南京大学地球科学与工程学院王涛教授课题组在EPSL发表论文揭示火星深部地震各向异性

助研空间 · 公众号 · 科技创业科技自媒体 · 2024-10-15 11:15

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南京大学地球科学与工程学院博士毕业生石静在火星内部地震各向异性结构的研究中取得了突破性进展，为探测火星内部结构及理解其演化过程提供了新的视角和线索。

图1（A）洞察者号（粉色三角形）以及本研究所用火震事件（黄色五角星）的分布。（B）直达S波射线路径示意图。（C）直达S波分裂示意图。在各向同性介质（灰色块体）中，直达S波（黑色脉冲）没有分裂，经过各向异性介质（橘色块体）后，直达S波分裂成快横波（蓝色脉冲）与慢横波（红色脉冲），并累计一定的延迟时间差（𝛿𝛿𝛿𝛿）同时形成快横波方向（𝜙𝜙）。

地震各向异性，由矿物晶体或晶格的各向异性取向、熔体或裂缝的形状取向等因素引起，是连接火星过去演化与当前状态的关键纽带。迄今为止，火星地震各向异性主要通过间接方法进行研究，而直接指标——剪切波分裂现象（见图1），尚未在火星地震记录中得到研究与报道。直达S波，即直接从震源传播至地震台站的剪切波，在各向异性介质中传播时分裂为两个正交偏振方向的分量，形成快、慢剪切波，并累积时间延迟差。

2图2 火震直达S波分裂测量示例。（A）顶部一组波形显示了火震S0235b的水平（N：北向分量，E：东向分量）分量的波形，中间一组波形显示了火震波形旋转到快（F）轴和慢（S）轴方向的波形，底部一组波形显示了矫正了快轴方向以及延迟时间差的波形。（B）运用特征值方法搜索快轴与延迟时间差的示例。（C）水平分量矫正前（灰色虚线）与矫正后（红色实线）的质点运动轨迹。（D）不同时窗（图A中不同的红色垂直虚线组合）测量的快轴与延迟时间差。（E）不同时间窗测量的分裂参数的聚类分析结果。

石静博士利用“洞察者”号地震仪探测到的低频火星地震数据，通过系统的理论计算分析，首次揭示了火星地震记录中的剪切波分裂现象。在三个高信噪比的火星地震记录（S0173a、S0235b 和 S1133c）中观察到直达S波的分裂现象（见图2）。通过合成测试排除了视各向异性的可能性，确认了火星存在地震各向异性。进一步分析表明，直达S波分裂测量到的延迟时间差较大，不能仅归因于“洞察者”号下方上地壳（0 – 10 公里）内的地震各向异性，指示火星更深区域也具有地震各向异性。结合“洞察者”号着陆点附近的其他地球物理证据，石静博士的研究结果表明，洞察号下方地壳中定向排列的裂缝可能大于10公里，和/或火星埃律西昂平原下方存在地幔流。

3图3 洞察者号下方火星内部结构模型，用于解释火星地震记录中的直达 S 波分裂现象。该模型包含了埃律西昂平原（Elysium Planitia）下方的潜在地幔柱。实心箭头线表示从火星地震（黄色五角星）到洞察者号的直达 S 波的射线路径。交叉的双向箭头（粉红色表示快横波和紫色表示慢横波）标记了火星地震各向异性的可能区域，其中源自洞察者号下方更深的地壳（> 10 公里）可能是由于定向排列的裂缝引起的，另一种可能则是源自埃律西昂平原下方的地幔流引起的。

该研究成果以"Martian seismic anisotropy underneath Elysium Planitia revealed by direct S wave splitting"为题，发表在国际地学领域期刊《Earth and Planetary Science Letters》。我院博士毕业生石静为论文第一作者，王涛教授和北京高压科学研究中心，中国科学院地质与地球物理研究所綦超研究员为共同通讯作者，共同作者还包括中国科学院地质与地球物理研究所陈凌研究员和南京大学地球科学与工程学院惠鹤九教授等。该研究得到了国家自然科学基金（42125303, 42174214）、中央高校基本业务费（020614380122）和中国科学院地质与地球物理研究所重点研究项目（IGGCAS-202102，IGGCAS201905）的资助。文章doi链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.119047

文章来源：南京大学地球科学与工程学院