• ISSN 2096-8957
  • CN 10-1702/P

“洞察”号火星表面地震探测中的发现

肖万博 王彦宾

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“洞察”号火星表面地震探测中的发现

    作者简介: 肖万博,男,博士研究生,主要从事计算地震学与行星地震学研究. E-mail:wbxiao@pku.edu.cn.
    通讯作者: 王彦宾, ybwang@pku.edu.cn
  • 中图分类号: P691

Discoveries of the InSight seismic investigation on Mars' surface

    Corresponding author: Wang Yanbin, ybwang@pku.edu.cn
  • CLC number: P691

  • 摘要: “洞察”号任务是火星探测历史上一次巨大的飞跃. 本文从介绍“洞察”号的科学目标和火星表面地震观测实验出发,展示“洞察”号地震数据中的发现. 受益于“维京”2号的火星探测经验,“洞察”号首次成功监测到了火星震信号,并由此得到了火星壳结构的衰减特征. 火星的地震数据中检测到了由气压引起的地表形变和HP3打孔信号,并用于约束登陆点附近表面土层的物理性质和地下结构的反演. 此外,使用在2.4 Hz处出现的结构响应能够辨别自然响应和登陆器自振等机械振动. 火星的地震数据中也检测出了Glitch和Donk等噪声信号,我们总结了其特征和形成原因. “洞察”号对火星壳的探测比较成功,但是由于缺乏大震级的火星震和陨石撞击事件的记录,对火星深部的了解依然比较有限.
  • 图 1  “洞察”号着陆点附近地形图. “洞察”号(星号标识)着陆于一个古老的火山平原上,该平原位于埃律西昂山火山以南、火星赤道以北. “勇气”号、“精神”号和“维京”2号的位置以及主要的地质特征都显示在地形图上(修改自Banerdt et al., 2020

    Figure 1.  The topographic map at the InSight landing site. InSight (shown as a star) landed on an ancient volcanic plain south of Elysium Mons and north of the Martian hemispheric dichotomy. The locations of the Curiosity and Spirit rovers, and the Viking 2 lander, along with major geologic features are shown on the map (modified from Banerdt et al., 2020)

    图 2  火星震与地震信号之间的对比. 顶部是两个火星震信号的垂向位移记录,滤波范围0.033~0.5 Hz. S0235b具有清晰的P波和S波到时. S0105a是一个低信噪比火星震事件的示例,它的P波和S波到时是通过功率谱密度的包络线来确定的. 注意两个事件的振幅不同. 底部是两个震中距近似的地震事件的垂直分量,滤波范围0.125~0.5 Hz. 发生在希腊的浅源地震中存在面波,而深源地震和火星震中没有发现面波(修改自Banerdt et al., 2020

    Figure 2.  Comparison between Marsquake and earthquake signals. The upper panel is the vertical displacement time series for two Marsquake signals, filtered between 0.033 and 0.5 Hz. S0235b shows clear P- and S-wave arrivals. S0105a is an example of a lower-SNR event, whose P- and S-wave arrivals are determined using power density function envelopes. Note the different amplitude scales. The lower panel shows the vertical components of two earthquake signals at a similar distance. The shallow earthquake in Greece has visible surface waves. However, surface waves, are not detectable for either the deep earthquake on Earth or Marsquakes (modified from Banerdt et al., 2020)

    图 3  火星高程图上显示的火星全球地震活动图. 白色阴影条带显示了震中距范围. 红色至黄色椭球体是S0173a和S0235b事件的估计震中位置. S0183a的估计震中用两个阴影椭圆显示,表示距离不确定性为5°和10°的定位情况. 右侧插图显示了三个事件相对于“洞察”号登陆点(黄色三角形)的震中区域的视图. 黑色和红色线条分别表示主要的逆断层和正断层(修改自Giardini et al., 2020

    Figure 3.  Global seismicity of Mars shown on Mars elevation map. White shaded bands show the range of epicentral distances. Red to yellow ellipsoids are the estimated locations of events S0173a and S0235b. The estimated location of S0183a is displayed with two shaded ellipses, representing distance uncertainties of 5° and 10°. The inset on the right shows a map view of the epicentral area of the three event locations relative to the InSight landing site (yellow triangle). Black and red lines are main reverse and normal faults, respectively (modified from Giardini et al., 2020)

    图 4  气旋(沙柱)的模拟和观测数据. 顶部3个子图分别表示气旋在北向、东向和垂向的地面运动加速度(修改自Banerdt et al., 2020

    Figure 4.  Model data and observed data due to an atmospheric vortex (dust devil). The top three subplots are north, east and vertical components of the ground acceleration due to the vortex pressure (bottom panel), respectively (modified from Banerdt et al., 2020)

    图 5  “洞察”号登陆点的地下土层厚度和P波波速的反演结果. 假设顶部0.8 m为压实模型. (a)基岩上方P波波速随深度变化的概率分布函数(PDF). 黄色和紫色分别代表低概率和高概率;(b)土层—基岩过渡带深度的边缘概率;(c)0.1 m深度处的土层中和基岩中P波波速的边缘概率;(d)基岩中P波波速随土层—基岩过渡带深度变化的标准概率分布函数(修改自Lognonné et al., 2020

    Figure 5.  Inversion results of the regolith thickness and VP of the underlying bedrock at the InSight landing site. A compaction-based profile in the top 0.8 m is assumed. (a) The probability density function (PDF) of VP just above the bedrock as a function of depth of the bedrock. Yellow and purple colours are low and high probability, respectively. (b) Marginal probabilities of the regolith-to-bedrock transition depth. (c) Marginal probabilities of VP in the regolith at 0.1 m depth and in the bedrock. (d) Normalized PDF showing VP in the bedrock as a function of the depth of the regolith-to-bedrock transition (modified from Lognonné et al., 2020)

    图 6  火星震服务中心(MQS)数据库中包含的非地震事件. Glitch信号为单分量或多分量脉冲. 太阳会合期间(中间的灰色条带)没有返回数据(修改自Ceylan et al., 2020 Preprint)

    Figure 6.  Non-seismic events in the MQS database. Glitches are shown as either single or multi-component pulses. During solar conjunction (grey shaded band in the middle) no data were retrieved (modified from Ceylan et al., 2020 Preprint)

    图 7  包含Glitch信号和去除Glitch信号的地震记录的对比. 顶部是采样率为20 sps的VBB-U分量的原始数据(黑色)和去除Glitch信号后的原始数据(灰色). 底部与顶部类似,但去除了仪器响应以展示加速度,并随之加了1 Hz低通滤波(二阶巴特沃思滤波器). 注意原始数据中加速度的阶跃在去除Glitch信号后消失(修改自Lognonné et al., 2020

    Figure 7.  Comparison between seismic records with glitches and deglitched records.The upper panel is the 20 sps data of VBB U-component in the original RAW (black) and deglitched RAW (grey). The lower panel is like the upper panel, but with the instrument response removed to show acceleration and subsequent 1 Hz low-pass filtering (second order Butterworth). Note the step in acceleration in the original data that is absent after deglitching (modified from Lognonné et al., 2020)

    图 8  100 sps的SP数据中的Donk信号示例. (a)垂直分量的速度谱;(b)在图(a)中用竖直虚线标记的时段内的三分量波形图. 时间尺度为10 s,开始于UTC时间2019-07-30的13:36:00(修改自Ceylan et al., 2020 Preprint)

    Figure 8.  Examples of donk events as seen on the 100 sps SP data. (a) Velocity spectrogram of the vertical component; (b) Three-component waveforms in the time frame marked with vertical dashed lines in (a). The time axis is 10 s long starting from 2019-07-30 13:36:00 UTC (modified from Ceylan et al., 2020 Preprint)

    图 9  VBB和SP记录的速度谱中的Crosstalk信号或Whistling信号. 仪器和分量名称显示在每个图的左下角. (a)100 sps数据中两个清晰的SP模式(A和B,使用虚线标出). (b)100 sps数据中频率高于1 Hz的不同VBB模式. (c)100 sps数据中频率低于1 Hz的VBB模式,用箭头进行了标注(修改自Ceylan et al., 2020 Preprint)

    Figure 9.  Crosstalk, or "whistling" signals, as seen in the velocity spectrograms for SP and VBB records. Instrument and channels are shown in the lower-left corner of each panel. (a) Two distinct SP modes from the 100 sps data (A and B; also outlined with dashed lines); (b) Different modes of the 100 sps VBB data at frequencies >1 Hz; (c) Some of the VBB modes that appear in frequencies below 1Hz, marked with arrows (modified from Ceylan et al., 2020 Preprint)

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-23
  • 网络出版日期:  2020-11-27
  • 刊出日期:  2021-03-01

“洞察”号火星表面地震探测中的发现

    通讯作者: 王彦宾, ybwang@pku.edu.cn
    作者简介: 肖万博,男,博士研究生,主要从事计算地震学与行星地震学研究. E-mail:wbxiao@pku.edu.cn

摘要: “洞察”号任务是火星探测历史上一次巨大的飞跃. 本文从介绍“洞察”号的科学目标和火星表面地震观测实验出发,展示“洞察”号地震数据中的发现. 受益于“维京”2号的火星探测经验,“洞察”号首次成功监测到了火星震信号,并由此得到了火星壳结构的衰减特征. 火星的地震数据中检测到了由气压引起的地表形变和HP3打孔信号,并用于约束登陆点附近表面土层的物理性质和地下结构的反演. 此外,使用在2.4 Hz处出现的结构响应能够辨别自然响应和登陆器自振等机械振动. 火星的地震数据中也检测出了Glitch和Donk等噪声信号,我们总结了其特征和形成原因. “洞察”号对火星壳的探测比较成功,但是由于缺乏大震级的火星震和陨石撞击事件的记录,对火星深部的了解依然比较有限.

English Abstract

    • 2018年11月26日,“洞察”号(InSight)在火星表面的埃律西昂平原(Elysium Planitia)成功着陆(图1),并随之开始了一系列固定台站式的科学观测(Banerdt et al., 2020; Banfield et al., 2020; Editorial, 2020; Giardini et al., 2020; Golombek et al., 2020; Lognonné et al., 2020). 这是继1976年“维京”2号(Viking 2)携带地震仪登陆火星后的又一个里程碑(Anderson et al., 1976),是地震仪首次被直接布设在火星表面进行地震观测. 地球上和月球上的地震学经验表明,基于震波的地震学观测是探测星体内部结构最有效的方式. 例如,地核、月核等重要星体内部结构的发现都依赖于地震波探测. 此外,确定火星表面土层厚度也是火星探测的重要内容之一(Delage et al., 2017; Morgan et al., 2018; Stamenković et al., 2019),因为土层厚度反映了火星表面地质和地貌的演化过程(Zent, 1998),对于未来的火星表面探测和火星车设计具有参考意义(Golombek et al., 2008). 在“洞察”号之前,只有基于卫星图像和地形数据对火星表面土层厚度的间接推断(Warner et al., 2014; Warner et al., 2016; Fassett et al., 2017; Warner et al., 2017),对火星内部速度结构模型的估计也只能通过地球化学等间接方法推测(Sohl and Spohn, 1997),而“洞察”号可以通过地震波的直接观测来反演火星地下速度模型(Knapmeyer-Endrun et al., 2017; Myhill et al., 2018). 因此,“洞察”号的发射是火星探测历史上一次里程碑式的事件,为人类探索火星提供了极其宝贵的机会.

      图  1  “洞察”号着陆点附近地形图. “洞察”号(星号标识)着陆于一个古老的火山平原上,该平原位于埃律西昂山火山以南、火星赤道以北. “勇气”号、“精神”号和“维京”2号的位置以及主要的地质特征都显示在地形图上(修改自Banerdt et al., 2020

      Figure 1.  The topographic map at the InSight landing site. InSight (shown as a star) landed on an ancient volcanic plain south of Elysium Mons and north of the Martian hemispheric dichotomy. The locations of the Curiosity and Spirit rovers, and the Viking 2 lander, along with major geologic features are shown on the map (modified from Banerdt et al., 2020)

      “洞察”号火星探测器的英文名称InSight的全称为“Interior Exploration Using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport”翻译为“基于地震波探测、大地测量与热传导的内部结构探索”,这一名称指明了“洞察”号的科学探测目标. “洞察”号的首要科学目标是反演火星内部结构从而推断其演化过程,进而探测其它类地行星的形成和演化,其次是确定火星当前的地壳构造活动水平和陨石撞击频率. 为了实现这两个科学目标,需要利用“洞察”号的载荷进行地球物理(geophysical)测量来确定火星的基础星体参数,包括:火星核的大小、成分和物理状态(固态或液态);火星壳的厚度和结构;火星幔的成分和结构;火星内部热状态;火星内部地震活动频率及分布;火星表面陨石撞击频率(Lognonné et al., 2019). 地震学方法是探测星体内部结构和状态最有效的手段,因此监测火星表面地震活动是“洞察”号本次火星探测的核心任务.

      不同于火星车的移动观测模式,“洞察”号的固定台站式的观测模式所获得的数据具有更好的连续性和更高的质量. 高精度的地震仪只有在固定台站才能稳定正常地工作,而无法布置在移动火星车上. “维京”2号的地震仪被放置在登陆器甲板上,而不是布设在火星表面,因此其地震观测受到环境作用和风引起的登陆器振动的影响较大,而无法对火星表面地震运动进行有效记录(Anderson et al., 1977; Lognonné and Mosser, 1993). 受益于“维京”2号的地震观测经验,“洞察”号使用机械臂将地震仪器直接布设到火星表面,从而减少了登陆器振动对地震信号观测的影响. 同时,地震仪器还配备了一个温压保护罩WTS(Wind and Thermal Shield),用于隔绝气温和气压变化对地震仪器的直接作用(Lognonné et al., 2019). “洞察”号的地震观测任务的设计工作时间略长于一个火星年(约两个地球年),可以用于追踪火星表面地震活动是否随季节变化. “洞察”号从登陆后即开始测试地震仪,其地震仪的地表布设在第85个火星日正式完成(约2019年2月21日. 一个火星日约为24小时39分钟35秒,“洞察”号登陆火星当天为第0个火星日),之后仪器达到其最佳工作状态(Banerdt et al., 2020). 截止到2020年9月底,“洞察”号的地震观测任务已持续一年多时间,已经接近其设计地震观测的截止时间. “洞察”号任务返回的大量地震观测数据是目前最高质量的火星表面地震观测数据,为火星地震学的研究和发展提供了宝贵资料.

      “洞察”号任务为人类火星探索提供了一个前所未有的契机,从而大大加深了人类对火星的认知. 本文主要关注“洞察”号的火星表面地震探测,详细介绍其科学目标、项目设计和已有的探测成果. 此外,还介绍了已有的研究是如何检测和分离火星表面地震数据中的有效信号,从而对火星浅表层的地下结构进行有效约束. 对震波记录中有效信号的检测依赖于对火星表面的地震背景噪声特征的清楚认识,因此本文也介绍了“洞察”号地震数据中常见的噪声信号源. 最后,基于火星地震学目前的研究进展,本文对“洞察”号科学目标的完成程度进行了讨论,并对未来火星表面探测的前景进行了展望.

    • “洞察”号携带的地震探测仪器的英文名称是SEIS,其全称为“Seismic Experiment for Internal Structure”,可译为 “探测内部结构的地震学实验”. 为了确保SEIS仪器在火星环境下能正常运转,并达到其预设的地震波探测精度,项目团队对地震仪器进行了精细的设计和充分的测试. 本节中首先对火星表面的地震观测环境进行描述,阐述火星上的地震观测所面临的困难,然后介绍SEIS地震观测仪器的设计和工作模式. 了解仪器的工作环境和仪器的具体表现是分析仪器记录数据的基础,同时也有助于研究人员对数据特征进行合理的地震学解释.

    • 火星表面的观测环境相比于地球而言十分恶劣. 火星也被称为红色星球,因为火星表面被荒漠砂砾地貌所覆盖,没有液态水形成的海洋或湖泊. 火星的大气层十分稀薄,其大气密度不到地球的百分之一. 由于液态水的缺乏和稀薄的大气层,火星表面的昼夜温差可达80 ℃,这一巨大的温差对于精密地震仪的性能影响甚大. 在有太阳辐射的地区,大气受热后由于温度不均而产生气流,从而形成持续不断的强风,白天的最高风速可超过15 m/s. 活跃的大气活动易扬起尘土,从而形成尘暴、沙柱等火星上独有的气象状况. 在这样恶劣的气象环境中布设和使用高精度仪器面临着巨大的困难.

      由于火星表面独特的环境条件,火星上的地震背景噪声也与地球和月球上完全不同. 地球上的地表背景噪声的来源比较复杂,其中低频部分包含了大气、海洋、固体地球等自然源所产生的振动(Longuet-Higgins, 1950; Schulte-Pelkum et al., 2004; Tanimoto et al., 2006; Landès et al., 2010; Ardhuin et al., 2015),而高频部分往往与局部地区的人类活动相关(Peterson, 1993). 月球上没有海洋、大气和人类活动所产生的噪声(Larose et al., 2005),但是存在月震和相对频繁的陨石撞击事件. 火星上也没有海洋,所以没有海洋潮汐作用所产生的低频噪声. 但是火星的大气活跃性远超地球(Spiga et al., 2018),因此风力、气压变化、气旋等大气活动都是可能的地震噪声源(Kenda et al., 2020). 此外,在类似火星环境中的地震观测实验(Mimoun et al., 2017; Murdoch et al., 2017a; Teanby et al., 2017; Knapmeyer-Endrun et al., 2018)和数值模拟(Fayon et al., 2018; Murdoch et al., 2018)都表明,地震仪的保护罩、平衡装置LVL(leveling system)、太阳能板、机械臂以及登陆器等可活动的部分都可能在风的作用下出现振动. Panning等(2020)指出“洞察”号和“维京”2号在甲板上观测的地震噪声数据主要由风引起,因此他们推荐在任务发射前对登陆器振动模式进行详细的研究.

      火星表面的地震背景噪声特征对地震仪器的设计提出了挑战,也提供了思路. “洞察”号任务中一个十分关键的问题是火星登陆地点的选择. 登陆点的选择首先要保证可以获得足够的太阳能作为能源供应. 在此基础上,尽可能选择地势平坦无凸起物的地方,以方便地震仪器等设备的布设和工作. 此外,还需要考虑环境噪声干扰的影响,尤其是应该选择风速相对较低的地区(Golombek et al., 2017). 根据以上要求,“洞察”号的登陆点最终选择在了一个地势平坦、几乎没有岩石块的、半径约为27 m的退化陨石坑Homestead Hollow(Golombek et al., 2020). 为了获取当地气象条件,“洞察”号还配备了可测量风速、气温、气压的探测器(Banfield et al., 2019).

    • 为了应对火星上独特的地震观测环境,同时保证仪器精度达到设计要求,SEIS项目团队设计了一个特殊的六轴地震仪器SEIS. SEIS仪器由四部分组成:传感器组件(sensor assembly)、电子盒(electronic box)、连接带(tether)、温压保护罩(WTS). 传感器组件包含一个三轴超宽频带地震仪VBB(Very Broad Band)和一个三轴短周期地震仪SP(Short Period),负责感知地面振动,并将振动信号转化为电信号,它们的最高采样率均达到100 sps(sampling per second). 传感器组件表面有一层隔热层RWEB(Remote Warm Enclosure Box),是隔绝热噪声的第一层防护措施. 为了消除地形倾斜对地震仪器的影响,传感器组件还配备有水平平衡装置(levelling system),可以平衡15°以内的斜坡所产生的倾斜. 电子盒位于登陆器内部,通过连接带与传感器组件相连接,负责接收传感器组件传输的电信号以及后续的数据处理. 当传感器组件被机械臂布设到火星表面后,温压保护罩被放置在传感器组件上方,以隔绝风和气温变化对传感器的影响.

      通常,一个地震仪包含两个水平轴和一个垂直轴,其中每个轴记录一个方向上的震动. VBB仪器的三个轴均与水平面有约30°的夹角,其覆盖频率范围为0.01~50 Hz;SP仪器有两个水平方向的轴和一个垂直方向的轴,且三个轴几乎互相正交,而它的覆盖频率范围为0.1~50 Hz. VBB和SP仪器的噪声水平比 “维京”2号地震仪高1~3个量级,覆盖的频率范围也更宽(Lognonné et al., 2019). 在5 Hz以下的频率范围内,VBB仪器的噪声水平要优于SP仪器,因此VBB数据通常用于相对低频范围的地震学研究,而SP数据为研究5~50 Hz的高频范围提供了可能(Mimoun et al., 2017; Lognonné et al., 2019). SEIS仪器由机械臂直接布设在火星表面,这一布设方案降低了登陆器振动等机械振动对地震观测的影响. 温压保护罩WTS的安装也避免了风力和温差变化对地震仪器的直接作用,确保SEIS记录的是火星表面的地面运动而非环境条件变化所产生的干扰信号. 高精度的地震观测仪器SEIS以及仪器的有效布设方案是“洞察”号完成其科学目标的基础保障.

      SEIS仪器有不同的工作模式,以获得不同频道的VBB或SP数据. Lognonné等(2019)详细描述了数据频道(见InSight项目的SEIS数据描述https://www.seis-insight.eu/en/science/seis-data/seis-data-description),以下进行简单总结. SEIS数据频道的差别体现在数据模式(科学模式或者工程模式)、增益高低或传输数据重采样的频率不同. VBB和SP仪器的原始采样率均为100 sps,但是受限于火星与地球之间通讯传输的数据量,原始数据需要经过重采样之后再返回地球的火星震服务中心MQS(MarsQuake Service)(Clinton et al., 2018). 常规情况下,返回地球的连续观测数据为2 sps的VBB数据和20 sps的VBB/SP垂向分量的混合数据. 如果发现疑似火星震信号,MQS也可以控制“洞察”号返回更高采样频率的数据.

      “洞察”号独具匠心的地震观测实验设计在一定程度上克服了火星表面地震探测的障碍,为获得高质量的火星震数据提供了可能性. 但这只是火星上地震学探测的开始. 如何分辨火星表面地震数据中的噪声和有效信号,如何依据有效震动信号提取火星结构的信息,并进一步完成“洞察”号的科学目标,才是本次火星探测任务能否成功的关键.

    • SEIS仪器是目前火星上唯一正在工作的地震仪器,可以视为单个台站. 虽然SEIS目前已经获取了海量的火星表面地震数据,但是单台地震数据在应用一些地震学方法时存在局限,例如地震定位中地震波速与震中距之间的折衷. 为了从火星的地震观测数据中提取出有效信号,需要改进现有的地震学方法. 本节主要围绕对火星表面地震数据的分析,介绍数据分析方法,展示已经发现的有效信号的特征和来源,并讨论这些有效信号对火星结构探测的贡献和对火星上地震观测实验的启示.

    • 火星震信号是最令人期待的信号之一. 与地球类似,火星上也存在断层等地质构造的构造活动,但是火星的构造活动性相比于地球更弱. 此外,火星整体处于不断冷却的过程中,在冷却过程中也可能存在由局部应力释放所引起的振动. 因此,有必要对火星震的发震机制开展研究,从而加深对火星内部构造活动特征的了解. 火星震与地球上的地震所产生的震波都是通过地下介质传播,因而火星震信号可以用于火星速度结构的反演或成像,从而得到火星的速度结构模型. 尤其是较大震级的火星震事件,将会是探测火星深部结构最有效和最可靠的地震资料. 由于“维京”2号未能探测到确切的火星震信号(有一个在第80个火星日的疑似火星震),“洞察”号的地震记录可以说是火星震信号的第一手资料.

      目前观测到的火星震的最大震级不超过MW 4.0,且信噪比不高,因此MQS需要通过一系列数据分析流程来检测和分辨火星震信号,并提供火星震目录(Clinton et al., 2020 Preprint; Lognonné et al., 2020). 火星震的初步检测是通过频谱能量来筛选疑似的火星震信号,在排除风力较强的时段之后,得到来源于火星震震源的信号. 第二步是确定火星震事件的特征,包括:(1)通过频谱和极化(polarization)分析进行震相拾取和分离;(2)基于频谱包络线确定震中距、反方位角和震中(Böse et al., 2017);(3)评估事件类型(高频事件或低频事件)、事件质量(质量从优到劣有A、B、C、D四类等级)和震级大小. 这套火星震事件检测流程可以自动化地监测火星震信号,获得可靠的火星震目录,为火星震相关研究提供了便利.

      截止2019年9月底,SEIS数据中共检测出了174个火星震事件,其中包括24个震级MW3~4的低频事件,剩下150个为高频的小震事件(Giardini et al., 2020). 火星震信号与地震信号的对比显示(图2),火星震信号的振幅很小,且在P波和S波震相之后有较长的尾波. 这一现象表明火星壳具有强烈的散射特性. S0235b事件的P波和S波的震相到时十分清晰,但是S0105a事件由于信噪比较低,只能通过功率谱密度的包络线来确定P波、S波到时. 火星震信号中缺少面波,但是无法确定这一现象是由深源火星震、火星壳散射还是其它原因所导致. 目前观测到的火星震事件中只有两个最大的事件(分别命名为S0173a和S0235b)具有较高的质量,可以清晰地识别出P波和S波震相并进行较为准确的震中定位. 这两个火星震事件发生在离“洞察”号着陆点约1 500 km外的刻耳柏洛斯堑沟群(Cerberus Fossae)地区(图3). 该地区的形成与火山活动有关,是“洞察”号附近的构造活跃区域之一,区域内分布着多条断层. 这两个火星震事件的定位结果表明,火星的地震活动不仅来源于星体的热胀冷缩(因受热或冷却而产生的弹性范围内的应力改变),也包含局部地区构造活动的作用(Giardini et al., 2020).

      图  2  火星震与地震信号之间的对比. 顶部是两个火星震信号的垂向位移记录,滤波范围0.033~0.5 Hz. S0235b具有清晰的P波和S波到时. S0105a是一个低信噪比火星震事件的示例,它的P波和S波到时是通过功率谱密度的包络线来确定的. 注意两个事件的振幅不同. 底部是两个震中距近似的地震事件的垂直分量,滤波范围0.125~0.5 Hz. 发生在希腊的浅源地震中存在面波,而深源地震和火星震中没有发现面波(修改自Banerdt et al., 2020

      Figure 2.  Comparison between Marsquake and earthquake signals. The upper panel is the vertical displacement time series for two Marsquake signals, filtered between 0.033 and 0.5 Hz. S0235b shows clear P- and S-wave arrivals. S0105a is an example of a lower-SNR event, whose P- and S-wave arrivals are determined using power density function envelopes. Note the different amplitude scales. The lower panel shows the vertical components of two earthquake signals at a similar distance. The shallow earthquake in Greece has visible surface waves. However, surface waves, are not detectable for either the deep earthquake on Earth or Marsquakes (modified from Banerdt et al., 2020)

      图  3  火星高程图上显示的火星全球地震活动图. 白色阴影条带显示了震中距范围. 红色至黄色椭球体是S0173a和S0235b事件的估计震中位置. S0183a的估计震中用两个阴影椭圆显示,表示距离不确定性为5°和10°的定位情况. 右侧插图显示了三个事件相对于“洞察”号登陆点(黄色三角形)的震中区域的视图. 黑色和红色线条分别表示主要的逆断层和正断层(修改自Giardini et al., 2020

      Figure 3.  Global seismicity of Mars shown on Mars elevation map. White shaded bands show the range of epicentral distances. Red to yellow ellipsoids are the estimated locations of events S0173a and S0235b. The estimated location of S0183a is displayed with two shaded ellipses, representing distance uncertainties of 5° and 10°. The inset on the right shows a map view of the epicentral area of the three event locations relative to the InSight landing site (yellow triangle). Black and red lines are main reverse and normal faults, respectively (modified from Giardini et al., 2020)

      虽然目前只观测到两个高信噪比的火星震事件,但是它们依然有效地推进了火星地震学的发展. 由于S0173a和S0235b火星震事件具有清晰的P波、S波震相,Lognonné等(2020)通过接收函数方法对火星壳的分层结构和S波波速进行了估计. 此外,从这两个火星震信号尾波的动能包络线(kinetic energy envelope)中可以提取出吸收品质因子(absorption quality factor),进而获得火星壳的散射和衰减特征(Lognonné et al., 2020). 最后,根据这两个火星震的横波振幅随距离的变化可以验证前人研究中对火星上地幔中存在低速带这一推测(Zheng et al., 2015).

      火星震信号的发现大大加深了人类对火星壳幔结构和地震活动性的认知,使火星探测进入全新的阶段. 遗憾的是,目前高信噪比的火星震事件较少,也没有监测到深部火星震或大震事件,无法对火星深部结构进行有效探测. 随着“洞察”号火星表面地震观测任务的继续进行,以及未来更多火星探测器的发射,将会有更多火星上的地震数据被公布,从而促进火星地震学的发展.

    • “洞察”号的气象观测数据显示,火星的大气层十分活跃,且具有日周期性变化(Banfield et al., 2020). 在“洞察”号发射以前,已有研究预测火星表面强烈的气旋会导致地面形变(Kenda et al., 2017; Murdoch et al., 2017b). 而这种现象在火星实地观测数据中已经得到了验证(Banerdt et al., 2020; Banfield et al., 2020; Garcia et al., 2020; Lognonné et al., 2020; Stutzmann et al., 2020 Preprint),并用于约束登陆点附近水平几十米范围内火星表土层的物理性质(Garcia et al., 2020; Kenda et al., 2020; Lognonné et al., 2020).

      火星上的气旋或沙柱具有类似龙卷风的外形特征,它们的形成与干燥空气受到太阳的辐射加热有关. 气旋的中心为低气压区,其对地面的作用等同于负压加载,从而使地面出现抬升,即发生地面形变(Lorenz et al., 2015). 这种气压引起的地面形变可以被地震仪SEIS所记录到. “洞察”号的地震记录与风速、气压之间的相关性分析显示,长周期的地震波受到由气压扰动引起的地面形变的控制(Lognonné et al., 2020). 气压引起的地面形变观测可以用于提取地面的柔度(compliance)或者弹性刚度(elastic rigidity),而这两个参数是确定火星地下结构的物理性质和理解火星表面形成过程的关键参数(Banerdt et al., 2020). Sorrells(1971)对弹性半空间在平面压力波下的位移响应进行了研究,这一理论将弹性参数与地面柔度联系在一起,可用于模拟由气旋引起的地面形变(Kenda et al., 2017; Murdoch et al., 2017a). 通过对气旋的观测数据与模拟结果的对比(图4),可以获取地面表层的杨氏模量和泊松比,并进一步用于反演火星近地表的速度结构模型(Golombek et al., 2018; Banerdt et al., 2020).

      图  4  气旋(沙柱)的模拟和观测数据. 顶部3个子图分别表示气旋在北向、东向和垂向的地面运动加速度(修改自Banerdt et al., 2020

      Figure 4.  Model data and observed data due to an atmospheric vortex (dust devil). The top three subplots are north, east and vertical components of the ground acceleration due to the vortex pressure (bottom panel), respectively (modified from Banerdt et al., 2020)

    • HP3全称为“the Heat Flow and Physical Properties Package”,译为“热流和物性集成装置”,布设在离SEIS仪器1.18 m的地方. HP3设备包括热探头、打孔器和支撑装置,其主要科学目标是进入火星表面土层5 m深度处进行热流探测. HP3的打孔器不是采用常规的钻孔方式进行打孔,而是通过高频撞击地面来使热探头进入地下. HP3打孔信号的频率超过2 000 Hz,而且持续时间通常只有零点零几秒,因此SEIS仪器在最高采样率下也难以记录其完整波形(Kedar et al., 2017; Golombek et al., 2018). 目前HP3的热探头仅仅进入地下约40 cm,未达到其设计深度,但是其打孔信号依然可以用于约束“洞察”号登陆地点的地下速度结构.

      在已知打孔器与SEIS仪器之间距离的情况下,根据HP3打孔信号的走时,可以估计登陆点附近水平1 m范围内的表土层的平均P波波速. 平均P波波速和从气压引起的地面形变中提取的地表柔度是对表面土层性质的有效约束,结合已有的研究给出的火星近地表压实模型(compaction model)(Panning et al., 2017),可以反演“洞察”号登陆点的土层厚度和地下P波速度结构模型(Lognonné et al., 2020)(图5). 由于已有数据对速度结构的约束较少,反演结果存在很大的不确定性. 为了克服数据不足带来的模型不确定性,Lognonné等(2020)采用了基于蒙特卡罗—马尔科夫链(Monte Carlo Markov Chain)的贝叶斯反演方法(Bayesian inversion),该方法可以对反演速度模型的不确定性进行估计. 根据贝叶斯反演方法得到的登陆点附近的土层厚度较薄,不超过2 m,而P波波速随深度的变化为从5 cm深度的90 m/s到80 cm深度的145 m/s. 这一结果表明,SEIS部署地点的陨石坑主要由松散的无黏性砂质材料构成,其地震波速低于预估值. “洞察”号项目的HP3团队推测这种松散的材料可能是导致HP3打孔器无法深入地下的原因. 因为松散的土层无法为HP3的支撑装置提供足够的摩擦力,以抵消撞击地面所产生的反弹力,而且“洞察”号的摄像设备也确实记录到了打孔器的反弹现象. 尽管HP3仪器的表现并不完美,它依然让我们对火星表面土层性质有了更多的了解,对今后的火星探测也有很强的参考价值.

      图  5  “洞察”号登陆点的地下土层厚度和P波波速的反演结果. 假设顶部0.8 m为压实模型. (a)基岩上方P波波速随深度变化的概率分布函数(PDF). 黄色和紫色分别代表低概率和高概率;(b)土层—基岩过渡带深度的边缘概率;(c)0.1 m深度处的土层中和基岩中P波波速的边缘概率;(d)基岩中P波波速随土层—基岩过渡带深度变化的标准概率分布函数(修改自Lognonné et al., 2020

      Figure 5.  Inversion results of the regolith thickness and VP of the underlying bedrock at the InSight landing site. A compaction-based profile in the top 0.8 m is assumed. (a) The probability density function (PDF) of VP just above the bedrock as a function of depth of the bedrock. Yellow and purple colours are low and high probability, respectively. (b) Marginal probabilities of the regolith-to-bedrock transition depth. (c) Marginal probabilities of VP in the regolith at 0.1 m depth and in the bedrock. (d) Normalized PDF showing VP in the bedrock as a function of the depth of the regolith-to-bedrock transition (modified from Lognonné et al., 2020)

    • 2.4 Hz频率的响应是一种火星上独有的结构响应,它出现的频带较窄且峰值频率在2.4 Hz. 在大量的火星表面地震观测数据中都观察到了该响应,其特征表现为垂直向的振幅放大大于水平向. 目前可以确定2.4 Hz频率响应可以由任何在2.4 Hz频率的地面振动所激发,是一种比较“杂乱”的响应,但它的形成与风力没有明显相关性(Giardini et al., 2020). 研究发现高频火星震事件(主要能量高于1 Hz)和低频火星震事件(主要能量低于1 Hz)都可能激发2.4 Hz频率响应,因此这部分火星震事件也被称为“2.4 Hz”事件.

      2.4 Hz频率响应的一个用途是用于估计火星震震级. 由于火星震信号的信噪比普遍不高,很多事件无法拾取清晰的震相. 因此,对火星震事件震级大小的估计需要根据事件类型的不同而采用不同的震级估计方式(Böse et al., 2018; Giardini et al., 2020). 目前的火星震目录采用三种方式进行震级估计:(1)对于在2~6 s周期范围内能观察到清晰波形的事件,依据其位移频谱的稳定值(plateau of the displacement spectra)估计“谱震级”;(2)对于可以识别出P波或S波震相的事件,使用其最大位移振幅估计“体波震级”;(3)对于主要表现为2.4 Hz响应的高频事件,先通过洛伦兹曲线(Lorenz curve)拟合其在2~3 Hz频带范围内的位移谱,从而得到2.4 Hz响应的放大峰值,然后得到“2.4 Hz震级”. 此外,2.4 Hz频率响应是由地震地面运动所激发的结构响应,它还可以作为自然源的参考,用于区分自然源所产生的响应和机械源所产生的振动.

    • 机械振动源是火星表面地震观测中的重要影响因素. “洞察”号附近的机械振动主要是SEIS地震仪的保护罩WTS、SEIS的平衡装置LVL、机械臂和登陆器这些可活动部分在风力作用下所产生的振动,其中以登陆器自振为主. 自振模式是机械结构体中一种常见的现象,即结构体在外界加载下所发生的固有振动. 登陆器自振在行星探测器中并不罕见,尤其是在大气活动活跃的火星上,较高的风速很容易导致登陆器自振的产生.

      “维京”2号的地震仪布设在甲板上,所以它受到由风引起的登陆器自振的影响很大(Anderson et al., 1977). “洞察”号为了减少登陆器自振等机械振动对地震观测的影响,使用机械臂将地震仪布设到火星表面. 由于地震仪的布设位置离登陆器较近,登陆器的机械振动依然可以通过土层传播至地震仪从而被记录. “洞察”号的地震数据中已经发现了3.2 Hz、4.0 Hz、7.0 Hz以及更高频率的登陆器自振(Compaire et al., 2020 Preprint; Giardini et al., 2020; Lognonné et al., 2020),这些登陆器自振在风速低于2.8 m/s时不明显,说明它们的来源跟风力作用密切相关. SEIS的平衡装置LVL的机械振动也被观察到,其频率较高,超过39 Hz(Lognonné et al., 2020).

      由于机械振动在火星表面地震数据中普遍存在,如何分辨登陆器自振等机械振动与自然源所产生的振动是一个十分重要的问题. SEIS仪器在布设到地面之前在“洞察”号甲板上也进行了累积数十个小时的地震观测,这些甲板上的地震数据可以用于研究登陆器自振的特征. 通常,地震记录的频谱中持续存在的峰可能跟机械振动有关. 将这些峰与气温、气压和风速等气象观测数据进行相关分析,可以判断频谱中的峰与环境条件是否相关. 预研究对SEIS地震仪进行了实验测试并提出(Knapmeyer-Endrun et al., 2018),为了准确地判断频谱中某个峰的震源类型,还需要使用随机减量方法(random decrement method)(Cole, 1971)提取对应峰值频段内地面运动的衰减系数,通过衰减系数的大小来判断振动来源于自然源还是机械源.

    • 除有效信号外,火星的地震数据中还包含很多形成原因复杂的噪声信号(图6). 这些噪声信号可能来源于仪器设计缺陷、环境干扰、仪器工作噪声等因素,且通常会反复出现,从而不可避免地给火星的地震数据分析带来困扰. 为了解决这一问题,有研究对火星上地震数据中常见的噪声信号的类型和特征进行了总结(Ceylan et al., 2020 Preprint; Compaire et al., 2020 Preprint; Lognonné et al., 2020; Scholz et al., 2020),并针对其中一些信号给出了有效的去除方法(Scholz et al., 2020). 本节中主要介绍火星表面地震数据中几种常见噪声信号的特征以及它们可能的形成原因,并讨论它们对地震观测的可能影响,最后描述不同类型噪声信号的处理方法.

      图  6  火星震服务中心(MQS)数据库中包含的非地震事件. Glitch信号为单分量或多分量脉冲. 太阳会合期间(中间的灰色条带)没有返回数据(修改自Ceylan et al., 2020 Preprint)

      Figure 6.  Non-seismic events in the MQS database. Glitches are shown as either single or multi-component pulses. During solar conjunction (grey shaded band in the middle) no data were retrieved (modified from Ceylan et al., 2020 Preprint)

    • “瑕疵”信号(Glitch)指的是加速度地面运动记录中幅度相对较小的瞬时单边脉冲信号(图7),通常从波形上可以直接观察到,其持续时间往往在25~30 s. Glitch信号并非首次发现,它不仅是火星的地震记录中最常见的噪声信号,而且在月震记录中也存在. Glitch信号既可能出现在高频段,也可能出现在低频段. 大部分的Glitch信号与环境温度变化引起的地震仪器的热应力释放有关,还有少部分Glitch信号与地震仪器的微小倾斜角度有关(Lognonné et al., 2020; Scholz et al., 2020). 此外,还有一部分Glitch信号的具体形成原因较为复杂. 当Glitch信号仅出现在单分量记录和同时出现在多分量记录时,其形成原因也有所不同(Lognonné et al., 2020; Scholz et al., 2020). Glitch信号会影响包括接收函数、极性分析、频谱分析等在内的一系列地震学方法的应用. 因此,Scholz等(2020) 对Glitch信号进行了详细分类,提出了一套检测、分析和去除Glitch信号的方法. 该方法通过仪器响应函数与一个加速度的阶跃函数之间的卷积来模拟时域中的Glitch信号波形,可以有效地去除火星上原始地震数据中不同类型的Glitch噪声信号.

      图  7  包含Glitch信号和去除Glitch信号的地震记录的对比. 顶部是采样率为20 sps的VBB-U分量的原始数据(黑色)和去除Glitch信号后的原始数据(灰色). 底部与顶部类似,但去除了仪器响应以展示加速度,并随之加了1 Hz低通滤波(二阶巴特沃思滤波器). 注意原始数据中加速度的阶跃在去除Glitch信号后消失(修改自Lognonné et al., 2020

      Figure 7.  Comparison between seismic records with glitches and deglitched records.The upper panel is the 20 sps data of VBB U-component in the original RAW (black) and deglitched RAW (grey). The lower panel is like the upper panel, but with the instrument response removed to show acceleration and subsequent 1 Hz low-pass filtering (second order Butterworth). Note the step in acceleration in the original data that is absent after deglitching (modified from Lognonné et al., 2020)

    • “瞬时高频”信号(Donk)是SEIS地震记录里反复出现的噪声信号,其振幅很大且频率较高,通常在12 Hz以上的频带范围出现(图8). Donk信号的波形与微地震相似,其持续时间较短,通常只有几秒钟. Donk信号的产生原因与登陆器、SEIS以及它们两者之间的连接带Tether等仪器在温度循环过程中的瞬时应力释放有关(Ceylan et al., 2020 Preprint). 大多数的Donk信号在登陆点当地时间的早晚低风时段出现. 低风时段的环境噪声较小,是观测火星震的最佳时段,因此Donk信号不可避免地会对火星震信号的监测产生干扰. 有时Donk信号会与Glitch信号同时出现,这意味着它们可能来源于同样的干扰源.

      图  8  100 sps的SP数据中的Donk信号示例. (a)垂直分量的速度谱;(b)在图(a)中用竖直虚线标记的时段内的三分量波形图. 时间尺度为10 s,开始于UTC时间2019-07-30的13:36:00(修改自Ceylan et al., 2020 Preprint)

      Figure 8.  Examples of donk events as seen on the 100 sps SP data. (a) Velocity spectrogram of the vertical component; (b) Three-component waveforms in the time frame marked with vertical dashed lines in (a). The time axis is 10 s long starting from 2019-07-30 13:36:00 UTC (modified from Ceylan et al., 2020 Preprint)

      目前对于Donk信号的成因机制的研究还不够成熟,所以还没有可以去除Donk信号的有效方法. 不过由于Donk信号在时域和频域的特征比较明显,比较容易识别,而且大部分Donk信号的频率较高,与火星震的主要频率范围不重合,所以Donk信号对火星表面地震数据的影响可以在一定程度上加以控制.

    • VBB和SP地震仪记录中都发现了在数小时内频率随时间平稳变化的瞬时信号,这些信号在时—频图中表现为频率随时间连续变化(通常是频率随时间下降)的线或条带,具备这种特征的信号被称为“串音”信号(Crosstalk). 这些信号的频率与SEIS仪器各轴的速度计数完全对应,是由于不同轴之间的串扰所导致的假象(Ceylan et al., 2020 Preprint).

      SEIS仪器的另一种瞬时信号“哨声”(Whistling)(图9)与Crosstalk信号之间最大的差别是它只存在于地震仪器的一个轴的记录中,而不会出现在不同地震仪器之间或同一地震仪器的不同轴之间的串扰. 目前还没有能够有效去除Crosstalk信号和Whistling信号的方法,但是这两种噪声信号的出现并不频繁,对它们出现的时段进行统计,可以避免在数据分析时引起误解.

      图  9  VBB和SP记录的速度谱中的Crosstalk信号或Whistling信号. 仪器和分量名称显示在每个图的左下角. (a)100 sps数据中两个清晰的SP模式(A和B,使用虚线标出). (b)100 sps数据中频率高于1 Hz的不同VBB模式. (c)100 sps数据中频率低于1 Hz的VBB模式,用箭头进行了标注(修改自Ceylan et al., 2020 Preprint)

      Figure 9.  Crosstalk, or "whistling" signals, as seen in the velocity spectrograms for SP and VBB records. Instrument and channels are shown in the lower-left corner of each panel. (a) Two distinct SP modes from the 100 sps data (A and B; also outlined with dashed lines); (b) Different modes of the 100 sps VBB data at frequencies >1 Hz; (c) Some of the VBB modes that appear in frequencies below 1Hz, marked with arrows (modified from Ceylan et al., 2020 Preprint)

    • SEIS的SP地震仪(尤其是其垂直轴)对温度较为敏感,因此SP记录中存在反复出现的高幅值的尖刺信号,且其波形会出现长周期漂移. 具备这两个特征的信号被称为“温度模式”(Temperature pattern). Temperature pattern信号在多个火星日的地震记录中存在,通常在一个火星日内会出现一次. 从较长时间尺度来看,SP地震仪的速度记录受到温度的影响在不断加剧(Ceylan et al., 2020 Preprint). VBB地震仪也会受到温度变化的影响,但其受影响的程度没有SP地震仪这么严重. 地震仪器的Temperature pattern信号的特征取决于环境温度变化曲线,因此不同火星日的地震观测中可能存在不同特征的Temperature pattern信号. Temperature pattern信号的出现不频繁,目前对这种信号的处理方式是标记出其出现的时段.

    • 尽管SEIS的温压保护罩WTS可以显著地降低环境的干扰作用,大气活动对SEIS地震观测的影响依然无法被完全消除. 大气活动主要会产生两种效应:“气压降”(Pressure drop)和“夜晚轰鸣”(Evening rumble). Pressure drop信号与2.2节中介绍的气旋密切相关,在刚过中午的高气温时段非常常见,且在一个火星日内可以出现数次. 有研究发现夜晚的气压涨落与重力波有关(Banerdt et al., 2020),此外还发现了由持续时间超过半个火星日的气旋所引起的Pressure drop信号. 另一种信号Evening rumble通常出现在夜晚的安静时段,表现为持续时间可达2~3小时、周期超过2 s的长周期信号. 它在时域的特征不明显,而在频域的特征与低频火星震事件相似. 但是相比于火星震,它的持续时间明显更长且频率更低. Evening rumble信号的出现并不频繁,它的起源最可能与火星上季节更替有关(Ceylan et al., 2020 Preprint). Pressure drop信号的周期较长,对火星震数据分析的影响较小,而对Evening rumble信号出现的时段也进行了标记(图6),以避免在对数据进行地震学解释时引起误解.

    • “傍晚啁啾”(Sunset chirp)也是一种时域特征不明显、频域特征突出的信号,通常出现在夜晚低风时段. 大部分Sunset chirp信号出现在VBB地震仪的东西分量,其周期在4~35 s,持续时间可达30~60 min. Sunset chirp信号的频谱特征近似于鱼骨架,即竖直排列的多个“倒V字”(Ceylan et al., 2020 Preprint). Sandman信号出现在SP地震仪的一个水平轴,通常出现在登陆点当地时间18:00~20:00期间,持续时间为两个小时. Sandman信号出现在5~8 Hz的较高频带范围,其频谱特征为单个“倒V字”(Ceylan et al., 2020 Preprint). 虽然Sandman信号的频谱特征与Sunset chirp信号相似,但它本质上是SP地震仪的单轴Whistling信号. Sunset chirp信号与Sandman信号并非经常出现,目前仅在几个火星日的记录中观测到了. 对于Sunset chirp信号和Sandman信号这两种出现相对不频繁的噪声信号,目前也采用标记的方式来进行处理.

    • “时钟噪声”(Tick noise)起源于温度测量仪的电子箱(E-Box)与地震仪器的数据采集系统之间的串扰(Clinton et al., 2018; Compaire et al., 2020 Preprint; Scholz et al., 2020). 由于电子箱的工作周期为1 s,所以Tick noise信号出现在1 Hz频率附近. 在SP和VBB记录中都可以观察到Tick noise信号,但是在后者中更强. Tick noise信号在白天的幅值和频率通常保持不变,但是也可能出现高频(如2 Hz和4 Hz)的谐振. Compaire 等(2020 Preprint)提出了一种消除Tick noise信号的办法,首先对夜晚安静时段的噪声进行了叠加从而提取出Tick noise信号的波形,然后通过波形相减的方法从数据中去除Tick noise信号.

    • “洞察”号的火星表面观测实验是迄今为止人类对火星最为深入的一次探测. 通过地震学观测和气象观测,人类对火星表面地震观测环境、火星的地震活动性、火星震的特征、着陆点地下土层的物理性质、着陆点至火星震震中之间的火星壳结构等有了更全面和深入的了解. 然而,由于目前观测到的火星震的震级较小、震源深度较浅,且没有观测到由火星表面陨石撞击事件所激发的震波(Daubar et al., 2020),尚不能对火星深部结构进行有效约束. 关于火星深部震相的预研究指出(Panning et al., 2017), 震级超过MW 4.5的火星震事件中可能会观测到P波和S波的能量在火星核幔边界的反射与折射现象. 此外,如果观测到由火星震或陨石撞击事件所激发的火星的自由振荡,对火星深部结构会是很好的约束(Zheng et al., 2015; 刘澜波, 2021). “洞察”号的地震观测实验从着陆火星起已经持续了一年多时间,目前已返回了大量的数据. 这些数据中是否包含震级较大的火星震事件或陨石撞击事件将是决定“洞察”号能否完成火星深部结构探测目标的关键(Daubar et al., 2018).

      火星上特殊的观测环境对地震仪器设计和布设方案提出了新的要求,也是对地震学研究的一次挑战. 正是由于火星表面环境的影响,地震观测数据中检测出了许多环境相关的噪声信号. 目前的研究已经对常见的噪声信号进行了总结和归类(Scholz et al., 2020),以降低它们对地震数据分析和地震学解释的影响. 火星上最常见的两个噪声信号为Glitch信号和Donk信号. 但是这两个信号中不包含任何有用的信息,通常只能被移除以保证数据中的有用信息不被掩盖. 登陆器自振也是“洞察”号火星表面地震数据中常见的信号之一,并且其频率范围分布较广,几乎覆盖了2~50 Hz频率范围. 登陆器的振动是通过土层传播到SEIS仪器的,因此其中可能包含土层的信息. 然而,目前的研究只揭露了登陆器自振出现的频率以及它与风速之间的相关性,而没有对登陆器自振的特征进行更深入的讨论. 登陆器自振是否可以应用于地震学研究中还有待进一步的探究.

      SEIS是人类首次在火星表面进行的长期固定台站式的地震探测,也是未来火星上地震台网布设的良好开端. 无论是在地球或月球上,多台站的台网式观测方式都会很大改善地震学探测的结果. 因此,火星上地震台网的建设可以更好地监测火星的地震活动,获取更多地震数据,从而对火星深部结构进行更有效的约束.

    • “洞察”号任务是火星探测历史上的重大里程碑. 本文阐述了“洞察”号的科学目标,并通过介绍它的火星表面地震观测实验来说明它如何达成这些科学目标. “洞察”号的地震观测实验设计是基于“维京”2号的火星探测经验而完成的,它不仅大大提高了震波探测的频率范围和精度,而且能够较好地阻隔火星表面气象环境对地震观测的影响,从而提高检测到火星震信号的概率.

      对“洞察”号的地震数据分析显示,火星上依然存在由构造活动所引起的火星震,并由这些火星震信号获取了火星壳的衰减特征. 此外,由气压引起的地表形变和HP3打孔信号也为登陆点附近表面土层的物理性质提供了约束,从而反演得到着陆点附近的地下P波速度结构. 部分火星震会激发频率为2.4 Hz的结构响应,而这一结构响应可以用于区分自然源和机械源所产生的振动. 登陆器自振是火星上重要的机械源,但是它是否可以提供结构信息还有待更多研究.

      火星上的地震数据中存在许多噪声信号,其中主要的几种噪声信号的特征和形成原因已经得到了总结,并且已经有了去除其中部分噪声信号的方法. 最常见的两种噪声信号(Glitch信号和Donk信号)的持续时间通常不长,因此不会对地震记录产生严重干扰. 噪声信号的来源主要与火星表面的温度变化和活跃的大气活动有关,通过地震记录与气象测量之间的相关分析,可以有效地排除与环境相关的噪声信号.

      “洞察”号的火星表面地震探测实现了其基本的科学目标,为火星上的地震学观测积累了宝贵的经验和数据. 然而,受限于火星震的震级和陨石撞击事件的频率等客观条件,对火星深部探测的进展比较有限. 本文认为未来的火星探测有两个大的方向:一个是更多探测项目的成立,对火星实施全方位的探测;另一个是火星地震探测项目的延续,继续“洞察”号尚未完成的科学目标,追溯火星深部的演化历史. 中国在2020年7月发射了首个火星探测器“天问一号”,它将一次性完成火星轨道环绕、火星表面着陆和火星车巡航这三大探测模式(李春来等,2018). 虽然“天问一号”上没有携带地震观测仪器,但是这次任务也是火星探测不可或缺的宝贵经验. 由于火星探测器发射的窗口期间隔长达26个月,而探测器从发射到顺利着陆火星也需要6个月左右的时间,火星探索将是一项需要长期坚持的伟大任务. “天问一号”的发射标志着火星探测越来越受到重视,虽然目前人类距离火星移民这一美好愿望还比较遥远,但火星探测一直在路上.

参考文献 (62)

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