【导读】最近《地质学》期刊发表文章，科学家针对美国宇航局“洞察号”火星探测器所观测到的火星地壳地震不连续性现象，提出了一种新的解释模型。该模型认为，火星地壳中可能存在由水填充的裂缝，这或许可以解释观测到的地震波速度变化，并暗示着火星地壳深处可能存在液态水，为火星生命的存在提供了新的可能性。
火星生命探寻之旅再燃希望
自20世纪60年代以来，人类就开始了对火星生命的探索。这颗红色的星球，承载着人类对地外生命的无限遐想。然而，火星表面环境恶劣，大气稀薄，温度极低，似乎并不适合生命的存在。
近年来，随着探测技术的不断发展，科学家们逐渐将目光转向火星地下，希望在那里找到生命存在的迹象。2018年，NASA的“洞察号”探测器成功登陆火星，其搭载的内部结构地震实验仪（SEIS）开始记录火星地震数据，为我们了解火星内部结构提供了宝贵的信息。
“洞察号”的数据揭示了火星地壳中存在着地震不连续性现象，即地震波在传播过程中，在特定深度会发生速度和方向的突然变化。此前，科学家们普遍认为，这种现象是由地壳孔隙度或化学成分的剧烈变化引起的。
然而，日本广岛大学（Hiroshima University）和日本海洋-地球科学与技术局（JAMSTEC）的研究人员提出了一种全新的解释。他们在最新一期的《地质学》（Geology）杂志上发表了他们的研究成果。
裂缝与水：解开地震波之谜
研究人员指出，火星地壳中可能存在大量裂缝，而这些裂缝中可能充满了液态水。当地震波从干燥的裂缝传播到充满水的裂缝时，其速度会发生显著的变化，从而形成地震不连续性现象。
为了验证这一假设，研究人员对地球上的辉绿岩（Diabase）样品进行了实验。辉绿岩是一种常见的火山岩，被认为是火星地壳的主要组成部分。
研究人员首先将辉绿岩样品加热至800摄氏度，以模拟火星地壳形成过程中的高温环境，从而在样品中产生裂缝。然后，他们分别测量了干燥、水饱和和冰冻状态下样品的纵波（P-wave）和横波（S-wave）速度。
结果显示，干燥裂缝、水填充裂缝和冰填充裂缝对地震波速度的影响存在显著差异。与干燥裂缝和冰填充裂缝相比，水填充裂缝对地震波速度的影响更为显著，这与理论模型的计算结果相一致。
图1 热裂辉绿岩的地震速度和孔隙度之间的关系，曲线和菱形分别代表理论模型和实验观测。
模拟火星：新模型的应用
为了进一步验证他们的理论，研究人员利用实验数据和理论模型，模拟了火星地壳的结构。他们假设在火星地壳中存在一个富含水的裂缝层，其上方是干燥的裂缝层。模拟结果显示，当地震波从干燥层传播到富水层时，其速度会发生显著的变化，这与“洞察号”观测到的地震不连续性现象非常相似。
图2 计算出的火星地壳速度结构。模型假设在干燥的裂缝层下方有一个富水的裂缝层，这些层在20公里深的地方具有0.4%–1.2%的恒定孔隙度。根据有效介质理论，计算了充水和充气裂缝的地震速度。从干燥层到富水层的过渡可能会导致地震速度的显著增加，这可能解释了“洞察号”着陆点约10公里深处观测到的地震不连续性。
液态水或为火星生命提供庇护所
这项研究的意义在于，它为火星地壳中存在液态水提供了新的证据。此前，科学家们已经发现了火星表面存在液态水的证据，但这些水大多以冰的形式存在，并不适合生命的存在。而如果火星地壳深处存在液态水，那么这些水很可能与火星内部的热量和化学物质发生相互作用，形成一个适宜生命存在的环境。
此外，这项研究还为解释其他行星和卫星上的地震不连续性现象提供了新的思路。例如，月球和木卫二（Europa）等天体上也存在类似的现象，这可能暗示着这些天体的地壳深处也可能存在液态水。
当然，这项研究还存在一些局限性。例如，研究人员使用的辉绿岩样品只能模拟火星地壳的部分特征，而无法完全代表火星地壳的复杂性。此外，模拟结果也受到了一些假设条件的影响，例如裂缝的形状和分布等。
尽管如此，这项研究仍然为我们了解火星内部结构和生命迹象提供了重要的线索。未来，随着更多探测数据的获取和分析技术的进步，相信我们会对火星地壳深处的奥秘有更加深入的了解。
参考文献：Ikuo Katayama, Yuya Akamatsu; Seismic discontinuity in the Martian crust possibly caused by water-filled cracks. Geology 2024; doi: https://doi.org/10.1130/G52369.1
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