学术前沿

NG:火星地震活动性

发布时间:2020-04-20

  20181126日,美国洞察号(Insight)火星探测器登陆火星赤道附近的埃律西昂平原(Elysium Planitia)。20192月底,火星地震仪(简称火震仪)布设完成,其研究任务包括探测火星内部的地震活动性、约束火星内部结构、物质成分及动力学过程。近期,Giardini et al.2020)在Nature上发表了《The seismicity of Mars》一文,首次提供火星地震活动性、地震波传播和火星内部结构的证据。 

  一、研究成果概述

  地震学研究地球和行星内部结构的基本步骤包括:第一步是检测事件与定位,第二步是利用事件震相走时或振幅开展内部结构的研究。Giardini et al.2020)的主要研究成果包括以下三点: 

  1 截至2019930日,火震仪一共检测到的174个火震事件,,主要包括两类:小震级 <3.0)、高频率(6-12Hz)的事件,其在地壳内传播,数量150个,事件持续时长10-20分钟;Mw震级3-4的低频率(<1Hz)事件,震源位于地幔,数量24个,事件持续时长5-20分钟。 

  2)上地幔可能存在S波低速度层。 

  3)两个震级最大的事件位于Cerberus Fossae断裂附近。 

  二、火震事件的检测与定位

  Giardini et al.2020)确立三个准则来检测火震事件,即满足以下三个条件:(1)波形频率位于0.1-10Hz之间;(2)持续时间5-30分钟;(3)振幅略大于背景噪音的最低值。 

  图1显示了Sol 189事件,图1a为事件波形的时频分析图,图1b0.357-0.83Hz频带的火震波形。Sol 189事件的频带是0.357-0.83Hz,持续时间长约17分钟,信号的振幅略大于背景噪音,满足上述原则即确定为火震事件。 

1 检测到的火震事件,编号S0189。(a)火震事件的时频分析及其放大显示,图中绿色虚线框给出了事件检测的指示;(b)火震事件波形,滤波频段是图1a中绿色框线所示的0.357-0.83 Hz(修改自Giardini et al., 2020    

  在检测到火震事件后的第一件事情是确定其发生的位置。由于火星上仅有一台火震仪,火星的速度结构也不尽清楚,亦缺少其它信息如面波等,确定震源位置是很有挑战的。单台事件定位需要知道P波和S波震相走时差,以及震相的极性,由于火震事件信噪比差,在检测到的174个事件中,仅有两个事件(S0173aS0235b)可以较准确确定其震中位置。 

  火震事件定位取决于速度模型和震相走时(图2)。火星速度模型存在很大的不确定性,采用不同的速度模型,其定位结果会存在较大差异。若地壳S波速度为4km/s时,S0264e事件的震中距为60°,而当地壳S波速度为0.7-1km/s时,S0264e事件的震中距则为10-15°(火星约为59.3km,地球约为111.2km)。 

  Giardini et al. 2020)共使用了2500个模型以保证最优模型空间的覆盖,这些模型是不同研究机构独立建立的,且满足质量、惯性矩(或转动惯量,moment of inertia)以及潮汐响应(tidal response)。特别地,这些模型也考虑了其它不同方法,如热演化模拟和反演,以及火星物质组成等。得益于两个高质量火震事件(图3绿色圆圈标注),即S0173aS-P时差174±3s)和S0235bS-P时差157±4s),可以观测到确定的P波和S波走时差,可以剔除60%的先验模型,最终使用2500个模型。 

  火震事件记录的信噪比低,震相走时的拾取的误差较大,可达到±10-60s,但对于高质量事件S0235b震相的拾取误差仅±2s 

  综上原因,如Giardini et al. 2020)所述,这一研究中使用的事件信息在今后的工作中仍会被继续修正。 

2 火震事件定位使用的所有S波(上图)和P波(下图)模型(Giardini et al., 2020

  三、火星事件概览

  3给出了所有检测到的174个火震事件的时间分布。图3a是火震事件S0185aS0185b的时频谱检测,该过程与上述图1展示的S0189检测过程相同。S0185a从低频地震记录的频谱信息中检测到,S0185b则是从高频地震记录频谱中检测到(Insight携带了6个地震传感器,包括3个高频和3个低频传感器)。因此,S0185a属于LFlow frequency)事件,其震源位置位于地幔,而S0185b属于HFhigh frequency)事件,其震源位于地壳,二者的发生时刻相隔约80分钟。 

  3b是所有174个火震事件发生日期和时间分布。图3背景颜色代表波形的能量,蓝色表示波形能量低,即火星表面比较安静、噪音低,黄色代表波形的高能量,即火星表面噪音比较强。为了较为准确的拾取火震事件,仅挑选大多发生在安静时间段内满足上述三原则的作为火震事件。如图3所示,大部分火震事件发生夜间安静时段。该研究把火震事件按照质量分为ABCD四个等级,A等级最高,可清楚识别震相及其极性(振幅的正负),B级为中等质量,可清楚识别震相但不能识别极性,C级为低质量事件,可识别信号但不能拾取震相到时,D为微弱或疑似事件。在174个事件中,仅有2个属于A等级。 

3 aS0185aS0185b事件检测;(b174个火震事件的日期和时间分布。背景颜色代表噪声水平,事件三角形代表高频事件,震源位于地壳,方块代表低频事件,震源位于地幔。所有事件被划分为ABCD四个质量等级(修改自Giardini et al., 2020

  四、火星内部结构: 上地幔存在S波低速结构

  4中展示了三类振幅特征的火星事件,I P波和S波振幅均清楚,II P波振幅清晰,S波振幅不清晰,III P波振幅模糊,S波振幅,其中第III类事件难以确定震中距(震源至火震仪之间的距离),其可能的原因是事件位置与火震仪距离更远。 

  4中,震中距为25-30°58-64°的火震事件均为第I类事件,而震中距40-50°之间的火震事件为II类事件,即S波震相振幅很小或不清楚。Giardini et al. 2020)基于震中距大于30°S波振幅降低,推测上地幔深于300km存在明显低速体或强衰减区域。但原文作者在文中说明上地幔存在S波低速结构的推论与图4a中更远距离的III类事件呈现强S波振幅的观测不符。 

  评述:图4a中,第II类事件的P波振幅清晰而且大于第I类事件振幅;第II类事件数量共计三个,其中两个事件的S波震相时间窗内存在毛刺(即振幅很大的野值),有可能影响S波震相的解读,但受毛刺影响的时长短于I类和IIIS波震相包络持续时间。上地幔存在S波低速或强衰减之结论需更确定资料的验证。 

4 火震事件波形的包络。(a)未能确定震中距的火星事件;(b)按照震中距排列的火震事件 (修改自Giardini et al., 2020 

  五、火震事件空间分布及启示

  Giardini et al. 2020)确定了三个火震事件的震中位置,即S0235b, S0173aS0183a(图5)。S0173aS0235b事件震相的质量等级为A,其定位较为可靠。S0173aS0235b事件震中位于Cerberus Fossae裂隙附近,这可能暗示火震事件可能是局部构造应力集中以及内部冷却引起的。目前火星内部结构的探测处于初期,震源机制可能另有解释,如陨石撞击、流体迁移等。 

5 定位的三个火星事件与Insight火震仪位置分布图(修改自Giardini et al., 2020

  评述:图5中,S0235b, S0173a事件震相质量评级为A,但S0183a质量评级为D(图3b),其信号起始时间Sol 183 2019-06-03T02:32:11。如前所述,质量评级D的事件为微弱或疑似事件,另外S0183a事件的震中距Insight台站的距离比S0235b, S0173a更远,因此S0183a事件的定位准确程度应以斟酌。     

  六、未来展望

  月球Apollo计划和火星Insight项目获取的行星地震数据的信噪比均很低,原因可能如下:行星的地震活动性远远弱于有板块构造活动的地球,尽管有研究称月球和火星仍然处于活动状态;月球和火星浅地表的结构与物理性质可能与地球差异明显,如产生长时间的散射波;行星地震仪器性能指标、部署与地表耦合条件限制。为了更有效调查行星内部结构,相关研究可考虑上述因素,开展行星地震仪器研制和地震数据处理新方法的攻关研究。     

  【阅读提示:火震仪记录的数据信噪比低,原始火震波形通常未能清晰显示火震事件震相,原文作者在分析研究过程中优先使用频谱以及包络。因此,在该研究中这些拾取的震相被假定为初至波。】     

  主要参考文献

  Giardini D, Lognonné P, Banerdt W B, et al. The seismicity of Mars[J]. Nature Geoscience, 2020, 13(3): 205-212.链接 

(撰稿:孙伟家/地星室)


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