火星地震显示，火星最大峡谷水手号峡谷至今仍在开裂

太阳系最大的峡谷并非一片死寂的地貌。美国国家航空航天局（NASA）InSight着陆器记录到的一次火星地震，源自水手号峡谷（Valles Marineris）地下深处一条断层的滑动。这一峡谷系统横贯火星近四千公里，这意味着数十亿年前在那里形成的断层，至今仍可能在这颗行星当前承受的应力作用下破裂。

这一点之所以重要，是因为火星没有移动的构造板块。在地球上，板块相互摩擦错动，使古老的断层保持活跃。火星的外壳则像一个缓慢冷却的单一“盖子”，这类地壳中的断层会随时间愈合并变得更加牢固。新的分析显示，峡谷下方至少有一条深部断层并未愈合闭死，它位于地表以下二十至四十公里处。

这项研究发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上，由伦敦帝国理工学院的Jung-Hun Song领衔，合作者包括同在帝国理工的Doyeon Kim、哥伦比亚大学的Folarin Kolawole等人。研究依托的是单一事件，编号S0976a，这是InSight在火星西半球定位到的唯一一次火星地震。

“Valles Marineris是整个太阳系中最壮观的地质构造之一，但直到现在，我们还无法确定它的断层是否仍然活跃，”Song说，“我们看到的是，这里并不只是一片‘死去的’化石地貌，峡谷深处的断层仍然可能滑动并引发火星地震，即便最初塑造它们的地质过程早已停止。”

在火星另一侧，仅凭一台地震仪解读断层

在地球上，地震学家通过比较震中周围数十个台站记录到的初动，来推断断层如何运动。InSight只有一台地震仪，而S0976a几乎发生在火星的另一侧，角距离约146度，沿地表约8600公里。直达波没能以可用的形式抵达着陆器。抵达的是PP波和SS波，即在传播路径中途于火星表面反射一次的纵波和横波。

研究团队针对多种火星内部模型，用计算机合成的理论地震图对这两组波列进行建模，测试了断层走向、滑动方向以及深达50公里范围内各种深度的所有组合。为验证单个台站能否胜任，他们把同样的方法用于美国内华达州的一次6.5级地震，这次地震由澳大利亚的一台地震仪在几乎相同的距离上记录。结果，该方法还原出了正确的断层。

对于S0976a，答案是走滑破裂：两块地壳沿着一条陡倾的断层水平错动，就像加利福尼亚州的圣安德烈亚斯断层。在所有与波形吻合度可接受的解中，82.2%属于这一类型。破裂深度约20至40公里，位于中下地壳，在55至65公里深的地壳底部之上。将波形拟合结果与已知断层分布图以及高频波的来向相结合，震源被定位在峡谷西部的Ius Chasma附近。

排除山体滑坡和陨石撞击

火星上的地震信号并不自动意味着断层活动。陨石撞击和山体滑坡同样会震动这颗行星，而Valles Marineris沿线遍布巨型滑坡堆积物。研究团队直接检验了这些可能的震源。模拟撞击的爆炸模型和基于力的滑坡模型都无法重现波的极性、到时和相对强度，也无法产生数据中强烈的水平震动。此外，火星上已确认的撞击往往产生高频信号，而S0976a是一次低频事件。

研究人员随后检索了地震发生后，美国国家航空航天局火星勘测轨道飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter）上的背景相机（Context Camera）拍摄的所有震源区域图像。足以产生此类信号的滑坡至少需要移动1000万立方米岩石，并留下宽数百米至一公里的新鲜堆积物。但图像中没有这样的痕迹，也没有新的撞击坑。相比之下，InSight目录中此后唯一一次远距离事件S1000a，被证实是一次流星体撞击，轨道上观测到了新形成的撞击坑。

“这一结果之所以令人信服，是因为几种完全不同类型的证据指向同一个方向，”Song说，“地震波告诉我们，在远低于地表的一条断层上发生了侧向滑动，而从轨道上看到的地质情况显示，这一区域被长期存在的断层系统所贯穿。”

长度接近科罗拉多大峡谷9倍的峡谷

据帝国理工学院介绍，Valles Marineris绵延近3900公里，最宽处达600公里，深度超过9公里。按最大尺寸计算，它的长度接近科罗拉多大峡谷的9倍，宽度超过其20倍，深度约为其5倍。它与塔尔西斯（Tharsis）一同形成，后者是孕育奥林匹斯山（Olympus Mons）的巨大火山隆起。地质学家长期争论，这座峡谷究竟是作为裂谷张开、在自身重量下塌陷，还是被斜向撕裂而成。

这次火星地震为这场争论提供了新证据。它所记录的应力模式，与“增厚地壳重力塌陷形成峡谷”的模型不符，而与斜向撕裂、既有拉伸又有侧向剪切的峡谷形成方式相吻合。这次地震的最大挤压方向大致为西北西，也与赫斯珀里亚纪（火星历史的早期阶段）峡谷早期变形时推断出的挤压方向一致。数十亿年后，同样的应力方向似乎仍作用于同一套断层构造之上。

作者指出，目前可能有三种力量在给这些断层加载应力：行星冷却导致的缓慢收缩、Tharsis隆起的重量，以及侵蚀掏空峡谷所造成的卸载。借助S0976a，InSight已揭示火星上三种不同类型的活动断层作用：Cerberus Fossae裂隙下方的拉张，Elysium Planitia南部地壳边界附近的挤压（该任务记录到的最大火星地震S1222a即发生于此），以及Valles Marineris下方的走滑。

“这表明，在一颗没有板块构造的行星上，数十亿年前形成的构造依然重要，并且至今仍能控制地壳在何处破裂，”Kolawole说。

尚未解决的问题

一切结论都建立在一台仪器记录的一次火星地震之上。由于只有一个台站，这种方法只能给出两个相互垂直的可能断层面，无法判断究竟是哪一个发生了滑动；而且估算出的断层走向，与地表测绘出的任何单一主导断层组都不吻合。定位也部分依赖于已测绘断层的密度，作者称这只是判断深部滑动发生位置的大致参考，而非直接测量。

研究没有记录到余震。团队认为这在意料之中：在他们的模拟中，InSight在那样的距离上、50个火星日内哪怕探测到一次较大余震的概率也仅为0.1%，因为火星的核和深部内部会阻挡并削弱来自另一侧的波。没有余震并不构成否定这一结果的证据，但也意味着没有第二个事件可以证实它。

这项研究无法说明峡谷多久破裂一次，也无法说明那里的地震最大可能有多强。S0976a是一次中等规模的事件，与既有断层上一小块区域的有限滑动相符，而非新的破裂。作者也无法区分当前应力中有多少来自Tharsis下方地壳的弯曲，有多少来自更深部的支撑。他们还指出，定位精确的火星地震数量稀少，可能既反映了火星本身较为平静，也同样反映了InSight记录时间短、只有单一台站的局限。

关于水手号峡谷火星地震的常见问题

火星现在还有地质构造活动吗？

有，至少在部分地区如此。InSight在任务期间记录到了火星地震，对个别事件的分析显示，Cerberus Fossae裂隙下方、Elysium Planitia南部以及如今的Valles Marineris下方都存在活动断层作用。火星没有移动的板块，因此这些活动源自单一刚性外壳内部的应力。

水手号峡谷和科罗拉多大峡谷相比有多大？

它绵延近3900公里，最宽处达600公里，深度超过9公里。其长度接近科罗拉多大峡谷的9倍，宽度超过其20倍，深度约为其5倍。

水手号峡谷下的火星地震是怎么引起的？

根据这项研究，地震源自峡谷西部地下20至40公里处一条古老断层上的走滑破裂，地壳块体沿水平方向相互错动。陨石撞击和山体滑坡已被排除，因为它们无法重现记录到的波形，而且轨道图像中也没有出现新的撞击坑或滑坡。

火星有板块构造吗？

没有。火星外壳就像一个单一的停滞盖层，数十亿年来一直在冷却和收缩。这项研究表明，该盖层内部的断层在当今的应力作用下仍可能滑动。

InSight于2021年8月25日记录到S0976a，这是它在火星表面工作的第976个火星日；该任务已于2022年12月结束。论文于2026年10月15日发表。由于目前火星上已没有运行中的地震仪，现有的InSight目录是这颗行星唯一的地震记录。研究团队表示，这一成果显示了这些记录中仍蕴藏着多少信息。

这次地震此前已被“挖掘”过一次：它的地震波穿过火星核，帮助绘制出这颗行星最深的圈层。“从一次火星地震中，我们既能了解行星的中心，也能了解其最引人注目的地貌之一下方的一条活动断层，”该研究的资深作者Kim说。

参考文献：Song et al., “Active crustal straining and fault reactivation at Valles Marineris,” Nature Communications, 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-78193-6

标签: 天文学, nasa, 火星, InSight, 火星地震, Valles Marineris