图1 火震仪记录到的火震事件(Khanet al., 2021)。(A)火震事件(S0235b)三分量宽带滤波波形记录(滤波频段:1.5-8 s);(B)能量包络线上可以看到P、PP、PPP、S、SS等多种震相
火星地震事件主要包括低频事件 (low-frequency event)和高频事件 (high-frequency event)。其中低频事件的震源主要分布于火星地幔内,包含穿透火星地幔的震相(图1),对于约束火星上地幔结构有重要意义。针对InSight火震仪运行两年以来记录到的8个高信噪比低频火震事件,Khan 等人采用三种方法,包括基于滤波器组拾取体波震相,基于偏正滤波和速度分析拾取体波震相以及基于波形匹配拾取体波震相的方法识别了这8个火震事件的直达P波、S波以及地表反射波(PP波、PPP波、SS波和SSS波)震相并提取其到时信息。利用所提取的火震到时信息,并结合火星地幔组分结构,Khan 等人约束了火星上地幔一维速度结构和地温梯度(图2)。
图2 火星上地幔结构(Khan et al., 2021)。(A)反演得到的P波和S波速度随深度变化剖面;(B)火星内部温度变化曲线。彩色和灰色标示的模型分别来自于地球物理和地震学反演;(C)研究中用到的8个火震事件射线路径图;(D)和(E)为图(A)中所有模型预测的体波震相到时和观测到时残差
研究发现,火星上地幔地震波速度总体随深度增加,但在400-600 km深度处存在S波低速层(图2A)。Khan 等人进一步通过实际观测到的火震S/P振幅比和理论计算,验证了火星上地幔S波低速层的存在。该低速层表明火星岩石圈盖层厚约400-600 km,而其下方为对流的地幔。随深度增加的温度给波速带来的影响超过了压力增大的作用,产生了这一明显的上地幔S波低速层。
Khan 等人将火星地幔地震学结构与火星热演化模型相结合,发现现今火星地壳中产热元素的富集程度是原始火幔的 13 到 20 倍。该估值要大于之前伽玛射线测量的地表热流值,表明火星地壳具有中等偏高的热流,对理解火星地壳成分及壳幔分异过程有重要意义。
主要参考文献
Khan A, Ceylan S, van Driel M, et al. Upper mantle structure of Mars from InSight seismic data[J]. Science, 2021, 373(6553): 434-438.(原文链接)
Knapmeyer-Endrun B, Panning M P, Bissig F, et al. Thickness and structure 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 the martian core[J]. Science, 2021, 373(6553): 443-448.
(撰稿:王新,李娟/地星室)