图 地球和火星深部结构对比示意图
在国家自然科学基金“月球与深空探测科学研究（一）”专项项目（批准号：42241117）、重大项目“地核的精细结构及时变机制”（批准号：42394113）等资助下，中国科学技术大学孙道远、毛竹教授团队与国际合作者在行星科学研究领域取得进展。研究成果以“火星600公里固态内核的地震学证据（Seismic Detection of a 600-km Solid Inner Core in Mars）”为题，于2025年9月3日发表于《自然》（Nature）。论文链接https://www.nature.com/articles/s41586-025-09361-9。
火星作为太阳系内与地球最为相似的类地行星，一直是行星内部结构与演化研究的重要对象，也是深空探测任务的核心目标之一。然而，对火星内部结构的探测难度极大，直到2018年美国国家航空航天局“洞察”号探测器才首次获得火星震的观测数据。尽管目前已记录了上千次火震事件的数据，但信号微弱和噪声干扰等问题仍严重限制了学术界对火星深部结构探测的研究。
研究团队利用“洞察”号探测器记录的火震数据创新性地引入火震阵列分析方法，通过对23个信噪比较高的火震事件的数据分析，成功提取出穿过火星核的关键震相（图）。团队发现实际观测到的PKKP到时比仅考虑液态核的火星速度模型所预测的结果提前了50~200秒。这一时间差表明，火星核应具有分层结构：即外层为液态核，而更深部应存在一个波速更高的固态内核。在进一步分析中，研究团队识别出被视为“固态内核标志”的PKiKP震相信号。这一发现为火星存在固态内核提供了直接证据。结合更多的火核震相，团队估测火星固态内核半径约600公里，约占火星半径的1/5。如将火星按比例放大至地球大小，其内外核结构比例与地球高度接近。研究团队还发现火星外核与内核之间存在约30%的波速跳变和约7%的密度差异。据此，研究团队对内核的矿物组成进行了分析。结果显示，火星核并非由纯铁镍构成，还可能包含12~16%的硫、6.7~9.0%的氧及不超过3.8%的碳。这种含有轻元素的星核结构，不仅为火星磁场从早期活跃到如今沉寂的演化历程提供了重要线索，也为对比地球与其他类地行星的内部演化差异奠定了关键基础。
该研究首次在地外行星中确认了固态内核的存在，证实了火星与地球相似的核幔分异结构，为地外天体圈层结构研究提供了重要参考，更有力彰显了我国行星科学与地球物理学交叉领域的研究创新能力及国际影响力。