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利用美国“洞察”号数据,研究者获火星地下200米深处影像

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火星表面的“洞察”号 图源:美国宇航局官网

利用美国宇航局“洞察”号(InSight)任务采集的地震数据,研究人员首次解析火星浅层地下至约200米的深度。
他们获得了火星埃律西昂平原(Elysium Planitia)地下约200米深处的次表层影像,了解熔岩流之间夹着一层浅浅的沉积层。这一结果增进了我们对火星地质历史的认识。
相关论文发表在国际知名学术期刊《自然-通讯》上,标题为“The shallow structure of Mars at the InSight landing site from inversion of ambient vibrations”。
“火星一直是大量行星科学任务的目标,包括飞越、轨道飞行器、着陆器和漫游车,这些任务侧重于其表面、大气遥感以及地表地质化学和矿物学。”参与研究的苏黎世联邦理工学院博士Cédric Schmelzbach和其同事表示。
2018年11月26日,“洞察”号火星探测器降落在火星的埃律西昂平原地区,这是首个深入研究火星“内部空间”的探测器。
“洞察”号的英文名“InSight”是使用地震调查(Seismic Investigations)、大地测量(Geodesy)和热传输(Heat Transport)进行内部探索(Interior Exploration)的缩写,其旨在对这颗红色星球进行自 45 亿年前形成以来的首次彻底探查。
“洞察”号有一个非甚宽带地震仪——SEIS。“SEIS持续运行,主要目标是探测地震,以量化火星地震活动并推断火星的所有尺度的内部结构。”Schmelzbach表示。
为什么要研究火星内部结构?因为这有助于回答40亿多年前太阳系中岩石行星(水星、金星、地球和火星)以及岩石系外行星早期形成的关键问题。与其他类地行星相比,火星不太大也不太小。这意味着其保留了其形成的记录,可以让我们深入了解类地行星是如何形成的。
此项研究中,Schmelzbach和同事利用SEIS地震数据分析了埃律西昂平原,这是火星赤道以北的平坦平原。
地震波穿过行星内部的不同物质时,其速度和形状各不相同。火星上的这些变化为地震学家提供了一种研究行星内部结构的方法。
他们用这些数据分析了深度达200米的浅次表层,发现该地区有一个浮土层,主要为沙质,约3米厚,它的下面有一层约15米厚的粗糙块状喷出物(陨石撞击后被喷出又落回表面的岩石块)。在这些表层之下,他们发现了厚约150米的熔岩流,与预期的次表层结构基本一致。作者利用当前文献中的撞击坑计数进行了测年,发现浅层的熔岩流大约有17亿年的历史,形成于亚马逊纪(Amazonian period)。亚马逊纪是火星上的一个地质时代,其特征是陨石和小行星撞击率低,以及大约30亿年前开始的寒冷、极度干旱条件 .
而更深的熔岩流形成更早,可追溯到36亿年前的西方纪(Hesperian period),其特征是广泛的火山活动。
在熔岩流之间,从大约30米的深度开始,研究者还发现了一个30-40米厚的地层,其地震速度较低,提示其中沉积物质的硬度不如更硬的玄武岩层。他们认为,这个地层可能由夹在西方纪和亚马逊纪玄武岩之间的沉积物组成,或是由亚马逊纪玄武岩本身的沉积物组成。
“这些结果有助于更好地了解火星埃律西昂平原的地质过程,与着陆前模型相比,这对于未来的着陆任务也很有价值,因为它有助于完善预测。”参与此项研究的科隆大学Bensberg天文台博士Knapmeyer-Endrun表示,“例如,需要了解浅层地下的特性来评估其承载能力和火星车的通行能力。”“此外,浅层地下分层的细节有助于了解其中可能仍然含有地下水或冰的位置。”
今年7月,研究者利用“洞察”号的数据在知名学术期刊《科学》上发表了三篇论文,提供了有关火星地壳、地幔和地核的深度和组成的详细信息,包括确认火星的中心是熔融的。
研究者发现,火星的地壳比预期的要薄,可能有两到三个子层。如果是两个子层,则深度可达20公里,如果有三个,则可达37公里。下面是火星的地幔,它延伸了1560公里。火星的核心的半径为1830公里。

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