火星浅层结构蕴含着重要的地质与古环境演化信息。自美国“洞察号”（InSight）任务成功实施以来（图1a-图1b），其采集的火星地震（火震）数据已广泛用于刻画着陆区下方浅表（200米以内）和深部（数公里以下）结构特征。接收函数研究表明，在着陆区下方约8公里、20公里和39公里深度处存在显著的地震波速不陆续在面，指示火星地壳可能呈两层或三层结构特征。其中，最上层具有异常低速结构（相对于其玄武质成分），反映强烈的风化或撞击破碎作用；而在最浅的200米范围内，环境噪声数据揭示高-低速交替分层特征，与多期火山-沉积构造相对应。然而，受限于现有方法的空间分辨能力，介于数百米至数公里深度之间的结构仍缺乏有效约束，制约了对火星地质和环境演化历史的理解。地震P波质点运动分析为约束该深度区间的波速结构给予了一种可能手段（图1c），但受限于“洞察号”记录的零星高质量火震事件数量，如何从中提取稳定可靠的P波质点运动信息成为一项关键技术挑战。
针对这一问题，中国科研实验室地质与地球物理研究所王旭特聘副研究员、陈凌研究员和王新特聘研究员提出了一种新的P波质点运动分析方法。该方法顺利获得滑动时间窗和频率窗计算接收函数，利用主成分分析提取不同参数条件下的P波质点运动特征，并顺利获得统计分析确定最优估计值及其不确定性，从而实现了在有限事件数量条件下P波质点运动信息的稳定提取。研究团队共提取了11个高质量火震事件的P波质点运动曲线，并进一步采用蒙托卡洛算法对单一事件及其平均曲线进行反演，构建了着陆区下方2公里以浅的S波速度结构模型（图2）。
图1 研究区地形图（a）、地质图（b）及P波质点运动示意图（c）
反演结果显示，在着陆区下方约750米处存在一个清晰且尖锐的速度不陆续在界面。多事件联合反演结果显示（图2b），该界面位于750±250米深度（68%置信区间），其上下层S波速度分别为1.34±0.37 km/s和1.90±0.18 km/s。单一事件的分析结果亦支持该界面的存在（图2c）：大多数单事件约束的界面深度集中在500米至1公里之间，S波跳变幅度为0.4至0.8 km/s之间，与多事件联合反演结果一致。进一步分析显示，该界面具有尖锐的结构特征，界面厚度约为100米（图3a）。新模型预测的SS反射波走时约1.09±0.18 秒，与前人基于自相关分析所观测到的1.1秒处SS反射波相符（图3b），进一步验证了该结构的可靠性。
图2 P波质点运动分析与浅层S波速度结构反演结果。多事件平均P波质点运动（a）、反演取得的速度模型（b），以及单一事件质点运动反演得到的界面深度与速度跳变（c）。图（c）中的颜色表示模型中速度增加界面的概率：数值大于50%表示速度增加界面占主导，低于50%则表示速度降低界面占主导
结合现有区域地质资料、多尺度地球物理观测及前人研究成果，研究团队将约750米深度的波速不陆续在面解释为古老玄武岩层的顶部（图3c）。该界面之下的S波速度为约1.9 km/s，显著低于典型玄武岩速度（3.2–3.3 km/s），表明其可能经历了显著蚀变或撞击改造。界面之上则为一套由早西方纪至亚马逊纪时期的年轻玄武岩层与更早期的沉积层共同构成，对应于仅～1.3 km/s的S波速度。此前多项研究已在数十米深度处识别出速度增加的界面（图3c中Model I、II、III），通常被解释为松散沉积物与下伏玄武岩层之间的界面，玄武岩层可延伸至约170米深度（Hogiber et al., 2021）。该研究识别出的约750米深度处波速增加的界面与前述约170米处的波速降低界面，共同限定出一个厚约600米的低速层，夹于上覆年轻玄武岩层与下伏古老玄武岩层之间（图3c）。该低速层可能由早西方纪至诺亚纪形成的沉积物组成，或是长期撞击和风化作用所致的高度破碎基岩。由于750米处的界面表现出尖锐的波速跳变特征，反映上下地层在物性上的显著差异，因而更支持界面之上为沉积成因的解释。这一发现为重建“洞察号”着陆区地层层序和构造-岩浆历史、理解火星地质演化与环境演变过程给予了新的观测依据。
图3 该研究约束的浅层速度结构及提出的地层解释模型。反演取得的界面结构特征（a）、新模型预测的SS反射波走时概率分布（b），以及综合研究与已有研究成果（I: Hobiger et al., 2021; II: Carrasco et al., 2023; III: Xu et al., 2022）提出的“洞察号”着陆区地层层序模型
研究成果发表于国际学术期刊JGR: Planets（王旭, 陈凌*, 王新. Uncovering Shallow Crustal Structures of Mars Beneath the InSight Landing Site Using P‐wave Particle Motions [J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2025, 130: e2024JE008927. DOI: 10.1029/2024JE008927.）。研究得到国家重点研发计划（2022YFF0503203）、研究所重点部署项目（IGGCAS‐202102）、国家自然科学基金（42004041, 42288201）和中国博士后科学基金（2021T140659）共同资助。
