• ISSN 2096-8957
  • CN 10-1702/P

火星地震学与内部结构研究

孙伟家 王一博 魏勇 赵亮

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火星地震学与内部结构研究

Martian seismology and review of Martian interior structure

    Corresponding author: Sun Weijia, swj@mail.iggcas.ac.cn ;
  • CLC number: P691

  • 摘要: 目前世界多国掀起了第二次深空探测热潮. 火星是人类重点关注甚至有移民愿望的行星. 美国2018年发射了“洞察”号前往火星探测其内部结构,其科学目标是理解火星形成和演化过程. 洞察号搭载了三套科学设备,其中火星地震仪是最为成功的,并取得了若干的研究进展. 本文首先阐述火星地震学与内部结构研究进展,包括火星地震事件的识别过程、火星内部结构认识等. 然后介绍美国Insight计划实施过程中地震学相关的科学家团队、科学装备以及科学软件平台建设及相应的组织形式,并讨论其对我国开展火星内部结构探测的启示及发展建议.
  • 图 1  1960~2021年以火星地震(蓝色)和月震(棕色)为主题发表的论文数量(图中仅有两种颜色,为便于比较,将月震和火星地震同一年叠合在一起,即同一年有两种颜色)

    Figure 1.  Number of publications on the topic of moonquake and marsquake (Only two colors displayed in the Figure. For convenience, the bars of moonquake and marsquake are overlaid, i.e., two colors for one year)

    图 2  三个高质量的火星地震事件的垂向分量波形(a, d, g)及P波震相的质点运动图(b, e, h)和S波震相的质点运动图(c, f). 三个事件分别是S0173a(a, b, c)、S0235b(d, e, f)和S0183a(g, h)(修改自Clinton et al., 2021

    Figure 2.  The vertical component waveforms (a, d, g) and partical motion of P waves (b, e, h) and S waves (c, f) for three high-quality marsquakes, i.e., S0173a (a, b, c),S0235b (d, e, f) and S0183a (g, h) (modified from Clinton et al., 2021)

    图 3  火星地震事件的日期和时间分布与火星地震事件质量. 纵轴为Insight号登陆火星开始计算的火星日,横轴是火星时间(修改自Clinton et al., 2021

    Figure 3.  The temporal distributions of marquakes and the marsquake quality. The vertical axis denotes Martian date after the Insight landed while the horizontal axis presents Martian time (modified from Clinton et al., 2021)

    图 4  (a)10个低频火星地震事件和(b)6个高频火星地震事件的时频谱及振幅谱的包络(修改自Giardini et al., 2020

    Figure 4.  (a) spectrogram of ten low-frequency marsquakes and (b) 6 high-frequency marsquakesand their spectral amplitude envelops (modified from Giardini et al., 2020)

    图 5  火星内部圈层结构示意图(修改自Van Hoolst and Rivoldini, 2014

    Figure 5.  The Martian interiors (modified from Van Hoolst and Rivoldini, 2014)

    图 6  不同震中距火星地震事件的谱包络,从左至右分别是垂直分量、南北分量和东西分量(修改自Clinton et al., 2021

    Figure 6.  The three-component spectral envelopes of marsquakes with various epicentral distance, from left to right: vertical component, north-south component, and east-west component (modified from Clinton et al., 2021)

    图 7  火星地震事件振幅谱变化所揭示的火星上地幔存在低速层(LVL)的示意图(修改自Giardini et al., 2020

    Figure 7.  The schematic illustrations of low-velocity layer in upper mantle revealed from the variations of amplitude spectrum (modified from Giardini et al., 2020)

    图 8  潮汐勒夫数k2和火星地核半径rcmb的关系图,ra为火星半径(修改自Rivoldini et al., 2011

    Figure 8.  The relationship between tidal Love number k2 and Martian core size rcmb (modified from Rivoldini et al., 2011)

    图 9  Insight任务火星地震仪分解图及各部件研制单位(修改自Lognonne et al., 2019

    Figure 9.  The composition of SEIS subsystems, and their leading institutions (modified from Lognonne et al., 2019)

    图 10  我国过去、现在和未来开展深空探测的路线图(修改自Wei et al., 2018

    Figure 10.  China’s past, current and the future space mission (modified from Wei et al., 2018)

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-29
  • 网络出版日期:  2021-05-06

火星地震学与内部结构研究

摘要: 目前世界多国掀起了第二次深空探测热潮. 火星是人类重点关注甚至有移民愿望的行星. 美国2018年发射了“洞察”号前往火星探测其内部结构,其科学目标是理解火星形成和演化过程. 洞察号搭载了三套科学设备,其中火星地震仪是最为成功的,并取得了若干的研究进展. 本文首先阐述火星地震学与内部结构研究进展,包括火星地震事件的识别过程、火星内部结构认识等. 然后介绍美国Insight计划实施过程中地震学相关的科学家团队、科学装备以及科学软件平台建设及相应的组织形式,并讨论其对我国开展火星内部结构探测的启示及发展建议.

English Abstract

    • 自2004年中国探月工程正式实施至今,我国在探月工程方面取得了系列举世瞩目的成就,例如我国2020年12月17日成功进行了月球采样返回,这是人类时隔44年再次成功采集月球样品. 2016年我国启动了中国火星探测任务,2020年7月23日在海南文昌发射中心完成自主发射天问一号,其在2021年2月10日成功被火星捕获,正式开启了对地球近邻火星的探测.

      月球、金星、火星是人类深空探测的首要目标星体. 相较而言,月球是地球的卫星,金星和火星则是真正意义上的行星. 人类自20世纪50年代以来开展了包括行星在内的深空探测,总体上有两次热潮:第一次是在20世纪60~70年代,第二次是20世纪90年代中期至今(万卫星等,2019吴福元等,2019). 这两次深空探测热潮有着明显的特点,第一次是美国和前苏联两国开展的太空竞赛,主旨是谁能首先做到;第二次是美国、欧盟、日本、中国、印度、以色列等多个国家或组织开展的科学竞赛,目标之一是研究行星内部结构和演化(万卫星等,2019). 地震学是研究行星内部结构和演化过程重要的学科,这主要是因为地震波在其内部传播时会记录其内部结构的速度和分界面等信息.

      尽管这两次热潮是在不同的国际环境下开展的,但是相关的科学研究一直在持续,且月震和火星地震研究的论文数量与深空探测热潮有很高的契合度. 本文分别以“moonquake OR lunar seismic OR Apollo seismic”和“marsquake OR Mars seismic OR Martian seismic”为主题在Web of Science进行了检索,以期了解1960年至今全球开展月震和火星地震研究月球和火星内部结构的进程. 图1统计了1960年以来发表的关于月震和火星地震的论文数量,可以发现自1960年以来关于月震的研究一直在持续,在20世纪70~80年代出现月震研究的小峰期,自20世纪90年代至今每年月震相关的研究论文数量明显增加,并且超越了前期.

      图  1  1960~2021年以火星地震(蓝色)和月震(棕色)为主题发表的论文数量(图中仅有两种颜色,为便于比较,将月震和火星地震同一年叠合在一起,即同一年有两种颜色)

      Figure 1.  Number of publications on the topic of moonquake and marsquake (Only two colors displayed in the Figure. For convenience, the bars of moonquake and marsquake are overlaid, i.e., two colors for one year)

      火星地震的研究始于20世纪60年代初,论文数量在1990年前寥寥无几,但1990年后火星地震相关研究的论文数量急剧增加,特别是2017年以后火星地震研究论文数量全面超越月震,这与2018年搭载火星地震仪的美国“洞察”号发射升空有着密切的关系. 特别注意图1中的插图,1960年代初期的这几篇论文是涉及月球、金星和火星探测的可行性和构思( Press et al., 1960; Nafe, 1962),这很可能就意味着当时美国将月球、金星和火星的探测放在一起讨论并实施的,这也能够被后来美国的航天器相继飞掠或造访多个行星的事实所支持.

      近10年以来的月震和火星地震研究相关的论文数量激增,说明了地震学在研究行星内部结构方面的重要地位和作用. 月震相关的研究见占伟和李斐(2007)姜明明和艾印双(2010)Crampin和Gao(2015)郝卫峰等(2018)张翔和张金海(2021)等. 本文重点介绍火星地震相关的研究. 首先综述现有的火星地震相关研究进展,包括火星地震事件检测与识别、火星内部结构等;然后介绍国际上对火星开展地震学观测和组织实施方式,最后介绍我国火星地震探测工作的相关论证和相关研究的现状和展望.

    • 1976年“维京”2号搭载的火星地震仪登陆火星,并且在登陆后的第80个火星日记录了第一个疑似火星地震事件(Anderson et al., 1977). 由于火星地震仪是放置在“维京”2号上,地震记录受噪声影响严重. 该疑似火星地震事件持续70 s,震中距约为110 km,里氏震级2.8级. 最近的研究认为该事件是阵风引起的扰动(Lorenz et al., 2017; Clinton et al., 2021).

      美国近年来实施了Insight计划(全称为Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport, 地震、大地测量和热传导内部探测). 2018年11月26日美国Insight火星探测器搭载火星地震仪SEIS登陆火星赤道附近的埃律西昂平原(Elysium Planitia). 火星地震仪SEIS被放置在火星地表,其有三个宽频带传感器(0.01~10 Hz)和三个短周期传感器(0.1~50 Hz)(Lognonne et al., 2019),每天可发回约38 MB的火星地震记录数据. 2019年2月底,通过机械手臂完成SEIS的地表布设任务. SEIS的科学目标是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.

    • 人们对火星地震事件的认识是不断加深的. 目前根据频谱特征,火星地震事件分为两类(Dahmen et al., 2020; Giardini et al., 2020; Clinton et al., 2021; van Driel et al., 2021):(1)低频事件(low-frequency event, <1 Hz)、(2)高频事件(high-frequency event, ≥2.4 Hz). 其中低频事件是震源位于火星地幔内部,高频事件的震源位于火星地壳内部(Giardini et al., 2020). 另外,识别了超高频事件(super high frequency event, 5~30 Hz)可作为高频事件的特殊案例被报道,也可以作为新的一类火星地震事件(Dahmen et al., 2020). 由于超高频事件,其持续时间、频带和机制与前两类差距较大,其被认为是Insight登陆器周边介质由于温度变化而发生破裂引起的(Dahmen et al., 2020),因此我们倾向于将其列为第三类火星地震事件:(3)超高频事件.

    • 地球板块构造活跃,相应地,地震事件发生十分频繁,破坏性的地震事件可能导致重大的人口伤亡和经济损失. 火星的板块构造几乎没有或者很弱,火星地震事件震级非常小,通常在1.3~3.7级之间(Giardini et al., 2020; Clinton et al., 2021),此外受到火星大气扰动的影响,火星地震记录的信噪比非常低(肖万博和王彦宾,2021). 迄今为止,共检测到三个可以清晰识别P波震相的事件,其中两个可以清晰识别P波和S波震相.

      低信噪比波形给火星地震事件的检测与识别带来了很大的困难. 目前,Giardini等(2020)认定一个事件是否为前两类火星地震事件需要满足三个条件:(1)波形频率位于0.1~10 Hz之间;(2)持续时间5~30 min;(3)振幅略大于背景噪声的最低值. 第三类超高频火星地震事件的特征为:(1)波形频率范围5~30 Hz,主要集中在水平分量;(2)持续时间短,约为20 s;(3)振幅略大于背景噪声的最低值(Dahmen et al., 2020).

    • 如前所述,由于火星构造活动性弱、大气干扰等,火星地震事件的信噪比通常比较低,即需要对火星地震事件的质量进行分级. Giardini等(2020)把火星地震事件按照质量分为A、B、C、D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),如图2a图2d所示的S0173a和S0235b事件;B级为中等质量,可清楚识别震相,但不能识别极性,如图2g中S0183a事件;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.

      图  2  三个高质量的火星地震事件的垂向分量波形(a, d, g)及P波震相的质点运动图(b, e, h)和S波震相的质点运动图(c, f). 三个事件分别是S0173a(a, b, c)、S0235b(d, e, f)和S0183a(g, h)(修改自Clinton et al., 2021

      Figure 2.  The vertical component waveforms (a, d, g) and partical motion of P waves (b, e, h) and S waves (c, f) for three high-quality marsquakes, i.e., S0173a (a, b, c),S0235b (d, e, f) and S0183a (g, h) (modified from Clinton et al., 2021)

      图3是截至2020年3月31日的465个低频火星地震事件和712个高频火星地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、噪声低,黄色代表波形的能量高,即火星表面噪声比较强. 为了较为准确地拾取火星地震事件,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星地震事件. 如图3所示,大部分火星地震事件发生夜间安静时段.

      图  3  火星地震事件的日期和时间分布与火星地震事件质量. 纵轴为Insight号登陆火星开始计算的火星日,横轴是火星时间(修改自Clinton et al., 2021

      Figure 3.  The temporal distributions of marquakes and the marsquake quality. The vertical axis denotes Martian date after the Insight landed while the horizontal axis presents Martian time (modified from Clinton et al., 2021)

      图3中不同质量等级的火星地震事件,尽管这些火星地震事件均发生在较为安静的时刻,但A等级的火星地震数量只有两个(据新闻报道增加至4个),B等级火星地震数量次之,以C和D等级火星地震数量最多.

    • 接收到火星地震仪记录的连续波形后的第一件事情是检测火星地震事件,并进行火星地震事件的定位. 这些连续波形中的噪声类型不一,存在多种原因机制的噪声,由于篇幅有限,本文不再赘述,详见肖万博和王彦宾(2021). 本节重点介绍火星地震事件检测与定位的内容.

      火星与地球上的地震观测有着显著差异,最大的差异之一就是地震台站数量,火星只有一台火星地震仪,而地球上地震仪遍布大陆,在人迹罕至的南极都有密集的地震台站;另一差异是火星地震的信噪比非常低. 简单而言,地球上地震事件可以被多个地震台站记录,信噪比差的地震记录可以抛弃不用,地震事件检测和定位均选择高信噪比的地震波形. 综合多种原因,传统的地震事件检测方法如STA/LTA方法(Earle and Shearer, 1994)等,不能直接用于火星地震事件的检测. 因而,火星地震事件检测采用人工识别的办法,主要是利用时频分析方法甄别火星地震事件和环境噪声的频谱差异,进而辨认疑似火星地震事件并进行确认.

      图4为10个低频事件和6个高频事件的时频谱,每个子图对应一个火星地震事件. 每个子图中的白色虚线是相应火星地震事件的频带,可以发现,不同火星地震事件的频带范围和宽度均有差异,这意味着每个火星地震事件均是由人工分析并确认的.

      图  4  (a)10个低频火星地震事件和(b)6个高频火星地震事件的时频谱及振幅谱的包络(修改自Giardini et al., 2020

      Figure 4.  (a) spectrogram of ten low-frequency marsquakes and (b) 6 high-frequency marsquakesand their spectral amplitude envelops (modified from Giardini et al., 2020)

      火星地震事件定位是另一项具有挑战性的工作. 地震事件定位精度取决于地震台站分布的方位角、事件—台站震中距的分布、震相拾取的精度等因素. 针对火星地震单台定位的特点,Clinton等(2018)提出了多种地震定位方案,如使用P波和S波震相走时差、体波和面波走时差、面波沿火星大圆路径的时差等. 目前火星地震A等级事件S0173a和S0235b可以清晰观测到P波和S波震相,其走时误差约为±2 s,其余火星地震事件可识别的P波和S波震相走时误差达到±10~±60 s(Giardini et al., 2020).

      地球内部结构存在明显的横向和垂向不均匀结构. 然而火星内部的速度结构信息极为有限. 这意味着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4 km/s时,S0264e事件的震中距为60°,而当地壳S波速度为0.7~1 km/s时,S0264e事件的震中距则为10°~15°(火星1°约为59.3 km,地球1°约为111.2 km)(Giardini et al., 2020).

      Giardini等(2020)共使用了2 500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星地震事件(图3绿色符号标注),即S0173a(S-P时差174±3 s)和S0235b(S-P时差157±4 s),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2 500个模型.

      由于震相识别和速度模型存在非常大的不确定性,火星地震定位结果因而存在较大不确定性. 如Giardini等(2020)所述,火星地震事件信息在今后的工作中仍会被继续修正. 火星地震事件目录的编制过程详见Clinton等(2021).

    • Insight的任务目标是在火星上布设第一个地球物理综合观测站(Lognonne et al., 2019),包括火星地震仪、热流仪以及无线电应答器(radio transponder)等三套科学仪器,以及辅助仪器如环境温度和大气压等监测仪器,科学目标是探测并约束火星的内部结构. 热流仪旨在探测火星的地表热流值,帮助理解火星内部的热结构与状态、火星内部的放射性元素含量、物质组成等(Spohn et al., 2018). 据了解,热流仪由于对火星地表认识不足而存在设计缺陷,仅仅钻进到20~30 cm而无法继续向下钻进,最终导致其无法钻进到地下5 m的预定深度.

      无线电应答器主要是监测火星在其轨道上的晃动量以及火星自转的晃动量,以确定火星地核的固/液状态以及对火星演化过程的启示(Folkner et al., 2018). 目前未见到相关研究成果发表. 在三套设备中,火星地震观测对火星内部特别是地壳和上地幔结构研究相对深入. 尽管对火星内部结构有了初步了解,但了解程度还是十分有限,对火星内部结构及形成过程的理解存在不一致认识,本节试图对火星的内部结构进行背景性的介绍. 图5给出了大致的火星的壳—幔—核结构(Van Hoolst and Rivoldini, 2014),需要注意的是这些均是估计值.

      图  5  火星内部圈层结构示意图(修改自Van Hoolst and Rivoldini, 2014

      Figure 5.  The Martian interiors (modified from Van Hoolst and Rivoldini, 2014)

    • 轨道重力数据结果显示火星地壳的平均厚度范围38~62 km(Van Hoolst and Rivoldini, 2014),但是火星地壳厚度在南北半球呈现非常明显的二分性,即南半球的地壳比北半球的地壳厚25 km或更厚(Van Hoolst and Rivoldini, 2014),目前南北半球地壳厚度差异形成的机制尚不明确(Watters et al., 2007). 用于火星地震事件定位的火星参考速度模型中地壳的厚度约为80 km,该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)以及潮汐响应(Giardini et al., 2020).

      接收函数方法(Langston, 1977)是传统地震学对界面成像的方法,其要求事件具有较高的信噪比,不能很好地适应强噪声条件的火星地震记录的界面成像. 近年来发展了基于背景噪声(Gorbatov et al., 2013)和地震事件(Sun and Kennett, 2016)的自相关成像方法提取界面信息(Gorbatov et al., 2013; Sun and Kennett, 2016),该方法逐渐成为界面成像的标准方法并在地球地壳和上地幔界面研究得到了广泛应用(Sun and Kennett, 2017; Becker and Knapmeyer-Endrun, 2018; Sun et al., 2018; Delph et al., 2019; Sun and Kennett, 2020). 自相关成像方法由于其“数据信噪比低、单台观测”等优势而被用于探测火星的内部界面(Deng and Levander, 2020),他们在浅部探测到两个明显的反射震相,使用的频带范围是0.01~3.5 Hz,数据的时间区间为2019年2月至2019年8月,分别来自于~35 km和65 km界面,Deng和Levander(2020)倾向于Moho面深度位于~35 km.

    • 相对地壳而言,人们对火星地幔和地核的认识相对较少. 图6给出了不同震中距不同分量(一个垂直分量和两个水平分量)火星地震事件P波和S波的频谱包络. 可以看到在震中距小于40°和大于58°时P波和S波包络十分明显,而在42°~45°之间S波的包络振幅十分微弱. 整体上,图6中所示的火星事件表现为两个特征:(1)P波和S波振幅均清晰;(2)P波振幅清晰,S波振幅不清晰.

      图  6  不同震中距火星地震事件的谱包络,从左至右分别是垂直分量、南北分量和东西分量(修改自Clinton et al., 2021

      Figure 6.  The three-component spectral envelopes of marsquakes with various epicentral distance, from left to right: vertical component, north-south component, and east-west component (modified from Clinton et al., 2021)

      根据不同震中距低频和高频地震事件P波和S波能量包络的变化,Giardini等(2020)认为在火星上地幔深于300 km存在一个低速层或者强衰减区(如图7所示),主要基于低速层会衰减S波的振幅而提出的. 但我们应该注意到震中距46°~58°之间缺失火星地震事件,一方面导致无法确认低速层或者衰减层的厚度;另一方面也可能意味着上地幔存在S波低速或强衰减之结论需更确定资料的验证.

      图  7  火星地震事件振幅谱变化所揭示的火星上地幔存在低速层(LVL)的示意图(修改自Giardini et al., 2020

      Figure 7.  The schematic illustrations of low-velocity layer in upper mantle revealed from the variations of amplitude spectrum (modified from Giardini et al., 2020)

    • 地震学通过与地核相关的震相(如PcP, PKIKP)确定了地球的地核分两层及其固液状态. 目前对火星地核的认识主要来自于潮汐勒夫数(tidal Love number k2)以及转动惯量(moment of inertia)等(Rivoldini et al., 2011; Folkner et al., 2018). 根据勒夫数和转动惯量的结果,火星地核半径范围1 729~1 859 km(Rivoldini et al., 2011). 值得注意的是,火星地壳密度和厚度、火星地核硫元素聚集等对火星地核半径的估计值有较大的影响(Rivoldini et al., 2011).

      图8给出了不同勒夫数和火星地核半径的关系,可以明显看出二者存在明显的“折衷”关系,即勒夫数可以约束火星地核半径,但并不能对其进行精确约束. 此外,图8中红色代表火星地幔较热情况下确定的火星地核半径,蓝色代表火星地幔较冷情况下确定的火星地核半径. 再次强调,火星地壳和地幔的热结构、物质组成等对火星地核半径的估计有较大的影响. 未来可等待若干个5级左右并穿过火星地核的火星地震事件发生,以确定火星地核半径,更好地约束火星地核的结构和状态.

      图  8  潮汐勒夫数k2和火星地核半径rcmb的关系图,ra为火星半径(修改自Rivoldini et al., 2011

      Figure 8.  The relationship between tidal Love number k2 and Martian core size rcmb (modified from Rivoldini et al., 2011)

    • 深空探测是庞大繁杂的系统工程,涉及众多企业、科研机构和大学. 例如参与阿波罗计划的企业多达2 000余家、大学约200余所以及科研机构约80余个,总人数超过30万(万卫星等,2019). Insight火星地震探测火星内部结构从2011年初开始启动论证,预计发射时间是2016年;由于2015年底检查发现火星地震仪可能出现故障,任务发射时间推迟至2018年(发射窗口每两年一次). 据Insight官网称,Insight任务前期三套方案的论证共计900万美元(折合人民币约5 850万元),最后所遴选方案的科研经费(不包括发射费用)达到4.25亿美元(折合人民币约27.6亿元). 最近发表的火星地震识别的两篇论文(Giardini et al., 2020; Clinton et al., 2021)涉及的合作单位分别有14家和29家,合作者分别有26人和63人. 成建制的团队合作分工特点可见一斑.

    • 火星地震探测主要涉及硬件(火星地震仪)研制、软件(行星地震数据处理平台)开发、团队建设和人才培养等三个方面. 本节以硬件研制和软件开发为主要阐述内容. 图9给出了火星地震仪的分解图以及各个模块研制的牵头单位,主要以科研机构为主. 火星地震仪最为核心的部件是3个宽频带传感器(very broadband sensor)、3个短周期传感器(short period sensor)、数据采集器(Ebox). 特别需要注意的是,其它辅助部件也由独立的研究单位进行了充分论证和研制,比如最为“不起眼”的火星地震仪支脚(cradle)由法国国家空间研究中心(CNES)研制,设计最为简单的用于吊装火星地震仪的三脚架(spider)由德国马克斯—普朗克太阳系研究所研制. 这意味着Insight火星地震仪是由美国、英国、法国、德国、瑞士等国的科研国家队完成,而且是精心准备、精心部署、精心研制的结晶.

      图  9  Insight任务火星地震仪分解图及各部件研制单位(修改自Lognonne et al., 2019

      Figure 9.  The composition of SEIS subsystems, and their leading institutions (modified from Lognonne et al., 2019)

      另一关键组成部分是软件系统. Insight火星地震探测主要由三套软件系统,一是数据分发系统(Insight Mars SEIS Data Service),该系统主要用于各个单位申请数据内容;最核心的两套系统是火星地震目录编制系统(Marsquake Service, MQS)和火星结构成像系统(Mars Structure Service, MSS). MQS系统开发始于2013年,比Insight发射于2018年早5年,也就是说MQS系统开发耗费了5年时间(Clinton et al., 2021). 该系统主要是发展识别火星地震和定位的方法、识别火星地震事件并进行定位以编制完整的火星地震事件目录. Insight每间隔若干小时传回火星地震数据,一线的火星地震数据分析小组共10人(Clinton et al., 2021),使用MQS系统分析传回的火星地震数据.

      火星结构成像系统(Mars Structure Service, MSS)系统旨在为涉及火星内部结构成像的任何工作提供支撑(Panning et al., 2017),该系统包括了Insight登陆前与后的火星内部结构模型建立、火星地震波模拟、弹性模量、物质组成和热等火星结构的诸多物理参数估计. 应该说,MSS系统囊括了几尽所有传统和最新的反演和成像方法,如贝叶斯反演、接收函数等. 详见Panning等(2017),具体方法和内容在此不再赘述.

    • Insight任务是人类第一次把火星地震仪放置到行星的表面并探测地外行星的内部结构. 至今Insight任务中火星地震仪已经正常工作长达2年多,其结构探测主要是火星地壳和火星上地幔. 毋庸置疑,这是成功的. 但由于未记录到震级大的火星地震事件而限制了对火星地核的认识. Insight任务的热流仪观测由于未能将其置入地下而以失败告终.

      图10是我国未来行星探测的路线图,目前对火星的探测分别在2020年和2030年(择机)共两次(Wei et al., 2018),如前所述,2020年我国对火星探测已经开展,截至目前“天问一号”的各项任务实施顺利. 2030年我国该如何探测火星?探测火星地表结构?或是探测火星的深部结构?我们认为应该探测火星深部结构,这对认识火星内部结构—大气—消失的电磁层等多圈层演化与宜居环境等至关重要. 现阶段,我国的行星科学及人才培养体系正在逐步建立和完善(吴福元等,2019),我们国家正经历从深空探测大国迈向行星科学强国的转变(万卫星等,2019). 因此,我国未来对火星及其它行星(如金星)探测必然是开放的、全面的、有深度的.

      图  10  我国过去、现在和未来开展深空探测的路线图(修改自Wei et al., 2018

      Figure 10.  China’s past, current and the future space mission (modified from Wei et al., 2018)

      我国未来火星内部结构探测必将汲取Insight计划的宝贵经验,包括打造成建制的一流科学家团队、研制高精密的火星地震仪、开发高精尖技术方法的软件系统等. 打造科学家团队涵盖范围较广,包括行星学科建设、多家科研单位的分工和协作等. 我国相关科研院所已经在该方面进行布局并实施,如中国高校行星科学联盟、中国科学院大学自主建设行星科学一级学科等,详见本专辑魏勇(2021).

      火星地震仪是我国火星内部结构探测的关键装置. 不可置否,我们国家在深空探测方面取得了举世瞩目的成就,但我们也清醒地认识到我国并不是高端装备制造的世界强国. “中国制造2025”战略为我们自主研制高精密的火星地震仪提供了历史机遇. 在当前中美贸易战的国际环境,历史再一次警醒我们必须转变观念,依据国家战略需求和自主创新的理念,实现地球物理及行星物理科学仪器和实验设备的自主可控(滕吉文,2009). 中国科学院地质与地球物理研究所的相关科学家进行了多轮的调研、设计和论证,已经开展月震仪和火星地震仪的先期研制工作,部分关键部件的研制已从不同渠道获得资助或立项实施.

      总体而言,地震仪和月球/火星地震仪的发展方向是高灵敏度、高精度、宽频带、抗干扰、集成化和智能化(陈瑛和宋俊磊,2013). 火星地震仪研制必须考虑火星无磁场保护而对火星地震仪的强电磁干扰以及自然环境恶劣等因素. 相对传统摆式、压电式、压阻式等传统地震计,光纤地震计具有独特的优势,如抗电磁干扰、灵敏度高、体积小等优点(陈瑛和宋俊磊,2013姚振静和潘杰,2020). 光纤地震计目前已被广泛用于地震监测(Zumberge et al., 2010; Lindsey et al., 2017; Walter et al., 2020). 重要的是,光纤可以在超导环境下(超导临界温度是−196.15 ℃)进行监测(Boyd et al., 2012),这意味着光纤地震计可以适应火星的极低温环境. 即使我国另设月震仪和火星地震仪方案,先期月震仪和火星地震仪研制及样机亦可作为备份计划持续开展.

      火星地震识别与数据处理软件平台开发与建设同样重要. 据了解,我国的地震学家多使用国际开源软件(比如SAC,ObsPy等)进行地震事件分析与结构成像;针对特定问题,开发一些小型的软件包满足各自的科学研究需要为主;未见到现代化的、高性能的、统一的地震数据分析与处理软件平台. 中国科学院地质与地球物理研究所的相关科学家进行了多次的调研和讨论,目前组织编制行星地震学与行星内部结构软件平台的需求分析报告,包括功能需求、性能需求、软件集成需求以及硬件需求等,其目标是建设现代化的、高性能的、适用大规模数据处理的软件平台,服务地球与行星内部物理科学研究和国家深空探测战略.

      中国科学院地质与地球物理研究所紧紧围绕科技自立自强战略要求,将行星科学列为“十四五”期间三个重大突破的首位,建立了首席科学家和青年首席科学家双领军模式,2020年部署了5个研究所重点项目,其中设立行星多圈层耦合、行星宜居环境演化的关键进程等2个行星科学项目,加速研究所在深空探测和行星科学领域的研究进程,对接世界科技前沿和国家重大战略需求.

    • 如前所述,美国开展行星探测之初,其一起讨论将金星、月球和火星的探测方案,因此本节的讨论不局限于火星内部结构探测. 受限于经济成本,行星地震学探测固体行星内部结构时仅能布设单台或数量极为有限的若干台地震仪至地外星体的表面. 这样的地震观测方式直接决定了固体行星内部结构探测的研究方案,即必须针对单个地震台或有限的若干地震台.

      固体行星内部结构探测的科学目标之一是行星的形成与演化,进而理解地球形成演化以及宜居环境形成,其探测必将包括众多固体行星物理学方法,如重磁电震热等,本节局限于行星地震学探测. 固体行星内部结构地震探测可分解为两大环节. 在接收到行星地震数据后的第一大环节是识别行星地震事件并且编制地震目录. 通常情况下,行星地震事件具有震级小、受噪声影响大、数量少且不能舍弃等特点,相关的研究内容包括但不限于:(1)辨(识)别行星地震事件及其质量控制;(2)使用传统算法或发展新算法开展单台的行星地震事件定位,并分析定位精度与误差;(3)建立行星的参考速度模型,用于行星地震事件的定位以及后续的结构成像. 第二大环节主要是利用传统算法或发展新算法实施固体行星内部结构成像. 需要注意的是,在进行成像过程应该以开放的思路尝试调整不同的物理参数范围或参数组合,而不应该只局限在适用地球结构成像的物理参数范围. 此外,数值模拟和物理模拟的预研究、地球与行星/卫星的对比研究(Crampin and Gao, 2015)亦显得尤为重要.

    • 本文概述了美国Insight计划探测火星内部结构的研究成果,总结该计划实施中的科学家团队、硬件研制和软件平台建设等情况,其必将为我国开展火星内部结构探测提供宝贵经验. 中国高校行星科学联盟成立是我国行星科学家团队建设的重要一步,行星科学的学科建设保障了青年人才的培养;中国制造2025的国家战略为高精尖火星地震仪(如传感器、芯片、材料等)研制提供了重要历史机遇. 我国现在完全具备了探测火星内部结构的条件. 在国家深空探测战略的指引下,中国科学院地质与地球物理研究所在火星地震仪研制和行星地震软件平台建设方面尝试迈出火星内部结构探测的探索脚步. 然而火星内部结构探测必然需要我国各相关高校、科研院所协同分工,科学家和工程师共同努力,提升我国深空探测的成果影响力,早日实现我国由深空探测大国到深空探测强国的蜕变.

      致谢

      受限于篇幅、作者知识范围等因素,本文无法对火星地震与内部物理结构探测做到面面俱到的介绍,作者对文中相关阐述存在的偏颇或不足表示歉意. 感谢中国地球物理学会行星物理专业委员会主任崔峻教授的邀请和鼓励撰写本文. 感谢两位匿名审稿人提出的宝贵意见. 感谢火星探测任务工程首席科学家潘永信院士对本文提出的宝贵建议.

参考文献 (43)

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