近日，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所孫偉家研究員及其研究團隊在火星地殼液態(tài)水探測方面取得重要進展，相關(guān)成果以“Seismic evidence of liquid water at the base of Mars' upper crust”為題，發(fā)表在National Science Review (《國家科學(xué)評論》， NSR)。

    該研究利用火星地震科學(xué)數(shù)據(jù)，通過反演方法獲得了火星殼上部（0–10 km）的高分辨率橫波速度結(jié)構(gòu)，在5.4–8 km深度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一個顯著的橫波低速層。綜合研究認(rèn)為，該低速層的形成與大量液態(tài)水的存在密切相關(guān)，估算的液態(tài)水最大總量為520–780 m GEL。這一研究提供了火星殼上部（5.4–8 km）存在大量液態(tài)水的地震學(xué)觀測證據(jù)，不僅為理解火星水循環(huán)和宜居環(huán)境演變提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)，也為未來火星生命探索等研究奠定了重要基礎(chǔ)。

    液態(tài)水是火星宜居環(huán)境演變及生命孕育的關(guān)鍵控制因素之一。在諾亞紀(jì)和西方紀(jì)（約30億年前），火星環(huán)境濕潤，地表曾存在豐富的液態(tài)水，其總量可能高達(dá)1500 m GEL（全球等效層，即將一定量的水均勻分布在整個火星表面的水層厚度）。然而，現(xiàn)今的火星環(huán)境變得干冷，水主要以冰的形式存在于兩極和中高緯度地區(qū)，同時火星大氣中也僅存微量水蒸氣。目前，火星水最大的未解之謎是：火星殼內(nèi)是否存在液態(tài)水？如果存在，其賦存深度是多少？

    火星殼的精細(xì)結(jié)構(gòu)是破解這一科學(xué)謎題的關(guān)鍵突破口。然而，火星軌道雷達(dá)和車載雷達(dá)因頻帶寬度限制，探測深度不足，無法提供深部信息。國際“洞察號”火星探測任務(wù)通過記錄若干火星震事件，為火星殼結(jié)構(gòu)研究提供了寶貴數(shù)據(jù)。但由于前期研究使用的火星震頻率較低（<1 Hz），其分辨率有限，僅揭示了火星殼的大尺度分層結(jié)構(gòu)。

    該團隊系統(tǒng)分析了“洞察號”火星探測任務(wù)記錄的火星震事件頻率特征，選取了兩個隕石撞擊事件（S1000a、S1094b）和最大的火星震事件（S1222a）。這些事件的高頻信息豐富，頻率高達(dá)4 Hz以上（圖1），顯著提升火星殼結(jié)構(gòu)的成像分辨率至0.5 km。團隊創(chuàng)新性地將“真振幅”成像概念引入傳統(tǒng)接收函數(shù)方法中（圖2），獲得了火星殼上部（0–10 km深度）的高分辨率地震學(xué)結(jié)構(gòu)。在5.4–8 km的深度發(fā)現(xiàn)了一個顯著的低速層，綜合研究解釋該層為一個高孔隙度的含水層（圖3）。

    圖1 隕石撞擊和火星震事件位置及頻率特征。a 事件位置分布圖，黑（灰）色線表示事件到“洞察號”地震儀的大圓路徑。b 已有研究使用事件(S0173a)頻譜特征，其信號頻帶低于1 Hz（淺棕色區(qū)域），c-e 本研究使用的隕石撞擊和最大火星震事件(S1000a、S1094b、S1222a)頻譜特征，信號頻帶高于4 Hz。圖中紅線為信號振幅譜，黑線為噪聲振幅譜。

    圖2 “真振幅”成像概念引入傳統(tǒng)接收函數(shù)方法。a接收函數(shù)高斯濾波因子曲線（灰色線），以及隕石撞擊事件S1000a的徑向分量（紅色線）和垂向分量（藍(lán)色線）的信號頻譜，黑色線為噪聲頻譜。前人研究經(jīng)驗選取高斯因子4，導(dǎo)致高頻信息嚴(yán)重失真和衰減；本研究根據(jù)信號頻譜特征選取高斯因子12，基本保持了信號的原始頻譜特征。b 對比了實施高斯因子4和12后的信號頻譜特征。

    圖3 溫度剖面和液態(tài)水儲存模型。a 火星與地球的溫度剖面對比。陰影區(qū)域為地震橫波低速層（5.4–8公里）。火星殼深度小于5公里的溫度條件僅允許水以冰的形式存在，而深度大于5公里時，溫度升高使得水以液態(tài)形式穩(wěn)定存在。b 綜合研究揭示的火星地殼上部結(jié)構(gòu)及水儲存模型。藍(lán)色區(qū)域表示液態(tài)水的賦存區(qū)域。

    假設(shè)這些孔隙完全充滿液態(tài)水，估算的最大含水量520–780 m GEL。研究團隊強調(diào)，這一估值完全基于“洞察號”著陸器下方的局部結(jié)構(gòu)，且未考慮火星殼中可能原始存在的液態(tài)水。這一研究提供了火星殼上部存在大量液態(tài)水的地震學(xué)觀測證據(jù)，不僅為理解火星水循環(huán)和宜居環(huán)境演變提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)，也為未來火星生命探索等研究奠定了重要基礎(chǔ)。

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