На основе анализа сейсмических данных, полученных автоматической станцией InSight, планетологи промоделировали структуру марсианской мантии и показали, что ее неоднородность, по-видимому, носит глобальный характер. Она выглядит как фрактальное распределение рассеивающих сейсмические волны фрагментов, в котором ученые определили мелкомасштабные объекты километрового размера. В статье, опубликованной в Science, исследователи предположили, что неоднородности в мантии Марса возникли в результате мощных столкновений на заре истории планеты с последующим медленным конвективным перемешиванием под застойной одноплитной литосферой.
Неоднородность мантии современной Земли тесно связана с процессом тектоники плит и надежно фиксируется методами сейсмической томографии, основанными на анализе вариаций скорости распространения сейсмических волн. При этом от древнейших мантийных структур, таких, например, как первичный магматический океан, остались лишь следы, идентифицируемые по изотопным признакам лавы из вулканов, расположенных в «горячих точках» и питаемых мантийными потоками. Однако у Марса, литосфера которого не расчленена на подвижные плиты, вязкость мантии выше, а размеры существенно меньше, чем у Земли, мантийная конвекция должна происходить менее интенсивно. Поэтому планетологи ожидают, что в мантии Красной планеты сохранилось гораздо больше реликтов древней структуры, изучение которых прольет свет на раннюю эволюцию планет земной группы.
О локальных неоднородностях мантии могут рассказать данные химического и изотопного анализа марсианских метеоритов, а также ― в перспективе ― образцов, отобранных в ходе миссии ровера Perseverance. Однако в построении глобальной картины ведущую роль играют сейсмологические исследования, которые опираются на данные, полученные автоматической геофизической станцией InSight. Так, в 2023 году установленный на станции широкополосный сейсмограф SEIS зарегистрировал марсотрясение, вызванное падением крупного метеороида, и анализ записи этого события выявил масштабную неоднородность ― предположительно, зону плавления в нижнем слое мантии.
Чтобы обнаружить более мелкие детали строения марсианской мантии и выяснить, как они распределены, планетолог из Имперского колледжа Лондона Константинос Хараламбус (Constantinos Charalambous) и его коллеги из Великобритании, США и Франции проанализировали записи сейсмических событий из данных InSight. Ученых интересовали признаки систематического запаздывания высокочастотных составляющих сейсмического сигнала по отношению к расчетным временам пробега волн в рамках существующей однородной скоростной модели. Эти невязки свидетельствовали бы о рассеянии на объектах, которые по размерам меньше длин волн или сопоставимы с ними. Запаздывание можно надежно отличить лишь при больших пробегах волн, поэтому исследователи сосредоточили внимание на
События S0264e, S0421a, S0424c, S1000a, S1094b, S1102a, S1153a и S1415a. Цифры обозначают номер сола, в который было зарегистрировано марсотрясение; строчные буквы ― порядковый номер события в течение сола.
, происшедших на эпицентральных расстояниях 57–126,7 градуса (то есть 3400–7500 километров) от станции и оставивших сигналы с частотой до восьми герц. Наибольшая глубина траектории, рассчитанная для сейсмических лучей от этих событий, составила около 1400 километров.
Хараламбус и его коллеги использовали данные только по частотно-зависимой задержке сигнала от рассеянных продольных P-волн, так как шум от него препятствовал анализу запаздывания менее скоростных поперечных S-волн. Чем дальше от приемника SEIS располагался эпицентр марсотрясения, тем больше оказались невязки времени из-за многократного рассеяния на неоднородностях структуры мантии на большой глубине. Построив модель среды, в которой происходил этот процесс, исследователи получили самоподобную структуру с фрактальной размерностью около 2,9. Это показывает, что глубокие слои мантии Марса повсеместно заполнены сильно фрагментированным материалом. Размер фрагментов ученые
Частотно-зависимым невязкам, наблюдаемым в диапазоне от двух до восьми герц при расчетной скорости P-волн 8–9,5 километра в секунду, соответствовали длины волн от одного до четырех километров.
в пределах от одного до четырех километров.
Неоднородности мантийной структуры Марса, очевидно, сохраняются в течение миллиардов лет под жесткой и статичной одноплитной литосферой, существующей в режиме «застойной крышки». Равномерное распределение этих объектов подразумевает практически нейтральную плавучесть; следовательно, они существенно не отличаются по плотности от вмещающего вещества мантии и не связаны с тепловыми аномалиями. Авторы исследования предположили, что источником фрагментированного материала могли быть столкновения планеты с массивными телами на самых ранних этапах ее истории. Фрагменты таких тел и древнейшей коры распределились в первичном магматическом океане, а после его застывания участвовали только в относительно вялотекущей (по сравнению с Землей) конвекции и претерпевали медленное измельчение.
Ранее N + 1 сообщал, что благодаря данным станции InSight планетологи оценили скорость сокращения марсианских суток и нашли признаки жидкой воды в средней коре Марса. Также мы рассказывали о том, как ученые обнаружили на Красной планете действующий мантийный плюм и рассчитали, при каких условиях Марс может обладать твердым внутренним ядром.