近日,中(zhong)國(guo)科學(xue)技(ji)術(shu)大(da)學(xue)孫道遠教授、毛(mao)竹教授團隊聯合國(guo)外學(xue)者在行星(xing)科學(xue)研究領域取得重大(da)進展。研究團隊通過深入(ru)分(fen)析(xi)美國(guo)國(guo)家航空航天(tian)局(ju)洞察號(InSight)探測器記(ji)錄的火震(zhen)數(shu)據,首次(ci)確(que)證火星(xing)內(nei)部存(cun)在一個半徑約600千米的固(gu)態(tai)內(nei)核,并揭示其主(zhu)要成(cheng)(cheng)分(fen)構成(cheng)(cheng)可能是(shi)富含輕元素的結晶鐵鎳(nie)合金(jin)。北京(jing)時間9月3日,該(gai)成(cheng)(cheng)果發表于《自然》,并被選為《自然》期刊新聞稿。

火星深部結構示意圖。白灰色區域為研究中利用洞察號數據檢測發現的固態內核。
火(huo)星作為(wei)(wei)太(tai)陽系內與地(di)(di)球環境最(zui)(zui)為(wei)(wei)相(xiang)似的類(lei)地(di)(di)行(xing)星,一直(zhi)是行(xing)星內部(bu)結(jie)(jie)(jie)構(gou)與演(yan)化研究的重要對(dui)象,也是深(shen)空探(tan)測的核心目(mu)標之一。對(dui)行(xing)星深(shen)部(bu)結(jie)(jie)(jie)構(gou)的探(tan)測向(xiang)來充滿(man)挑戰:以(yi)人類(lei)最(zui)(zui)熟悉的地(di)(di)球為(wei)(wei)例,科學家直(zhi)到1936年才通過地(di)(di)震(zhen)(zhen)波首次推測內核的存在(zai),而徹底(di)確認(ren)固(gu)態(tai)內核存在(zai)竟(jing)耗時(shi)近半個(ge)世(shi)紀,至1980年代才完成。相(xiang)比之下,對(dui)火(huo)星內部(bu)結(jie)(jie)(jie)構(gou)的探(tan)索難度(du)更大(da),2018年才首次獲得(de)火(huo)星震(zhen)(zhen)直(zhi)接觀測數據。截至目(mu)前,盡管已(yi)記錄上千(qian)次火(huo)震(zhen)(zhen)數據,但信號微(wei)弱和(he)噪聲干(gan)擾等問題仍嚴(yan)重限制了對(dui)火(huo)星深(shen)部(bu)結(jie)(jie)(jie)構(gou)的研究。
為突破這一(yi)挑戰,研究團隊創新性地引(yin)入(ru)火震(zhen)陣列(lie)分(fen)析方法,通過對(dui)23個(ge)信噪比較高的(de)(de)(de)(de)(de)火震(zhen)事件數據的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)析,成功提取出(chu)穿過火星核(he)的(de)(de)(de)(de)(de)關鍵震(zhen)相(xiang),如(ru)在地表反射(she)的(de)(de)(de)(de)(de)PKPPKP(P'P')和在核(he)幔邊界反射(she)的(de)(de)(de)(de)(de)PKKP(下圖a)。特(te)別值得(de)注意的(de)(de)(de)(de)(de)是,實際(ji)觀測(ce)(ce)到的(de)(de)(de)(de)(de)PKKP到時,較當前僅考慮(lv)液(ye)態(tai)核(he)的(de)(de)(de)(de)(de)火星速度模型所預測(ce)(ce)的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)果提前了50至200秒(miao)。地震(zhen)波(bo)在固體(ti)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)傳(chuan)播速度比在液(ye)體(ti)中(zhong)快(kuai)。因(yin)此(ci),這一(yi)差(cha)異(yi)表明,火星核(he)具有(you)分(fen)層結(jie)構:即外(wai)層為液(ye)態(tai)核(he),而更深(shen)部則存(cun)在一(yi)個(ge)波(bo)速更高的(de)(de)(de)(de)(de)固態(tai)內核(he)。

PKKP, PKiKP震相的射線路徑和研究利用到的火震
在(zai)(zai)進(jin)一(yi)步(bu)分析(xi)中,研究團(tuan)隊首次在(zai)(zai)火(huo)(huo)震數據中識別(bie)出被(bei)視(shi)為“固態(tai)(tai)內(nei)核(he)標志”的 PKiKP 震相(xiang)信號(hao)(上圖(tu)b)。這(zhe)一(yi)發現為火(huo)(huo)星存在(zai)(zai)固態(tai)(tai)內(nei)核(he)提供(gong)了證據。結(jie)合不同火(huo)(huo)核(he)震相(xiang),團(tuan)隊測得火(huo)(huo)星固態(tai)(tai)內(nei)核(he)半(ban)徑(jing)約 600 公(gong)里(li),占火(huo)(huo)星半(ban)徑(jing)的 1/5(下圖(tu))。如(ru)將火(huo)(huo)星按(an)比例放大至地球(qiu)大小(xiao),其內(nei)外(wai)核(he)結(jie)構比例與地球(qiu)高度接(jie)近(jin)(下圖(tu))。

地球和火星深部結構對比示意圖
同時(shi),火震數(shu)據(ju)顯示(shi),火星外核(he)與(yu)內核(he)之間存在(zai)(zai)約30%的(de)(de)波速(su)跳變(bian)和約7%的(de)(de)密度差異。在(zai)(zai)此(ci)基(ji)(ji)礎上,研究團隊進(jin)(jin)一(yi)步(bu)對(dui)內核(he)的(de)(de)礦物組成(cheng)進(jin)(jin)行(xing)了分(fen)析。結果反映出,火星核(he)并非純鐵鎳(nie)構成(cheng),還可能包含 12–16% 的(de)(de)硫、6.7–9.0% 的(de)(de)氧(yang)及不超過 3.8% 的(de)(de)碳。這種含有輕元素的(de)(de)星核(he)結構,不僅為(wei)火星磁場從早期活躍到如今沉寂的(de)(de)演化(hua)歷程提供(gong)了重要(yao)線(xian)索,也為(wei)對(dui)比地球與(yu)其他(ta)類(lei)地行(xing)星的(de)(de)內部演化(hua)差異奠定了關鍵基(ji)(ji)礎。
該(gai)研(yan)究首次在(zai)(zai)地球(qiu)(qiu)以外的(de)行星中(zhong)確認了(le)固態(tai)內(nei)核的(de)存在(zai)(zai),證實了(le)火星與地球(qiu)(qiu)相(xiang)似的(de)核幔分(fen)異結構。研(yan)究團(tuan)隊(dui)創(chuang)新發展的(de)火星地震(zhen)學(xue)方(fang)法,為未(wei)來探(tan)月等任務中(zhong)利用(yong)地震(zhen)學(xue)方(fang)法探(tan)測(ce)月球(qiu)(qiu)等星體深部結構提供了(le)重(zhong)要(yao)參考。同時(shi),該(gai)成果標(biao)志著(zhu)中(zhong)國科研(yan)團(tuan)隊(dui)在(zai)(zai)行星內(nei)部結構探(tan)測(ce)領域邁出關鍵一步(bu),彰顯了(le)我(wo)國在(zai)(zai)行星科學(xue)與地球(qiu)(qiu)物理交叉研(yan)究中(zhong)的(de)創(chuang)新能力(li)與國際影響(xiang)力(li)。
《自(zi)然》期刊審稿人高度評(ping)價這(zhe)項工作(zuo)(zuo),指出:“研(yan)究團(tuan)隊(dui)在(zai)(zai)震相拾取分(fen)析中(zhong),通過多條證據(ju)鏈開展了細致研(yan)究。火星(xing)地(di)震學研(yan)究極具挑戰,因此要向(xiang)研(yan)究團(tuan)隊(dui)完成如此全(quan)面嚴謹的工作(zuo)(zuo)表示祝賀!”(原(yuan)文:The authors have done a detailed job of using multiple working lines of evidence for their phase detection analysis. Martian seismology is notably tough, so congratulations to the authors for doing such a thorough and careful job!);并評(ping)價道:“在(zai)(zai)我看來,這(zhe)是一篇(pian)極具趣(qu)味性的論文,相信它(ta)將在(zai)(zai)未(wei)來數年持續引發(fa)學界(jie)討論!”(原(yuan)文:To me, this is a really interesting paper and I think that it will generate discussion for years to come!)
中(zhong)國科學技(ji)(ji)術(shu)(shu)大(da)(da)(da)學畢慧星(博(bo)士)為本文的第一(yi)作(zuo)(zuo)者,中(zhong)國科學技(ji)(ji)術(shu)(shu)大(da)(da)(da)學孫(sun)道遠教(jiao)授(shou)為本文的通訊(xun)作(zuo)(zuo)者,中(zhong)國科學技(ji)(ji)術(shu)(shu)大(da)(da)(da)學毛(mao)竹教(jiao)授(shou)、孫(sun)寧宇(特(te)任副研究員)、代明偉(博(bo)士)以及德克薩斯(si)大(da)(da)(da)學奧(ao)斯(si)汀分校的Douglas Hemingway為本文的合作(zuo)(zuo)者。
相關論文信息:
//www.nature.com/articles/s41586-025-09361-9
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