大值均可用接收函數反演獲得的速度模型較好地預測。這些能量最大值可解釋爲P波在火星殼內的多次反射波。

最後，作者使用“洞察號”探測器着陸點下方火星殼厚度和重力場作爲約束條件，在全球範圍內對火星殼厚度進行了反演。他們預先採用了幾種不同的火星幔和核密度模型，針對所有合理的火星殼密度構建了火星殼厚度模型。如果以薄火星殼模型爲約束條件，則全球平均火星殼厚度預計在24-38km之間，火星殼最大密度爲2850kg/m3（圖5A）。對於厚火星殼模型，平均火星殼厚度在39-72km之間，最大允許密度爲3100kg/m3（圖5B）。

圖3 接收函數方法提取的轉換震相實測和理論比較（Knapmeyer-Endrun et al., 2021)。(A) 事件（S0183a、S0173a 和 S0235b）的 P-to-S 接收函數及其均值。編號（1、2、3）對應於圖1（B）和圖1（D）所示震相。不同方法計算的接收函數用黑線表示，用於模型反演的兩個接收函數數據集以藍綠線表示。(B) 低頻（LF）濾波下不同方法計算的實測接收函數均值和兩層或三層速度模型模擬的理論接收函數比較。數據在頂部以黑線顯示，實線部分代表反演中使用的時窗。紅色實線和虛線顯示反演方法 A生成的理論接收函數合成結果，而藍色實線和虛線顯示了基於反演方法B得到的5000個最佳結果生成的平均理論接收函數。(C) 與 (B) 類似，但用於高頻 (HF) 濾波下計算的接收函數

圖4 不同速度模型的波形正演（Knapmeyer-Endrun et al., 2021)。兩層速度模型，其中Moho深度爲80km（紅線）和24km（藍線）

由火震觀測獲得的火星殼相對較薄，或者至少比一些早期的預測更薄，這爲火星殼生熱和火星硅酸鹽分異程度提供了新的約束（圖5）。全球平均火星殼厚度與研究中給出的厚火星殼地震模型一致，意味着火星殼中生熱元素的含量是原始地幔的13倍，與55%-70%的火星生熱元素聚集在火星殼中一致。相比之下，薄火星殼模型需要的火星殼生熱元素含量要比原始地幔高約21倍，這比火星殼表層的伽馬射線光譜數據估計的值要高兩倍以上，表明存在一種機制讓地殼下部能夠有效富集包括生熱元素在內的不相容元素。只是目前的研究還不足以排除任何一種火星殼模型的可能性。

圖5 薄火星殼和厚火星殼模型的火星化學和火星動力學意義的示意圖解釋（Knapmeyer-Endrun et al., 2021)。爲了匹配火星動力學約束，在薄火星殼模型（A）中需要豐富的生熱元素（HPE），以不同顏色表示，密度則較低；而厚火星殼模型（B）生熱元素丰度與表面一致

主要參考文獻

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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：趙旭，李娟/地星室）