Сейсмограф InSight изучил строение Марса на глубине 200 метров

14:02 02 Декабрь Киев, Украина

С помощью сейсмографа SEIS, который на Марс привез аппарат InSight, а также услышанного им сейсмического шума, исследователям удалось создать подробную схему строения приповерхностных слоев Марса. Оказалось, что под слоем реголита и крупнозернистой брекчии вплоть до глубины в 200 метров залегают два разделенных осадочными породами больших слоя базальта. Как геофизики определили марсианские структуры на глубине от нескольких десятков до нескольких сот метров, они сообщили в Nature Communications.

Из чего построен Марс?

Марс был целью большого количества миссий по исследованию планет, и более 30 лет космические станции облетают его, остаются на его орбите, а велосипеды ездят по его поверхности. Это принесло нам множество знаний о планете и Марс является одним из немногих, со строением и эволюцией которого ученые сошлись в выводах. Мы знаем, что у Марса есть силикатная кора и мантия, а также богатое железом и никелем ядро, которое они окружают. Миссия НАСА InSight – первая, специально нацеленная на то, чтобы помочь ученым разобраться с подповерхностными слоями Марса, которая делает это, опираясь на его сейсмическую активность.

Миссия InSight со своим сейсмометром SEIS исследует марсотрусы с начала 2019 года, а за ними позволяет сделать выводы о внутренней структуре Марса во всех масштабах.

Недавно InSight помогла разобраться с внутренней структурой Марса – благодаря сейсмоактивности ученые оценили толщину коры от 24 до 38 километров, а ядро – примерно в 1830 километров.

В этот раз американские и швейцарские исследователи решили использовать зафиксированный ею фоновый сейсмический шум, чтобы исследовать неглубокие подповерхностные слои вокруг места посадки InSight, до сих пор ограничивались глубиной всего в 10-20 метров. В результате структуры на глубине от нескольких десятков до нескольких сотен метров остаются неизведанными, хотя подробные модели поверхностных слоев могут помочь в понимании процессов, сформировавших и саму равнину Элизий, и тектонической эволюции всего Марса.
 
Фото: Сейсмограф SEIS, работающий на равнине Элизий. NASA/JPL-Caltech


Чем поможет фоновый шум?

Фоновый сейсмический шум Марса сильно отличается от земного, поскольку два основных источника фоновых сейсмических колебаний на Земле – океаны и антропогенная активность отсутствуют. Причем атмосфера планеты намного тоньше, а солнечного излучения почти наполовину меньше, что тоже влияет на уровень сейсмических колебаний. На Марсе их основным источником является взаимодействие ветра с поверхностью, а марсотрусы для таких детальных исследований не подходят, поскольку являются слишком энергичными событиями.

Наблюдения InSight показывают, что минимальный уровень сейсмического шума на Марсе составляет от 0,05 до 5 герц, причем с гораздо меньшими амплитудами, чем на Земле. И при этом следует учитывать, что в данные попадает шум от движения самой станции, постоянно подвергающейся воздействию мощных марсианских ветров. Впрочем, в течение первого марсианского года работы InSight ученые обнаружили тенденции в порывах ветра на планете, а значит, научились отличать «сейсмическое» влияние частей механического посадочного модуля от собственной активности планеты.

Благодаря тому, что ежедневный порывистый ветер к вечеру значительно ослабевает, особенно летом, исследователи взялись за данные InSight за семь часов в ночь с 422 до 423 сола или земного 3 февраля 2020 года. По их мнению, фиксированные вибрации окружающей среды состояли преимущественно из поверхностных волн, а следовательно, зависели от локальных свойств геологической среды и поэтому могут помочь расшифровать строение подповерхностных слоев Марса.
 
Фото: Полученный сейсмографом частотный спектр 3 февраля 2020 года. Cedric Schmelzbach et al. / Nature Communications, 2021
 


Какой Марс не на глубине?

В своей работе исследователи применили классическую для сейсмологов технику анализа кривых эллиптичности волн Релея, и таким образом выстроили схему структуры Марса до глубины около 200 метров. Сама станция стоит примерно на трех метрах песчаного мелкозернистого реголита, который затем переходит в крупнозернистую брекчию, которая уже на глубине 15 метров соединяется с коренной породой. По брекчии исследователи обнаружили базальтовые породы, отнесшие к амазонскому периоду – примерно 1,7 миллиарда лет марсианской геологической истории.

Далее ученые зафиксировали неожиданное понижение скорости распространения волн на глубине от 30 до 75 метров. Скорее всего, там лежит осадочный слой, который образовался, когда Марс переживал холодные и сухие условия, подобно тем, что можно наблюдать сейчас, но затем покрылся новыми вулканическими отложениями. Осадочные породы в свою очередь лежат на гесперийских базальтах в возрасте 3,6 миллиарда лет, достигающих глубины 175 метров.

Возраст базальтовых пород под станцией удалось оценить с учетом распределения кратеров — кратеры диаметром более двух километров намного старше, чем имеющие диаметр 200-700 метров. Меньший диаметр указывает на более молодые изменения поверхности.
 
Фото: Интерпретация полученных распределений скорости сейсмических волн, где (сверху вниз) исследователи предполагают слой реголита, амазонские базальты, слой осадочных пород, амазонские и(или) гесперийские базальты, а также, вероятно, еще один слой осадочных пород. Cedric Schmelzbach et al. / Nature Communications, 2021

Миссия InSight уже третий год работает на Марсе и приносит нам много интересных сведений о нем. Лишь уникальный (и единственный на планете) сейсмограф недавно зафиксировал полуторачасовой марсотрус, оценил размер марсианского жидкого ядра примерно в половину земного, а также разоблачил следы недавнего вулканизма на планете.