蘇黎世聯邦理工學院火星地震服務部的研究人員一直在研究來自美國宇航局InSight任務的地震儀在我們鄰近行星之一的數據。三年多來，在火星上發現的唯一地震波是那些從每個地震的焦點或次中心穿過星球深處的地震波。然而，科學家們一直希望有一個事件也能導致地震波在整個星球的表面移動。2021年12月24日，火星上的一個隕石撞擊產生了他們一直渴望的那種表面波，終於讓他們的等待得到了回報。

地震測量中的非典型特徵促使研究人員假設震源在地表附近，因此他們聯繫了正在圍繞火星運行的火星探測器的同事。火星勘測軌道器在2021年12月底拍攝的圖像顯示，在距離InSight約3500公里處有一個巨大的撞擊坑。

火星上的波場模擬標示資料來源：蘇黎世聯邦理工學院，Doyeon Kim，Martin van Driel，和Christian Boehm

蘇黎世聯邦理工學院地球物理研究所的地球物理學家和高級研究科學家Doyeon Kim說：”這個位置與我們對地震源的估計很匹配。”Kim是最近發表在《科學》雜誌上的一項研究的主要作者。研究人員還能夠確定距離InSight不到7500公里（約5000英里）的隕石撞擊是第二次非典型地震的來源。

每一次地震的震中都在地表，因此，除了產生像早期震中較深的火星地震那樣的地震體波外，它們還發出了沿地球表面傳播的波。

“這是第一次在地球以外的星球上觀察到地震表面波。甚至阿波羅登月任務也沒有做到這一點，”Kim說。

使得地震表面波對研究人員如此重要的原因是，它們提供了關於火星地殼結構的信息。地震體波在地震期間穿過行星的內部，到目前為止已經提供了關於火星核心和地幔的見解，但是對於遠離著陸器本身的地殼沒有太多發現。

一個令人驚訝的結果

Kim解釋說：”到目前為止，我們對火星地殼的了解只基於InSight登陸器下面的一個點的測量。表面波分析的結果令他感到驚訝。平均而言，在撞擊點和InSight的地震儀之間的火星地殼具有非常均勻的結構和高密度。然而，在著陸器的正下方，研究人員以前曾檢測到三層地殼，這意味著密度較低。”

新的發現值得關注，因為一個星球的地殼提供了關於該星球如何形成和演變的重要線索。由於地殼本身是地幔的早期動態過程和隨後的岩漿過程的結果，它可以告訴我們數十億年前的條件和撞擊的時間線，這在火星的早期特別常見。

Kim解釋了新的測量是如何進行的。”表面波的傳播速度取決於其頻率，而頻率又取決於其深度。通過測量地震數據中不同頻率的速度變化，有可能推斷出不同深度的速度變化，因為每個頻率對不同的深度都很敏感。這為估計岩石的平均密度提供了基礎，因為地震速度也取決於波所經過的材料的彈性特性。這些數據使研究人員能夠確定火星表面以下大約5至30公里深度的地殼結構。”

更大的地震速度解釋

那麼，為什麼最近觀察到的表面波的平均速度大大高於根據早期在火星InSight登陸器下的點測量所預期的速度？這主要是由於表面岩石的原因，還是有其他機制在起作用？一般來說，火山岩往往比沉積岩表現出更高的地震速度。另外，兩個隕石撞擊和測量點之間的路徑經過了火星北半球最大的火山地區之一。

熔岩流和火山過程產生的熱量造成的孔隙封閉會增加地震波的速度。另一方面，InSight著陸點下面的地殼結構可能是以一種獨特的方式形成的，也許是在30多億年前的一次大型隕石撞擊中，物質被拋射出來。Kim解釋說：”這將意味著著陸器下面的地殼結構可能不能代表火星地殼的一般結構。”

揭開火星二分法的神秘面紗

這項新的研究還可以幫助解決一個幾百年的謎團。自從第一架望遠鏡對準火星以來，人們就知道這個星球的南半球和北半球之間存在著鮮明的對比。南半球的主要特徵是被隕石坑覆蓋的高原，而北半球則主要由平坦的火山低地組成，在該星球的早期歷史中可能被海洋覆蓋。這種分為南部高地和北部低地的做法被稱為火星二分法。

蘇黎世聯邦理工學院地震學和地球動力學教授Domenico Giardini說：”就目前的情況來看，我們還沒有一個普遍接受的對二分法的解釋，因為我們從來沒有能夠看到這個星球的深層結構。但現在我們開始揭開這個謎底了”。初步結果似乎推翻了關於火星二分法的廣泛理論之一：火星北方和南方的地殼可能不是由不同的材料組成，就像人們經常假設的那樣，它們的結構在相關深度可能是驚人的相似。

漫長的等待浪潮的到來

蘇黎世聯邦理工學院的研究人員預計很快會有進一步的結果。2022年5月，InSight觀察到迄今為止最大的火星地震，震級為5級。它還記錄了這個淺層事件產生的地震表面波。這發生得很及時，因為InSight任務很快就要結束了，現在著陸器的太陽能電池板上佈滿了灰塵，它正在耗盡電力。對數據的初步分析證實了研究人員從其他兩個隕石撞擊中獲得的發現。

“我們為這些波浪等待了這麼久，而現在，就在隕石撞擊的幾個月後，我們觀察到這次大地震，產生了極其豐富的表面波。這些使我們能夠看到更深的地殼，達到大約90公里的深度，”金說。