2018年11月26日，美国洞察号（Insight）火星探测器登陆火星赤道附近的埃律西昂平原（Elysium Planitia）。2019年2月底，火星地震仪（简称火震仪）布设完成，其研究任务包括探测火星内部的地震活动性、约束火星内部结构、物质成分及动力学过程。近期，Giardini et al.（2020）在Nature上发表了《The seismicity of Mars》一文，首次提供火星地震活动性、地震波传播和火星内部结构的证据。
一、研究成果概述
地震学研究地球和行星内部结构的基本步骤包括：第一步是检测事件与定位，第二步是利用事件震相走时或振幅开展内部结构的研究。Giardini et al.（2020）的主要研究成果包括以下三点：
（1） 截至2019年9月30日，火震仪一共检测到的174个火震事件，，主要包括两类：小震级 （<3.0）、高频率（6-12Hz）的事件，其在地壳内传播，数量150个，事件持续时长10-20分钟；Mw震级3-4的低频率（<1Hz）事件，震源位于地幔，数量24个，事件持续时长5-20分钟。
（2）上地幔可能存在S波低速度层。
（3）两个震级最大的事件位于Cerberus Fossae断裂附近。
二、火震事件的检测与定位
Giardini et al.（2020）确立三个准则来检测火震事件，即满足以下三个条件：（1）波形频率位于0.1-10Hz之间；（2）持续时间5-30分钟；（3）振幅略大于背景噪音的最低值。
图1显示了Sol 189事件，图1a为事件波形的时频分析图，图1b是0.357-0.83Hz频带的火震波形。Sol 189事件的频带是0.357-0.83Hz，持续时间长约17分钟，信号的振幅略大于背景噪音，满足上述原则即确定为火震事件。
图1 检测到的火震事件，编号S0189。（a）火震事件的时频分析及其放大显示，图中绿色虚线框给出了事件检测的指示；（b）火震事件波形，滤波频段是图1a中绿色框线所示的0.357-0.83 Hz（修改自Giardini et al., 2020）
在检测到火震事件后的第一件事情是确定其发生的位置。由于火星上仅有一台火震仪，火星的速度结构也不尽清楚，亦缺少其它信息如面波等，确定震源位置是很有挑战的。单台事件定位需要知道P波和S波震相走时差，以及震相的极性，由于火震事件信噪比差，在检测到的174个事件中，仅有两个事件（S0173a和S0235b）可以较准确确定其震中位置。
火震事件定位取决于速度模型和震相走时（图2）。火星速度模型存在很大的不确定性，采用不同的速度模型，其定位结果会存在较大差异。若地壳S波速度为4km/s时，S0264e事件的震中距为60°，而当地壳S波速度为0.7-1km/s时，S0264e事件的震中距则为10-15°（火星1°约为59.3km，地球1°约为111.2km）。
Giardini et al. （2020）共使用了2500个模型以保证最优模型空间的覆盖，这些模型是不同研究机构独立建立的，且满足质量、惯性矩（或转动惯量，moment of inertia）以及潮汐响应（tidal response）。特别地，这些模型也考虑了其它不同方法，如热演化模拟和反演，以及火星物质组成等。得益于两个高质量火震事件（图3绿色圆圈标注），即S0173a（S-P时差174±3s）和S0235b（S-P时差157±4s），可以观测到确定的P波和S波走时差，可以剔除60%的先验模型，最终使用2500个模型。
火震事件记录的信噪比低，震相走时的拾取的误差较大，可达到±10-60s，但对于高质量事件S0235b震相的拾取误差仅±2s。
综上原因，如Giardini et al. （2020）所述，这一研究中使用的事件信息在今后的工作中仍会被继续修正。
图2 火震事件定位使用的所有S波（上图）和P波（下图）模型（Giardini et al., 2020）
三、火星事件概览
图3给出了所有检测到的174个火震事件的时间分布。图3a是火震事件S0185a和S0185b的时频谱检测，该过程与上述图1展示的S0189检测过程相同。S0185a从低频地震记录的频谱信息中检测到，S0185b则是从高频地震记录频谱中检测到（Insight携带了6个地震传感器，包括3个高频和3个低频传感器）。因此，S0185a属于LF
（low frequency）事件，其震源位置位于地幔，而S0185b属于HF（high frequency）事件，其震源位于地壳，二者的发生时刻相隔约80分钟。
图3b是所有174个火震事件发生日期和时间分布。图3背景颜色代表波形的能量，蓝色表示波形能量低，即火星表面比较安静、噪音低，黄色代表波形的高能量，即火星表面噪音比较强。为了较为准确的拾取火震事件，仅挑选大多发生在安静时间段内满足上述三原则的作为火震事件。如图3所示，大部分火震事件发生夜间安静时段。该研究把火震事件按照质量分为ABCD四个等级，A等级最高，可清楚识别震相及其极性（振幅的正负），B级为中等质量，可清楚识别震相但不能识别极性，C级为低质量事件，可识别信号但不能拾取震相到时，D为微弱或疑似事件。在174个事件中，仅有2个属于A等级。
图3 （a）S0185a和S0185b事件检测；（b）174个火震事件的日期和时间分布。背景颜色代表噪声水平，事件三角形代表高频事件，震源位于地壳，方块代表低频事件，震源位于地幔。所有事件被划分为ABCD四个质量等级（修改自Giardini et al., 2020）
四、火星内部结构: 上地幔存在S波低速结构
图4中展示了三类振幅特征的火星事件，I） P波和S波振幅均清楚，II） P波振幅清晰，S波振幅不清晰，III） P波振幅模糊，S波振幅，其中第III类事件难以确定震中距（震源至火震仪之间的距离），其可能的原因是事件位置与火震仪距离更远。
图4中，震中距为25-30°和58-64°的火震事件均为第I类事件，而震中距40-50°之间的火震事件为第II类事件，即S波震相振幅很小或不清楚。Giardini et al. （2020）基于震中距大于30°的S波振幅降低，推测上地幔深于300km存在明显低速体或强衰减区域。但原文作者在文中说明上地幔存在S波低速结构的推论与图4a中更远距离的III类事件呈现强S波振幅的观测不符。
评述：图4a中，第II类事件的P波振幅清晰而且大于第I类事件振幅；第II类事件数量共计三个，其中两个事件的S波震相时间窗内存在毛刺（即振幅很大的野值），有可能影响S波震相的解读，但受毛刺影响的时长短于I类和III类S波震相包络持续时间。上地幔存在S波低速或强衰减之结论需更确定资料的验证。
图4 火震事件波形的包络。（a）未能确定震中距的火星事件；（b）按照震中距排列的火震事件 （修改自Giardini et al., 2020）
五、火震事件空间分布及启示
Giardini et al. （2020）确定了三个火震事件的震中位置，即S0235b, S0173a和S0183a（图5）。S0173a和S0235b事件震相的质量等级为A，其定位较为可靠。S0173a和S0235b事件震中位于Cerberus Fossae裂隙附近，这可能暗示火震事件可能是局部构造应力集中以及内部冷却引起的。目前火星内部结构的探测处于初期，震源机制可能另有解释，如陨石撞击、流体迁移等。
图5 定位的三个火星事件与Insight火震仪位置分布图（修改自Giardini et al., 2020）
评述：图5中，S0235b, S0173a事件震相质量评级为A，但S0183a质量评级为D（图3b），其信号起始时间Sol 183 2019-06-03T02:32:11。如前所述，质量评级D的事件为微弱或疑似事件，另外S0183a事件的震中距Insight台站的距离比S0235b, S0173a更远，因此S0183a事件的定位准确程度应以斟酌。
六、未来展望
月球Apollo计划和火星Insight项目获取的行星地震数据的信噪比均很低，原因可能如下：行星的地震活动性远远弱于有板块构造活动的地球，尽管有研究称月球和火星仍然处于活动状态；月球和火星浅地表的结构与物理性质可能与地球差异明显，如产生长时间的散射波；行星地震仪器性能指标、部署与地表耦合条件限制。为了更有效调查行星内部结构，相关研究可考虑上述因素，开展行星地震仪器研制和地震数据处理新方法的攻关研究。
【阅读提示：火震仪记录的数据信噪比低，原始火震波形通常未能清晰显示火震事件震相，原文作者在分析研究过程中优先使用频谱以及包络。因此，在该研究中这些拾取的震相被假定为初至波。】
主要参考文献
Giardini D, Lognonné P, Banerdt W B, et al. The seismicity of Mars[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(3): 205-212.（链接）
（撰稿：孙伟家/地星室）
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