像重裝甲一樣的地殼-新研究揭示了火星的獨特結構

在美國宇航局火星洞察號任務的最後一年，蘇黎世聯邦理工學院的研究人員通過一次大型火星地震確定了火星地殼的全球厚度和密度。 與地球或月球相比，火星地殼要厚得多，而且火星的主要熱源是放射性的。

蘇黎世聯邦理工學院的火星地震服務中心於 2022 年 5 月檢測到地球以外天體上有史以來最強烈的火星地震。這一事件的震級約爲 4.6 級，通過作爲 NASA 洞察號火星任務一部分部署的地震儀在火星表面記錄下來。

“這次火星地震發出了沿着火星表面傳播的強烈地震波，”蘇黎世聯邦理工學院地球物理研究所的地震學家 Doyeon Kim 說。

經過三年多的日常監測，隨着 InSight 地震儀功率水平的下降，研究人員獲得了一次大規模火星地震的數據。 從這次大型火星地震中觀測到的表面波不僅從地震源傳播到測量站，而且還繼續繞着整個行星傳播了幾次。 這些數據不僅提供了有關火星特定區域的信息，還提供了火星的全球視圖。

地震學家、剛剛發表在《地球物理研究快報》雜誌上的一項研究的主要作者說：“從這次地震中，我們觀察到了圍繞火星旋轉三圈的表面波，這是整個洞察號任務期間記錄的最大地震。”

爲了獲得有關波穿過的結構的信息，研究人員測量了這些波在不同頻率下傳播的速度。

火星表面的地形圖（左）和地殼厚度的表示（右）。 圖片來源：MOLA 科學團隊 / Doyeon Kim，蘇黎世聯邦理工學院

這些地震速度提供了對不同深度的內部結構的洞察。 此前，觀測到的兩次大型隕石撞擊產生的表面波也使得沿着其特定傳播路徑的區域發現成爲可能。

“現在，我們有了代表全球結構的地震觀測數據，”金說。

將新獲得的結果與火星重力和地形的現有數據相結合，研究人員能夠確定火星地殼的厚度。 平均長度爲 42 至 56 公里（26 - 35 英里）。 平均而言，伊西迪斯衝擊盆地的地殼最薄，約爲 10 公里（6 英里），而塔爾西斯省的地殼最厚，約爲 90 公里（56 英里）。

從這個角度來看，地震數據表明，地殼的平均厚度爲 21 至 27 公里（13 – 17 英里），而阿波羅任務地震儀測定的月球地殼平均厚度爲 34 至 43 公里。

“這意味着火星地殼比地球或月球的地殼厚得多，一般來說，太陽系中較小的行星體比較大的行星體具有更厚的地殼。 ”金解釋說：“我們很幸運能夠觀察到這次地震。 在地球上，我們很難使用與火星上發生的相同震級的地震來確定地殼的厚度。 雖然火星比地球小，但它傳輸地震能量的效率更高。”

這項研究最重要的結果之一涉及火星北半球和南半球之間的差異。 自從望遠鏡出現以來，人們就觀察到了這種對比。 它在火星衛星的圖像中尤其明顯。 火星的北半球由平坦的低地組成，而南半球則有高原。 北部低地和南部高地之間的劃分被稱爲火星二分法。

“人們可能認爲這種差異可以用兩種不同的岩石成分來解釋，”金說：“一種岩石比另一種更緻密。” 雖然南北的成分可能相同，但地殼的厚度卻有所不同。 如果南部地殼較厚，則其下方的火星地幔物質密度較低，而北部地殼較薄，則這種緻密、較重的物質較多。

研究人員究竟能夠證明什麼？ 他們寫道：“根據地震觀測和重力數據，我們表明北部低地和南部高地的地殼密度相似。 相比之下，南半球的地殼比北半球的地殼延伸得更深。” 金說：“這一發現非常令人興奮，它結束了關於火星地殼起源和結構的長期科學討論。 去年對隕石撞擊火星的分析已經提供了證據，證明南北地殼是由相同的材料構成的。”

從厚厚的火星地殼中也可以得出進一步的結論。 “我們的研究提供了地球如何產生熱量並解釋了火星的熱歷史，”金說。 當今火星內部產生的主要熱量來源是釷、鈾和鉀等放射性元素衰變的結果。 研究發現，50% 至 70% 的產熱元素存在於火星地殼中。 這種高積累可以解釋爲什麼下面的局部區域今天可能仍在發生熔化過程。