在美国宇航局火星洞察号任务的最后一年，苏黎世联邦理工学院的研究人员通过一次大型火星地震确定了火星地壳的全球厚度和密度。 与地球或月球相比，火星地壳要厚得多，而且火星的主要热源是放射性的。
苏黎世联邦理工学院的火星地震服务中心于 2022 年 5 月检测到地球以外天体上有史以来最强烈的火星地震。这一事件的震级约为 4.6 级，通过作为 NASA 洞察号火星任务一部分部署的地震仪在火星表面记录下来。
“这次火星地震发出了沿着火星表面传播的强烈地震波，”苏黎世联邦理工学院地球物理研究所的地震学家 Doyeon Kim 说。
经过三年多的日常监测，随着 InSight 地震仪功率水平的下降，研究人员获得了一次大规模火星地震的数据。 从这次大型火星地震中观测到的表面波不仅从地震源传播到测量站，而且还继续绕着整个行星传播了几次。 这些数据不仅提供了有关火星特定区域的信息，还提供了火星的全球视图。
地震学家、刚刚发表在《地球物理研究快报》杂志上的一项研究的主要作者说：“从这次地震中，我们观察到了围绕火星旋转三圈的表面波，这是整个洞察号任务期间记录的最大地震。”
为了获得有关波穿过的结构的信息，研究人员测量了这些波在不同频率下传播的速度。
火星表面的地形图（左）和地壳厚度的表示（右）。 图片来源：MOLA 科学团队 / Doyeon Kim，苏黎世联邦理工学院
这些地震速度提供了对不同深度的内部结构的洞察。 此前，观测到的两次大型陨石撞击产生的表面波也使得沿着其特定传播路径的区域发现成为可能。
“现在，我们有了代表全球结构的地震观测数据，”金说。
将新获得的结果与火星重力和地形的现有数据相结合，研究人员能够确定火星地壳的厚度。 平均长度为 42 至 56 公里（26 - 35 英里）。 平均而言，伊西迪斯冲击盆地的地壳最薄，约为 10 公里（6 英里），而塔尔西斯省的地壳最厚，约为 90 公里（56 英里）。
从这个角度来看，地震数据表明，地壳的平均厚度为 21 至 27 公里（13 – 17 英里），而阿波罗任务地震仪测定的月球地壳平均厚度为 34 至 43 公里。
“这意味着火星地壳比地球或月球的地壳厚得多，一般来说，太阳系中较小的行星体比较大的行星体具有更厚的地壳。 ”金解释说：“我们很幸运能够观察到这次地震。 在地球上，我们很难使用与火星上发生的相同震级的地震来确定地壳的厚度。 虽然火星比地球小，但它传输地震能量的效率更高。”
这项研究最重要的结果之一涉及火星北半球和南半球之间的差异。 自从望远镜出现以来，人们就观察到了这种对比。 它在火星卫星的图像中尤其明显。 火星的北半球由平坦的低地组成，而南半球则有高原。 北部低地和南部高地之间的划分被称为火星二分法。
“人们可能认为这种差异可以用两种不同的岩石成分来解释，”金说：“一种岩石比另一种更致密。” 虽然南北的成分可能相同，但地壳的厚度却有所不同。 如果南部地壳较厚，则其下方的火星地幔物质密度较低，而北部地壳较薄，则这种致密、较重的物质较多。
研究人员究竟能够证明什么？ 他们写道：“根据地震观测和重力数据，我们表明北部低地和南部高地的地壳密度相似。 相比之下，南半球的地壳比北半球的地壳延伸得更深。” 金说：“这一发现非常令人兴奋，它结束了关于火星地壳起源和结构的长期科学讨论。 去年对陨石撞击火星的分析已经提供了证据，证明南北地壳是由相同的材料构成的。”
从厚厚的火星地壳中也可以得出进一步的结论。 “我们的研究提供了地球如何产生热量并解释了火星的热历史，”金说。 当今火星内部产生的主要热量来源是钍、铀和钾等放射性元素衰变的结果。 研究发现，50% 至 70% 的产热元素存在于火星地壳中。 这种高积累可以解释为什么下面的局部区域今天可能仍在发生熔化过程。