Science：火星核的地震学探测

Science：火星核的地震学探测

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。

类地行星核处于行星内部的最深处，是深空探测领域最为神秘的区域；同时也是类地行星能量的策源地，不仅蕴含着类地行星早期演化的重要线索，也可以通过液态铁合金的对流产生磁场，对行星表面的环境产生重要影响（Stevenson, 2001; Stevenson, 2008）。作为一颗与地球非常相似的行星，火星的磁场可以追溯到45亿年前，一直到35亿年左右逐渐消亡（Mittelholz et al., 2020），而这与火星早期可能存在生命密切相关（Thomas-Keprta et al., 2001）。火星磁场如何产生，又如何消亡？火星是否曾经有过宜居环境？要回答这些重要科学问题，很大程度上依赖于人们对火星核的结构、物质组成与动力学的深入认识。

在“火星核的地震学探测”一文中，Stahler等通过对6个高信噪比火震事件波形记录的分析，成功提取出火星核上的反射地震波，确凿无疑给出火核存在的证据，并对火星液态外核半径和密度给出了迄今最为准确的约束。

研究工作的数据基础在于核幔边界反射的ScS震相的确认和拾取。ScS波是一种横波，无法在液体中传播，当遇到液态的火星核时，核幔边界就像偏振滤波器一样，将水平向振动的入射S波向上反射，被布设在表面的SEIS火震仪记录到。由于数据的稀缺和珍贵性，作者们利用多种方法交叉验证了ScS震相。图1展示了一次高质量火震事件的波形记录，在初至到来后的~350s左右存在一个能量团，对应着ScS地震波的到来。借助于Khan et al. （2021）提供的火幔速度模型，他们把火星核的半径约束在1770-1890km的范围。

Stahleret al. （2021）进一步采用地震学建模、地球物理建模和地球动力学建模三种方法，对拾取的多种体波到时（包括ScS、P、S及PP、SS、PPP和SSS等）进行反演，得到了火星幔和火星核的纵波、横波速度随深度变化剖面（图2A）。由于后两种方法利用了矿物物理数据，其反演结果不仅具有明显更小的不确定度（图2A和图2B），而且还能对火星核的密度进行约束（图2C）。结合三种建模方法结果，并参考火星重力和卫星轨道测量数据，作者给出火星核的尺寸为1830±40km，火星核的密度为5.7-6.3g/cm 3 （图2C）。

图1 火核反射的ScS波信号处理和拾取过程（Stahler et al., 2021）。（A）火震S0173a的波形记录和叠加后的包络线；（B) 6个事件对应的极化滤波后的能谱图，蓝色和绿色三角分别指代利用文中的方法预测和最终拾取的ScS到时；（C）对5000种模型计算得到的ScS震相能量分布；（D) 对多种模型预测的ScS到时和观测到时的差值

图2 火星幔和火星核结构（Stahler et al., 2021）。（A）反演得到的火星P波、S波速度结构；（B) 计算和观测到的体波走时残差；（C）火核性质，包括和火核半径和密度分布，图中还给出火核中轻元素（如S，O、H和C）不同占比情况下的核密度

Stahleret al. （2021）给出的火星核要明显大于前人的早期估计（约1300-1600km）（Stevenson, 2001），相比于近期研究（约1700-1900km）也更精确地厘定了火星核的大小（Smrekar et al., 2019），因而对于火星核成分和火星幔矿物组成也有了更强的约束。如图2C和图3所示，与新的火星核大小和密度数据相对应，火星核不仅应该有更大量的轻元素，而且很可能有O、H、C等轻元素，这将导致熔点降低，因此火星形成固态内核的可能性也会大大降低。但此次SEIS火震数据并不能明确判定火星内核的存在与否。另外，Stahler et al. （2021）的建模表明，与火星核新的尺寸相适应，火星核幔边界大约位于1520-1600km，此处对应的温压条件约为1900-2000K和18-19GPa，比照地幔的成分和结构，作者认为火幔应当只有上火幔和火幔过渡带，而不足以支持后者林伍德石向布里奇曼石的转变，因而可能没有下火幔。这些推论对于火星核和幔的动力学过程、火星热演化和火星磁场等都具有重要的启示意义。

图3 新的火星核密度数据对火星核成分的约束（见Stahler et al., 2021附件）

最后，Stahler et al. （2021）勾勒出了火星内部结构示意图（图4）。由于具有更大的火星核，如果将相关火震事件以及相对年轻活跃的Tharsis高原位置投影到该图上，可以看到火星表面很多地区都处于SEIS火震仪不能观测的所谓“核阴影区”。这既解释了本次研究所拾取的能携带火星核信息的火震信号的稀缺性，也为未来火震仪的布设提供了重要参考。

洞察号火星探测器此次仅布设了单台火震仪，所能提供的有关火星核的信息较为有限，因此与火星核有关的问题仍然有待进一步研究。例如，火星是否存在固态内核以及其内核尺寸如何？火星核的密度是否能更精确地约束等等。在此基础上，火星核的成分、火星热和动力学演化等终极问题也有待更深入的探讨。未来随着包括中国在内的世界各航天科技强国火星探测任务的陆续开展，这些问题将会有更多更有力的约束。而对火星演化、特别是火星磁场产生与消亡机制、火星宜居环境变化的深刻理解，无疑也将大大促进人们对赖以生存的地球的演化规律的认知。

主要参考文献

Khan A, Ceylan S, van Driel M, et al. Uppermantle structure of Mars from 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.

Mittelholz A, Johnson C L, Feinberg J M, et al. Timing of themartian dynamo: New constraints for a core field 4.5 and 3.7 Ga ago[J]. Scienceadvances, 2020, 6(18): eaba0513.

Smrekar S E, Lognonn é P, Spohn T, et al. Pre-mission InSights on the interior of Mars[J].Space Science Reviews, 2019, 215(1): 1-72.

Stahler S C, Khan A, Banerdt W B, et al. Seismic detection of themartian core[J]. Science, 2021, 373(6553): 443-448.

Stevenson D J. Mars' core and magnetism[J]. Nature, 2001, 412(6843):214-219.

Stevenson D J. A planetary perspective on the deep Earth[J]. Nature,2008, 451(7176): 261-265.

Thomas-Keprta K L, Clemett S J, Bazylinski D A,et al. Truncated hexa-octahedral magnetite crystals in ALH84001: presumptive biosignatures[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2001, 98(5):2164-2169.

（撰稿：张志刚，李娟/地星室）