近日，中国科学院地质与地球物理研究所孙伟家研究员及其研究团队在火星地壳液态水探测方面取得重要进展，相关成果发表在National Science Review 。
该研究利用火星地震科学数据，通过反演方法获得了火星壳上部（0–10 km）的高分辨率横波速度结构，在5.4–8 km深度范围内发现了一个显著的横波低速层。综合研究认为，该低速层的形成与大量液态水的存在密切相关，估算的液态水最大总量为520–780 m GEL。这一研究提供了火星壳上部（5.4–8 km）存在大量液态水的地震学观测证据，不仅为理解火星水循环和宜居环境演变提供了关键科学依据，也为未来火星生命探索等研究奠定了重要基础。
液态水是火星宜居环境演变及生命孕育的关键控制因素之一。在诺亚纪和西方纪（约30亿年前），火星环境湿润，地表曾存在丰富的液态水，其总量可能高达1500 m GEL（全球等效层，即将一定量的水均匀分布在整个火星表面的水层厚度）。然而，现今的火星环境变得干冷，水主要以冰的形式存在于两极和中高纬度地区，同时火星大气中也仅存微量水蒸气。目前，火星水最大的未解之谜是：火星壳内是否存在液态水？如果存在，其赋存深度是多少？
火星壳的精细结构是破解这一科学谜题的关键突破口。然而，火星轨道雷达和车载雷达因频带宽度限制，探测深度不足，无法提供深部信息。国际“洞察号”火星探测任务通过记录若干火星震事件，为火星壳结构研究提供了宝贵数据。但由于前期研究使用的火星震频率较低（<1 Hz），其分辨率有限，仅揭示了火星壳的大尺度分层结构。
该团队系统分析了“洞察号”火星探测任务记录的火星震事件频率特征，选取了两个陨石撞击事件（S1000a、S1094b）和最大的火星震事件（S1222a）。这些事件的高频信息丰富，频率高达4 Hz以上（图1），显著提升火星壳结构的成像分辨率至0.5 km。团队创新性地将“真振幅”成像概念引入传统接收函数方法中（图2），获得了火星壳上部（0–10 km深度）的高分辨率地震学结构。在5.4–8 km的深度发现了一个显著的低速层，综合研究解释该层为一个高孔隙度的含水层（图3）。
图1 陨石撞击和火星震事件位置及频率特征。a 事件位置分布图，黑（灰）色线表示事件到“洞察号”地震仪的大圆路径。b 已有研究使用事件(S0173a)频谱特征，其信号频带低于1 Hz（浅棕色区域），c-e 本研究使用的陨石撞击和最大火星震事件(S1000a、S1094b、S1222a)频谱特征，信号频带高于4 Hz。图中红线为信号振幅谱，黑线为噪声振幅谱。
图2 “真振幅”成像概念引入传统接收函数方法。a接收函数高斯滤波因子曲线（灰色线），以及陨石撞击事件S1000a的径向分量（红色线）和垂向分量（蓝色线）的信号频谱，黑色线为噪声频谱。前人研究经验选取高斯因子4，导致高频信息严重失真和衰减；本研究根据信号频谱特征选取高斯因子12，基本保持了信号的原始频谱特征。b 对比了实施高斯因子4和12后的信号频谱特征。
图3 温度剖面和液态水储存模型。a 火星与地球的温度剖面对比。阴影区域为地震横波低速层（5.4–8公里）。火星壳深度小于5公里的温度条件仅允许水以冰的形式存在，而深度大于5公里时，温度升高使得水以液态形式稳定存在。b 综合研究揭示的火星地壳上部结构及水储存模型。蓝色区域表示液态水的赋存区域。
假设这些孔隙完全充满液态水，估算的最大含水量520–780 m GEL。研究团队强调，这一估值完全基于“洞察号”着陆器下方的局部结构，且未考虑火星壳中可能原始存在的液态水。这一研究提供了火星壳上部存在大量液态水的地震学观测证据，不仅为理解火星水循环和宜居环境演变提供了关键科学依据，也为未来火星生命探索等研究奠定了重要基础。
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