一个研究团队首次利用地震数据探测火星内部。
通过测量火星震，他们已能够测定这颗行星的地壳、地幔和地核。
这些数据将有助于确定火星的形成与演化过程，并进而推断整个太阳系的情况。
苏黎世联邦理工学院的研究人员与一个国际团队合作，首次利用地震数据探测火星内部。他们测量了地壳、地幔和地核，并缩小了其成分的范围。这三篇论文将作为封面故事，共同发表于期刊《科学》上。
自2019年初以来，研究人员在洞察号（InSight）任务框架下持续记录并分析火星震。该任务依赖一台地震仪，其数据采集与控制电子设备由苏黎世联邦理工学院研发。利用这些数据，研究人员现已测量出这颗红色星球的地壳、地幔和地核——这些数据将有助于确定火星的形成与演化过程，并进而推断整个太阳系的情况。
火星曾经完全熔融
我们知道，地球由多层结构构成：较薄的轻质固态岩石地壳包裹着厚重、黏稠的地幔，而地幔之下则是主要由铁和镍组成的地核。人们一直假定，包括火星在内的类地行星具有类似的结构。“地震数据现已证实，火星在分化为我们今天所见的地壳、地幔和地核之前，很可能曾经完全熔融，但这些结构与地球的并不相同，”苏黎世联邦理工学院地球物理研究所及苏黎世大学物理研究所的科学家阿米尔·汗（Amir Khan）表示。他与苏黎世联邦理工学院的同事西蒙·施塔勒（Simon Stähler）共同分析了美国国家航空航天局洞察号任务的数据，苏黎世联邦理工学院在德梅尼科·贾尔迪尼（Domenico Giardini）教授的领导下参与了该任务。
火星上不存在板块构造运动
研究人员发现，在探测器着陆点（位于火星赤道附近）下方，火星地壳的厚度介于15至47公里之间。如此薄的地壳必然含有相对较高比例的放射性元素，这对以往关于整个地壳化学成分的模型提出了质疑。
地壳之下是地幔，其岩石圈由较为坚硬的岩石构成，向下延伸至400至600公里深处，是地球的两倍之深。这可能是因为火星目前只有一个大陆板块，而地球则有七个大型可移动板块。“厚重的岩石圈与火星为‘单板块行星’的模型相吻合，”汗总结道。
测量结果还表明，火星地幔在矿物学上与地球上地幔的上部相似。“从这个意义上说，火星地幔是地球地幔的一个较为简单的版本。”不过，地震学研究也揭示了化学成分上的差异。例如，火星地幔所含的铁比地球地幔更多。然而，关于火星地幔分层复杂程度的理论，也取决于其下方地核的大小——而在这一点上，研究人员同样得出了新的结论。
地核为液态，且比预期的更大
火星地核的半径约为1,840公里，比15年前规划洞察号任务时的假设大出200多公里。研究人员现已能够利用地震波重新计算地核的大小。“在确定地核半径之后，我们现在便可以计算其密度，”施塔勒表示。
“如果地核半径较大，那么地核的密度必然相对较低，”他解释道，“这意味着除铁和镍之外，地核中必然含有大量较轻的元素。”这些元素包括硫、氧、碳和氢，其所占比例之大出乎意料。研究人员得出结论认为，人们对整颗行星的成分尚未完全了解。尽管如此，目前的研究证实，地核为液态——正如此前所推测的那样——即便火星已不再具有磁场。
借助不同波形实现目标
研究人员通过分析火星震产生的各种地震波，获得了这些新成果。“我们此前已经能够在洞察号的数据中辨别出不同的波，因此知道这些震源在火星上距离着陆器有多远，”贾尔迪尼表示。要想对一颗行星的内部结构做出判断，需要借助在地表或地表以下、抑或在地核处发生反射的地震波。如今，研究人员首次成功观测并分析了火星上的此类地震波。
“洞察号任务是采集这些数据的独特机会，”贾尔迪尼表示。待着陆器的太阳能电池板无法再产生足够电力时，数据流将于一年后终止。“但我们对全部数据的分析远未结束——火星仍然给我们留下了许多谜团，其中最突出的是，它与我们的地球是否在同一时间、由相同的物质形成。”理解火星的内部动力学如何导致其失去活跃的磁场以及全部地表水，也尤为重要。“这将使我们了解，类似过程是否以及如何可能在我们的星球上发生，”贾尔迪尼解释道，“这就是我们登陆火星的原因，即研究其内部结构。”
参考文献
Khan A 等：根据洞察号地震数据得出的火星上地幔结构。《科学》，373，（6553）第434–438页。doi：10.1126/science.abf2966
Stähler S 等：火星地核的地震探测。《科学》，373，（6553）第443–448页。doi：10.1126/science.abi7730
Knapmeyer-Endrun B 等：根据洞察号地震数据得出的火星地壳厚度与结构。《科学》，373，（6553）第438–443页。doi：10.1126/science.abf8966
