地幔作为行星内部的关键层，记录了行星形成与演化的关键信息。地球因板块构造活跃，地幔长期受对流运动和圈层间物质循环影响，早期结构已被大幅重塑，难以追溯原始状态。相比之下，火星缺乏板块构造，地幔对流缓慢、混合有限，更可能保留其形成早期的信息。尽管陨石化学与同位素分析显示火星地幔存在显著异质性（Udry et al.,2020），但陨石样品提供的零散、间接信息难以揭示其一阶结构和全局性质。因此，火星地幔结构和性质及其与地球地幔的特征异同，一直是行星科学的重要研究内容。
美国InSight探测器于2018年11月成功着陆火星埃律西昂平原，其搭载的高灵敏度地震仪（SEIS）累计记录了1300余次火星地震事件，为开展火星地幔结构研究提供了宝贵观测数据。以往研究主要聚焦于火星一维分层结构及岩石圈异质性特征（e.g.,Khan et al.,2021;Lognonné et al.,2023;Menina et al.,2023;Samuel et al.,2023;Bi et al.,2025），而针对地幔异质性的探测未能取得突破。为此，需要在火星地震波数据分析上寻求思路。
地震波特征会随着频率的变化而改变，称为地震波频率依赖性。比如，在非均匀介质中传播的地震波会发生散射现象：当散射体尺度与地震波波长相当时，地震波到时和振幅会发生与频率相关的特征改变。这一特性使不同频率的地震波对不同尺度的结构具有不同敏感性。因此，利用地震波频率依赖性开展分析研究，长期以来一直是约束地球内部不同尺度结构变化的重要方法之一（e.g.,van der Meijde et al.,2003;Chen et al.,2006;Park et al.,2019;Wang et al.,2021）。在同等数据条件下，由于该方法与其他地震学方法相比能够更充分地利用数据、更有效地提取结构信息，因而对仅有单台或极少观测数据的行星与月球探测尤为重要。近年来，通过拓展思路和方法，地震波振幅的频率依赖性分析已被成功应用于火星浅表小尺度（百米-公里级）结构的垂向变化研究（Wang et al.,2025）以及火星地震的有效定位中（Wang et al.,2023）。
最近，地震波到时的频率依赖性分析思路也被拓展应用于火星内部结构探测，推动火星地幔异质性研究取得突破性进展。来自伦敦帝国理工学院、巴黎地球物理研究所和约翰斯·霍普金斯大学等机构的研究团队在《Science》期刊发表了这项最新成果（Charalambous et al.,2025）。研究团队通过分析InSight记录的火星地震P波到时随频率变化的特征，揭示火星地幔中广泛分布公里级“古老碎片”，并首次在行星尺度上证实了火星地幔的高度异质性。此次研究中，团队选取了8次高信噪比远震事件（震中距57°-126.7°，对应距离3400-7500 公里），重点分析其P波到时在2-10 Hz频段（对应波长1-4公里）的频率依赖性。
研究结果显示，在震中距大于50°（即传播路径主要穿过地幔）的火星地震事件中，高频P波发生散射现象，到时延迟显著（如图1中S0421a事件）；而震中距小于50°、传播路径仅限于岩石圈的事件，则未出现类似特征（如图1中S0756a事件）。此外，对于震中距大于50°的事件（图2A），P波到时延迟幅度与震中距呈正相关关系（图2B）。这些观测结果表明，火星岩石圈之下的地幔区域是导致地震波散射和到时延迟的主要来源。
图1 火星地幔与岩石圈传播路径的P波波前（到时）对比。（A）上图为震中距37°（岩石圈路径）的S0756a事件，波前无频率依赖性延迟；下图为震中距68°（地幔路径）的S0421a事件，高频波前延迟显著；彩色背景图显示地震能量随时间与频率的分布；（B）事件射线路径示意图
图2 事件射线路径（A）及P波到时延迟（B）。（A）中，绿色和黑色射线路径分别代表已有和缺乏反方位角估算的事件；（B）不同频率下P 波到时延迟与震中距的关系。背景颜色的变化与（A）图所示的深度层相对应（异质体仅存在于中下地幔）。顶部色条标示了与震中距对应的射线路径最低点深度
为定量刻画火星地幔的异质性特征，研究团队结合扩散理论与散射建模方法，对火星地震P波到时延迟进行拟合分析（图3）。结果显示，火星地幔的分形维数接近2.9，表明其结构具有高度无序性，并存在多尺度分布特征（图3A）。同时，不同方位的火星地震事件均呈现出一致的散射信号，表明火星地幔异质性在全球范围内普遍存在。模拟结果进一步指出，只有假设地幔中广泛存在约1-4公里尺度的异质体，才能与观测数据相匹配（图3C）。此外，Samuel等（2023）的研究指出，火星地幔中地震波的固有衰减程度较低。这一观测结果表明，波前延迟主要由散射效应导致，并非能量耗散的结果，而该结论也进一步验证了火星地幔异质性的存在。
地球地幔中同样存在“碎片”状异质体，但多与俯冲板片残余物质相关，其尺度通常大于8-10公里（Bentham et al.,2017）。与之不同，火星缺乏板块构造机制，其地幔异质体很可能形成于早期演化阶段，并在数十亿年的地质历史中得以保存。这些异质体更可能源于成分差异，而非热异常。若假设火星地幔热扩散系数为10⁻⁶ m²/s，那么热异常在地质时间尺度内早已消散殆尽。火星地幔中的成分异质体分布相对均匀，其密度可能与周围地幔接近，因而能够长期稳定存在。
图3 地震波到时延迟建模：分形异质体、扩散传播与 P波波前拟合。（A）地震波扩散传播模型。公里级异质体在火星中下地幔均匀分布，下图为不同分形维数（D=1、2、3）的介质模拟结果。地震波在传播过程中被大量小尺度结构多次散射，从而导致波前延迟和畸变。（B）P波延迟的频率依赖性。P波到时延迟与扩散时间呈线性关系，高频波延迟更加显著。该特征与D≈2.9的最佳拟合模型一致，表明火星地幔中广泛存在的小尺度异质体。（C）谱图分析与模型拟合。火星地震事件功率谱图显示，随着震中距增加，P波到时延迟显著增大。模拟结果表明，扩散模型（D≈2.9）能够很好地解释不同路径长度下的到时延迟特征。
为解释火星地幔异质性的成因，研究团队结合热演化模拟与地球动力学分析，提出“早期事件塑造”与“缓慢对流保存”的双驱动机制：
一、早期事件（形成起源）
火星地幔中广泛分布的“古老碎片”主要与两大早期演化过程相关。首先是巨型撞击事件：火星在形成早期曾遭受多次大型天体撞击，这些撞击使火星表层物质与外来物质深度混合，在地幔中形成复杂的成分与结构异质体（Marchi et al.,2020）。其次是岩浆洋冷却与结晶过程：火星早期可能经历了长达千万年的岩浆洋阶段，在冷却过程中，岩浆洋的化学分异产物滞留于不同深度，形成显著的化学异质体。
二、缓慢对流（保存机制）
火星地幔的高度异质性与其独特的热动力学特性密切相关。火星缺乏类似地球的物质交换机制，内部混合效率极低。研究推算，火星地幔黏度高达1021.3-1021.9 Pa·s（如图4），热依赖性极低，主要通过位错蠕变发生形变。这意味着火星地幔对流速度缓慢，内部物质在数十亿年内几乎未被重新搅拌，从而得以保存大量早期形成的化学与结构“碎片”。
图4 不同对流搅拌条件下地幔异质体尺度的演化。本研究推断的地幔异质体尺度范围以紫色表示。数值模拟结果显示，对流搅拌在数十亿年演化过程中会逐渐减小异质体尺度，但其仍显著大于固态化学扩散极限（绿色所示），低于该极限时化学扩散将导致地幔趋于均质化。在高黏度地幔条件下（1021.9 Pa·s,橙色所示），预测异质体尺度与地震观测结果一致；而在低黏度地幔条件下（1020.9 Pa·s,灰色所示），地幔对流更强，导致异质体尺度明显小于地震观测值
这一研究揭示了火星与地球早期演化路径的显著差异：地球通过板块构造形成以俯冲残片为主的次生异质体；而火星则长期处于“单板块”状态，缺乏高效的物质循环，因此保留了原始的地幔结构。火星地幔的高黏度与低含水量特性不仅抑制了地幔对流与岩浆活动，还可能限制了火星大气与液态水的形成与保存，从而为解释火星早期宜居性丧失提供了新线索。该研究成果为理解火星早期巨型撞击事件、岩浆洋冷却过程及地幔热演化历史提供了新视角，同时也为比较类地行星内部结构研究奠定了重要基础。另一方面，该研究聚焦地震波到时频率依赖性分析，为未来与振幅频率依赖性分析（Wang et al.,2025）相结合的地震学方法创新提供了研究依据。
主要参考文献
Bentham H L M,Rost S,Thorne M S. Fine-scale structure of the mid-mantle characterised by global stacks of PP precursors[J]. Earth and Planetary Science Letters,2017,472: 164-173.
Bi H,Sun D,Sun N,et al. Seismic detection of a 600-km solid inner core in Mars[J]. Nature,2025,645(8079):67-72.
Charalambous C,Pike W T,Kim D,et al. Seismic evidence for a highly heterogeneous martian mantle[J]. Science,2025,389(6763):899-903.（原文链接）
Chen L,Zheng T,Xu W. A thinned lithospheric image of the Tanlu Fault Zone,eastern China: constructed from wave equation based receiver function migration[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,2006,111(B9):B09312.
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.
Lognonné P,Banerdt W B,Clinton J,et al. Mars seismology[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences,2023,51: 643-670.
Marchi S,Walker R J,Canup R M. A compositionally heterogeneous martian mantle due to late accretion[J]. Science Advances,2020,6(7):eaay2338.
Menina S,Margerin L,Kawamura T,et al. Stratification of heterogeneity in the lithosphere of mars from envelope modeling of event s1222a and near impacts: Interpretation and implications for very‐high‐frequency events[J]. Geophysical Research Letters,2023,50(7):e2023GL103202.
Park S,Tsai V C,Ishii M. Frequency‐dependent P wave polarization and its subwavelength near‐surface depth sensitivity[J]. Geophysical Research Letters,2019,46(24):14377-14384.
Samuel H,Drilleau M,Rivoldini A,et al. Geophysical evidence for an enriched molten silicate layer above Mars’s core[J]. Nature,2023,622(7984):712-717.
Udry A,Howarth G H,Herd C D K,et al. What Martian meteorites reveal about the interior and surface of Mars[J]. Journal of Geophysical Research: Planet, 2020,125(12):e2020JE006523.
Van der Meijde M,Marone F,Giardini D,et al. Seismic evidence for water deep in Earth's upper mantle[J]. Science,2003,300(5625):1556-1558.
Wang X,Chen L,Wang X. Renewed epicentral distribution of low frequency Marsquakes by varying‐parameter polarization analysis of InSight data[J]. Geophysical Research Letters,2023,50(16):e2023GL103896.
Wang X,Chen L,Wang X. Uncovering shallow crustal structures of mars beneath the insight landing site using p‐wave particle motions[J]. Journal of Geophysical Research: Planets,2025,130(6):e2024JE008927.
Wang X,Chen L,Yao H. A new body‐wave amplitude ratio‐based method for imaging shallow crustal structure and its application in the Sichuan Basin,southwestern China[J]. Geophysical Research Letters,2021,48(18):e2021GL095186.
（撰稿：王旭，陈凌/岩石圈演化学科中心）
