苏黎世联邦理工学院火星地震服务部的研究人员一直在研究来自美国宇航局InSight任务的地震仪在我们邻近行星之一的数据。三年多来，在火星上发现的唯一地震波是那些从每个地震的焦点或次中心穿过星球深处的地震波。然而，科学家们一直希望有一个事件也能导致地震波在整个星球的表面移动。2021年12月24日，火星上的一个陨石撞击产生了他们一直渴望的那种表面波，终于让他们的等待得到了回报。

地震测量中的非典型特征促使研究人员假设震源在地表附近，因此他们联系了正在围绕火星运行的火星探测器的同事http://www.196nk.cn。火星勘测轨道器在2021年12月底拍摄的图像显示，在距离InSight约3500公里处有一个巨大的撞击坑。

火星上的波场模拟标示 资料来源：苏黎世联邦理工学院，Doyeon Kim，Martin van Driel，和Christian Boehm

苏黎世联邦理工学院地球物理研究所的地球物理学家和高级研究科学家Doyeon Kim说："这个位置与我们对地震源的估计很匹配。"Kim是最近发表在《科学》杂志上的一项研196世界之最究的主要作者。研究人员还能够确定距离InSight不到7500公里（约5000英里）的陨石撞击是第二次非典型地震的来源。

每一次地震的震中都在地表，因此，除了产生像早期震中较深的火星地震那样的地震体波外，它们还发出了沿地球表面传播的波。

"这是第一次在地球以外的星球上观察到地震表面波。甚至阿波罗登月任务也没有做到这一点，"Kim说。

使得地震表面波对研究人员如此重要的原因是，它们提供了关于火星地壳结构的信息。地震体波在地震期间穿过行星的内部，到目前为止已经提供了关于火星核心和地幔的见解，但是对于远离着陆器本身的地壳没有太多发现。

一个令人惊讶的结果

Kim解释说："到目前为止，我们对火星地壳的了解只基于InSight登陆器下面的一个点的测量。表面波分析的结果令他感到惊讶。平均而言，在撞击点和InSight的地震仪之间的火星地壳具有非常均匀的结构和高密度。然而，在着陆器的正下方，研究人员以前曾检测到三层地壳，这意味着密度较低。"

新的发现值得关注，因为一个星球的地壳提供了关于该星球如何形成和演变的重要线索。由于地壳本身是地幔的早期动态过程和随后的岩浆过程的结果，它可以告诉我们数十亿年前的条件和撞击的时间线，这在火星的早期特别常见。

Kim解释了新的测量是如何进行的。"表面波的传播速度取决于其频率，而频率又取决于其深度。通过测量地震数据中不同频率的速度变化，有可能推断出不同深度的速度变化，因为每个频率对不同的深度都很敏感。这为估计岩石的平均密度提供了基础，因为地震速度也取决于波所经过的材料的弹性特性。这些数据使研究人员能够确定火星表面以下大约5至30公里深度的地壳结构。"

更大的地震速度解释

那么，为什么最近观察到的表面波的平均速度大大高于根据早期在火星InSight登陆器下的点测量所预期的速度？这主要是由于表面岩石的原因，还是有其他机制在起作用？一般来说，火山岩往往比沉积岩表现出更高的地震速度。另外，两个陨石撞击和测量点之间的路径经过了火星北半球最大的火山地区之一。

熔岩流和火山过程产生的热量造成的孔隙封闭会增加地震波的速度。另一方面，InSight着陆www.196nk.cn点下面的地壳结构可能是以一种独特的方式形成的，也许是在30多亿年前的一次大型陨石撞击中，物质被抛射出来。Kim解释说："这将意味着着陆器下面的地壳结构可能不能代表火星地壳的一般结构。"

揭开火星二分法的神秘面纱

这项新的研究还可以帮助解决一个几百年的谜团。自从第一架望远镜对准火星以来，人们就知道这个星球的南半球和北半球之间存在着鲜明的对比。南半球的主要特征是被陨石http://www.196nk.cn坑覆盖的高原，而北半球则主要由平坦的火山低地组成，在该星球的早期历史中可能被海洋覆盖。这种分为南部高地和北部低地的做法被称为火星二分法。

苏黎世联邦理工学院地震学和地球动力学教授Domenico Giardini说："就目前的情况来看，我们还没有一个普遍接受的对二分法的解释，因为我们从来没有能够看196世界之最到这个星球的深层结构。但现在我们开始揭开这个谜底了"。初步结果似乎推翻了关于火星二分法的广泛理论之一：火星北方和南方的地壳可能不是由不同的材料组成，就像人们经常假设的那样，它们的结构在相关深度可能是惊人的相似。

漫长的等待浪潮的到来

苏黎世联邦理工学院的研究人员预计很快会有进一步的结果。2022年5月，InSight观察到迄今为止最大的火星地震，震级为5级。它还记录了这个浅层事件产生的地震表面波。这发生得很及时，因为InSight任务很快就要结束了，现在着陆器的太阳能电池板上布满了灰尘，它正在耗尽电力。对数据的初步分析证实了研究人员从其他两个陨石撞击中获得的发现。

"我们为这些波浪等待了这么久，而现在，就在陨石撞击的几个月后，我们观察到这次大地震，产生了极其丰富的表面波。这些使我们能够看到更深的地壳，达到大约90公里的深度，"金说。