由于火星的理化性质、物质组成和内部结构与地球十分相似，开展火星探测对于研究地球的形成和演化具有重要参考意义。近年来，火星探测项目在国内和国际上越来越受到重视，相继有“洞察号” (InSight, 2018)、“天问号” (Tianwen-1, 2020)、“毅力号” (Perseverance, 2020) 成功登陆火星进行科学探测研究。截至今日，探测星体内部结构最有效的方式是基于地震波的地震学观测，而“洞察号”是火星上唯一的台站式科学探测器，其配备的高精度火震仪为研究火星内部结构和演化历史提供了前所未有的宝贵机会。然而，火星的地震观测环境与地球差异巨大，尤其是稀薄大气在太阳辐射下会产生剧烈的风暴活动，这可能会对火星地震观测产生影响。

       为了评估火星观测环境对地震背景噪声的影响，地球与空间科学学院王彦宾教授课题组利用“洞察号”地震观测数据开展研究，首次对多个连续火星日内的火星地震背景噪声数据进行了系统性的水平垂直谱比分析，通过与火星气象观测数据的对比分析，发现了地震背景噪声与当地气象环境条件的相关性，其中风速带来的影响最为显著。进而揭示由风力驱动的登陆器自振是地震数据频谱中噪声的主要能量来源。结合极性和衰减分析，进一步确认谱比曲线中高频的峰均来源于登陆器自振模式，谱比曲线相对低频部分的峰和谷则可能是受地下结构响应的影响。近日，在经过两年不断努力后，该研究的最终成果以” Characteristics of Horizontal to Vertical Spectral Ratio of InSight Seismic Data from Mars” 为题发表于Journal of Geophysical Research: Planets 杂志 (DOI: 10.1029/2020JE006813).

图1 连续2个火星日内水平垂直谱比的时频变化

       该研究采用地震学时频分析方法，对多个连续火星日内的火星表面地震背景噪声数据进行了研究，其中包括了功率谱、振幅谱、水平垂直谱比等数据的分析，并结合地震仪的工作性能噪声和气象观测数据分析了背景噪声中主要能量的变化模式和可能来源。火星地震观测数据的频谱呈现多个日周期性变化的窄条带，它们的幅值和频率的波动与风速和气温的变化具有较强一致性。火星背景噪声的水平垂直谱比值具有日周期性变化和多峰两大特征。经过以登陆器振动作为源的数值模拟，解释了这两大特征主要由登陆器自振引起。利用极性分析研究峰谷频率附近的地面运动特征，显示谱比的高频部分的地面运动主要是位于水平方向的线性运动，且方位角比较固定。这些特征与由风驱动的火星登陆器的自振模式比较吻合。谱比的低频部分存在垂直方向强于水平方向的地面运动 (2.4 Hz mode)，目前针对该信号的起源存在争议，该研究使用随机减量方法对该信号进行了衰减分析，确认来自高频范围的登陆器自振引起的机械振动拥有较低的衰减系数，而2.4 Hz mode的衰减系数明显更高，这一结果为该信号的自然源假说提供了可能的依据。对于部分已经探测到的火星震事件的谱比分析显示，没有发现明显的地下结构的自然响应。

该研究首次对火星表面连续地震观测数据的频谱和水平垂直谱比特征进行了系统性分析，揭示了不同频率范围内的地面运动特征，结合谱比和衰减分析，可以解释地下结构的响应，为进一步约束浅部结构提供了新的参考依据。

图2 水平垂直谱比最高峰与气象条件的关系

       该研究工作由王彦宾教授指导完成，第一作者为课题组博士生肖万博。该工作受到国家自然科学基金委重点项目支持。