张磊等-Innovation：对跖点效应揭示火星古地壳的南北部分熔融差异

球面上位于球体直径两端的点互为“对跖点”，比如南极点为北极点的“对跖点”。由于行星尺度的“对跖点效应”，陨星撞击火星引发的地震波经过一段时间的传播后，将在撞击点的对跖点汇聚，可能导致地面隆升甚至火山喷发（图1）。火星Alba高原是Hellas撞击坑的“对跖点”，然而，它在纬度上相对于理想对跖点向南偏离约2 （约119km）（图2），但导致该偏差的原因尚无定论。通过研究该偏差的成因有望为研究火星早期演化过程提供新的约束。

中国科学院地质与地球物理所地球与行星物理院重点实验室博士后张磊及其合作导师张金海研究员与岩石圈演化国家重点实验室Ross Mitchell研究员开展多学科交叉合作，通过地震波数值模拟探寻了导致该偏差的主控因素。他们首先建立了火星数值模型，然后采用谱元法模拟陨星撞击引起的地震波在火星全球尺度范围内的传播过程，最后分别测试了地形起伏、地壳厚度、岩石类型（玄武岩、安山岩等）、撞击点位置和撞击入射角度等因素的影响。测试结果显示：对跖点效应的主要能量来源是面波汇聚（图3），但上述因素不能完全解释2 偏差的成因，须在南部高地引入2%-5%的部分熔融才能使得面波在Alba高原附近汇集并产生局部放大效应，从而触发地形隆升甚至火山喷发。

研究结果表明，在Hellas盆地形成之前，火星地壳的二分性已经存在，即南半球比北半球存在更多的部分熔融。该文利用行星对跖点特性，通过数值模拟研究了火星古地壳的南北半球结构差异，为探索火星的早期形成演化过程提供了新的参考依据。

图1 陨星撞击火星引起的地震波在对跖点汇聚触发火山喷发。（A）体波穿过壳幔核，面波绕火星表面在对跖点汇集；（B）体波引起对跖点附近局部隆起和轻微的开裂；（C）面波引起地面形成更大的裂缝；（D）对跖点附近的地下岩浆沿着裂缝喷发形成火山

图2 火星Hellas盆地和Alba火山的对跖点效应。（A）以Hellas撞击坑为中心的地形图；（B）以Alba高原为中心的地形图；（C）同时显示Hellas撞击坑和Alba高原的地形图；（D）是图C的剖面示意图，其中高程和地壳厚度分别放大了100倍和3倍

图3 陨星撞击波场在对跖点附近的汇聚过程。（A） 径向位移的波场快照；（B–F）显示了不同撞击角度下理论对跖点（方位角312 ）处的径向位移及峰值分布；（B）波形比较；（C）体波的局部放大；（D）面波的局部放大；（E）体波窗口内理论对跖点附近的局部峰值径向位移分布；（F）面波窗口内理论对跖点附近的局部峰值径向位移分布

研究成果发表于The Innovation （张磊, 张金海*, Ross Mitchell*. Dichotomy in crustal melting on early Mars inferred from antipodal effect. The Innovation, 2022, 3(5): 100280. DOI: 10.1016/j.xinn.2022.100280)。研究受中国科学院重点部署项目（ZDBS-SSW-TLC00104），国家自然科学基金（41941002和41888101），以及中国博士后科学基金面上项目（2021M703193）的资助。

美编：陈菲菲

校对：万鹏