引言

火星一直以来被认为是地球移民的首选行星，但是我们对这个“邻居”知之甚少。最近，研究人员首次利用地震数据观察火星内部。对火星地壳、地幔和地核进行测量和计算，并通过不同类型的地震波精确推断了火星星体的地质组成元素，对未来人类开发和移民火星奠定理论基础。

在浩瀚的太阳系，地球只是一颗不起眼的微不足道的“小行星”。在我们附近的行星中，不乏貌似优秀的，但是为什么太阳系中生命的摇篮最终“确定”在地球呢？这些星球值得人类不断地去探索。

距离地球最近的宜居行星有水星和火星，这两颗行星是人类希望了解和探索的行星，一旦我们掌握了充足的数据和技术，移民这些行星，或者开采太阳系行星资源就会变成可能。

近年来，火星成为全球星际探索的研究热点，也是我国主要的研究星体，自从我国的探测器“祝融号”第一次登临火星背部的地区，这也就表明人类对火星的研究又迈出了新的一大步。

太阳系行星探索是个艰巨又漫长的过程，因为限于航天技术的成本和技术问题，我们对这些行星的了解还很少。在载人航天之前，古人们只能通过望远镜观测和计算，间接的了解这些行星的大气、地质组成。现在，我们终于发射探测器登陆火星，也可以通过很多观测手段，全面了解火星等行星的地质、气候、是否存在生命形态及起源问题。

自 2019 年初以来，研究人员一直在记录和分析火星地震，检测这些地质数据也是美国洞察号火星探测器任务的一部分。火星地震数据采集和控制电子设备是在苏黎世联邦理工学院开发的。科学家们利用这些数据已经测量了这颗红色行星的地壳、地幔和地核。通过度火星地震数据的分析和对比，将有助于确定火星乃至整个太阳系的形成和演化。

火星曾经处于“完全熔化状态”

我们知道地球是由贝壳组成的：轻而坚固的岩石的薄壳围绕着厚重的粘性岩石的地幔，而地幔又包裹着一个主要由铁和镍组成的地核。

太阳系的行星，包括地球和火星，被认为具有类似的结构。现在地震数据证实，火星在分裂成我们今天看到的地壳、地幔和地核之前可能曾经完全熔化，但这些与地球不同。

火星是一个板块行星

研究人员发现，火星赤道附近探测器着陆点下方的火星地壳厚度在 15 至 47 公里之间。如此薄的地壳必定含有相对较高比例的放射性元素，这对之前关于整个地壳化学成分的模型提出了质疑。

在地壳下面是地幔，岩石圈更坚固，岩石圈深达 400-600 公里，大约是地球深度的两倍。这可能是因为火星上现在只有一个大陆板块，而地球有七个大的移动板块。厚厚的岩石圈非常符合火星作为‘单板行星’的模型。

研究人员根据测量结果还表明，火星地幔在矿物学上与地球上地幔相似。从这个意义上说，火星地幔是地球地幔的简单版本。

不过从地球和火星的地震学监测数据对比发现，也揭示了两颗行星的化学成分差异。例如，火星地幔含有比地球更多的铁，这也是火星为什么呈现红色的原因。然而，关于火星地幔分层复杂性的理论也取决于火星核心的大小。在这方面，研究人员也有了新的结论

火星核心是液态的，并且比预期的要大

火星核心的半径约为 1,840 公里，比 15 年前计划洞察号任务时假设的要大 200 公里。研究人员现在能够使用地震波重新计算岩心的大小。确定了核心的半径后，我们现在可以计算它的密度。

如果火星核心的半径很大，核心的密度必然相对较低，这意味着除了铁和镍之外，核心必须包含大量较轻的元素，这样才符合我们的观测数据。 这些元素包括硫、氧、碳和氢，并所占比例出乎很多科学家的预料之外。

尽管我们并没有完全了解火星，我们目前掌握的证据表明火星没有磁场，地核心也是液态的。研究人员对数据分析后得出这些结论，但是直到现在我们也是处于尚未完全了解火星的具体组成。

不同的火星地震波形揭示了地质组成

研究人员通过分析火星地震产生的各种地震波获得了对火星地质组成的新结​果。我们已经可以在洞察号火星着陆器数据中看到不同的波，所以我们能计算出来震中距离着陆器有多远。为了能够说明行星的内部结构，需要在地表或地核处或下方反射的地震波。现在，研究人员第一次成功地观察和分析了火星上的这种波。

当着陆器的太阳能电池不再能够产生足够的电力时，数据流将在一年后结束。但我们还远远没有完成对所有数据的分析——火星仍然向我们展示了许多谜团，最明显的是它是否与我们的地球在同一时间形成并由相同的材料形成。

了解火星的内部动力学如何导致其失去活跃磁场，并且所有地表水都不复存在，这些对于人类移民火星尤为重要。

References:

1. Amir Khan, William B. Banerdt et al. Upper mantle structure of Mars from InSight seismic data. Science, 2021; 373 (6553): 434 DOI: 10.1126/science.abf2966
2. Simon C. Stähler, Suzanne E. Smrekar et al. Seismic detection of the martian core. Science, 2021; 373 (6553): 443 DOI: 10.1126/science.abi7730
3. Brigitte Knapmeyer-Endrun,W. Bruce Banerdt et al. Thickness and structure of the martian crust from InSight seismic data. Science, 2021; 373 (6553): 438 DOI: 10.1126/science.abf8966