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NG:火星地震活動性
2020-04-20 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  20181126日,美國洞察號(Insight)火星探測器登陸火星赤道附近的埃律西昂平原(Elysium Planitia)。20192月底,火星地震儀(簡稱火震儀)布設完成,其研究任務包括探測火星內部的地震活動性、約束火星內部結構、物質成分及動力學過程。近期,Giardini et al.2020)在Nature上發表了《The seismicity of Mars》一文,首次提供火星地震活動性、地震波傳播和火星內部結構的證據。 

  一、研究成果概述

  地震學研究地球和行星內部結構的基本步驟包括:第一步是檢測事件與定位,第二步是利用事件震相走時或振幅開展內部結構的研究。Giardini et al.2020)的主要研究成果包括以下三點: 

  1 截至2019930日,火震儀一共檢測到的174個火震事件,,主要包括兩類:小震級 <3.0)、高頻率(6-12Hz)的事件,其在地殼內傳播,數量150個,事件持續時長10-20分鐘;Mw震級3-4的低頻率(<1Hz)事件,震源位于地幔,數量24個,事件持續時長5-20分鐘。 

  2)上地??赡艽嬖?/span>S波低速度層。 

  3)兩個震級最大的事件位于Cerberus Fossae斷裂附近。 

  二、火震事件的檢測與定位

  Giardini et al.2020)確立三個準則來檢測火震事件,即滿足以下三個條件:(1)波形頻率位于0.1-10Hz之間;(2)持續時間5-30分鐘;(3)振幅略大于背景噪音的最低值。 

  圖1顯示了Sol 189事件,圖1a為事件波形的時頻分析圖,圖1b0.357-0.83Hz頻帶的火震波形。Sol 189事件的頻帶是0.357-0.83Hz,持續時間長約17分鐘,信號的振幅略大于背景噪音,滿足上述原則即確定為火震事件。 

1 檢測到的火震事件,編號S0189。(a)火震事件的時頻分析及其放大顯示,圖中綠色虛線框給出了事件檢測的指示;(b)火震事件波形,濾波頻段是圖1a中綠色框線所示的0.357-0.83 Hz(修改自Giardini et al., 2020    

  在檢測到火震事件后的第一件事情是確定其發生的位置。由于火星上僅有一臺火震儀,火星的速度結構也不盡清楚,亦缺少其它信息如面波等,確定震源位置是很有挑戰的。單臺事件定位需要知道P波和S波震相走時差,以及震相的極性,由于火震事件信噪比差,在檢測到的174個事件中,僅有兩個事件(S0173aS0235b)可以較準確確定其震中位置。 

  火震事件定位取決于速度模型和震相走時(圖2)?;鹦撬俣饶P痛嬖诤艽蟮牟淮_定性,采用不同的速度模型,其定位結果會存在較大差異。若地殼S波速度為4km/s時,S0264e事件的震中距為60°,而當地殼S波速度為0.7-1km/s時,S0264e事件的震中距則為10-15°(火星約為59.3km,地球約為111.2km)。 

  Giardini et al. 2020)共使用了2500個模型以保證最優模型空間的覆蓋,這些模型是不同研究機構獨立建立的,且滿足質量、慣性矩(或轉動慣量,moment of inertia)以及潮汐響應(tidal response)。特別地,這些模型也考慮了其它不同方法,如熱演化模擬和反演,以及火星物質組成等。得益于兩個高質量火震事件(圖3綠色圓圈標注),即S0173aS-P時差174±3s)和S0235bS-P時差157±4s),可以觀測到確定的P波和S波走時差,可以剔除60%的先驗模型,最終使用2500個模型。 

  火震事件記錄的信噪比低,震相走時的拾取的誤差較大,可達到±10-60s,但對于高質量事件S0235b震相的拾取誤差僅±2s。 

  綜上原因,如Giardini et al. 2020)所述,這一研究中使用的事件信息在今后的工作中仍會被繼續修正。 

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

  三、火星事件概覽

  3給出了所有檢測到的174個火震事件的時間分布。圖3a是火震事件S0185aS0185b的時頻譜檢測,該過程與上述圖1展示的S0189檢測過程相同。S0185a從低頻地震記錄的頻譜信息中檢測到,S0185b則是從高頻地震記錄頻譜中檢測到(Insight攜帶了6個地震傳感器,包括3個高頻和3個低頻傳感器)。因此,S0185a屬于LFlow frequency)事件,其震源位置位于地幔,而S0185b屬于HFhigh frequency)事件,其震源位于地殼,二者的發生時刻相隔約80分鐘。 

  3b是所有174個火震事件發生日期和時間分布。圖3背景顏色代表波形的能量,藍色表示波形能量低,即火星表面比較安靜、噪音低,黃色代表波形的高能量,即火星表面噪音比較強。為了較為準確的拾取火震事件,僅挑選大多發生在安靜時間段內滿足上述三原則的作為火震事件。如圖3所示,大部分火震事件發生夜間安靜時段。該研究把火震事件按照質量分為ABCD四個等級,A等級最高,可清楚識別震相及其極性(振幅的正負),B級為中等質量,可清楚識別震相但不能識別極性,C級為低質量事件,可識別信號但不能拾取震相到時,D為微弱或疑似事件。在174個事件中,僅有2個屬于A等級。 

3 aS0185aS0185b事件檢測;(b174個火震事件的日期和時間分布。背景顏色代表噪聲水平,事件三角形代表高頻事件,震源位于地殼,方塊代表低頻事件,震源位于地幔。所有事件被劃分為ABCD四個質量等級(修改自Giardini et al., 2020

  四、火星內部結構: 上地幔存在S波低速結構

  4中展示了三類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類事件難以確定震中距(震源至火震儀之間的距離),其可能的原因是事件位置與火震儀距離更遠。 

  4中,震中距為25-30°58-64°的火震事件均為第I類事件,而震中距40-50°之間的火震事件為II類事件,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,推測上地幔深于300km存在明顯低速體或強衰減區域。但原文作者在文中說明上地幔存在S波低速結構的推論與圖4a中更遠距離的III類事件呈現強S波振幅的觀測不符。 

  評述:圖4a中,第II類事件的P波振幅清晰而且大于第I類事件振幅;第II類事件數量共計三個,其中兩個事件的S波震相時間窗內存在毛刺(即振幅很大的野值),有可能影響S波震相的解讀,但受毛刺影響的時長短于I類和IIIS波震相包絡持續時間。上地幔存在S波低速或強衰減之結論需更確定資料的驗證。 

4 火震事件波形的包絡。(a)未能確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、火震事件空間分布及啟示

  Giardini et al. 2020)確定了三個火震事件的震中位置,即S0235b, S0173aS0183a(圖5)。S0173aS0235b事件震相的質量等級為A,其定位較為可靠。S0173aS0235b事件震中位于Cerberus Fossae裂隙附近,這可能暗示火震事件可能是局部構造應力集中以及內部冷卻引起的。目前火星內部結構的探測處于初期,震源機制可能另有解釋,如隕石撞擊、流體遷移等。 

5 定位的三個火星事件與Insight火震儀位置分布圖(修改自Giardini et al., 2020

  評述:圖5中,S0235b, S0173a事件震相質量評級為A,但S0183a質量評級為D(圖3b),其信號起始時間Sol 183 2019-06-03T02:32:11。如前所述,質量評級D的事件為微弱或疑似事件,另外S0183a事件的震中距Insight臺站的距離比S0235b, S0173a更遠,因此S0183a事件的定位準確程度應以斟酌。     

  六、未來展望

  月球Apollo計劃和火星Insight項目獲取的行星地震數據的信噪比均很低,原因可能如下:行星的地震活動性遠遠弱于有板塊構造活動的地球,盡管有研究稱月球和火星仍然處于活動狀態;月球和火星淺地表的結構與物理性質可能與地球差異明顯,如產生長時間的散射波;行星地震儀器性能指標、部署與地表耦合條件限制。為了更有效調查行星內部結構,相關研究可考慮上述因素,開展行星地震儀器研制和地震數據處理新方法的攻關研究。     

  【閱讀提示:火震儀記錄的數據信噪比低,原始火震波形通常未能清晰顯示火震事件震相,原文作者在分析研究過程中優先使用頻譜以及包絡。因此,在該研究中這些拾取的震相被假定為初至波?!?/span>     

  主要參考文獻

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

(撰稿:孫偉家/地星室)

 
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